Radbolzen einfetten – gute Idee?

by Paul Balzer on 9. November 2010

8 Comments

Schraube

Mindestens zwei mal im Jahr kommt man zu dem zweifelhaften Vergnügen, seine Reifen am PKW zu wechseln. In seltenen Fällen sind die Radbolzen dabei sehr schwergängig zu lösen. Sei es durch Korrosion oder durch zu hohes Anzugsmoment beim vorherigen Wechsel.

Alle Jahre wieder kommt der Tipp: Lass uns die Radbolzen einfetten oder mit Öl einschmieren. Doch welche Auswirkungen hat das auf die Verspannung?

Zu erst einmal sei gesagt, dass die Problematik der Schraubenverbindungen eine eigene Fachrichtung der Maschinenelemente ist und auf keinen Fall umfassend im Rahmen eines Blogbeitrags geklärt werden kann. Dennoch soll versucht werden mit vereinfachten Größengleichungen den Sachverhalt zu beschreiben.

Ein Radbolzen hat die Aufgabe die Felge mit der Radnabe zu verbinden. Dies geschieht in erster Linie über den Formschluss zwischen Radnabe und Felge. Die Radbolzen sind hauptsächlich dafür da, die Felge an die Radnabe zu pressen.

Durch das Anzugsmoment, welches mit dem Radkreuz oder Drehmomentschlüssel erzeugt wird, entsteht über die Gewindesteigung eine Kraft in Richtung der Radnabe. Beispielhaft soll einmal eine Schraubverbindung berechnet werden.

Beispielberechnung

Beispielhaft soll eine Schraube M12 der Festigkeitsklasse 10.9 benutzt werden. Da jeder PKW Hersteller andere Größen, Gewindesteigungen und Festigkeitsklassen verbaut, sollte dabei der Rückschluss zum eigenen Fahrzeug vermieden werden! Die Berechnung ist nur beispielhaft, eine korrekte Montage der Felgen sollte immer durch eine Fachwerkstatt durchgeführt werden.

Anzugmoment erzeugt Spannkraft

Es wird beispielhaft ein Drehmoment von 40Nm angesetzt um den Radbolzen zu montieren. Die Spannkraft ergibt sich nach

F_\text{spann}=\cfrac{M}{0{,}5 \cdot d_2 \cdot \tan(\alpha+\zeta)}

Dabei ist F=Spannkraft, M=Anzugsmoment, d=mittlerer Gewindedurchmesser, die Winkel alpha und zeta sind durch die Beziehungen

\alpha=\arctan \left( \cfrac{P}{d_2 \cdot \pi} \right)
\zeta=\arctan \left( \cfrac{\mu}{\cos(30^\circ )} \right)

zu berechnen. Dabei ist P=Gewindesteigung, µ=Reibkoeffizient

Im Winkel zeta ist der Reibungskoeffizient µ enthalten, welcher ein Maß für die Reibung im Schraubengewinde darstellt. Durch das Einbringen von Öl oder Fett auf die Schraube, wird dieser Reibwert massiv reduziert!

Spannkraft abhängig vom Reibwert

Es wird davon ausgegangen, dass das Anzugsmoment konstant bei M=40Nm bleibt.

Spannkraft_als_Funktion_des_Reibwerts

Als Anhaltswert für den Reibwert einer sauberen, trockenen, rostfreien Schraubverbindung kann von µ=0.3 ausgegangen werden [Quelle]. Eine Schmierung des Gewindes reduziert den Reibwert µ auf ca. 0.05, damit kann bei gleichem Anzugsmoment die Spannkraft erheblich gesteigert werden!

Gefahr: Bauteilversagen!

Das Problem besteht darin, dass eine Schraube/Radbolzen aus Metall ist, welches natürlich eine gewisse Belastungsgrenze hat. Dies wird bei Schraubverbindungen über die Vergleichsspannung ermittelt. Die verwendete Schraube der Festigkeitsklasse 10.9 hat eine zulässige Vergleichsspannung von

\sigma_\text{zul}=10 \cdot 9 \cdot 10 N/mm^2 = 900N/mm^2

Die Spannung, welche im Bauteil durch Zugkraft und Torsion entsteht, wird über

\sigma=\sqrt{\sigma^2+3\cdot \tau_T^2}

Die Sicherheit S ergibt sich nun aus dem Verhältnis von zulässiger Spannung zur Vergleichsspannung.

Sicherheit_als_Funktion_des_Reibwerts

Ergibt sich eine Sicherheit <1 so ist eine dauerhafte Verformung der Schraube höchst wahrscheinlich. Das sollte unbedingt vermieden werden!

Fazit

Sollte es unbedingt nötig sein das Gewinde einzuölen oder Fett zu verwenden, so muss das Anzugsmoment reduziert werden um die Festigkeitsgrenze der verwendeten Schrauben nicht zu überschreiten!

Die genaue Einhaltung des Anzugsmomentes ist ebenfalls ratsam.

8 Comments

  1. Sehr schöner Artikel, eine Kleinigkeit hab ich allerdings zu meckern:

    Du schreibst: „Ein Radbolzen hat die Aufgabe die Felge mit der Radnabe zu verbinden. Dies geschieht in erster Linie über den Formschluss zwischen Radnabe und Felge.“

    Da Radnabe und Felge glatte Oberflächen haben, wird die Kraftübertragung durch Reibung gewährleistet, weshalb man von einem Reibschluss spricht. Formschluss würde man benutzen, wenn die Kraftübertragung durch die Form der Bauteile, wie z.B. eine Verzahnung, sichergestellt wäre.

    1. Hallo Matz,
      natürlich auch über Reibung zwischen Felge und Nabe, aber in erster Linie wird ein Formschluss über die Zentrierung (im Bild bräunlich) sowie die Radbolzen (Scherung) erreicht. Das es eine Flächenpressung gibt, welche über die Reibung ebenfalls fixiert ist ja klar.
      Radnabe

  2. Ich denke, zwei Aspekte wurden hier vergessen:

    1. Es gibt Uneinigkeit, ob man auf dem Gewinde Fett (oder Kupferpaste) aufbringen soll, jedoch sind sich die Leute einig, dass auf dem Konus nichts aufgetragen werden darf.
    Beim Anziehen der Radschraube geht ein erheblicher Teil des Drehmomentes auch in die Reibung im Konus, der dann von dem Teil des Drehmomentes, der sich auf die Spannkraft auswirkt, abgezogen werden muss.

    2. Bei neuen Schraubverbindungen wird man wohl mit brauchbarer Genauigkeit einen Reibwert von 0,3 annehmen können. Bei älteren Autos mit mehr oder weniger starker Korrosion in den Gewinden ist mit starken Schwankungen des Reibwertes und damit letztlich der Spannkraft zu rechnen. Hinzu kommt der bei „trockenen“ und angerosteten Schraubverbindungen zu beobachtende Stick-Slip Effekt, der die Einhaltung eines bestimmten Drehmomentes (und letzlich einer gewünschten Spannkraft) nochmals erschwert.

    Ich meine daher, dass durch maßvolles Auftragen von z.B. Kupferpaste auf dem Gewinde als Gleit- und Korrosionsschutzmittel sich die gewünschte Spannkraft genauer über das Drehmoment einstellen läßt. Ferner wird das typische Abreißen beim Lösen von festgegammelten Schrauben wegen zu hoher Torsion vermieden. So halte ich es mit meinen Autos seit 30 Jahren und mir ist noch nie ein Bolzen wegen zu hoher Zugspannung gerissen.

  3. Sehr schöner Artikel!
    Bei der Berechnung der Spannkraft müsste allerdings m.E. vom Anzugsmoment noch das Reibmoment an der Auflage des Schraubenkopfes abgezogen werden. Hier kann es dann auch (z.B. bei Alufelgen durch verschmieren der Oberfläche9 zu erheblichen Schankungen des Reibmoments und damit der tatsächlcuh erreichten Vorspannkraft der Schraube kommen.
    Zum Thema Formschluss/Reibschluss: Nach meiner Erinnerung sind Schrauben (außer vielleicht spezielle Pass-/Schaftschrauben) nicht für die formschlüssige Übertragung von Drehmomenten bzw. Scherkärften geeignet. Es mag sein, dass der Schraubenkopf durch den Konus formschlüssig mit der Felge verbunden ist, das Verdrehen der Felge wird aber durch den Reibschluss zwischen Felge und Radnabe gewährleistet, die Schraube wird hierbei nur auf Zug (Vorspannung) belastet und nimmt keine Querkräfte auf (dafür ist eine Gewinde auch nicht ausgelegt).

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