Diese Feder macht aus einem Drehmomentproblem ein Längenproblem

Die Randbemerkung stimmt, und sie ist das ganze Modell

Eine Schraube ist ein elastisches Bauteil. Beim Anziehen wird sie gedehnt, und die Klemmkraft ist diese Dehnung mal ihrer Steifigkeit. Wie sich eine Verbindung danach verhält, entscheidet nicht die Schraube allein, sondern das Verhältnis zwischen der Steifigkeit der Schraube und der der verspannten Teile; darum geht es in Die Schraube ist eine Feder.

Die erste Folge, der man begegnet: Eine steife Schraube in einer steifen Verbindung ist empfindlich gegenüber kleinen Längenänderungen. Setzen von wenigen Mikrometern, ein Temperaturwechsel an zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, eine Toleranzkette, die am falschen Ende herauskam: Jedes davon ist eine winzige Verschiebung, und in einer steifen Baugruppe ist eine winzige Verschiebung eine große Laständerung. Was allein die Temperatur bewirkt, steht in Temperatur verschiebt die Vorspannkraft.

Was der Anschlag tatsächlich bringt

Die Antwort, diese Schrauben würden angezogen, bis sie stehen bleiben, beschrieb den eigentlichen Mechanismus, und es lohnt sich, ihn klar auszusprechen. Sobald die Schraube ihren festen Anschlag erreicht, geht jedes weitere Drehmoment in den Anschlag, nicht in die Feder. Die Feder ist um einen festen, von der Geometrie vorgegebenen Weg zusammengedrückt, und die Kraft, die sie liefert, ist dieser Weg mal ihrer Federrate.

Die Last hängt also nicht mehr davon ab, wie kräftig jemand den Schraubendreher gedreht hat, auch nicht von der Gewindereibung oder davon, ob das Gewinde geölt oder feucht war. Genau diese Größen machen eine Drehmomentangabe unzuverlässig, und was eine Drehmomentvorgabe stillschweigend über sie annimmt, steht in Eine Drehmomentvorgabe setzt einen Reibungszustand voraus.

Die Laststeuerung ist vom Drehmoment auf den Weg übergegangen. Das ist dieselbe Familie von Entscheidungen wie das drehwinkelgesteuerte und das streckgrenzgesteuerte Anziehen, die eine Kraftmessung durch eine Winkelmessung ersetzen, nur dass hier die Geometrie diese Aufgabe übernimmt und der Monteur überhaupt nicht geschult werden muss.

Entscheidend ist, dass der Anschlag im Kraftfluss der Verspannung liegt. Liegt er außerhalb, etwa wenn eine Hutmutter auf einem zu langen Stehbolzen aufsitzt, liefert derselbe Mechanismus das Gegenteil: Der Schlüssel steigt weiter und klickt, obwohl nichts verspannt ist.

Die Unsicherheit verschwindet nicht, sie wechselt den Lieferanten

Diesen Teil sollte man mitnehmen, denn es liegt nahe, die Feder als kostenlose Genauigkeit zu lesen. Das ist sie nicht. Die Streuung ist von einem Ort an einen anderen gewandert, und der neue Ort hat eine Preisliste.

Drehmomentgesteuertes Anziehen trägt den Reibungszustand mit sich. Der Wert der VDI 2230 für drehmomentgesteuertes Anziehen, kalibriert an der Originalverbindung, beträgt ±17 bis 23 %, und woher die geläufigeren ±25 % tatsächlich stammen, ist in Wie schlecht Ihr Anziehverfahren die Vorspannkraft steuert aufgearbeitet. Nichts davon liegt in der Hand des Monteurs, und nichts davon ist hinterher sichtbar.

Eine Druckfeder trägt stattdessen ihre Fertigungstoleranz, und diese Toleranz ist eine festgelegte, in Klassen einteilbare Größe. EN 15800 legt Qualitätsanforderungen an kaltgeformte Druckfedern fest und definiert drei Gütegrade, mit zulässigen Abweichungen für den Windungsdurchmesser, die ungespannte Länge, Rechtwinkligkeit und Parallelität sowie — die hier entscheidende — die Federkraft bei einer gegebenen Länge. Gütegrad 1 ist das engste Toleranzband und am teuersten; Gütegrad 3 ist das weiteste.

Dieselbe Idee in der Schraubenverbindung

Die Kühlerschraube ist der sichtbare Fall, doch derselbe Tausch steht auch in einer gewöhnlichen Schraubenverbindung mit viel weniger Federweg zur Verfügung, in Form einer Spannscheibe. DIN 6796 behandelt sie für Schraubenverbindungen, und unsere eigene Seite über Unterlegscheiben führt sie als eine Zeile in einer Typentabelle: Sie halten die Vorspannkraft über Temperaturwechsel und Setzen aufrecht, wirken also gegen Vorspannkraftverlust und nicht gegen Losdrehen. Den Rest dieser Tabelle und was die anderen Scheibentypen tatsächlich leisten, finden Sie unter Unterlegscheiben erklärt.

Zwei Dinge sollte man wissen, bevor man sie als allgemeine Lösung behandelt. Ein Hersteller von Tellerfedern gibt an, dass diese Scheiben ausschließlich für statische Lasten in Schraubenverbindungen bestimmt sind und dass ihre maximale Kraft 70 bis 90 % der Klemmkraft von Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 entspricht. Das ist ein namentlich genannter Hersteller mit einer Zahl, aber eben ein Hersteller, der die Norm beschreibt: DIN 6796 haben wir nicht gelesen. Das Zweite genau lesen: Ein Federelement, das bei Betriebslast fast flach ist, hat kaum noch Federweg übrig; es liefert also eine kleine elastische Reserve, nicht die Art von Nachgiebigkeit, die eine Kühlerfeder bietet.

Was es kostet

• Bauhöhe und Teilezahl. Die Nachgiebigkeit muss irgendwo untergebracht werden, und bei einem Kühler ist sie das höchste Element im Schraubenaufbau.
• Eine Feder ist ein Teil, das relaxiert. Sie hat ihr eigenes Verhalten bei Temperatur und über die Zeit, und sie liegt nun dauerhaft im Kraftfluss.
• Die Prüfung ändert sich. Die Last lässt sich nicht mehr mit einem Drehmomentschlüssel bestätigen, denn das Drehmoment nach dem Anschlag sagt etwas über den Anschlag aus. Die Prüfung wird zur Maßprüfung, oder sie wird zum Vertrauen in den Gütegrad der Feder.
• Der Anschlag muss ein echter Anschlag sein. Alles oben Gesagte setzt voraus, dass die Schraube an einer kontrollierten Stelle eine feste Schulter erreicht. Geht sie im Gewinde auf Block oder auf einer Fläche, die nachgibt, hat sich die Geometrie verschoben, die die Last festgelegt hat.

Wann sich das lohnt

• Wenn das Teil darunter ein Lastfenster statt eines Mindestwerts hat. Zu wenig, und es liegt nicht richtig an; zu viel, und es wird beschädigt. Drehmomentsteuerung ist ein schlechter Weg, in einem Fenster zu landen.
• Wenn die Klemmlänge zu kurz ist, um eine brauchbare Feder zu sein. Wenige Millimeter Aufbau können eine Temperaturschwankung nicht abfedern. Ein weiches Element hinzuzufügen ist die einzige verfügbare Nachgiebigkeit.
• Wenn der Monteur nicht die Person ist, für die Sie spezifiziert haben. Eine Schraube, die stehen bleibt, kann eine eilige Hand nicht über die Auslegungslast hinaus anziehen.
• Nicht, wenn die Verbindung Querkräfte über Reibung übertragen muss. Dieser Fall verlangt eine so hohe Vorspannkraft, wie die Teile zulassen, nicht eine kontrollierte und bewusst maßvolle.

Die Form der Kennlinie dieser Feder bestimmt ein Verhältnis, und bei einer Tellerfeder ist es der Buchstabe in der Teilenummer: A, B und C sind drei Kennlinienformen, keine drei Größenstufen.

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 haben Schrauben von Kühlkörpern Federn?

Weil das Gehäuse darunter innerhalb eines Lastfensters gehalten werden muss und der Aufbau zu kurz ist, als dass die Schrauben selbst als brauchbare Feder wirken könnten. Ein weiches Element in Reihe erlaubt der Baugruppe, ihre Länge durch Setzen, Wärmeausdehnung oder Toleranzen etwas zu ändern, ohne dass sich die Last stark ändert. Die Schrauben sind dann so ausgelegt, dass sie auf Anschlag gehen; die Last wird also durch den Federweg bestimmt und nicht dadurch, wie kräftig jemand den Schraubendreher gedreht hat.

Ist eine Feder genauer als ein Drehmomentschlüssel?

Sie ist keine kostenlose Genauigkeit, sondern eine andere Quelle der Unsicherheit. Drehmomentgesteuertes Anziehen trägt den Reibungszustand im Gewinde und unter dem Kopf mit sich, den hinterher niemand sehen oder einstellen kann; VDI 2230 gibt für drehmomentgesteuertes Anziehen, kalibriert an der Originalverbindung, plus/minus 17 bis 23 % an. Eine Feder trägt ihre eigene Fertigungstoleranz, und EN 15800 macht diese zu einer in Klassen einteilbaren Größe, indem sie die zulässige Abweichung der Federkraft bei gegebener Länge über drei Gütegrade festlegt. Die Unsicherheit wird zu etwas, das man kauft, statt zu etwas, das man erbt.

Warum nicht einfach längere Schrauben verwenden, um denselben Effekt zu erzielen?

Das geht, und eine Antwort im Ausgangsthread sagte genau das: Eine Schraube ist bereits eine Feder, nur eine sehr steife, und ausreichend lange Schrauben mit Distanzhülsen würden die gewünschte Federrate liefern. Das Hindernis ist der Bauraum. Ein Kühleraufbau misst wenige Millimeter, und es gibt keinen Platz für die zusätzliche Länge. Wo der Platz vorhanden ist, ist eine größere Klemmlänge die normale und die bessere Antwort, weil sie ein Teil einspart, statt eines hinzuzufügen.

Kann ich bei einer normalen Schraube eine Spannscheibe für dieselbe Aufgabe verwenden?

Es ist dieselbe Idee mit weit weniger Federweg, und der Eingriff ist kleiner. DIN 6796 behandelt Spannscheiben für Schraubenverbindungen. Ein Hersteller von Tellerfedern gibt an, dass diese Scheiben ausschließlich für statische Lasten in Schraubenverbindungen bestimmt sind und dass ihre maximale Kraft 70 bis 90 % der Klemmkraft von Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 entspricht. Das ist ein namentlich genannter Hersteller mit einer Zahl statt der vageren Zusammenfassung, die diese Seite vorher enthielt; DIN 6796 selbst haben wir weiterhin nicht gelesen. Die praktische Lesart bleibt gleich: Eine Scheibe, die bei Betriebslast fast flach ist, hat sehr wenig Federweg übrig; sie bietet also eine elastische Reserve gegen Setzen, nicht die Längentoleranz, die eine Kühlerfeder bietet.

Wie prüfe ich eine solche Verbindung?

Nicht mit einem Drehmomentschlüssel. Sobald die Schraube am Anschlag anliegt, sagt das abgelesene Drehmoment etwas über den Anschlag aus und nicht über die Last in der Feder. Übrig bleibt die Maßprüfung, also festzustellen, dass die Schraube die Schulter tatsächlich erreicht hat und die Feder auf die vorgesehene Höhe zusammengedrückt ist, oder das Vertrauen in den spezifizierten Gütegrad der Feder. Das sind die versteckten Kosten des Tauschs: Die Last wurde wiederholbar, und zugleich wurde sie in der Linie schwerer zu bestätigen.

Quellen

• EN 15800:2008 — zylindrische Schraubenfedern aus runden Drähten, Gütevorschriften für kaltgeformte Druckfedern; Quelle der drei Gütegrade und der zulässigen Abweichung der Federkraft bei gegebener Länge
• DIN 6796 — Spannscheiben für Schraubenverbindungen; Katalogeintrag, die Norm wurde nicht gelesen
• Surisa, DIN 6796 standard — Beschreibung eines Tellerfederherstellers: ausschließlich statische Lasten, maximale Kraft 70–90 % der Klemmkraft von Schrauben der Klassen 8.8 und 10.9, C60 gehärtet auf 420–510 HV, Tabellen M3–M36
• VDI 2230 Blatt 1 — Anziehfaktor und das Steifigkeitsverhältnis-Modell, auf dem diese Seite aufbaut

Die Quellen dieser Seite sind nicht alle von gleichem Rang, und es lohnt sich zu sagen, welche welche ist. Das Steifigkeitsverhältnis-Modell und die Werte des Anziehfaktors stammen von unseren oben verlinkten Seiten, wo sie seinerzeit anhand von VDI 2230 und NASA RP-1228 aufgearbeitet wurden. Die Angaben zu EN 15800, nämlich dass sie drei Gütegrade definiert und dass die zulässigen Abweichungen die Federkraft bei gegebener Länge umfassen, stammen aus der Normzusammenfassung und aus Katalogeinträgen, nicht aus Abschnitten, die wir gelesen haben; die Gütegrade werden dort qualitativ beschrieben, und hier wird kein Prozentwert genannt, weil keiner verfügbar war. Die Aussagen zu DIN 6796 lagen beim Schreiben dieser Seite auf derselben Zusammenfassungsebene und wurden seither aufgewertet: Ein namentlich genannter Tellerfederhersteller gibt an, dass diese Scheiben ausschließlich für statische Lasten bestimmt sind und dass ihre maximale Kraft 70 bis 90 % der Klemmkraft von Schrauben der Klassen 8.8 und 10.9 entspricht. Das ist ein Hersteller, der die Norm beschreibt, nicht die Norm selbst, und DIN 6796 bleibt hier ungelesen. Ein Widerspruch bleibt offen statt aufgelöst: Dieser Hersteller gibt die Tabellen der Norm mit M3 bis M36 an, während ein Datenblatt eines Händlers zu DIN 6796 Größen ab M2 und M2.5 aufführt. Wir haben keines der beiden Dokumente gelesen und wissen nicht, welcher Bereich stimmt; für diese Website ist das relevant, weil M2 und M2.5 in unserem Fertigungsbereich liegen. Ein Lastwert für ein Prozessorgehäuse erscheint hier nicht, weil wir keine zitierfähige öffentliche Spezifikation gefunden haben. EN 15800 ist eine CEN-Norm und keine ISO-Norm, daher ist sie mit einem Katalogeintrag statt mit iso.org verlinkt; die Website hat sie bisher nicht zitiert, es gab hier also keine vorhandene Nummer zum Übernehmen.