Warum Schrauben selten zugbrechen, sondern durch Ermüdung versagen

Prüft man eine Verbindung und blickt nur auf die statische Festigkeit, so liegt der Sicherheitsfaktor der großen Mehrzahl der Verbindungen über 1,5, was risikofrei aussieht. Doch in tatsächlichen Schadensfällen sind Schraubenbrüche bei Lasten, die weit unter der Zugfestigkeit des Werkstoffs liegen, sehr häufig – das ist Ermüdung.

Das Wesen der Ermüdung ist: Unter Wechsellast entstehen an Kerbstellen im Werkstoff Mikrorisse, die Risse wachsen allmählich, bis der verbliebene Querschnitt nicht mehr ausreicht und der Bruch eintritt. Der gesamte Prozess verläuft meist ohne deutliche plastische Verformung und ist daher schwer im Voraus zu erkennen.

Drei wesentliche Merkmale der Schraubenermüdung

Merkmal 1: Risse beginnen oft am Gewindefuß

Der Gewindefuß ist eine natürliche Kerbzone. Je kleiner der Fuß-Krümmungsradius und je schärfer das Gewindeprofil, desto schwerwiegender die Kerbwirkung. Die meisten Risse entstehen am Fuß des ersten und zweiten Gangs, die die höchste Last tragen, und wachsen etwa unter 45° zur Achse.

Merkmal 2: Die Bruchfläche hat Strandlinien der Ermüdung

Ein typischer Ermüdungsbruch hat drei Zonen:

• Ermüdungsursprungszone: die Ausgangsstelle, meist sehr klein, an der Gewindefuß-Oberfläche gelegen.
• Ermüdungsfortschrittszone: glatt, mit strandlinien- oder muschelförmigen Marken; gelegentlich sind radiale Streifen sichtbar.
• Endbruchzone: rau, faserig oder kristallin, der zuletzt brechende Anteil.

Die Anteile der drei Zonen geben eine grobe Lastniveau-Abschätzung: je größer die Fortschrittszone, desto niedriger die Last und desto länger die Lebensdauer.

Merkmal 3: Der Spannungsausschlag bestimmt die Lebensdauer

Die Ermüdungslebensdauer wird hauptsächlich vom Spannungsausschlag bestimmt, nicht von der Maximalspannung. Dies unterscheidet sich völlig von der Logik des statischen Festigkeitsnachweises.

Den Spannungsausschlag berechnen

Für eine Schraubenverbindung ist der durch Wechsellast verursachte Spannungsausschlag der Schraube:

wobei A_s der Spannungsquerschnitt des Gewindes ist. Diese Gleichung offenbart zwei Verbesserungswege:

1. Den Kraftaufteilfaktor Φ senken: die Klemmteilsteifigkeit erhöhen, damit mehr Last von der Struktur selbst getragen wird.
2. Die äußere Lastschwingungsamplitude senken (F_A,max − F_A,min): aus strukturmechanischer Sicht die hochfrequente Last reduzieren, die zur Verbindung gelangt.

Kerbeffekt und Mittelspannungs-Korrektur

Kerbfaktor

Die Kerbwirkung am Gewindefuß wird durch den Kerbfaktor K_t charakterisiert, typischerweise zwischen 3 und 5, abhängig vom Fuß-Krümmungsradius und der Gewindeart. Gewalzte Gewinde, mit kontinuierlichem Metallfluss und DruckEigenspannung an der Oberfläche, haben eine deutlich bessere Dauerfestigkeit als geschnittene Gewinde – daher ist das Gewindewalzen in ermüdungskritischen Anwendungen unersetzlich.

Einfluss der Mittelspannung

Je höher die Mittelspannung, desto geringer der Spannungsausschlag, den der Werkstoff ertragen kann. Im Ingenieurwesen wird dies über ein Haigh-Diagramm oder die Goodman-Beziehung korrigiert:

Daher ist, wenn die Vorspannung bereits nahe an der oberen Werkstoffgrenze liegt, der Spannungsausschlag vor dem Nachweis über diese Beziehung zu korrigieren – statt direkt die Wechselfestigkeit anzusetzen.

Sechs Wege zur Verbesserung der Schrauben-Dauerfestigkeit

Warum Schrauben mit verjüngtem Schaft wirken

Eine Schraube mit verjüngtem Schaft (Waisted Shank) reduziert den Schaftdurchmesser bis nahe an den Gewinde-Spannungsquerschnitt. Nach dieser Behandlung:

• sinkt die Schraubensteifigkeit K_S, sinkt Φ und sinkt der Spannungsausschlag;
• die Schraubendehnung steigt und die Nachgiebigkeit verbessert sich, sodass Verformung und Stoß besser aufgenommen werden;
• der kritische Querschnitt verlagert sich vom Gewindefuß auf den Schaft, wo keine Kerbwirkung vorliegt.

Dies ist der grundlegende Grund, warum die Bauform mit verjüngtem Schaft bei Verbindungen mit hohen Ermüdungsanforderungen (wie Pleuelschrauben von Motoren und Schrauben von Windenergieanlagen) allgemein eingesetzt wird.

Ermüdungs-Besonderheiten in Leichtbau-Strukturen

In Leichtbau-Szenarien wie NEV, Robotern und Luftfahrzeugen treten Ermüdungsprobleme deutlicher in Erscheinung als in traditionellen Stahlstrukturen, aus drei Gründen:

1. Φ ist höher: Leichtmetall-Klemmteile haben geringe Steifigkeit, daher trägt die Schraube mehr äußere Last und der Spannungsausschlag ist größer.
2. Die Lasten sind komplexer: Vibration, Stoß und Wärmezyklen überlagern sich, sodass das Lastkollektiv schwer genau abzuschätzen ist.
3. Die Sicherheitsspielräume sind enger: der Leichtbau verfolgt extreme Gewichtsreduktion und treibt den Sicherheitsfaktor oft auf ein niedriges Niveau.

Entsprechende Strategien

• Vorrangig die Vergrößerung der Auflagefläche zur Senkung von Φ, statt die Schraubenabmessung zu vergrößern.
• Bei Verbindungen mit erheblicher Wechsellast eine Lastkollektiv-Messung durchführen oder nach dem ungünstigsten Hüllkreis auslegen.
• Verbindungselemente mit gewalztem Gewinde + Gewindefuß-Kugelstrahlen wählen, um die Dauerfestigkeit von der Prozessseite her zu verbessern.
• Nach Reibkorrosion suchen (Abnutzungsspuren auf Auflageflächen, Lochwand-Verschleiß); Reibkorrosion verringert die Ermüdungslebensdauer erheblich.

Fazit

Das Kriterium der Schraubenermüdung ist der Spannungsausschlag, nicht die Maximalspannung; der Verbesserungsweg besteht darin, den Kerbeffekt zu verringern und die Lastverteilung zu senken – nicht einfach die Festigkeitsklasse hochzustufen. Werden gewalztes Gewinde, Großradien-Auslegung, Gewindefuß-Verfestigung und eine Senkung von Φ gleichermaßen gut umgesetzt, lässt sich die Schrauben-Dauerfestigkeit um ein Mehrfaches steigern.