Helfer mit großer Wirkung

Maschinenelemente

Spanntechnik – Mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben benötigen nur wenig Platz, lassen sich einfach und genau anziehen und auch wieder lösen.

06. Juli 2009

In allen Bereichen der Technik werden Verschraubungen als lösbare Verbindungen eingesetzt. Dabei ist das Ziel jeder Schraubenverbindung, eine Vorspannkraft zu erzeugen, die über der zu erwartenden Betriebslast liegt, jedoch nicht so hoch ist, dass Verschraubung oder verbundene Teile Schaden nehmen.

Durch die andauernden Anstrengungen von Forschern, Herstellern, Anwendern und dem Austausch in Wissensforen sind Verschraubungen mit kleinen Durchmessern inzwischen gut beherrschbar. Anders sieht es bei Verschraubungen mit großen Durchmessern aus. Bei diesen sind die Probleme letztlich immer ähnlich und – falls nicht von Anfang an entsprechende konstruktive Vorkehrungen getroffen wurden – systemimmanent: Die ursprüngliche Auslegung ist eher knapp, es kommt zu höheren Beanspruchungen und Stößen als angenommen oder zu einem vorzeitigen Verlust der Vorspannkraft mit zum Teil katastrophalen Folgen, zu Demontageschwierigkeiten und hohen Instandhaltungskosten. Speziell für das Vorspannen von großen Verschraubungen sind Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) entwickelt worden und werden seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt, wie Gießereien, Walzwerke, Turbomaschinen, Kompressoren, Pressen, Erdbewegungsmaschinen, Krane, Getriebe, Turbinen, Generatoren, Ventile, Schienenfahrzeuge, Schiffbau und vielen mehr. Spannelemente mit Vielfachschrauben benötigen nur wenig Platz, sie lassen sich einfach und genau anziehen und auch wieder lösen. Eingesetzt werden sie ab Gewindegröße M20, häufig bei M30 bis M80 ohne Begrenzung nach oben. Mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben bestehen aus einem Mutterkörper, der ähnlich wie herkömmliche Spannelemente auf einen Bolzen aufgeschraubt wird.

Enorme Vorspannkraft

In dem Mutterkörper ist eine Vielzahl kleinerer Druckschrauben im Kreis um das Hauptgewinde herum angeordnet. Anstelle des Hauptgewindes wird die Verschraubung nur mittels der kleinen Druckschrauben gespannt. Dabei erzeugt jede Druckschraube eine vergleichsweise kleine Druckkraft, die sich aber zu einer enormen Vorspannkraft summiert. Kleine Gewinde sind insgesamt einfacher zu handhaben und lassen sich auch deutlich genauer anziehen als große. Mit handelsüblichen Drehmomentschlüsseln kann die Vorspannkraft von Schrauben mit großem Durchmesser mit einer Genauigkeit von ±10 Prozent erreicht werden. Auch die Losbrechmomente beim Lösen sind bei kleinen Durchmessern wesentlich geringer als bei großen. Die Druckschrauben sind so großzügig bemessen, dass sie den erhöhten Losbrechmomenten problemlos standhalten. Bisher ist es gelungen, jedes Spannelement mit Vielfachschrauben zerstörungsfrei innerhalb kurzer Zeit zu lösen. Nicht nur beim Anziehen und Lösen sind Spannelemente mit Vielfachschrauben herkömmlichen Verbindungselementen überlegen, sondern vor allem im Betrieb. Hier gilt es, die aufgebrachte Vorspannkraft über einen möglichst langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.

Elastisch und zuverlässig

Stoßartige Belastungen, Setzungserscheinungen und Deformationen der Gewinde lassen sich nur durch eine hohe Elastizität der Verschraubung in den Griff bekommen. Spannelemente mit Vielfachschrauben sind sehr elastisch. Zum einen ist die Querschnittsfläche aller Druckschrauben kleiner als der Spannungsquerschnitt des Hauptgewindes. Zum anderen verstülpt sich der Mutterkörper unter der Vorspannkraft. Aufgrund der so gespeicherten elastischen Federenergie können Spannelemente mit Vielfachschrauben Setzungserscheinungen besser kompensieren als konventionelle Verbindungselemente. Die Vorspannkraft kann somit länger aufrechterhalten werden, und die Verbindung bleibt zuverlässig verspannt.

Preiswerte Vorbeugung

Zudem ermöglichen Spannelemente mit Vielfachschrauben im Vergleich zu herkömmlichen Spannmethoden bei Verschraubungen großen Durchmessers höherwertige Verbindungen. Sie bieten daher dem Instandhalter eine preiswerte Möglichkeit, wartungsintensive und risikobehaftete Schraubverbindungen vorbeugend zu sanieren. Auch das europäische Nuklearforschungszentrum CERN in der Nähe von Genf nutzt die Vorteile für die Verschraubung der Detektoren am größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger der Welt. Bei diesem müssen die Verschraubungen der enorm großen und kräftigen Magnete höchsten Belastungen – bei minimalen Kosten – standhalten. Wegen der hohen und genau einstellbaren Vorspannkräfte und der geringen Werkzeugkosten entschieden sich die Wissenschaftler für Superbolt-Spannelemente mit Vielfachschrauben. Wichtig war dabei das einfache Spannen der langen Zuganker mittels eines Drehmomentschlüssels, da die Magnetplatten gleichmäßig verspannt werden müssen.

Felix Rüegg, P & S Vorspannsysteme/aru

Erschienen in Ausgabe: 04/2009