Schraubensicherung – keine Schraube mehr locker

Heute widmen wir uns ganz der Schraubensicherung. Sicherlich nicht das Lieblingsthema jedes Handwerkers, aber dennoch ein Wichtiges. Eine Verbindung mit Schrauben sollte so hergestellt werden, dass die aufgebrachte Vorspannkraft auch unter den Betriebsbedingungen in einem kalkulierbarem Maß erhalten bleibt.

Wann braucht man eine Schraubensicherung?

Nicht immer ist eine Schraubensicherung notwendig. Wenn die Sicherheit der Konstruktion ausreichend ist, dann kann man auf eine zusätzliche Schraubensicherung verzichten. Doch wenn wir in die Praxis beispielsweise bei Industrieanlagen oder im Maschinenbau gucken, dann können an den Bauteilen Bewegungen entstehen, die auf die Schrauben bzw. die Verbindung einwirken. Bei einer metrischen Schraube löst sich durch die Bewegung die Mutter von der Schraube und die Verbindung hat keinen Bestand mehr. Nun gibt es unterschiedliche Wege die Verbindung zu sichern.

Grundlagen Schraubenmontage

Bevor wir uns die Verbindungsmöglichkeiten mit einer Schraubensicherung genauer ansehen, gehen wir einen Schritt zurück und sehen und nochmal die Grundlagen der Schraubenmontage an.

Was passiert bei der Montage?

Die Schraube wird eingedreht und drückt ein Bauteil herunter. Dadurch entsteht eine Verbindung und die Schraube dehnt sich, je nach Material entsprechend.

• Schraube verlängert sich
• Platte drückt sich zusammen
• die Vorspannkraft ist aufgebracht

Mechanismen des selbsttätigen Lösens

In welchen Fällen sich eine Schraube lockern oder lösen kann wird in der DIN 25210-4 beschrieben. Hier gibt es zwei Mechanismen:

• statischer Belastungsfall (Beispiel Kleiderschrank)
• dynamischer Belastungsfall (Beispiel Bahn)

Statischer Belastungsfall

Im statischen Belastungsfall entsteht das Setzen und Kriechen durch Montagekräfte und erste Betriebslasten. Außerdem durch Rauhigkeitsspitzen in der Trennfuge, Lacke in der Trennfuge und weiche Bauteile. Die Folge ist eine Lockerung der Schraubverbindung. Beim Kriechen wird ein zeitabhängiges Überschreiten der Fließgrenzen erzeugt, beim Setzen ein Einebnen von Oberflächenrauheiten. In beiden Fällen ist das Ergebnis eine Lockerung, also ein Vorspannkraftabfall in der Schraubverbindung.

Maßnahmen zur Sicherung der Verbindung

Zum Schutz gegen den statischen Belastungsfall kann man diverse Sicherheitsvorkehrungen treffen oder zusätzliche Sicherungselemente verbauen.

• Steigerung der Dehnfähigkeit der Schrauben durch den Einsatz von Dehnschrauben oder Schrauben mit einem Vollgewinde (Je länger das Gewinde einer Schraube ist, desto mehr kann sie sich dehnen.)
• Vergrößerung der Klemmlänge durch den Einsatz von Dehnhülsen oder langen Schrauben
• Erhöhung der Vorspannkraft durch höhere Festigkeit
• Verringerung der Anzahl von Trennfugen
• Reduzierung der Flächenpressung
• Mindern von Rautiefen
• dünnere Beschichtungen wählen
• Zusätzlich kann man – wie schon beschrieben – zur Sicherung spezielle Unterlegscheiben verbauen. Spannscheiben DIN 6796 sind beispielsweise federnd und wenn die Schraube sich lockert, dann gleicht die Federung den Zwischenraum, der nach dem Lösen entsteht, aus.

Vorsicht ist geboten bei Sicherungselementen aus austenitischen nichtrostendem Stahl. Die Edelstahlsorten A1 bis A5 haben keine federharten Eigenschaften. Das bedeutet, sie haben keine Federwirkung und stellen damit keine wirkungsvolle Schraubensicherung her.

Als Alternativen kann man folgende Materialien wählen:

• Edelstahl 1.4310 oder 1.4568 (eingeschränkte Federwirkung)
• Ni-Basis-Legierungen (beispielsweise Nimonic, Monel, Inconel, etc.)

Dynamischer Belastungsfall

Im dynamischen Belastungsfall entsteht durch Vibrationen eine Verschiebung der Bauteile. Das Losdrehmoment erhöht sich bis zum Gleichgewicht des Selbsthemmungsmomentes. Die Schraube oder Mutter fängt an sich zu drehen.

Testen der Wirkung einer Schraubensicherung

Übrigens kann man bei Sicherungsscheiben im dynamischen Belastungfall die Wirkung testen. Dazu gibt es den Junkertest (DIN 65151). Um diesen Test jetzt nicht zu sehr ausufern zu lassen, erklären wir kurz, was hierbei passiert. An einer Apparatur wird eine Bohrmaschine angeschlossen, welche Vibration erzeugt. Am gegenüberliegenden Punkt wird eine Schraube mit einer Mutter oder unterschiedlichen Unterschlegscheiben zur Sicherung verschraubt. Die Apparatur misst, wie lange es dauert, bis die Vibration die Verbindung löst und wie stark die Vorspannkraft hierbei ist.

Konstruktive Maßnahmen

Man kann eine gleitfeste Verbindung herstellen durch die Erhöhung der Vorspannkraft, in diesem Sinne also eine höhere Festigkeitsklasse oder einen größeren Schraubendurchmesser wählen. Außerdem kann man die Erhöhung der Reibung in den Auflageflächen und dem Gewinde nutzen. Zusätzlich könnte man die Querverschiebung durch Stifte und Passchrauben begrenzen.

Zusätzliche Sicherungselemente sind hierbei wieder die Verliersicherung oder die Losdrehsicherung.

Schraubensicherung-Arten

Nicht immer ist es schlimm, dass eine Schraube sich löst, oft ist es lediglich unerwünscht, dass diese nach dem Loslösen in die Maschinen fällt. In diesem Fall reicht eine Verliersicherung aus. Wenn die Schraubensicherung bei einer Lockerung der Schraube eine Gefahr für Mensch oder Maschine darstellt, dann muss man auf eine Losdrehsicherung zurückgreifen.

Verliersicherung

Bei einer Verliersicherung kann sich die Schraube weiterhin losdrehen, aber sie kann nicht verloren gehen. Man kann sich das so vorstellen, dass beispielsweise eine Rändelschraube mit einer Kette gesichert ist. Wenn sie sich jetzt losdreht, löst sich zwar die Verbindung, aber die Schraube kann nicht herunterfallen.

Wann wird die Verliersicherung eingesetzt?

• geringes Risiko
• kein Gefahrenpotential für die Gesundheit der Menschen
• geringer oder kein Sachschaden, wenn die Schraube sich löst
• wenn die Vorspannkraft nicht von wichtiger Bedeutung ist

Durch Verliersicherungen wird eine Erhöhung der Selbsthemmung im Gewinde durch klemmende Elemente im Gewinde der Schraube oder der Mutter erzeugt. Dabei wird dem Auseinanderfallen der Verbindung vorgebeugt. In den meisten Fällen bleiben hierbei ca. 20% der Vorspannkraft erhalten.

Verliersicherungen-Arten

• Muttern und Schrauben mit Klemmteil
• Schrauben mit klemmender Beschichtung
• gewindefurchende Schrauben

Sicherungsmuttern

Bei den Sicherungsmuttern unterscheidet man nicht nur in der Form, sondern auch beim Material und der Art des sichernden Klemmteils. Es gibt Klemmteile aus Metall und Kunststoff.

• DIN 980 (ISO 7042 oder ISO 10513) Sechskantmuttern mit Klemmteil, einteilige Ganzmetallmuttern
• DIN 982 (ISO 7040 oder ISO 10512) Sechskantmuttern mit Kunststoffeinsatz (Klemmteil) in hoher Form
• DIN 985 (ISO 10511 oder ISO 10512) Sechskantmuttern mit Kunststoffeinsatz (Klemmteil) in niedriger Form
• DIN 986 Sechskant-Hutmuttern mit Klemmteil (nichtmetallischer Einsatz)
• DIN 6924 (RG: ISO 7040) Sechskantmuttern mit Klemmteil (nicht metallischer Einsatz) in hoher Form
• DIN 6925 (RG: ISO 7042) Sechskantmuttern mit Klemmteil, Ganzmetallmuttern
• EN 1663 Sechskantmuttern mit Flansch, Klemmteil (nicht metallischer Einsatz)
• EN 1664 Sechskantmuttern mit Flansch und Klemmteil (Einsatz nicht metallisch)
• BILOC-Klemmmuttern
• Nutmuttern mit nicht metallischem Klemmteil

Alle Sicherungsmuttern findet ihr natürlich bei uns im Shop!

Anforderungen an Sicherungsmuttern

Die Anforderungen an Muttern mit Klemmteil sind in der ISO 2320 geregelt. Wichtig zu beachten ist, dass es keine Festlegung bei Muttern aus nichtrostendem Stahl nach ISO 3506-2 gibt.

• Umgebungstemperaturen 10° C bis 35° C
• Regelgewinde M5 bis M39 oder Feingewinde M8x1 bis M39x3
• Muttern mit mechanischen Eigenschaften nach ISO 898-2
• maximale Aufschraubmomente und minimale Abschraubmomente

Sicherungsschrauben

Es gibt auch Schrauben, die sich gegen ein selbsttätiges Lösen als Verliersicherung lösen.

• Gewindefurchende Schrauben DIN 7500: diese Schrauben furchen sich ihr eigenes Gewinde
• Schrauben mit Klemmteil oder Schrauben mit klemmenden Beschichtungen DIN 267-28

Klemmende Beschichtungen

Die Geometrie von klemmenden Beschichtungen ist nach DIN 267-28 geregelt, dabei wird bestimmt, wie viel freier Gewindebereich am Ende frei bleiben muss, damit sich die Schraube noch optimal ansetzen und einschrauben lässt.

Anforderungen an klemmende Beschichtungen auf Schrauben aus Stahl:

• metrisches ISO-Gewinde nach DIN ISO 261
• Gewinde-Nenndurchmesser von 3 mm bis 16 mm (Regelgewinde)
• Gewinde-Nenndurchmesser von 8 mm bis 16 mm (Feingewinde)
• Festigkeitsklassen nach DIN EN ISO 898-1, DIN EN ISO 3506-1 und DIN 267-13
• blanke und beschichtete Oberflächen
• Anwendungstemperaturen von -50° C bis +120° C und je nach Anwendungsvorgaben bis 150° C oder bis 200° C
• Dichtheit ist im Einzelfall gesondert zu vereinbaren

Aber es gibt noch weitere Anforderungen:

Lagerbeständigkeit

Die Lagerbeständigkeit muss gewährleistet sein. Das bedeutet, dass die Eigenschaften der Schraubensicherung auch bei Lagerung noch mindestens 4 Jahre nach Aufbringung der Beschichtung weiter funktionieren.

Wiederholverschraubung

Bei der Wiederholverschraubung wird festgelegt, dass die Schraube nur dreimal verschraubt werden darf. In Handwerksbetrieben führt wahrscheinlich niemand eine Strichliste, wie oft die Schrauben schon gelöst wurden, daher ist es gängige Praxis bei Arbeiten die Schrauben sofort auszutauschen.

Korrosionsbeständigkeit

Die Korrosionsbeständigkeit kann durch eine Wärmebehandlung (220-230° C) in seiner Funktionsfähigkeit beeinflusst werden. Blanke Schrauben werden vor der Produktion entfettet.

Hier finden wir eine Tabelle mit einer Übersicht der gängigen Beschichtungen:

Ganz anders ist es bei der Losdrehsicherung, welche wir uns im Folgenden ansehen.

Losdrehsicherung

Die Losdrehsicherung verhindert, wie der Name schon sagt, dass die Schraube sich losdrehen kann. Hierzu gibt es beispielsweise Loctite-Kleber. Bei Losdrehsicherungen verhindert man den Verlust der Vorspannkraft in der Schraubverbindung. Nach der ersten Setzerscheinung bleiben ungefähr 80% der Vorspannkraft erhalten.

In welchen Fällen verwendet man eine Losdrehsicherung?

• hohes Risikopotential
• Gefahr für Menschenleben
• starke Gefahr von hohen Sachschäden

Losdrehsicherungen-Arten

• Formschlüssige Losdrehsicherungen
• Sicherung durch Erhöhung der Vorspannkraft
• Klebende Losdrehsicherung (DIN 267-27)
• Begrenzung der Querverschiebung durch Stifte oder Passschrauben

Formschlüssige Losdrehsicherungen

Durch formschlüssige Losdrehsicherungen wird eine Relativbewegung zwischen Bauteil und Befestigungselement verhindert. Diese Schraubensicherung erreicht man durch Verriegelungszähne, Sperrzähne oder Rippen.

Sicherungsscheiben für die Losdrehsicherung

Sperrkantringe

Sperrkantringe haben eine beideseitig geprägte Oberfläche und auch Wölbung, wodurch ebenso kleine Setzbeträge ausgeglichen werden.

sperrkantringe

Sperrkantscheiben von Teckentrup

Ähnlich wie bei den Spannscheiben haben diese Unterlegscheiben eine Aufwölbung, welche Setzbeträge in kleinem Umfang ausgleichen können.

Sperrkantscheiben

Schnorr-Scheiben

Die Schnorr-Scheiben sind beidseitig verzahnt und haben zusätzlich eine Aufwölbung, dadurch werden wieder minimale Setzbeträge ausgeglichen.

Schnorr Sperrzahnscheiben

Locktix-Scheiben

Die extra große Auflagefläche und die beidseitige Prägung der Oberfläche bieten eine verlässliche Schraubensicherung.

Locktix Scheiben

Neben den Sicherungsscheiben gibt es auch Schrauben und Muttern mit einer Schraubensicherung durch eine Verzahnung oder Rippen:

• Sperrzahn-Flanschschrauben mit einem Sechskantantrieb
• Sechskantmuttern mit Flansch und Sperrverzahnung
• RIPP-Schrauben

Sowohl die Schrauben als auch die Muttern haben einen Flansch, unter welchem eine Sperrverzahnung zu finden ist. Das spart Zeit und Arbeit, da man nicht zusätzlich noch Unterlegscheiben nutzen muss.

Sicherung durch Erhöhung der Vorspannkraft

Mit Nord-Lock oder Heico-Lock Scheiben kann man auch eine wirksame Schraubensicherung herstellen. Diese Scheibe besteht genau genommen aus zwei Scheiben. Dieses Scheibenpaar hat an der Außenseite Rippen und auf der Innenseite Keile. Die Radial-Rippen stellen einen Formschluss zu den anliegenden Bauteilen her. Beim selbsttätigen Losdrehen können nur die Keilflächen aufeinander gleiten. Durch das Winkelverhältnis zwischen Steigung und Keil entsteht eine Wegverlängerung. Das Ergebnis ist, dass sich die Vorspannkraft steigert.

Heico Lock Keilsicherungsscheiben Stahl

Montage bei formschlüssigen Losdrehsicherungen

Durch die Montage werden die Reibbeiwerte durch die Verzahnung erhöht.

• Anpassung der Anziehdrehmomente
• unterschiedliche Bauteilfestigkeiten beachten
• unter Umständen Anziehversuche unter realistischen Umständen vollziehen

Vorsicht: Wenn die Schraube von unten mit einer Mutter gesichert wird, dann muss sich nicht nur unter dem Kopf der Schraube eine Sicherungsscheibe befinden, sondern auch zwischen Bauteil und Mutter. Ansonsten hat die Schraubensicherung keine Wirkung.

Klebende Sicherung

Auch durch Kleber kann man eine Schraubensicherung erreichen, die das Losdrehen verhindert. Dabei kann man entweder selber den speziellen Kleber auftragen oder auf Schrauben zurückgreifen, die diesen Kleber bereits in der Beschichtung enthalten. Man redet hier von mikroverkapselten Klebstoff, welcher beim Schraubvorgang aktiviert wird. Die Alternative ist anaerober Klebstoff, der unter Ausschluss von Sauerstoff und unter Gegenwart von Metallionen aushärten kann.

Anforderungen an klebende Beschichtungen

Die Anforderung an eine klebende Beschichtung ist in der DIN 267-27 geregelt:

• metrisches ISO-Gewinde nach DIN ISO 261
• Gewinde-Nenndurchmesser von 3-16 mm (Regelgewinde)
• Gewinde-Nenndurchmesser von 8-16 mm (Feingewinde)
• Festigkeitsklassen nach DIN EN ISO 898-1, DIN EN ISO 3506-1 und DIN 267-13
• blanke und beschichtete Oberflächen
• Anwendungstemperaturen von -50° C bis +100° C und je nach Anwendungsvorgaben bis 150° C

Fazit zur Schraubensicherung

Die Schraubensicherung ist gar nicht schwer, solange man das richtige Element wählt. Alle Produkte, die man zur Sicherung von Schrauben benötigt, haben wir natürlich im Sortiment, wenn Fragen bestehen oder ihr einen Artikel nicht findet, dann hinterlasst doch einfach einen Kommentar!