Sperrkantscheibe

Sperrkantscheiben

Die Sperrkantscheibe (auch Keilsicherungsfederscheibe) ist eine Sicherungsscheibe für Schraubverbindungen und wird im Allgemeinen als SK- oder NSK-Scheibe bezeichnet. Die Sperrkantscheibe zählt zu den Losdrehsicherungen (Schraubensicherung) mit dem Wirkprinzip des Form-^[1] und Kraftschlusses^[2]. Die typischen Einsatzgebiete der Sperrkantscheibe sind Bereiche mit erhöhten Anforderungen an Schraubensicherungselemente. Dies sind sehr häufig Liftanlagen, Eisenbahnen, Seilbahnen und im elektrischen Bereich Starkstromanwendungen.

Allgemein

Die Sperrkantscheibe wurde 1990 anhand der zu dem Zeitpunkt bestehenden Anforderungen als Sicherungselement für Schraubenverbindungen entwickelt. Die Anforderungen und Prüfbedingungen an die Sicherungseigenschaften wurden 2006 durch die DIN 25201-4 deutlich verschärft. Dies betraf sowohl die Klemmlänge als auch einen reduzierten Reibbeiwert und die Vorspannkraft. Diese Prüfbedingungen werden durch die NSK-Sperrkantscheibe erfüllt.

Lösen von Schraubenverbindungen

Im Allgemeinen muss eine Schraubenverbindung so ausgelegt werden, dass die Sicherungswirkung ohne zusätzliche Maßnahmen gegeben ist. Dabei ist die Hauptaufgabe einer Schraubverbindung, die aufgebrachte Vorspannkraft über Ihre Lebensdauer aufrechtzuerhalten.

Bei Schraubenverbindungen treten zwei Mechanismen auf, die zu einem Lösen der Schraubenverbindung führen.

Lockern

Werden Schraubverbindungen angezogen, kann es dabei zur Einebnung der Oberflächen kommen (Setzen). Dieser „Setzeffekt“ erhöht sich u. a. mit der Anzahl der zu verbindenden Bauteile. Je höher die Anzahl der zu verbindenden Bauteile ist, desto höher ist auch die Anzahl der Trennfugen (Schraubenkopf-Bauteil, Bauteil-Bauteil, … , Bauteil-Mutter).

Losdrehen

Zusätzlich treten im Betrieb die unterschiedlichsten Belastungen auf, die einen vollständigen oder teilweisen Verlust der Vorspannkraft zur Folge haben können. Diese Belastungen können z. B. Querbelastung durch Vibrationen sein. Durch die Querbelastung kann es dazu kommen, dass die Reibung zwischen den Verbindungspartnern aufgehoben wird und es so zu einem Lösen der Verbindung kommen kann.

Die Sperrkantscheibe sorgt mit ihren Eigenschaften dafür, dass auftretendes Losdrehen und Lösen verhindert wird. Dabei beruht die Sicherungswirkung der Sperrkantscheibe auf den zwei grundlegenden Mechanismen Form-^[1] und Kraftschluss^[2].

Sicherungsprinzip

Beispielhafte grafische Darstellung der Setzausgleichfunktion der Sperrkantscheibe

Die sperrende Wirkung wird durch die Verzahnung auf der Oberseite der Sperrkantscheibe erzielt. Dabei gräbt sich die Verzahnung bei der Montage in den Schraubenkopf bzw. in die Mutter ein. Die zweite Funktion der Sperrkantscheibe beruht auf der Federwirkung. Wenn sich der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile setzt, stellt sich die Sperrkantscheibe wie eine Tellerfeder auf. Durch die federnde Geometrie der Sperrkantscheibe wird der Vorspannkraftverlust reduziert.

Mechanische Verschraubungen

Die Sperrkantscheibe gibt es in verschiedenen Größen und Formen. Im Allgemeinen werden die Sperrkantscheiben mit „SK“ oder „NSK“ abgekürzt. Die NSK-Variante ist dabei eine optimierte Form, welche sich durch eine höhere Sicherungswirkung auszeichnet. Des Weiteren wird die Sperrkantscheibe nach ihren Einsatzfällen eingeordnet.

Elektrische Verschraubungen

Für elektrische Verschraubungen eignen sich die Sperrkantscheiben aus dem mechanischen Bereich nicht. Hierfür ist die NSK-E vorgesehen. Dieser Typ ist für Verschraubungen in der Elektroindustrie zu verwenden. Die dort geltenden Anforderungen unterscheiden sich von denen, der mechanischen Verschraubungen aufgrund der weichen Gegenlagen, der geringen Vorspannkräfte (Kontaktdruck) und Sauberkeitsanforderungen.

Dabei ist das Sicherungsprinzip das gleiche, mit dem Unterschied, dass die NSK-E eine Verrundung (Kufe) an der Unterseite aufweist. Diese Verrundung schont bei Montage die weiche Gegenlage.

Qualitätskontrolle

Losdrehsicherungen werden aktuell nach verschiedenen Vorgaben geprüft. Um eine Aussage über das Losdrehverhalten zu tätigen, werden Sperrkantscheiben auf einem Vibrationsprüfstand nach DIN 65151 geprüft. Die DIN 25201-4 gibt dabei ein qualifiziertes Prüfverfahren vor, welches die Funktionsfähigkeit eines Sicherungselementes gegen selbsttätiges Losdrehen analysiert. Die definierten Prüfbedingungen ermöglichen es, das Sicherungsverhalten bei Querbelastung mit weiteren Prüfungen zu vergleichen.^[3]

Bezüglich der Federkraft existiert aktuell kein spezifisches Prüfverfahren, welches Federeigenschaften von Schraubensicherungselementen vorgibt. Als geeignetes Prüfverfahren wird hierfür die DIN 267-26 herangezogen, welches sich u. a. auf das Federverhalten von Spannscheiben bezieht und ein Prüfverfahren vorschreibt. Dabei wird eine gewisse Kraft auf das Sicherungselement aufgebracht. Nach einer vorgegebenen Zeit wird die Scheibe entlastet. Zur Ermittlung der Federwirkung wird dabei die Kraft bei einer Entlastung von 20 µm aufgenommen.^[4]

Entwicklungsstand

• 1990: Entwicklung und Markteinführung
• 2006: Aufgrund gestiegener Anforderungen wurde eine Neue-Sperrkantscheibe („NSK“) entwickelt, die den heutigen Anforderungen der DIN 25201-4 erfüllt.
• 2021: Entwicklung und Markteinführung: NSK-E

Sicherheit und Unfälle

Am 8. Dezember 2021 ereignete sich an einer Sesselbahn im schweizerischen Samnaun ein Unfall, der laut Untersuchungsbericht auf den Einsatz von Sperrkantscheiben anstatt des eigentlich vorgesehenen Sicherungsbleches zurückzuführen ist. Die betroffene Schraubverbindung war dabei erst wenige Monate vorher im Sommer 2021 mit neuen Sperrkantscheiben versehen und mit dem vorgesehenen Drehmoment angezogen worden, und die Anlage war zwischen der Erneuerung und dem Unfall erst ca. 100 Betriebsstunden gelaufen. Die Passagiere des betroffenen Sessels blieben unverletzt.^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Beuth: Konstruktionselemente des Maschinenbaus1. Hrsg.: Beuth. Ausgabe 7 – 2007, S. Kapitel 6; Tabelle 6.18; Seite 368. 
2. ↑ ^{a b} BN 421021: Bahnnorm: Setz- und Losdrehsicherungen
3. ↑ Beuth: din-25201-4. In: Beuth. Abgerufen am 3. März 2021. 
4. ↑ Beuth: din-267-26. Abgerufen am 3. März 2021. 
5. ↑ Schweizerische Sicherheitsuntersuchungsstelle SUST: Summarischer Bericht. Abgerufen am 8. Mai 2022.