Federscheibe

Definition

Unter Schraubensicherung werden Maßnahmen verstanden, die das Lösen oder Lockern einer Schraubenverbindung durch äußere Einflüsse (z. B. Schwingung (Vibration), Korrosion, Setzen der Verbindung) verhindern sollen. Dies wird in der Regel durch zusätzliche (meist mitverspannte) Bauelemente, spezielle Formelemente oder Klebstoff realisiert. Sachgerecht konstruierte sowie fachgerecht ausgeführte hochfeste Schraubenverbindungen (Festigkeitsklasse 8.8 und höher) in Metallen benötigen in der Regel keine Schraubensicherung.

In der Praxis unterscheidet man heute bei Schraubensicherungen die folgenden Kategorien:

• selbst- oder fremdhemmende Schraubensicherungen zur Aufrechterhaltung der Vorspannung
• als Verliersicherung wirkende Schraubensicherungen, wie z. B. Splinte, Federringe und spezielle Unterlegscheiben

Berechnung von Schraubverbindungen

Die Auslegung, Berechnung und der Nachweis von Schraubverbindungen ist sehr komplexer Vorgang.

Prinzipiell wird wie folgt vorgegangen:

• Ermittlung der maximalen und minimalen axialen Betriebslast als sogenannte Vorspannkraft
• Ermittlung oder Abschätzung der auftretenden Reibwerte durch Fettung der Schraubverbindung vor dem Anziehen.
• Ermittlung und Auswahl der sogenannten Teil- oder Trennfugen und Werkstoffkennwerte an Hand der konstruktiv vorgegeben Einbausituation
• Ermittlung und Festlegung der Art und Weise, wie die Schraubverbindung angezogen wird
• Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften der Schraubverbindungen über den geplanten Temperaturbereich
• Nachweis der Dauerfestigkeit bei dynamischen bzw. wechselnden Krafteinleitungen

Bei der ersten sogenannten Entwurfsrechnung kann überschläglich die Größe bzw. der Querschnitt der Schraubverbindung über die Vorspannkraft und den Reibwert an Hand der axialen Betriebslast sowie das erforderliche Drehmoment beim Festziehen der Schraubverbindung ermittelt werden.

Im Weiteren wird das sogenannte Setz- oder Kriechverhalten berücksichtigt. Unter dem Setzen versteht man das „Verdrücken“ oder Abplatten an den Oberflächen durch die beim Anziehen der Schraubverbindung eingeleite Vorspannkraft. Dieser Effekt kann besonders bei weichen Werkstoffen, z. B. Dichtungen, zur Aufhebung der Vorspannung und damit der Wirksamkeit der Schraubverbindung schon nach kurzer Betriebsdauer führen. Dabei wird auch das sogenannte Lösemoment und die Kraft, die zum Lösen (Aufdrehen) der Schraubverbung erforderlich ist, berücksichtigt.

Anschließend wird das Verhalten der Schraubverbindung im geplanten Temperaturbereich bei den eingesetzten Werkstoffen an Hand der Einbausituation geprüft. Dabei wird das unterschiedlichen Verhalten der eingesetzten Werkstoffe, z. B. die Wärmedehnung berücksichtigt.

Abschließend ist in der Regel der Nachweis der Dauerfestigkeit der Schraubverbindung, einschließlich der zu befestigenden Bauelemente, zu führen. Hier wird die Festigkeit der eingesetzten Bauteile an Hand der verwendeten Werkstoffe, der Verbausituation, geometrischen Gestaltung der Bauteile, sowie mit Hilfe der Anzahl und Art der Lastwechsel bei der dynamischen (schwingenden) Belastung nachgewiesen. Es ist in einigen Branchen zulässig, dass dieser Nachweis mit Hilfe einer FEM-Berechnung unter Berücksichtigung des Temperaturverhaltens der Bauteile erfolgen kann.

Bei der rechnerischen Auslegung gelten in der Regel folgende Randbedingungen:

• Schraubverbindungen werden nur auf Vorspannung belastet, auftretende Querkräfte (Kräfte, die ein Verschieben bzw. Abscheren der Schraubverbindung verursachen) sind zusätzlich über den Reibwert als Betriebslast zu berücksichtigen.
• Das mehrfache Anziehen und Lösen einer Schraubverbindung muss in der Regel durch eine weitere Nachweisrechnung berücksichtigt werden. Hierzu wird bei hochbelasteten Schraubverbindungen in der Regel davon ausgegangen, dass alle Schrauben und Sicherungselemente durch neue unbenutzte Bauteile zu ersetzen sind.
• Das eingeleitete Anzugsmoment der Schraubverbindung ist nach der Montage konstant.
• Es erfolgt kein Überziehen bzw. eine bewusste Überschreitung des festgelegten Anzugsmoments bei der Montage.

Einsatz

Bei Unsicherheiten oder Nichteinhaltung der notwendigen Mindestklemmlängen von Schraubenverbindungen oder unklaren Umgebungsbedingungen sind Schraubensicherungen trotzdem üblich bzw. angebracht.

Ein Beispiel für eine nicht fach- und sachgerecht ausgeführte Schraubenverbindung ist die Befestigung von (Aluminium-) Schutzblechen am (Stahl-) Rahmen von Fahrrädern. Hier wird die Schrauben-Klemmkraft mit der Zeit durch das Fließen des Aluminiums und durch korrosive elektrochemische Einflüsse aufgehoben. Die Schraubverbindung lockert sich und die Bohrung im Aluschutzblech wird durch die Vibrationen während der Fahrt ausgeschlagen.

Durch Verdrahten gesicherte Schraubenverbindung einer Flugzeugturbine

Bei dynamischen Belastungen, insbesondere senkrecht zur Schraubenachse (Querlast), neigen Schraubenverbindungen dazu, sich selbst zu lösen. Eine Abhilfe gegen dieses Bauteilversagen bietet in erster Linie die korrekte Auslegung und Konstruktion der Schraubenverbindung. Als Grundsatz im Maschinenbau gilt:

• Die zu verbindenden Bauteile sollen möglichst wenig nachgeben (große Querschnitte, kein Kriechen, hoher Elastizitätsmodul- falls konstruktiv realisierbar), also steif sein
• Die zugehörige Schraubenverbindung muss dagegen möglichst nachgiebig sein (z. B. durch Verwendung von Dehnschrauben)
• Schraubenverbindungen mit hochfesten Schrauben und Muttern. Diese sind nur dann sinnvoll, wenn sie entsprechend fest angezogen werden können (weitgehende Ausnutzung der Schraubenfestigkeit) und an den verspannten Teilen keine plastischen Verformungen auftreten (Grenzflächenpressung).

glatte Federscheibe oder Wellenscheibe

Bei niedrigfesten Schraubenverbindungen (Festigkeitsklassen kleiner als 8.8) können mitverspannte federnde Elemente wie Federringe, Spannscheiben oder Zahnscheiben zur Sicherheit beitragen. Real sind Schutzerde-Schraubverbindungen immer zu kurz ausgeführt. Daher wird üblicherweise ein federndes Element vorgesehen, oft die im Maschinenbau als mechanisch unwirksam eingestuften Federringe. Es gibt sogenannte glatte und selbstsperrende Federringe. Letztere besitzen hakenförmige Enden und beschädigen beim Lösen die Oberflächen, bei elektrischen Verbindungen tragen sie durch Verletzung der Oxidschicht zum besseren elektrischen Kontakt bei.

An Stellen, wo solche Maßnahmen nicht möglich sind, können niedrigfeste Schraubenverbindungen mit Klebstoff, durch speziell geformten Muttern mit Kunststoffeinsatz (selbsthemmende Muttern), durch Kronenmuttern mit Splint oder durch das Verdrahten (Drahtsicherung) gesichert werden. Das sichern von Schrauben in Aluminiumteilen kann z. B. durch selbstsichernde Gewindeeinsätze oder spezielle Gewinde realisiert werden. Beim Einsatz von Edelstahlschrauben in diesen Einsätzen kann es zum Fressen kommen.

Bei elektrischen Verbindungen (z. B. Masseanschlüssen) ist der Einsatz von Klebstoff zur Sicherung der Befestigungsschraube nicht sinnvoll, weil sich der Kleber in die Trennfugen ziehen kann und dort isolierend wirkt.

Das Kontern mit einer weiteren Mutter ist nur dann sinnvoll, wenn die Kraft zwischen den Muttern deutlich größer als diejenige in der zu schaffenden Verbindung ist. Eine aufwendige Ausnahme ist dabei die Methode, das Gewinde der Befestigungsmutter als Rechtsgewinde auszuführen, das zugehörige Gewinde der Kontermutter auf der Schraube dagegen als Linksgewinde. Diese Methode ist im Bergbau verbreitet, ebenso an alten Fahrrädern mit geschraubten Ritzeln auf der Hinterradnabe. Bei Anwendung von Kronenmutter und Splint sind Bolzen und Mutter zueinander gesichert.

Für hochfeste Schraubenverbindungen bieten sich nur wenige Möglichkeiten der Sicherung an, wenn die Ausnutzung der Schraubenfestigkeit und die damit einhergehende große Vorspannkraft nicht zum Erfolg führt:

• Sperrzahnschrauben und -muttern
• Sperrkantscheiben (einfach oder doppelt)
• Kleben (Flüssig- oder mikroverkapselter Kleber)

Einteilung

Schraubensicherungen sind kraftschlüssig (z. B. Federringe, Federscheiben), formschlüssig (z. B. Sicherungsbleche mit Lappen, Rippscheiben) oder stoffschlüssig (z. B. flüssige Schraubensicherungen, Klebstoff).
Zu den kraftschlüssigen Sicherungen zählen auch selbstsichernde Muttern, z. B. Sechskantmuttern mit Klemmteil.

Schraubensicherungen soll Vorspannkraft-Verluste infolge Setzen und Kriechen (Lockern) und dynamischer Belastung (Gefahr des partiellen oder vollständigen Losdrehens) verhindern oder zumindest klein halten. Hierzu werden Schraubensicherungen (also auch solche, die eigentlich keine sind, aber aus verschiedenen Gründen noch so bezeichnet werden) für hochfeste Schraubenverbindungen in drei Klassen eingestuft:

• Losdrehsicherung: Verhindert, dass die Vorspannkraft mehr als 20 % absinkt (z. B. Klebstoff, Ripp-Schrauben).
• Verliersicherung: Verhindert, dass die Verbindung auseinander fällt (z. B. kunststoffbeschichtete Schraube).
• Unwirksame „Sicherungen“: Kann den vollständigen Verlust der Vorspannkraft nicht verhindern

Mutter mit untergelegtem Federring

Folgende Maschinenelemente gelten als unwirksame Schraubensicherungen, sämtliche angegeben Normen sind inzwischen zurückgezogen:

• Fächerscheiben nach DIN 6798,
• Zahnscheiben nach DIN 6797,
• Sicherungsbleche nach DIN 93, DIN 432 und DIN 463,
• Sicherungsnäpfe nach DIN 526,
• Sicherungsmuttern nach DIN 7967,
• Federringe nach DIN 127, DIN 128 und DIN 7980,
• Federscheiben nach DIN 137.

weil sie unter bestimmten Umständen zur Aufrechterhaltung der Vorspannung einer Sachraubverbindung als wirkungslos erwiesen haben. Diese Bauteile können jedoch häufig noch als sogenannte Verliersicherung eingesetzt werden.

Ein Grund dafür ist, dass eine sachgerecht ausgeführte Schraubenverbindung wesentlich höhere Vorspannkräfte aufweist, als die oben genannten Elemente an Federkraft aufbauen können. So liegt ein Federring nach DIN 127 schon bei 5 % der Nennvorspannkraft von Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 auf Block und wirkt nur noch wie eine Unterlegscheibe.^[1]

Sicherungselemente und Normen

Schraubensicherungen
Kraftschlüssig: Fig. 2 (Doppelmutter)
Formschlüssig: Fig. 4 (Splintsicherung), Fig. 5 (Splint- oder Kerbstiftsicherung)

• Kronenmuttern mit Splint DIN 935, DIN 979
• Klemmmmuttern mit Kunststoffeinsatz EN ISO 7040, 10511, 10512. (Alt: DIN 982, 985, 6924)
• Sechskantmuttern mit metallischem Klemmteil EN ISO 7042, 7043, 7044, 10513. (Alt: DIN 980, 6925)
• DIN 267-27 Mechanische Verbindungselemente - Teil 27: Schrauben aus Stahl mit klebender Beschichtung; Technische Lieferbedingungen
• DIN 267-28 Mechanische Verbindungselemente - Teil 28: Schrauben aus Stahl mit klemmender Beschichtung; Technische Lieferbedingungen

Folgende DIN-Normen wurden im Zuge der internationalen Normenanpassung ersatzlos zurückgezogen:

• Scheiben mit Lappen DIN 93
  • – mit Nase DIN 432
  • – mit zwei Lappen DIN 463
• Sprengringe DIN 9045
• Kronenmuttern, niedrige Form (alte Ausführung) DIN 937

weil sie sich unter bestimmten Umständen zur Aufrechterhaltung der Vorspannung einer Schraubverbindung als wirkungslos erwiesen haben. Diese Bauteile können jedoch häufig noch als sogenannte Verliersicherung eingesetzt werden.

Nicht genormte Sicherungselemente (unterschiedliche Wirksamkeit)

Es existieren eine Reihe unterschiedlicher, teils patentrechtlich geschützter Elemente:

• Schrauben und Muttern mit Formelementen an der Auflageseite (Ripp-, Zahn- oder Sperrkantprofil)
• Keilsicherungsscheibenpaar
• Sperrkantscheibe
• Flüssigkleber
• mikroverkapselter Kleber
• spezielle Gewindeprofile (z. B. trilobular)
• selbstsichernde Gewindeeinsätze
• Nylon-Fleckbeschichtung

siehe auch: Normteile

Einzelnachweise

1. ↑ Hubert Hinzen, Maschinenelemente 1, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2007, ISBN 3-486-58081-7, S. 370

Weblinks

• Sichern von Schraubenverbindungen
• Allgemeine Hinweise zur Berechnung von Schraubverbindungen

Allgemeine Übersichten über die Arten von Schraubensicherungen, ohne Berücksichtigung der Wirksamkeit

• Einige Schraubensicherungsnormen
• Schraubensicherungen