Die Experten: Wie ist das Verhältnis zwischen Drehmoment, Vorspannung und Reibung?

Eine der wichtigsten Methoden zum Vorspannen einer Schraube ist das Anlegen eines Drehmoments am Schraubenkopf. Dieses Verfahren ist in der Branche sehr gängig, lässt sich aber nicht präzise steuern.

Beim Anziehen der Schraube geht die rotatorischen in eine translatorische
Bewegung über. Dadurch wird die Schraube gedehnt, während die Teile zusammengedrückt werden. Allerdings geht nur ein geringer Teil des Eingangsdrehmoments in Vorspannkraft über. Der Großteil wird zur Überwindung des Widerstandseffekts der Reibung benötigt, die der Drehung des Verbindungselements gegenübersteht.

Wie sich Reibung auf Drehmoment und Vorspannung auswirkt

Reibung ensteht zum einen im Unterkopfbereich der Schraube oder
der Mutter und zum anderen im Gewinde.

Durch diesen hohen Anteil der Reibungsverluste am Anziehmoment wird die Notwendigkeit einer möglichst genauen Ermittlung der Reibungszahlen deutlich, um das Erreichen der gewünschten Klemmkraft sicherzustellen. Mithilfe von Dreh-Zug-Prüfungen können die Reibwerte an beiden Kontaktflächen charakterisiert werden.

Bei einer ungeschmierten Schraubenverbindung gehen ca. 50% an Unterkopfreibung und 40% an Gewindereibung verloren. Das Drehmomentverfahren ist folglich nicht sehr effizient. Dieser Anteil lässt sich durch die Anwendung eines reibungsarmen Schmiermittels erhöhen. Die Verwendung von Schmiermittel reduziert die Reibung und verringert das für die gleiche Vorspannung erforderliche Drehmoment.

Streuung und ihre Auswirkungen

Reibwerte sind zudem sehr variabel (in der Regel +/-20 %), wodurch es im Verfahren zu Streuung kommt. Und auch wenn die Schraubwerkzeuge oft sehr präzise sind (zum Beispiel +/-1 % bei kalibrierten Handdrehmomentschlüsseln), variiert die Abweichung vom angelegten Drehmoment von +/-10 bis +/- 50 %. Viele Bediener sind erstaunt, wenn sie erkennen, wie viel Einfluss ihre Körperhaltung und ihr Umgang mit dem Werkzeug auf das angelegte Drehmoment hat.

Es ist allgemein bekannt, dass die Streuung bei der erzielten Vorspannkraft +/- 30 % beträgt. Dies bedeutet, dass die maximal mögliche Vorspannkraft doppelt so hoch sein kann wie die minimal mögliche Vorspannkraft. Bei rostigen Schrauben oder Befestigungselementen aus Edelstahl, die anfällig für Verklemmen sind, kann die Streuung sogar noch höher ausfallen.

Glücklicherweise lässt sich Streuung durch Schmiermittel oder die Verwendung von Schrauben mit bestimmtem Reibwert, beispielsweise Schrauben mit Decklack oder Wachs, verringern.

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