Warum sich Schrauben lösen – und was wirklich hilft

Schrauben lösen sich auf zwei Wegen: Die Verbindung lockert sich, vor allem weil sie sich setzt, oder Querbewegungen drehen Schraube oder Mutter Stück für Stück los.¹ Der wichtigste Schutz ist deshalb eine ausreichend hohe Vorspannkraft; Sicherungselemente kommen erst danach.¹² Federringe, Zahn- und Fächerscheiben helfen nachweislich nicht; ihre DIN-Normen sind ersatzlos zurückgezogen.¹²³

Setzen: ein paar Tausendstel Millimeter

Unter dem Druck der Vorspannung ebnen sich die Rauheitsspitzen an allen Kontaktflächen ein: an den belasteten Gewindeflanken, unter Kopf und Mutter und zwischen den verschraubten Teilen.⁴ Die Richtlinie VDI 2230 gibt dafür Richtwerte an, für Teile aus Stahl ohne Beschichtung:⁴

Alle Werte in µm, also Tausendstel Millimeter, unter der Rautiefe die Art der Belastung. „Auflage“ gilt je Kopf- oder Mutterauflage, „Fuge“ je innere Trennfuge zwischen den verschraubten Teilen. Eine Verbindung aus Schraube und Mutter, die zwei glatte Teile (Rz unter 10 µm) bei Zug- oder Druckbelastung zusammenhält, setzt sich nach dieser Tabelle um etwa 9,5 µm (unsere Addition: Gewinde, Kopf- und Mutterauflage, eine Trennfuge). Was sich schon beim Anziehen einebnet, kostet keine Vorspannkraft; es zählt nur, was danach passiert. Beim hydraulischen oder thermischen Vorspannen kann das spätere Setzen deutlich größer sein als die Tabellenwerte.⁴

Setzbetrag einer Schraube mit Mutter und einer Trennfuge, nach VDI 2230

Zug/DruckSchub

Rz unter 10 µm9,5 µm11,0 µm

Rz 10 bis unter 40 µm11,0 µm14,5 µm

Rz 40 bis unter 160 µm14,0 µm19,5 µm

Warum kurze Schrauben empfindlicher sind

Eine Schraube wirkt wie eine sehr steife Feder: Sie hält nur, weil sie beim Anziehen ein wenig gedehnt wird. Eine voll angezogene M10 der Festigkeitsklasse 8.8 dehnt sich bei 40 mm Klemmlänge um etwa 0,1 mm. Setzt sich die Verbindung um 0,01 bis 0,02 mm, fehlen schon 10 bis 20 % der Vorspannkraft; bei 20 mm Klemmlänge sind es 15 bis 30 %.⁵ Als Faustregel gilt eine Klemmlänge vom Vierfachen des Durchmessers oder mehr⁵; ein Hersteller von Sicherungsscheiben nennt mindestens das Drei- bis Fünffache.⁶ Eine Norm, die eine Mindestklemmlänge vorschreibt, haben wir nicht gefunden.

Losdrehen: Querschlupf dreht die Schraube los

Gefährlicher ist das selbsttätige Losdrehen, denn es kann bis zum Auseinanderfallen der Verbindung führen.¹ Verschieben sich die Bauteile unter wechselnder Last quer zur Schraube, gleitet zuerst das Gewinde ab und dann die Auflage unter Kopf oder Mutter. Bei jedem Abgleiten dreht das Gewindesteigungsmoment die Schraube ein kleines Stück zurück; entscheidend ist, dass sich das mit jedem Lastwechsel wiederholt.⁷ Lange, schlanke Schrauben biegen sich bei kleinen Querbewegungen, statt abzugleiten.⁵

Wie wenig dafür nötig ist, zeigt der Bericht zum Zugunglück von Grayrigg in England am 23. Februar 2007: Nach Berechnung der Unfalluntersuchung war an den Schrauben der Weichen-Verbindungsstangen die gesamte Vorspannkraft schon verloren, wenn sich die Mutter um 1/19 Umdrehung zurückdrehte.⁸

Der Junker-Test: wie man Sicherungen prüft

Die ersten Untersuchungen betrachteten das Losdrehen nur unter schwellender Last in Längsrichtung der Schraube; einen vollständigen Verlust der Vorspannkraft konnte man so nicht erzeugen. Gerhard Junker belastete die Verbindung als Erster quer zur Schraubenachse, wies den vollständigen Verlust nach und baute den Prüfstand, der bis heute benutzt wird.⁷ Sein Aufsatz „New Criteria for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration“ erschien am 1. Februar 1969.⁹

• So funktioniert er: Ein Exzenter schiebt eine Platte über eine feste zweite hin und her; die Prüfschraube spannt beide zusammen. Gemessen werden Vorspannkraft, Querkraft, Verschiebung und Zahl der Zyklen⁷, das Ergebnis ist eine Kurve der Klemmkraft über den Lastwechseln.¹⁰
• Die Messlatte nach DIN 25201-4: Zuerst stellt man die Verschiebung so ein, dass eine ungesicherte Verbindung in 300 ± 100 Zyklen auf 20 % der Montagevorspannkraft abfällt. Mit Sicherung darf die Vorspannkraft dann über mindestens 2000 Zyklen nicht unter 80 % der Montagevorspannkraft fallen, und die Kurve darf keinen weiteren Abfall erkennen lassen; jeder Versuch läuft mit neuen Teilen.⁷
• Die Normen: DIN 65151 (Luft- und Raumfahrt, aktuelle Ausgabe 2002-08)¹¹, ISO 16130 (Luft- und Raumfahrt, 2015, 2021 bestätigt)¹² und DIN 25201-4 für Schienenfahrzeuge (2021-11).¹³
• Die Grenze: Der Test vergleicht eine Sicherung mit einer ungesicherten Verbindung. Laut ISO 16130 erlaubt er ausdrücklich keine absolute Aussage über das Verhalten im Betrieb.¹²

Mythos-Check: was die Sicherungen wirklich tun

Zur Temperatur: Henkel nennt für seine anaeroben Klebstoffe im Dauerbetrieb standardmäßig −55 bis +150 °C, für den mittelfesten Typ auf derselben Produktseite eine Anwendungstemperatur von −55 bis +180 °C.¹⁹²³

Wie wenig ein Federring gegen die Vorspannkraft ausrichtet, hat die Unfalluntersuchung von Grayrigg gemessen: Vergleichbare Federringe ließen sich schon mit 0,65 kN flach drücken, die Verbindung brauchte aber bis zu 31 kN Klemmkraft je Schraube.⁸ Viele der unwirksamen Elemente stammen laut einem Fachhändler aus einer Zeit, in der es noch keine objektiven Prüfverfahren gab.²⁴

Was wirklich hilft

• Vorspannkraft zuerst. Reyher nennt mit Verweis auf die Schienenfahrzeug-Norm DIN 25201-4 als erste Maßnahme gegen selbsttätiges Losdrehen die Erhöhung der Vorspannkraft, danach eine elastischere Schraube, mehr Reibung und die Begrenzung des Querschlupfs, etwa mit Passschrauben oder Stiften.¹
• Lange Klemmlänge, wenige Fugen. Dehnschrauben oder Dehnhülsen, ein genaues Anziehverfahren und möglichst wenige Trennfugen verringern Setzverluste; unter hochfeste, stark vorgespannte Schrauben gehören weder Sicherungsbleche noch Federringe.⁴
• Wenn sichern, dann richtig. Bei Querbelastung eine Losdrehsicherung wählen, keine Verliersicherung. Sperrende Elemente wie Keilsicherungsscheiben oder Sperrzähne wirken nur direkt unter Kopf und Mutter, bei Durchsteckverbindungen also auf beiden Seiten.¹⁴³
• Nachziehen, wo vorgesehen. Nach dem Radwechsel rät der ADAC, die Verschraubung nach etwa 50 km zu prüfen und gegebenenfalls nachzuziehen.²⁵ An vielen Verbindungen ist das nicht praktikabel; dort müssen Setzverluste schon bei der Konstruktion eingeplant werden.²⁶

Ein Fachhändler fasst es so zusammen: Eine richtig ausgelegte und zuverlässig montierte Schraubenverbindung sollte ohne Schraubensicherung auskommen.²⁴ Die Grundlagen zu Gewinden, Festigkeitsklassen und Sicherungen stehen auf unserer Seite Schrauben & Gewinde, die Begriffe im Lexikon.

Anzugsmomente nennen wir bewusst nicht: Sie hängen von Schraube, Reibung und Anwendung ab. Maßgeblich sind die Angaben des Herstellers oder die Berechnung nach VDI 2230.

Häufige Fragen

Helfen Federringe gegen das Lösen von Schrauben?

Nein. Bei Schrauben ab 8.8 sind sie typischerweise schon bei 10 bis 20 % der Ziel-Vorspannkraft flach gedrückt, und im Junker-Test können sie das Losdrehen sogar beschleunigen. Die DIN-Normen für Federringe sind ersatzlos zurückgezogen.

Was ist der Junker-Test?

Eine Rüttelprüfung, bei der die verschraubten Teile quer zur Schraube hin und her geschoben werden, während die Vorspannkraft gemessen wird. Sie geht auf Gerhard Junker (1969) zurück und ist in DIN 65151, ISO 16130 und DIN 25201-4 genormt.

Wie oft kann man eine Mutter mit Polyamidring verwenden?

Laut Herstellerdatenblatt nur einmal, weil sich der Kunststoffring beim Aufschrauben plastisch verformt.