Die erste Reaktion auf das Versagen von Verbindungselementen ist häufig die Annahme, dass die Ursache in der Qualität von Schraube oder Mutter liegen muss. In den meisten Fällen trifft dies jedoch nicht zu; vielmehr haben andere Faktoren zum Versagen beigetragen.

Es gibt zahlreiche Ursachen für einen Schraubenbruch oder ein Versagen im Feld. Daher ist ein umfassendes Verständnis des gesamten Aufbaus einer Schraubenverbindung essenziell, um die richtige Lösung auszuwählen.

Der Begriff Vorspannkraft wird in der Verbindungstechnik sehr häufig verwendet, doch seine eigentliche Bedeutung und Wichtigkeit werden nicht immer vollumfänglich verstanden. Als Auszubildender im Maschinenbau hörte ich diesen Begriff jahrelang, ohne dass er mir jemals in einfachen Worten erklärt wurde. Dieser Blogbeitrag soll den Begriff auf ganz einfache Weise anschaulich machen und dazu beitragen zu verstehen, warum manche sogenannten Schraubensicherungen schlichtweg nicht funktionieren oder sich sogar negativ auf die Verbindung auswirken.

Am besten stellt man sich eine Schraube beim Anziehen wie eine sehr steife Feder vor. Wenn eine Kraft auf die Mutter ausgeübt wird, dehnt sich die Schraube wie eine Feder aus; wird sie gelöst, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Dies gilt jedoch nur, solange sie nicht über ihre Elastizitätsgrenze (die sogenannte Streckgrenze) hinaus gedehnt wurde.

Die Kraft, die die Schraube beim Bestreben aufbringt, in ihre Ursprungslage zurückzukehren, bezeichnet man als Vorspannkraft – sie entspricht der Klemmkraft in der Fügestelle.

Sie wird deshalb als Vorspannkraft bezeichnet, weil diese Kraft bereits in der Verbindung wirkt, nachdem sie angezogen wurde – also vor dem Aufbringen einer äußeren Betriebslast. Wenn beispielsweise eine Schraubenverbindung für eine externe Betriebslast von $10\text$ ausgelegt ist, dimensioniert man die Schraube so, dass sie nach dem Anziehen eine höhere Kraft – sagen wir $15\text$ – aufbringt.

Auf diese Weise wird nicht nur sichergestellt, dass die Schraube die Verbindung innerhalb ihrer Tragfähigkeit hält, sondern auch ein Wechselwirkungs- und Schwingeffekt vermieden, durch den eine sich unter Last weiter dehnende Schraube mit der Zeit ermüden würde.

Eine vorspannkraftgesteuerte Verbindung sorgt nicht nur für eine deutlich bessere Schraubenverbindung, sondern schützt auch das Hauptverbindungselement und verlängert dessen Lebensdauer – vorausgesetzt, es löst sich nicht durch äußere Einflüsse wie dynamische Belastungen oder Vibrationen.

Klassische Sicherungsverfahren wie Stoppmuttern mit Nyloneinsatz, Ganzmetall-Sicherungsmuttern und Federringe können aufgrund ihrer Funktionsweise nicht garantieren, dass sich das Verbindungselement nicht löst. Reibungsbasierte Produkte wie Stoppmuttern mit Nyloneinsatz und Ganzmetall-Sicherungsmuttern schließen den Einsatz von Schmiermitteln an der Verbindung aus – obwohl Schmierung eine weitere hervorragende Möglichkeit ist, das Verhalten der Verbindung zu verbessern (siehe dazu unseren Blogbeitrag über geschmierte Verbindungen).

Die Funktionsweise der Keilsicherungsscheibe der WL-Serie ermöglicht die gewohnt schnelle Montage wie bei einer Standard-Schrauben-Mutter-Kombination, die Nutzung von Schmiermitteln auf den Gewinden und schließlich ein Sicherungsverfahren, das den Erhalt der Vorspannkraft garantiert.

Der wesentliche Vorteil der WL-Keilsicherungsscheibe gegenüber anderen Methoden liegt im Formschluss zu allen Teilen der Verbindung. Dies wird durch die Radialrippen auf den Außenseiten beider Scheibenhälften erreicht.

Bei einer Sacklochverschraubung entsteht ein Formschluss zur Unterseite des Schraubenkopfs und zum Werkstoff des Fügeteils; bei einer Durchsteckverschraubung besteht derselbe Kontakt zum Schraubenkopf und Werkstoff auf der einen Seite sowie zum zweiten Fügeteil und der Mutterunterseite auf der anderen Seite. Die einzige Möglichkeit für die Verbindung, sich durch Drehung zu lösen, führt folglich über die glatten Innenseiten des Scheibenpaars, wo die Keilflächen zu wirken beginnen. Wenn die Scheiben versuchen, sich zu trennen, müssen sie die Keilflächen hinaufgleiten. Da deren Steigungswinkel größer ist als die Gewindesteigung des Verbindungselements, ist ein selbsttätiges Losdrehen ohne manuelles Einwirken physikalisch unmöglich.