Ein alltägliches Phänomen

Stellen wir uns die Szene vor: dieselbe Schraubencharge, derselbe Drehmomentschlüssel, derselbe Monteur, eingestellt auf 30 N·m. Misst man mit einer auf Axialkraft kalibrierten Anziehspindel nach, liegt die Klemmkraft der einen Schraube im Zielband, die nächste deutlich zu niedrig, die dritte nahe der Streckgrenze. Die erste Reaktion ist „der Schlüssel stimmt nicht", doch auch nach der Kalibrierung bleibt das Problem. Die wahre Variable ist der Reibbeiwert: feine Unterschiede im Oberflächenzustand, in der Schmierung, im Überzug und in der Sauberkeit der Auflage ändern die Reibung und damit den Wirkungsgrad „Drehmoment → Klemmkraft".

Die Beziehung T = K·F·d

Der Kernzusammenfassung des Gewindeanzugs lautet T = K · F · d, dabei ist T das aufgebrachte Drehmoment, F die gewünschte axiale Klemmkraft (Vorspannung), d der Schrauben-Nenndurchmesser und K der Drehmomentbeiwert (Nutzungsbeiwert des Moments). GB/T 16823.3-2010 verlangt in den Versuchsergebnissen die Angabe des „Drehmomentbeiwerts K" sowie der „Beziehung Drehmoment zu Klemmkraft T/F bzw. F/T".

Die Formel zeigt: Bei festem T und d wird die Klemmkraft F vollständig von K bestimmt. Und K ist keine Konstante – es ändert sich mit dem Gewinde-Reibbeiwert, dem Auflage-Reibbeiwert und der Gewindegeometrie. Dasselbe Moment also verschiedene Klemmkräfte erzeugt, ist im Kern ein unterschiedlicher K-Wert der Charge.

Wohin geht das Drehmoment?

Zerlegt man das aufgebrachte Drehmoment, landet es auf drei Wegen: Überwindung der Reibung im Gewindepaar, Überwindung der Reibung an der Auflagefläche (Kopf/Mutter zu Fügeteil) und der in Schraubendehnung umgewandelten wirksamen Vorspannung. Ingenieurseitig anerkannt ist die grobe Verteilung: etwa 50 % für Auflage-Reibung, etwa 40 % für Gewinde-Reibung, nur etwa 10 % werden wirksame Klemmkraft.

Warum der Reibbeiwert streut

GB/T 16823.3-2010 hat gegenüber der Vorgängerversion explizit den „Gesamt-Reibbeiwert" (Abschnitt 10.2) ergänzt. Man unterscheidet den Gewinde-Reibbeiwert, den Auflage-Reibbeiwert und den daraus gebildeten Gesamt-Reibbeiwert μtot. Sie hängen von Oberfläche, Schmierung, Schichtdicke, Ölfilm und Rauheit der Kontaktfläche ab.

Typisch: Bei gleicher Schraube ist eine saubere, trockene zerspante Fläche reibbehaftet hoch; mit Schmierstoff oder Zink-Nickel plus Spezialschmierung sinkt die Reibung deutlich und wird stabiler. YF Zhichengs ZT68-Aluschraube regelt über ein eigenes dreistufiges Schmiersystem den Gesamt-Reibbeiwert μtot exakt auf das stabile Band 0,09–0,15 und sichert so niedrige Drehmoment-Streuung für die vollautomatische Montage. Je stabiler der Reibbeiwert, desto kleiner die Klemmkraft-Streuung bei gleichem Moment.

Drehmoment-Kraft-Versuch

Nach GB/T 16823.3-2010 (identisch ISO 16047:2005) gilt die Norm für Verbindungselemente aus Stahl und legiertem Stahl der Gewindegrößen M3–M39; die mechanischen Eigenschaften müssen GB/T 3098.1, GB/T 3098.2 oder GB/T 3098.4 entsprechen. Der Versuch findet bei Raumtemperatur statt, Standard-Klima 10°C–35°C.

Der Kern des Verfahrens: Auf einer Prüfeinrichtung mit Kraftaufnehmer wird das Schraube-Mutter-Paar angezogen, gleichzeitig Drehmoment und entstehende axiale Klemmkraft aufgezeichnet, um die T-F-Kurve aufzuzeichnen, den Drehmomentbeiwert K und die Teil-Reibbeiwerte zu berechnen. Die Norm legt fest, dass die „Grenzklemmkraft erreicht wird, wenn die Klemmkraft im Versuch ihr Maximum erreicht" (Abschnitt 10.7); die alte Kurve aus „Anziehweg zu Anziehkraft und Drehmoment" wurde zugunsten mehrerer Verfahren zur Bestimmung der Streckgrenzen-Klemmkraft abgeschafft. Zusammen mit GB/T 16823.2-1997 „Allgemeine Montageregeln" lässt sich das Anziehverfahren systematisch aufbauen.

So verringert man die Streuung

• Reibbeiwert beherrschen: Oberfläche und Schmierung vereinheitlichen, den Gesamt-Reibbeiwert auf ein enges Band (z. B. μtot 0,09–0,15) führen – das ist das wirksamste Mittel gegen Streuung.
• Drehmoment-Kraft-Kalibrierung: Neue Charge, neue Oberfläche zuerst auf die GB/T 16823.3-Einrichtung geben, K und T-F-Kurve messen, nicht nach Erfahrung die Tabelle anwenden.
• Anziehstrategie hochrüsten: Wichtige Verbindungen von reiner Drehmoment-Kontrolle auf Drehmoment-Winkel oder Streckgrenzen-Verfahren umstellen und so den direkten Einfluss der Reib-Streuung auf die Vorspannung umgehen.
• Sauberkeit und Gleichmäßigkeit: Auflageflächen frei von Spänen und zufälligem Öl halten, damit nicht dieselbe Charge in unterschiedlichsten Reibzuständen landet.

In der Serie lohnt sich der Gang zur Drehmoment-Kraft-Prüfung besonders dann, wenn auf derselben Linie unterschiedliche Oberflächen oder Schmierstoffe verarbeitet werden. Schon ein geänderter Chargenölfilm kann den Reibbeiwert so weit verschieben, dass die vormals berechnete Klemmlage plötzlich neben der Streckgrenze liegt. Ein pragmatischer Ablauf ist: Für jede neue Schicht, jeden neuen Schmierstoff und jeden neuen Lieferanten eine Referenzkurve aufnehmen, den K-Wert im Arbeitsplan hinterlegen und die Drehmomentschlüssel danach einstellen. Wer nur nach der Normtabelle anzieht und die reale Reibung nie misst, vertraut auf einen Mittelwert, der in der Wirklichkeit deutlich breiter streut als angenommen.

Ein praktischer Nebeneffekt der Reibbeiwert-Führung ist die ruhigere Geräuschentwicklung in der Montageanlage. Wenn jede Schraube mit reproduzierbarem Moment anzieht, entfallen die Nachjustierungen und die Ausschussmeldungen an der Linie. Das rechnet sich in der laufenden Produktion schneller, als die einmaligen Prüfkosten vermuten lassen. Wer hingegen ohne Kenntnis des K-Wertes nach Tabellen arbeitet, lebt mit einer versteckten Streuung, die sich erst bei Schadensfällen offenbart. Die Investition in eine eigene Drehmoment-Kraft-Einrichtung oder die regelmäßige Fremdprüfung lohnt sich bereits bei mittleren Stückzahlen, weil sie teure Gewährleistungsfälle von vornherein abwendet.