Anziehverfahren im Vergleich: Drehmoment-, Drehwinkel- und streckgrenzgesteuertes Anziehen

Welches Anziehverfahren Sie wählen, entscheidet darüber, wie viel Vorspannkraft tatsächlich in der Verbindung ankommt - und wie stark diese Kraft von Schraube zu Schraube schwankt. Die Konsequenzen einer falschen Wahl reichen von überdimensionierten Schrauben über Frühausfälle bis hin zu Rückrufaktionen. Dieser Artikel erklärt die drei wichtigsten Verfahren physikalisch klar, vergleicht ihre Kennwerte und zeigt, wann welches Verfahren sinnvoll ist.

Die Grundlage: Warum Drehmoment allein nicht ausreicht

Drehmoment ist kein direktes Maß für Vorspannkraft. Beim Anziehen einer Schraube wird das aufgebrachte Moment MA in drei Anteile aufgeteilt: Überwindung der Gewindesteigung, Reibung im Gewinde (MG) und Reibung unter dem Schraubenkopf bzw. der Mutter (MK). Nur ein kleiner Teil des Drehmomentes erzeugt tatsächlich axiale Vorspannkraft.

Rund 90 % des Anzugsmoments werden durch Reibung verbraucht - nur etwa 10 % erzeugen Vorspannkraft. Die Reibzahl ist damit der dominante Parameter, und sie schwankt in der Praxis erheblich: Oberflächenrauheit, Schmierstoff, Beschichtung und Temperatur beeinflussen sie alle. Wer nur das Drehmoment kontrolliert, kontrolliert in erster Linie die Reibung - nicht die Klemmkraft.

Genau hier setzen die fortgeschrittenen Anziehverfahren an.

Die drei Verfahren im Detail

1. Drehmomentgesteuertes Anziehen

Das drehmomentgesteuerte Verfahren ist das am weitesten verbreitete. Die Schraube wird angezogen, bis ein vorgegebenes Solldrehmoment MA erreicht ist - dann stoppt der Schrauber. Werkzeuge sind einfach und kostengünstig, die Implementierung unkompliziert.

Physikalische Schwäche: Da Reibungsschwankungen direkt in die Vorspannkraft eingehen, ist die erreichbare Genauigkeit begrenzt. Beim drehmomentgesteuerten Anziehen liegt der Anziehfaktor αA typisch zwischen 1,4 und 2,0 - die maximale Vorspannkraft kann also doppelt so groß sein wie die minimale. In der Praxis entspricht das Vorspannkraftstreuungen von ±50 %.

Um die Mindestvorspannkraft sicher zu erreichen, muss die Schraube für den Worst Case (maximale Reibung) ausgelegt werden. Das bedeutet: Die Schraube wird im Normalfall nicht optimal ausgenutzt, und die Verbindung muss entsprechend konservativ dimensioniert werden.

Typische Anwendung: Nicht sicherheitskritische Verbindungen, Kleinserien, Nacharbeit, Verbindungen mit gut kontrollierten Reibbedingungen.

2. Drehmoment-/Drehwinkelgesteuertes Anziehen

Dieses Verfahren kombiniert zwei Steuergrößen. Zunächst wird ein definiertes Voranzugsmoment (Fügemoment) aufgebracht, das die Verbindung setzt und Setzerscheinungen minimiert. Ab diesem Punkt beginnt die eigentliche Drehwinkelmessung: Die Schraube wird um einen vorher berechneten Winkel φ weitergedreht.

Physikalische Stärke: Die Schraubenlängung - und damit die Vorspannkraft - ist im elastischen Bereich proportional zum Drehwinkel. Da der Einfluss der Reibung nach dem Fügemoment weitgehend ausgeschaltet wird, ist die Vorspannkraftstreuung deutlich geringer als beim reinen Drehmomentverfahren. Beim drehwinkelgesteuerten Anziehen sinkt der Anziehfaktor αA auf 1,1 bis 1,3.

Die Schraube kann dabei im elastischen oder im plastischen Bereich angezogen werden. Im plastischen Bereich wirken sich Winkelfehler nur geringfügig auf die Streuung des Anziehmomentes aus, was die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht. Das drehwinkelgesteuerte Anziehverfahren ist in der Automobilindustrie Stand der Technik.

Voraussetzung: Der Drehwinkel muss für jeden Schraubfall berechnet oder empirisch ermittelt werden. Das erfordert Kenntnis der Schraubensteifigkeit und der Klemmlänge. Eine vollständige Drehmoment-Drehwinkel-Kurve aus der Schraubfallanalyse ist die zuverlässigste Grundlage dafür.

Typische Anwendung: Sicherheitsrelevante Verbindungen in der Serienproduktion (Automotive, Maschinenbau), Verbindungen mit variablen Reibbedingungen.

3. Streckgrenzgesteuertes Anziehen

Das streckgrenzgesteuerte Anziehen (SGA) ist das physikalisch anspruchsvollste Verfahren. Die Schraube wird bewusst bis in den plastischen Bereich - also bis an oder knapp über die Streckgrenze - angezogen. Das Ziel: maximale Ausnutzung der Schraube bei minimaler Vorspannkraftstreuung.

Wie die Streckgrenze erkannt wird: Während des Anziehens werden Drehmoment und Drehwinkel kontinuierlich erfasst. Im elastischen Bereich steigt das Drehmoment mit zunehmendem Drehwinkel nahezu linear an - die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve hat eine konstante Steigung (Gradient). Nähert sich die Schraube der Streckgrenze, nimmt die Steigung der Kurve ab: Das Drehmoment steigt bei gleichem Winkelzuwachs weniger stark. Die Schraubstation erkennt den Knickpunkt der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve an der Streckgrenze durch kontinuierliche Gradientenauswertung und stoppt dort den Anziehvorgang.

Dieses gradientengesteuerte Abschalten macht das Verfahren weitgehend reibungsunabhängig: Die Streckgrenze ist eine Materialeigenschaft der Schraube, keine Funktion der Reibung.

Physikalisches Besonderheit nach dem Anziehen: Beim drehenden Anziehen entsteht in der Schraube neben der Zugspannung auch eine Torsionsspannung durch die Gewindereibung. Die Streckgrenze wird daher durch die kombinierte Vergleichsspannung aus Zug und Torsion erreicht. Unmittelbar nach dem Anziehen federt der Torsionsanteil zu etwa 50 % zurück, während die Vorspannkraft erhalten bleibt - die Verbindung gewinnt dadurch eine elastische Reserve zurück. Das erklärt, warum streckgrenzgesteuert angezogene Verbindungen in der Praxis nicht brechen.

Beim streckgrenzgesteuerten Anziehen sinkt der Anziehfaktor αA auf 1,0 bis 1,05 - die Vorspannkraftstreuung liegt unter 5 %.

Einschränkung: Da die Schraube plastisch verformt wird, ist eine Wiederverwendung nur eingeschränkt möglich. Außerdem erfordert das Verfahren Schrauben mit definierter, reproduzierbarer Streckgrenze (Festigkeitsklassen 8.8 bis 12.9 nach VDI 2230) sowie Werkzeuge, die Drehmoment und Drehwinkel simultan mit ausreichender Auflösung erfassen können.

Typische Anwendung: Hochbeanspruchte, sicherheitskritische Verbindungen; Verbindungen, bei denen Bauteilgewicht oder Bauraum eine maximale Schraubenausnutzung erfordern; Windenergieanlagen, Automotive-Strukturverbindungen.

Vergleichstabelle: Die drei Verfahren auf einen Blick

Entscheidungslogik: Welches Verfahren für welchen Schraubfall?

Die Verfahrenswahl ist keine Frage des Komforts, sondern eine technische Entscheidung, die von Sicherheitsklasse, Bauteilkosten, Stückzahl und Streuungsanforderung abhängt.

Orientierung nach VDI/VDE 2862

VDI/VDE 2862 definiert drei Schraubfallklassen (A, B, C) und legt die Mindestanforderungen an Schraubwerkzeuge und Prozessüberwachung fest - differenziert nach Sicherheit, Verfügbarkeit und Umweltschutz. Die Klassifizierung beginnt bereits in der Konstruktion: Wer die Risikorelevanz eines Schraubfalls falsch einschätzt, wählt möglicherweise ein Verfahren, das die normativen Mindestanforderungen nicht erfüllt.

• Klasse C (keine Sicherheitsrelevanz): Drehmomentgesteuertes Anziehen in der Regel ausreichend.
• Klasse B (Funktionsrelevanz, begrenzte Sicherheitsrelevanz): Drehmoment-/Drehwinkelgesteuertes Anziehen empfohlen; Drehmoment allein nur mit engem Toleranzband und dokumentierter Reibzahl.
• Klasse A (sicherheitskritisch): Drehmoment und Drehwinkel müssen überwacht werden; streckgrenzgesteuertes Anziehen bietet die höchste Prozesssicherheit.

Die Schraubkurve als Grundlage der Verfahrenswahl

Unabhängig davon, welches Verfahren Sie einsetzen: Die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve ist das zentrale Analysewerkzeug. Sie zeigt den Verlauf des Anzugsmoments über den Drehwinkel und macht sichtbar, was in der Verbindung tatsächlich passiert - Setzerscheinungen, Reibungsschwankungen, das Erreichen der Streckgrenze oder Fehler in der Verbindungsgeometrie.

Für das streckgrenzgesteuerte Anziehen ist die Kurve die Steuerungsgröße: Der Gradient wird in Echtzeit ausgewertet, und der Abschaltpunkt liegt am Knickpunkt der Kurve. Für das drehwinkelgesteuerte Verfahren liefert die Kurve die Grundlage zur Berechnung des Anzugswinkels. Und für das drehmomentgesteuerte Verfahren zeigt sie, ob die Reibbedingungen stabil genug sind, um das Verfahren überhaupt zuverlässig einzusetzen.

Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug von GWK erfasst Drehmoment und Drehwinkel simultan - mit festpunktloser Drehwinkelmessung, die den Winkel unabhängig von einem definierten Startpunkt aufnimmt. Das ist besonders relevant, wenn der Anzugsbereich nicht exakt reproduzierbar beginnt. Die vollständige Schraubkurve steht unmittelbar für die Auswertung zur Verfügung: als Grundlage für die Verfahrenswahl in der Entwicklung, für die Prozessabsicherung in der Qualitätssicherung und für die Parametrierung von Produktionswerkzeugen.

Die Genauigkeit des QUANTEC MCS® liegt bei ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches - eine Voraussetzung dafür, dass die Gradientenauswertung für das streckgrenzgesteuerte Verfahren zuverlässig funktioniert. Die erfassten Kurven lassen sich direkt in QuanLab Pro® auswerten und archivieren.

Bezug zu VDI 2230: Der Anziehfaktor als Dimensionierungsparameter

Die VDI 2230 Blatt 1 ist die maßgebliche Richtlinie für die Auslegung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen. In ihrem Berechnungsweg spielt der Anziehfaktor αA eine zentrale Rolle: Er multipliziert die erforderliche Mindestvorspannkraft und bestimmt damit die maximale Beanspruchung der Schraube.

Ein hoher αA-Wert bedeutet: Die Schraube muss für eine deutlich höhere Maximalkraft ausgelegt werden als die Mindestvorspannkraft erfordert. Das führt zu größeren Schrauben, schwereren Bauteilen und höheren Kosten. Streckgrenz- und drehwinkelgesteuertes Anziehen erreichen einen Anziehfaktor von annähernd 1 - beim drehmomentbegrenzten Anziehen kann der Faktor je nach Werkzeug bis zu 4,0 betragen. Die Verfahrenswahl hat damit direkten Einfluss auf die Bauteilauslegung: Eine kleinere Schraube mit streckgrenzgesteuertem Anziehen kann dieselbe Funktion erfüllen wie eine größere Schraube mit drehmomentgesteuertem Anziehen.

Fazit: Verfahren und Werkzeug müssen zusammenpassen

Die drei Anziehverfahren sind keine austauschbaren Optionen - sie haben unterschiedliche physikalische Grundlagen, unterschiedliche Anforderungen an Werkzeug und Prozess und unterschiedliche Konsequenzen für die Bauteilauslegung.

• Drehmomentgesteuert ist einfach und kostengünstig, aber reibungsabhängig und mit hoher Streuung behaftet. Für unkritische Verbindungen mit stabilen Reibbedingungen ausreichend.
• Drehmoment-/Drehwinkelgesteuert reduziert den Reibungseinfluss deutlich, erfordert aber eine sorgfältige Parametrierung auf Basis der Schraubkurve. Standard für sicherheitsrelevante Serienverbindungen.
• Streckgrenzgesteuert liefert die geringste Streuung und die höchste Schraubenausnutzung, setzt aber präzise Messtechnik und Schrauben mit definierter Streckgrenze voraus. Einwegcharakter der Schraube muss akzeptiert werden.

Die Schraubkurve verbindet alle drei Verfahren: Sie ist Analysewerkzeug, Parametrierungsgrundlage und Prozessnachweis in einem. Wer sie nicht kennt, trifft Verfahrensentscheidungen auf Basis von Annahmen - nicht auf Basis von Daten.

Accuracy by GWK.