Eine Schraube richtig anziehen: warum der Wert am Drehmomentschlüssel eine Schätzung ist

Wohin das Moment wirklich geht

Stell dir die Schraube als Feder vor, die du mit einem Spindelheber dehnst. Das Gewinde ist der Heber; wer es dreht, zieht den Kopf gegen die Verbindung und setzt die Schraube unter Zug. Dieser Zug ist die Vorspannkraft, und um sie geht es: Sie verhindert, dass die Teile rutschen, dass die Verbindung unter Last aufklafft, und — entgegen der Intuition — dass die Schraube ermüdet, denn eine richtig vorgespannte Schraube sieht von der zyklischen Last an der Verbindung fast nichts.

Das Problem: Der Schlüssel sieht davon nichts. Er liest die Reaktion am Griff, und die ist die Summe aus dreierlei — der nützlichen Arbeit, die Gewindesteigung hinaufzuschrauben, der Reibung zwischen den Gewindeflanken und der Reibung zwischen der Unterseite von Kopf oder Mutter und der Fläche, auf der sie dreht. Nur das Erste dehnt die Schraube. Je nach Oberflächen machen die anderen beiden zusammen vier Fünftel bis neun Zehntel von allem aus, was du ziehst. Ein Tropfen Öl aufs Gewinde ändert weder Schraube noch Verbindung noch Schlüssel — er ändert den Wechselkurs zwischen der Zahl auf der Skala und der Kraft in der Schraube.

Das ganze Durcheinander steckt in einer einzigen Zahl, dem Anziehfaktor K, und die Beziehung ist absichtlich grob: T = K · F · d, mit F der Vorspannkraft und d dem Nenndurchmesser. K ist kein Reibbeiwert und wird auch nicht aus einem hergeleitet. Es ist ein empirischer Sammelfaktor aus Kopfreibung, Gewindereibung und Steigungsgeometrie zugleich, und der einzige ehrliche Weg dahin ist, eine Probe der echten Verbindung auf einer Kraftmessdose anzuziehen und zu messen. Veröffentlichte Tabellen geben Bereiche an, keine Werte. Der Rechner führt elf mittlere Werte — trocken 0,20, leichtes Öl 0,15, Molybdändisulfid 0,10, Wachs oder PTFE 0,12, Montagepaste 0,13, cadmiert 0,16, brüniert 0,18, Edelstahl geschmiert 0,19, verzinkt 0,20, feuerverzinkt 0,25, Edelstahl auf Edelstahl trocken 0,30 — und lässt dich deinen eigenen eintragen, wenn du ihn gemessen hast.

Was der Rechner Schritt für Schritt rechnet

Er rechnet vorwärts, von der Schraube zum Schlüssel, nie umgekehrt. Zuerst der Spannungsquerschnitt, weder die Fläche des Nenndurchmessers noch die des Gewindegrunds, sondern ein konventioneller Mittelwert beider: im metrischen Regelgewinde As = (π/4)(d − 0,9382 · P)², mit P der Steigung. Für M10 mit 1,5 mm Steigung ergibt das 57,99 mm², für M20 bei 2,5 mm 244,8 mm² — beide geben die Tabellen der ISO 898-1 wieder. Zollgewinde nutzen die parallele Formel As = 0,7854 · (D − 0,9743/n)², die für ein 1/2-13 UNC 0,1419 in² liefert, wiederum der veröffentlichte Wert.

Dann die Prüfspannung, die aus der Festigkeitsklasse kommt und bei zweien zusätzlich aus dem Durchmesser. Klasse 8.8 sind 580 MPa bis einschließlich 16 mm und 600 MPa darüber; Klasse 10.9 sind 830 MPa; 12.9 sind 970 MPa; der Edelstahl A4-80 wird über seine 0,2-%-Dehngrenze von 600 MPa angegeben, denn austenitischer Edelstahl hat keine Prüfkraft im gleichen Sinn. Prüfspannung mal Spannungsquerschnitt ergibt die Prüfkraft — die Last, die die Schraube garantiert ohne messbare bleibende Verformung erträgt, rund 90 % ihrer Streckgrenze. M10 Klasse 8.8: 580 × 57,99 = 33 634 N, also 33,63 kN.

Der dritte Schritt gehört dir: Welchen Anteil der Prüfkraft willst du in der Schraube haben? Das Feld steht auf 75 %, dem gängigen Wert für eine Verbindung, die du wieder öffnen willst; bei dauerhaften nimmt man 85 bis 90 %. Das ergibt F = 25,23 kN. Der letzte Schritt ist der grobe: T = K · F · d = 0,15 × 25 225 N × 0,010 m = 37,84 N·m. Alles vor dieser Zeile ist Normenarbeit mit veröffentlichten Zahlen dahinter. Die letzte Zeile ist eine Schätzung mit einem gemessenen Beiwert davor, und genau dort sitzt die gesamte Unsicherheit.

Lies die Tabelle rückwärts: ein Moment, sieben Klemmkräfte

Das Werkzeug druckt für jede Schmierbedingung ein Moment — die nützliche Richtung, wenn du weißt, in welchem Zustand deine Schraube ist. Beunruhigend ist die andere. Halte das Moment auf dem geölten Wert von 37,84 N·m fest — die Sorte Zahl, die man auf ein Stück Klebeband schreibt und wiederverwendet — und frage, welche Vorspannkraft jede Oberfläche tatsächlich bekommt. Die Antwort steht in der Tabelle unten und spannt einen Faktor drei: 12,61 kN bei trockenem Edelstahl, 18,92 kN trocken oder verzinkt, 25,23 kN wie beabsichtigt, 37,84 kN mit Molybdänfett.

Zwei Zeilen sind einen Fingerzeig wert. Feuerverzinkt, K = 0,25, bekommt 15,14 kN — 45 % der Prüfkraft, eine kaum geklemmte Verbindung, die sich lösen wird. Und Molybdändisulfid-Fett, K = 0,10, bekommt 37,84 kN, also 112,5 % der Prüfkraft: Die Schraube wurde über die Last hinaus gezogen, die sie ohne bleibende Dehnung zertifiziert erträgt. Das ist das ganze Argument dafür, die Schmierbedingung einer Vorgabe als Teil der Vorgabe zu lesen und nicht als Fußnote. Das richtige Moment für eine trockene Schraube ist etwa doppelt so groß wie das für eine gefettete, und die Trockenzahl auf eine gefettete Schraube zu geben ist der sicherste Weg, sie zu ruinieren.

„Noch ein bisschen“ — so wird eine Schraube über die Streckgrenze gedehnt

Die 75 % im Feld stehen dort, weil Reserve nötig ist. Die Prüfkraft liegt bei rund 90 % der Streckgrenze; auf 75 % der Prüfkraft anzuziehen setzt die Schraube also auf etwa 67 % ihrer Streckgrenze — das M10-Beispiel liegt bei 435 MPa in einer Schraube mit 800 MPa Zugfestigkeit. Dieser Abstand ist kein Spiel. Er nimmt die Streuung von K auf, die zusätzliche Spannung aus der äußeren Last, die Tatsache, dass ein Drehmomentschlüssel selbst nur auf wenige Prozent genau ist, und die Torsionsschubspannung, die das Anziehen zusätzlich zur Zugspannung einträgt und die im Spannungswert des Werkzeugs nicht steckt.

Der Rechner hält dich nicht davon ab, diese Reserve auszugeben. Der Vorspann-Prozentsatz ist ein freies Feld, ohne Obergrenze und ohne Warnung. Tippe 500 ein, und er liefert 252,3 N·m und eine Schraubenspannung von 2 900 MPa gegen eine Zugfestigkeit von 800 MPa — eine Zahl, die eine bereits gerissene Schraube beschreibt, gesetzt in derselben Schrift wie jedes andere Ergebnis. Das sollte man wissen, bevor man einer Zahl von ihm vertraut: Das Werkzeug rechnet, und es rechnet die kaputte Verbindung so bereitwillig durch wie die heile. Über 100 % ist das keine Verbindung mehr, sondern ein Schadensbericht.

In der Praxis kommen die Brüche selten vom eingetippten 500. Sie kommen vom zweiten Zug. Ein Schlüssel, der geklickt hat, dann ein Zweifel, dann noch einmal — und der zweite Zug beginnt nicht bei null, er addiert sich. Sie kommen von einem Moment, das man von einer anderen Schraube gleicher Größe, aber anderer Klasse im Kopf hat, denn M10 in 10.9 verlangt 830 MPa, wo 8.8 nur 580 will. Und sie kommen von einer Verbindung, die sich setzt: Lack, eine weiche Dichtung, ein Grat unter dem Kopf — alles Dinge, die die Schraube nach dem Anziehen entspannen lassen. Deshalb gibt es einen Nachziehgang, und deshalb muss er mit demselben Moment erfolgen, nicht mit einem höheren.

Wann das Drehmoment nicht mehr reicht

Wenn ein Drehmomentschlüssel die Vorspannkraft nur auf etwa ±25 bis ±35 % trifft, dann braucht jede Verbindung, bei der die Vorspannkraft wirklich zählt, ein anderes Verfahren. Die billigste Stufe darüber ist die Drehwinkelsteuerung, und du bist ihr längst begegnet: Eine Vorgabe wie „30 N·m plus 90 Grad“ verlangt nicht zwei Dinge, sondern eines. Die Momentstufe existiert nur, um die Verbindung auf Anlage zu bringen und Spalte zu schließen — das ist der Zustand „handfest“ —, danach setzt der Winkel die Dehnung, denn die Mutter um einen bekannten Bruchteil einer Umdrehung zu drehen schiebt sie um einen bekannten Bruchteil der Steigung vor, und dieser Vorschub ist Dehnung. Die Reibung hat in der zweiten Stufe kaum noch ein Wort mitzureden.

Darüber stehen die Verfahren, die die Sache selbst messen. Die Schraubenlängung, mit einer Messschraube über eine bekannte Messlänge gelesen oder mit einem Ultraschallgerät, das ein Echo durch den Schaft stoppt, ist die direkte Messung — du liest die Dehnung, statt sie zu erschließen. Lastanzeigende Scheiben quetschen eine Reihe von Noppen bei bekannter Last flach. Hydraulische Spannzylinder umgehen das Problem ganz: Sie ziehen die Schraube in reinem Zug, und die Mutter wird nur an einer bereits gedehnten Schraube nachgeführt, sodass keinerlei Torsion eingebracht wird. Stahlbau, Zylinderkopfschrauben und Druckflansche nutzen jeweils eines davon, und keines nutzt einen Knackschlüssel — aus dem Grund, um den dieser Artikel die ganze Zeit kreist: Ein Knackschlüssel misst deine Mühe, nicht die Verbindung.

Häufige Fragen

Soll ich eine Schraube ölen, wenn die Herstellervorgabe nichts dazu sagt?

Nein. Schweigt eine Vorgabe, gilt in der Branche „trocken wie geliefert“, und diese Annahme steckt in der Zahl. Eine Schraube zu ölen, deren Wert trocken geschrieben wurde, verschiebt K von etwa 0,20 auf etwa 0,15: Dasselbe Moment liefert dann rund ein Drittel mehr Vorspannkraft als beabsichtigt — genug, um eine Verbindung von 75 % auf 100 % der Prüfkraft zu heben. Die Ausnahme ist eine Vorgabe, die ausdrücklich ein Schmiermittel nennt; dann ist alles andere, auch nichts, in der Gegenrichtung genauso falsch. Und wenn du Schmiermittel brauchst, damit eine Verbindung leicht läuft, ist die Schraube oder das Gewinde beschädigt: Die Antwort heißt Neuteil, nicht Fett.

Sagt mir ein Drehmomentschlüssel, wie viel Vorspannkraft ich wirklich erreicht habe?

Nein, und ein kalibrierter auch nicht. Ein Drehmomentschlüssel misst das Moment, das du am Griff aufbringst — eine echte, wiederholbare Messung deiner eigenen Mühe. Er kann dieses Moment nicht in den Anteil aufteilen, der die Schraube gedehnt, und den, der die Kopfunterseite erwärmt hat. Ein auf ±4 % kalibrierter Schlüssel kann die Vorspannkraft trotzdem mit ±25 bis ±35 % Streuung abliefern, denn die Streuung kommt aus der Verbindung, nicht aus dem Gerät. Das gehört klar gesagt, weil ein besserer Schlüssel der Reflexkauf ist — und ausgerechnet die eine Zahl verbessert, die nie das Problem war.

Warum 75 % der Prüfkraft und nicht 100 %?

Weil die verbleibenden 25 % der Platz für die Fehler sind. Der Anziehfaktor ist um ein Viertel oder mehr unsicher, der Schlüssel hat seine eigene Toleranz, die Verbindung kann sich setzen und Vorspannkraft verlieren, und jede äußere Last legt oben auf die Vorspannkraft noch etwas drauf. Zieh auf 100 % der Prüfkraft an, und ein einziger schlechter K-Wert bringt dich über die Streckgrenze. Genau deshalb steht das Werkzeug auf 75 % und lässt dir das Feld offen, um bei einer dauerhaften Verbindung bewusst höher zu gehen — dort sind 85 bis 90 % normal, weil die Schraube nie gelöst wird, die Last besser bekannt ist und der Verlust an Reserve mit besser beherrschter Montage bezahlt wird. Beachte: Die Prüfkraft selbst liegt nur bei rund 90 % der Streckgrenze, 75 % davon sind also etwa 67 % der Streckgrenze.

Darf ich eine Dehnschraube wiederverwenden?

Nein, und der Grund steckt im Namen. Eine Dehnschraube ist dafür gemacht, absichtlich über ihre Streckgrenze hinaus angezogen zu werden, in den flachen Teil ihrer Spannungs-Dehnungs-Kurve, denn dort ist die gehaltene Zugkraft fast unabhängig davon, wie weit sie gedehnt wurde — ein sehr guter Weg, aus einem streuenden Vorgang gleichmäßige Vorspannkraft zu bekommen. Der Preis: Die Dehnung ist bleibend. Bau sie aus, und sie ist länger als vorher, im Schaft dünner, und ihr nächster Gang über die Streckgrenze kommt früher und endet anders. Solche Schrauben sind fast immer Einwegteile, immer als Winkel nach einem Anlegemoment vorgegeben und immer billiger als das Bauteil, das sie halten.

Warum bekommt Edelstahl einen eigenen K-Wert, und was ist Fressen?

Austenitischer Edelstahl ist weich, er verfestigt sich beim Umformen, und seine Oxidschicht ist dünn und heilt sich selbst. Dreh eine A2- oder A4-Schraube trocken in eine Mutter aus derselben Legierung, und die beiden Oberflächen können an den Berührpunkten verschweißen, aufreißen, wieder verschweißen und endgültig festsitzen — das ist Fressen oder Kaltverschweißen, und es passiert bei ganz normalem Handanzug, ohne Hitze und ohne Vorwarnung. Ist es einmal im Gang, geht die Verbindung weder hinein noch heraus; sie muss abgetrennt werden. Deshalb gibt das Werkzeug Edelstahl auf Edelstahl trocken ein K von 0,30, den höchsten Wert der Liste, gegenüber 0,19 mit Schmierung. Die Praxisregel ist einfach: Edelstahl immer mit Montagepaste montieren, langsam arbeiten und sofort aufhören, wenn die Kraft grundlos steigt.