Wenn ich auf ein weiteres großartiges Jahr zurückblicke, in dem ich Ingenieursmethoden vorgestellt/unterrichtet und Accuris-Kunden dabei geholfen habe, die richtigen Werkzeuge und Unterstützung zu finden, um die Produkte der Zukunft kreativ zu gestalten, komme ich zu dem Schluss, dass ein Satz das wiederkehrende Thema für 2024 zusammenfasst: „Arbeiten durch Unsicherheit“.
Ich habe schon vor langer Zeit erkannt, dass ich, wenn ich bei einer Präsentation nichts Neues lerne, weder meine Komfortzone noch die meiner Zuhörer ausreichend erweitert habe und die Zuhörer nicht so viel gelernt haben, wie sie hätten lernen können. Daher bin ich für sie wahrscheinlich nicht so nützlich gewesen, wie ich hätte sein können.
Beispielsweise habe ich in einem meiner Vorträge auf der Konferenz „2024 Aircraft, Airworthiness & Sustainment Conference” in San Antonio, Texas, alle drei Aspekte der Konstruktion und Montage von scheinbar einfachen Schraubverbindungen untersucht.
Ich habe schon mehrfach auf die Unsicherheiten und manchmal zweifelhaften Annahmen in der klassischen Lehrbuchtheorie hingewiesen, mit der angegeben wird, wie viel Vorspannkraft auf die Verbindung ausgeübt werden sollte – insbesondere wenn die verbundenen Komponenten aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Betriebstemperaturen auftreten. Eine gute Konstruktionspraxis führt zu einem Vorspannungsbereich, der zur Minimierung von Ermüdungsspannungen so hoch wie möglich ist, ohne dass die Gefahr einer Bolzenstreckung besteht. Dies entspricht in etwa dem, was die meisten Universitätskurse in Bezug auf industriell relevante Methoden lehren können.
Darüber hinaus besteht eine größere Unsicherheit hinsichtlich der Genauigkeit, mit der die Schraube während der Montage (auf einen Wert innerhalb dieses Bereichs) angezogen wird. Die meisten Unternehmen verwenden einen Standard-Drehmomentschlüssel und berechnen die Einstellung anhand einer klassischen Formel aus dem Lehrbuch. Leider kann selbst unter Werksmontagebedingungen die Genauigkeit beim Erreichen der gewünschten Vorspannung um plus oder minus 25 % variieren.
In diesem Zusammenhang ist es unmöglich, eine empirische Beziehung herzustellen, die eine präzise Lösung für das Problem der Messung des aufgebrachten Drehmoments liefert. Glücklicherweise liefert eine Analyse der umfangreichen Testergebnisse, die im Rahmen der ESDU-Methoden verfügbar sind, eine Methode zur Bestimmung von Näherungswerten für die durch ein bestimmtes Drehmoment induzierte Spannung bei kleinen Schrauben und Muttern.
Grafik mit Streubändern, die Unsicherheiten darstellen
Der dritte Aspekt der Herausforderung bei praktischen Schraubverbindungen ist ihr Potenzial zum Selbstlösen. Während sich eine ausreichend angezogene Schrauben-Mutter-Verbindung unter stabilen Betriebsbedingungen während des Einsatzes wahrscheinlich nicht löst, können bis zu 20 % der Vorspannung verloren gehen, wenn sich die Oberflächen der zusammenpassenden Komponenten einlaufen. Weitere und schwerwiegendere Verluste der Klemmkraft können auftreten, wenn Schraubverbindungen während des Einsatzes (oft unerwarteten) Vibrationen ausgesetzt sind.
Als ich ein typisches Beispiel für Selbstlockerung bei einem europäischen Kunden von ESDU und dessen Lösung mit unseren validierten Methoden vorstellte, war es sehr erfreulich, dass zwei Ingenieure nach meinem Vortrag zu mir kamen, um genau dasselbe Problem zu besprechen, das sie bei einem Flugzeugtyp ihrer Flotte zu lösen versuchten.
Das Interessante an dieser Geschichte war, dass diese Ingenieure und unser europäischer Kunde nicht mit Sicherheit wussten, warum sich ihre Schrauben gelegentlich von selbst lösten – aber die modifizierte Verbindung unseres Kunden hatte dieses Problem anschließend nicht mehr!
Schließlich richtete sich meine Präsentation an Ingenieure, die zu Recht verpflichtet sind, validierte Methoden, Daten und Software zu verwenden, die den strengen Anforderungen der Flugzeugzertifizierung entsprechen. Zurück in Großbritannien diskutierte ich mit einem Ingenieur, der im Bereich „Allgemeiner Maschinenbau“ tätig ist, über eine andere Schraubverbindung, bei der in der Montageanleitung des Produkts der Hinweis „WARNUNG: Nicht zu fest anziehen“ stand.
Zusätzlich zu den vagen Anweisungen wurde auch die Temperatur nicht berücksichtigt, ob die Muttern und Schrauben während der Montage geschmiert werden sollten, und es wurde eine billige Schraube mit grobem Gewinde gewählt. Der Ingenieur räumte ein, dass „es bei kaltem Wetter manchmal Probleme gab“...
Zwar hat ein Bolzenversagen im allgemeinen Maschinenbau nicht unbedingt katastrophale Folgen, wie sie bei einem Versagen oder „Lösen“ einer Flugzeugverbindung auftreten können, doch kann es für den Ruf und die Finanzen eines Unternehmens dennoch sehr schwerwiegende Folgen haben, wenn ein solch lösbares Problem bei der Konstruktion nicht behoben wird. Es ist sowohl beruflich als auch persönlich bereichernd, dass die validierten Methoden von ESDU, unterstützt durch unseren Ingenieursdienst, praktische Lösungen für alle Aspekte der Konstruktion von Schraubverbindungen und des Betriebs während der Nutzungsdauer für diejenigen bieten, die nach besseren und sichereren Produkten suchen.
Glücklicherweise gibt es eine Sache, die im Jahr 2025 sicher ist: Meine Kollegen bei Accuris und ich werden weiterhin Freude daran haben, anderen Ingenieuren dabei zu helfen, sich der Unsicherheiten in ihrer beruflichen Welt bewusst zu werden und damit umzugehen!
Möchten Sie mehr über Johns Ansichten zum Thema Ingenieurwesen in der Luftfahrt- und Rüstungsindustrie erfahren? Sehen Sie sich die Aufzeichnung unseres Webinars an, in dem er mit Chris Burrows, Ingenieur bei Rolls Royce, gesprochen hat.
