Hält eine Verbindung länger, wenn sie fester angezogen wird? Zwei Verbindungen, zwei Antworten

Die übliche Begründung ist nicht die wirkliche

Die vertraute Erklärung lautet: Eine höhere Vorspannkraft lässt die Schraube einen kleineren Anteil der äußeren Last tragen, dadurch sinkt ihre Spannungsamplitude, und diese treibt die Ermüdung. Das Ergebnis stimmt oft genug. Der Mechanismus ist falsch.

Solange die Verbindung geschlossen bleibt und beide Teile linear reagieren, beträgt die zusätzliche Schraubenkraft ΔF_b = Φ · F_A. Φ ergibt sich aus den Steifigkeiten von Schraube und verspannten Teilen sowie aus dem Ort der Lasteinleitung. Die Vorspannkraft kommt darin nicht vor. Stärkeres Anziehen erhöht die mittlere Spannung der Schraube und lässt die Amplitude unverändert.

Bickford formuliert die unbequeme Folgerung klar: Wenn sich die Verbindung bei maximaler Betriebslast ohnehin nie öffnen würde, senkt eine höhere Vorspannkraft die Lastamplitude nicht; die höhere Mittelspannung kann die Ermüdungslebensdauer sogar verkürzen.

Das war die Zugverbindung. Die Überlappungsverbindung arbeitet anders.

Alles bisher Gesagte setzt voraus, dass die Last entlang der Schraubenachse zieht und der Ermüdungshotspot am Gewindegrund liegt. Bei einer Überlappungsverbindung wirkt die Last quer zur Schraube: Zwei Platten werden flächig gegeneinander verspannt und übertragen die Last untereinander.

Hier erfüllt die Vorspannkraft eine völlig andere Aufgabe. Sie presst die Fügeflächen zusammen, sodass Reibung die Querkraft überträgt, die Platten nicht gleiten und die Schraube nicht an der Lochwand anliegt. Der Ermüdungsriss beginnt an der Platte; die Schraube bleibt ungerissen; die Vorspannkraft bestimmt, wie die Platten aneinander reiben.

In dieser Verbindung hilft mehr Drehmoment irgendwann nicht mehr und schadet dann

Wagle und Kato prüften Überlappungsproben aus Aluminium A2024-T3: 4 mm dicke Platten, ein 6.03 mm großes Loch, eine Schraube der Klasse 12.9 mit 5.95 mm Durchmesser, etwa 80 µm Spiel, 10 Hz und R = 0.05. Bei einer Spannungsamplitude von 15 MPa wechselte der Versagensmodus mit steigendem Drehmoment:

Die Risse lagen an der Kontaktfläche zwischen den beiden Platten, etwa 1.8–2.1 mm vor dem Loch. Nicht am Gewindegrund und nicht in der Schraube. Höhere Klemmkraft steigert den Kontaktdruck und die übertragbare Reibung. Dadurch wandert die Schädigung von der Lochwand zur Haft-Gleit-Grenze der Kontaktfläche, wo lokaler Mikroschlupf unter hohem Kontaktdruck den Riss auslöst.

Unabhängige Belege und ein Fall, in dem das Drehmoment nichts bewirkte

Juoksukangas und Kollegen berichten aus einem anderen Versuchsaufbau dieselbe Richtung: Die Lebensdauer bei Fretting-Ermüdung sank mit steigender Vorspannkraft und Nennspannung. Die Umkehr ist somit kein Artefakt eines einzelnen Versuchs.

Der entgegengesetzte Vorbehalt stammt von Mínguez und Vogwell, die ein- und zweischnittige Aluminium-Überlappungsverbindungen prüften. Bei den zweischnittigen Proben verbesserte ein höheres Drehmoment die Lebensdauer deutlich. Bei den einschnittigen Proben bewirkte der Anstieg von 1 auf 6 N·m überhaupt keine signifikante Verbesserung, weil außermittige Biegung die Geometrie beherrschte. Der Mechanismus, durch den ein nachgiebiges Teil die Schraubenkraft verstärkt, ist die Abstützwirkung; siehe Die Schraube kann die doppelte aufgebrachte Last sehen. Gleiches Material und dieselbe Verbindungsfamilie reagieren entgegengesetzt auf die eingestellte Größe.

Ableitbare und unzulässige Schlüsse

Dies sind Versuche an überlappten Platten mit Querkraftübertragung und Versagen des verspannten Teils. Sie lassen sich nicht auf Zugverbindungen mit dem Gewindegrund als Hotspot, auf Flansche und Dichtungen, auf Verbundwerkstoffe oder weiche verspannte Teile oder auf Verbindungen übertragen, bei denen Passstifte oder Übermaßpassungen die Querkraft tragen. Oberflächenrauheit, Schmierung, Beschichtung, Lochspiel und Plattendicke verschieben sämtliche Zahlen.

Auch Normen formulieren daraus keine allgemeine Regel. ISO 898-1 legt ausdrücklich keine Ermüdungseigenschaften fest. ISO 3800 ist ein axiales Ermüdungsprüfverfahren und berücksichtigt die Nachgiebigkeit der verspannten Teile nicht. VDI 2230-1 verlangt, Mikroschlupf an der Kontaktfläche und Reibkorrosion zu vermeiden — dieselbe Sorge —, sagt aber nicht, dass eine höhere Vorspannkraft die Ermüdungslebensdauer allgemein durch Fretting begrenzt.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Ist der Satz „Für die Ermüdungslebensdauer richtig anziehen“ also falsch?

Nein, aber seine übliche Begründung ist falsch. In einer geschlossen bleibenden Zugverbindung ist die Lastamplitude der Schraube der Lastfaktor mal der äußeren Last; die Vorspannkraft kommt darin nicht vor. Stärkeres Anziehen erhöht somit die Mittelspannung und lässt die Amplitude unverändert. Der wirkliche Nutzen besteht darin, dass ausreichende Vorspannkraft die Verbindung geschlossen hält, denn das Öffnen lässt die Amplitude springen. Bickford weist darauf hin, dass mehr Vorspannkraft über die höhere Mittelspannung die Ermüdungslebensdauer senken kann, wenn ein Öffnen ohnehin ausgeschlossen war.

Bei welchem Drehmoment tritt die Umkehr ein?

Es gibt keinen übertragbaren Wert; einen zu nennen wäre die wichtigste Fehlanwendung dieser Ergebnisse. In den Aluminium-Überlappungsproben von Wagle und Kato bei 15 MPa Spannungsamplitude versagte die Probe bei 1 N·m durch mechanische Ermüdung am Loch, bei 3 N·m durch Frettingverschleiß und bei 8 N·m durch Fretting-Ermüdung mit sinkender Lebensdauer. Diese Werte gehören zu genau diesem Werkstoff, dieser Plattendicke, diesem Lochspiel und dieser Belastung. Das Drehmoment des Moduswechsels steigt zudem mit der Spannungsamplitude.

Ist Fretting damit ein Problem des Schraubengewindes?

Nicht in diesen Ergebnissen. Die Risse lagen an der Kontaktfläche der beiden Platten, etwa 1.8 bis 2.1 mm vor dem Loch, also im verspannten Teil und nicht im Verbindungselement. Fretting kann unter einer Mutter oder Scheibe auftreten, und Gewindeflächen können unter Schwingung verschleißen und Vorspannkraft verlieren. Das sind jedoch andere Orte als bei der hier beschriebenen Umkehr.

Verhalten sich ein- und zweischnittige Überlappungsverbindungen gleich?

Nein. Mínguez und Vogwell stellten bei zweischnittigen Proben eine deutliche Verbesserung mit dem Drehmoment fest, während einschnittige Proben von 1 bis 6 N·m keine signifikante Verbesserung zeigten, weil außermittige Biegung dominierte. Bei einer asymmetrischen Verbindung kann die dadurch verursachte Biegung wichtiger sein als die Klemmung.

Quellen

• Wagle, S. & Kato, H. (2009). Ultrasonic detection of fretting fatigue damage at bolt joints of aluminium alloy plates. International Journal of Fatigue, 31, 1378–1385
• Mínguez, J. M. & Vogwell, J. (2006). Effect of torque tightening on the fatigue strength of bolted joints. Engineering Failure Analysis, 13(8), 1410–1421
• Juoksukangas, J., Lehtovaara, A. & Mäntylä, A. (2016). Applying the fretting fatigue damage parameter to bolted joints. Tribology International, 103, 440–448
• ISO 898-1 — Mechanical properties of fasteners: bolts, screws and studs (legt keine Ermüdungseigenschaften fest)

Der Ausdruck zur Lastaufteilung und die Argumentation zum Öffnen folgen VDI 2230-1 und Bickford, Kapitel 17. Die Abfolge der Versagensarten und der Rissort stammen aus den oben beschriebenen Proben von Wagle und Kato und gelten nur für diese; ein allgemeines Übergangsdrehmoment gibt es nicht.