Schrauben und Schraubenverbindungen

Eine Schraubenverbindung ist eine lösbare Verbindung. Das ist ihr großer Vorteil: Bauteile lassen sich beliebig oft montieren und wieder demontieren, ohne dass das Verbindungselement zerstört wird – im Gegensatz etwa zur Schweißnaht oder zur Niete.

Man unterscheidet zwei grundlegend verschiedene Einsatzfälle:

Befestigungsschrauben halten zwei oder mehr Bauteile zusammen. Sie sollen im Betrieb keine Bewegung zulassen, sondern eine möglichst gleichbleibende Klemmkraft erzeugen. Beispiele: Zylinderkopfschrauben am Motor, Flanschverschraubungen, Maschinenfüße auf dem Fundament.

Bewegungsschrauben wandeln eine Drehbewegung in eine Längsbewegung um. Sie sind die mechanische Kernfunktion vieler Vorschubantriebe und Hubgeräte. Beispiele: Spindeln an Werkzeugmaschinen, Schraubzwingen, Wagenheber, Kugelgewindetriebe an Servoachsen.

Beide funktionieren über das gleiche Grundprinzip: ein um einen Zylinder gewickelter schräger Steg – eine schiefe Ebene. Wickelt man einen Gewindegang gedanklich vom Zylinder ab, bleibt ein rechtwinkliges Dreieck übrig. Die längere Kathete entspricht dem Umfang einer Umdrehung, die kürzere der Steigung pro Umdrehung. Genau diese geometrische Verstärkung ist der Grund, warum eine Schraube aus einem mäßigen Handdrehmoment eine enorme Axialkraft macht.

Der Steigungswinkel α beschreibt, wie steil diese schiefe Ebene ist. Er ist bei Befestigungsschrauben absichtlich klein gehalten, damit die Verbindung selbsthemmend bleibt. Bei Bewegungsschrauben wird er größer gewählt, damit pro Umdrehung mehr Vorschub entsteht.

Eine klassische Befestigungsschraube besteht aus drei Hauptbereichen: dem Kopf mit der Angriffsfläche fürs Werkzeug, dem Schaft (auch glatter Schaft genannt, falls vorhanden) und dem Gewindeteil. Bei Schrauben mit „Gewinde bis Kopf“ entfällt der glatte Schaft, das Gewinde reicht direkt bis unter den Kopf.

Das Gewinde selbst ist eine über die Länge laufende Schraubenlinie mit einem definierten Profil. Beim metrischen ISO-Gewinde – dem mit Abstand verbreitetsten Profil in Europa – ist das Profil ein gleichschenkliges Dreieck mit einem Flankenwinkel von 60°.

Drei Durchmesser müssen sauber auseinandergehalten werden:

Der Außendurchmesser d ist der Durchmesser über die Gewindespitzen. Er gibt der Schraube den Namen – ein M10 hat einen Außendurchmesser von 10 mm.

Der Kerndurchmesser d₃ ist der Durchmesser am Grund des Gewindes, also der kleinste Querschnitt. Er bestimmt mit, wie viel Zugkraft die Schraube aufnehmen kann.

Der Flankendurchmesser d₂ liegt etwa in der Mitte zwischen d und d₃. Er ist der Durchmesser, an dem die Flanken des Außen- und Innengewindes tragen. In allen Berechnungen rund um Drehmoment, Reibung und Festigkeit wird mit d₂ gerechnet, weil die Reibkräfte im Gewinde an dieser Stelle wirken.

Die Steigung P ist der axiale Weg, den die Schraube bei einer Umdrehung zurücklegt. Bei einem M10 mit Regelgewinde sind das 1,5 mm pro Umdrehung.

Selbsthemmung

Eine Befestigungsschraube darf sich unter Last nicht von selbst aufdrehen. Sie ist selbsthemmend, wenn der Steigungswinkel α kleiner ist als der Reibwinkel ρ im Gewinde:

Bei einem M10-Regelgewinde liegt α bei etwa 3°, der Reibwinkel bei trockenen Stahlgewinden bei rund 6° bis 9°. Die Verbindung ist damit deutlich im selbsthemmenden Bereich. Bei Bewegungsschrauben mit Trapezgewinde und großer Steigung kann α dagegen über ρ liegen – sie sind dann nicht mehr selbsthemmend und müssen extern gehalten werden, etwa durch eine Bremse oder ein Sperrventil.

Gewindearten

Je nach Profil unterscheidet man:

Zusätzlich gibt es beim metrischen Gewinde Regelgewinde (Standardsteigung) und Feingewinde mit kleinerer Steigung. Feingewinde hat einen kleineren Steigungswinkel, ist noch besser selbsthemmend und nimmt höhere Lasten auf, ist aber empfindlicher gegen Verschmutzung.

Schrauben unterscheiden sich nach Kopfform, Antriebsart und Schaftform. Die Kombination ergibt eine erstaunliche Vielfalt an Bauformen für ganz unterschiedliche Einsatzzwecke.

Kopfformen

Antriebsarten

Der Antrieb ist das, was das Werkzeug greift. Außenantriebe sind robust, brauchen aber Platz seitlich neben dem Kopf. Innenantriebe sind platzsparend und sehen aufgeräumter aus.

Schaftformen

Mutternarten

Die Mutter ist das passende Gegenstück zum Außengewinde der Schraube. Auch hier gibt es Bauformen für unterschiedliche Zwecke:

An jeder Schraube ab einem gewissen Durchmesser ist auf dem Kopf eine Kennzahl eingeprägt, etwa „8.8″, „10.9″ oder „12.9″. Diese Festigkeitsklasse sagt zwei Dinge auf einen Blick – die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Schraubenwerkstoffs.

Das System ist elegant einfach. Aus den beiden Ziffern lassen sich beide Festigkeitswerte rechnerisch ableiten:

Bei einer Klasse 8.8 ergibt das eine Zugfestigkeit von 800 N/mm² und eine Streckgrenze von 640 N/mm². Bei 10.9 sind es 1000 N/mm² Zugfestigkeit und 900 N/mm² Streckgrenze.

Das Verhältnis der beiden Ziffern hat eine konkrete Bedeutung: Es ist das Verhältnis von Streckgrenze zu Zugfestigkeit, multipliziert mit zehn. Eine 8.8-Schraube fließt also bei 80 % ihrer Bruchlast, eine 10.9 erst bei 90 %. Höhere Klassen sind damit fester, aber auch spröder – sie verzeihen Überlast weniger.

Gängige Festigkeitsklassen bei Schrauben

Festigkeitsklassen bei Muttern

Bei Muttern ist das System anders: Die Kennzahl ist eine einzige Ziffer und entspricht der maximalen Festigkeit der zugehörigen Schraube in Hundert N/mm². Eine Mutter der Klasse 8 passt zu einer Schraube der Klasse 8.8, eine Mutter der Klasse 10 passt zu einer 10.9.

Die Regel: Die Mutter muss mindestens die gleiche Festigkeitsklasse haben wie die Schraube. Sonst reißt im Überlastfall nicht die Schraube ab (was über die Streckgrenze noch eine sichtbare Vorwarnung gibt), sondern es zerstören sich die Gewindegänge der Mutter – ein schlagartiges, unvorhersehbares Versagen.

Nichtrostende Schrauben

Bei nichtrostenden (Edelstahl-) Schrauben ist das Bezeichnungssystem anders. Eine typische Kennzeichnung lautet A2-70 oder A4-80:

• A2: austenitischer Chrom-Nickel-Stahl, allgemein nichtrostend
• A4: austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl, säurebeständig und seewasserfest
• 70 oder 80: Zugfestigkeit in Hundert N/mm² (also 700 N/mm² bzw. 800 N/mm²)

Eine A2-70 entspricht in der Zugfestigkeit ungefähr einer 8.8, ist aber rostbeständig.

Eine vollständige Schraubenbezeichnung in einer Stückliste oder auf einer Zeichnung wirkt zunächst kryptisch, folgt aber einer festen Reihenfolge. Sie enthält alle Angaben, die für die eindeutige Bestellung nötig sind.

Eine typische Bezeichnung lautet:

ÖNORM EN ISO 4014 – M12 × 60 – 8.8 – A2K

Die einzelnen Bestandteile bedeuten:

Bei einem Feingewinde wird die Steigung explizit angegeben: M12×1,25 bedeutet metrisches Feingewinde mit 12 mm Außendurchmesser und 1,25 mm Steigung statt der regulären 1,75 mm.

Wichtige Bauformnormen

Längenmessung

Die Längenangabe in der Bezeichnung meint nicht die Gesamtlänge der Schraube, sondern die Länge ohne Kopf – mit zwei Ausnahmen:

• Bei Senkkopfschrauben wird die Gesamtlänge inklusive Kopf gemessen, weil der Kopf in der Senkung versinkt und damit zur „eingeschraubten Länge“ zählt.
• Bei Stiftschrauben wird die Gesamtlänge ohne Kopfmaß angegeben, da es keinen Kopf gibt.

Hier liegt das eigentliche Herz jeder Schraubenverbindung. Eine Befestigungsschraube ist keine massive Klammer, sondern eine stark vorgespannte Feder. Beim Anziehen wird die Schraube elastisch um wenige Hundertstel Millimeter gedehnt – der Schaft wirkt wie eine Zugfeder. Die zwischen den verschraubten Bauteilen wirkende Klemmkraft sorgt dafür, dass die Verbindung im Betrieb nicht klafft und nicht durchrutscht.

Wer das einmal verstanden hat, sieht Schraubenverbindungen anders: Der Schraubenschaft ist nicht der „Stift, der die Bauteile zusammenhält“ – er ist die gespannte Feder, die einen Pressdruck zwischen den Bauteilen erzeugt. Die Bauteile selbst halten sich durch diesen Pressdruck und die dadurch übertragbare Reibung gegen Querkraft.

Warum vorspannen?

Ohne Vorspannung würde die Schraube bei jeder Lastschwankung im Gewinde arbeiten, sich lockern und der Schaft würde auf Schub und Biegung belastet – beides ist eine sehr schlechte Belastungsart für eine Schraube. Eine ausreichend hohe Vorspannkraft sorgt dafür, dass:

• die Bauteile bei Betriebslast nicht abheben (keine Klafffuge entsteht),
• die Verbindung quer zur Schraubenachse durch Reibung trägt (Reibschluss),
• die Schraube selbst nahezu konstant belastet bleibt und Schwingungen nicht in voller Höhe in die Schraube einleiten.

Die Vorspannkraft wird üblicherweise auf etwa 70 % der Streckgrenze ausgelegt – damit bleibt Reserve für Setzverluste und Lasteinleitung.

Der Zusammenhang Drehmoment ↔ Vorspannkraft

Beim Anziehen mit dem Drehmomentschlüssel wird ein Drehmoment auf die Schraube oder die Mutter aufgebracht. Dieses Drehmoment teilt sich auf drei Anteile auf:

• den Steigungsanteil: Drehmoment, das nötig wäre, um die schiefe Ebene reibungsfrei hochzuschieben.
• den Gewindereibungsanteil: Reibung zwischen den Gewindeflanken.
• den Kopfreibungsanteil: Reibung zwischen Schraubenkopf (oder Mutter) und der Bauteilauflage.

Die beiden Reibungsanteile machen zusammen den Großteil aus – typischerweise gehen nur etwa 10 bis 15 % des Anzugsdrehmoments in die eigentliche Vorspannkraft. Der Rest verschwindet in Reibung. Das ist der Grund, warum ein einziger Tropfen Öl an der Schraube das Ergebnis komplett verändern kann.

Die vereinfachte Formel für das Anzugsdrehmoment lautet:

Der mittlere Reibdurchmesser D_Km liegt zwischen dem Außendurchmesser der Kopfauflage und dem Lochdurchmesser, durch den die Schraube geführt ist. Praktisch ist er der mittlere Radius, an dem die Reibkraft unter dem Kopf wirkt. Für eine Standardschraube mit Standardunterlegscheibe wird er aus dem Tabellenbuch entnommen oder aus den geometrischen Werten gemittelt.

Reibwerte – die größte Unsicherheit

Der Reibwert μ liegt für Stahlschrauben üblicherweise zwischen 0,08 (geölt) und 0,16 (trocken, leicht raue Oberfläche). Eine Verdoppelung des Reibwerts bedeutet, dass aus dem gleichen Anzugsdrehmoment nur etwa die halbe Vorspannkraft entsteht. Daher: immer mit dem Reibwert rechnen, der in der Praxis auch eingehalten wird – und Schrauben, die laut Tabellenbuch geölt vorzuspannen sind, dürfen nicht trocken eingebaut werden.

Eine korrekt vorgespannte Schraube braucht in den meisten Fällen keine zusätzliche Sicherung. Wenn die Vorspannkraft hoch genug ist und die Verbindung sauber dimensioniert wurde, hält sie auch unter Schwingungen und Querkraft. Dennoch gibt es Fälle, in denen eine Schraube sich lösen kann:

• Setzverluste: Kurz nach der Montage geben raue Oberflächen unter dem Pressdruck etwas nach. Die Bauteile setzen sich, die Schraubendehnung sinkt – damit auch die Vorspannkraft. Bei kritischen Verbindungen wird daher nach kurzer Betriebszeit nachgezogen.
• Querkraft mit Mikrobewegung: Wenn die Klemmkraft nicht reicht, gleiten die Bauteile mikrometerweise aneinander. Diese Mikrobewegungen können die Schraube über das Gewinde gegen den Uhrzeigersinn „abrollen“ – die Schraube löst sich, oft schlagartig.
• Vibration mit Axialschwingung: Pulsierende Axiallasten können die Reibung im Gewinde kurzfristig aufheben und das Gewinde lösen sich öffnen.

Gegen diese Effekte hilft nur eine wirksame Schraubensicherung. Bei den Sicherungsarten gibt es aber große Unterschiede – und einige sind in der Praxis schlicht unwirksam.

Übersicht der Sicherungsarten

Federringe und Zahnscheiben – warum unwirksam?

Klassische Federringe und Zahnscheiben sollen elastisch Vorspannung halten oder sich in die Bauteile eingraben. In der Praxis erreichen sie unter den hohen Pressdrücken einer ordentlich angezogenen Schraube fast augenblicklich ihr Anschlagsmaß – sie werden flachgedrückt und sind dann wirkungslos. Schwingungstests zeigen, dass Verbindungen mit diesen Elementen sich genauso lösen wie ohne. Die zugehörigen Normen wurden zwischenzeitlich zurückgezogen. Für Verbindungen mit Festigkeitsklasse 8.8 und höher sind sie schlicht keine wirksame Sicherung.

Wenn dennoch ein „elastisches Element unter dem Kopf“ gewünscht ist (etwa wegen Toleranzausgleich), ist eine gehärtete Scheibe oder eine spezielle Tellerfederscheibe die richtige Wahl – nicht der gewellte Federring.

Formschluss: Splint und Drahtsicherung

Eine Kronenmutter mit Splint sperrt die Mutter mechanisch gegen das Schraubengewinde. Wird gerne bei Achsen im Fahrzeugbau eingesetzt, wo das Lösen einer Mutter unmittelbar sicherheitsrelevant wäre.

Die Drahtsicherung verbindet mehrere Schraubenköpfe so mit einem Draht, dass das Lösen einer Schraube den Draht spannt und die anderen Schrauben festhält. Klassisch in Luftfahrt und Rennsport eingesetzt.

Klemmende Muttern

Die selbstsichernde Mutter mit Polyamid-Einsatz hat im Innenraum einen Kunststoffring, in den sich das Gewinde der Schraube beim Einschrauben einschneidet. Die hohe Reibung im Polyamid hält die Mutter auch ohne Vorspannkraft fest. Geeignet für mittlere Temperaturen, nicht bei dauerhaft hohen Temperaturen (Polyamid versprödet).

Die Ganzmetall-Klemmmutter ist im oberen Bereich leicht verformt, sodass das Gewinde leicht klemmt. Hitze- und chemikalienbeständig, kann mehrfach verwendet werden (mit nachlassender Wirkung).

Sperrend: Keilsicherungsscheiben

Keilsicherungsscheiben kommen paarweise und haben auf der Innenseite Keilflächen mit einem Winkel größer als die Gewindesteigung. Bei jeder Drehbewegung in Löserichtung müsste die Schraube sich axial heben – das ist physikalisch nicht möglich, also bleibt sie stehen. Sehr wirksam, auch bei starker Vibration. Vergleichsweise teuer, daher gezielt bei kritischen Verbindungen eingesetzt.

Stoffschluss: Schraubensicherungsklebstoffe

Mittel- und hochfeste Schraubensicherungsklebstoffe (umgangssprachlich oft nach dem bekanntesten Markennamen benannt) härten anaerob im Gewindespalt aus. Mittelfeste Varianten lassen sich mit normalem Werkzeug wieder lösen, hochfeste nur mit Erwärmung. Wirksam, aber: Einmal-Aushärtung – nach jeder Demontage muss neuer Klebstoff aufgebracht werden.

Konstruktive Sicherung – die beste Lösung

Wenn die Schraube lang genug ist, viel Klemmlänge hat und die Vorspannkraft hoch ist, dehnt sie sich beim Anziehen messbar. Diese Dehnung wirkt als „Reserve“: Auch wenn das Bauteil etwas setzt, bleibt noch genug Vorspannkraft übrig. Eine dehnschraubengerechte Konstruktion (langer Schaft, evtl. verjüngter Querschnitt) ist die hochwertigste Form der Sicherung – ganz ohne Zusatzelemente.

Schraubenlänge bestimmen

Die Länge einer Schraube wird so gewählt, dass sie die zu verbindenden Bauteile durchdringt, die Mutter (oder das Gewindeloch) vollständig einbindet und idealerweise noch ein bis zwei Gewindegänge übersteht. Die Mindestlänge folgt der einfachen Formel:

Bei einer Mutternverschraubung müssen zur Klemmlänge die Mutternhöhe und der Überstand addiert werden. Bei einer Sacklochverschraubung in einem Bauteil ist statt der Mutternhöhe die Einschraubtiefe im Innengewinde anzusetzen. Diese hängt vom Werkstoff des Gewindegrundbauteils ab: bei Stahl etwa das 1- bis 1,2-fache des Schraubendurchmessers, bei Aluminium etwa das 1,4- bis 2-fache, bei Grauguss etwa das 1,3-fache.

Anziehverfahren

Drehmomentgesteuertes Anziehen ist das gebräuchlichste Verfahren. Der Drehmomentschlüssel löst beim erreichten Sollwert mechanisch oder elektronisch aus. Genauigkeit: typisch ±20 % der Vorspannkraft, abhängig vom Reibwert. Im Maschinenbau, im Kfz-Bereich und in der Allgemeinmontage Standard.

Drehwinkelgesteuertes Anziehen geht zweistufig vor: Erst wird mit einem niedrigen Drehmoment „auf Anschlag“ angezogen (alle Setzungen sind ausgeräumt), dann um einen definierten Winkel weitergedreht. Da die Schraubenelastizität deutlich genauer als der Reibwert ist, sinkt die Streuung der Vorspannkraft auf etwa ±10 %. Standardverfahren bei Zylinderkopfschrauben im Motorenbau.

Streckgrenzgesteuertes Anziehen überwacht den Drehmomentverlauf während des Anziehens. Sobald die Schraube anfängt zu fließen (das Drehmoment steigt langsamer als der Drehwinkel), wird abgestoppt. Die Vorspannkraft liegt genau an der Streckgrenze. Sehr präzise, aber nur mit speziellem Werkzeug möglich.

Automatisierte Schraubsysteme

In der Serienfertigung – besonders im Fahrzeug- und Anlagenbau – werden Schraubverbindungen automatisiert hergestellt. Zum Einsatz kommen elektronisch gesteuerte Schrauber, oft mit EC-Motor (elektronisch kommutiert, hohe Dynamik, präzise regelbar). Der Schrauber misst während des Anzugs kontinuierlich Drehmoment und Drehwinkel und schaltet nach einer hinterlegten Anzugsstrategie ab.

Typische Strategien sind:

• Drehmoment-/Drehwinkelüberwachung: Der Schrauber prüft, ob beim Soll-Drehmoment auch ein Mindest- und Maximaldrehwinkel eingehalten wird. Bricht ein Schraubenkopf vorzeitig (zu kleiner Winkel) oder dreht die Schraube durch (zu großer Winkel), erkennt der Schrauber den Fehler.
• IO/NIO-Auswertung: Jede Verschraubung erhält ein „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ und wird mit Datum, Drehmoment, Drehwinkel und Werkzeug-ID dokumentiert. Diese Daten gehen oft direkt in ein übergeordnetes Produktionssystem.

Damit lassen sich auch im Massenbetrieb Qualität und Rückverfolgbarkeit sicherstellen. Wird Jahre später ein Bauteil reklamiert, ist nachvollziehbar, mit welchem Drehmoment es verbaut wurde.

Häufige Fehler

• Falsche Festigkeitsklasse: 8.8 statt 10.9 unter zu hoher Last führt zum bleibenden Verformen oder Bruch.
• Schraube zu kurz: Das Gewinde greift nicht vollständig in die Mutter oder das Sackloch, die Tragfähigkeit fällt drastisch.
• Trocken statt geölt (oder umgekehrt): Verändert den Reibwert um den Faktor 2, verändert die Vorspannkraft entsprechend.
• Überdrehen: Schraube über die Streckgrenze hinaus angezogen, Vorspannung sinkt nach dem Lösen der Werkzeugkraft, Verbindung wird locker.
• Mehrfaches Anziehen ohne Sichtkontrolle: Hochfeste Schrauben sind nach plastischer Verformung nicht mehr zuverlässig – sie gehören ausgetauscht.