DAS ZUSAMMENSPIEL DER KRÄFTE IN EINER SCHRAUBENVERBINDUNG

Grundsätzlich ist es wünschenswert, dass Gewindeverbindungen zuverlässig sind und sich nicht selbstständig lösen können. Für ein hohes Maß an Zuverlässigkeit ist es äußerst wichtig, die in einer Schraubenverbindung auftretenden Kräfte zu verstehen, da jedes einzelne Verbindungselement das Endergebnis beeinflusst.

Abbildung 1	Abbildung 2

Vereinfacht ausgedrückt gibt es zwei mögliche Arten statischer Belastung in einer Schraubenverbindung:

Ohne Klemmkraft – die Kraft wird zwischen den Platten durch Flächenpressung und Scherkräfte im Schraubenschaft oder Gewinde übertragen. Die zu verbindenden Platten bewegen sich relativ zueinander, bis die Bohrungen am Schraubenschaft oder am Gewinde anliegen. In diesem Fall werden die Schrauben durch Querbelastung auf Scherung beansprucht; siehe Abbildung 1.
Mit hoher Klemmkraft – die Klemmkraft verhindert eine Verschiebung der geklemmten Teile. Die Kraft wird durch Reibung übertragen und die Schrauben werden durch eine axiale Belastung auf Zug beansprucht; siehe Abbildung 2. Für Verbindungen aus Edelstahl lesen Sie unseren Leitfaden zur Vermeidung von Kaltverschweißen bei Edelstahlbefestigungselementen.

Eine gegenseitige Verschiebung der zu verbindenden Bauteile ist in der Regel unerwünscht.

Daher muss in der Schraubenverbindung eine ausreichende Klemmkraft erzeugt werden. Diese Kraft ist die Vorspannkraft, die nach dem Anziehen der Mutter oder Schraube entsteht.

Die sicher aufbringbare Vorspannkraft hängt unter anderem von der Festigkeitsklasse und Prüfkraft der Schraube ab. Die Schraubenfestigkeit wird durch die Wärmebehandlung bestimmt — erfahren Sie mehr über die Wärmebehandlung von Befestigungselementen.

Wenn die auf die Konstruktion wirkenden Kräfte regelmäßig ihre Richtung ändern oder nicht konstant sind, liegt eine dynamische Belastung vor. Wie nachfolgend erläutert, kann eine dynamische Belastung dazu führen, dass sich Schraubenverbindungen lösen oder Schrauben brechen.

Damit eine Verbindung ihre Funktion erfüllt, insbesondere bei dynamischer Belastung, muss die Klemmkraft erhalten bleiben.

ELASTISCHE NACHGIEBIGKEIT EINER GEWINDEVERBINDUNG

Bei der Konstruktion und Herstellung einer Gewindeverbindung ist es sehr wichtig, die folgenden Punkte zu verstehen:

Die Schrauben und die verbundenen Bauteile bilden gemeinsam ein elastisch nachgiebiges System. Die geklemmten Bauteile werden elastisch zusammengedrückt, während sich die Schraube bei der Montage verlängert. Wird die Schraube durch eine äußere Belastung weiter gedehnt, federn die geklemmten Bauteile entsprechend zurück.
Die Zugkraft in der Schraube entspricht der Druckkraft auf die geklemmten Bauteile, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3

Kräftegleichgewicht in einer Schraubenverbindung — Darstellung, dass die Zugkraft in der Schraube der Druckkraft auf die geklemmten Bauteile entspricht

Das Zusammenspiel von Kraft und Verformung wird in einem sogenannten Kraft-Verformungs-Dreieck dargestellt, wie in Diagramm A unten gezeigt. Linie 1 im Diagramm zeigt die Verformung, die eine Schraube unter Zugkraft erfährt. Linie 2 bezieht sich auf das geklemmte Bauteilpaket, das sich unter der von der Schraube erzeugten Druckkraft verformt.

Kraft-Verformungs-Dreieck (Diagramm A) — Darstellung der Schraubendehnungskurve und der Kompressionskurve der geklemmten Bauteile bei der Klemmkraft Fm

fsm = Verlängerung der Schraube infolge der Klemmkraft Fm

fpm = Stauchung der geklemmten Bauteile infolge der Klemmkraft Fm

Aus dem obigen Diagramm geht hervor, dass bei einer Klemmkraft Fm die Verlängerung der Schraube fsm und die Stauchung der geklemmten Bauteile fpm entspricht. Da sich die verwendeten Werkstoffe und die Konstruktion der Schraube und der geklemmten Bauteile unterscheiden, sind fsm und fpm in der Regel nicht gleich.

Anschließend wirkt eine äußere Belastung Fa auf die Schraubenverbindung; siehe Abbildung 4.

Abbildung 4

Äußere axiale Belastung Fa auf eine Schraubenverbindung — Darstellung der Wirkung der äußeren Kraft auf die vorgespannte Verbindung

Um diese äußere Zugkraft Fa in Diagramm A darzustellen, muss sie zwischen den beiden Verformungskennlinien eingetragen werden. Wenn sich die Schraube durch die äußere Kraft verlängert, federn die geklemmten Bauteile um denselben Betrag zurück; siehe Diagramm B.

Kraft-Verformungs-Diagramm mit äußerer Belastung (Diagramm B) — Darstellung der Schraubenkraftzunahme Fsa, der Klemmkraftabnahme Fpa und der verbleibenden Klemmkraft Fkr

Einfluss einer elastischen Schraube auf die Kraftverteilung (Diagramm C) — Darstellung, dass eine flachere Schraubenverformungskurve die Zunahme der Schraubenbelastung unter äußerer Kraft verringert

Fm = ursprüngliche Klemmkraft in der Verbindung

Fa = äußere axiale Belastung

Fpa = Abnahme der Klemmkraft infolge von Fa

Fsa = Zunahme der Schraubenbelastung infolge von Fa

Fkr = verbleibende Klemmkraft in der Verbindung

Fs = Gesamtbelastung der Schraube

EINE ELASTISCHERE SCHRAUBE FÜHRT ZU EINER GERINGEREN ZUNAHME DER SCHRAUBENBELASTUNG

Einerseits führt Fa zu einer Abnahme der Klemmkraft, die als Fpa bezeichnet wird. Andererseits bewirkt Fa eine Zunahme der auf die Schraube wirkenden Belastung, die als Fsa bezeichnet wird.

Es ist wünschenswert, die Zunahme der Schraubenbelastung so gering wie möglich zu halten, und zwar nicht nur, um eine Überlastung der Schraube zu vermeiden. Bei einer dynamischen äußeren Belastung erfährt die Schraube die Schwankungen von Fsa. Eine hohe Amplitude von Fsa kann schnell zu einem Ermüdungsbruch führen. Außerdem darf die verbleibende Klemmkraft Fkr niemals null werden. Ist dies der Fall, öffnet sich die Verbindung und kann ihre Funktion nicht mehr erfüllen.

Die Zunahme der Schraubenbelastung Fsa kann durch die Verwendung einer elastischeren Schraube begrenzt werden. Dadurch wird die Verformungskurve der Schraube flacher, sodass ein größerer Anteil der äußeren Kraft durch eine Abnahme der Klemmkraft aufgenommen wird; siehe Diagramm C.

Der gleiche Effekt kann durch die Verwendung sehr steifer geklemmter Werkstoffe erzielt werden. Dadurch wird die Verformungskurve der geklemmten Werkstoffe steiler, und der größte Teil der äußeren Kraft wird durch eine Abnahme der Klemmkraft aufgenommen; siehe Diagramm D.

Einfluss steifer geklemmter Werkstoffe auf die Kraftverteilung (Diagramm D) — Darstellung, dass eine steilere Werkstoffkurve die äußere Kraft durch Verringerung der Klemmkraft aufnimmt

Steifere geklemmte Werkstoffe führen zu einer geringeren Zunahme der Schraubenbelastung.

KURZ ZUSAMMENGEFASST

Insbesondere bei dynamischer Belastung ist es äußerst wichtig, jede zusätzliche Belastung der Schraube so gering wie möglich zu halten, da ein plötzlicher Ermüdungsbruch auftreten kann.

Bei einer äußeren Belastung gibt es mehrere Möglichkeiten, die zusätzliche Kraft auf die Schraube so weit wie möglich zu begrenzen:

Die Konstruktionsteile sollten möglichst steif ausgeführt sein.
Die Klemmkraft sollte so hoch wie sicher möglich sein und größer als die äußere Trennkraft bleiben.
Es können elastischere Schrauben verwendet werden. Wählen Sie ein hohes Verhältnis von Klemmlänge zu Durchmesser von mindestens 5×D, wählen Sie gegebenenfalls eine größere Gewindelänge und verwenden Sie bei Bedarf eine Schraube mit reduziertem Schaft. Informationen zu dynamisch belasteten Verbindungen finden Sie in unserem Leitfaden zu Sicherungsmethoden für Befestigungselemente.

KONSTRUKTIONSPARAMETER FÜR SCHRAUBENVERBINDUNGEN

Konstruktionsparameter	Einfluss auf die Schraubenbelastung	Einfluss auf die Klemmkraft	Empfehlung
Elastischere Schraube mit größerem L/D-Verhältnis	↓ Verringert die zusätzliche Schraubenbelastung Fsa	↓ Größere Abnahme der Klemmkraft Fpa	Verwenden Sie eine Klemmlänge von mindestens 5×D.
Steife geklemmte Werkstoffe	↓ Verringert die zusätzliche Schraubenbelastung Fsa	↓ Größere Abnahme der Klemmkraft Fpa	Verwenden Sie steife Werkstoffe wie Stahl oder Gusseisen und vermeiden Sie nach Möglichkeit weiche Dichtungen.
Höhere Vorspannkraft Fm	Keine Änderung der Fsa-Amplitude bei unveränderter Verbindungssteifigkeit	↑ Höhere verbleibende Klemmkraft Fkr	Ziehen Sie die Schraube, sofern Konstruktion und Anziehverfahren dies zulassen, auf etwa 90 % der Prüfkraft an.
Reduzierter Schaftdurchmesser	↓ Macht die Schraube elastischer	Siehe „elastischere Schraube“	Verwenden Sie speziell konstruierte Schrauben mit reduziertem Schaft. Wo dies sinnvoll ist, kann eine teilweise mit Gewinde versehene Schraube wie DIN 931 einen längeren gewindefreien Schaft als DIN 933 aufweisen.
Größere Gewindelänge innerhalb der Klemmlänge	↓ Macht die Schraube elastischer	Siehe „elastischere Schraube“	Wählen Sie eine größere Gewindelänge, sofern die Verbindungskonstruktion und die erforderliche Gewindeeingriffslänge dies zulassen.
Weiche Dichtungen oder Unterlegscheiben	↑ Erhöht die Schwankung der Schraubenbelastung	↑ Größerer Verlust der Vorspannkraft im Laufe der Zeit	Vermeiden Sie nach Möglichkeit weiche Elemente. Falls diese unvermeidbar sind, sollten Tellerfedern und eine geeignete Sicherungsmethode eingesetzt werden.
Dynamische Belastung oder Vibration	↑ Das Ermüdungsrisiko steigt	↓ Risiko eines vollständigen Klemmkraftverlusts	Verwenden Sie eine geeignete Sicherungslösung, beispielsweise Nord-Lock Keilsicherungsscheiben oder Spiralock-Gewinde. Lesen Sie unseren Leitfaden zu Sicherungsmethoden.

HÄUFIG GESTELLTE FRAGEN ZU KRÄFTEN IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN

Was ist die Vorspannkraft in einer Schraubenverbindung?

Die Vorspannkraft, bezeichnet als Fm, ist die anfängliche Klemmkraft, die beim Anziehen einer Schraube entsteht. Sie drückt die geklemmten Bauteile zusammen und verlängert die Schraube, wodurch ein elastisches System entsteht, das äußeren Belastungen widersteht. Ohne ausreichende Vorspannkraft wirken äußere Kräfte direkter auf die Schraube, wodurch das Risiko eines Ermüdungsbruchs steigt. Eine unzureichende oder verlorene Vorspannkraft steht mit etwa 80 % der Schraubenbrüche im Betrieb in Verbindung.

Warum lösen sich Schraubenverbindungen unter Vibration?

Vibrationen können Mikrobewegungen zwischen den geklemmten Oberflächen verursachen, wodurch die Klemmkraft beziehungsweise Vorspannkraft schrittweise abnimmt. Mit sinkender verbleibender Klemmkraft Fkr wird ein größerer Anteil jedes Lastwechsels als schwankende Spannung direkt auf die Schraube übertragen. Erreicht Fkr den Wert null, kann sich die Verbindung öffnen. Sicherungselemente wie Nord-Lock Keilsicherungsscheiben oder Spiralock-Gewinde tragen dazu bei, die Vorspannkraft bei dynamischer Belastung zu erhalten. Lesen Sie unseren Leitfaden zu Sicherungsmethoden für Befestigungselemente.

Wie beeinflusst die Elastizität einer Schraube die Ermüdungslebensdauer?

Eine elastischere Schraube kann durch ein größeres Verhältnis von Klemmlänge zu Durchmesser von mindestens 5×D, einen längeren Gewindeabschnitt innerhalb der Klemmlänge oder einen reduzierten Schaft erreicht werden. Im Kraft-Verformungs-Diagramm bedeutet eine flachere Schraubenkennlinie, dass ein geringerer Anteil der äußeren Kraft Fa in eine Zunahme der Schraubenbelastung Fsa umgesetzt wird. Da Schwankungen von Fsa zur Ermüdung beitragen, kann eine Verringerung dieser Zunahme die Ermüdungslebensdauer der Schraube verlängern.

Was ist das Verhältnis von Klemmlänge zu Schraubendurchmesser und warum ist es wichtig?

Das Verhältnis von Klemmlänge zu Schraubendurchmesser, auch L/D-Verhältnis genannt, entspricht der Gesamtdicke der geklemmten Bauteile geteilt durch den Nenndurchmesser der Schraube. Ein Verhältnis von mindestens 5:1 wird empfohlen, da die Schraube dadurch ausreichend elastisch wird, um äußere Belastungen ohne übermäßige Spannungsschwankungen aufzunehmen. Kurze Schrauben mit einem niedrigen L/D-Verhältnis sind vergleichsweise steif und übertragen einen größeren Anteil der dynamischen Belastung direkt auf die Schraube.

Wie wähle ich zwischen einer auf Scherung und einer auf Zug belasteten Schraubenverbindung?

Bei auf Scherung belasteten Verbindungen mit Querbelastung wird die Kraft dadurch übertragen, dass der Schraubenschaft oder das Gewinde an der Bohrung anliegt. Hierfür können Passschrauben, Bohrungen mit engen Toleranzen oder geriebene Bohrungen erforderlich sein. Bei auf Zug belasteten Verbindungen mit axialer Belastung erzeugt die Klemmkraft Reibung, die eine Verschiebung der Platten verhindert. Stark vorgespannte Zugverbindungen sind in der Regel besser vorhersehbar, einfacher hinsichtlich Ermüdung auszulegen und mit normalen Durchgangsbohrungen kompatibel. Für korrosive Umgebungen lesen Sie unseren Leitfaden zu Edelstahlbefestigungselementen.

Zuletzt aktualisiert: 12. Juli 2026

ZUGEHÖRIGE PRODUKTE UND TECHNISCHE LEITFÄDEN

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Muttern für hochfeste Schraubenverbindungen — wählen Sie eine Mutter mit kompatibler Festigkeitsklasse und Gewindespezifikation.
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