Warum sich Schraubverbindungen lockern: zwei voneinander unabhängige Mechanismen

Das normale Gewinde ist im ruhenden, einachsig belasteten Zustand eigentlich „selbsthemmend" – die Steigung (metrisches Regelgewinde etwa 1,5° bis 3,5°) ist deutlich kleiner als der Reibwinkel Stahl/Stahl (etwa 8° bis 10°), theoretisch dreht es sich nicht von selbst zurück. Unter realen Bedingungen aber sind Schraubverbindungen fast immer Querschwingungen, wechselnden Lasten und Temperatur-Wechseln ausgesetzt. Damit gibt es zwei völlig unterschiedliche Wege des Lockerwerdens.

Weg 1: Selbstlockerung durch Querschlupf (Junker-Mechanismus). Wenn die Fügeteile senkrecht zur Schraubenachse wiederholt relativ zueinander gleiten, wird die Reibung an Gewinde und Auflagefläche schlagartig überwunden. Die Relativ-Drehung zwischen Schraube und Mutter ist dann nicht mehr durch Reibung blockiert, und die Mutter dreht sich nach einigen bis Dutzenden Schwingungen von selbst zurück. Der deutsche Ingenieur Gerhard Junker hat 1969 den Quer-Schwingversuch aufgebaut (heute in GB/T 10431 und ISO 16130 abgebildet) und nachgewiesen: Unter Querschwingung fällt die Vorspannung einer ungesicherten Verbindung in Sekundenbruchteilen auf nahezu Null. Das ist der häufigste Ausfallursprung bei Hochgeschwindigkeitszügen, Motoren-Fahrwerken und Batterie-Schwingprüfständen.

Weg 2: Selbstrückdrehung durch axiale Wechselbelastung. Wenn die Verbindung axialen Wechsel-Lasten oder starkem Biegen ausgesetzt ist, biegt sich die Schraubenachse mikroelastisch, das Reibmoment zwischen den Flanken sinkt, und die Mutter dreht sich unter der Steigungs-Kraft langsam selbst zurück. Sie ist langsamer als der Querschlupf, führt aber bei Dauer-Schwingung ebenfalls zu einem stetigen Absinken der Vorspannung.

Vorspannungs-Abbau: Der verborgene Ausfall hinter der gelösten Verbindung

Viele Ingenieure verstehen „die Verbindung ist locker" so, als hätte sich die Mutter zurückgedreht. In der Praxis aber ist es häufiger: Die Mutter steht noch, die Vorspannung ist nach Monaten leise auf die Hälfte abgesunken. Dieser Abbau entsteht durch vier überlagerte Effekte:

• Plastizierung und Mikro-Rutsch: Die mikroskopischen Erhebungen der Fügeteil-Oberfläche werden unter Vorspannung platt gedrückt, die Verbindung „wird kürzer", die Schrauben-Dehnung geht zurück, die Vorspannung sinkt. Eine neu montierte Stahl/Stahl-Verbindung verliert in den ersten 24 Stunden üblicherweise 5 % bis 15 %.
• Werkstoff-Kriechen und Spannungs-Relaxation: Bei hoher Temperatur oder Dauer-Hochspannung kriechen Metalle (insbesondere Hochtemperatur- und Edelstähle) und technische Kunststoffe. Die elastische Dehnung der Schraube wird durch plastische Verformung „aufgefressen", die Vorspannung fällt langfristig ab. Besonders deutlich bei Kunststoff-Gehäusen und Aluminium-Druckguss.
• Temperatur-Wechsel: Stahl-Schraube und Aluminium-/Magnesium-Fügeteil haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Kalt-Heiß-Wechsel verändern die Klemmkraft periodisch, es entsteht ein wiederholtes „Los-Fest".
• Verschleiß der Kontaktflächen unter Schwingung: Wiederholtes Mikro-Rutschen oxidiert und verschleißt Auflage- und Gewinde-Flächen, der Reibwert sinkt.

Die ingenieurmäßige Antwort nach GB/T 16823.2 lautet: Bei wichtigen Verbindungen wird nach der Montage innerhalb der „einlaufenden Relaxations-Phase" einmal nachgezogen. Bei Hochtemperatur- oder Weichstoff-Verbindungen ist der Werkstoff nach GB/T 3098.8 (abgedeckter Bereich −200 °C bis +700 °C) auszuwählen, und die Ziel-Vorspannung ist so zu wählen, dass sie nach üblicherweise 60 % bis 75 % der Streckgrenze noch eine Reserve für den Abbau enthält.

Reibungssicherung: Federring und Nylon-Einlagemutter

Die reibungserzeugende Sicherung ist der direkteste Weg: Im Gewinde oder an der Auflagefläche wird ein zusätzliches Widerstandsmoment aufgebaut, sodass sich die Mutter – auch wenn sie wollte – nicht drehen kann. Sie verändert das Gewinde selbst nicht, sondern erzeugt über eine zusätzliche Normalkraft Reibung.

Federscheibe (Federring) ist die billigste Variante. Aber Vorsicht: Im Junker-Querschwing-Versuch hat sich gezeigt, dass ein normaler Federring in hochfesten Schraubverbindungen so gut wie keine Sicherungswirkung hat. Die scharfen Kanten der Öffnung drücken zudem Dellen in die Auflagefläche und verletzen die Beschichtung. In der Praxis von GB/T 16823.2 ist der Federring für leichte, ungefährliche und kühltemperaturige Verbindungen gedacht – nicht für schwingungsgeprüfte tragende Stellen.

Nylon-Einlagemutter (Nylon Insert Lock Nut) ist das Arbeitstier der Reibungssicherung und entspricht DIN 985/982 sowie dem chinesischen System der „prevailing torque"-Muttern. Am oberen Ende der Mutter ist ein Ring aus Nylon eingelegt. Beim Eindrehen wird der Ring vom Gewinde aufgeweitet und erzeugt ein anhaltendes „Anzugs-Drehmoment" (prevailing torque). Gängige Kataloge (zum Beispiel DSF) decken M2 bis M20 in den Festigkeitsklassen 8, 10 und 12 sowie Messing ab. Der Nylon-Ring erlaubt bei Raumtemperatur etwa fünf Montage-Demontage-Zyklen, oberhalb etwa 120 °C erweicht das Nylon und verliert die Wirkung.

Vollemetall-Prevailing-Torque-Muttern (entsprechend GB/T 3098.9, GB/T 6185.1 Form 2, sechsckige Vollmetall-Sicherungsmutter) ersetzen das Nylon durch einen Gewinde-Zusammenlauf, eine ovale Verformung oder ein verformtes Gewinde. Sie halten bis über 300 °C und sind damit für Motoren und Hochtemperatur-Leitungen geeignet. GB/T 3098.9 legt für solche Muttern die Prüflast, das Anzugsmoment und das Eindreh-/Ausdreh-Moment klar fest.

Formschluss-Sicherung: Splint und Kronenmutter

Die formschlüssige Sicherung arbeitet nicht über „mehr Reibung", sondern über ein eigenständiges Bauteil, das Mutter und Schraube (oder Fügeteil) geometrisch „hart blockiert". Die Mutter hat dann überhaupt keine Drehfreiheit mehr. Sie ist die zuverlässigste Stufe und die „letzte Versicherung".

• Splint + Kronenmutter: Der Splint läuft durch den Schlitz der Kronenmutter und die Querbohrung im Schraubenende und verbindet beide starr. Klassische Sicherung in Luftfahrt, Traktoren und Lenkungen, vollständig reversibel und immer wieder prüfbar.
• Lasinensicherung (external / internal tab washer): Die Innen- oder Außen-Lasche der Scheibe wird nach dem Anziehen an die Mutter und das Fügeteil umgebogen und blockiert damit formschlüssig.
• Kontermutter (Doppelmutter): Zwei Muttern drücken sich axial gegeneinander und erzeugen so eine zusätzliche Reibung im Gewinde. Einfach aufgebaut, aber schwer und empfindlich gegen die Reihenfolge beim Anziehen.
• Drahtsicherung (Safety Wire): Ein Edelstahldraht wird durch Kopf-Bohrungen der Schrauben gefädelt und gegeneinander verspannt. Typisch im Flugzeugtriebwerk und in Hydraulik-Systemen, im Kern ein mechanischer Anschlag.

Chemische Sicherung: Vorbeschichtete Klebstoff-Sicherung

Die chemische Sicherung (Gewinde-Sicherungsmasse / vorbeschichtetes Klebeband) bringt auf das Gewinde bereits im Werk eine anaerobe oder mikroverkapselte Klebstoff-Schicht auf. Nach dem Eindrehen härtet der Klebstoff unter Luftabschluss und Metallkontakt aus und „verklebt" das Gewinde zu einer Einheit. In Mikro-Befestigungs-Katalogen (zum Beispiel Bulten) heißt das Nylon Patch / Thread Locking. Vorteil: kein zusätzliches Bauteil, kein Gewicht, vibrationsfest, an jeder Position wirksam.

Technisch wird nach Festigkeit gestaffelt: niedrige Festigkeit (demontierbar, für kleine Schrauben und Deckel), mittlere Festigkeit (demontierbar, am häufigsten), hohe Festigkeit (dauerhaft, für Stellen, die nie wieder geöffnet werden). Die vorbeschichtete Variante dichtet zugleich ein wenig ab und wird in Flüssigkühl-Modulen und dichten Gehäusen gern zusammen mit Dichtstrukturen eingesetzt. Ihre Grenzen: Sie kompensiert keinen Vorspannungs-Abbau, und auf verschmutzten oder ölbeschichteten Gewinden sinkt die Aushärte-Festigkeit. Für Hochtemperatur-Fälle ist die hochtemperaturbeständige Klebstoff-Variante zu wählen.

Drei Klassen im Vergleich und Empfehlung