Warum Drehmoment nicht gleich Klemmkraft ist: Was die Reibung verzehrt

Viele gehen davon aus, dass „Drehmoment mal K = Klemmkraft" ist. Beim wirklichen Anziehen wird das aufgebrachte Drehmoment T aber auf drei Anteile aufgeteilt: Überwindung der Gewindereibung, Überwindung der Auflagenreibug (Kopf / Mutter / Scheibe) und schließlich Umwandlung in die axiale Klemmkraft F_f. Die grobe Erfahrungs-Regel lautet: Nur etwa 10 % des Drehmoments werden wirklich Klemmkraft, etwa 40 % gehen in die Gewindereibung, etwa 50 % in die Auflagenreibung. Schwankt der Reibbeiwert auch nur ein bisschen, schwankt die Klemmkraft massiv – das ist die Wurzel von „gleiches Drehmoment, ganz andere Vorspannung".

Das Ganze wird über den Drehmomentbeiwert K beschrieben: F_f = T / (K · d) (d ist der Nenndurchmesser). Je größer K, desto geringer die Klemmkraft bei gleichem Drehmoment; je breiter die Streuung von K, desto weniger beherrschbar die Vorspannung. GB/T 16823.2 „Allgemeines über das Befestigen von Schrauben" baut genau auf dieser Beziehung auf und führt den Ingenieur bei der Wahl des Montage-Verfahrens und der Steuer-Strategie.

Prüfmethode nach GB/T 16823.3: Wie die Kalibrier-Verbindung aufgebaut wird

Der Kern des Drehmoment-Klemmkraft-Versuchs nach GB/T 16823.3 ist ein Klemmkraft-messbarer Kalibrier-Versuchsaufbau: Die Prüfschraube wird in eine Normverbindung mit Kraftaufnehmer (Axial-Kraft-Sensor / Wägezelle) eingeschraubt. Während mit einem Drehmomentschlüssel oder einem automatischen Montage-System das Drehmoment aufgebracht wird, zeichnet man parallel T und die erzeugte axiale Klemmkraft F_f auf – bis zur Ziel-Vorspannung oder bis nahe an die Streckgrenze. Der Versuch wird unter den im Standard festgelegten Auflage-Bedingungen gefahren, und die Schmierung / Beschichtung der geprüften Flächen (Gewinde, Auflage) muss dem realen Einbau entsprechen. Wiederholt man die Messung unter verschiedenen Bedingungen, erhält man für die jeweilige Charge und Oberfläche die Drehmoment-Klemmkraft-Kurve sowie die Reibbeiwerte.

In der Praxis bedeutet das: Ein Montage-Mitarbeiter, der mit dem gleichen Drehmomentschlüssel zwei Schrauben anzieht, kann ohne es zu merken die erste auf 60 kN und die zweite auf 110 kN vorspannen – wenn die Oberfläche der beiden Chargen anders ist. Diese Streuung ist nicht auf Unachtsamkeit zurückzuführen, sondern ein physikalisch-systematischer Effekt. Erklärt man das dem Fertigungs-Team, fällt es vielen leichter, die Messung und die enge Freigabe zu akzeptieren.

Drei Reibbeiwerte: μ-Gewinde, μ-Auflage, K-Faktor

Ein vollständiger Drehmoment-Klemmkraft-Versuch liefert nicht nur ein K, sondern zerlegt die Reibung in ihre Anteile:

Der Wert der Aufteilung liegt auf der Hand: Ist K zu groß und kommt die Klemmkraft nicht hoch, muss man unterscheiden, ob das Gewinde oder die Auflage die Haupt-Reibung trägt. Hohe Gewinde-Reibung → zuerst Gewinde-Schmierung oder Beschichtung ändern; hohe Auflage-Reibung → zuerst den Zustand der Scheiben-Fläche prüfen, auf Schicht-Aufwurf oder Grate. Einfach rundherum Öl aufzutragen ist in der Regel die halbe Mühe für halben Erfolg.

Typische Werte-Bänder: Wie Beschichtung und Schmierstoff K verändern

Unterschiede im Reibbeiwert zwischen Oberflächen-Zuständen sind krass – genau hier liegt der praktische Nutzen der Messdaten:

Wichtig: K ist ein technischer Gesamt-Faktor und keine universelle, überall gültige physikalische Konstante. Er hängt deutlich von Nenndurchmesser, Steigung, Auflagendurchmesser und Reibungszustand ab – man kann also den K-Wert eines anderen Herstellers nicht einfach auf die eigene Verbindung übertragen. Genau deshalb werden sicherheitsrelevante Verbindungen (Motor, Fahrwerk, Batteriepack) mit den eigenen Teilen nach GB/T 16823.3 vermessen, statt auf Erfahrungswerte Dritter zu vertrauen.

Ingenieur-Bedeutung: Von den Messwerten zur Montage-Anweisung

• Drehmoment festlegen: Aus dem gemessenen K wird das zur Ziel-Klemmkraft gehörende Drehmoment T = K · d · F_f zurückgerechnet – und nicht aus einer Erfahrungstabelle abgelesen.
• Streuung bewerten: Die Standardabweichung von K bestimmt direkt die Streuung der Klemmkraft. Ist sie zu groß, wird auf das Drehmoment-Winkel-Verfahren oder die Streckgrenze-Steuerung aufgestockt.
• Oberfläche wählen: Durch den Vergleich von μ_th und μ_b verschiedener Beschichtungen / Schmierstoffe wählt man die Variante mit niedriger, stabiler Reibung.
• Tor zur Qualität: Eine Stichprobe im Drehmoment-Klemmkraft-Versuch wird in den Wareneingang aufgenommen, damit Chargen-Schwankungen der Beschichtung die Vorspannung nicht unbemerkt verändern.

Praxis-Beispiel aus dem Batteriepack-Bau: Eine Verbindung wurde ursprünglich mit einem Drehmoment von 25 N·m nach Erfahrungstabelle montiert. Nach dem GB/T-16823.3-Versuch stellte sich heraus, dass der wirkliche K-Wert dieser Charge bei 0,14 lag – also war die tatsächliche Vorspannung fast doppelt so hoch wie angenommen, mit deutlicher Streuung. Die Umstellung auf das gemessene K und eine kleine Aufstockung auf das Drehmoment-Winkel-Verfahren sorgte dafür, dass die Ziel-Klemmkraft über alle Chargen hinweg innerhalb ±15 % lag. Das ist genau der Nutzen, der in der Tabelle allein nicht steckt.