Verbindungstechnik Hochmomentverbindungen: Kraftvolle Lösungen für moderne Technik

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Wenn Brückenteile verbunden, Rotoren an Windrädern befestigt oder schwere Pressen im Fundament verankert werden, müssen die Schraubverbindungen extremen Kräften standhalten. In solchen Fällen kommen Hochmomentverbindungen zum Einsatz.

Sind für das Festziehen einer Schraubverbindung mehr als 1.000 Newtonmeter erforderlich, sprechen Experten von Hochmomentverbindungen. Zum Vergleich: Bei einem Radwechsel an einem Pkw ziehen Mechaniker die Schrauben mit etwa 120 Newtonmetern an – eine Aufgabe, die noch mit einem manuellen Drehmomentschlüssel bewältigt werden kann. „In High-Torque-Anwendungen sind jedoch Drehmomente von bis zu 190.000 Newtonmetern und Gewindedurchmesser von z. B. 200 Millimetern gefordert“, erklärt Marc Wlcek, Senior Bolting Specialist beim Schraubtechnik-Anbieter Hytorc. Dies entspricht den Zugkräften, die in großen industriellen Pressen der Automobilindustrie genutzt werden, um Bleche zu formen. Der dafür benötigte Hebel muss entsprechend lang sein: für 1.000 Newtonmeter ist ein Hebel von einem Meter erforderlich, auf den ein Gewicht von 100 Kilogramm einwirken muss. Manuell ist das kaum noch zu bewerkstelligen.

Windkraft als Innovationstreiber

Im Bereich hoher Drehmomente ist es insbesondere die Windkraft, die die Grenzen des Machbaren auslotet und die neue Entwicklungen antreibt. „In der Windkraftindustrie beobachten wir derzeit signifikante Änderungen bei den verwendeten Befestigungsmitteln“, bestätigt Marc Wlcek. Denn mit immer größeren Konstruktionen streben Betreiber nach höherer Effizienz und Kosteneffektivität ihrer Anlagen. „Die Windmühle von einst ist heute eine hochkomplexe und viele Megawatt starke Anlage. Die Konstruktionsphase erfordert angepasste Schraubfallanalysen, um kritische Verbindungen sicher auszulegen“, beschreibt Kevin Pietrucha, Montage-Experte und Produktmanager bei Atlas Copco, die Ausgangslage.

Höhere Windkrafttürme ermöglichen längere Rotorblätter, was die Energieausbeute steigert. Allerdings erfordern größere Anlagen auch stärkere Komponenten. So muss beispielsweise das Generatorhäuschen einen schwereren Generator aufnehmen und stellt damit höhere Anforderungen an die Konstruktion und die Auslegung der Schraubverbindungen in den Turmsegmenten.

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Ein Windkraftturm wird in großen Segmenten gefertigt, die vor Ort zu einer Gesamthöhe von etwa 100 Metern und höher montiert werden. Die Montage der Rotorblätter erhöht die Gesamthöhe auf bis zu 160 Meter, was den Transport des gesamten Turms unmöglich macht. Stattdessen wird er in Segmenten vorgefertigt und vor Ort zusammengesetzt. Die Segmente werden mit speziellen hochfest-vorgespannten Schrauben (HV) verbunden, die ursprünglich für den Stahlbau entwickelt wurden. Diese Schrauben sind so konzipiert, dass sie vor allem auf Scherung beansprucht werden und den Flanschen bei Vibrationen optimalen Schutz bieten. „Für diese Anwendungen nutzen wir vorzugsweise Schrauben mit der Festigkeitsklasse 10.9, die eine Zugfestigkeit von 1.000 Newton pro Quadratmillimeter bzw. 900 N/mm² Streckgrenze und einer Dehnung von mindestens 9 Prozent standhalten können“, erklärt Wlcek.

Bei der Montage von Windkraftanlagen liefern die Schraubenhersteller meist komplette Garnituren, bestehend aus Schrauben, zwei Unterlegscheiben und einer Mutter. Diese Sets sind nach Norm gefertigt und stammen vom selben Hersteller, um die Korrosionsbeständigkeit durch gleichmäßige Verzinkung und einen präziseren Reibwert zu gewährleisten. Denn die Qualität der Verzinkung kann sowohl positiv als auch negativ die Reibung beim Schrauben beeinflussen, zu deren Überwindung die meiste Kraft aufgebracht werden muss. Ihre korrekte Berechnung ist besonders wichtig, um die Vorspannkraft und damit den Drehmoment bestimmen zu können. Andernfalls sitzt die Verbindung entweder nicht fest genug oder die Schraube kann abreißen.

„Für Schraubgerätehersteller besteht eine Herausforderung in der Planungsphase darin, eine passende Abstützung für den jeweiligen Schraubfall bereitzustellen. Nur mit der passenden Abstützung kann gewährleistet werden, dass das komplette, vom Konstrukteur berechnete Drehmoment auch in die Schraubverbindung eingebracht werden kann, um die nötige Vorspannkraft zu erzeugen“, ergänzt Konstantin Sauer, Vertriebsleiter beim Schraubwerkzeuganbieter MPT.

Während der Wartung von Windkraftanlagen überprüfen Verbindungsspezialisten regelmäßig die Schraubverbindungen. Hierbei kommt es vor allem auf die Verifizierung der Vorspannkraft an. Ein weitverbreiteter Ansatz ist dabei das Markieren der Schrauben: Techniker bringen eine Markierung auf der Schraube an und ziehen eine Linie bis zur Mutter. Nach dem Lösen und erneuten Anziehen der Schraube mit dem festgelegten Drehmoment prüfen sie, ob die Markierungen noch übereinstimmen – ein Indikator dafür, dass die Vorspannkraft erhalten geblieben ist.

Moderne Schraubtechniken wie das Drehmoment-Drehwinkel-Verfahren bieten noch präzisere Möglichkeiten, die Vorspannkraft zu kontrollieren. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein geringes Drehmoment verwendet, um die Bauteile zu fügen. Anschließend wird ein Drehwinkel angewandt, der genau die erforderliche Längung der Schraube erzeugt, unabhängig von der tatsächlich aufgewandten Kraft. Dieses Verfahren ist genauer und vermeidet Schäden am Gewinde, die durch Fremdpartikel wie Sand verursacht werden könnten.

Industrie 4.0 hält Einzug in Hochmomentanwendungen

Schraubwerkzeuge für Hochmomentanwendungen sind heute in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Hydraulische Schrauber, eine Innovation, die ursprünglich für die Öl- und Gasindustrie entwickelt wurde, sind mittlerweile weit verbreitet und sind fester Bestandteil des Sortiments der Anbieter.

Daneben gewinnen auch batteriebetriebene Schraubwerkzeuge immer mehr an Bedeutung, da sie erhebliche Vorteile bieten: Monteure benötigen kein schweres Hydraulikaggregat, keine Schläuche und keine externe Stromversorgung mehr. „Für Hochmoment-Anwendungen, wie etwa die Montage von großen Flanschen in der Prozessindustrie oder bei dem Aufbau und der Wartung von Windenergieanlagen, sind Anwender nicht mehr auf konventionelle Elektroschrauber angewiesen. In vielen Bolting-Aufgaben sind gesteuerte Akkuwerkzeuge ihren kabelgebundenen Geschwistern inzwischen ebenbürtig“, erklärt beispielsweise auch Atlas Copco die Vorzüge auf der Unternehmens-Webseite.

Hygiene-Design

Sauber verschraubt: Verbindungstechnik im Hygiene-Check

„Es wird bei Hochdrehmomentverschraubungen auch immer mehr in Richtung Industrie 4.0 gefragt. Hier sind die Themen Werkerführung, Dokumentation und Risikoverschraubungen relevant“, sagt Andrea Behr vom Werkzeughersteller Gedore.

Intelligente Geräte, die Kommunikationsfähigkeiten besitzen, erstellen automatisch Verschraubungsprotokolle. Früher musste der Techniker manuell notieren, welche Schrauben er mit welchem Drehmoment angezogen hatte. Heute übernehmen die Werkzeuge diese Aufgabe selbst, indem sie nicht nur die Drehmomente bereitstellen, sondern auch direkt im Gerät messen. „Für Aufträge mit Prüfpflicht sind Dokumentationssysteme heute eine Voraussetzung. Das gilt insbesondere für sicherheitsrelevante Verschraubungen, bei denen der Hersteller gewährleisten muss, dass die Schraubverbindungen korrekt angezogen sind“, betont Konstantin Sauer. Diese Methoden führen darüber hinaus zu erheblichen Kosteneinsparungen, besonders in der Windkraft, wo durch präzisere und dokumentierte Verschraubung die Notwendigkeit für häufige Nachjustierungen reduziert wird. Bei Offshore-Anlagen, wo die Wartung besonders kostenintensiv ist, kann eine optimierte Verschraubung, also signifikante Summen einsparen.

Mit der Weiterentwicklung der Schraubtechnik und -werkzeuge stehen Ingenieuren und Technikern heute immer präzisere, nachhaltigere und kosteneffizientere Lösungen zur Verfügung, um die Herausforderungen der Zukunft erfolgreich zu meistern.

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