Schraubensicherung, Berechnung von Schraubverbindungen

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo!

Ich brauche mal eine Info, welche Funktion dieses Teil hat:
http://imageshack.us/a/img585/1516/o3nu.jpg
Und zwar wird damit bei Lastenfahrrädern das Vorderrad befestigt, sozusagen als Unterlegscheibe, und Ausfallsicherung. Sitzt in einer eingearbeiteten Vertiefung in der Gabel, damit das Rad nicht rausfallen kann, wenn es etwas locker ist.

Ein besseres Bild habe ich nicht hinbekommen,
es handelt sich also um eine Scheibe mit Innendurchmesser 10,5 mm, Achse ist M 10x1,0.

Es gibt manchmal Probleme, dass sich die Verschraubung löst, und das Rad locker wird.

Die Scheibe hat also die Seite mit der Verzahnung, wie auf dem Bild, die andere Seite ist plan.
Das Zahnprofil ist nicht wirklich „scharf“, also erstmal ansteigend, dann paralell, und dann kommt die schräge Schneide oder wie man das nennt.

So eine richtig wirkliche Montageanleitung gibt es nicht,
das ist alles etwas chaotisch.
Üblicherweise sind die Scheiben so montiert, dass die Zähne an die Vorderrad-Gabel anliegen, welche an der Anlagestelle lackiert ist.
Und die plane Seite an der Befestigungsmutter anliegt.

Das ist eine etwas blöde Sache, es gab da mal einen unerfreulichen Vorfall, der zum Glück glimpflich ausgegangen ist.

Ich habe das auch absichtlich nicht im Fahrrad-Brett geschrieben,
weil ich hier ehr hoffe, jemanden zu finden,
der sich mit solchen Sachen auskennt.

Also :

  • Frage zu der ominösen Scheibe, ich habe schon nachgeforscht, so eine richtige Zahnscheibe ist das ja nicht, und wenn, als Schraubensicherung im Maschinenbau auch nicht zugelassen.

  • Irgendwie sind die Fahrräder eine etwas „windige“ Konstruktion, und werden auch arg überlastet.
    Nach meiner Meinung ist die vordere Scheibenbremse das Problem,
    so wie ich mir das bis jetzt vorstelle, drücken die Gegenkräfte der Bremse mächtig auf die Radbefestigungen. So dass die überlastet werden.

Ich hab jetzt nicht den Anspruch, dass mir das jemand rechnet,
aber ich weiß zumindest schon, dass man an so einer Radbefestigung sehr lange und sehr viel rechnen kann.
Gewindesteigung, Anzugdrehmoment, Flächenpressung usw.
Und irgendwie die radiale Last beim Bremsen, die auf die Achse wirkt.

Leider habe ich nach einer ersten, groben Internetsuche auf Wikipedia usw. nicht wirklich was zu der Berechnung gefunden.

Kann mir da jemand bitte nützliche Hinweise geben,
um die Konstruktion selbst mal rechnerisch nachprüfen zu können?
Ob das grenzwertig ist?
Irgend einen Link oder sowas? So die groben Daten, Gewichte usw. habe ich,
was fehlt, kann ich abmessen.

Ich selbst, als KFZ-Mech. habe das nicht gelernt bekommen,
aber ich weiß, dass ein Ing- Maschinenbau sowas kann.

Grüße, Edelherb!

#2

Hallo Steffen

Üblicherweise sind die Scheiben so montiert, dass die Zähne an die
Vorderrad-Gabel anliegen, welche an der Anlagestelle lackiert ist.
Und die plane Seite an der Befestigungsmutter anliegt.

Zunächst kann ich dir mitteilen, dass die Scheibe umgedreht montiert werden muss.
Die Zahnung muss auf die Mutternseite, damit verhindert sie das Drehen der Mutter.
Außerdem verschleißen diese Teile auch einmal, ich schätze, nach 10 mal Lösen und Festdrehen sollte sie erneuert werden.
Gruß
R.

#3

Moin
Im Falle sich eine Schraubverbindung unter dynamischer Beanspruchung löst, kann man fast immer davon ausgehen das die erforderliche Vorspannung gefehlt hat.
Mit anderen Worten: Auf das richtige Anzugsmoment achten. Außerdem ist M10x1 ein Feingewinde, erzeugt also eine höhere Vorspannung.
Diese komische Scheibe würde ich weglassen, das Ding sieht schon so …chinesisch… aus.
Stattdessen eine tellerfederförmige, radialgezahnte Scheibe nehmen. Oder zwei. Die Dinger halten die Vorspannung auch wenn der Lack aus der Auflagefläche gequetscht wird.
Und bei einer Scheibenbremse würde ich immer eine Drehmomentstütze vorsehen.
Die Bremsmomente über die Achse auszuleiten ist nämlich auch… chinesisch:wink:

#4

Hallo Edelherb

Solche Scheiben verwendet man um einstellbare Achsen die sich zB in einem Langloch befinden gegen Verschieben zu sichern. Verzahnung zur Fläche glatte Seite zur Mutter. Die Verzahnung hält dann auf der Fläche der Gabel besser wegen der Häufigkeit der sogenannten „Eingriffskanten“. Ist also eine Sicherung gegen verrutschen seiner Position und nicht gegen losdrehen. Der Einsatz bei dem Fahrrad ist deswegen richtig weil das Vorderrad zwecks leichterer Demontage in einem vertikalen Schlitz steckt. Die Ausführung ist etwas heftig weil ja zum halten nur eine Kante benötigt wird und die müsste nicht so tief sein. Ist sie auch sonst nicht. Solche Scheiben finden auch in der Fördertechnik wo man Rollen in Langlöchern fluchten muss.

LG Lois

#5

Bild von der Gabel
Hallo!

Ich erlaube mir hier noch einmal,
die konkrete Frage zu der Fahrradgabel zu stellen.
Eine freihändige Skizze dazu habe ich erstellt:
http://imageshack.us/a/img94/6231/j9cl.jpg

Es handelt sich also um gewerblich genutzte Lastenfahrräder, welche ein Gesamtgewicht incl. Fahrer von 210 kg haben, aber ev. auch überladen und grob behandelt werden.

Problem ist, dass sich die Radmuttern lösen, und in manchen Fällen das Rad nach unten auf der Bremsscheibenseite rausfliegt. Was selbstverständlich für einige Unannehmlichkeiten sorgt.
Die Radmuttern sind ganz normale Muttern, nicht selbstsichernd.

Lösungsansatz ist erstmal das sichern der Radmuttern mit Schraubensicherungsmittel.
Sind da selbstsichernde Muttern besser, zuverlässiger?

Die wichtigste Frage wäre nun,
wenn man bremst, entstehen ja auch Gegenkräfte, die wohl über die Achse abgeleitet werden.
Ich kann mir das leider wirklich nicht vorstellen, wie die Gegenkraft wirkt, und in welche Richtung.
Nach dem Schadensbild zu urteilen, so 90° in Drehrichtung vor dem Bremssattel,
also nach schräg links unten in meiner Zeichnung.
Und wie groß die Gegenkraft ist, und ob die Radbefestigung zuverlässig oder kritisch dimensioniert ist, kann ich mir überhaupt nicht vorstellen.

Wäre schön, wenn mir jemand dazu was schreiben könnte.
Weil das so Sachen sind, die sich ein Otto-Normalbürger überhaupt nicht vorstellen kann.

Viele Grüße,
Edelherb!

#6

Hallo Steffen

Problem ist, dass sich die Radmuttern lösen,

Das Problem löst du mit neuen Zahnscheiben.

Sind da selbstsichernde Muttern besser, zuverlässiger?

Für diese Anwendung solltest du Kontermuttern verwenden, wenn da Platz ist.
Ich nehme mal an, dass es sich um Feingewinde handelt.

wenn man bremst, entstehen ja auch Gegenkräfte, die wohl über die Achse
abgeleitet werden…

… ist Unsinn.
(Leider habe ich den chinesischen Schmonzes von Igor jetzt erst gelesen, sonst hätte ich mich schon früher dazu geäußeert)
Der Kraftfluss geht von der Gabel über die Bremsbacken auf die Bremsscheibe.
Die Bremsscheibe ist mit der Nabe verbunden, diese mit den Speichen und der Felge. Weiter geht der Fluss über Reifen auf die Straße.
Die wunde Stelle ist die Verbindung Bremsscheibe zur Nabe bzw. die Naabe selbst.
Weil die Bremskraft einseitig auf die Nabe geleitet wird, kann diese tordieren und entsprechende Fehler produzieren. Eine stabilere Nabe ist hier in jedem Fall von Vorteil.
Ein anderer „Knackpunkt“ kann die Deformation der Gabel am Bremssattel sein, auch hier kann eine Stabilisierung deutliche Erfolge zeitigen.

Nach dem Schadensbild zu urteilen, so 90° in Drehrichtung vor dem Bremssattel,

deutet doch mehr auf schädliche Verformung der Gabel hin.
Mach doch einen einfachen Versuch:
Spanne die Gabel am Kopf fest ein, schließe die Bremse so fest es geht und versuche das gebremste Rad vorwärts zu drehen.
Irgendetwas wird elastisch nachgeben, die Gabel, die Nabe oder die Speichen.
Oder du verstärkst die drei Gruppen gleich mit Moped Teilen.

Gruß
R.

#7

Hallo Rentier

Nach gängigen Regeln der Mechanik ist es so dass wenn man ein Rad oder Scheibe an einem Punkt (zB Bremsbeläge) hält und irgendwo am Rad (zB am äusseren Umfang) eine Kraft wirken lässt (Strasse) dann wirkt auf die Achse ein resultierende Kraft die je nach Position des Bremssattels in entsprechender Richtung wirkt da es sich in diesem Fall um einen ganz normalen Hebel handelt. Wenn man also auf der Skizze den Bremssattel nach rechts setzen würde, wäre die Wirkrichtung der Kraft auf die Achse und damit in das System eine Andere als im dargestellten Fall. Der theoretisch idealste Fall bei dem die Achse beim Bremsen nach oben gedrückt würde wäre im gezeichneten Fall eine Position horizontal rechts der Achse. Es ist also keineswegs Unsinn dass an der Achse die Bremskräfte im Verhältnis der Hebellängen aufgenommen und in das Fahrzeug abgeleitet werden anders gehts nicht.

LG Lois

#8

Achse und Nabe verwechselt?
Hallo Lois

Die Kräfte laufen von der Gabel (Bremssattel) über die Scheibe auf die NABE (vorausgesetzt, die Scheibe ist an der Nabe befestigt), von der Nabe auf die Speichen, die Felge, den Reifen auf die Straße.
Die ACHSE hat damit nichts zu tun; die nimmt nur das Kippen des Rades auf.
Zeichne dir das mal auf, dann merkst du schnell, wie es wirklich ist.
Zum Mitdenken:
Achse, Nabe, Speichen, Felge, Reifen ist die Reihenfolge der Teile von innen nach außen beim Rad.

Gruß
R.

#9

Hallo Rentier

Es ist egal wieviel Teile das System enthält, es bleibt in seinem Prinzip eine Scheibe in der sich 3 relevante Punkte befinden. Der Angriffspunkt der Rückhaltekraft (Bremssattel), der Scheibenmittelpunkt (Achse) und die treibende Kraft die außen am Umfang wirkt (Strasse). Diese 3 Punkte verbunden sind das System, egal wieviele Teile Du einbaust bzw vorhanden sind. Die Kraft von der Strasse wirkt (tangential) am äusseren Umfang also 90° zum Radius und ergibt so das Kraftmoment das es zu verzögern gilt. Der Abstand des Bremssattels vom Radmittelpunkt detto. Aufgrund des kleineren Abstandes des Bremssattels vom Radmittelpunkt braucht man mehr Kraft zum Bremsen um ein ausreichendes Bremsmoment zu erhalten. Die beiden Vektoren zeichnest Du in die Skizze ein verschiebst die Angriffspunkte parallel in den Achsmittelpunkt dann siehst Du die Grösse und Richtung der resultierenden Kraft die über die Gabel in das Fahrzeug abgeleitet wird. Diese Kraft ergibt mit der vertikalen Gewichtskraft wiederum eine resultierende Kraft die dann die effektive Kraftrichtung und Grösse ist die beim Bremsen auftritt. Je nach Grösse der Bremskraft am Bremssattel verändert sich der Winkel der resultierenden Kraft an der Achse gegen das Fahrzeug. Je nach Position des Bremssattels ebenfalls weil ja die Strasse als Angriffspunkt und Richtung im System immer gleich bleibt. Mechanische Systeme zum Bremsen von Fahrzeugen haben immer 3 Punkte an denen Kräfte auftreten sonst würde es nicht funktionieren. Sinngemäss das Gleiche gilt für Antriebe am Zweirad, hier ändert sich der Winkel der resultierenden Kraft die in das Fahrzeug einwirkt und dieses antreibt auch laufend abhängig von der Zugkraft an der Antriebskette also je nachdem ob man viel wenig oder gar kein Gas gibt. Sorry aber es ist so.

LG Lois

#10

Hallo Lois
Das wird mir jetzt doch zu blöd; ich möchte nur mal dran erinnern, dass dei Achse durch Kugellager von der Nabe „abgekoppelt“ ist.
Was jetzt?
Offensichtlich hast du die Aufgabenstellung nicht veerstanden oder die Termini; egal, ich beende hier.

Gruß
R.

#11

Ich habe das Problem schon verstanden und kenne es auch. Ich habe mich vor 50 Jahren schon das erste Mal damit herumgeärgert. Deine Aussage dass es Unsinn ist dass Bremskräfte über die Achse abgeleitet werden ist eben falsch. Es ist aber nicht eine Drehbewegung die die Achse lockert sondern es sind jene Bremskräfte die im Gegensatz zur Gewichtkraft ungefähr horizontal wirken und das sind eben Kräfte die über die Achse abgeleitet werden. Durch das Rutschen lockern sich dann die Räder. Hinten ist das bei billigen Rädern kettenseitig sehr oft das gleiche Problem. Das Problem gibt es seit es Fahrräder gibt. Wenn es einmal locker geworden ist wird das Langloch in dem die Achse steckt im Montagebereich immer grösser und es beginnt immer leichter zu rutschen. Gute Räder haben in diesem Bereich Kerben, soganannte Hiebe und eine ordentliche harte Zahnscheibe. Früher war das eine Scheibe mit Zahnkranz die an der Mutter freilaufend ähnlich den Scheiben auf LKW Radmuttern aufgepresst war und das lockern verhindert hat.
An Steffen: Bis in die 80er Jahre waren diese Muttern Standard bzw Nachrüstteile an Puch und KTM fahrrädern. Mit diesen Muttern war das Problem in der Regel behoben. Wenn der Schlitz schon sehr ausgeweitet ist nach oben konisch nachfeilen, wirkt auch Wunder.

LG Lois

#12

Hallo,

wenn man der Theorie folgt sind Schraubverbindungen nicht auf Scherung zu belasten. Dazu benötigt man Passschrauben, deren Schaft sich in einer Passung zu einer Bohrung befindet (z.B. H7/g6). Daher zählt nicht die Vorspannkraft sondern die Scherfestigkeit tau.
In diesem Falle dient diese Scheibe zur Lagesicherung einer Welle mit nicht definierten Anzugsmomenten der Schraubverbindung. Daher wird sich auf dem Gegenstück, Gabel, ebenfalls eine Riffelung befinden, in der die Zähne der Scheibe eingreifen. Andernfalls sind die Zähne der Scheibe gehärtet und greifen somit in das Gegenstück, Gabel, ein. Somit ist ein Formschluss gegeben.

Gruß vom Raben

#13

Erledigt! Vielen Dank…
Hallo!

Vielen Dank für die vielen, wenn auch teilweise differenzierten Hinweise.

Das hat mir aber geholfen, um da überall gezielt nachzudenken / nachzuforschen,
ich habe mir das Problem heute nochmals mit eigenen Augen angesehen, mich ausgiebig mit der Kräfteberechnung und Gewinden vertraut gemacht,
und einige Maßnahme zwecks Sauberkeit und Qualitätssicherung der Arbeit ersonnen.
Das müsste dann funktionieren.
Ja, es ist kritisch, aber wenn sauber gearbeitet wird, sollte es funktionieren.

Jetzt bekommt noch jeder einen * für seinen ersten Beitrag,
als Zeichen der Dankbarkeit und Wertschätzung.

Grüße,
Edelherb!