Warum werden Schrauben fester, je fester man sie anzieht?

Im Maschinenbau ist das Versagen von Schrauben ein häufiges Problem und seine Ursachen werden typischerweise anhand von vier Hauptaspekten analysiert: der Qualität der Schraube, dem Vorspannmoment, der Festigkeit der Schraube und der Dauerfestigkeit der Schraube. In den meisten Fällen ist das Versagen der Schraube jedoch nicht auf eine unzureichende Festigkeit oder Ermüdungskapazität zurückzuführen, sondern vielmehr auf eine Lockerung, die zu Schäden führt.

1. Das Versagen der Schraube ist nicht auf die Zugfestigkeit zurückzuführen

Am Beispiel einer hochfesten Schraube M20×80 der Güteklasse 8,8 wiegt sie nur 0,2 Kilogramm, ihre minimale Zuglast beträgt jedoch 20 Tonnen – das 100.000-fache ihres Eigengewichts. In der Praxis werden mit dieser Schraube typischerweise Bauteile befestigt, die nur etwa 20 Kilogramm wiegen und dabei nur einen Bruchteil (ca. 0,001 %) ihrer Zugkraft nutzen. Daher ist die Zugfestigkeit der Schraube mehr als ausreichend und ein Versagen wird nicht durch die Festigkeit der Schraube verursacht.

2. Schraubenversagen ist nicht auf Ermüdungsfestigkeit zurückzuführen

Bei seitlichen Vibrationstests können sich Schraubverbindungen bereits nach weniger als 100 Zyklen lösen. Allerdings müssen sie bei Ermüdungstests Millionen von Zyklen überstehen. Mit anderen Worten: Das Befestigungselement löst sich, nachdem es nur einen winzigen Bruchteil (1/10.000) seiner Ermüdungsfestigkeit erfahren hat. Das Lösen der Schraube ist also nicht auf eine unzureichende Dauerfestigkeit zurückzuführen.

3. Die wahre Ursache für Schraubenversagen: Lockerung

Wenn sich eine Schraube löst, erzeugt sie erhebliche kinetische Energie (mv²), die direkt auf das Befestigungselement und die damit verbundenen Komponenten einwirkt und Schäden verursacht. Sobald das Befestigungselement versagt, funktioniert das Gerät nicht mehr richtig, was zu weiteren Schäden führt. Wenn das Befestigungselement einer axialen Kraft ausgesetzt wird, kann es zu einer Beschädigung des Gewindes und zum Bruch der Schraube kommen. Bei Einwirkung von Radialkräften kann es zu einem Abscheren der Schraube und zu einer ovalen Verformung des Schraubenlochs kommen.

4. Der Schlüssel zur Lösung des Problems: Wirksame Anti-Lockerungs-Maßnahmen

Beim GT80-Hydraulikhammer beispielsweise handelt es sich bei den Seitenplattenschrauben um M42-Schrauben der Güteklasse 10,9 mit einer Zugfestigkeit von jeweils 110 Tonnen, und die Vorspannung ist auf 50 % der Zugfestigkeit (ca. 300–400 Tonnen) eingestellt. Trotzdem versagen die Schrauben immer noch. Die Lösung besteht nicht einfach darin, den Schraubendurchmesser oder die Schraubenfestigkeit zu erhöhen, sondern vielmehr darin, die Lockerungsschutzmaßnahmen zu verbessern. Die Hauptursache für das Versagen einer Schraube ist nicht die Stärke der Schraube, sondern die Unfähigkeit, ein Lösen zu verhindern. Zusammengefasst sind Schrauben: „Wenn sie sich nicht lösen, werden sie nicht brechen; aber sobald sie sich lösen, werden sie brechen.“

Analyse der Ursachen für das Lösen von Schrauben

Das Lösen von Schrauben ist im Allgemeinen auf eine Verringerung oder einen Verlust der Reibungskraft zwischen den Gewindegängen zurückzuführen. Unter statischer Belastung sorgt die Reibung zwischen den Gewindepaaren dafür, dass die Schraube fest angezogen bleibt. Unter dynamischen Bedingungen wie Stößen, Vibrationen, wechselnden Belastungen oder starken Temperaturschwankungen kann die Reibungskraft jedoch abnehmen oder sogar verschwinden, was dazu führt, dass sich die Schraube löst.

Gängige Anti-Lockerungs-Methoden

Es gibt drei Hauptmethoden, um das Lösen von Schrauben zu verhindern: reibungsbasierte, mechanische und dauerhafte Anti-Lockerungsmethoden.

1. Reibungsbasierte Anti-Lockerungsmethoden

1. Federscheibe gegen Lösen: Eine Federscheibe erzeugt nach dem Zusammendrücken eine kontinuierliche Federkraft und hält die Reibung zwischen der Mutter und dem Schraubengewinde aufrecht, wodurch verhindert wird, dass sich die Mutter löst.

2. Kontermutter (Doppelmutter) gegen Lösen: Zwei Muttern erhöhen die Reibung und verhindern ein Lösen.

3. Selbstsichernde Mutter gegen Lösen: Die Mutter ist mit einer unrunden oder geschlitzten Öffnung versehen. Beim Anziehen dehnt sich die Öffnung aus und übt zusätzliche Kraft aus, um das Gewinde zusammenzudrücken.

4. Elastische Ringmutter gegen Lösen: Ein elastischer Ring im Inneren der Mutter sorgt für zusätzliche Reibung, um ein Lösen zu verhindern.

2. Mechanische Anti-Lockerungsmethoden

1. Schlitzmutter und Splint verhindern das Lösen: Um ein Lösen zu verhindern, wird eine Schlitzmutter oder ein Splint verwendet.

2. Sicherungsscheiben: Nach dem Anziehen der Mutter wird eine ein- oder doppelohrige Sicherungsscheibe gegen die Mutter und das Verbindungsteil gebogen, um ein Lösen zu verhindern.

3. Drahtverriegelung gegen Lösen: Ein kohlenstoffarmer Stahldraht wird durch Löcher in den Schraubenköpfen eingeführt und miteinander verbunden, um ein Lösen durch mechanische Verriegelung zu verhindern.

3. Permanente Anti-Lockerungs-Methoden

1. Punktschweißen: Die Mutter oder Schraube ist punktgeschweißt, um ein Lösen zu verhindern.

2. Fesselnd: Nieten werden verwendet, um den Bolzen und die verbundenen Teile dauerhaft zu fixieren.

3. Klebstoff gegen Lösen: Auf die Schraubengewinde wird Anti-Lockerungskleber aufgetragen, der aushärtet und ein Lösen verhindert, sobald die Mutter festgezogen ist.

Zusammenfassung

Das Lösen von Schrauben und der daraus resultierende Ausfall sind häufige Probleme in mechanischen Systemen und werden typischerweise durch dynamische Kräfte und nicht durch die Zug- oder Ermüdungsfestigkeit der Schraube verursacht. Der Schlüssel zur Verhinderung von Schraubenausfällen liegt in der Verwendung wirksamer Antilockerungsmethoden wie reibungsbasierter, mechanischer oder dauerhafter Lösungen. Durch geeignete Antilockerungsmaßnahmen kann die Stabilität der Ausrüstung erheblich verbessert und Ausfälle durch Schraubenlockerung und Folgeschäden vermieden werden.