Auswirkungen von Spiel auf die Scherfestigkeit von Spiralspannstiften

Häufig werden die Bohrungen in Bauteilen mit zylindrischen und konischen Senkungen versehen, um die Einführung des Spiralspannstifts in die zu verbindenden Bauteile zu erleichtern. Diese an sich gut gemeinte Maßnahme führt jedoch häufig zu übergroßem Spiel. Die Enden der Spiralspannstifte von SPIROL sind zur Vereinfachung der Zentrierung während der Montage mit großzügigen Anfasungen versehen, wodurch zylindrische und konische Senkungen nicht erforderlich sind (Abb. 1). Diese Merkmale, deren Auswirkung auf die Verbindung häufig übersehen wird, erhöhen nämlich wie bereits erwähnt das Spiel und das Risiko auf Verbiegung und vermindern wiederum die Leistungsfähigkeit des Spiralspannstifts bei einer Scherbeanspruchung. Die reduzierte Kraft trägt ferner auch zur Ermüdung bei, die zum vorzeitigen Versagen führen kann. Während sich die Ursachen für ein vorzeitiges Versagen leicht ermitteln lassen, kommt es darauf an, diese Ursachen auch zu messen, um den Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung zu verstehen.

Zur Quantifizierung der Abnahme der Leistungsfähigkeit wurde ein SPIROL-Spiralspannstift "Leichte Ausführung" mit schrittweise erhöhtem Spiel zwischen den Scherebenen geprüft. Die Wahl fiel auf den Spiralspannstift "Leichte Ausführung", da sich diese besonders leicht ein- und ausbauen lassen. Konkret handelte es sich um den aus kohlenstoffreichem Stahl gefertigten Spiralspannstift CLDP 0,250 x 2,500 LBK mit einer sich trocken anfühlenden korrosionshemmenden geölten Oberfläche.  Die Länge dieses Stifts erlaubt die Prüfung mit unterschiedlichen Maßen für das Spiel.

Spiralspannstifte sind für die problemlose Montage ohne zylindrische und konische Senkungen  konzipiert. Die glatten, konzentrischen Anfasungen kombiniert mit rechtwinklig, sauber geschnittenen Stirnflächen sorgen für ein problemloses Einpressen.

Abbildung 3A Ein durch Abscheren versagter Spiralspannstift besitzt eine Bruchfläche auf nur einer Ebene

Abbildung 3B Ein durch Biegen versagter Spiralspannstift besitzt eine mehrdimensionale Krümmung der äußeren Windung und eine Bruchfläche auf mehreren Ebenen

Der Unterschied zwischen einem Versagen infolge einer Verbiegung und einer Abscherung lässt sich mühelos am Erscheinungsbild der Bruchstelle erkennen. Wie der Abbildung 3A zu entnehmen ist, weist der infolge eines durch Abscheren versagte Spiralspannstift nur eine Bruchebene auf. Zwar sind die Windungen etwas verformt, aber sie erscheinen oben flach, da die äußere Windung nur radial verbogen wurde. Abbildung 3B hingegen zeigt einen Spiralspannstift, der mit einem Spiel von 3,05 mm geprüft wurde. Auf dieser Abbildung ist eindeutig die Verbiegung des gesamten Stifts zu erkennen, die sich in der zur Bruchfläche führenden Krümmung äußert.

Darüber hinaus stellt die Bruchfläche unterschiedliche Bruchebenen dar und zeigt das Versagen an jeder Windung anders. Es ist unerlässlich, nicht nur die Bruchstelle eines versagten Spiralspannstifts, sondern auch die Bauteile zu untersuchen, in die der Spiralspannstift eingebaut wurde. Diese weisen nämlich häufig Eigenschaften auf, die aus der Konstruktionszeichnung gar nicht hervorgehen, aber dennoch das Spiel vergrößern. Die Ursache für ein Versagen lässt sich nur durch die Analyse sämtlicher Bauteile einer Anwendung ermitteln.

Zu jedem eingestellten Spiel wurden jeweils 30 Prüfungen bis zum Bruch durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Daten stützen die Vermutung, wonach zunehmendes Spiel den zum Versagen führenden Kraftaufwand reduziert. Interessant ist die Beobachtung, dass bei der Zunahme des Spiels von 1,83 mm auf 3,05 mm der zum Bruch erforderliche Kraftaufwand deutlich geringer abnimmt. Der Kraftaufwand sank um 18 % bzw. ungefähr 3,6 kN, wenn das Spiel von 0,13 mm auf 1,83 mm erhöht wurde, aber nur mehr um weitere 0,7 kN bei einer Vergrößerung des Spiels von 1,83 mm auf 3,05 mm. Dies bedeutet eine Gesamtreduzierung des Kraftaufwands um 22 % bei einem Spiel von 3,05 mm. 

Die Formel zur Biegespannung lautet¹:

Es gilt: Ff ist die Last zum Zeitpunkt des Versagens, R der Radius des Stifts und L der Abstand zwischen den beiden Aufnahmen. Wird das Spiel symmetrisch auf beiden Seiten erhöht, um den Abstand zwischen den Aufnahmen zu vergrößern, so wird L zu L+2g, wobei g dem zusätzlichen Spiel auf einer Seite entspricht. Abbildung 4 veranschaulicht auf der Basis der erhaltenen Messwerte den Einfluss von g auf den erforderlichen Kraftaufwand. Der Übergang von der Abscherung zur Biegung setzt sehr schnell ein, sobald der empfohlene Spielhöchstwert von 0,13 mm überschritten wird. Dementsprechend besagen die Messdaten, dass der zum Versagen erforderliche Kraftaufwand bei minimaler Abweichung von den idealen Scherbedingungen am stärksten sinkt. Bei einer weiteren Zunahme des Spiels zwischen den Aufnahmen bzw. verbundenen Bauteilen nimmt die zum Bruch benötigte Kraft zwar weiterhin ab, aber nicht mehr annähernd so stark wie anfangs. In unserem Fall ergab sich bei einem Spiralspannstift der Ausführung CLDP 0,250 x 2,500 LBK durch eine Erhöhung des Spiels von 0,13 mm auf 1,83 mm eine 18-prozentige Reduzierung des zum Bruch benötigten Kraftaufwands. 

Bei der Ansicht, dass zylindrische und konische Senkungen die Montage eines Spiralspannstifts erleichtern und die Festigkeit einer stiftbasierten Verbindung nur minimal beeinträchtigen, handelt es sich um eine gängige Fehleinschätzung. Das angefaste Ende des Spiralspannstifts führt diesen mühelos in die nächste Bohrung, selbst wenn die Bohrungen nicht perfekt ausgerichtet sein sollten. Somit erübrigen sich zylindrische und konische Senkungen. Die Messergebnisse belegen eine erhebliche Festigkeitseinbuße des Spiralspannstifts bei auch nur einer geringfügigen Zunahme des Spiels zwischen den Scherflächen auf den Scherebenen. Überlegungen zur Biegezugfestigkeit und zum Funktionsprinzip des 3- oder 4-PunktBiegezugversuchs erklären, warum sich zunehmendes Spiel negativ auf die zum Versagen des Spiralspannstifts erforderliche Last auswirkt. Bei der Entwicklung neuer bzw. Überprüfung vorhandener Anwendungen kommt es darauf an, das Spiel zwischen den verbundenen Bauteilen zu minimieren, denn dies erlaubt die optimale Ausnutzung der hohen Scherfestigkeit der Spiralspannstifts und somit die Maximierung der Lebensdauer von Baugruppen.

¹Callister, William D., “Stress-Strain Behavior” in Materials science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: Wiley, 2007 pp 447-448