Schraube, Niet, Schweißnaht oder Klebstoff: wofür eine Schraubverbindung da ist

Was die Gewinde tatsächlich kosten

Es lohnt sich, das nüchtern aufzulisten: Jeder Punkt ist an anderer Stelle dieser Website ein eigenes Konstruktionsthema, und man begegnet ihnen leicht einzeln, ohne zu bemerken, dass sie eine gemeinsame Ursache haben.

• Ein Loch, und ein offenes Loch konzentriert Spannungen. Die Lösung von Kirsch aus dem Jahr 1898 ergibt am Rand eines kreisförmigen Lochs in einer unendlich ausgedehnten Platte unter einachsigem Zug einen Faktor 3, bezogen auf die Fernfeldspannung. Mit dieser Zahl ist Vorsicht geboten: Bezogen auf den Nettoquerschnitt sinkt sie gegen 2, je größer das Loch im Verhältnis zur Breite wird. Wer „3“ nennt, ohne zu sagen, auf welche Spannung sich der Wert bezieht, sagt also wenig. Was bleibt, ist die Gestalt des Problems – ein offenes Loch ist eine Stelle, an der die Spannung über dem Mittelwert liegt, und eine Verbindung, die kein Loch brauchte, hat nie eines erzeugt
• Vorspannkraft ist gespeicherte Energie, und sie geht verloren. Setzen der Kontaktflächen und Querbewegungen bauen sie beide ab, und wie schnell, hängt von Dingen ab, die man womöglich nicht beeinflusst. Deshalb erweist sich die Klemmlänge als Konstruktionsgröße und nicht als Restmaß
• Die Montage wird zu einem kontrollierten Prozess. Ein Anziehdrehmoment, manchmal eine Reihenfolge, manchmal ein Nachziehen – und das Drehmoment ist ein schlechter Stellvertreter für die Klemmkraft, die man eigentlich wollte
• Die Kosten je Verbindung sind Teile plus Einbau plus Prüfung, wiederholt für jede Einheit, die jemals gebaut wird

Was jede Alternative bringt und was sie kostet

In der Niet-Zeile geht ein ordentlicher Vergleich meist schief. Ein Niet braucht ebenfalls ein Loch, füllt es aber aus, und beim Setzen entstehen sowohl eine Klemmkraft als auch Eigenspannungen um das Loch – es ist also weder ein freies Loch noch eine Verbindung ohne Vorspannkraft. Was ihm fehlt, ist ein Gewinde, das sich losdrehen kann, und eine Zahl, die man in eine Zeichnung schreiben kann.

Die Frage, die entscheidet

Die Festigkeit grenzt die Auswahl zuerst ein – ein auf Schälen belasteter Klebstoff, eine Schweißnaht an einem nicht schweißbaren Werkstoff, eine Schnappverbindung bei einer Temperatur, bei der das Polymer relaxiert, scheiden alle wegen ihres Vermögens aus, nicht aus Vorliebe. Übersteht aber mehr als ein Verfahren diese Prüfung, entscheidet die Festigkeit meist nicht mehr, und die Frage lautet:

• Wie oft wird diese Verbindung geöffnet, über die Lebensdauer des Produkts?
• Erfüllt die Klemmkraft eine Aufgabe? Eine Dichtung abdichten, eine Querlast über Reibung übertragen, einen elektrischen Kontakt halten, eine Verbindung unter wechselnder Last zusammenhalten. Sie muss nicht in der Zeichnung stehen, um zu wirken – aber wenn niemand sagen kann, was sie bewirkt, sollte man das wissen, bevor man über Drehmomentwerte streitet
• Von wem, und mit welchem Werkzeug? Eine Verbindung, die einmal im Werk mit einer Presse geöffnet wird, ist ein anderes Problem als eine, die ein Techniker auf der Leiter öffnet
• Was geschieht am Lebensende? Wenn die Antwort ein Recycler ist, der Werkstoffe trennt, ist das ein echtes Öffnen, und vielleicht das einzige

Und dann arbeiten die beiden Gründe für die Wahl gegeneinander

Eine Schraube wird wegen der Lösbarkeit gewählt, dann lockert sich die Verbindung, und die Antwort ist Schraubensicherung. Hier lohnt es sich innezuhalten, denn ein hochfester Klebstoff auf einer Schraube gibt einen Teil der Eigenschaft zurück, für die bezahlt wurde.

Manchmal ist genau das richtig – eine mittelfeste Sorte hält gegen Vibration und lässt sich dennoch mit Handwerkzeug lösen. Auch eine hochfeste Sorte ist kein Weltuntergang; die Hersteller geben zum Lösen örtliche Erwärmung und Handwerkzeug an. Es lohnt sich aber zu bemerken, was geschehen ist: Die Verbindung wird schwerer zu öffnen, und genau dafür wurden die Gewinde gekauft. Außerdem wirkt Schraubensicherung ohnehin nur gegen eine der beiden Arten, wie sich eine Schraube löst. Wenn die Antwort immer weiter in Richtung Dauerhaftigkeit wandert, sollte man die Frage neu stellen, ob die Verbindung überhaupt geöffnet werden musste.

Wo die Schraube wirklich gewinnt

• Wartungszugang – alles, was ein Techniker öffnet, alles, was unter Gewährleistung repariert wird
• Einstellung – eine Ausrichtung, die nach der Montage eingestellt oder später nachgestellt werden muss
• Ungleiche Werkstoffe, die sich nicht schweißen lassen, wo ein Klebstoff eine Aushärtezeit bräuchte, die die Linie nicht hat
• Vorgeschriebene Demontage – Batterien und andere Komponenten, die am Lebensende trennbar sein müssen
• Kleine Stückzahlen, bei denen sich Werkzeuge für Schnappverbindungen oder Vorrichtungen für Schweißnähte nicht amortisieren

In jedem dieser Fälle kaufen die Gewinde etwas Bestimmtes. Das ist der Test: Benennen Sie, wofür die Lösbarkeit da ist, bevor Sie die Spezifikation durcharbeiten (englisch), denn der Rest dieser Entscheidungsreihenfolge setzt voraus, dass diese Frage beantwortet ist.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 1: Grundwerkstoff. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Wann sollte man keine Schraube verwenden?

Wenn keine der beiden Stärken von Gewinden genutzt wird. Gewinde erlauben es, eine Verbindung mit gewöhnlichem Werkzeug zu lösen und wieder zu montieren, und die Klemmkraft auf einen Wert einzustellen, den jemand gewählt hat. Der größte Teil der Kosten fällt in jedem Fall an: ein Loch, eine Vorspannkraft, die aufgebracht und dann gegen Setzen und Bewegung erhalten werden muss, und ein Anziehvorgang, der kontrolliert werden muss. Wird die Verbindung einmal montiert und nie gewartet, und kann niemand sagen, was ihre Klemmkraft bewirkt, werden die Gewinde bezahlt und nicht genutzt.

Vermeidet ein Niet die Spannungskonzentration, die eine Schraube erzeugt?

Nicht dieselbe. Ein Niet braucht ein Loch, füllt es aber aus, und beim Setzen entstehen eine Klemmkraft und Eigenspannungen um das Loch – das Ergebnis für das freie Loch lässt sich also nicht direkt übertragen. Die Lösung von Kirsch aus dem Jahr 1898 ergibt am Rand eines offenen kreisförmigen Lochs in einer unendlich ausgedehnten Platte unter einachsigem Zug einen Faktor 3, bezogen auf die Fernfeldspannung; bezogen auf den Nettoquerschnitt sinkt er gegen 2, je größer das Loch im Verhältnis zur Breite wird. Eine Nietverbindung trägt durchaus Klemmkraft. Was ihr fehlt, ist ein Gewinde, das sich losdrehen kann, oder ein Vorspannkraftwert, den man festlegen und nachweisen kann.

Warum vermeiden Schweißen und Kleben das Lochproblem?

Sie vermeiden das Befestigungsloch, was nicht dasselbe ist wie die Vermeidung von Spannungskonzentration. Eine Schweißnaht hat ihre eigene, an Nahtübergang und Wurzel, und Ermüdungsrisse in Schweißverbindungen beginnen fast immer dort – dazu kommen eine Wärmeeinflusszone, Verzug und Grenzen, welche Werkstoffe und Geometrien sich fügen lassen. Ein Klebstoff verteilt die Last über eine Fläche statt auf einen Lochrand und verlangt dafür Oberflächenvorbereitung, Aushärtezeit, Grenzen bei Temperatur, Feuchte und Kriechen, Schwäche bei Schäl- und Spaltbeanspruchung und eine Klebung, die nach dem Fügen schwer zu prüfen ist.

Ist Schraubensicherung ein Zeichen dafür, dass die Verbindung nicht hätte geschraubt werden sollen?

Manchmal, und es ist eine Frage, kein Urteil. Eine mittelfeste Sorte, die eine Verbindung gegen Vibration hält, ist eine vernünftige Konstruktion, und selbst hochfeste Sorten lassen sich lösen – die Hersteller geben örtliche Erwärmung mit Handwerkzeug an. Sie macht die Verbindung aber schwerer zu öffnen, und das ist eine der beiden Eigenschaften, für die die Gewinde gekauft wurden. Wandert die Spezifikation immer weiter in Richtung Dauerhaftigkeit, lohnt sich die Frage, ob die Verbindung überhaupt geöffnet werden musste.

Was entscheidet zwischen den Verfahren?

Die Festigkeit grenzt die Auswahl zuerst ein – ein auf Schälen belasteter Klebstoff, eine Schweißnaht an einem nicht schweißbaren Werkstoff, eine Schnappverbindung bei einer Temperatur, bei der das Polymer relaxiert, scheiden wegen ihres Vermögens aus. Übersteht mehr als ein Verfahren diese Prüfung, kommt es darauf an, wie oft die Verbindung über die Produktlebensdauer geöffnet wird, von wem und mit welchem Werkzeug, und ob die Klemmkraft eine Aufgabe erfüllt, etwa Abdichten oder Lastübertragung über Reibung. Eine Verbindung, die einmal im Werk mit einer Presse geöffnet wird, ist ein anderes Problem als eine, die ein Techniker auf der Leiter öffnet, und die Trennung zum Recycling am Lebensende zählt als Öffnen, auch wenn sie das einzige ist.

Quellen

• Spannungskonzentration an Löchern — die Lösung von Kirsch (1898)
• TWI — Ermüdungsrisse in Schweißverbindungen beginnen am Nahtübergang oder an der Wurzel
• VDI 2230 Blatt 1 — Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen