Schraubensicherungen und Ursachen für das Versagen einer Schraubverbindung

Dieser Artikel behandelt die Arten und Ursachen für das Versagen – meist Lockern – einer Schraubenverbindung, sowie Maßnahmen dagegen (Schraubensicherungen).

Ursachen für das Versagen einer Schraubenverbindung

Lockern
Die Schraubenverbindung lockert sich, wenn eine bleibende Längenänderung in Achsrichtung der Schraube auftritt. Dies führt zu einer Verminderung der Vorspannkraft und damit unter Betriebslasten auch zu einer Verminderung der Restklemmkraft. Eine bleibende Längenänderung kann hervorgerufen werden durch:

Setzen: Die rauhen Oberflächen der aufeinanderliegenden Teile (zB. Mutter, Unterlegscheiben) glätten sich unter dem Druck der Vorspannkraft. Daraus ergibt sich auch: Je mehr Beilagscheiben, bzw. zu verbindende Teile mit einer Schraube verschraubt werden, desto größer ist die Längenänderung durch Setzen.

Kriechen: Die Flächenpressung an den Auflageflächen von Schraube und Mutter übersteigt die spezifische Druckfestigkeit des Materials der verspannten Teile. Das ist zB. bei Aluminium der Fall, wenn mit 10.9 oder 12.9 Schrauben verschraubt wird, und auf das korrekte Anzugsmoment gebracht wird.

Sichern gegen Lockern
Wird die Elastizität der Verbindung so vergrößert, daß zu erwartende Setz- und Kriechbewegungen ausgeglichen werden können kann der Abfall der Vorspannkraft weitgehend verhindert werden. Dies ermöglichen

• Schrauben mit einem großen Klemmlängenverhältnis l/d (l = Schaftlänge, d = Schaftdurchmesser)
• Bundschrauben und Bundmuttern sowie vergütete Unterlegscheiben, die die Flächenpressung und damit auch das Setzen an den Auflageflächen verhindern,
• Schrauben und Muttern mit angepreßter, federnder Kopfscheibe bzw. konkaver Auflagescheibe,
• Spannscheiben oder Tellerfedern mit hoher Steifigkeit.

Losdrehen
Die Schraubenverbindung dreht sich selbstständig los, wenn Gleitbeweegungen zwischen den Kontaktflächen auftreten. (Vor allem bei Dämpferaufnahmen etc..) Denn durch diese erzwungenen Relativbewegungen werden in der Schraubenverbindung die Reibungskräfte überwunden und die Selbsthemmung des Gewindes aufgehoben. Nur wenn die Klemmkraft groß genug ist, um solche Bewegungen zu verhindern, muß zum Losdrehen das Moment ML überwunden werden:

ML = Fv * [ d2/2 * tan (-phi + rho) + myA * rA]

Dabei gilt:
ML .. Losdrehmoment
Fv .. vorhandene Vorspannkraft
d2 .. Flankendurchmesser des Gewindes
phi .. Steigungswinkel des Gewindes
rho .. Reibungswinkel des Gewindes
myA .. Reibungskoeffizient der Auflageflächen
rA .. Hebelarm der Reibungskraft an den Auflageflächen

Verhindert die Klemmkraft der Schraubenverbindung Relativbewegungen zwischen den verspannten Teilen nicht (alle Bauteile am Radl, bei denen Gelenke verschraubt sind), so führt die Schraube eine Schaukelbewegung durch: Die Gewindeflanken gleiten aufeinander und die Schraube wird fast reibungsfrei. Das Losdrehmoment ist dann

Mi = -Fv * d2/2 * tan phi

Dieses Losdrehmoment Mi, welches nur von der Vorspannkraft, dem Flankendurchmesser und dem Steigungswinkel des Gewindes anhängig ist, wirkt entgegen der Anziehrichtung und führt zu einem Lösen der Schraubenverbindung. Solche Gleitbewegungen zwischen den Kontaktflächen können hervorgerufen werden durch:

• Dynamische Belastung in Achsrichtung: Eine pulsierende axiale Überlastung führt zu einer Relativbewegung an den Gewindeflanken.
• Dynamische Belastung quer zu Achsrichtung: Verbiegen, unterschiedliche thermische Ausdehnung der Materialien, Stöße oder Vibrationen überwinden die Reibungskraft zwischen den aufliegenden Teilen.

Sichern gegen selbständiges Losdrehen
Bei entsprechend belasteten Schraubenverbindungen können folgende Maßnahmen das unkontrollierte Lösen verhindern:

• Durch die Verwendung von hochfesten Schrauben sind größere Vorspannkräfte möglich, die hoch genug sind, um Relativbewegungen zu verhindern.
  Das funktioniert nicht immer, da beim Fahrrad manchmal (bei unsauberen Konstruktionen) diese Relativbewegungen erwünscht sind, und auch wegen der Verwendung von Alulegierungen, die die maximale Vorspannkraft wie unter Lockern beschrieben beschränken.
• Durch konstruktive Maßnahmen kann ein Klemmlängenverhältnis l/d größer 6 erreicht werden, wodurch die Elastizität der Schraubenverbindung erhöht wird.
• Durch Beeinflussung der Oberflächengüte von Schraube und Mutter kann die Reibung erhöht werden.
• Durch Aufbringen von Klebstoff kann die Reibung im Gewinde erhöht und Stoffschluß erzeugt werden.
• Durch Erzeugen von Stoffschluß (zB. Paßschrauben, Schweißpunkt *ggg*) kann der Schlupf im Gewinde begrenzt werden.

Arten der Schraubensicherung

Schraubensicherungen lassen sich in 3 Gruppen unterteilen:

1. Setzsicherungen
Setzsicherungen vergrößern die Elastizität der Verbindung und kompensieren so Setzbeträge. Dadurch wird die Vorspannkraft weitgehenst erhalten und ein Lockern der Schraubenverbindung verhindert. Das selbständige Losdrehen der Schraubenverbindung bei erzwungenen Relativbewegungen der verspannten Teile kann eine Setzsicherung aber nicht verhindern.

Beispiele für Setzsicherungen: Spannscheiben, Tellerfedern hoher Steifgkeit. Die Sicherungswirkung von anderen Elementen wie zB. Federringen, Federscheiben, Zahn- und Fächerscheiben ist gering. Zur Sicherung von Schrauben ab der Festigkeitsklasse 8.8 sind sie ungeeignet.

2. Verliersicherungen
Verliersicherungen lassen zwar ein teilweises Lockern oder Losdrehen zu, verhindern aber das Auseinanderfallen der Schraubenverbindung. Hat für das Fahrrad keine Bedeutung, außer bei Möchtegernsicherungen von Scheibenbremsen.. ;-)

Beispiele: Kronenmuttern, Drahtsicherungen, Schrauben mit Gewindeeinsätzen aus Metall oder Kunststoff.

3. Losdrehsicherungen
Losdrehsicherungen verhindern das selbstständige Lösen der Schraubenverbindung. Dazu gehören: Schrauben mit Verriegelungszähnen, Rippflanschschrauben, Klebstoffe.

Schraubensicherung mit Klebstoff

Höchste Ansprüche an die Belastbarkeit einer Schraubensicherung muß die Losdrehsicherung erfüllen. Schraubenkleber sind meistens flüssige Einkomponentenklebstoffe, die möglichst den gesamten Freiraum zwischen den Gewindegängen ausfüllen und dort durch Metallkontakt und unter Luftabschluß aushärten. Der Klebstoff stellt einen Stoffschluß her und unterbindet so die Bewegung im Gewinde.

Lösbarkeit und Wiederverwendbarkeit von Schraubenklebstoffen

Niedrigfest: Mit normalen Werkzeug leicht wieder lösbar.
Mittelfest: Mit normalen Werkzeug noch lösbar.
Hochfest. Mit normalem Werzeug nicht mehr lösbar.

Werden niedrigfeste Produkte verwendet, lassen sich die gesicherten Schrauben ohne großen Kraftaufwand mit normalen Werkzeug losdrehen. Da der Klebstoff zusätzlich als Korrosionsschutz wirkt, können die Schrauben aufgrund von Korrosion nicht im Gewinde festsitzen.

Eine mit niedrig- oder mittelfestem Klebstoff gesicherte Schraube läßt sich wiederverwenden, wenn vor dem erneuten Klebstoffauftrag loser, zerriebener Klebstoff entfernt wurde.

Wenn eine Schraube bis zur Streckgrenze belastet und gelöst wird, sollte sie durch eine neue ersetzt werden. Denn beim nochmaligen Verwenden der Schraube riskiert man einen Bruch, wenn die gleiche Vorspannkraft angelegt wird.

Auszug von Loctite Schraubensicherungsklebstoffen

niedrigfest

Produktnummer	Gewindeverbindung bis M??	Losbrechmoment	Handfestigkeit Stahl/Stahl	Temperatur- beständigkeit	Farbe
221	M12	9-21Nm	10-20min	-55 - 150°C	violett
222	M36	8-20Nm	15-30min	-55 - 150°C	purpur
225	M80	6-18Nm	30-60min	-55 - 150°C	braun

mittelfest

Produktnummer	Gewindeverbindung bis M??	Losbrechmoment	Handfestigkeit Stahl/Stahl	Temperatur- beständigkeit	Farbe
241	M12	13-33Nm	20-60min	-55 - 150°C	blau
242	M36	14-30Nm	10-30min	-55 - 150°C	blau
243	M36	14-43Nm	15-30min	-55 - 150°C	blau
254	M80	13-33Nm	30-60min	-55 - 150°C	blau

hochfest

Produktnummer	Gewindeverbindung bis M??	Losbrechmoment	Handfestigkeit Stahl/Stahl	Temperatur- beständigkeit	Farbe
601	M12	40-60Nm	20min	-55 - 150°C	grün
270	M20	25-54Nm	15-30min	-55 - 150°C	grün
648	M20	30-55Nm	3min	-55 - 175°C	grün
273	M20	28-48Nm	10-30min	-55 - 150°C	rot
262	M36	25-50Nm	15-30min	-55 - 150°C	rot
275	M80	25-55Nm	20-30min	-55 - 150°C	grün

hochfest mit Kapillarwirkung (für nachträgliche Sicherung von bereits verspannten Gewinden)

Produktnummer	Gewindeverbindung bis M??	Losbrechmoment	Handfestigkeit Stahl/Stahl	Temperatur- beständigkeit	Farbe
290	M5	15-45Nm	15-20min	-55 - 150°C	grün

Losbrechmoment gemessen an Schrauben M10, 8.8, Mutternhöhe 0,8d nach DIN54 454

2002-2006 Georg Svoboda