Streckgrenzgesteuertes Anziehen von Schraubenverbindungen

Das Drehmomentverfahren ist in der Praxis im Fahrzeug- Maschinen- und Stahlbau unbestritten am weitesten verbreitet. Ideal ist es aber nicht immer. Denn beim Drehmomentverfahren findet Reibung in den Gleitflächen sowie auf der Mutternauflage oder unter dem Schraubenkopf sowie in den gepaarten Gewindegängen statt. Die Reibung, welche über die Reibzahl ausgedrückt wird, kann aber von Schraube zu Schraube unterschiedlich sein.

Unterschiedliche Reibung führt beim Drehmomentverfahren zu unterschiedlichen Vorspannkräften. Das kann wiederum dazu führen, dass die erforderliche Vorspannung auf Schraubverbindungen gar nicht erst erreicht oder Schraubverbindungen plastisch verformt werden, was durch das Drehmomentverfahren nicht begrenzt werden kann. Aufgrund der schwankenden Reibwerte muss die Schraubverbindung meist überdimensioniert werden.

Die Schraube wird also größer und schwerer als eigentlich notwendig. Dadurch bedingt werden alle weiteren Komponenten größer und somit auch schwerer. Bei einer Reibzahl von 0,15 wird die erforderliche Vorspannung nicht erreicht, was wiederum zu einer erheblichen Unsicherheit und zum Versagen der Schraubverbindung führt. Bei einer Reibzahl von 0,07 droht eine plastische Verformung und damit die Zerstörung der Verbindung. Daher soll das Drehmomentverfahren Schrauben typischerweise nur zwischen 60 und 70 Prozent auslasten, um sie bei eventuell höherer Reibung nicht abzureißen. Die Unsicherheiten lassen sich durch das Drehmoment-Verfahren alleine nicht begrenzen. Voraussetzung beim Drehmoment gesteuerten Anzugsverfahren ist vielmehr ein definiertes Schmieren der Verbindung bei engem Eingrenzen der Reibzahlstreuung.

Das notwendige Überdimensionieren spielt solange keine Rolle, solange Schrauben nicht wiederverwendet werden sollen und Gewicht ebenfalls egal ist. Kommt es jedoch aufs Gewicht an, spielt dieser Nachteil eine Rolle. Dann sind alternative Verschraubungsverfahren gefragt.

Unter anderem wegen dieser Gewichtsersparnis setzen Automobilhersteller schon seit Jahrzenten auf das streckgrenzgesteuerte Anziehen (SGA). Dieses Reibzahl-unabhängige Verfahren nutzt den Umstand, dass beim Anziehen einer Schraubverbindung durch gegenseitiges Verdrehen von Mutter und Schraubenbolzen nicht nur eine Axialspannung, sondern als Folge der Gewindereibung auch eine Torsionsspannung beansprucht wird. Das Fließen des Schraubbolzens beginnt dann dort, wo die Vergleichsspannung aus Zug und Torsion die Werkstoff-Fließgrenze erreicht. Innerhalb kurzer Zeit nach dem Vorspannen federt der Torsionsanteil im Schraubenbolzen größtenteils zurück, wodurch bei verbleibender Vorspannkraft die Vergleichsspannung sinkt. Die überelastisch vorgespannte Verbindung gewinnt wieder eine elastische Verbindungsreserve.

In erster Linie führt das möglichst hohe Auslasten der Schraube zu erheblich weniger Wartungsbedarf und somit längeren Wartungsintervallen. Außerdem sinkt das Risiko, dass beim Serviceeinsatz ein Teil oder die Verschraubung Schaden nimmt und ersetzt werden muss. Weniger Regressforderungen kommen obendrein hinzu. SGA sorgt auch dafür, dass das insbesondere bei lackierten Bauteilen zu beobachtende Setzverhalten zu vernachlässigen ist. Wichtiger ist jedoch, dass besser ausgelastete Schraubverbindungen automatisch in kleineren Bauteilen resultieren und damit in niedrigerem Gewicht.

Bei den Automobilherstellern punktet SGA zusätzlich bei Materialproblemen. Denn die Werkzeuge schalten gradientengesteuert ab und verhindern so eine fehleranfällige Verschraubung. Auch wenn die Flanschauflage beispielsweise bei einem Drehkranz nicht planparallel ist, bewährt sich SGA: Beim Drehmomentverfahren wirkt sich der Drehwinkel bei nicht geschlossener Klaffung im Fügemoment nicht nur auf die Schraube aus, sondern auch auf die Klaffung. Ein intelligentes mobiles Werkzeug erkennt dies beim SGA und schaltet ab.