Schraubensicherung

Das Lockern oder Lösen einer Schraubverbindung kann durch Setzvorgänge (bleibende Längenänderung) eingeleitet werden. Dabei gleichen sich die Oberflächen in den Gewindegängen, da diese Flächen nie zu 100% eben sind, aneinander an und verformen sich somit plastisch. Dies führt zu einer Reduzierung der elastischen Verformungen in der Schraubverbindung und somit auch zu einer Reduzierung der bei der Montage eingeleiteten Vorspannkraft. Aus diesem Grund ist auch darauf zu achten, dass die Festigkeit aller an der Verbindung beteiligten Komponenten annähernd gleich ist.

Dies führt schließlich unter Last auch zu einer Verminderung der Restklemmkraft und somit im schlechtesten Fall zum Lösen der Schraubverbindung.

Aus der Reduzierung der Vorspannkraft resultiert somit ein Spiel in der Verbindung. Schon das Lockern der Verbindung kann zu einer erhöhten Dauerbruchgefahr führen. Durch den entstandenen Bewegungsraum wird die Schraube bei jeder Belastung verformt und eventuell gebogen. Die ständigen Verformungen führen zu Materialermüdung bzw. Überlastung, ein Dauerbruch entsteht.

Bei dynamisch querbelasteten Schraubenverbindungen besteht die Möglichkeit eines vollständig selbsttätigen Losdrehens, wenn die Klemmkraft den Reibschluss in der Verbindung nicht mehr aufrecht erhalten kann. Die auftretenden Querverschiebungen führen zu einer Pendelbewegung der Schraube und somit zu einer Relativbewegung im Muttergewinde. Bei ausreichend großer Amplitude (maximale Auslenkung aus der Ruheposition) kommt es zum Gleiten unter der Kopf- und Mutterauflagefläche. Die Mutter oder Schraube wird gelöst.

Normalerweise genügt der Reibungswiderstand durch die Klemmkräfte zwischen Mutter und Schraube und den verspannten Teilen, um die Verbindung bei fachgerechter Montage ausreichend zu sichern. Bei schwingenden oder schlagenden Belastungen ist unter Umständen eine zusätzliche Sicherung z.B. durch Sperrverzahnung oder Verklebung notwendig. Sollte durch zu starke Belastung die Vorspannkraft bzw. die Klemmkraft verloren gehen, so bleibt die Verbindung trotzdem gesichert.

Ein weiterer wichtiger Punkt stellt das Thema Einsatztemperatur dar. Wird ein falscher Werkstoff bei einer erhöhten Temperatur dauerhaft eingesetzt, kann dies zu einer deutlichen Spannungsrelaxation führen. Dadurch reduziert sich die Vorspann- bzw. Klemmkraft deutlich und die Schraubverbindung kann sich lösen.

Man unterscheidet drei Gruppen für das Sichern von Schraubverbindungen:

• Sicherung gegen unbefugtes Lösen der Verbindung
• Sicherung gegen selbstständiges Losdrehen
• Sicherung gegen selbstständiges Lockern

Quellen:

VDI 2230 Blatt 1 - Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Zylindrische Einschraubenverbindungen
Wiegand, H. / Kloos, K.-H. / Thomala, W. (2007) Schraubenverbindungen - Grundlagen, Berechnung, Eigenschaften, Handhabung; 5. Auflage, Springer Verlag; Heidelberg Berlin

"Setzen" bezeichnet den Vorspannkraftverlust einer Schraubverbindung, der durch eine plastische Verformung der Schraube (Verlängerung) oder der verspannten Bauteile (Verkürzung) verursacht wird. Durch diese Vorgänge reduziert sich die Klemmkraft und die Verbindung lockert sich.

Die Setzsicherung muss demnach dafür sorgen, dass das Setzverhalten der Verbindung durch einen ausreichend großen elastischen Federweg des Sicherungselements kompensiert wird. Hierbei muss auf jeden Fall der zu erwartende Setzbetrag berücksichtigt werden. Die Steifigkeit der eingesetzten Setzsicherung muss zudem größer oder gleich der Steifigkeit des Schraubenwerkstoffes sein, da sonst die Sicherung erst greift, wenn ein Großteil der Vorspannkraft schon verloren gegangen ist (z.B. Federring DIN 127).

Nach dem heutigen Erfahrungsstand können folgende Setzsicherungen als wirkungsvoll eingestuft werden:

• Schrauben mit angepresster, federnder Kopfscheibe (z.B.Flanschschrauben, Federkopfschrauben)
• Muttern mit angepresster, konkaver Auflagescheibe
• Spannscheiben und Tellerfedern nach DIN 6796, DIN 6908 od. DIN 2093

Die Sicherungselemente, die unter der Rubrik Losdrehsicherung aufgeführt sind erhalten die Vorspannkraft der Schraubverbindung in der Regel über den ganzen Lebenszyklus der Schraube.

Zu dieser Gruppe gehören:

• Schrauben und Muttern mit Verriegelungszähnen (z.B. VERBUS TENSILOCK^®)
• Scheibenpaar mit beidseitig aufgewalzten Rippen (z.B. NORD-LOCK^®)
• Flüssige oder microverkapselte Klebstoffe auf dem Gewinde (z.B. Loctite^®)

Verliersicherungen bezeichnen die Sicherungselemente, die ein teilweises Losdrehen nicht verhindern können. Sie verhindern aber das vollständige Auseinanderfallen einer Schraubverbindung. Diese Art der Sicherung ist nur bei Verbindungen mit Querbelastung sinnvoll.

Zu dieser Gruppe der Sicherungselemente gehören u.a.:

• Muttern mit Klemmteil (z.B. DIN 980, DIN 982, DIN 985, DIN 986, DIN 6924, DIN 6925)
• Schrauben mit Kunststoffeinsatz oder -beschichtung
• Schrauben mit gezielt eingebrachten Durchmesser- oder Gewindefehlern
• Kronenmuttern (z.B. DIN 935, DIN 937, DIN 979, DIN 94) bis Festigkeitsklasse 8.8 !!
• Drahtsicherung

Die Rubrik der Manipulationssicherungen ist besser bekannt unter dem Stichwort Sicherheitsschrauben und hat grundsätzlich den Zweck, unbefugten Personen das Lösen bzw. Öffnen einer Schraubverbindung zu verwehren bzw. zu erschweren.

Die meisten Sicherungsansätze konzentrieren sich hierbei auf alternative Antriebslösungen. Neben verschiedenen "Standardantrieben" sind natürlich auch individuelle Lösungen realisierbar.