Warum sich Schrauben lösen: zwei verschiedene Ausfälle unter einem Wort

Kurz gesagt: „Sie hat sich gelöst“ umfasst zwei Ausfälle ohne gemeinsamen Mechanismus. Bei dem einen hat sich die Schraube zurückgedreht. Bei dem anderen hat sich die Schraube nie bewegt, und die Klemmkraft ist trotzdem verschwunden. Schraubensicherung, Muttern mit Klemmmoment und Sicherungsscheiben wirken nur gegen den ersten — und Federringe kaum einmal gegen diesen. Bevor Sie eine Gegenmaßnahme wählen, stellen Sie fest, welcher Ausfall vorliegt. Dafür genügt ein Filzstift, und es kostet nichts.

Aufgeschnittene Stahlverbindung mit einer herausstehenden Schraube und einer anliegenden Schraube, die mit einem roten Markierungsstrich versehen ist.

Zwei Ausfälle, ein Wort

Was tatsächlich geschieht, wenn eine Verbindung locker wird
Ausfall	Hat sich die Schraube gedreht?	Ursache
Selbsttätiges Losdrehen	Ja — sie hat sich herausgedreht	Querbewegung (seitlich) an den Fugenflächen, nicht axialer Zug
Vorspannkraftverlust ohne Drehung	Nein — sie steht genau dort, wo Sie sie gelassen haben	Setzen, Relaxation, Kriechen, Temperaturwechsel — die Verbindung ist kürzer geworden

Den zweiten Fall bemerkt keine Losdrehsicherung, die je gebaut wurde. Eine Schraube, die sich nie dreht, kann man nicht am Drehen hindern. Eine Schraubensicherung an einer Verbindung, die durch Setzen Vorspannkraft verliert, kostet Geld, schafft ein Nacharbeitsproblem und ändert nichts — und sie gehört zu den häufigsten falschen Abhilfen bei der Montage kleiner Verbindungselemente.

Das zeigt sich in den öffentlichen Rückrufdaten. Wer jeden durch Verbindungselemente verursachten Rückruf in zwei US-Registern liest, stellt fest: Die beiden sind sich uneins, welcher Ausfall überwiegt: Lockerung bei Verbraucherprodukten (45,8 %), Bruch bei Medizinprodukten (49,3 %).

Die kostenlose Prüfung, die beide unterscheidet

Ziehen Sie nach dem Anziehen mit einem Filzstift einen einzigen Strich über den Schraubenkopf und weiter auf das benachbarte Teil. Dann betreiben Sie das Produkt.

Die beiden Hälften des Strichs fluchten nicht mehr → die Schraube hat sich gedreht. Es liegt selbsttätiges Losdrehen vor
Der Strich fluchtet noch genau, aber die Verbindung ist locker → die Schraube hat sich nie bewegt. Es liegt Vorspannkraftverlust vor
Der Strich fluchtet und die Verbindung ist noch fest, aber das Weiterdrehmoment ist gesunken → Vorspannkraftverlust im Gang, früh erkannt

Diese Prüfung ist eindeutig, kostet nichts, und fast niemand macht sie. Nachziehen vor dem Markieren vernichtet den Befund, genauso wie das Eindrehen einer größeren Schraube in ein ausgerissenes Loch dort den Befund vernichtet.

Sie hat sich also losgedreht — nur fast nie auf diese Weise

Das Überraschende am selbsttätigen Losdrehen ist die Richtung. Nicht der Zug dreht eine Schraube los, sondern relatives Gleiten in den Fugenflächen. Junker hat das Ende der 1960er-Jahre mit einem Querschwingungsprüfstand gezeigt, und darauf beruht bis heute die Prüfung von Sicherungselementen.

Solange die geklemmten Flächen nicht gegeneinander gleiten können, dreht sich die Schraube nicht, wie stark die axiale Schwingung auch ist
Sobald Quergleiten einsetzt, gleiten nacheinander auch Kopf- und Gewindekontakt, und jeder Zyklus gibt ein kleines Stück Drehung zurück
Die eigentliche Abwehr ist daher die Vorspannkraft — genug Klemmkraft, dass das Gleiten gar nicht erst beginnt

Das stellt das ganze Problem anders dar. Eine Verbindung, die sich selbsttätig löst, ist meist eine Verbindung, die nie genug Vorspannkraft hatte oder sie verloren hat — die beiden Ausfälle in der Tabelle oben sind also nicht unabhängig. Vorspannkraftverlust ist sehr oft genau das, was das selbsttätige Losdrehen erst ermöglicht.

Warum kleine Schrauben einen größeren Anteil ihrer Vorspannkraft verlieren

Setzen ist das Einebnen der Oberflächenrauheit unter den Auflageflächen und in den Gewinden. Hier kommt der Teil, der in allgemeinen Leitfäden zu Verbindungselementen nicht vorkommt:

Setzen ist ein absoluter Weg, kein Prozentsatz. Einige Mikrometer eingeebneter Rauheitsspitzen sind einige Mikrometer, ob die Schraube M2 oder M12 ist
Die elastische Längung, in der die Klemmkraft gespeichert ist, wächst aber mit der Schraube. Eine kurze, dünne Schraube hält ihre Vorspannkraft in einer sehr kleinen Längung
Dieselben wenigen Mikrometer nehmen einer kleinen Schraube daher einen weit größeren Anteil der Vorspannkraft. Das ist eine geometrische Folge, kein Qualitätsproblem

Die praktische Folge: Die Klemmlänge ist eine Konstruktionsgröße, kein Rest. Eine längere Schraube durch eine Distanzhülse speichert bei gleicher Klemmkraft mehr Längung und ist weit weniger empfindlich gegen Setzen — und welche Klemmkraft ein bestimmtes Drehmoment tatsächlich ergibt, ist wiederum ein eigenes Problem.

Gegenmaßnahmen, geordnet danach, ob sie die Ursache angehen

Eine Warnung vor der Tabelle: Ein Versuch, bei dem die Muttern verklebt wurden, damit sie sich nicht drehen konnten, verlor trotzdem bis zu 40% der Klemmkraft in 200 Zyklen. Losdrehsicherungen wirken nur gegen den ersten Ausfall.

Eine Maßnahme fehlt in dieser Tabelle mit Absicht: die Kontermutter. Sie wirkt ohnehin nur gegen Drehung, und wo die Sicherung nachgewiesen werden muss, besteht sie immer wieder nicht — die Reihenfolge stand in der Norm, und dann wurde sie gestrichen.

Was jede Maßnahme tatsächlich bewirkt
Maßnahme	Gegen welchen Ausfall sie wirkt	Bewertung
Quergleiten unterbinden — Passstifte, Absätze, höhere Fugenreibung	Selbsttätiges Losdrehen, an der Ursache	Am besten. Beseitigt den Mechanismus, statt ihm zu widerstehen. Die Fugenreibung entscheidet auch, ob eine schräg gesetzte Schraube die Verbindung beim Eindrehen verschiebt
Mehr Vorspannkraft, größere Klemmlänge	Beide	Am besten. Verhindert das Gleiten und verdünnt zugleich den Einfluss des Setzens
Klemmmoment (Nylonbeschichtung, verformtes Gewinde)	Nur selbsttätiges Losdrehen	Wirkt, ist aber Reibung im Gewinde — verlorene Klemmkraft stellt es nicht wieder her. Der Wert im Datenblatt ist ein Grenzwert, kein Wert zum Addieren
Chemische Schraubensicherung	Nur selbsttätiges Losdrehen	Wirkt bei richtigem Auftrag und vollständiger Aushärtung. Schafft ein Nacharbeits- und Reinigungsproblem
Keilsicherungsscheiben (Paar mit Keilflächen)	Nur selbsttätiges Losdrehen	Wirksam in der Querschwingungsprüfung — was dieser Satz auslässt
Federring (geschlitzte Federscheibe)	Keinen, in der Praxis	Das Handbuch der NASA zur Auslegung von Verbindungselementen nennt die geschlitzte Bauform zum Sichern nutzlos, sobald die Vorspannkraft sie flachgedrückt hat (die anderen Scheibenarten und was jede tatsächlich bewirkt), und die Scheibe wird schon bei einem kleinen Bruchteil der üblichen Klemmkraft flachgedrückt
Formschlüssige Sicherung — Kronenmutter mit Splint, Sicherungsdraht, Sicherungsblech	Nur selbsttätiges Losdrehen, und zwar vollständig	Sie widersteht der Drehung nicht, sie verbietet sie über einen festen Schritt hinaus. Der Preis: Die Vorspannkraft, mit der Sie enden, ist die, die das Loch zuließ, nicht die eingestellte (eine Kronenmutter bleibt dort stehen, wo das Loch es zulässt)
Planmäßiges Nachziehen	Keinen — es behandelt das Symptom	Nur als Notbehelf vertretbar, und es verdeckt den Trend, der Ihnen die Ursache gezeigt hätte

Beachten Sie die Form der Tabelle: Die beiden Maßnahmen, die gegen beide Ausfälle wirken, sind die beiden, die die Verbindung verändern, statt ein Teil hinzuzufügen. Jedes Element in der unteren Hälfte ist eine Art, einem Mechanismus zu widerstehen, statt ihn zu beseitigen; deshalb werden sie nach Prüfung und nicht nach Prinzip bewertet.

Vier Fragen, bevor Sie eine Sicherung hinzufügen

Hat sich der Filzstiftstrich verschoben? Wenn nicht, ist keine Sicherung die Antwort
Gibt es an dieser Verbindung Querlast? Wenn die Teile überhaupt gegeneinander gleiten können, ist das der Mechanismus
Wie viel Längung steckt in der Schraube? Kurze Klemmlänge plus weiche oder beschichtete Flächen ist die setzempfindliche Kombination
Hat sich in letzter Zeit etwas an der Reibung geändert? Eine neue Beschichtung ändert sowohl die Beziehung zwischen Drehmoment und Vorspannkraft als auch die Fugenreibung — eine andere Oberfläche ist eine andere Verbindung, und sie muss erneut nachgewiesen werden

Wie viel dieses Verlusts tolerierbar ist, kann diese Seite nicht beantworten, weil die Quellen keinen Schwellenwert festlegen. Ein Dokument tut es, für eine Art von Schraube: eine Vorschrift, die siebzig Prozent eines festgelegten Mindestwerts nennt und fünfzig, wo die Platte gegen Holz drückt.

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

Was bringt Schrauben tatsächlich dazu, sich durch Schwingungen zu lösen?

Relatives Gleiten in den geklemmten Flächen – Querbewegung –, nicht axialer Zug. Junker hat das Ende der 1960er-Jahre mit einem Querschwingungsprüfstand gezeigt, und darauf beruht bis heute die Prüfung von Sicherungselementen. Solange die Flächen nicht gegeneinander gleiten können, dreht sich die Schraube nicht, wie stark die axiale Schwingung auch ist. Sobald das Gleiten einsetzt, gleiten nacheinander auch Kopf- und Gewindekontakt, und jeder Zyklus gibt ein kleines Stück Drehung zurück.

Wie kann eine Schraube locker sein, wenn sie sich nicht gedreht hat?

Das ist Vorspannkraftverlust ohne Drehung, verursacht durch Setzen, Relaxation, Kriechen oder Temperaturwechsel. Die Oberflächenrauheit unter den Auflageflächen und in den Gewinden wird eingeebnet, die Verbindung wird mikroskopisch kürzer, und die elastische Längung, in der die Klemmkraft gespeichert war, wird frei. Keine Losdrehsicherung hilft, weil sich nichts dreht. Ziehen Sie einen Strich über den Kopf und auf das Teil: Fluchtet der Strich noch und ist die Verbindung locker, ist genau das passiert.

Wirken Federringe?

Das Handbuch der NASA zur Auslegung von Verbindungselementen bewertet die geschlitzte Bauform als zum Sichern nutzlos, sobald die Scheibe durch die Vorspannkraft flachgedrückt ist, und flachgedrückt wird sie schon bei einem kleinen Bruchteil der üblichen Klemmkraft. In der Querschwingungsprüfung bieten Federringe und Zahnscheiben sehr wenig Sicherungswirkung. Maßnahmen, die das Quergleiten unterbinden oder Vorspannkraft und Klemmlänge erhöhen, gehen die Ursache an, statt ihr zu widerstehen.

Warum verlieren kleine Schrauben leichter Klemmkraft?

Weil Setzen ein absoluter Weg ist, während die gespeicherte elastische Längung mit der Schraube wächst. Einige Mikrometer eingeebneter Rauheitsspitzen sind einige Mikrometer, ob die Schraube M2 oder M12 ist, doch eine kurze, dünne Schraube hält ihre Klemmkraft in einer sehr kleinen Längung, sodass dieselben wenigen Mikrometer einen weit größeren Anteil der Vorspannkraft nehmen. Das ist Geometrie, kein Qualitätsproblem, und deshalb sollte die Klemmlänge als Konstruktionsgröße behandelt werden statt als das, was eben übrig bleibt.

Quellen

Anfrage

Verbindungen werden im Einsatz locker, und Sie wissen nicht, welcher Ausfall es ist? Ziehen Sie einen Strich über Kopf und Teil, betreiben Sie das Produkt und schicken Sie uns dann ein Foto des Strichs zusammen mit der Klemmlänge und den Werkstoffen der Gegenteile. Dieses eine Foto entscheidet, ob eine Sicherung überhaupt helfen würde — und recht oft lautet die Antwort: nein.

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