Was bestimmt die Drehmomentverteilung und den Reibungskoeffizienten der Schraube?
Dec 17, 2025
Als zentraler Indikator für die Steuerung der Schraubenklemmkraft geht in der Realität der Großteil des Anzugsdrehmoments durch Reibung verloren, wobei nur ein kleiner Teil tatsächlich in Klemmkraft umgewandelt wird. Welche Faktoren bestimmen also letztendlich die Drehmomentverteilung der Schrauben und die Größe des Reibungskoeffizienten? Heute stellt der Redakteur aus Jiangsu Jinrui eine empirische Studie vor, die auf Mikrotopographieanalysen basiert und die Schlüsselfaktoren aufdeckt, die die Drehmomentverteilung und den Reibungskoeffizienten der Schrauben beeinflussen, und so eine solide Grundlage für die Erzielung einer hoch{1}zuverlässigen Befestigung bietet.
1. Reibungskoeffizient und Drehmomentverteilung
Beim Anziehen einer Schraube wird das Eingangsdrehmoment nicht vollständig zum Dehnen der Schraube und zum Erzeugen einer Klemmkraft genutzt. Tatsächlich verteilt sich das Drehmoment auf drei Verbrauchspfade:
Gewindereibung: Im Gewindekontaktbereich zwischen Schraube und Mutter entsteht Reibung, die viel Drehmoment verbraucht;
Reibung der Lagerfläche: Reibung besteht auch zwischen dem Schraubenkopf und der Unterlegscheibe oder der Oberfläche des verbundenen Bauteils, und das in diesem Teil verbrauchte Drehmoment macht einen größeren Anteil aus;
Effekt des Gewindesteigungswinkels (d. h. wirksame Vorspannungskomponente): Nur dieser Teil des Drehmoments wird tatsächlich zur Dehnung der Schraube und damit zur Bildung der Klemmkraft genutzt.
Untersuchungen haben gezeigt, dass etwa 85 bis 90 % des Drehmoments zur Überwindung der Reibung verwendet werden und nur etwa 10 % in Schraubenzugkraft umgewandelt werden.
Dies bedeutet, dass sich bei einer Änderung des Reibungskoeffizienten auch die Drehmomentumwandlungseffizienz entsprechend ändert, was zu einem möglichen Unterschied von mehr als dem Doppelten der bei gleichem Drehmoment erzeugten Klemmkraft führen kann. Daher ist es unzuverlässig, die Klemmkraft allein durch das Drehmoment zu sperren.
2. Schemadesign
Um die Kernfaktoren, die die Schraubendrehmomentverteilung und den Reibungskoeffizienten bestimmen, eingehend zu untersuchen, hat das Tribologielabor der École Centrale de Lyon in Frankreich ein systematisches Versuchsschema entwickelt. Das Hauptziel dieses Vorhabens besteht darin, mechanische Tests mit der Analyse der Oberflächenmikrotopographie zu kombinieren, um einen kausalen Zusammenhang zwischen Reibungsverhalten und Mikrostruktur herzustellen.
Das Experiment wurde gemäß der Norm ISO 16047 für Drehmoment-Spannkrafttests durchgeführt. Die verwendeten Schrauben hatten die Spezifikation M10×60, bestanden aus 30MnB4-Stahl, waren kaltgedreht, gewindegewalzt und anschließend galvanisch verzinkt. Die spezifischen Werte des Gesamtdrehmoments wurden detailliert aufgezeichnet, während das Gewindedrehmoment und das Lagerflächendrehmoment getrennt wurden, um den Reibungskoeffizienten genau zu berechnen und das Drehmomentverteilungsgesetz zu analysieren. Zur Extraktion rauheitsbezogener Parameter wurde die dreidimensionale Topographie-Scantechnologie eingesetzt und die Parameteränderungen vor und nach dem Anziehen wurden verglichen, um die intrinsische Korrelation zwischen Reibungsverhalten und Mikrotopographie zu untersuchen. Dieses Design berücksichtigt nicht nur die mechanische Leistung, sondern befasst sich auch mit der Mikroebene und deckt die grundlegenden Gründe für Änderungen in der Schraubendrehmomentverteilung und dem Reibungskoeffizienten auf.
3. Testverifizierungsmethode
Basierend auf dem obigen Schema wurde ein Prüfgerät gemäß der Norm ISO 16047 gebaut, das Drehmoment und Spannkraft genau messen kann. Der Testprozess umfasst die folgenden Links:
Schraubenbefestigung und -belastung: Installieren Sie die Schraube auf einem standardisierten Prüfstand, wenden Sie ein festgelegtes Drehmoment an und zeichnen Sie in Echtzeit die Werte des Gesamtdrehmoments, des Gewindedrehmoments, des Lagerflächendrehmoments und der Klemmkraft auf.
Messung der Reibungstrennung: Trennen Sie die Gewindereibung von der Reibung der Lageroberfläche durch die spezielle Struktur des Geräts und der Sensoren, um die Genauigkeit der Berechnung des Reibungskoeffizienten sicherzustellen.
Anordnung zum Scannen der Topographie: Führen Sie vor und nach jedem Anzugsvorgang ein dreidimensionales Scannen der Auflagefläche des Schraubenkopfes und der Unterlegscheibenoberfläche durch, um Merkmalsinformationen im Mikrometerbereich zu erfassen.
Parameterextraktion und -analyse: Extrahieren Sie rauheitsbezogene Parameter und kombinieren Sie sie mit Reibungsdaten, um die entsprechende Beziehung zwischen Änderungen der Oberflächentopographie und dem Reibungsverhalten zu analysieren.
Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des Prüfstands und die konkreten Positionen der Messpunkte.
4. Analyse der Topographieergebnisse
Die Testdaten zeigten mehrere Schlüsselphänomene, die dabei helfen, die grundlegenden Faktoren, die die Drehmomentverteilung und den Reibungskoeffizienten bestimmen, besser zu verstehen:
4.1 Dynamische Änderungen des Reibungskoeffizienten
Während des Anzugsvorgangs ist der Reibungskoeffizient nicht konstant, sondern ändert sich kontinuierlich mit dem Kontaktzustand. Im Allgemeinen ist der Reibungskoeffizient der Lageroberfläche etwa 44 % höher als der Reibungskoeffizient des Gewindes, was darauf hinweist, dass der größte Teil des Drehmoments auf der Lageroberfläche und nicht auf der Gewindeoberfläche verbraucht wird.
4.2 Signifikante Drehmomentverteilung
Selbst wenn das gleiche Klemmkraftziel eingestellt wird, kann der Unterschied im erforderlichen Drehmoment nahezu doppelt so groß sein. Beispielsweise benötigen einige Schrauben ein Drehmoment von 96,7 Nm, während andere nur 54,5 Nm benötigen. Diese Streuung der Drehmomentwerte wird direkt durch die Instabilität des Reibungskoeffizienten verursacht.
4.3 Signifikante Entwicklung der Oberflächentopographie
Die dreidimensionalen Scanergebnisse zeigen, dass sich die Rauheitsparameter der Lageroberfläche erheblich verändert haben:
Sq (Root Mean Square Rauheit) verringerte sich von etwa 5,3 μm auf 1,04 μm und die Oberfläche wurde glatter;
Ssk (Schiefe) wurde negativ, was auf eine Veränderung in der Verteilung der Oberflächenberge und -täler hindeutet, wobei sich mehr Material in den Tiefpunkten (Tälern) der Oberfläche konzentriert und die Vertiefungsmerkmale deutlicher sichtbar werden;
Der Wert von Sku (Kurtosis) nahm zu, was bedeutet, dass die Oberflächentragfähigkeit erhöht wurde.
Diese Veränderungen deuten darauf hin, dass sich die Oberfläche während des Anzugsvorgangs plastisch verformt, die reale Kontaktfläche zunimmt und sich das Reibungsverhalten entsprechend ändert. Die folgende Abbildung zeigt die dreidimensionale Topographie der Auflagefläche des Schraubenkopfes vor und nach dem Anziehen: Vor dem Anziehen weist die Oberfläche eine offensichtliche raue Gipfel-{2}}Talstruktur auf; Nach dem Anziehen werden die rauen Spitzen abgeschert, die Oberfläche wird tendenziell flach und die Richtung ist deutlicher. Dies zeigt, dass Reibung nicht nur Energie verbraucht, sondern auch die Oberflächenstruktur auf Mikroebene umformt.
Die folgende Abbildung zeigt deutlich die Reibungsspuren und plastischen Verformungsbereiche auf der Lageroberfläche durch mikroskopische Beobachtung: In einigen Bereichen gibt es erhebliche Kratzer, und die Ausbreitungsrichtung der Kratzer stimmt mit der Drehrichtung der Schraube überein, was darauf hindeutet, dass Reibung zu Materialfluss und Oberflächenschäden geführt hat.
Die folgende Abbildung zeigt die ungleichmäßigen Eigenschaften des Lagerflächenkontakts: Die tatsächliche Kontaktfläche ist viel kleiner als die Nennfläche, und die Last konzentriert sich auf wenige Mikrobereiche, was zu lokal hohen Spannungszuständen und plastischer Verformung führt. Dieser ungleichmäßige Kontakt ist der Schlüsselfaktor für Schwankungen des Reibungskoeffizienten.
