Schraubenberechnung - mdesign.de · Unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) kann der...

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WHITEPAPER Schraubenberechnung

SchraubenberechnungGrundlagen | Richtlinien | Methoden | Digitale Werkzeuge

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• Abstract• Fünf Gründe für die Berechnung von Schrauben

01 Einführung

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Inhalt

02 Grundlagen

• Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI 2230• Gängige Verbindungen und Sonderfälle• Richtlinienkonformes Berechnen von Mehrschraubenverbindungen

03 Ziele

• Zeiteinsparung: Abschied vom Formelwerk• Standardisierung• Einfache Bedienbarkeit• Gezielte Optimierung von Schraubenverbindungen• Variantenkonstruktion schafft neue Möglichkeiten• Im Näherungsverfahren zum idealen Schraubfall• Digitalisierung der Konstruktion

Seiten 3 - 4

Seiten 5 - 7

Seiten 8 - 11

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Tabellenkalkulation oder Taschenrechner: Das sind die jahrzehntelang bewährten Hilfsmittel für die Berechnung von Schraubenverbindungen. Auch hier aber haben die CAx-Technologien Einzug gehalten – mit einem vielseitig nutzbaren Berechnungs-tool für die Gestaltung von sicheren und zuverlässigen Schraubenverbindungen nach VDI-Richtlinie 2230. MDESIGN bietet auch zusätzliche Funktionen wie zum Beispiel das „Nachrechnen“ von Schraubfällen und die iterative Optimierung vorhandener Schraubenverbindungen.

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Fünf Gründe für die Berechnung von Schrauben

Das Auslegen von Verbindungen gehört zu den „Kernkompetenzen“ der meis-ten Konstrukteure, die in der mechanischen Konstruktion tätig sind. Frühere Generationen verließen sich dabei häufig auf ihr Erfahrungswissen. Heute berechnen sie jede einzelne oder zumindest jede kritische Schraubenverbindung, und dafür gibt es mehrere gute Gründe.

Erstens: Die Anforderungen an die Sicherheit und Produktivität von Maschinen steigen stetig. Ein Ausfall einer Schraubenverbindung wird nicht toleriert – weder vom Maschinenbauer noch vom Anwender der Maschine. Dasselbe gilt für Fahrzeuge und Anlagen.

Abstract

Zweitens: Zugleich streben die Konstrukteure an, sämtliche Bauteile exakt entlang der individuellen Anforderungen (das heißt Belastungskollektive etc.) zu konstruieren. Die Komponenten und auch die Schraubverbindungen sollen nicht deutlich über-dimensioniert, sondern „richtig“ dimensioniert sein.

01 Einführung

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Sonst werden andere Konstruktionsziele wie Leichtbau, Effizienz und Nachhaltigkeit nicht ausreichend erfüllt. Mit anderen Worten: Die Verbindung soll nicht so sicher wie möglich, sondern so sicher wie erforderlich sein und das mit höchster Zuverlässigkeit.

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Drittens: Es stehen Regelwerke zur Dimensionierung und Berechnung zur Verfügung, an denen sich der Konstrukteur orientieren kann. In erster Linie ist hier die VDI-Richtlinie 2230 zu nennen. Zu erwähnen sind neben DIN EN- und ISO-Berechnungsmethoden auch die Normen des Eurocode 3 sowie branchenspezifische Regelwerke.

Relevante technische Normen und Richtlinien im

Bereich der Schraubenberechnung

Viertens: Immer häufiger sehen sich Maschinenbauer und Komponentenlieferanten mit umfassenden Dokumentationspflichten konfrontiert. Dabei wird auch der Nach-weis der Eignung von Schraubenverbindungen für die jeweilige Anwendung gefordert. Das betrifft in erster Linie neue Maschinen, kann aber auch bei be stehenden Maschinenbaureihen verlangt werden. In diesem Fall ist also eine Nachrechnung mit Nachweis erforderlich, zunehmend auch in weiteren Sprachen.

Fünftens: Fünftens und letztens stehen dem Konstrukteur heute moderne Berechnungstools zur Verfügung, die sich an einschlägigen Richtlinien orien tieren und eine sowohl zuverlässige und normenkonforme als auch zeitsparende, sichere und nachvollziehbare Berechnung von Schraubenverbindungen ermöglichen.

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Welche Funktionen diese softwaregestützten Werkzeuge bieten, zeigt hier beispiel-haft MDESIGN bolt. Diese Berechnungs- und Informationssoftware ist eine von vielen Bibliotheken der MDESIGN Familie für die Berechnung von Antriebs- und Maschinen-elementen. Mit über 35.000 Anwendern ist die Software weltweit stark verbreitet.

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Ziel und Zweck von MDESIGN bolt ist es, den Konstrukteur durch die sichere Berechnung einer Schraubenverbindung nach der VDI-Richtlinie 2230 zu führen. In dieser Richtlinie werden seit vielen Jahren Verfahren zur Vordimensionierung von Schraubendurchmessern und zum systematischen Nachrechnen von Schrauben-verbindungen veröffentlicht und periodisch überarbeitet. Auch wenn diese Richtlinie keine bindende Wirkung hat, ist sie in der Konstruktionswelt doch zur anerkannten Grundlage für die Berechnung von Schraubenverbindungen geworden, und das nicht nur in Deutschland

Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI 2230

Dem Konstrukteur steht mit MDESIGN bolt eine Bedienoberfläche zur Verfügung, auf der er die notwendigen Umgebungsbedingungen und vorhandenen Belastungen der zu kon struierenden oder zu überprüfenden Schraubenverbindung zusammenstellt. Diese Vorgehensweise wird durch eine intuitive Bedienung mit Hilfen, Empfehlungen und Hinweisen erleichtert. Zum Beispiel stehen zahlreiche Text- und Grafikhilfen für Anziehfaktoren, Reibungszahlen und Faktoren für Lastangriffe während der Eingabe zur Verfügung.

02 Grundlagen

Kontextsensitive Unterstützung bei der Definition

der relevanten Randbedingungen

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Auch die integrierte Technologie- und Werkstoffdatenbank vereinfacht die Schraubenberechnung: Viele notwendigen Parameter für die Berechnung (u. a. Festigkeitsklassen, Werkstoffeigenschaften der verspannten Teile, Faktoren für Last-angriffe) sind bereits hinterlegt. Alle üblichen Schraubentypen können ausgewählt und berechnet werden.

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Datenbank mit genormten Materialkenndaten für

zahlreiche Schraubenwerkstoffe

Darüber hinaus berechnet MDESIGN bolt auch exzentrische Belastungsfälle und es können weitere Parameter wie z. B. die Umgebungstemperatur der Schrauben-verbindung und der Verbindungsteile berücksichtigt werden. Damit trägt MDESIGN der Tatsache Rechnung, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der verwendeten Werkstoffe Einfluss auf die Sicherheit der Schraubenverbindung hat.

Zugleich eignet sich MDESIGN bolt aber auch für Sonderfälle der Schrauben-berechnung. Der Konstrukteur kann individuelle Werkstoffe und Schrauben geometrien oder Zollschrauben verwenden. Außerdem berücksichtigt das Tool als weiteres Regelwerk auch Normen des Eurocode 3 zur Berechnung von Stahlschrauben.

Gängige Verbindungen und Sonderfälle

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Als Erweiterung von MDESIGN bolt steht mit MDESIGN multibolt ein Software-Tool für die Berechnung von Mehrschraubenverbindungen zur Verfügung. Grundlage ist hier die VDI-Richtlinie 2230 Blatt 2. Unter Verwendung der Finite-Elemente -Methode (FEM) kann der Konstrukteur Randbedingungen der Verbindung angeben und die auftretenden Lasten und Kräfte insbesondere für die höchst belastete Schraube ermitteln. Dabei wird die FEM für zahlreiche Standardfälle mit den analytischen Berechnungsmethoden der VDI 2230 verknüpft. Für die ausgewählten Schrauben-felder übernimmt MDESIGN multibolt den Großteil der aufwändigen und zeitintensiven Berechnungsaufgabe, die sonst anspruchsvolle FEM-Anwendungen erfordern.

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Richtlinienkonformes Berechnen von Mehrschrauben-verbindungen

Berechnung hochbeanspruchter Mehrschrauben-

verbindungen

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Die Nutzung des Berechnungstools MDESIGN bolt schafft die Voraussetzung für eine deutlich modernere, zeitsparende Arbeitsweise. Der Ingenieur muss weder in Formelsammlungen nachschlagen noch per Taschenrechner oder Excel die gewünschten Werte errechnen. Statt dessen gibt er die Werte ein, auf deren Basis die Verbindung ausgelegt wird und erhält ein normenkonformes Ergebnis. Die zeitaufwändige Berechnung übernimmt MDESIGN bolt. Dabei kommen sowohl numerische als auch analytische Berechnungsverfahren zur Anwendung. Ergebnis ist eine ebenso einfache wie sichere Berechnung von Schraubenverbindungen, die in die Dokumentation der Maschine oder Anlage integriert wird.

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Zeiteinsparung: Abschied vom Formelwerk

03 Ziele

Standardisierung

Der Wunsch der Unternehmen nach Standardisierung ist häufig das Hauptmotiv für dem Einsatz von MDESIGN bolt und der weiteren MDESIGN Bibliotheken. Diese Tools vereinfachen und standardisieren nicht nur die Berechnung von Maschinen-elementen, sie verbessern auch das Sicherheitsniveau der gesamten Konstruktion und schaffen die Grundlage für eine einheitliche Dokumentation, die in verschiedenen Sprachen ausgegeben werden kann. Der Anwender der Maschine sorgt für Trans-parenz, da die Normen angegeben werden, nach denen die Schrauben verbindung und andere Maschinenelemente ausgewählt bzw. konstruiert und geprüft wurden.

Einfache Bedienung

Trotz der komplexen Berechnungsmethodik und der vielen Optionen ist die Berechnung von Schraubenverbindungen mit MDESIGN bolt aus Sicht des Kon strukteurs sehr einfach. Dazu trägt auch die Tatsache bei, dass sämtliche Bibliotheken von MDESIGN (mit denen sich u. a. Wellen, Welle-Nabe-Verbindungen,

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Federn, Riemen, Schweißnähte aber auch Verzahnungen und vieles mehr berechnen lassen) mit einer einheitlichen Bedienoberfläche ausgestattet sind. Das ist eine deut-liche Arbeits erleichterung. Kaum ein Konstrukteur konstruiert jedoch ausschließlich oder überwiegend Schrauben verbindungen. MDESIGN als Berechnungstool wird bei Bedarf auch für weitere Maschienelemente schnell und effizient genutzt.

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Leistungsumfang von Werkzeugen für die Berechnung

von Maschinenelementen und Bauteilgruppen

Neben diesen Vorteilen gibt es weitere, die ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Zum Beispiel hat der Konstrukteur die Option, mit MDESIGN bolt gezielt vorhandene Verbindungen „nachzurechnen“ mit dem Ziel, sie zu optimieren. So lässt sich fest-stellen, ob man im konkreten Fall - um nur ein Beispiel zu nennen - eine Schraube mit kleinerem Durchmesser verwenden oder die Einschraubtiefe reduzieren kann.

Gezielte Optimierung von Schraubenverbindungen

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Eine andere Möglichkeit, die sich durch die Nutzung von MDESIGN bolt (und auch der anderen MDESIGN Bibliotheken) ergibt, ist die Variantenkonstruktion. Sie ermöglicht alternative Schraubenverbindungen durchzurechnen und zu vergleichen. Parameter wie Größe, Werkstoff und Schraubentyp lassen sich variieren, bis die beste Lösung für den jeweiligen Verschraubungsfall gefunden ist. Auch einzelne Einflussgrößen wie zum Beispiel die Reibungs zahlen können auf diese Weise variiert werden. Das ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil im Vergleich zur „guten alten“ Schraubenberechnung mit Excel, die diese Möglichkeiten nicht bietet.

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Variantenkonstruktion schafft neue Möglichkeiten

Im Näherungsverfahren zum idealen Schraubenfall

Die Funktionen, die MDESIGN bolt zum Zweck der Konstruktionsoptimierung bietet, gehen aber noch weiter. Auch für Reihen- und Parameterstudien bietet MDESIGN eine Lösung, mit der sich der Konstrukteur an die jeweils optimale Konstruktion annähern und die im jeweiligen Fall optimale Schraubenverbindung auswählen kann.

Parametrische Optimierung mit modernen

CAx-Tools wie MDESIGN

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Mit diesen Eigenschaften erleichtert MDESIGN bolt das Berechnen von Schrauben-verbindungen und unterstützt den Konstrukteur bei der Entwicklung von Maschinen, Fahrzeugen und Anlagen. Es trägt auch dazu bei, die Konstruktionszeit und damit auch die „Time-to-Market“ zu verkürzen. Zugleich wird das Sicherheitsniveau durch die entsprechenden, automatisch erbrachten Sicherheitsnachweise erhöht.

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Digitalisierung der Konstruktion

In vielen Konstruktionsabteilungen des Maschinen- und Anlagenbaus bewährt sich MDESIGN bolt seit vielen Jahren als modernes Instrument für die Schrauben-berechnung und den Nachweis nach VDI 2230. Als Teil der Digitalisierung in der Konstruktion schafft dieses Berechnungstool eine zentrale Voraussetzung für die vereinfachte und normenkonforme Berechnung von Maschinenelementen. Zugleich ermöglichen alle Bibliotheken von MDESIGN die bauteil- und gewerkeübergreifende Nutzung von Konstruktionsdaten und vereinfachen damit unter anderem die digitale Dokumentation. Dadurch wird MDESIGN integraler Bestandteil von CAD- und PLM-Systemen.

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Redaktion:Dipl.-Ing. Reinhard Blömer

Layout & Design:M.A. Nicola Grade

Bilder:Shutterstock / Fotolia

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