Schrauben lösen sich: Relaxation und rotatorisches Lockern unterscheiden

1. Die kurze Antwort: „die Schraube hat sich gelöst“ sind zwei verschiedene Versagensfälle

Wenn die Montagelinie meldet, dass „die Schraube sich gelöst hat“, folgt meist der Satz „dann legen wir eine Federscheibe bei“. Ohne dass geklärt ist, welche Art des Lockerns vorliegt, ist dieser Schritt aber recht wahrscheinlich verlorenes Geld.

Schraubenverbindungen lockern sich über zwei verschiedene Mechanismen:

Beide Versagensarten enden mit „es klemmt nicht mehr“, aber im einen Fall verformt sich der Werkstoff, im anderen dreht sich das Teil. Ein elastisches Element bei einem rotatorischen Lockerungsproblem zu ergänzen oder Schraubensicherung bei einem Relaxationsproblem einzusetzen, sind Lehrbuchbeispiele für das falsche Mittel.

Die beiden Mechanismen werden im Folgenden zerlegt, am Ende steht eine Vorgehensweise zur Fehlersuche in der Werkhalle.

2. Warum sich unter statischer Last nichts löst: Selbsthemmung und das 0,8T-Kriterium

Ein gewöhnliches Gewinde ist unter statischer Last von Natur aus stabil, aus zwei Gründen:

• Selbsthemmung des Gewindepaars: Der Steigungswinkel ψ ist kleiner als der äquivalente Reibwinkel ρ′ des Gewindepaars, die schiefe Ebene lässt sich daher nicht zurückdrücken.
• Reibung an der Auflagefläche: Nach dem Anziehen wirkt weiterhin Reibung zwischen Mutter (oder Schraubenkopf) und verspanntem Teil oder Scheibe.

Daraus folgt ein praktisches statisches Kriterium: Unter der Vorspannkraft Q_p beträgt das Widerstandsmoment, das die Mutter an der Drehung hindert, näherungsweise

T′ ≈ 0,8 T

wobei T das Anziehdrehmoment ist. Die Bedeutung ist einfach: Bei einer mit dem Drehmoment T angezogenen Verbindung löst sich nichts, solange das von außen an Mutter oder Schraubenkopf angreifende Lösedrehmoment 0,8T nicht überschreitet.

Dieses Kriterium hat aber eine Voraussetzung — der Reibwert ist stabil. Unter wechselnder Last, Schwingung und Stoß bricht der Reibwert des Gewindepaars zusammen, der Reibwiderstand an den Gewindeflanken und an der Auflagefläche verschwindet momentan, und die Formel wird sofort ungültig: Das Gewindepaar erfüllt die Selbsthemmung nicht mehr, mikroskopisches Gleiten setzt ein, und die Mutter beginnt sich zu drehen. Wiederholt sich das oft genug, ist die Verbindung locker.

Ein Satz bleibt im Kopf: Selbsthemmung gilt nur unter statischer Last. Sobald Schwingungen ins Spiel kommen, regiert die Lehrbuchbedingung nicht mehr.

3. Der eigentliche Verursacher ist Quergleiten, nicht Axialschwingung

„Die Schraube hat sich durchgerüttelt“ ist nur halb richtig. Entscheidend ist die Richtung der Schwingung.

Das durch Quergleiten angetriebene Lockern läuft in vier Schritten ab, keiner davon schwer zu verfolgen:

• Schritt eins: Die Reibung wird „umgeleitet“. Unter einer Querkraft wird die gesamte Reibung an den Gewindeflanken und an der Auflagefläche der Mutter (des Kopfes) in den Widerstand gegen das Gleiten umgeleitet.
• Schritt zwei: In diesem Moment gibt es praktisch keine Reibung. Die Reibreserve ist erschöpft, das Gewindepaar ist faktisch reibungsfrei.
• Schritt drei: Die Vorspannkraft selbst drückt die Mutter zurück. Die gedehnte Schraube speichert Energie, und da nichts mehr widersteht, treibt sie die Mutter die Gewindehelix zurück — der Steigungswinkel ist klein, die treibende Kraft aber groß.
• Schritt vier: Kumulation. Die Mutter dreht sich um einen winzigen Winkel, die Klemmkraft sinkt etwas, und der nächste Zyklus wiederholt die ganze Folge.

Ein einzelnes Gleitereignis erzeugt typischerweise weniger als 0,01° Drehung — mit bloßem Auge völlig unsichtbar. Ein paar hundert Wiederholungen, und die Klemmkraft ist null.

Dieser Mechanismus wurde bereits 1969 systematisch dargelegt und später als Querschwingungs-Prüfverfahren genormt: DIN 65151 (internationales Gegenstück ISO 16130; im Schienenfahrzeugbau gibt es zusätzlich DIN 25201-4). Er gilt weiterhin als die schärfste Schwingungsbeanspruchung, die einer Schraubenverbindung zugemutet werden kann.

4. Warum Lockern sich selbst verstärkt

Ein Merkmal ist hier entscheidend: Das Lockern schreitet nicht mit konstanter Rate fort — je lockerer es wird, desto schneller lockert es sich.

Die Kette verläuft so. Die Schwelle für Teilgleiten hängt von der verfügbaren Reibfähigkeit μ·F_i ab (μ ist der Reibwert, F_i die aktuelle Vorspannkraft). Überschreitet die Querkraft diese Schwelle, wechselt die Kontaktzone von Haft- zu Gleitreibung, die Schraube dreht sich ein kleines Stück, und die Vorspannkraft F_i sinkt etwas. Sobald F_i aber sinkt, ist die Schwelle μ·F_i für den nächsten Zyklus niedriger und das Gleiten leichter — jeder Zyklus bereitet den nächsten vor.

Das Ergebnis ist die Form der Vorspannkraft-Abklingkurve: erst flach, dann steil. In den ersten paar Dutzend Zyklen scheint sich fast nichts zu ändern, dann fällt sie stufenweise, und schließlich bricht sie in sehr kurzer Zeit zusammen.

Daraus folgen zwei sehr praktische Erkenntnisse:

• „Es war sechs Monate in Ordnung“ ist kein Beweis, dass keine Sicherung nötig ist. Eine Verbindung, die 500 Zyklen übersteht, versagt oft plötzlich in den nächsten 50.
• „Gut geschmiert heißt weniger Lockerung“ ist falsch. Schmierung senkt den Reibwert und erlaubt bei gleichem Drehmoment eine höhere Vorspannkraft; je niedriger der Reibwert, desto niedriger aber die Schwelle μ·F_i gegen Gleiten, sodass der Widerstand gegen Lockern schlechter wird. Schmierung hilft beim Anziehen und schadet beim Sichern. Als grober Vergleich üblicher Zustände: Ein phosphatiertes und geöltes Stahlgewindepaar hat einen Gesamtreibwert von etwa 0,10–0,12; trockener, unbehandelter, ungeschmierter Stahl etwa 0,16–0,20.

5. Sieben Faktoren, die das Lockern beschleunigen

6. Sicherungsmethoden fallen in drei Familien

Dem Prinzip nach gehört jede Methode zu einer von drei Klassen:

Zwei Konstruktionsschritte verdienen ebenfalls Vorrang: ein Feingewinde verwenden (kleinerer Steigungswinkel, bessere Selbsthemmung), und zwei Sicherungsmethoden unterschiedlichen Prinzips kombinieren, sodass sie sich ergänzen.

7. Vergleichstabelle gängiger Sicherungselemente

Eine Regel der Disziplin: Alle Beurteilungen der Sicherungswirkung sind relativ und vergleichend. Ergebnisse hängen stark von Größe, Werkstoff, Beschichtung sowie Fertigungs- und Montagequalität ab, und die Sicherungsfähigkeit kann in unterschiedlichen Umgebungen oder Betriebsbedingungen abweichen. Jedes Prüfergebnis ist nur eine Konstruktionsreferenz; vor dem Serieneinsatz ist es auf einem Schwingungsprüfstand unter der tatsächlichen Einsatzbedingung zu verifizieren.

8. Zuerst entscheiden, ob überhaupt eine Sicherung nötig ist

Sicherungselemente sind keine Serienausstattung. Die Beurteilung richtet sich nach dem Verhältnis von Klemmlänge L zu Nenndurchmesser d sowie nach der Lastrichtung:

Warum sind kurze Verbindungen am gefährlichsten? Dazu ein Begriff — der kritische Gleitweg: die Relativverschiebung der Verbindungsflächen, die nötig ist, damit Schraubenkopf oder Mutter von der Auflagefläche abheben und in Drehung versetzt werden. Bei kurzer Klemmlänge kann dieser Wert unter 0,1 mm liegen; unter gleicher Last braucht eine Schraube mit großer Klemmlänge möglicherweise mehr als 0,5 mm. Der Grund wurde in Abschnitt 5 genannt: Eine lange Schraube biegt sich mit der Verbindung, statt an der Trennfuge zu gleiten.

Was das Ergebnis wirklich bestimmt, ist also nicht nur das Element unter der Mutter: Lochspiel, Klemmlängenverhältnis, Steifigkeit der Verbindung und Vorspannkraft zählen mindestens ebenso viel wie das Sicherungselement selbst.

9. Wie Sicherungswirkung verglichen wird: einen Querschwingungs-Prüfbericht lesen

Da Querschwingung die einzige scharfe Bedingung ist, ist sie auch der einzige Weg, Sicherungslösungen zu vergleichen. Das Standardverfahren hat zwei Stufen:

• Referenzversuch. Zuerst eine Verbindung ganz ohne Sicherungselement montieren und die Querverschiebung von null erhöhen, bis sie sich innerhalb von 300 ± 100 Zyklen vollständig selbst löst. Diese Verschiebung ist die „wirksame Verschiebung“ für den Versuch und kalibriert zugleich die Schärfe der Prüfbedingungen.
• Nachweisversuch. Dann die Verbindung mit Sicherungselement einsetzen, bei genau derselben wirksamen Verschiebung und Frequenz prüfen und die Abklingkurve der Vorspannkraft über der Zyklenzahl aufzeichnen.

Die übliche Kennzahl ist der Prozentsatz der nach 2000 Zyklen verbleibenden Vorspannkraft, zusammen mit einer Kurvenform, die erkennen lässt, dass ein Versagen auch bei fortgesetztem Versuch „nicht zu erwarten“ ist.

Ein brauchbarer Bericht muss mindestens enthalten: Sicherungsart und Einbaulage, Prüffrequenz, Verhältnis Klemmlänge zu Durchmesser, Einspannart, wirksame Querverschiebung, verwendeter Schmierungszustand und den zutreffenden Durchmesserbereich.

Die wichtigste Warnung: DIN 65151 / ISO 16130 definieren ein Prüfverfahren; die Norm enthält keine Bestehensgrenze. Ein Lieferant, der auf eine „Zertifizierung nach irgendeiner Norm“ verweist, trifft damit keine sinnvolle Aussage. Erforderlich sind vier Dinge — Abklingkurve der Vorspannkraft, Zyklenzahl, Querhub und Reibungs- bzw. Schmierungszustand. Erst mit diesen vier ist ein Vergleich möglich.

10. Der andere Weg: was bei Vorspannkraftverlust (Relaxation) zu tun ist

Neben dem rotatorischen Lockern gibt es Ausfälle ganz ohne Drehung — die Klemmkraft wird schlicht verbraucht. Drei Ursachen:

• Setzverlust. Wegen Rauheit, Welligkeit und Formfehler werden die Gewindeflanken, die verschiedenen Auflageflächen und die Trennfugen zwischen den verspannten Teilen beim Anziehen örtlich plastisch verformt; unter wiederholter äußerer Last im Betrieb entwickelt sich ein Teil dieser Verformung weiter, und die Vorspannkraft fällt mit. Deshalb sind „eine größere Scheibe senkt die Flächenpressung“ und „nach einer Einlaufphase nachziehen“ zwei klassische Gegenmaßnahmen.
• Spannungsrelaxation bei hoher Temperatur. Mit steigender Temperatur fallen Streckgrenze, Dehngrenze und Zugfestigkeit; dauerhafter Betrieb bei erhöhter Temperatur erzeugt Spannungsrelaxation, und Spannungsrelaxation bringt zwangsläufig Klemmkraftverlust mit sich. Als Faustregel gilt: Überschreitet die Betriebstemperatur des Verbindungselements 150°C, ist sein Verhalten sorgfältig zu prüfen.
• Unterschiede in der Werkstoffempfindlichkeit. Das wird oft übersehen: Kaltverfestigte Verbindungselemente (Festigkeitsklassen 4.8, 5.8, 6.8) sind empfindlicher gegen Spannungsrelaxation als vergütete oder spannungsarm geglühte. Eine Schraube der Klasse 4.8 an einer dauerhaft heißen Verbindung birgt ein Risiko, das über „geringere Festigkeit“ hinausgeht.

Zwei weitere Bedingungen verdienen Aufmerksamkeit: Werden Verbindungselemente aus bleihaltigem Stahl bei hoher Temperatur eingesetzt und liegt die Betriebstemperatur im Schmelzbereich von Blei, ist die Flüssigmetallversprödung (LME) zu bedenken; für die Werkstoffauswahl hochtemperaturfester Verbindungselemente sind Normen wie EN 10269 und ASTM F2281 nützliche Referenzen.

Die Gegenmaßnahmen bei Relaxation:

• Auflagefläche vergrößern: auf Flanschschrauben oder -muttern wechseln oder eine hochfeste große Scheibe ergänzen, um Flächenpressung und Eindrückung unmittelbar zu senken.
• Elastizität der Verbindung erhöhen: lange Schrauben oder Schrauben mit tailliertem Schaft (elastische Länge k₀ > 4d) verwenden, damit die Verbindung bei schwankender Betriebslast nicht so leicht Vorspannkraft verliert. Deshalb werden „Elastizität erhalten“ und „Querbewegung widerstehen“ in der Praxis oft gemeinsam angewendet.
• Weiche Zwischenschichten entfernen: dünne Lackfilme, Kunststoffzwischenlagen und weiche Scheiben bringen laufenden Kriechverlust — es sei denn, die Schicht ist tatsächlich als elastisches Element ausgelegt (etwa eine Tellerfeder, die für einen bestimmten Vorspannpunkt konstruiert ist).
• Wo nötig nachziehen: nach einer gewissen Betriebszeit einmal nachziehen, um den anfänglichen Setzverlust zu beseitigen.

11. Vorgehen zur Fehlersuche in der Werkhalle

Bei einem Fall „es hat sich gelöst“ die folgende Reihenfolge abarbeiten, statt sofort zu einem anderen Sicherungsteil zu greifen:

• Schritt eins, Spuren ansehen. Gibt es Spuren von Relativdrehung zwischen Mutter (oder Schraubenkopf) und Auflagefläche? Hat sich das Gewindepaar sichtbar herausgedreht?
  Ja → rotatorisches Lockern. Nein, nur ein ringförmiger Eindruck an der Auflagefläche → wahrscheinlich Relaxation.
• Schritt zwei, bei rotatorischem Lockern. Zuerst klären, ob die Last eine quer wechselnde Komponente enthält → prüfen, ob L/d im Gefahrenbereich liegt → verifizieren, dass die Vorspannkraft ihren Auslegungswert tatsächlich erreicht hat → dann das Sicherungselement wählen (vorzugsweise eines, dessen Prinzip zu dem bereits vorhandenen komplementär ist) → mit Querschwingungsversuch nachweisen.
• Schritt drei, bei Relaxation. Zuerst Betriebstemperatur und Zustand der Kontaktflächen prüfen → Auflagefläche vergrößern, Schraubennachgiebigkeit erhöhen, weiche Zwischenschichten entfernen → bewerten, ob „Nachziehen“ in die Wartungsanweisung gehört.
• Schritt vier, in beiden Fällen dasselbe prüfen. Ist die Vorspannkraft wirklich vorhanden? Bei drehmomentgesteuertem Anziehen kann die Streuung ±25 % erreichen, und beträgt die tatsächliche Vorspannkraft nur die Hälfte des Auslegungswerts, sind „die Sicherung war unzureichend“ und „es wurde nie richtig angezogen“ zwei sehr verschiedene Geschichten. Details unter Wie viel Anziehdrehmoment: drei Konventionen und eine Tabelle.

Ein Satz zum Schluss: Vorspannkraft ist die erste Verteidigungslinie, der Widerstand gegen Quergleiten die zweite, und die mechanische formschlüssige Sicherung die letzte. Wer die ersten zwei überspringt und direkt zur dritten greift, verschiebt das Versagen meist nur, statt es zu beseitigen.

Quellen

• Fastener Joint Design Handbook, Kapitel 3 „Geschraubte Verbindungen“: Mechanismen des Lockerns, Klassifizierung der Sicherungsmethoden, Rechenbeispiele gängiger Sicherungsmethoden für Schraubenverbindungen und die ungleichmäßige axiale Lastverteilung über die tragenden Gewindegänge.
• DIN 65151, Sicherungseigenschaften von Verbindungselementen — Dynamische Prüfung unter Querbelastung; ISO 16130 (internationales Gegenstück); DIN 25201-4. Einschließlich des zweistufigen Verfahrens aus Referenz- und Nachweisversuch und der Kennzahl Restvorspannkraft nach 2000 Zyklen.
• Mechanismus des Selbstlockerns unter Querschwingung: Theorie des lokalen Gleitens und die Erkenntnis, dass der Reibwiderstand momentan verschwindet, sobald die Gewindeflächen in volles Gleiten übergehen (1969 erstmals systematisch in SAE Technical Paper 690055 dargelegt).
• VDI 2230: Reibklassen, das Kriterium Klemmlänge zu Nenndurchmesser und Prüfung der Auflageflächenpressung.
• Technisches Handbuch des Unternehmens: Spannungsrelaxation und Hochtemperatureignung, die Empfindlichkeit kaltverfestigter Klassen gegen Spannungsrelaxation, Risiko der Flüssigmetallversprödung bei bleihaltigem Stahl; EN 10269, ASTM F2281.
• Streuung der Vorspannkraft und Fehler der Drehmomentsteuerung: siehe den Beitrag „Wie viel Anziehdrehmoment“ auf dieser Seite.