Schraubensicherungen im Vergleich: zehn Verfahren, ein Prüfmaßstab

1. Warum dieser Beitrag: zwei reale Unfälle

Im Juni 2010 stürzte die Attraktion Space Loos im OCT East in Shenzhen ein; sechs Menschen starben, zehn wurden verletzt. Die Untersuchung ergab als unmittelbare Ursache einen Ermüdungsbruch einer Verbindungsschraube, ausgehend von einer Stelle, an der sich die Schraubverbindung unter Wechsellast gelockert hatte und die Spannung am Gewindegrund bündelte.

Im Jahr 2007 entgleiste im Vereinigten Königreich ein Hochgeschwindigkeitszug. Gong et al. führen den Fall in ihrer Übersichtsarbeit an: Wechsellast an der Rad-Schnittstelle drehte eine Mutter von ihrer Schraube, was zu den unmittelbaren Auslösern der Entgleisung zählte.

Beide Verbindungen nutzten gewöhnliche Schrauben mit Federscheiben. „Federscheibe gleich Lockerungsschutz“ sitzt in Konstruktionsbüros fast im Reflex, doch seit Junker 1969 seine Theorie der Querschwingung veröffentlichte, belegen fünf Jahrzehnte Versuchspraxis, dass eine Federscheibe die Vorspannkraft weit schlechter hält, als allgemein angenommen wird.

Dieser Beitrag stützt sich auf Review on anti-loosening methods for threaded fasteners (Gong H., Liu J. H., Feng H. H., Chinese Journal of Aeronautics, 2021) sowie auf NASA-STD-5020, ISO 16047, GB/T 3098 und GB/T 10431. Er beschreibt die tatsächliche Leistungsfähigkeit von zehn gängigen Verfahren in einer Form, die sich gegen die Zeichnung prüfen lässt.

2. Warum sich Gewinde lockern: der Mechanismus

Viele Konstrukteure nehmen an, Lockern bedeute „die Mutter hat sich von selbst gedreht“. Tatsächlich handelt es sich um einen stufenweisen Vorgang.

2.1 Die Vorspannkraft ist die Lebensgrundlage der Verbindung

Beim Anziehen wird die Verbindung gestaucht und die Schraube gedehnt. Diese Zugkraft ist die Vorspannkraft F_v. Solange F_v ansteht, kann die Verbindung nicht gleiten und das Gewindepaar nicht rotieren. Lockern heißt nicht, dass sich die Mutter dreht: Es heißt, dass die Vorspannkraft unter einen kritischen Wert fällt, worauf das Gewindepaar zu rotieren beginnt.

Die Vorspannkraft geht auf zwei Wegen verloren:

• Elastische Relaxation und Setzen: Mikrorauheiten der Auflageflächen flachen ab und der Kontakt kriecht, sodass F_v innerhalb von Minuten bis Tagen um 5–20 % sinkt.
• Rotatorisches Lockern unter Querschwingung: Junkers Versuche von 1969 zeigten, dass bei Bewegung der verspannten Platten senkrecht zur Schraubenachse die Reibung am Gewinde und an der Auflagefläche kurzzeitig verschwindet und sich die Schraube über den Steigungswinkel selbst aufdreht. Dies ist der gefährlichste und häufigste Fall.

2.2 Der Junker-Test: eine Prüfkammer für alle Sicherungsverfahren

Die Sicherungswirkung wird heute mit dem Junker-Querschwingtest beurteilt (DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431). Ein Exzenter treibt zwei Platten in relative Querbewegung; die Schraube durchdringt beide, und eine Kraftmessdose zeichnet F_v über der Zeit auf.

Die Kennzahl ist die Vorspannkraft-Resthaltung: Rest-F_v geteilt durch Anfangs-F_v nach 2000 Zyklen. Höher ist besser.

2.3 Fünf Einflussgrößen bestimmen die Lockerungsrate

1. Anfängliche Vorspannkraft F_v: höher ist sicherer, jedoch nie über der Streckgrenze.
2. Reibwert μ am Gewinde und an der Auflagefläche: ein höheres μ wirkt der Rotation entgegen, doch die Streuung von μ macht die Vorspannkraft unvorhersehbar.
3. Queramplitude: mehr Relativverschiebung zwischen den Platten bedeutet schnelleres Lockern.
4. Verhältnis Klemmlänge zu Durchmesser L/d: eine schlanke Schraube nimmt Schwingung auf. Unter L/d = 3 lockert sich die Verbindung mit hoher Wahrscheinlichkeit.
5. Verbindungssteifigkeit: eine steife dicke Platte überträgt Querverschiebung eher als ein dünnes Blech oder ein Gussteil.

3. Sieben konventionelle Sicherungsverfahren

3.1 Unterlegscheibe

Eine Unterlegscheibe verteilt die Auflagekraft, schützt die Auflagefläche vor der drehenden Mutter und überbrückt ein übergroßes Bohrloch. Eine Sicherungswirkung ist nicht vorhanden. Pinelli et al. (2012) fanden eine praktisch identische Vorspannkraft-Resthaltung mit und ohne Scheibe.

3.2 Federscheibe

Dies ist das am stärksten überschätzte Bauteil im Katalog. Der Gedanke: Die geschlitzte Kante gräbt sich in die Auflagefläche und speichert elastische Spannung. Die Versuchsdaten widersprechen:

• Dravid et al. (2012): Schrauben mit Federscheibe verloren die Vorspannkraft schneller als Schrauben ohne Scheibe, weil die geschlitzte Kante die Spannung konzentriert und örtliches Gleiten beschleunigt.
• Pinelli et al. über 24 Monate Fahrzeugeinsatz: keine einzige Verbindung mit Federscheibe hielt eine nutzbare Vorspannkraft.
• Die geschlitzte Kante rillt die Auflagefläche unter wiederholter Schwingung und wird zum Ausgangspunkt für Korrosion.

3.3 Tellerfeder

Eine kegelige Tellerfeder speichert elastische Verformung; ihre eigentliche Aufgabe ist die Kompensation von Relaxation: Setzt sich die Verbindung, öffnet sich die Feder und hält die Klemmkraft. Sawas FEM-Rechnungen zeigen einen klaren Vorteil bei Verbindungen mit großer thermischer Fehlpassung (Aluminium auf Stahl, bimetallische Stapel). Ein rotatorisches Lockern unter Querschwingung verhindert sie nicht; sie eignet sich daher für thermische Wechselbeanspruchung (Abgaskrümmer, Wärmetauscher), nicht für dauerhafte Quererregung (Drehgestelle, Siebmaschinen).

3.4 Keilsicherungsscheibe (Typ Nord-Lock)

Die am weitesten verbreitete Lösung der letzten 20 Jahre in Windkraft, Bahn und Bergbau. Ein Scheibenpaar: Radialzähne auf den Außenflächen, Keilrampen auf den Innenflächen, wobei der Keilwinkel α größer als der Gewindesteigungswinkel β ist.

Jeder Versuch aufzudrehen hebt die Schraube über die Rampe. Da α > β, übersteigt die zum Erklimmen der Rampe erforderliche Axialkraft die beim Aufdrehen freigesetzte Axialkraft, sodass gilt: Je stärker gelockert wird, desto fester sitzt die Verbindung.

Misiek (2017) und FEM-Rechnungen von Lai bestätigen übereinstimmend eine Vorspannkraft-Resthaltung über 80 % im Standard-Junker-Test. Nachteile: hohe Kosten (ein Paar kostet das 20–50-Fache einer Federscheibe), Empfindlichkeit gegen Ebenheitsabweichungen bei großen Abmessungen und Ungeeignetheit bei übermäßigem Lochspiel.

3.5 Zahnscheibe

Innen- oder Außenzähne greifen in die Auflagefläche und bilden eine mechanische Sicherung. Wirksam bei weichen Werkstoffen (Aluminium, Kunststoffe, dünnes Blech), in denen sich die Zähne einbetten; bei gehärtetem oder hochfestem Stahl verschleißen die Zähne flach und die Sicherung bricht zusammen. Zudem beschädigt sie die Auflagefläche stark und ist an lackierten oder eloxierten Teilen zu vermeiden.

3.6 Kontermutter

Zwei gegeneinander verspannte Muttern erzeugen zusätzliche Normalkraft im Gewindepaar. Neun von zehn Kontermutter-Verbindungen in der Fertigung werden in falscher Reihenfolge montiert.

Die korrekte Reihenfolge (nach NASA-STD-5020):

1. Die untere (tragende) Mutter mit Drehmoment beaufschlagen und mit dem Schlüssel halten;
2. Die obere (Stütz-)Mutter gegen die untere drehen, bis die Flächen anliegen;
3. Beide gegeneinander anziehen, bis die Axialkraft zwischen ihnen 30–50 % der Streckgrenze erreicht.

Zhang et al. (2019) maßen bei korrekter Reihenfolge mehr als die dreifache Vorspannkraft-Resthaltung. Bei falscher Reihenfolge verhält sich eine Kontermutter wie eine einzelne Mutter.

3.7 Muttern mit Kunststoffeinsatz und Metallmuttern mit Losdrehmoment

Ein Polyamidring am oberen Ende der Mutter wird von der Schraube aufgeweitet und erzeugt Reibung. Einfach, lösbar, günstig – die Standard-Sicherungsmutter in Automobilbau und Elektronik.

Die entscheidende Schwäche ist die Temperatur. Oberhalb von 120 °C kriecht das Polyamid, und das Losdrehmoment fällt innerhalb weniger hundert Stunden um mehr als die Hälfte. Keine Kunststoffmuttern an Abgaskrümmern, Bremsen oder Ofenteilen.

Metallmuttern mit Losdrehmoment (dreieckiges Gewindeprofil nach Art Spiralock, ASTM A194 Grade C) verformen das Mutternende zu einer Ellipse, einem Schlitz oder einer Quetschung. Diese Muttern arbeiten bis 250 °C, sollten jedoch nicht mehr als 5–10 Mal wiederverwendet werden.

4. Drei neuere Sicherungsverfahren

Alle drei gewinnen in Luft- und Raumfahrt sowie in der Robotik schnell Anteile.

4.1 Sicherungsmutter mit verformtem Gewinde

Aussehen: Die letzten zwei oder drei Gänge der Mutter werden von einem 60°-V auf einen gerundeten Grund (etwa 30° Bogen) geändert. Äußerlich ist sie von einer Sechskantmutter nicht zu unterscheiden, lässt sich jedoch schwergängiger einschrauben, weil das Schraubengewinde verklemmt statt zu gleiten.

Wirkung: In einer gewöhnlichen Mutter erlaubt das radiale Spiel am Gewindegrund der Schraube, unter Querlast zu schwingen und sich selbst herauszuarbeiten. Das verformte Gewinde verlagert den Kontakt vom Grund zur Spitze und beseitigt dieses Spiel konstruktiv. Die Junker-Resthaltung liegt über 90 %, die Mutter lässt sich 15 Mal und öfter wiederverwenden, und sie ist die am schnellsten wachsende Wahl für Flugzeug- und Roboterverbindungen.

4.2 SMA-Formgedächtnismutter

Aus einer Nickel-Titan-Legierung, über die Umwandlungstemperatur erwärmt, über die Schraube aufgeweitet und wieder schrumpfen gelassen. Die Vorspannkraft liegt 30 % über der einer konventionellen Mutter, doch die Kosten sind extrem und der Einsatz auf kritische Stellen in Flugtriebwerken begrenzt.

4.3 Schraubensicherung (chemische Sicherung)

Kein mechanisches Element, sondern chemische Sicherung. Loctite 243 (mittelfest) und 263 (hochfest) härten anaerob aus und verbinden das Gewindepaar zu einem Körper.

Cheatham und Dattilio fanden jeweils die höchste Vorspannkraft-Resthaltung aller Verfahren, ohne Schädigung der Auflagefläche. Grenzen: Die Oberfläche muss sauber sein (Öl kann die Verbundfestigkeit um 70 % senken), 243 lässt sich bei Raumtemperatur mit Handwerkzeug lösen, während 263 dauerhaft ist und 150 °C oder Bohren erfordert, und beide eignen sich nicht für Dauerbetrieb über 150 °C.

5. Drei Vergleichstabellen

Tabelle 1 — zehn Sicherungsverfahren nach Junker-Leistung geordnet

Quelle: Gong et al. 2021, Tabelle 2. Standard-Junker-Test (DIN 65151), 2000 Querzyklen.

Tabelle 2 — empfohlene Verfahren nach Anwendung

Tabelle 3 — Kosten gegen Leistung

Bezogen auf „Federscheibe + einfache Mutter“ = 1×. Multiplikatoren statt Preise, damit eigene Einkaufszahlen eingesetzt werden können.

6. Ein Sieben-Schritte-Auswahlschema

Jede Zeichnung durch diese sieben Schritte geführt, und die Wahl ergibt sich meist von selbst.

Schritt 1 — Liegt Querschwingung vor?

Die Verbindung von Hand bewegen. Ist eine Relativbewegung sichtbar (> 0,1 mm) oder handelt es sich um rotierende Maschinen, Schienenfahrzeuge, Straßenfahrzeuge oder Windenergieanlagen, Federscheiben und Unterlegscheiben sofort ausschließen und fortfahren.

Schritt 2 — Welche Temperatur liegt vor?

• ≤ 120 °C: Kunststoffmuttern sind zulässig.
• 120–250 °C: Metallmutter, Keilscheibe oder Hochtemperatur-Schraubensicherung.
• > 250 °C: Tellerfeder plus Hochtemperatur-Schraubensicherung oder eine Metallmutter aus Inconel.

Schritt 3 — Wird die Verbindung demontiert?

• Häufiger Zugang (Abdeckungen, Wartungsklappen): Keilscheibe, Metallmutter, Kontermutter.
• Nie (tragende Struktur): hochfeste Schraubensicherung.
• Gelegentlich (Jahreswartung): mittelfeste 243.

Schritt 4 — Welcher Werkstoff liegt an der Verbindung vor?

• Aluminium, Kunststoffe, dünnes Blech: Zahnscheibe oder Kunststoffmutter; Unterlegscheiben vermeiden, die sich durchbiegen.
• Gehärteter oder hochfester Stahl: Keilscheibe oder Schraubensicherung; Zahnungen verschleißen flach.
• Gusseisen: Unterlegscheibe plus Mutter mit Losdrehmoment, weil die porige Oberfläche eine Lastverteilung benötigt.

Schritt 5 — L/d prüfen

Unter 3 ist die Schraube zu steif, als dass ein mechanisches Element die Verbindung retten könnte. Eine Hülse zur Verlängerung der Klemmstrecke vorsehen, eine längere Schraube verwenden oder Schraubensicherung einsetzen.

Schritt 6 — Budget und Stückzahl

Tabelle 3 nutzen: bei 1–2× Schraubensicherung oder eine einfache Mutter; bei 4–12× Kunststoff- oder Metallmuttern mit Losdrehmoment; bei 30–100× Keilscheiben oder Muttern mit verformtem Gewinde; SMA-Muttern nur für extreme Triebwerksfälle.

Schritt 7 — Prototyp bauen und verifizieren

2000 Zyklen nach GB/T 10431 oder ISO 16130 fahren und erst über 60 % Vorspannkraft-Resthaltung freigeben. Keine Freigabe auf Basis der Katalogkurve eines Lieferanten — ein eigener Versuch ist die günstigste Versicherung, die sich abschließen lässt.

7. Sechs Fehler, die Konstrukteure am häufigsten machen

8. Häufige Fragen: zehn Fragen aus der Praxis

F1. Lassen sich Federscheiben überall weglassen?

Bei statischen, schwingungsfreien und nicht sicherheitsrelevanten Verbindungen (innere Verkleidungen, gering belastete Abdeckungen) sind sie weiterhin vertretbar. Überall dort, wo dynamische Last, Personengefahr oder teure Stillstandszeiten auftreten, sind sie durch Keilscheiben oder Schraubensicherung zu ersetzen.

F2. Ist eine dickere Keilscheibe besser?

Nein. Der Keilwinkel muss strikt größer als der Steigungswinkel sein, und das Paar muss gemeinsam verwendet werden – eine einzelne Scheibe bewirkt nichts. Ab M16 die seilmarkierte Ausführung wählen, weil sie leichter zu prüfen ist.

F3. Wie oft lässt sich eine Kunststoffmutter wiederverwenden?

Die Praxis in der Industrie liegt bei 5–10 Montagen. Jede weitet den Einsatz auf und mindert das Losdrehmoment. In der Luftfahrt werden sie oft nach drei Montagen verworfen.

F4. 222, 243 oder 263?

222 niedrigfest, unter M6, lösbar; 243 mittelfest, lösbar, universell unter M20; 263 hochfest, dauerhaft über M20. Immer die niedrigste Festigkeit wählen, die hält — die höhere lässt sich unter Umständen nicht mehr trennen.

F5. Was sichert in Aluminium?

Aluminiumgewinde sind schwach, und Schraubensicherung kann beim Lösen das Gewinde ausreißen. Eine Zahnscheibe verwenden, die sich in das Weichmetall einbettet, oder zuerst einen Drahtgewindeeinsatz und danach eine Kunststoffmutter setzen.

F6. Dürfen Edelstahlschrauben mit Federscheiben verwendet werden?

Nein. Edelstahl auf Edelstahl neigt zur Kaltverschweißung: Die Verbindung frisst beim Montieren und schert beim Lösen ab. Eine Metallmutter mit Losdrehmoment oder eine beschichtete Scheibe verwenden.

F7. Sind 70 % der Streckgrenze sicher?

Ja. ISO 898-1 gibt der Klasse 8.8 eine Streckgrenze von 640 MPa und empfiehlt 60–75 % davon als Vorspannkraft. Bruchgefahr beginnt oberhalb von etwa 90 %.

F8. Was funktioniert über 300 °C?

Schrauben aus Inconel 718, Tellerfedern und MoS₂-Schmierung. Schraubensicherung erweicht über 150 °C, Kunststoffeinsätze versagen bei 120 °C.

F9. Welche Sicherungsmuttern sind wiederverwendbar?

Metallmuttern 5–10 Mal, Kunststoff 5 Mal, verformtes Gewinde 15 Mal, Keilscheiben unbegrenzt, Schraubensicherung im Wesentlichen einmal.

F10. Woran erkennt man im Betrieb, dass sich eine Schraube gelockert hat?

Bei der Prüfung eine Kontrolllinie über Mutter und Verbindung ziehen; eine unterbrochene Linie bedeutet Bewegung. Kritische Verbindungen können Schraubenkraft-Indikatoren oder drehmomentempfindliche Farbe nutzen.

9. Normen und Referenzen

Chinesische Normen

• GB/T 3098.1 Mechanische Eigenschaften von Schrauben und Gewindebolzen
• GB/T 10431 Querschwingprüfverfahren für Verbindungselemente
• GB/T 94.3 Federscheiben — Ausführungen mit gewölbter und gewellter Form
• GB/T 6184 Sechskantmuttern mit Losdrehmoment, Form 1, Metallausführung
• GB/T 889.1 Sechskantmuttern mit Losdrehmoment, Form 1, mit nichtmetallischem Einsatz

Internationale Normen

• ISO 898-1 Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen
• ISO 16047 Verbindungselemente — Drehmoment-/Klemmkraftprüfung
• ISO 16130 Verbindungselemente — Leistungsprüfung für Typen mit Losdrehmoment
• DIN 65151 Luft- und Raumfahrt — Sicherungswirkung von Schraubverbindungen
• NASA-STD-5020 Anforderungen an Schraubverbindungssysteme

Wesentliche Literatur

• Gong H., Liu J. H., Feng H. H. Review on anti-loosening methods for threaded fasteners. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
• Junker G. H. New criteria for self-loosening of fasteners under vibration. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
• Dravid S., Tripathi K., Chouksey M. Experimental study of prevailing torque locking behavior of plain and spring washers. Int. J. Eng. Res., 2012.
• Pinelli M., Subramanian C., Tabor J. Experimental study of breakaway torque in service. Transport Research Record, 2012.