Vorspannkraft messen ohne Prüfstand: 3 praxistaugliche Methoden für die Produktion

Wie wissen Sie, ob Ihre Schraubverbindung tatsächlich die geforderte Klemmkraft erreicht hat? Die ehrliche Antwort: In den meisten Fertigungslinien gar nicht - zumindest nicht direkt. Wie wir bereits in unserem Artikel Vorspannkraft vs. Drehmoment: Warum Sie möglicherweise die falsche Größe messen gezeigt haben, gehen rund 90 % des aufgebrachten Drehmoments in Reibung verloren. Nur der verbleibende Anteil erzeugt tatsächlich Vorspannkraft - die Größe, auf die es ankommt.

Einen klassischen Prüfstand mit Kraftmessdose aufzubauen ist möglich, aber in der laufenden Serienfertigung weder praktikabel noch wirtschaftlich. Die gute Nachricht: Es gibt drei praxistaugliche Methoden, die Vorspannkraft auch ohne stationären Prüfstand zu ermitteln. Jede hat ihre Stärken und klaren Grenzen - und die richtige Wahl hängt von Ihrem konkreten Anwendungsfall ab.

Methode 1: Ultraschall-Messung - Hohe Genauigkeit, hoher Aufwand

Wie das Verfahren funktioniert

Das Ultraschall-Messverfahren nutzt den sogenannten akusto-elastischen Effekt: Steht eine Schraube unter Zugspannung, verändert sich die Laufzeit einer Ultraschall-Longitudinalwelle durch den Schraubenschaft. Die Welle breitet sich über die gesamte Schraubenlänge aus, wird am Schraubenende reflektiert und vom Ultraschallwandler wieder empfangen.

Aus der Laufzeitänderung zwischen unbelastetem und angezogenem Zustand lässt sich die Dehnung - und damit die Vorspannkraft - berechnen.

Vorteile

• Direkte Messung der Schraubendehnung: Das Verfahren misst physikalisch nahe an der Vorspannkraft und ist unabhängig vom Reibwert.
• Hohe Einzelmessgenauigkeit: Bei Nutzung nur der longitudinalen Welle (sogenannter Assembly-Mode) wird eine Genauigkeit von etwa 3 % erreicht.
• Validierung bestehender Anzugsprozesse: Ideal, um Reibwertannahmen experimentell zu überprüfen.

Grenzen und Nachteile

Das Verfahren hat in der Serienproduktion spürbare Einschränkungen. Bei der Ein-Moden-Methode ist die Kenntnis der Referenzlaufzeit jeder Schraube im unverspannten Zustand sowie eine material- und schraubfallspezifische Kalibrierung erforderlich. Das bedeutet: Jede Schraube muss vor dem Einbau einzeln vermessen werden - ein erheblicher Mehraufwand im Serienumfeld.

Hinzu kommen weitere Einschränkungen:

• Die Schraubenoberfläche muss für die Schallankopplung zugänglich und vorbereitet sein.
• Die Ultraschallmessung liefert exakte Einzelwerte, ist jedoch temperaturabhängig, langsam und für große Schraubengruppen ungeeignet - ein dauerhaftes Monitoring ist damit nicht praktikabel.
• Die erhöhten Kosten pro Schraube erschweren die Marktakzeptanz dieses Verfahrens.

Fazit Methode 1: Die Ultraschall-Messung ist die präziseste Methode für Stichproben, Labormessungen und Validierungsaufgaben. Für die 100-%-Kontrolle in der laufenden Serie ist sie zu aufwändig.

Methode 2: Drehmoment-Drehwinkel-Analyse - Die wirtschaftlichste Serienlösung

Wie das Verfahren funktioniert

Bei den etablierten Montageverfahren erfolgt die Bestimmung der Vorspannkraft nicht direkt, sondern über die Steuerung und Überwachung von Prozessparametern wie Drehmoment, Drehwinkel, Einschraubtiefe oder Einschraubzeit. Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse geht dabei deutlich weiter als eine einfache Drehmomentkontrolle.

Wie in unserem Artikel Den "Fingerabdruck" Ihrer Schraubverbindung lesen ausführlich erläutert, liefert die vollständige Anzugskurve eine Fülle an Prozessinformationen: Eine typische Drehmoment-Drehwinkel-Anzugskurve beginnt mit einer nichtlinearen Zone, in der sich die Komponenten ausrichten. Darauf folgt der lineare, elastische Bereich, in dem die Vorspannkraft aufgebaut wird, die Teile zusammengezogen werden und die Verbindung sich stabilisiert.

Der Gradient in diesem elastischen Bereich korreliert mit der Nachgiebigkeit der Verbindung - und damit mit der tatsächlich erzeugten Vorspannkraft. Die Vorspannkraft wird über das aufgebrachte Drehmoment oder über die Kombination aus Drehmoment und Drehwinkel bestimmt. Dabei basiert die Kraftberechnung auf der Annahme, dass ein bestimmter Anteil des Drehmoments in elastische Dehnung umgesetzt wird.

Anomalien wie erhöhte Gewindereibung, Querbelastungen oder das Überschreiten der Streckgrenze sind im Kurvenverlauf deutlich sichtbar - und lassen sich durch einen reinen Drehmomentwert nicht erkennen.

Das QUANTEC MCS® als Analysewerkzeug

Das QUANTEC MCS® von GWK ist für genau diese Aufgabe konzipiert: Es erfasst mit seiner festpunktlosen Drehwinkelmessung die vollständige Anzugskurve in Echtzeit - ohne externen Referenzpunkt. Die Messgenauigkeit liegt bei ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches, die robuste Alu-Titan-Konstruktion gewährleistet Langzeitstabilität auch unter Produktionsbedingungen.

Die erfassten Daten werden drahtlos per WLAN übertragen und lassen sich in der Software QuanLab Pro®, Ceus oder QS-Torque auswerten, archivieren und für Audits dokumentieren. Damit ist das QUANTEC MCS® nicht nur Analysewerkzeug, sondern auch Dokumentationsplattform für A-Klasse Verschraubungen nach VDI/VDE 2862.

Vorteile

• Serientauglich: Keine Schraubenvorbereitung nötig, direkt in der laufenden Produktion einsetzbar.
• 100-%-Kontrolle möglich: Jede einzelne Verbindung wird überwacht und dokumentiert.
• Prozessinformation statt Einzelwert: Anomalien, Reibungseinflüsse und Streckgrenzenüberschreitungen werden sichtbar.
• Wirtschaftlich: Ein Gerät deckt alle Schraubstellen im definierten Messbereich ab.
• Kombinierbar: Ergänzbar durch Ultraschall-Stichproben zur Reibwert-Validierung.

Grenzen und Nachteile

• Das Verfahren ist stark reibwertabhängig: Variationen in Schmierung, Gewindereibung oder Kopfauflage führen zu erheblichen Streuungen der erzielten Vorspannkraft. Der Reibwert muss bekannt und stabil sein, damit die Kurvenanalyse zuverlässige Rückschlüsse auf die Vorspannkraft ermöglicht.
• Es handelt sich um eine indirekte Messung - keine direkte Dehnungsmessung wie beim Ultraschallverfahren.

Fazit Methode 2: Für die Serienfertigung ist die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse die wirtschaftlichste und praxistauglichste Methode - besonders wenn Prozessinformationen und Anomalie-Erkennung gefordert sind.

Methode 3: Sensorische Schrauben (Kraftmessschrauben) - Direkte Messung, maximale Kosten

Wie das Verfahren funktioniert

Bei sensorischen Schrauben - auch Kraftmessschrauben genannt - ist ein Dehnungsmessstreifen (DMS) oder ein piezoelektrischer Sensor direkt in den Schraubenschaft integriert. Sie erfassen die reale Schraubenkraft und dynamische Lastanteile unmittelbar im Schaft. Das macht sie zur direktesten aller drei Methoden: Gemessen wird die axiale Zugkraft im Schraubenschaft selbst.

Die DMS-Vollbrücke ermöglicht eine präzise Erfassung der axialen Schraubenkraft. Je nach Variante lassen sich zusätzlich Biegemomente oder Torsionsanteile messen, wodurch sich das Lastverhalten komplexer Verschraubungen detailliert analysieren lässt.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den anderen Methoden: Sensorische Schrauben eignen sich besonders für das dauerhafte Monitoring hochbelasteter Schraubverbindungen. Die Messung ist auch im Betrieb - also unter Last - möglich.

Vorteile

• Direkteste Messmethode: Keine Korrelation, keine Annahmen - die Kraft wird im Schaft gemessen.
• Betriebsmonitoring möglich: Kraftmessung auch unter dynamischen Betriebslasten.
• Sehr hohe Genauigkeit bei bekannter Sensorcharakteristik.

Grenzen und Nachteile

Der entscheidende Nachteil ist der Preis. Mit jeder verarbeiteten Schraube verbleibt ein teures Sensorelement im Bauteil - die Schraube kann nach der Messung nicht wiederverwendet werden. Für Serienanwendungen mit hunderten oder tausenden Schraubstellen ist das schlicht unwirtschaftlich.

Weitere Einschränkungen:

• Standardschrauben können nicht verwendet werden - es sind Sonderanfertigungen nötig.
• Begrenzte Verfügbarkeit in Standardgrößen.
• Hoher Integrations- und Schulungsaufwand.

Fazit Methode 3: Kraftmessschrauben sind das richtige Werkzeug für Entwicklung, Prototyping und hochkritische Einzelverbindungen - nicht für die wirtschaftliche Serienkontrolle.

Direktvergleich: Alle drei Methoden auf einen Blick

Welche Methode passt zu Ihrem Prozess?

Finden Sie mit unserem interaktiven Entscheidungsfinder heraus, welche Messmethode für Ihre spezifische Anwendung am besten geeignet ist:

Warum die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse in der Serie überlegen ist

Für die große Mehrheit industrieller Anwendungen - Automotive, Aerospace, Maschinenbau, Bahnindustrie - gilt: Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse mit dem QUANTEC MCS® bietet den besten Kompromiss aus Genauigkeit, Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit.

Wirtschaftlichkeit auf der gesamten Linie

Ein einzelnes QUANTEC MCS® deckt alle Schraubstellen im jeweiligen Messbereich ab. Sonderschrauben, aufwändige Vorbereitung oder schraubenspezifische Kalibrierung entfallen. Im Vergleich zur Ultraschall-Messung sind keine Referenzmessungen im unbelasteten Zustand erforderlich.

100-%-Kontrolle statt Stichprobe

Das rein drehmomentgesteuerte Verfahren eignet sich gut, um eine definierte Anzugsvorschrift umzusetzen, liefert aber keine Information darüber, wie sich die Schraubenkraft im Betrieb verändert. Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse geht darüber hinaus: Jede Verbindung wird vollständig erfasst, und Abweichungen im Kurvenverlauf - z. B. durch Reibungsanomalien oder fehlerhafte Verbindungsgeometrie - werden sofort sichtbar. Das ist besonders relevant im Kontext der Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) nach VDI/VDE 2645-3, bei der Streuungen in der erzielten Vorspannkraft systematisch erfasst und bewertet werden müssen.

Anomalie-Erkennung als Mehrwert

Störfaktoren wie Gewindefehler können für ein ausreichend hohes Drehmoment sorgen, während die tatsächliche Vorspannkraft weit unter den Anforderungen liegt. Genau diese Fälle - die durch reine Drehmomentkontrolle unerkannt bleiben - deckt die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse zuverlässig auf. Querbelastungen, zu harte Verbindungen (sogenannte harte Schraubfälle), Überdrehen oder Setzbewegungen im Anzugsprozess: Alles hinterlässt eine charakteristische Signatur in der Anzugskurve.

Die optimale Kombinationsstrategie

Die klügste Vorgehensweise in der Praxis kombiniert beide Methoden:

• QUANTEC MCS® für die laufende 100-%-Kontrolle in der Serie
• Ultraschall-Stichproben zur periodischen Validierung der Reibwertannahmen

So nutzen Sie die Stärken beider Methoden - ohne deren Nachteile in Kauf zu nehmen.

Wenn Sie die Cmk- und Cpk-Anforderungen Ihrer Schraubprozesse mit belastbaren Messdaten untermauern wollen, ist die vollständige Anzugskurve des QUANTEC MCS® die Grundlage - nicht ein einzelner Drehmomentwert am Ende des Anzugsvorgangs.

GWK ToolRent®: Erst testen, dann entscheiden

Wer die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse in der eigenen Produktion erproben möchte, muss nicht sofort investieren. Mit dem GWK ToolRent® Mietsystem erhalten Sie ein kalibriertes QUANTEC MCS® auf Wochen-, Monats- oder Jahresbasis - inklusive aktuellem Kalibrierzertifikat, versandfertig und weltweit lieferbar. So validieren Sie die Methode unter realen Serienbedingungen, bevor Sie eine Investitionsentscheidung treffen.

Fazit: Die richtige Methode für den richtigen Anwendungsfall

Alle drei Methoden zur Vorspannkraftmessung haben ihre Berechtigung - die Entscheidung hängt vom Anwendungsfall ab:

• Ultraschall-Messung -> Stichproben, Laborvalidierung, Prototypenphase
• Drehmoment-Drehwinkel-Analyse (QUANTEC MCS®) -> Serienproduktion, 100-%-Kontrolle, Anomalie-Erkennung
• Sensorische Schrauben -> Entwicklung, hochkritische Einzelverbindungen, Betriebsmonitoring

Für die große Mehrheit der industriellen Serienfertigung ist die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse mit dem QUANTEC MCS® die wirtschaftlichste, praxistauglichste und informationsreichste Lösung. Sie liefert nicht nur einen Endwert, sondern den vollständigen "Fingerabdruck" jeder Verbindung - und damit die Basis für fundierte Qualitätsentscheidungen.

Accuracy by GWK - 30 Jahre Messtechnik-Kompetenz in präzisen Werkzeugen, die zeigen, was wirklich in der Schraubverbindung passiert.