Kontermuttern und andere Arten von Schraubensicherung

In industriellen Anwendungen entscheiden oft unscheinbare Details über Betriebssicherheit, Wartungsaufwand und Produktlebensdauer - dazu zählen auch Schraubensicherungen. Ob in Maschinenbau, Fördertechnik oder Robotik, eine gelöste Schraube kann teure Folgen haben. In diesem Blog werfen wir einen praxisnahen Blick auf die Kontermutter, stellen alternative Sicherungsmethoden wie Sicherungsmuttern, Klebstoffe und einige formschlüssige Lösungen vor und bewerten die Wirksamkeit der Schraubensicherungen durch einen Junker-Test.

Warum lösen sich Schrauben?

Schrauben halten Bauteile zusammen, übertragen Kräfte und sichern bewegliche Komponenten. Dennoch kommt es immer wieder vor, dass sich Schrauben während des Betriebs unbeabsichtigt lösen. Dies kann sich als erhöhter Verschleiß oder Spiel in der Verbindung auswirken, kann aber auch gravierende Folgen haben.

Typische Ursachen für das unbeabsichtigte Lösen sind:

• Vibrationen und Mikrobewegungen: In dynamischen Systemen, wie z.B. bei Robotern oder Förderbändern, führen wiederholte Erschütterungen zu einem allmählichen "Herausdrehen" der Schraube, insbesondere bei ungesicherten oder schlecht vorgespannten Verbindungen. Welche Rolle der Reibungskoeffizient dabei spielt, erläutert unser Beitrag über die Grundlagen des Reibungskoeffizienten.
• Setzprozesse und Materialfluss: Bei thermischer oder mechanischer Belastung verformen sich die Kontaktflächen geringfügig. Dadurch sinkt die Vorspannkraft und die Schraube sitzt nicht mehr fest.
• Wechselnde Temperaturen: Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Schraube und Bauteilmaterial können zu Spannungsabbau und Lockerung führen, beispielsweise bei Anlagen, die zyklische aufgeheizt und abgekühlt werden.
• Fehlende oder falsche Montage: Ein unzureichendes Drehmoment, fehlende Schraubensicherung, die Montage von alten oder beschädigten Befestigungselementen, oder unebene Auflageflächen sind klassische Montagefehler, die langfristig zum Lösen einer Schraube führen können.

Wann braucht man eine Schraubensicherung?

Schraubverbindungen sind in nahezu allen industriellen Anwendungen unverzichtbar. Sie sorgen dafür, dass Bauteile sicher und dauerhaft miteinander verbunden bleiben. Doch Schraubverbindungen sind im Betrieb zahlreichen Belastungen ausgesetzt. Dazu zählen Vibrationen, Stoßbelastungen, thermische Ausdehnung und Setzerscheinungen. Aber auch wechselnde mechanische Kräfte können dazu führen, dass sich Schrauben allmählich lösen.

Ein selbständiges Lösen von Schrauben kann schwerwiegende Folgen haben. Im harmlosesten Fall führt es zu erhöhtem Wartungsaufwand und unerwarteten Stillständen. In sicherheitskritischen Systemen - wie etwa bei der Befestigung von Robotergreifern, Tragrollen oder Schutzverkleidungen - kann eine gelöste Schraube jedoch auch zu Sachschäden, Produktionsausfällen oder Personengefährdung führen.

Die Schraubensicherung hat daher die vorrangige Aufgabe, die Vorspannkraft der Verbindung aufrechtzuhalten, also die Kraft, mit der die Schraube die Bauteile zusammenpresst. Nur so bleibt die Verbindung zuverlässig und betriebssicher. Eine geeignete Schraubensicherung schützt nicht nur die Verbindung selbst, sondern erhöht die Lebensdauer von Komponenten, senkt Instandhaltungskosten und trägt somit entscheidend zur Anlagensicherung bei.

Ziele der Schraubensicherung

Um das unbeabsichtigte Lösen von Schrauben dauerhaft zu verhindern, kommen verschiedenste Schraubensicherungen zum Einsatz. Ihr Zweck geht jedoch über das reine Festhalten hinaus - sie erfüllen mehrere technische Schlüsselfunktionen, die für die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Verbindungen ausschlaggebend sind.

Schraubensicherung zum Verhindern des selbständigen Lösens von Schrauben

Im laufenden Betrieb wirken auf Schraubverbindungen oft dynamische Kräfte: Vibrationen, Stöße, Erschütterungen oder wechselnde Lasten. Besonders in Bereichen wie Robotik, Fördertechnik oder an rotierenden Baugruppen ist das Risiko hoch, dass sich eine Schraube mit der Zeit selbständig lockert. Eine wirksame Losdrehsicherung verhindert genau dieses ungewollte Verdrehen der Schraube und schützt so die mechanische Integrität der Verbindung.

Schraubensicherung zum Erhalt der Vorspannkraft

Die Vorspannkraft ist die durch das Anziehen der Schraube erzeugte Klemmkraft, die die verbundenen Teile zusammenhält. Sobald sich eine Schraube lockert, geht diese Vorspannkraft verloren. Das führt zu Spiel in der Verbindung, was wiederum zu erhöhtem Verschleiß und möglichem Versagen der Verbindung führen kann. Eine geeignete Schraubensicherung sorgt dafür, dass die Vorspannkraft auch über längere Zeiträume hinweg konstant bleibt, indem sie beispielsweise Setzerscheinungen kompensiert oder ungewollte Drehbewegungen blockiert.

Schraubensicherung zur Vermeidung von Wartungsaufwand und Nachziehen

In vielen industriellen Anlagen ist regelmäßiges manuelles Nachziehen von Schrauben zeit- und kostenintensiv, insbesondere bei schlecht zugänglichen Stellen oder bei schwierigen Umgebungsbedingungen. Eine wirkungsvolle Schraubensicherung reduziert oder eliminiert diesen Aufwand. Durch den Einsatz von dauerhaften Sicherungslösungen können Wartungszyklen verlängert, Ausfallzeiten reduziert und Servicekosten gesenkt werden.

Arten von Schraubensicherungen

Schraubensicherungen lassen sich grob in folgende Kategorien einteilen: kraftschlüssige, formschlüssige, stoffschlüssige Verbindungen.

Kraftschlüssige Schraubensicherungen

Kraftschlüssige Sicherungen erhöhen die Reibung zwischen den Verbindungspartnern, um ein selbständiges Lösen der Schraube zu verhindern. Sie wirken durch Vorspannung oder zusätzliche Klemmelemente und sind besonders in dynamisch belasteten Anwendungen weit verbreitet. Typische Beispiele sind:

• Federringe
• Zahnscheiben
• Sicherungsbleche
• Klemmmuttern
• Schrauben mit klemmendem Gewindeteil
• Verwendung von zwei Muttern (Kontermuttern)

Formschlüssige Schraubensicherungen

Formschlüssige Sicherungen blockieren die Drehbewegung mechanisch, beispielsweise durch Anschläge, Verkrallungen oder andere Elemente zur Verdrehsicherung. Sie bieten eine sehr hohe Sicherheit gegen das Lösen von Schrauben. Zu den formschlüssigen Schraubensicherungen gehören z.B.:

• Sicherungsbleche mit Umkantung
• Splinte durch Kronenmuttern
• Drahtsicherungen
• Verzahnungen an Schraubenkopf oder Unterlage

Stoffschlüssige Schraubensicherung

Stoffschlüssige Sicherungen verbinden die Gewindeteile dauerhaft durch ein Kleb- oder Schmelzverfahren. Diese Methode ist besonders effektiv gegen Vibrationen und Dichtprobleme, verursacht jedoch meist einen großen Aufwand bei der Demontage. Zu den stoffschlüssigen Sicherungen zählen:

• Schraubensicherungslacke
• andere Klebstoffe

Kontermuttern bzw. Doppelsicherungsmuttern

Diese Art der Schraubensicherung mit zwei Muttern (Kontermuttern) ist eine bewährte, mechanische Methode zur Verhinderung des selbständigen Lösens einer Schraubverbindung. Sie kommt häufig dort zum Einsatz, wo Robustheit, Wiederlösbarkeit und eine rein mechanische Schraubensicherung gefragt sind. Die Sicherung der Muttern erfolgt indem zwei Muttern gegeneinader angezogen (gekontert) werden. Dies führt im Bereich der beiden Muttern zu einer Vorspannung und Reibungszunahme an den Gewindeflanken von Schraube und Mutter. Die durch die Vorspannung hervorgerufene Reibung zwischen den Kontaktflächen der beiden Muttern verhindern, dass sich diese zueinander verdrehen, während die Reibung der Gewindeflanken ein Verdrehen der Muttern auf der Schraube verhindert.

Jedoch bietet diese Methode nicht in allen Anwendungsfällen eine ausreichende Sicherheit gegen das Lösen der Verbindung. Der Einsatz bei vibrierenden Verbindungen kann unter Umständen zum Lösen der Sicherung führen. Auch muss darauf geachtet werden, dass die Schrauben eine ausreichende Verspannung zueinander aufweisen, um das ungewollte Lösen zu verhindern.

Die Sicherung durch eine Kontermutter und die Sicherung mittels Hard Lock Nuts® oder anderen Doppelsicherungsmuttern erscheint im ersten Moment ähnlich. Sie sind jedoch nicht direkt vergleichbar, da zum Beispiel Hard Lock Nuts® zusätzlich zur Verspannung über die Gewindeflanken noch eine radiale Spannung aufbaut, was die Reibung noch einmal zusätzlich erhöht.

Beim Anziehen der oberen Mutter (1) werden die Kräfte automatisch in Richtung von P₁ geleitet. Die Horizontalkräfte steigen beim Anziehen, bis die obere und die untere Mutter (2) wie in Abbildung b dargestellt eng anliegen. Die Muttern sind durch die Verkeilung einwandfrei gesichert. Nach dem Anziehen bleibt die Innenspannung aus der Summe der Kräfte P₁, P₂ und P₃ gegen alle äußeren Einflüsse erhalten.

Die Schrauben oder Wellen müssen für die Verwendung von Hard Lock Nuts® eine Gewindepräzision JIS6g (Klasse 2) aufweisen. Bei abweichender Gewindepräzision passen die Muttern möglicherweise nicht richtig. Obwohl der Außendurchmesser der oberen Mutter und der unteren Mutter exzentrisch werden können oder aufgrund dieser Struktur bei der Montage ein Spiel auftreten kann, wirkt sich dies nicht auf den Betrieb aus.

Vorteile von Kontermuttern

• In Anwendungen ohne starke Vibrationen oder mit geringen wechselnden Belastungen bietet die Kontermutter eine gute und dauerhafte Sicherung.
• Verbindungen mit Kontermuttern sind rein mechanisch und unabhängig von Temperatur, Chemikalien oder Alterung und somit besonders robust und zuverlässig.
• Es sind keine Spezialteile erforderlich. Es können herkömmliche Muttern verwendet werden. Diese sind durch passende Härteverfahren auch in hochfester Ausführung erhältlich.
• Die Verbindung ist wieder lösbar und mehrfach verwendbar, solange keine Beschädigung des Gewindes vorliegt.
• Kontermuttern eignen sich gut für wartungsfreundliche Konstruktionen mit Sicht- oder Zugangsmöglichkeit zur Mutter.

Nachteile von Kontermuttern

• Die Montage ist aufwändiger als bei einfachen Muttern oder Sicherungselementen, da zwei Muttern exakt gegeneinander verspannt werden müssen.
• Es wird mehr axialer Bauraum benötigt. Dies kann die Anwendung in kompakten Baugruppen einschränken.
• Bei falscher Reihenfolge oder unzureichendem Anzugsmoment kann die Sicherungswirkung komplett ausbleiben und ein erhöhtes Fehlerpotenzial mit sich bringen.
• Diese Methode ist nicht vibrationssicher im Sinne moderner dynamischer Prüfstandards (z.B. Junker-Test), es sei denn, es werden zusätzliche Maßnahmen kombiniert.

Sicherungsmuttern oder U-Muttern

U-Muttern oder U-Clip Sicherungsmuttern sind spezielle Befestigungselemente, die sich ohne Gegengewinde direkt auf Bauteile aufbringen lassen.

Der integrierte Federbügel oder Reibring in der U-Mutter erzeugt eine zusätzliche Reibkraft im Gewindebereich und sorgt für eine selbstklemmende Wirkung. Vom Reibring wird die Druckkraft P auf das Schraubengewinde ausgeübt wodurch die Reaktionskraft P’ hervorgerufen wird. Dies führt zu einem zusätzlichen Reibungsmoment und verhindert so eine ungewollte Bewegung.

Vorteile von U-Muttern

• U-Muttern lassen sich schnell und einfach montieren, da sie ohne Spezialwerkzeug auf ein Bauteil montiert werden können.
• Die selbstklemmende Konstruktion mit Reibring verhindert zuverlässig das selbständige Lösen, auch bei Vibrationen oder dynamischen Belastungen.
• U-Muttern ermöglichen eine einseitige Montage, was insbesondere bei schwer zugänglichen oder dünnwandigen Bauteilen die Arbeit erheblich erleichtert.
• U-Muttern bestehen meist aus temperaturbeständigen Metallwerkstoffen und funktionieren daher auch in Umgebungen mit hohen oder niedrigen Temperaturen zuverlässig.
• Sie sind wiederverwendbar, solange sie mechanisch nicht beschädigt werden, und bieten somit eine wirtschaftliche Lösung für viele Anwendungen.
• Die kompakte Bauform reduziert den Platzbedarf, insbesondere im Vergleich zu klassischen Mutter-Scheiben-Kombinationen.
• Fehlmontagen werden minimiert, da U-Muttern sich durch ihre Form und Klemmwirkung eindeutig positionieren lassen.

Nachteile von U-Muttern

• U-Muttern sind primär für dünnwandige oder kantengeformte Bauteile ausgelegt, wodurch ihr Einsatz auf bestimmte Geometrien beschränkt ist.
• Bei hohen Axialkräften oder starken Zugbeanspruchungen stoßen U-Muttern an ihre Belastungsgrenzen, da sie keine hohe Vorspannung übertragen können wie klassische Schraubverbindungen.
• Die Wiederverwendbarkeit ist begrenzt, da sich bei häufiger Montage die Klemmkraft oder der Reibring abnutzen können.
• Sie bieten keinen Formschluss, sodass bei extremen Vibrationen oder sicherheitskritischen Anwendungen zusätzliche Sicherungselemente notwendig sein können.

Schraubensicherung mit Klebstoff

Die Schraubensicherung mit Klebstoff ist eine chemische Methode zur Verhinderung des selbständigen Lösens von Schraubverbindungen. Sie kommt vor allem dort zum Einsatz, wo Vibrationen, Mikrobewegungen oder Undichtigkeiten auftreten.

Wie wirkt eine Schraubensicherung mit Klebstoff?

Der Klebstoff, meist ein anaerober Schraubensicherungslack, wird auf das Schraubengewinde aufgetragen, bevor die Verbindung geschlossen wird. Sobald die Schraube montiert ist und der Klebstoff vom Sauerstoff abgeschlossen wird (anaerob), beginnt die Aushärtung durch den Kontakt mit dem Metall. Der ausgehärtete Kleber füllt das Gewindespiel vollständig aus, erzeugt eine kraft- und stoffschlüssige Verbindung und verhindert so effektiv jede Relativbewegung zwischen Schraube und Mutter. Es gibt unterschiedliche Klebstofftypen: von leicht lösbar für Wartungsarbeiten bis hochfest für dauerhafte Verbindungen.

Die Schraubensicherung mit Klebstoff bietet eine hocheffektive und unsichtbare Sicherungslösung, vor allem bei dynamischen und vibrationsreichen Anwendungen. Sie eignet sich besonders für dauerhafte Verbindungen, bei denen Wartungsfreiheit wichtiger ist als Demontierbarkeit.

Vorteile von Schraubensicherung mit Klebstoff

• Die Klebsicherung ist sehr vibrations- und schockbeständig, da der Kleber jede Bewegung im Gewinde unterbindet.
• Die Klebsicherung wirkt gleichzeitig als Dichtung, was insbesondere bei Öl- oder Drucksystemen von Vorteil sein kann.
• Der Klebstoff verteilt sich gleichmäßig im Gewinde und verhindert Korrosion durch den Ausschluss von Feuchtigkeit.
• Es sind keine zusätzlichen mechanischen Schraubensicherungen nötig.
• Die Montage ist schnell und unkompliziert, besonders bei Serienanwendungen.

Nachteile von Schraubensicherung mit Klebstoff

• Die Verbindung ist in der Regel nicht oder nur schwer wieder lösbar, insbesondere bei hochfesten Klebstoffen. Für die Wartung ist dann Wärmeeinwirkung oder Spezialwerkzeug erforderlich.
• Die Kleber müssen aushärten. Dies kann je nach Typ mehrere Minuten bis Stunden dauern - das verzögert Prozesse in der Montage.
• Eine saubere und fettfreie Oberfläche ist zwingend erforderlich, da Verunreinigungen die Haftung beeinträchtigen. Eine LABS-freie Oberfläche ist daher Pflicht.
• Die Schraube ist nach dem Lösen ohne eine intensive Reinigung oft nicht mehr wiederverwendbar, da Reste des Klebstoffs im Gewinde haften. Sowohl Schraube als auch Innengewinde müssen bei erneuter Verwendung sorgfältig gereinigt werden.
• Klebstoffe sind empfindlich gegenüber Temperaturgrenzen - bei zu hoher Hitze kann die Sicherungswirkung nachlassen.

Weitere Arten von Schraubensicherungen

Neben Muttern und Schrauben mit integrierter Losdrehsicherung und Klebstoffen gibt es eine Vielzahl von zusätzlichen mechanischen Sicherungselementen, die Schrauben und Muttern gegen selbstständiges Lösen schützen. Besonders weit verbreitet sind Sicherungsscheiben und Sicherungssplinte.

Ein Sicherungssplint ist ein metallischer Drahtstift, der durch eine Querbohrung in einer Schraube oder Welle geführt wird.

In Kombination mit einer Kronenmutter, deren Schlitze den Zugang zur Bohrung ermöglichen, wird der Splint nach dem Einschieben umgebogen, um ein Zurückdrehen der Mutter dauerhaft zu blockieren. Diese Sicherungsart bietet einen formschlüssigen Schutz gegen Verdrehen, da sich die Mutter physikalisch nicht mehr bewegen kann, ohne den Splint zu entfernen.

Auch Federringe gehören zu den Schraubensicherungen, bieten aber weniger Schutz vor unbeabsichtigtem Lösen als gezahnte Spannscheiben oder Keilsicherungsscheiben.

Bewertung der Wirksamkeit von Schraubensicherungen

Bei der Auswahl der richtigen Schraubensicherung spielt nicht nur die Frage eine Rolle, ob eine Sicherung vorhanden ist, sondern wie zuverlässig diese im Betrieb funktioniert. Denn viele Schraubverbindungen verlieren im Laufe der Zeit ihre Vorspannkraft. Um die tatsächliche Wirksamkeit von Schraubensicherungen objektiv bewerten zu können, braucht es standardisierte Prüfverfahren.

Verschiedene Verfahren, von statischen Drehmomentmessungen bis hin zu praxisnahen Dauerschwingtests helfen dabei, die Sicherungswirkung unter realistischen Bedingungen zu beurteilen. Besonders bei dynamischen Belastungen ist es entscheidend, wie gut eine Schraubensicherung die Vorspannkraft langfristig erhält. Ein international anerkanntes Verfahren zur Prüfung unter solchen Bedingungen ist der sogenannte Junker-Test.

Junker-Test

Der Junker-Test ist ein genormtes Prüfverfahren, das die Wirksamkeit von Schraubensicherungen unter seitlicher dynamischer Belastung misst.

Beim Junker-Test wird in einem Prüfstand eine Schraubverbindung mit definierter Vorspannkraft montiert. Anschließend wirkt eine Bewegung (Vibration) senkrecht zur Schraubenachse, während die Vorspannkraft kontinuierlich gemessen wird. Ziel ist es zu beobachten, wie stark und wie schnell diese Kraft durch die Bewegung abnimmt.

Der Junker-Test gilt als maßgeblicher Standard zur Prüfung der Vibrationssicherheit von Schraubverbindungen. Er stellt die Schraube unter eine realitätsnahe, dynamische Belastung und misst objektiv, ob und wann sich die Verbindung lockert. Das resultierende Axialkraft-Schwingungsfrequenz-Diagramm liefert eine anschauliche Darstellung des Verlustes der gemessenen Axialkraft beim Lösen der Schraubverbindung durch Vibration.

Es lässt sich deutlich erkennen, dass eine mit Nord-Lock® Keilsicherungsscheibe gesicherte Schraube zwar am Beginn der Schwingungen etwas von der aufgebrachten Axialkraft verliert, diese dann aber beibehält, während alle anderen die durch die Verschraubung aufgebrachte Axialkraft verlieren.

In der Konstruktion bietet der Junker-Test eine verlässliche Grundlage, um unterschiedliche Schraubensicherungen zu vergleichen, zu bewerten und gezielt auszuwählen. Er zeigt sehr deutlich, welche Systeme unter realen Bedingungen bestehen, und welche nicht.