Das Anzugsmoment aus der Tabelle sagt wenig über die Vorspannkraft
Wohin das Moment wirklich geht
Eine Schraubverbindung hält nicht wegen des Anzugsmoments. Sie hält wegen der Vorspannkraft, die die Teile aufeinanderpresst. Das Moment ist nur ein Hilfsmittel, um diese Kraft zu erzeugen, und ein ziemlich schlechtes.
Das Anziehmoment setzt sich aus drei Anteilen zusammen: der Steigung des Gewindes, der Reibung in den Gewindeflanken und der Reibung unter dem Schraubenkopf.
M_A = F_M · ( 0,16 · P + 0,58 · d2 · µ_G + D_Km/2 · µ_K )
P Steigung d2 Flankendurchmesser
µ_G Gewindereibung µ_K Kopfreibung
D_Km wirksamer Reibdurchmesser unter dem Kopf
Für M10 mit µ = 0,14 in beiden Fugen ergeben die drei Klammerterme etwa 0,24, 0,73 und 0,90 Millimeter. Nur der erste erzeugt Vorspannkraft. Anders gesagt: rund 13 Prozent des Moments spannen die Verbindung, knapp 40 Prozent gehen ins Gewinde, fast die Hälfte unter den Kopf.
Damit hängt die entscheidende Größe an den beiden Zahlen, die man am wenigsten sicher kennt. Ein Reibwert ist keine Materialkonstante, sondern das Ergebnis von Oberfläche, Beschichtung, Öl, Anzahl der Anziehvorgänge und Anziehgeschwindigkeit.
Was der Reibwert mit der Vorspannkraft macht
Zwei Rechnungen mit demselben Bauteil, M10 der Festigkeitsklasse 8.8. Zuerst der Blick aus der Tabelle: welches Moment gehört zu welchem Reibwert, wenn die Streckgrenze zu 90 Prozent ausgenutzt werden soll.
| Reibwert µ | Anziehmoment | Vorspannkraft |
|---|---|---|
| 0,08 (MoS₂, Wachs) | 34,8 Nm | 29 530 N |
| 0,10 (geölt) | 40,3 Nm | 28 480 N |
| 0,12 (leicht geölt) | 45,2 Nm | 27 410 N |
| 0,14 (blank, Bezugswert) | 49,6 Nm | 26 330 N |
| 0,16 (trocken, entfettet) | 53,5 Nm | 25 270 N |
| 0,20 (verzinkt, trocken) | 60,1 Nm | 23 230 N |
Werte aus der Nachschlageseite zu M10 8.8, gerechnet nach VDI 2230.
Diese Tabelle wird meistens falsch gelesen. Sie beantwortet die Frage: welches Moment brauche ich, wenn ich den Reibwert kenne. In der Werkstatt steht aber die umgekehrte Frage. Dort ist das Moment vorgegeben, und der Reibwert ergibt sich aus dem, was gerade auf der Schraube ist.
Zieht man immer mit 49,6 Nm an, dem Tabellenwert für µ = 0,14, dann sieht die Sache so aus:
| Tatsächlicher Reibwert | Vorspannkraft bei 49,6 Nm | Bewertung |
|---|---|---|
| 0,08 | rund 42 000 N | über der Streckgrenzenlast von etwa 37 000 N, die Schraube fließt |
| 0,10 | rund 35 000 N | deutlich über Auslegung, plastische Verformung möglich |
| 0,14 | 26 330 N | Auslegungsfall |
| 0,16 | rund 23 400 N | 11 Prozent unter Auslegung |
| 0,20 | rund 19 200 N | 27 Prozent unter Auslegung |
Linear aus derselben Reihe hochgerechnet. Die Streckgrenzenlast folgt aus R_p0,2 = 640 MPa und A_S = 58 mm².
Faktor zwei zwischen bestem und schlechtestem Fall, bei identischem Vorgehen des Monteurs. Das ist der Grund, warum eine Momentangabe ohne Reibwertangabe unvollständig ist.
Der Anziehfaktor macht die Streuung sichtbar
Die VDI 2230 fasst diese Unsicherheit im Anziehfaktor α_A zusammen, dem Verhältnis von maximaler zu minimaler Montagevorspannkraft. Die Auslegung muss beides ertragen: das Bauteil darf beim oberen Wert nicht überlastet werden, und beim unteren Wert muss die Verbindung noch halten.
| Anziehverfahren | α_A | Was das praktisch heißt |
|---|---|---|
| Schlagschrauber ohne Steuerung | 2,5 … 4 | die untere Vorspannkraft ist ein Viertel der oberen |
| Drehmomentschlüssel, Reibwert geschätzt | 1,6 … 2,0 | der Normalfall in Montage und Service |
| Drehmomentschlüssel, Reibwert gemessen | 1,4 … 1,6 | lohnt sich ab mittlerer Serie |
| Drehwinkelverfahren | 1,2 … 1,4 | Streckgrenze wird planmäßig überschritten |
| Streckgrenzgesteuert | 1,1 … 1,2 | Schrauber erkennt den Knick in der Kurve |
| Längenmessung der Schraube | 1,1 … 1,2 | Ultraschall oder Messbolzen, Sonderfall |
Richtwerte nach VDI 2230. Die genaue Einordnung hängt von Schmierung und Einstellgenauigkeit ab.
Interessant ist die Zeile mit dem Schlagschrauber, weil sie in fast jeder Werkstatt vorkommt. Wer eine Verbindung so auslegt, dass sie mit α_A = 4 noch trägt, braucht eine Schraube, die im günstigen Fall das Vierfache der nötigen Kraft aufbringt, ohne zu versagen. Meistens ist es billiger, das Anziehverfahren zu ändern als die Schraube.
Setzen: der Verlust nach der Montage
Nach dem Anziehen sinkt die Vorspannkraft, ohne dass jemand etwas tut. Die Rauheitsspitzen in den Trennfugen, unter dem Kopf und in den Gewindeflanken werden plattgedrückt. Das ist kein Kriechen und kein Lösen, sondern eine plastische Verformung im Mikrometerbereich, die in den ersten Betriebsstunden weitgehend abgeschlossen ist.
Für die Abschätzung rechnet man mit einem Setzbetrag je Fuge. Typische Größenordnungen bei mittlerer Rauheit liegen bei 3 µm je Gewindefuge, 3 µm je Kopf- oder Mutterauflage und 2 bis 3 µm je innerer Trennfuge. Ein Paket aus zwei Blechen ergibt so schnell 10 bis 12 µm.
Ob das viel ist, entscheidet die Nachgiebigkeit. Eine kurze, steife Schraube verliert bei 10 µm Setzbetrag einen erheblichen Teil ihrer Vorspannkraft, eine lange Dehnschraube kaum etwas. Deshalb sind Dehnschrauben und lange Klemmlängen keine Marotte, sondern die einzige wirksame Antwort auf Setzverluste. Der zweite Weg ist Nachziehen, was aber nur hilft, wenn die Verbindung dafür zugänglich bleibt.
Was in die Zeichnung gehört
Eine Momentangabe allein ist nicht ausführbar. Vollständig wird sie erst mit drei Angaben.
- Das Moment mit Toleranz, zum Beispiel 50 Nm ± 10 Prozent. Ohne Toleranz ist unklar, ob ein Schlagschrauber zulässig ist.
- Der zugrunde gelegte Reibwert, zum Beispiel µ_ges = 0,14. Das ist der Wert, für den das Moment gilt, und die einzige Möglichkeit für die Montage, einen abweichenden Schmierzustand zu erkennen.
- Der Schmierzustand, also blank, leicht geölt, mit Klebstoff gesichert oder trocken montieren. Ein Tropfen Öl auf einer Schraube, die trocken gerechnet wurde, hebt die Vorspannkraft um dreißig Prozent.
Bei Schraubensicherungsmitteln kommt dazu, dass der Kleber selbst den Reibwert verändert, und zwar je nach Produkt in beide Richtungen. Die Datenblätter der Hersteller geben dafür eigene Werte an, die den Tabellenwert ersetzen und nicht ergänzen.
Wann das Moment gar nicht die richtige Größe ist
Bei sicherheitsrelevanten Verbindungen, bei kurzen Klemmlängen und überall dort, wo die Streuung teuer wird, greift man zu einem anderen Verfahren. Das Drehwinkelverfahren zieht bis zu einem definierten Fügemoment an und dreht dann um einen festen Winkel weiter. Weil der Winkel direkt in die Längung der Schraube umgerechnet werden kann, hängt die erreichte Kraft kaum noch am Reibwert. Der Preis ist, dass die Schraube dabei planmäßig über die Streckgrenze geht und nicht wiederverwendet werden darf.
Bei Großverbindungen im Anlagenbau misst man stattdessen die Längung direkt, per Ultraschall oder über einen Messbolzen in der Schraubenachse. Das ist genau, aber aufwendig, und lohnt erst bei entsprechend teuren Konsequenzen.
Für alles darunter bleibt der Drehmomentschlüssel das Mittel der Wahl. Man sollte nur wissen, dass man damit eine Kraft einstellt, die man nicht misst.
Häufige Fragen
Darf ich eine Schraube ölen, für die ein Tabellenmoment gilt?
Nur wenn das Tabellenmoment für denselben Schmierzustand gilt. Die üblichen Tabellenwerte beziehen sich auf µ = 0,14, also blank und leicht geölt. Wer zusätzlich fettet, senkt den Reibwert Richtung 0,10 und erzeugt mit demselben Moment eine deutlich höhere Vorspannkraft. Bei hochfesten Schrauben kann das die Streckgrenze überschreiten.
Warum unterscheiden sich Momenttabellen verschiedener Hersteller?
Weil sie unterschiedliche Annahmen treffen: Ausnutzung der Streckgrenze zu 90 oder zu 70 Prozent, Reibwert 0,12 oder 0,14, mit oder ohne Berücksichtigung der Torsion beim Anziehen, verschiedene Kopfauflagedurchmesser. Jede Tabelle ist für sich stimmig. Vergleichen lassen sie sich nur, wenn diese Randbedingungen dabeistehen.
Wie oft darf eine hochfeste Schraube wiederverwendet werden?
Bei momentgesteuertem Anziehen im elastischen Bereich mehrfach, sofern Gewinde und Kopfauflage unbeschädigt sind und nachgeschmiert wird. Der Reibwert steigt allerdings mit jedem Anziehvorgang, weil die Oberflächen aufrauen. Nach Drehwinkel- oder streckgrenzgesteuertem Anziehen ist die Schraube plastisch verformt und gehört ersetzt.
Was ist die Mindesteinschraubtiefe und warum hängt sie am Werkstoff?
Sie ist die Gewindelänge, ab der die Schraube reißt, bevor das Muttergewinde abstreift. Weil das eine Frage der Scherfestigkeit des schwächeren Partners ist, hängt sie vom Werkstoff des Innengewindes ab. In vergütetem Stahl genügt etwa das 1,2-fache des Durchmessers, in Aluminium braucht dieselbe Schraube gut das Doppelte.