Ein Drehmomentwert setzt einen Reibungszustand voraus

Die Frage, achtzigtausendmal gestellt

„Radschrauben fetten oder nicht?“ (sinngemäß übersetzt) wurde auf Mechanics Stack Exchange über 82.000-mal gelesen, und die Antworten gehen auseinander. Das eine Lager sagt nie, das andere sagt, ein dünner Film verhindere das Festfressen. Beide streiten über das Falsche, denn die Meinungsverschiedenheit liegt einer Zahl nachgelagert, die niemand prüft: dem Drehmomentwert selbst.

Wofür das Drehmoment bezahlt

Das Drehmoment erledigt drei Aufgaben zugleich, und nur die erste ist die gewünschte:

T = F · [ nP/(2π)  +  μ_t·d₂/(2·cos 30°)  +  μ_n·r_n ]

Der erste Term steigt das Gewinde hinauf und erzeugt Klemmkraft. Die beiden anderen sind Reibung – an den Gewindeflanken und unter dem Kopf oder der Mutterauflage –, und sie werden verbraucht, nicht gespeichert. Es ist dieselbe Beziehung, die VDI 2230 als M_A = F_M(0.16P + 0.58μ_Gd₂ + μ_KD_Km/2) angibt.

Nun rechnet man eine M8×1,25 zweimal durch und ändert nur die Reibung:

Siebzig Prozent mehr Klemmkraft, vom selben Klick desselben Schlüssels. Die vereinfachte Form zeigt dasselbe Bild: Die Konstruktionsrichtlinien der NASA nennen einen Mutterfaktor von etwa 0,20 trocken gegenüber 0,11–0,15 geschmiert, was für sich allein eine Spanne von 33 % bis 82 % ergibt.

Was sagt also der Hersteller tatsächlich

Bei gewöhnlichen Personenwagen ist die Haltung bei den geprüften Herstellern einheitlich, und sie ist keine Folklore:

• Toyota verbietet Fett an Radschrauben und Radmuttern und nennt Überanziehen sowie Schäden an Schraube oder Rad.
• Die Werkstattanweisung von BMW sagt klar: Radschrauben nicht ölen. Korrodierte Schrauben werden ersetzt, nicht geschmiert.
• SEAT verlangt, dass Schrauben und Gewinde sauber und frei von Öl und Fett sind.

Man beachte, was das nicht ist. Es ist keine allgemeine Regel, die eine Norm vorgibt – SAE J2316 verweist ausdrücklich auf die Spezifikation des Fahrzeugherstellers, statt ein trockenes Drehmoment für alle festzulegen. Es ist eine Reihe von Vorgaben, die jeweils trocken kalibriert sind, und eine Warnung, den Zustand, für den sie kalibriert wurden, nicht zu verlassen.

Darum gibt es die Ausnahmen, und es gibt sie

Wäre „niemals schmieren“ ein Naturgesetz, gäbe es keine Gegenbeispiele. Es gibt sie.

• Chevrolets mittelschwere Lkw schreiben zwei Tropfen Öl SAE 30 auf das Gewinde am Bolzenende und an der Kontaktfläche zwischen Mutter und loser Scheibe vor – und der Drehmomentwert von 610–678 N·m entspricht genau diesem geschmierten Zustand.
• Zweiteilige Flachmuttern der Ford E-Series erhalten einen Tropfen Öl zwischen Mutterkörper und loser Scheibe, während Mutter- und Bolzengewinde ausdrücklich trocken bleiben müssen.
• BMW fettet die Zentrierfläche des Rades und hält die Schrauben trocken; Bentley erlaubt höchstens 0,25 cm³ Kupferpaste auf dem Zentrierdurchmesser und verlangt ausdrücklich, dass sie von der Klemmfläche ferngehalten wird.

Liest man sie zusammen, ergibt sich die Regel in ihrer richtigen Form: Genau dort schmieren, wo die Spezifikation es sagt, weil der Drehmomentwert mit dieser Schmierung kalibriert wurde. Die letzten beiden sind der schärfste Fall – Fett auf der einen Fläche, trocken auf der anderen, wenige Millimeter voneinander entfernt, weil nur eine davon im Drehmomentpfad liegt.

Was tatsächlich schiefgeht, sorgfältig formuliert

Übermäßige Vorspannkraft durch ungewollte Schmierung kann auf mehr als eine Weise schaden, und wir sollten nicht so tun, als wüssten wir, was zuerst eintritt.

• Der Bolzen fließt, oder der Sitz wird gequetscht. Das sind parallele Grenzzustände, keine Abfolge. Welcher zuerst eintritt, hängt von Bolzenfestigkeit, Sitzgeometrie und Radwerkstoff ab. SAE J2315 existiert eigens, um die Festigkeit des Radmuttersitzes festzulegen, was zeigt, dass der Sitz eine eigenständige Auslegungsgrenze ist und kein Nebengedanke. Toyotas eigene Warnung nennt Schraubenschaden und Radschaden nebeneinander.
• Ermüdung folgt. Bleibende Längung, ein beschädigter Sitz oder Setzen der Kontaktflächen verändern alle die Restklemmkraft und damit die zyklische Spannung. Veröffentlichte Finite-Elemente-Arbeiten zu Aluminiumgussrädern zeigen, dass die Klemmkraft Mittelspannung, kritische Stelle und vorhergesagte Lebensdauer verschiebt.

Und eine Behauptung, die wir nicht aufstellen. „Öl lässt sie sich während der Fahrt lösen“ (sinngemäß übersetzt) folgt nicht aus der Drehmoment-Vorspannkraft-Beziehung – ein geringeres Lösemoment bedeutet geringere Reibung, und das ist nicht dasselbe wie selbsttätige Lockerung. Toyota warnt zwar, Fett könne dazu führen, dass sich Muttern lösen, aber wir haben keine experimentelle Grundlage gefunden, diesen Mechanismus über die anderen zu stellen, und Untersuchungen des NTSB zu Radablösungen fanden sowohl zu geringes als auch zu starkes Anziehen und führten Bolzenbrüche auf Ermüdung nach falschem Anziehen zurück, nicht auf eine für sich wirkende Schmierung.

Die allgemeine Form

Eine Bedingung sollte man ausdrücklich nennen: Die Reibung kann sich im Lager ändern. Zinklamellenbeschichtete Schrauben, die direkt aus dem Kühllager angezogen wurden, brauchten 11 % bis 30 % weniger Drehmoment für dieselbe Klemmkraft.

Nichts davon handelt wirklich von Rädern. Ein Drehmomentwert trägt eine Drehmoment-Vorspannkraft-Kalibrierung für einen bestimmten Oberflächenzustand, und alles, was diesen Zustand ändert – Öl, eine andere Beschichtung, Korrosion oder einfach das Abreinigen dessen, was vorhanden war –, bringt einen von der Kalibrierung weg, während die Zahl auf der Zeichnung dieselbe bleibt.

Das gilt in beide Richtungen, und das ist der Teil, den man sich merken sollte. Manche Spezifikationen verlangen Schmierung bewusst, weil sie das nötige Drehmoment senkt und, wichtiger noch, die Streuung der tatsächlich erreichten Vorspannkraft verringert. Reibung ist nicht der Feind. Undokumentierte Reibung ist es.

Es lohnt sich auch zu prüfen, woher die Zahl auf der Zeichnung ursprünglich stammt: In einer nach Festigkeitsklasse geordneten Drehmomenttabelle unterscheiden sich die beiden Werte für dasselbe Gewinde um das Verhältnis der Klassen und um nichts sonst.

Welche Leistung Drehmomentsteuerung überhaupt erbringen kann und welche nicht, zeigt der Beitrag Drehmoment und Klemmkraft; in welcher Reihenfolge einer validierten Verbindung etwas hinzugefügt wird, steht in Revalidierung nach einem Schraubenwechsel; und wo die Montage unter den übrigen Entscheidungen steht, in Eine Schraube spezifizieren (englisch).

Quellen

• VDI 2230 Blatt 1 – Beziehung für das Anziehdrehmoment, Gl. 5.4/17–5.4/20
• ISO 16047 – Verbindungselemente: Drehmoment-/Klemmkraftversuch (Mutterfaktor nur für gleiche Reibungsbedingungen gültig; Beschichtung und Schmierstoff sind anzugeben)
• NASA TM-106943 – Preloaded Joint Analysis Methodology (Mutterfaktor etwa 0,20 trocken, 0,11–0,15 geschmiert)
• NASA RP-1228 – Fastener Design Manual, Anziehdrehmoment von Verbindungselementen
• NASA-STD-5020B – verlangt durch Versuche ermittelte Montageparameter statt fester Faktoren
• SAE J2315 – Festigkeit des Radmuttersitzes; SAE J2316 – Radbefestigungssysteme für den Nachrüstmarkt
• Anweisungen der Fahrzeughersteller: Toyota, BMW-Werkstattanweisung 36 10 300, SEAT, Chevrolet mittelschwere Lkw, Ford E-Series, technisches Bulletin von Bentley
• „Radschrauben fetten oder nicht?“ (Fragetitel sinngemäß übersetzt), Mechanics Stack Exchange

Diese Seite erklärt eine Beziehung und zitiert Herstelleranweisungen als Beispiele dafür. Für ein konkretes Fahrzeug oder eine konkrete Verbindung ist die Spezifikation des jeweiligen Herstellers maßgeblich, nicht diese Seite.

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

Wie stark verändert Öl die Klemmkraft bei gleichem Drehmoment?

Bei einer M8x1,25, deren Reibungszahl von 0,15 auf 0,08 sinkt, liefert dasselbe Drehmoment das 1,70-Fache der Vorspannkraft – rund 70 % mehr. Mit dem vereinfachten Mutterfaktor nennen die Konstruktionsrichtlinien der NASA etwa 0,20 trocken gegenüber 0,11 bis 0,15 geschmiert, was einer Zunahme von 33 % bis 82 % entspricht. Einen einzigen allgemeingültigen Wert gibt es nicht, weil er von den verglichenen Reibungsbedingungen abhängt.

Soll ich Radschrauben fetten?

Bei gewöhnlichen Personenwagen sagen die geprüften Hersteller nein. Toyota verbietet Fett an Radschrauben und Radmuttern und nennt Überanziehen sowie Schäden an Schraube oder Rad. Die BMW-Werkstattanweisung sagt, Radschrauben nicht zu ölen. SEAT verlangt saubere Gewinde frei von Öl und Fett. Maßgeblich ist die Spezifikation Ihres Fahrzeugherstellers, nicht eine allgemeine Regel.

Gibt es Fälle, in denen Schmierung vorgeschrieben ist?

Ja, und sie sind aufschlussreich. Chevrolets mittelschwere Lkw schreiben zwei Tropfen Öl SAE 30 am Gewinde des Bolzenendes und an der Kontaktfläche zwischen Mutter und Scheibe vor, und der Drehmomentwert entspricht diesem geschmierten Zustand. Zweiteilige Muttern der Ford E-Series erhalten einen Tropfen Öl zwischen Mutterkörper und loser Scheibe, während die Gewinde trocken bleiben müssen. BMW fettet die Zentrierfläche des Rades, nicht aber die Schrauben. Die Regel lautet, genau dort zu schmieren, wo die Spezifikation es sagt, weil das Drehmoment mit dieser Schmierung kalibriert wurde.

Was versagt tatsächlich, wenn die Schrauben zu hoch vorgespannt sind?

Das Fließen des Bolzens und das Quetschen des Sitzes sind parallele Grenzzustände und keine Abfolge; welcher zuerst eintritt, hängt von Bolzenfestigkeit, Sitzgeometrie und Radwerkstoff ab. SAE J2315 legt die Festigkeit des Radmuttersitzes als eigenständige Auslegungsgrenze fest. Ermüdung folgt aus beidem: Bleibende Längung, ein beschädigter Sitz oder Setzen der Kontaktflächen verändern die Restklemmkraft und die zyklische Spannung.

Lösen sich Radmuttern durch Fett während der Fahrt?

Das folgt nicht aus der Drehmoment-Vorspannkraft-Beziehung. Ein geringeres Lösemoment bedeutet geringere Reibung, und das ist nicht dasselbe wie selbsttätige Lockerung. Toyota warnt zwar, Fett könne dazu führen, dass sich Muttern lösen, aber wir haben keine experimentelle Grundlage gefunden, diesen Mechanismus über zu hohe Vorspannkraft und Sitzschäden zu stellen, und Untersuchungen des NTSB zu Radablösungen fanden sowohl zu geringes als auch zu starkes Anziehen und führten Bolzenbrüche auf Ermüdung nach falschem Anziehen zurück.