Schweißen
Teil von Schraubverbindungen sichern mit mechanischen und chemischen Verfahren
Schraubverbindungen sichern: Drehmomente und Vorspannkräfte richtig berechnen
Schraubverbindungen sichern: Vorspannkraft nach VDI 2230 berechnen, Reibwerte ansetzen, Anzugsdrehmoment, Beispielrechnung M10, Software und Schulungen.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Zielgröße jeder Berechnung ist die Vorspannkraft F_M, nicht das Anzugsdrehmoment.
- VDI 2230 Blatt 1 liefert den Rechengang vom Lastkollektiv bis zur Schraubenauswahl.
- Der Gewindereibwert μ_G streut stärker als jede andere Eingangsgröße.
- 90 Prozent der Streckgrenze gelten als Obergrenze für statisch belastete Verbindungen.
- Eine dokumentierte Anzugsvorgabe mit Werkzeugtoleranz macht die Verbindung prüfbar.
Vorspannkraft ist die Zielgröße, nicht das Drehmoment
Jede Schraube wird über die Vorspannkraft ausgelegt, das Drehmoment ist nur der Weg dorthin. Die Verbindung hält, wenn die Vorspannkraft dauerhaft über der Betriebskraft liegt und die Fuge nicht klafft. VDI 2230 Blatt 1 beschreibt den Rechengang vom Lastkollektiv über die Nachgiebigkeiten von Schraube und verspanntem Teil bis zur Festigkeitsklasse.
Drehmoment wird fast vollständig Reibung
90 % | Reibung
10 % | Vorspannkraft
Reibwert ändern wirkt stärker als Drehmomentschlüssel
Praktisch zählen zwei Größen: das Kräfteverhältnis zwischen Betriebskraft und Vorspannkraft und das Setzverhalten der Fuge. Beide bestimmen die Restvorspannkraft nach der Montage. Bei kurzer Klemmlänge schlägt derselbe Setzbetrag stärker durch als bei langer, deshalb brauchen gedrungene Verbindungen mehr Vorspannungsreserve.
Die Kernformel verknüpft beide Größen:
M_A = F_M × (0,16 × P + 0,58 × d_2 × μ_G + 0,5 × D_Km × μ_K)
P ist die Gewindesteigung, d_2 der Flankendurchmesser, μ_G der Gewindereibwert. Der dritte Term erfasst die Kopfauflage mit dem wirksamen Reibdurchmesser D_Km und dem Reibwert μ_K. Die mechanischen Kennwerte der Festigkeitsklassen und das Normensystem dahinter erläutert die Übersicht des DIN zu Normen.
Rund 90 Prozent des Drehmoments verschwinden als Reibung, nur etwa 10 Prozent erzeugen Vorspannkraft. Wer am Reibwert dreht, verändert die Vorspannkraft stärker als am Drehmomentschlüssel.
Reibwerte richtig ansetzen
Der Reibwert ist keine Konstante, sondern eine Prozessgröße. Beschichtung, Schmierstoff, Rauheit und Montagetemperatur verschieben ihn. Wer mit einem falschen μ_G rechnet, verliert schnell ein Drittel der Vorspannkraft.
| Oberflächensystem | μ_G, Richtwert |
|---|---|
| unbehandelt, trocken | 0,12 bis 0,18 |
| galvanisch verzinkt | 0,10 bis 0,16 |
| phosphatiert und geölt | 0,10 bis 0,16 |
| MoS2-Paste | 0,06 bis 0,12 |
Die Werte sind Anhaltswerte für die Auslegung, verbindlich bleibt die Angabe des Schraubenherstellers für das konkrete Los. Chemische Schraubensicherungen verschieben den Reibwert ebenfalls. Die Produktdaten von Loctite nennen die passenden Reibwertkorridore und Aushärtezeiten.
Wer genauer rechnen will, lässt eine Reibwertanalyse am eigenen Los machen. Sie trennt Gewinde- und Kopfreibung und liefert belastbare Eingangswerte statt Katalogwerte.
In fünf Schritten zur dokumentierten Anzugsvorgabe
- Betriebslast, Lastrichtung und Fugenquerschnitt festlegen und daraus die Betriebskraft F_A bestimmen.
- Nachgiebigkeiten von Schraube und verspanntem Teil rechnen, Vorspannkraft F_M bei 90 Prozent der Streckgrenze ansetzen.
- Reibwerte aus Lieferantenangabe oder Messreihe übernehmen und die Streuung im Sicherheitsbeiwert abbilden.
- Anzugsdrehmoment M_A berechnen, Werkzeugtoleranz festlegen, Anziehreihenfolge und Vorspannstufen definieren.
- Anzugsvorgabe dokumentieren und Stichproben mit Prüfdrehmoment oder Schraubenmessung belegen.
Zum Anziehen gehört ein kalibriertes Werkzeug mit ausgewiesener Toleranz. Stahlwille führt Drehmomentschlüssel und Messsysteme, deren Wiederholgenauigkeit im Datenblatt steht. Die Anzugsvorgabe gehört an die Linie, nicht in den Aktenordner.
Anziehverfahren wählen
Das Verfahren entscheidet über die Streuung der Vorspannkraft.
- Drehmomentgesteuerteinfach und überall einsetzbar, die Streuung folgt dem Reibwert.
- Drehwinkelgesteuertnach einer Vorspannstufe wird der Drehwinkel gemessen, die Streuung sinkt deutlich.
- Streckgrenzengesteuertdie Anlage erkennt den Gradienten und stoppt an der Streckgrenze, das nutzt die Schraube am besten aus.
- Messende PrüfungPrüfdrehmoment oder Ultraschall liefern die tatsächliche Vorspannkraft in der Stichprobe.
Für kurze Klemmlängen und hohe Betriebslasten lohnt der Wechsel von Drehmoment- auf Drehwinkelsteuerung. Der Aufwand liegt in der Erstbemusterung, nicht im Serientakt.
Beispielrechnung M10-8.8, verzinkt
Beispielrechnung, keine Vorgabe für einen Anwendungsfall. M10 der Festigkeitsklasse 8.8: P = 1,5 mm, d_2 = 9,026 mm, angenommen μ_G = μ_K = 0,12 und D_Km = 12,4 mm. Zielvorspannkraft F_M = 20 kN.
M_A = 20.000 N × (0,16 × 1,5 + 0,58 × 9,026 × 0,12 + 0,5 × 12,4 × 0,12) mm = 20.000 N × 1,612 mm = 32,2 Nm
Steigt der Reibwert auf 0,18, sinkt die Vorspannkraft bei unveränderten 32 Nm auf etwa 14 kN. Der Verlust liegt bei rund 30 Prozent, ohne dass sich am Werkzeug etwas ändert.
Software, Schulung und Bezugsquellen
Für Serienverbindungen lohnt der Rechenweg per Software. KISSsoft bietet Module zur Schraubenberechnung nach VDI 2230, SR1 ist ein verbreitetes Programm für Schraubenverbindungen. Wer die Richtlinie sicher anwenden will, bucht die VDI-Schulung, die mit rund 1500 Euro netto für ein mehrtägiges Seminar zu Buche schlägt.
C-Teile-Dienstleister liefern Anzugsparameter mit. Bossard stellt Verschraubungsdaten und Anzugsdrehmomente bereit, Würth dokumentiert sie in technischen Unterlagen und Katalogen. Beide Angaben ersetzen keine eigene Rechnung, verkürzen aber die Auswahl der Verbindungselemente.
Häufige Fragen
Warum weicht mein Drehmomentschlüssel ab?
Werkzeugklassen erlauben Toleranzen von etwa vier bis sechs Prozent. Dazu kommen Anwendungsfehler durch Verlängerungen und Aufsteckwerkzeuge. Prüffristen und Anforderungen an Arbeitsmittel nennt die DGUV-Information zu Arbeitsmitteln.
Reicht Drehmomentsteuerung für sichere Verbindungen?
Nur bei geringer Reibstreuung. Bei schwankenden Reibwerten ist die drehwinkel- oder streckgrenzengesteuerte Anziehung die bessere Wahl.
Welcher Reibwert darf minimal angesetzt werden?
Ohne eigene Messung keinen Wert unter 0,06. Sonst wird die Schraube beim Anziehen über die Streckgrenze gedreht.
Wie oft muss die Anzugsvorgabe geprüft werden?
Nach jeder Änderung von Lieferant, Beschichtung oder Schmierstoff. Stichproben gehören regelmäßig in die Serie.
Was kostet die Auslegung?
Bei einfachen Verbindungen reicht ein Tabellenkalkulationsblatt mit der Formel oben. Komplexe Lastfälle mit Biegung und Exzentrizität gehören in eine Software nach VDI 2230.
