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Montage

Montageverfahren

Drehmomentgesteuertes Anziehen

Drehmomentgesteuertes Anziehen kann mit anzeigenden oder Signal gebenden Drehmomentschlüsseln oder motorischen Drehschraubern erfolgen. Neben der Steuergröße Drehmoment wird oftmals auch der Drehwinkel ab einem Schwellmoment mitgemessen, um den Anziehvorgang zu überwachen. Das drehmomentgesteuerte Anziehen ist auf Grund der einfachen Handhabung und der kostengünstigen Anziehgeräte am weitesten verbreitet. Alle Schlagschrauber und Drehschrauber sollten nur in Schraubversuchen am Originalteil eingestellt werden. Dies kann entweder über das Losreißmoment, das Weiterdrehmoment oder die Verlängerungsmessung an der Schraube erfolgen. Das Losreißmoment ist dabei das Moment, welches benötigt wird, um die Schraube nach abgeschlossenem Verschraubungsvorgang weiterzudrehen. Es unterscheidet sich von dem Soll-Anziehdrehmoment für Drehmomentanziehen um den Nachziehfaktor, der – je nach Art der Schraube, der Reibungs- und der Nachgiebigkeitsverhältnisse – zwischen 0,85 und 1,30 schwanken kann. Das Weiterdrehmoment lässt sich nur mit speziellen Anziehwerkzeugen erfassen, die Drehwinkel und Drehmoment beim Weiterdrehen messen und das nach Überwindung der Haftreibung (durch das höhere Losreißmoment) zum Weiterdrehen notwendige Moment im Montagezustand beim Weiterdrehwinkel 0° errechnen. Mittels Ultraschall oder auf mechanischem Wege kann die Verlängerung der Schraube gemessen und die erreichte Vorspannkraft über die Schraubennachgiebigkeit bestimmt werden. Drehschlagschrauber übertragen die Energie durch Impuls. Die Einstellung von Drehschlagschraubern muss wie bei Drehschraubern am Original-Bauteil vorgenommen werden. Die Anziehfaktoren im elastischen Bereich sind so hoch, dass dieses Anziehverfahren für hochbeanspruchte Schraubenverbindungen nicht empfohlen werden kann. Bei jedem Impuls sind das kurzzeitig wirkende Spitzenmoment und der Weiterdrehwinkel messbar. Neuere Impulsschrauber mit Impulsüberwachung erlauben somit streckgrenzgesteuertes Anziehen.

Drehwinkelgesteuertes Anziehen

Das drehwinkelgesteuerte Anziehen ist ein indirektes Verfahren der Längenmessung, da die Längenänderung der Schraube über die Steigung des Gewindes (theoretisch) direkt proportional zu dem zurückgelegten Drehwinkel ist. Dabei werden sowohl die Druckverformungen innerhalb der verspannten Teile als auch die in den Trennflächen bis zur vollflächigen Anlage eintretenden elastischen und plastischen Verformungen mitgemessen. Da die Verformungen der Trennflächen meist nicht vorausbestimmbar und unregelmäßig sind, wird bei der praktischen Ausführung dieses Prinzips – wie beim streckgrenzgesteuerten Anziehen – zunächst mit einem Fügemoment so weit vorgespannt, bis vollflächiger Kontakt aller Trennflächen eintritt. Der Drehwinkel wird dann erst nach Überschreiten des Schwellmoments gezählt. Neben der Steuergröße Drehwinkel wird oftmals auch das Drehmoment mitgemessen, um den Anziehvorgang zu überwachen. Die Praxis hat gezeigt, dass dieses Verfahren erst dann seine größte Genauigkeit erreicht, wenn die Schraube in den überelastischen Bereich angezogen wird, weil sich dann Winkelfehler wegen des annähernd horizontalen Verlaufes der Verformungskennlinie im überelastischen Bereich kaum auswirken. Hier ist die Reibungszahl in der Auflage ohne Einfluss auf die erreichte Montagevorspannkraft. Im elastischen Bereich hingegen fallen Winkelfehler in den steilen Kurvenverlauf des elastischen Teils der Verformungskurve. Auch in diesem Fall ergibt sich jedoch ein gegenüber dem drehmomentgesteuerten Anziehen verminderter Einfluss der Reibung auf die Vorspannkraftstreuung. Der Drehwinkel sollte möglichst in Versuchen am Originalbauteil ermittelt werden, um die Nachgiebigkeit der Konstruktion richtig zu erfassen. Bei geeignetem Drehwinkel kann ein Bruch der Schraube oder eine Überbeanspruchung durch Überschreiten der Zugfestigkeit sicher ausgeschlossen werden. Wegen des Überschreitens der Streckgrenze des Schraubenwerkstoffs ist die Wiederverwendbarkeit der Schrauben jedoch eingeschränkt. Das Verfahren kann nur bei ausreichendem Verformungsvermögen der Schrauben (freie belastete Gewinde- oder Dehnschaftlänge) eingesetzt werden. Das drehwinkelgesteuerte Anziehen ist in der Automobilindustrie Stand der Technik

Streckgrenzgesteuertes Anziehen

Beim streckgrenzgesteuerten Anziehverfahren dient der Fließbeginn der Schraube als Steuergröße für die Montagevorspannkraft. Unabhängig von der Reibung in der Auflage wird die Schraube so lange angezogen, bis die Streckgrenze bzw. Dehngrenze der Schraube infolge der Gesamtbeanspruchung aus Zug- und Torsionsspannung etwa erreicht ist. Wie beim drehwinkelgesteuerten Anziehen ist die Verbindung zunächst mit einem Fügemoment vorzuspannen. Beim streckgrenzgesteuerten Anziehen wird der Fließbeginn der Schraube dadurch erkannt, dass Drehmoment und Drehwinkel beim Anziehen gemessen und deren Differenzquotient dMA/dJ, gleichbedeutend mit der Steigung einer Tangente in der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve, gebildet wird. Sobald plastische Verformungen auftreten, fällt der Differenzquotient ab. Dieser Abfall auf einen bestimmten Bruchteil des zuvor ermittelten Höchstwertes im linearen Teil der Drehmoment/ Drehwinkel-Kurve löst das Abschaltsignal aus. Bei einer Erhöhung der Montagevorspannkraft infolge geringerer Gewindereibung wird der Torsionsanteil entsprechend reduziert. Eine gesonderte Auslegung der Schraube für die größtmögliche Montagevorspannkraft FMmax ist also hier nicht nötig. Der stets vorhandene Anziehfaktor aA > 1 bleibt somit bei der Auslegung der Schraube unberücksichtigt. Die plastische Verlängerung, die die Schraube dabei erfährt, ist sehr gering, so dass die Wiederverwendbarkeit von streckgrenzgesteuert angezogenen Schrauben kaum beeinträchtigt wird. Die Schraubfallhärte, das Schwellmoment und das Abschaltkriterium sollten der betrachteten Verbindung angepasst werden.

Reibwerte

Die Reibungswerte µGes, µGewinde, µKontaktfläche weisen Streuungen auf, da sie von vielen Faktoren abhängig sind, wie z.B. der Werkstoffpaarung, der Oberflächengüte (Rauhtiefe Rz, Ra), der Oberflächenbehandlung (blank, geschwärzt, galvanisch behandelt) und der Art der Schmierung (ohne/mit Öl, Molybdändisulfid, Molykote®-Paste, Gleitbeschichtungen, etc.).

Die folgende Tabelle enthält Reibungszahlen für Gewinde und Kontakt- bzw. Auflagefläche. Für eine sichere Montage ist es wichtig, die Reibungsbedingungen genau zu definieren und deren Streuung so gering wie möglich zu halten. Bei großer Streuung wird die erzielte Vorspannkraft sehr stark schwanken. Die übliche Toleranz des Anziehdrehmoments hat dagegen nur einen kleinen Einfluss auf das Ergebnis. Eine exakte Ermittlung der Reibungswerte ist in der ISO 16047 festgelegt.


Reibungszahlklasse

µG / µK

Typische Beispiele
Werkstoff / Oberfläche Schmierstoff

A

0,04 - 0,10
metallisch blank
vergütungs-schwarz
phosphatiert
galvanische Überzüge
Zinklamellenüberzüge
Festschmierstoffe wie:
MoS2, Graphit, PTFE, PA, PE, PI
in Gleitlacken, als Top-Coats
oder in Pasten
Wachsschmelzen;
Wachsdipersionen




B




0,08 - 0,16
metallisch blank
vergütungs-schwarz
phosphatiert
galvanische Überzüge
Zinklamellenüberzüge
Al- und Mg-Legierungen
feuerverzinkt

organische Beschichtungen

austenitischer Stahl
Festschmierstoffe wie
MoS2, Graphit, PTFE, PA, PE, PI
in Gleitlacken, als Top-Coats
oder in Pasten
Wachsschmelzen;
Wachsdipersionen, Fette, Öle
MoS2; Graphit
Wachsdispersionen
mit integriertem Festschmierstoff
oder Wachsdispersion
Festschmierstoffe oder Wachse;
Pasten

C

0,14 - 0,24
austenitischer Stahl
metallisch blank
phosphatiert
galvanische Überzüge
Zinklamellenüberzüge
Klebstoff
Wachsdispersionen, Pasten
Anlieferzustand (leicht geölt)
ohne

D

0,20 - 0,35
austenitischer Stahl
galvanische Überzüge
feuerverzinkt
Öl
ohne

E

≥ 0,30
galvanische Überzüge
austenitischer Stahl
Al- & Mg-Legierungen

ohne

Quellen:
VDI 2230 Blatt 1 - Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Zylindrische Einschraubenverbindungen
DIN EN ISO 16047 - Verbindungselemente - Drehmoment/Vorspannkraft-Versuch

Anziehdrehmomente

In der nachfolgenden Tabelle sind Anziehdrehmomente für Schraubverbindungen mit Dehn- und Vollschaft aufgeführt. Die berechneten Momente MA sind jedoch nicht exakt in Vorspannkraft umzusetzen, da insbesondere die tatsächliche Reibung von den angenommenen Werten abweichen kann. Um solche Streuungen möglichst einzuengen, gehen die Berechnungen von den häufigsten Reibungsverhältnissen aus:

a) geölte oder gefettete Kontaktflächen (Reibungskoeffizient µ=0,12)

b) mit MoS2 oder ähnlichen Stoffen behaftete Kontaktflächen (Reibungskoeffizient µ=0,10)

(Kontaktflächen = Gewindeflanken und Kopf- bzw. Mutterauflage)

Bei wiederholtem Anziehen können vorwiegend im Falle a) die Reibungswerte bei harten Werkstoffen durch Glätten der Oberflächen absinken, bei weichen Werkstoffen durch Aufrauen oder Schmieren ansteigen. Einen geringeren Anstieg der Reibung bewirken molybdän- oder graphithaltige Schmiermittel. Trotz gewisser Streubreite der erreichten Vorspannung führt das kontrollierte Anziehen mit Drehmoment-Schlüssel näher an die theoretischen Werte heran als bei Verwendung herkömmlicher Schlüssel.

Im Bereich mittlerer und großer Schraubenabmessungen können Probleme der Reibung an den Kontaktstellen einer Schraubenverbindung - Gewindeflanken und Kopf- oder Mutterauflage - und die davon ausgehende Torsionsspannung in der Schraube über eine rein axiale Vorspannung durch den Einsatz hydraulischer Spannvorrichtungen ausgeschaltet werden. Somit herrscht in der Schraube ein einachsiger Spannungszustand, der infolge besserer Ausnutzung der Werkstoffstreckgrenze höhere Klemmkräfte erzeugt.

Temperaturbeanspruchte Schrauben werden üblicherweise mit 70% der Mindeststreckgrenze der Schraubenwerkstoffes angezogen.

Hinweis

Zur exakten Bestimmung der Vorspannkraft bzw. des Anziehmomentes ist die Kenntnis über den vorhandenen Reibungskoeffizienten Voraussetzung. Die Angaben enthalten lediglich Richtwerte. Eine ausführliche Schraubenberechnung kann durch diese Werte nicht ersetzt werden. Das gilt insbesondere für Teile, die sicherheitsrelevant sind, behördlichen Vorschriften unterliegen oder Dichtungsaufgaben erfüllen. Es kann keine Gewähr für diese Werte abgegeben werden.

Übersicht Vorspannkräfte / Anziehdrehmomente

Gewinde
Schraube mit Vollschaft Schraube mit Dehnschaft
 
Vorspannkraft
Anziehdrehmoment
Vorspannkraft
Anziehdrehmoment
µ = 0,1 µ = 0,12 µ = 0,1 µ = 0,12
FM [N] MA [Nm] MA [Nm] FM [N] MA [Nm] MA [Nm]
M10 40.600 58,7 69 26.000 38 44,5
M12 58.800 100,8 118 39.200 70 80,5
M14 80.500 160 187 54.600 108 125
M16 109.900 242 283 79.100 178 208
M18 134.400 336 393 92.400 241 280
M20 171.500 467 548 123.200 342 399
M22 212.100 623 733 158.200 465 545
M24 247.100 806 947 177.800 580 675
M27 321.300 1.175 1.385 230.300 842 985
M30 392.700 1.606 1.891 290.500 1.190 1.395
M33 486.000 2.155 2.540 357.000 1.690 1.860
M36 571.900 2.790 3.273 415.100 2.020 2.365
M39 683.200 3.575 4.220 511.000 2.670 3.150
M42 784.000 4.400 5.230 580.300 3.285 3.850
M45 910.000 5.500 6.480 692.300 4.170 4.900
M48 1.029.000 6.680 7.880 773.000 5.015 5.900
M52 1.232.000 8.560 10.100 924.000 6.420 7.550
M56 1.421.000 10.680 12.600 1.063.000 7.980 9.400

Werte gelten für einen Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von 1.000 MPa. Werte für andere Werkstoffe können mittels der Dreisatzrechnung ermittelt werden.