Zusammenhang zwischen Anzugsmoment, Schraubenvorspannkraft und Dichtkraft

Das Anzugsmoment erzeugt in den Schrauben eine Vorspannkraft. Die Summe aller Vorspannkräfte belastet die Dichtung und erzeugt die notwendige Dichtkraft. Im Betrieb wirkt zusätzlich die durch den Innendruck verursachte Flanschtrennkraft, welche die wirksame Dichtkraft reduziert.


1. Herleitung Anzugsmoment → Schraubenvorspannkraft

Das Anzugsmoment setzt sich aus Gewindereibung, Kopfreibung und dem Anteil zur Erzeugung der Vorspannkraft zusammen.

MA = MG + MK

Die detaillierte Berechnung nach VDI 2230 berücksichtigt Gewindegeometrie, Steigungswinkel und Reibwerte. Für die Praxis werden diese Einflüsse zu einem Anziehfaktor K zusammengefasst:

MA = K · FV · d

Umgestellt nach der Schraubenvorspannkraft:

FV = MA K·d

2. Einfluss der Gewindeform auf den K-Faktor

Gewindeart Einfluss auf K Bemerkung
Metrisches Regelgewinde Referenz Standardgewinde mit 60° Flankenwinkel
Metrisches Feingewinde K etwas kleiner Etwas höhere Vorspannkraft bei gleichem Moment
Trapezgewinde deutlich kleiner Höherer Wirkungsgrad, häufig bei Kraftspindeln
Rundgewinde geringer Einfluss Sonderanwendungen

Praktischer Hinweis

Die tatsächlichen Reibwerte durch Schmierung, Beschichtung oder Werkstoffpaarung haben meist einen deutlich größeren Einfluss auf K als die Gewindeform selbst.


3. Gesamtvorspannkraft aller Schrauben

FV,ges = n · FV

4. Flanschtrennkraft durch Innendruck

Der Innendruck erzeugt eine Kraft, die versucht, die Flansche auseinanderzudrücken.

FB = p · A

Wirksamer Dichtungsdurchmesser

Der wirksame Dichtungsdurchmesser D beschreibt den Durchmesser, auf dem die durch den Innendruck verursachte Flanschtrennkraft angreift. Für Flachdichtungen wird üblicherweise der mittlere Dichtungsdurchmesser verwendet:

D = Da+Di 2

Die wirksame Druckfläche ergibt sich zu:

A = π·D2 4

5. Dichtungsringfläche

Für die Dichtungsflächenpressung wird die tatsächliche Ringfläche der Dichtung verwendet.

AD = π4 · Da2 − Di2

6. Verfügbare Dichtkraft im Betrieb

FD = FV,ges − FB

Die verfügbare Dichtkraft ergibt sich aus der Gesamtvorspannkraft abzüglich der Flanschtrennkraft.


7. Dichtungsflächenpressung

q = FD AD

8. Zusammengefasste Formeln

Schraubenvorspannkraft je Schraube

FV = MA K·d

Gesamte Vorspannkraft

FV,ges = n·MA K·d

Dichtkraft im Betrieb

FD = n·MA K·d − p·π·D2 4

Dichtungsflächenpressung

q = n·MA K·d − p·π·D2 4 π4 · Da2 − Di2

9. Beispielrechnung

Gegeben

Schraubenvorspannkraft

FV = 120 0,20·0,016 = 37,5 kN

Gesamtvorspannkraft

FV,ges = 8·37,5 = 300 kN

Wirksamer Dichtungsdurchmesser

D = 170+150 2 = 160 mm

Wirksame Druckfläche

A = π·0,1602 4 = 0,0201 m²

Flanschtrennkraft

FB = 1 000 000·0,0201 = 20,1 kN

Verfügbare Dichtkraft

FD = 300−20,1 = 279,9 kN

Dichtungsringfläche

AD = π4 · 0,1702 − 0,1502 = 0,00503 m²

Dichtungsflächenpressung

q = 279 900 0,00503 = 55,6 MPa

Merksatz:

Die Dichtheit einer Flanschverbindung wird durch die Dichtungsflächenpressung bestimmt. Diese ergibt sich aus der verfügbaren Dichtkraft im Betrieb geteilt durch die wirksame Dichtungsringfläche. Eine ausreichend hohe Vorspannkraft muss die durch den Innendruck verursachte Flanschtrennkraft dauerhaft übersteigen.

Festigkeitsklassenprüfung

Aus der berechneten Vorspannkraft je Schraube wird geprüft, welche Festigkeitsklasse mindestens erforderlich ist.

Dazu wird zunächst der normierte Spannungsquerschnitt As der gewählten Schraubengröße (z.B. M16) bestimmt.

FM,zul = 0,9·As·Re

Dabei ist:

Der Rechner vergleicht die erforderliche Vorspannkraft je Schraube FV mit der zulässigen Montagevorspannkraft FM,zul.

FV ≤ FM,zul

Die kleinste Festigkeitsklasse, welche diese Bedingung erfüllt, wird als Empfehlung ausgegeben.

Tabelle der Festigkeitsklassen

Festigkeitsklasse Zugfestigkeit Rm [MPa] Streckgrenze Re [MPa] Verhältnis Re/Rm
4.6 400 240 0,60
5.8 500 400 0,80
6.8 600 480 0,80
8.8 800 640 0,80
10.9 1000 900 0,90
12.9 1200 1080 0,90

Beispiel M16

Für eine M16-Schraube beträgt der Spannungsquerschnitt:

As = 157 mm²

Die zulässigen Montagevorspannkräfte ergeben sich näherungsweise zu:

Festigkeitsklasse Zulässige Montagevorspannkraft FM,zul
8.8 ≈ 90 kN
10.9 ≈ 127 kN
12.9 ≈ 153 kN

Ist die erforderliche Vorspannkraft höher als die zulässige Montagevorspannkraft der Klasse 12.9, sollte ein größerer Schraubendurchmesser gewählt werden.