Warum die Anziehreihenfolge wichtig ist und manche Verbindungen nachgezogen werden

Kreuzweise, sternförmig, in drei Stufen und am Ende noch einmal rundum: Die meisten lernen diese Regeln, ohne ihre Begründung zu erfahren.

Dahinter steht eigentlich nur ein Grundsatz, und sobald er ausgesprochen ist, muss man keine der Regeln mehr auswendig lernen:

Das Anziehen einer Schraube verändert die Vorspannkraft der anderen. Meist verringert sie sich, und für diesen Fall lohnt es sich auszulegen – doch die Richtung ist kein Gesetz, und das bestimmt, wie sicher man darüber urteilen kann.

Stahlrohrflansch mit acht Schrauben und einem schmalen roten Spalt an einer Seite der Verbindung.

Gleichmäßig rundum anzuziehen ist die bekannte Gewohnheit

Sternmuster, Kreuzmuster, von der Mitte nach außen: Jedes Gewerbe kennt eine Variante, und bei einem Flansch mit Dichtung ist sie tatsächlich besser als eine beliebige Reihenfolge.

Die Gewohnheit ist richtig. Meist fehlt die Erklärung, was sie ausgleicht. Deshalb wird sie bei Verbindungen ohne nennenswerte elastische Wechselwirkung angewandt und bei solchen mit Wechselwirkung manchmal ausgelassen.

Elastische Wechselwirkung

Beim Anziehen wird der Schraubenschaft gedehnt und zugleich werden die verspannten Teile geringfügig zusammengedrückt.

Wird die benachbarte Schraube angezogen, verformt sie die gemeinsamen Klemmteile. Über die Verformungsverträglichkeit verändert sich dadurch die Dehnung der ersten Schraube und damit ihre Vorspannkraft. Im häufigen Fall wird ihre wirksame Klemmlänge kürzer, ein Teil der Dehnung geht zurück und die Vorspannkraft sinkt.

Das ist elastische Wechselwirkung, kein Bedienfehler.

Eine Korrektur der üblichen Darstellung, auch unserer ersten Fassung: Der Effekt ist nicht immer ein Verlust. Veröffentlichungen zu Mehrschraubenverbindungen beschreiben je nach Abstand, Plattenbiegung, Randbedingungen und Schraubennachgiebigkeit negative, nahezu null oder positive Wechselwirkungen. In Zweischraubenmodellen gibt es sogar Positionen mit annähernd null Wechselwirkung. „Die zweite Schraube lockert die erste“ ist der häufige Fall und eine gute Ausgangsannahme, aber kein Naturgesetz.

Weichere, stärker kompressible Klemmteile begünstigen einen größeren Effekt; Dicke, Schraubenabstand, Biegesteifigkeit von Flansch oder Gehäuse, Kontaktbedingungen und Schraubennachgiebigkeit wirken ebenfalls mit. Dichtungsflansche sind der bestuntersuchte Fall. Bei kleinen Schrauben übernehmen Kunststoffgehäuse, weiche Metalle sowie Stapel aus Scheiben und Beschichtungen eine ähnliche Rolle.

Das ist das Federmodell auf Nachbarn angewandt: Die Schraube ist eine Feder, und die Verbindung ebenfalls.

Darum gleichmäßig anziehen

Kreuz- oder Sternfolge: Das Teil gleichmäßig setzen

Wer von einer Seite aus weiterarbeitet, zieht diese Seite zuerst herunter. Das Teil kippt, und jede weitere Schraube wird bereits gegen eine verzerrte Fläche angezogen. Das Überspringen zur Gegenseite verteilt die Lastpunkte, damit das Teil eben aufliegt.

Stufenweise Durchgänge: Nicht die ersten Schrauben die ganze Differenz tragen lassen

Wer sofort auf den Zielwert anzieht, entlastet die zuerst angezogenen Schrauben im weiteren Verlauf um einen unbekannten Betrag. Stufenweise Durchgänge heben alle Positionen gemeinsam an: zunächst alle auf ein niedriges Niveau, Sitz prüfen, dann weiter erhöhen.

Der letzte Rundgang: den verbleibenden Unterschied ausgleichen

Nun wird Schraube für Schraube geprüft, ob eine durch ihre Nachbarn entlastet wurde. Dafür eignet sich die Reihenfolge rundum.

Eine Norm schreibt dies aus. ASME PCC-1–2022, Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly. Das traditionelle Sternmuster zieht alle Schrauben zuerst auf 20–30%, dann 50–70% und anschließend 100% des Zieldrehmoments an. Danach folgt ein Kontrolldurchgang in Umfangsrichtung bei 100% des verifizierten Zieldrehmoments, bis sich keine Mutter mehr dreht.

Das sind Bereiche, keine Sollpunkte. 30/60/100 ist eine Vereinfachung aus zweiter Hand.
Es ist nur eines von mehreren Mustern. Die Ausgabe 2022 enthält auch modifizierte Stern-, Quadranten- und Kreisverfahren.
Der Kontrolldurchgang erfolgt in Umfangsrichtung. „Im Uhrzeigersinn“ stammt aus einer älteren Ausgabe und ist 2022 keine Forderung.
Die mechanistische Erklärung der elastischen Wechselwirkung steht nicht mehr in der aktuellen Ausgabe. Die Folge soll ihre Wirkungen weiterhin ausgleichen; die Erklärung befand sich in den Ausgaben bis 2019.

Der Anwendungsbereich ist zu beachten. Behandelt werden drucktragende Flanschverbindungen mit Ringdichtung vollständig innerhalb des Lochkreises. Die Norm erlaubt eine fallweise Übertragung der Grundsätze durch Fachleute. Diese Seite übernimmt die Begründung, nicht die Zahlen. Anzahl und Zielwert der Durchgänge muss die konkrete Verbindungskonstruktion festlegen.

Warum manche Verbindungen nach einer Wartezeit nachgezogen werden

Nach der Montage kann die Vorspannkraft weiter sinken. Das ist keine Reihenfolge-, sondern eine Zeitfrage.

Setzen. Mikroskopische Spitzen an Auflageflächen und Gewindekontakten werden eingeebnet; das geschieht nicht augenblicklich.
Kriechen. Kunststoffteile oder hoch belastete Auflageflächen verformen sich weiter.

Der Verlust hängt von der Nachgiebigkeit der Schraube und der Klemmteile ab. VDI 2230 beschreibt ihn als Setzbetrag geteilt durch die Summe dieser Nachgiebigkeiten. Unter vergleichbaren Bedingungen verliert eine steifere Anordnung mit kürzerer wirksamer Klemmlänge daher mehr je Mikrometer. Manche Konstruktionen erhöhen bewusst die wirksame Klemmlänge oder verwenden einen nachgiebigeren Schraubenabschnitt. Gemeint ist nicht einfach eine längere, tiefer eingeschraubte Schraube.

Nachziehen ist eine übliche Maßnahme, stellt die ursprüngliche Vorspannkraft aber nicht garantiert wieder her. Dasselbe Drehmoment kann nach einer Reibungsänderung eine andere Vorspannkraft erzeugen und Kunststoff, Gewinde oder Dichtung überlasten. Ob und wann nachgezogen wird, entscheidet die Auslegung. PCC-1 behandelt Nachziehen nach Inbetriebnahme nur bedingt, mit Temperatur- und Zeitvorgaben, Reibungskorrektur und Risikobewertung, und empfiehlt es für manche Dichtungsarten generell nicht.

Bei Lockerungsreklamationen ist Relaxation nur eine mögliche Ursache, nicht automatisch die erste. Selbsttätiges Losdrehen durch Querbewegung, falsche Drehmoment- oder Reibungsannahmen, beschädigte Gewinde, eingedrückte Auflageflächen, unterschiedliche Wärmeausdehnung oder zu geringe Auslegungsklemmkraft sind ebenso wichtig. Siehe Warum sich Schrauben lösen.

Kleine Schrauben in Kunststoff: Das Argument wird stärker

Bei einigen M3-Schrauben scheint eine Reihenfolge übertrieben. Die Risiken weisen in die andere Richtung:

Kunststoff ist viel weicher als Metall und verformt sich bei gleicher Vorspannkraft stärker. Ob dies die Wechselwirkung zwischen Schrauben erhöht, hängt von der Konstruktion ab; es ist ein Vorsichtsgrund, keine allgemeine Regel.
Kunststoffteile sind oft dünne Schalen; einseitiges Anziehen kann das gesamte Teil verziehen.
Kunststoff kriecht, sodass auch der zeitabhängige Verlust größer ist.

Eine vernünftige Arbeitsweise ist, alle Schrauben zunächst bis zum leichten Kontakt einzudrehen, den Sitz zu prüfen und das Ziel dann in zwei oder drei Stufen zu erreichen, je nach Form kreuzweise oder von innen nach außen. Eine Norm, die dieses Verfahren für Kunststoffteile vorschreibt, wurde nicht gefunden. Es ist eine am realen Teil zu validierende Ingenieurpraxis. Zum Werkstoff siehe Schrauben für Kunststoff.

Inhalt der Arbeitsanweisung

Die genaue Reihenfolge als nummerierte Zeichnung; bei mehr als vier Schrauben ist „kreuzweise“ nicht eindeutig.
Anzahl und Zielwert der Durchgänge in Prozent oder als tatsächliches Drehmoment, nicht „zuerst leicht“.
Ob ein letzter Rundgang vorgesehen ist und wann er endet. „Bis sich nichts mehr bewegt“ ist nur zusammen mit dem Drehmoment sinnvoll; bei PCC-1 erfolgt er bei 100% des verifizierten Zieldrehmoments.
Ob und nach welcher Zeit nachgezogen wird. Dann ist es ein Prozessschritt, keine Gewohnheit.
Für welchen Reibungszustand das Drehmoment validiert wurde. Eine andere Oberfläche erfordert erneute Validierung; siehe Drehmoment und Klemmkraft.

Das ist dasselbe Thema wie Annahmen schriftlich festhalten (englisch): Reihenfolge, Stufen und Zeitpunkt sind Annahmen.

Erst schriftlich werden sie befolgt und lassen sich bei einem Fehler prüfen.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Warum werden mehrere Schrauben in einer Reihenfolge angezogen?

Weil das Anziehen einer Schraube über elastische Wechselwirkung die Vorspannkraft der anderen verändert. Die Reihenfolge lässt das Teil gleichmäßig aufliegen. Der Effekt ist jedoch nicht immer ein Verlust: Er kann negativ, nahezu null oder positiv sein.

Warum wird in Stufen angezogen?

Ein sofortiges Anziehen auf den Zielwert entlastet die zuerst angezogenen Schrauben um einen unbekannten Betrag. ASME PCC-1–2022 nennt für das traditionelle Sternmuster Bereiche von 20–30%, 50–70% und 100%. 30/60/100 ist eine Vereinfachung aus zweiter Hand und die Werte gelten für Dichtungsflansche, nicht pauschal.

Warum erfolgt der letzte Durchgang rundum?

Dann wird jede Schraube darauf geprüft, ob Nachbarn sie entlastet haben. PCC-1 wiederholt den Durchgang beim verifizierten Zieldrehmoment, bis keine Mutterbewegung mehr auftritt. „Im Uhrzeigersinn“ ist keine Forderung der Ausgabe 2022.

Stellt Nachziehen die Vorspannkraft wieder her?

Nicht garantiert. Nach einer Reibungsänderung kann dasselbe Drehmoment eine andere Vorspannkraft erzeugen und Kunststoff, Gewinde oder Dichtung überlasten. Nachziehen nach Inbetriebnahme ist nur eine bedingte Praxis.

Brauchen kleine Schrauben in Kunststoff eine Reihenfolge?

Der Grund wird eher stärker: Kunststoff ist weich, oft dünnwandig und kriecht. Zunächst leichten Kontakt herstellen und dann in zwei oder drei Stufen anziehen ist eine zu validierende Praxis; eine Vorschrift dafür wurde nicht gefunden.

Anfrage

Wenn eine Verbindung mit mehreren Schrauben Lockerungsprobleme hat, nennen Sie Reihenfolge, Stufen und den Reibungszustand, für den das Drehmoment validiert wurde. Relaxation ist nur eine mögliche Ursache; den tatsächlichen Pfad zu trennen ist meist günstiger als die Schraube zu wechseln.

Angebot anfragen

Nennen Sie uns Teil und Menge. Wir antworten zu Machbarkeit, Lieferzeit und Preis.

Oder direkt per E-Mail　sales@tigerfasteners.com