ISO 3800 Gewindeverbindungen – Axiallast-Ermüdungsprüfung – Prüfverfahren und Auswertung der Ergebnisse

In der Norm „ISO 3800 Verbindungselemente mit Gewinde – Axiallast-Ermüdungsprüfung – Prüfverfahren und Auswertung der Ergebnisse“ der Internationalen Organisation für Normung (ISO) werden die Bedingungen für die Durchführung von Axiallast-Ermüdungsprüfungen an Verbindungselementen mit Gewinde erläutert und Empfehlungen zur Auswertung der Ergebnisse gegeben.

Sofern nicht anders vereinbart, werden die Prüfungen mit Wechselspannung bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei die aufgebrachte Last entlang der Längsachse des Verbindungselements zentriert ist. Der Einfluss der Passung der geklemmten Teile auf die Spannung des Verbindungselements wird nicht berücksichtigt.

Mit dieser Methode lässt sich die Dauerfestigkeit von Gewindeverbindungen bestimmen.

Prüfergebnisse können durch die Prüfbedingungen beeinflusst werden. Daher legt diese Norm Mindestanforderungen zur Minderung dieses Effekts fest. Kalibrierungs- und Zentrierkontrollmethoden für die Prüfvorrichtung sind ebenfalls enthalten.

Grundsätzlich werden Prüfungen an Gewindeverbindungen durchgeführt, um Ermüdungseigenschaften, wie beispielsweise die Wöhler-Kurve, zu ermitteln. Die zu prüfenden Gewindeverbindungen werden in eine Axiallast-Ermüdungsprüfmaschine eingespannt und einer schwankenden Zugbelastung ausgesetzt.

Zur Bestimmung der unbegrenzten Lebensdauer wird häufig eine konstante Durchschnittsspannung verwendet. Für Qualitätsabnahmeprüfungen wird häufig ein konstantes Spannungsverhältnis verwendet.

Der Test wird so lange fortgesetzt, bis der Prüfling versagt oder eine vorgegebene Anzahl von Belastungszyklen überschritten wird. Die Anzahl der Prüfzyklen richtet sich im Allgemeinen nach dem Material oder der Dauerfestigkeit des Prüflings. Sofern nicht anders angegeben, gilt als Versagen die vollständige Trennung des Befestigungselements in zwei Teile.

Die für diese Prüfungen verwendete Prüfmaschine ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, die die Lasten während der gesamten Prüfung automatisch innerhalb von 2 Prozent der geforderten Werte hält und die Gesamtzahl der Zyklen pro Prüfung zählt und aufzeichnet. Um diese Genauigkeit zu gewährleisten, wird die Prüfmaschine regelmäßig kalibriert. Der Prüffrequenzbereich sollte zwischen 4,2 Hz und 250 Hz liegen. Die Prüfmaschine erzeugt eine sinusförmige Lastschwankung am Prüfling. Die Prüfmaschine sollte über eine Vorrichtung verfügen, die einen automatischen Neustart nach einem Stopp aufgrund eines Stromausfalls verhindert.

Prüfvorrichtungen müssen axiale Kräfte auf den Prüfling übertragen können. Die grundlegenden Anforderungen sind in den Abbildungen der Norm dargestellt. Eine Selbstausrichtung wird empfohlen.

Die Ausrichtung der Prüfvorrichtung sollte regelmäßig überprüft werden. Dies geschieht mithilfe eines Prüfbolzens mit vier Dehnungsmessstreifen, die im 90-Zoll-Winkel auf einer gemeinsamen Mittellinie um die Achse positioniert sind. Die Länge des parallelen Teils des Prüfbolzens sollte dem vierfachen Durchmesser entsprechen. Die Differenz zwischen der maximalen Spannung und der nominalen Zugspannung, gemessen bei 50 Prozent des an der Maschine verwendeten Lastbereichs, sollte 6 Prozent der nominalen Zugspannung nicht überschreiten. Selbstausrichtende Vorrichtungen werden nicht empfohlen. Falls verwendet, sollte die Ausrichtung sorgfältig überprüft werden, da jede exzentrische Belastung die Ergebnisse des Ermüdungstests erheblich verändern kann.

Kurz gesagt legt die Norm ISO 3800 Folgendes fest:

• Standardprüfbedingungen für axiale (zugbasierte) Ermüdungsprüfungen von Gewindebefestigungen (z. B. Schrauben, Bolzen).
• Richtlinien für den Testaufbau, einschließlich Lastanwendung, Umgebungskontrolle und Gerätekalibrierung.
• Bewertungsmethoden mithilfe von Wöhlerkurven (Spannung vs. Zyklenzahl) und statistischer Analyse.

Der Zweck dieser Norm besteht darin, die Dauerfestigkeit von Verbindungselementen zu bewerten, die für die Vorhersage der Haltbarkeit unter zyklischen Belastungen von entscheidender Bedeutung ist.

Die in dieser Norm beschriebenen grundlegenden Prüfverfahren sind:

• Lebensdauertests: Die Ermüdungslebensdauer wird unter festgelegten Spannungsamplituden ermittelt. Mindestens sechs Proben werden typischerweise bei konstanter Spannung getestet, um die Lebensdauerverteilung zu ermitteln. Die statistische Auswertung ermittelt die Spannungsniveaus für Ausfallwahrscheinlichkeiten von 10 %, 50 % und 90 % und stellt diese typischerweise in einem Gauß-Wahrscheinlichkeitsdiagramm dar.
• Übergangsbereich (unendliche Lebensdauer): Diese Tests bestimmen die Dauerfestigkeitsgrenze, bei der ein Versagen auch nach vielen Zyklen noch besteht. Es werden Methoden wie Leiter-, Grenzwert- oder Arkussinusanalyse verwendet. Statistisch zuverlässige Dauerfestigkeitsgrenzen (z. B. innerhalb von plus/minus 5 Prozent) erfordern typischerweise 15–30 Proben.

Tests erzeugen Wöhlerkurven, die die Spannungsamplitude gegen die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen (N) auftragen. Statistische Werkzeuge schätzen die Dauerfestigkeitsgrenzwerte für die angegebene Zuverlässigkeit. Zu den Methoden gehören:

• Gaußsches Wahrscheinlichkeitsnetzwerk für Daten mit begrenzter Lebensdauer.
• Treppenhaus-, Rand- oder Arkussinus-Methoden zur Bewertung des Übergangsbereichs.

Die Hauptgründe für die Bedeutung des ISO 3800-Standards sind:

• Verhindert Ermüdungsbrüche: Viele mechanische Ausfälle an Maschinen, Fahrzeugen und Bauwerken werden nicht nur durch einmalige Überlastungen, sondern auch durch wiederholte zyklische Belastungen verursacht. Diese Norm bietet ein Standardverfahren zur Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit und unterstützt Ingenieure bei der Entwicklung von Verbindungselementen, die während des Gebrauchs nicht unerwartet reißen oder brechen.
• Gewährleistet weltweit vergleichbare Testergebnisse: Ohne einen gemeinsamen Standard könnten zwei Labore dieselbe Schraube testen und aufgrund unterschiedlicher Ausrüstung, Belastungsmethoden oder Probenvorbereitung unterschiedliche Ergebnisse erhalten. Dieser Standard definiert die Maschinenanforderungen, die Lastanwendung, die Ausrichtung und die Bewertungsmethoden präzise und gewährleistet so die Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse über Länder und Branchen hinweg.
• Unterstützt sicherheitskritische Anwendungen: Befestigungselemente werden in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Eisenbahnwesen, dem Baugewerbe und dem Schwermaschinenbau eingesetzt, wo bereits ein einziger Schraubenbruch zu katastrophalen Unfällen führen kann. Durch die Einhaltung dieser Norm können Hersteller nachweisen, dass ihre Produkte die für diese risikoreichen Anwendungen erforderliche Ermüdungsfestigkeit aufweisen.
• Verbesserte Produktentwicklung und Qualitätskontrolle: Forschungs- und Entwicklungsteams nutzen diese Standardtests, um neue Materialien, Beschichtungen oder Designs vor der Massenproduktion zu bewerten. Qualitätskontrollteams können regelmäßige Tests durchführen, um sicherzustellen, dass jede Charge die Haltbarkeitsanforderungen erfüllt.
• Ermöglicht zuverlässigkeitsbasiertes Design: Dieser Standard nutzt statistische Bewertungsmethoden (z. B. Wöhlerkurven) und ermöglicht Ingenieuren, basierend auf der gewünschten Haltbarkeitswahrscheinlichkeit zu konstruieren. Dieser datenbasierte Ansatz reduziert Überdimensionierung (die Materialverschwendung verursacht) und Unterdimensionierung (die das Ausfallrisiko erhöht).

Daher ist ISO 3800 die maßgebliche Referenz für die Bewertung der axialen Ermüdungsbeständigkeit von Gewindeverbindungen unter kontrollierten Laborbedingungen. Unabhängig davon, ob Sie Verbindungselemente herstellen, Qualitätsingenieur sind oder Konstruktionsdesigner sind, bietet diese Norm den Rahmen für Konsistenz, Zuverlässigkeit und Rückverfolgbarkeit bei Ermüdungsprüfungen.

Unser Unternehmen ist seit vielen Jahren tätig und verfolgt die globalen Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie aufmerksam. Wir verfügen über ein qualifiziertes Team und eine umfangreiche Infrastruktur, um für Unternehmen aller Branchen Tests, Messungen und Analysen in einer Vielzahl von Bereichen durchzuführen. In diesem Zusammenhang bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß der Norm ISO 3800 „Gewindeverbindungen – Axiallast-Ermüdungsprüfung – Prüfverfahren und Ergebnisauswertung“ an.