Die Schraubensicherung bezeichnet alle Maßnahmen, die das ungewollte, selbsttätige Lösen oder Lockern einer Schraubenverbindung verhindern sollen.
Wenn Vorspannkraft (Anziehdrehmoment), Reibungswerte sowie das Verhältnis der Festigkeiten von Schraube und verschraubtem Element zur Art der auftretenden Belastung passen, ist eine Schraubverbindung selbsthemmend.
Schraubverbindungen lockern sich durch Schwingungen (Vibration), Wechselbelastung durch Quer- und Längskräfte sowie Drehmomente, durch Korrosion, durch Kriechen der Werkstoffe oder Setzen der Verbindung. Dabei vermindert sich die Vorspannkraft als ein Wirkprinzip der Schraubverbindung. Eine Schraubensicherung soll die Lockerung der Schraubverbindung etwa aufgrund dynamischer Belastung verhindern. Federnde Sicherungselemente können teilweise auch die Reduzierung der Vorspannkraft infolge der Verkürzung der verspannten Bauelemente ausgleichen.
Verhindert wird die Lockerung der Verbindung durch konstruktive Maßnahmen, Klebstoffe oder zusätzliche spezielle Formelemente. Für stark belastete und kritische Anwendungen werden Federringe und Federscheiben nicht mehr empfohlen. Die Normen wurden zurückgezogen.
Eine einfache Maßnahme ist das Ovalisieren der Mutter oder das Einstanzen einer der seitlichen Betätigungsflächen einer Sechskantmutter, um eine Klemmung der Mutter auf dem Gewinde der Schraube zu erreichen.
Art der Sicherung
mini|Selbstsichernde Mutter an einem Spanngurt mini|Keilsicherungsscheiben mini|Kronenmutter mit Splint und durchbohrter Schraube Stoffschlüssige Sicherung durch Klebstoff lösbar nicht lösbar
Kraftschlüssige Sicherung Vorspannung durch ein an Material, Belastung und Konstruktionsweise angepasstes Anzugsmoment Vorspannung durch ein federndes Element zum Ausgleich von Setzung, Kriechen und Wärmedehnung, (z. B. Tellerfeder, Federring oder Federscheibe) Kontermutter selbsthemmende bzw. selbstsichernde Mutter (Stopmutter) Mutter mit Kunststoffeinsatz (schwergängig) Deformation der Mutter durch Schlitzen, Ovalisieren oder Prägen, um das Gewinde zu verspannen bzw. zu verklemmen Verstemmen des Gewindes durch eine gezielte Verformung einiger Gewindegänge Keilsicherungsscheiben
Formschlüssige Sicherung sich einpressende Zwischenelemente mit Haken, Kanten, Profilen, zum Beispiel Zahnscheiben bzw. gezahnte Fächerscheiben (DIN 6798), Sperr-Federringe, Rippschrauben/Rippscheiben, Schnorrscheiben durch Kronenmutter und Querbohrung im Außengewinde wird ein Draht, Splint oder eine Sicherungsklammer (Fokkernadel) gesteckt. Nutmutter mit Sicherungsblech
Kombinationen Sperrkantscheiben (einfach oder doppelt) wirken zugleich als Zahnscheibe und Tellerfeder Keilsicherungsfederscheiben
Zweck der Sicherung mini|Bei einer rotierenden Belastung des Gewindes (grüner Pfeil) kann durch Verformung ein gewisser Schlupf auftreten, der je nach Drehrichtung zur Lockerung oder zur Verspannung der Verbindung führt (Präzession) Setzsicherung Verhindert die Lockerung der Verbindung durch Absinken der Vorspannkraft aufgrund von (geringen) Relativbewegungen der Bauteile
Losdrehsicherung Verhindert das Lösen von Schraube oder Mutter
Verliersicherung Verhindert die vollständige Separation der Verbindungselemente voneinander, aber nicht das Lösen der Verbindung.
Andere konstruktive Maßnahmen mini|Die linke Schleifscheibe eines Schleifbocks wird mit einer Mutter mit Linksgewinde festgeschraubt Auch indirekte konstruktive Maßnahmen können das Lösen einer Schraubverbindung verhindern. Diese werden jedoch in der Regel nicht als Schraubensicherung bezeichnet.
So wird das auf der linken Seite angebrachte Pedal eines Fahrrads mit einem Linksgewinde mit der Kurbel verschraubt, um das Lösen des Pedals durch den Schlupf zu verhindern, der auch bei fest angezogener Pedalachse bei Belastung durch Verformung des Materials auftreten kann. Siehe: Fahrradpedal#Schutz vor Selbstlösung der Pedale
Einsatz
mini|Drahtsicherung an einer Fahrzeugkarosserie; Montage mittels Drillzange mini|Drahtsicherung eines Zentralverschlusses an einer Felge im Motorsport
Bei Unsicherheiten oder Nichteinhaltung der notwendigen Mindestklemmlängen von Schraubenverbindungen oder unklaren Umgebungsbedingungen sind
Schraubensicherungen üblich bzw. angebracht.
Bei dynamischen Belastungen, insbesondere senkrecht zur Schraubenachse (Querlast), neigen Schraubenverbindungen dazu, sich selbst zu lösen. Eine Abhilfe bietet die korrekte Auslegung und Konstruktion der Schraubenverbindung und das passende Anzugsdrehmoment. Die zu verbindenden Bauteile sollen möglichst wenig nachgeben (große Querschnitte, kein Kriechen, hoher Elastizitätsmodul – falls konstruktiv realisierbar), also steif sein. Die zugehörige Schraubenverbindung soll dagegen möglichst elastisch sein (z. B. durch Verwendung von speziellen Dehnschrauben oder allgemein langen, schlanken Schrauben). Schraubenverbindungen mit hochfesten Schrauben und Muttern sind nur dann sinnvoll, wenn sie entsprechend fest angezogen werden können (weitgehende Ausnutzung der Schraubenfestigkeit) und an den verspannten Teilen keine plastischen Verformungen auftreten (Grenzflächenpressung).
Ein Beispiel für eine nicht fach- und sachgerecht ausgeführte Schraubenverbindung ist die Befestigung von Aluminium-Schutzblechen an Stahl-Rahmen von Fahrrädern. Hier wird die Schrauben-Klemmkraft mit der Zeit durch das Fließen des Aluminiums und durch korrosive elektrochemische Einflüsse aufgehoben. Die Schraubverbindung lockert sich und die Bohrung im Schutzblech wird durch die Vibrationen während der Fahrt ausgeschlagen. Zudem werden die oben genannten Konstruktions-Grundsätze nicht beachtet: Die Schraube ist effektiv zu kurz, erfüllt also nicht die Bedingung „elastisch“ und das kriechende Aluminium erfüllt nicht die Bedingung „steif“.
Zur Sicherung können Schraubenverbindungen mit Klebstoff, durch Muttern mit Kunststoffeinsatz (selbsthemmende Muttern), durch Kronenmuttern mit Splint oder durch Verdrahten (Drahtsicherung) gesichert werden. Das Sichern von Schrauben in Aluminiumteilen kann z. B. durch selbstsichernde Gewindeeinsätze oder spezielle Gewinde realisiert werden.
Eine aufwändige Methode ist, das Gewinde der Befestigungsmutter als Rechtsgewinde auszuführen, das zugehörige Gewinde der Kontermutter auf der Schraube dagegen als Linksgewinde. Diese Methode ist im Bergbau verbreitet, wurde aber ebenso an alten Fahrrädern genutzt, um geschraubte Ritzel auf der Hinterradnabe oder Pedalkurbeln zu befestigen.
Bei Anwendung von Kronenmutter und Splint sind Bolzen und Mutter zueinander gesichert. Bei hochfesten Schraubenverbindungen, bei denen die Ausnutzung der Schraubenfestigkeit beziehungsweise eine große Vorspannkraft nicht zum Erfolg führt, bieten sich nur wenige Möglichkeiten einer zusätzlichen Sicherung an: Sperrzahnschraube und Sperrzahnmutter Sperrkantscheiben Kleben (flüssig- oder mikroverkapselter Klebstoff)
Berechnung von Schraubverbindungen Bei der Auslegung, Berechnung und auch dem Nachweis von Schraubverbindungen wird prinzipiell wie folgt bei der Ermittlung der Vorspannkraft vorgegangen: Ermittlung der maximalen und minimalen axialen Betriebslast Ermittlung und Auswahl der sogenannten Teil- oder Trennfugenbeschaffenheit und Werkstoffkennwerte anhand der konstruktiv vorgegebenen Einbausituation Ermittlung oder Abschätzung der auftretenden Reibwerte durch Schmierung der Schraubverbindung vor dem Anziehen zur Ermittlung des sogenannten Anzugsmomentes der Schraubverbindung. Ermittlung und Festlegung der Art und Weise, wie bzw. womit die Schraubverbindung angezogen wird Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften der Schraubverbindungen über den geplanten Temperaturbereich Nachweis der Dauerfestigkeit bei dynamischen bzw. wechselnden Krafteinleitungen
Bei der ersten sogenannten Entwurfsrechnung kann überschläglich die Größe bzw. der Querschnitt der Schraubverbindung über die Vorspannkraft und den Reibwert anhand der axialen Betriebslast sowie das erforderliche Drehmoment beim Festziehen der Schraubverbindung ermittelt werden.
Im Weiteren wird das sogenannte Setz- oder Kriechverhalten berücksichtigt. Unter dem Setzen versteht man das „Verdrücken“ oder Abplatten von „Bergspitzen“ der vorhandenen Oberflächenrauigkeit oder Nachgiebigkeit der verspannten Werkstoffe durch die beim Anziehen der Schraubverbindung eingeleitete Vorspannkraft. Dieser Effekt kann besonders bei weichen Werkstoffen, z. B. Dichtungen, schon nach kurzer Betriebsdauer zur Aufhebung der Vorspannung und damit der Wirksamkeit der Schraubverbindung führen. Dabei wird auch das sogenannte Lösemoment und die Kraft, die zum Lösen (Aufdrehen) der Schraubverbindung erforderlich ist, berücksichtigt. Anschließend wird das Verhalten der Schraubverbindung im geplanten Temperaturbereich bei den eingesetzten Werkstoffen anhand der Einbausituation geprüft. Dabei wird das unterschiedliche Verhalten der eingesetzten Werkstoffe, z. B. die Wärmedehnung berücksichtigt.
Abschließend ist in der Regel der Nachweis der Dauerfestigkeit der Schraubverbindung, einschließlich der zu befestigenden Bauelemente, zu führen. Hier wird die Festigkeit der eingesetzten Bauteile anhand der verwendeten Werkstoffe, der Einbausituation, der geometrischen Gestaltung der Bauteile sowie mit Hilfe der Anzahl und Art der Lastwechsel bei der dynamischen (schwingenden) Belastung nachgewiesen. Es ist in einigen Branchen zulässig, dass dieser Nachweis mit Hilfe einer FEM-Berechnung unter Berücksichtigung des Temperaturverhaltens der Bauteile erfolgen kann.
Bei der rechnerischen Auslegung gelten in der Regel folgende Randbedingungen: Schraubverbindungen werden nur auf Vorspannung belastet, auftretende Querkräfte (Kräfte, die ein Verschieben bzw. Abscheren der Schraubverbindung verursachen) sind zusätzlich über den Reibwert als Betriebslast zu berücksichtigen. Das mehrfache Anziehen und Lösen einer Schraubverbindung muss in der Regel durch eine weitere Nachweisrechnung berücksichtigt werden. Hierzu wird bei hochbelasteten Schraubverbindungen in der Regel davon ausgegangen, dass alle Schrauben und Sicherungselemente durch neue unbenutzte Bauteile zu ersetzen sind. Das eingeleitete Anzugsmoment der Schraubverbindung ist nach der Montage konstant. Es erfolgt kein Überziehen bzw. eine bewusste Überschreitung des festgelegten Anzugsmoments bei der Montage. Die Montage erfolgt mittels genormter Werkzeuge. Der Einsatz von Verlängerungen oder Kreuzgelenken ist in der Regel nicht zulässig. Das eingeleitete Anzugsmoment kann während der Montage ermittelt werden.
Als typisches Beispiel zur Berechnung von Schraubverbindungen werden häufig verschraubte Flanschverbindungen mit einem Klöpperboden verwendet.
Sicherung durch Kleben mini|Schraubsicherungskleber von Loctite
Gewindeklebstoffe dienen als mechanische Sicherung gegen ungewolltes Lösen. Zusätzlich werden sie auch verwendet zum Abdichten von Gewinden in Pneumatik, Hochdruckgastechnik und Hydraulik. 2-Komponenten-Kleber, in einer bestimmten Zeit aushärtend 1-Komponenten-Kleber, aktiviert durch bestimmte Metalle unter Luftabschluss aushärtend (anaerob) Microkugeln verkapselt, platzen bei Anschrauben
Schraubensicherungen, deren Norm zurückgezogen wurde mini|Mutter mit untergelegtem Federring Folgende Maschinenelemente haben sich unter bestimmten Umständen zur Aufrechterhaltung der Vorspannung einer Schraubverbindung als wirkungslos erwiesen. Alle angegebenen Normen sind zurückgezogen worden:
Federringe DIN 127, DIN 128 und DIN 6905 Federscheiben, Wellenscheiben DIN 137 und DIN 6904 Zahnscheiben DIN 6797 Fächerscheiben DIN 6798 Sicherungsbleche DIN 93, DIN 432 und DIN 463 Sicherungsnäpfe DIN 526 Sicherungsmuttern DIN 7967