Prüflast vs. minimale Zuglast: Die beiden Kernkennwerte der Festigkeit von Verbindungselementen unterscheiden
Zusammenfassung
Prüflast und minimale Zuglast – beide stehen im Protokoll mit „bestanden“, doch sie zielen auf völlig verschiedene Versagensarten: die eine schützt vor bleibender Verformung, die andere vor Zugbruch. Dieser Artikel erläutert anhand von Prüfverfahren und Anwendungsobjekten den wesentlichen Unterschied zwischen diesen beiden Kennwerten und gibt eine klare Antwort darauf, welcher für Muttern und welcher für Schrauben anzuwenden ist.
Inhaltsverzeichnis
Die beiden Kennwerte werden oft verwechselt
In Prüfprotokollen von Verbindungselementen treten Prüflast und minimale Zuglast oft mit ähnlichen Werten gemeinsam auf und werden leicht für „dasselbe“ verwechselt. Doch die Versagen, vor denen sie schützen, sind völlig verschieden:
- Minimale Zuglast schützt vor Zugbruch – sie ist die Mindestlast, die ein Gewinde-Befestigungselement bruchlos aushalten muss.
- Prüflast schützt vor bleibender Verformung – sie ist die Last, die nach Aufbringen und Entfernen keine bleibende Dehnung über einem festgelegten Betrag erzeugen darf.
Das eine ist „nicht brechen“, das andere ist „sich nicht bleibend verformen“. Dieser Unterschied trägt im echten Ingenieurwesen großes Gewicht: eine Mutter, die die Zugfestigkeit besteht, kann bei der Prüflast sehr wohl die Dehnungsgrenze überschreiten, und Letzteres ist die direkte Ursache von Vorspannungsverlust.
Minimale Zuglast: berechnet, nicht gemessen
Die Formel für die minimale Zuglast Fm,min ist sehr einfach:
Fm,min = Rm,min × As
Rm,min: für die Festigkeitsklasse festgelegte untere Zugfestigkeitsgrenze (MPa)
As: Spannungsquerschnitt des Gewindes (mm²)
Der Spannungsquerschnitt As ist weder die Kerndurchmesser- noch die Außendurchmesser-Fläche, sondern eine von der Norm festgelegte Ersatzfläche:
As = π/4 × [(d2 + d3) / 2]²
d2: Flankendurchmesser; d3: Kerndurchmesser (unter Berücksichtigung der Fußradius-Wirkung)
Es wird der Mittelwert aus Flanken- und Kerndurchmesser verwendet, weil das Gewindeabscheren sowohl am Kerndurchmesser (Zugbruch) auftritt als auch mit der Schertragfähigkeit am Flankendurchmesser zusammenhängt; die tatsächliche Bruchfläche ist eine unregelmäßige gekrümmte Fläche zwischen beiden. Nur die aus dieser Ersatzfläche berechnete Last stimmt mit den Versuchswerten überein.
Für gängige Abmessungen lassen sich As und die zugehörigen Lasten direkt nachschlagen:
| Gewindeabmessung | As (mm²) | Klasse 8.8 Fm,min (kN) | Klasse 10.9 Fm,min (kN) | Klasse 12.9 Fm,min (kN) |
|---|---|---|---|---|
| M6 | 20.1 | 16.1 | 20.9 | 24.5 |
| M8 | 36.6 | 29.3 | 38.1 | 44.7 |
| M10 | 58.0 | 46.4 | 60.3 | 70.8 |
| M12 | 84.3 | 67.4 | 87.7 | 102.9 |
| M16 | 157 | 125.6 | 163.3 | 191.5 |
| M20 | 245 | 196.0 | 254.8 | 298.9 |
Prüflast: prüfbestätigt, auf Restverformung fokussiert
Der Prüflastversuch wird durchgeführt, indem man eine festgelegte Last auf das Verbindungselement aufbringt, 10–15 s hält, dann entlastet und die Längenänderung vor und nachher misst.
Der Kernpunkt ist die Grenze der „bleibenden Dehnung“. GB/T 3098.1 legt für Schrauben und Schrauben fest:
bei L ≤ 8d darf die bleibende Dehnung nach dem Entlasten 12,5 µm nicht überschreiten;
bei L > 8d darf sie 25 µm nicht überschreiten (L ist die Verbindungselement-Länge).
Was bedeutet 12,5 µm? Ungefähr ein Sechstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Diese Grenze ist äußerst streng – genau dadurch wirkt sie, Bauteile auszusieben, die „die Festigkeit bestehen, aber leicht bleibend verformen“.
| Posten | Mittlere Zuglast | Prüflast |
|---|---|---|
| Kriteriumsobjekt | Ob bricht | Ob die bleibende Dehnung die Grenze überschreitet |
| Lastgröße | Entspricht der unteren Zugfestigkeitsgrenze des Werkstoffs | Im Allgemeinen das 0,8–0,9-fache der unteren Zugfestigkeitsgrenze |
| Lastverfahren | Bis zum Bruch belasten | Last aufbringen und halten, dann entlasten |
| Anwendbare Teile | Schrauben, Schrauben, Bolzen | Schrauben, Schrauben, Bolzen, Muttern |
| Versagen, vor dem geschützt wird | Überlastungsbruch | Bleibende Verformung, Verlust der Vorspannung |
Die Prüflast ist das Hauptkriterium für Muttern
Für Muttern bewertet die Norm (GB/T 3098.2) primär die Prüflast, nicht die minimale Zuglast.
Der Grund: funktionell ist die Mutter die Partei, die „von der Schraube gezogen“ wird; sie erfährt Scherung und Druck der Gewindeflanken, nicht die Vollquerschnitt-Zugbeanspruchung. Eine Mutter mit der Zuglast zu bewerten, hat keine physikalische Bedeutung. Daher lautet der Prüfansatz für Muttern: – unter Prüflast darf es kein Abscheren, keine Risse und keine übermäßige bleibende Dehnung geben.
Die Festigkeitsklasse einer Mutter wird üblicherweise als „mit einer bestimmten Schraubenklasse abgestimmt“ geschrieben, d. h. ihre Prüflast reicht aus, damit die zugehörige Schraube zu bricht, während die Mutter nicht versagt. Beispielsweise passt eine Mutter der Klasse 10 zu einer Schraube der Klasse 10.9, eine Mutter der Klasse 8 zu einer Schraube der Klasse 8.8.
Zwei Fallen bei der Prüflastprüfung
Falle 1: die Ladegeschwindigkeit
Zu schnelles Laden bringt dynamische Effekte ein, sodass die gemessene bleibende Dehnung zu groß wird; zu langsames Laden kann Kriechen einbringen und die Daten ebenfalls verzerren. Die Norm legt die Ladegeschwindigkeit explizit fest, und Unterschiede zwischen Fremdprüflaboren entspringen oft an dieser Stelle.
Falle 2: der Messbezug
Die Messung der bleibenden Dehnung erfordert das Messen der Länge an derselben Stelle vor und nach dem Aufbringen der Prüflast, und die Messeinrichtung selbst darf sich unter Kraft nicht verformen. In der Praxis: wenn Stirnflächen-Messmittel verwendet werden und eine Kontaktverformung vorliegt, entsteht ein Fehler von mehreren Mikrometern – und die Annahmegrenze beträgt nur 12,5 µm, sodass der Fehleranteil nicht vernachlässigt werden darf.
Bei der Wahl eines Prüflabors ist daher zu bestätigen, ob sie eine spezielle Prüflast-Prüfmaschine (mit gleichlanger Messeinrichtung) verwenden, statt eines allgemeinen Zugversuchsstands, der kurzfristig umgerüstet wurde. Der Einfluss solcher Geräteunterschiede auf das Annahmeergebnis ist weit größer, als viele Einkäufer erwarten.
Fazit: Schrauben schauen auf die Zuglast, Muttern auf die Prüflast
Die Arbeitsteilung zwischen diesen beiden Kennwerten lässt sich in einem Satz merken:
- Schrauben, Schrauben, Bolzen – die minimale Zuglast bestimmt „kein Bruch“, die Prüflast bestimmt „keine Verformung“; beide müssen geprüft werden.
- Muttern – die Prüflast ist das Hauptkriterium; der Kern ist, dass die Gewinde nicht abscheren oder sich dehnen.
- Die beiden müssen abgestimmte Festigkeitsklassen haben, damit die Schraube zuerst bricht und die Mutter später versagt – den Verlust am billigsten austauschbaren Teil haltend.
Wer diese Arbeitsteilung versteht, löst viele Auswahl-Verwirrungen ganz natürlich: warum Muttern nicht auf Zugfestigkeit geprüft werden müssen, warum beide Lasten auf Schrauben-Protokollen stehen müssen, und warum bei der Ersatzteile vor Ort abgestimmte Klassen wichtiger sind als der Stückpreis.
