Wie wird eine Schraubenverbindung rechnerisch nachgewiesen?

Michael · 15 Sep. 2026

Der rechnerische Nachweis einer Schraubenverbindung erfolgt durch die systematische Ermittlung der wirkenden Kräfte und Momente, die Berechnung der erforderlichen Vorspannkraft sowie den anschließenden Festigkeitsnachweis nach anerkannten Regelwerken. Maßgeblich ist dabei in den meisten Fällen die VDI-Richtlinie 2230, die den gesamten Berechnungsablauf für hochbeanspruchte Schraubenverbindungen im Maschinenbau strukturiert. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen, die technische Projektleiter bei der Schraubenauslegung in der Praxis beschäftigen.

Welche Normen und Richtlinien gelten für den Schraubennachweis?

Der Schraubennachweis im Maschinenbau stützt sich primär auf die VDI 2230, die in zwei Teilen vorliegt: Teil 1 behandelt die Berechnung einzelner Schraubenverbindungen, Teil 2 befasst sich mit Mehrschraubenverbindungen. Ergänzend kommen je nach Branche und Anwendungsfall weitere Normen wie die DIN EN 1591 für Flanschverbindungen oder branchenspezifische Regelwerke hinzu.

Die VDI 2230 definiert einen strukturierten Berechnungsgang mit klar definierten Rechenschritten, der von der Ermittlung der Betriebskräfte bis zur Beurteilung der Dauerhaltbarkeit reicht. Sie gilt als anerkannte Regel der Technik und wird von Prüfbehörden, Gutachtern und Abnehmern in Deutschland und Europa weitgehend akzeptiert. Wer eine Schraubenverbindung rechnerisch nachweisen möchte, sollte sich an diesem Dokument orientieren, auch wenn keine explizite Normpflicht besteht.

Für den Einsatz in druckführenden Systemen oder sicherheitsrelevanten Baugruppen können zusätzlich die Druckgeräterichtlinie (DGRL) oder AD-Merkblätter relevant sein. In solchen Fällen ist die Wahl des Regelwerks nicht frei, sondern durch den Anwendungsbereich vorgegeben.

Welche Kräfte und Momente wirken auf eine Schraubenverbindung?

Auf eine Schraubenverbindung wirken im Betrieb mehrere überlagerte Beanspruchungen: Axialkräfte in Schraubenrichtung, Querkräfte quer zur Schraubenachse sowie Biegemomente, die aus exzentrischer Krafteinleitung entstehen. Hinzu kommt das Anzugsmoment beim Montagevorgang, das Torsionsspannungen in der Schraube erzeugt.

Die Axialkraft ist in der Regel die dominierende Größe. Sie setzt sich aus der Vorspannkraft, die beim Anziehen aufgebracht wird, und der betriebsbedingten Zusatzkraft zusammen. Letztere ergibt sich aus der Steifigkeit der Verbindung, genauer aus dem Verhältnis der Nachgiebigkeiten von Schraube und verspannten Bauteilen. Dieses Verhältnis, der sogenannte Krafteinleitungsfaktor, bestimmt, wie viel der äußeren Last tatsächlich die Schraube zusätzlich belastet.

Querkräfte sollten idealerweise durch Passstifte, Reibung oder konstruktive Maßnahmen aufgenommen werden, nicht allein durch die Schraube. Wenn eine Schraube auf Abscheren ausgelegt werden muss, ist das ein Zeichen für eine konstruktiv verbesserungswürdige Situation.

Wie wird die erforderliche Vorspannkraft berechnet?

Die erforderliche Vorspannkraft ergibt sich aus der Forderung, dass die Verbindung unter allen Betriebsbedingungen klafffrei und dicht bleiben muss. Konkret bedeutet das: Die Restklemmkraft nach Abzug aller Verluste muss ausreichen, um die Trennkraft der Verbindung zu verhindern und gegebenenfalls die Reibungskraft zur Querkraftübertragung sicherzustellen.

Die Berechnung berücksichtigt Setzbeträge, die durch plastische Verformung an Kontaktflächen und Gewindegängen entstehen, sowie Streuungen beim Anziehen. Diese Streuungen hängen stark vom Anziehverfahren ab: Drehmomentgesteuerte Verfahren weisen größere Streubreiten auf als winkelgesteuerte oder hydraulisch vorgespannte Verbindungen. Die VDI 2230 gibt für verschiedene Anziehverfahren Anziehfaktoren an, die in die Mindestvorspannkraft eingerechnet werden müssen.

Ein häufiger Fehler in der Praxis ist es, die Vorspannkraft allein aus dem Anzugsmoment zu berechnen, ohne die Reibungszahl der Kontaktflächen sorgfältig zu bestimmen. Eine falsch angenommene Reibungszahl kann die tatsächliche Vorspannkraft erheblich von der berechneten abweichen lassen.

Wie erfolgt der Festigkeitsnachweis für statische und dynamische Belastung?

Der Festigkeitsnachweis für Schrauben unterscheidet zwischen statischer und dynamischer Beanspruchung. Bei statischer Belastung wird geprüft, ob die maximale Schraubenkraft die Streckgrenzenkraft des Schraubenquerschnitts nicht überschreitet. Bei dynamischer Belastung ist die Dauerhaltbarkeit maßgebend, also die Frage, ob die Spannungsamplitude unterhalb der Dauerfestigkeit der Schraube liegt.

Statischer Nachweis

Beim statischen Nachweis wird die maximale Schraubenkraft aus Vorspannkraft und Betriebskraftanteil ermittelt und mit der zulässigen Beanspruchung verglichen. Dabei sind Torsionsspannungen aus dem Anziehdrehmoment zu berücksichtigen, die beim Betrieb teilweise abgebaut werden, aber zum Zeitpunkt des Anziehens die Gesamtbeanspruchung erhöhen.

Dynamischer Nachweis

Für den Dauerfestigkeitsnachweis ist die Spannungsamplitude entscheidend. Diese ergibt sich aus dem schwingenden Anteil der Betriebskraft, gewichtet mit der Schraubennachgiebigkeit. Schrauben mit hoher Nachgiebigkeit, etwa durch längere Klemmlänge oder geringeren Kernquerschnitt, nehmen einen kleineren Anteil der dynamischen Last auf. Das ist der Grund, warum lange, dünne Schrauben unter dynamischer Belastung oft günstiger sind als kurze, steife.

Wann ist eine FEM-Simulation der analytischen Berechnung vorzuziehen?

Eine FEM-Simulation der Schraubenverbindung ist dann sinnvoll, wenn die analytische Berechnung nach VDI 2230 an ihre Grenzen stößt: bei komplexen Bauteilgeometrien, mehraxialen Spannungszuständen, ungleichmäßiger Krafteinleitung oder wenn die Steifigkeitsverhältnisse nicht mit einfachen Modellen abgebildet werden können.

Die analytische Methode setzt vereinfachende Annahmen voraus, etwa homogene Werkstoffeigenschaften, symmetrische Lasteinleitung und klar definierte Nachgiebigkeiten. Sobald eine dieser Annahmen in der realen Konstruktion nicht erfüllt ist, kann die Abweichung zwischen Berechnung und tatsächlichem Verhalten erheblich werden. In solchen Situationen liefert eine FEM-Strukturanalyse belastbarere Ergebnisse, weil sie die tatsächliche Geometrie und Lastverteilung berücksichtigt.

Typische Anwendungsfälle für die FEM-Simulation bei Schraubenverbindungen sind Flanschverbindungen mit großen Ausschnitten, Verbindungen in dünnwandigen Strukturen oder Verbindungen, bei denen Kontaktverhalten und Reibung zwischen den Fügepartnern eine wesentliche Rolle spielen. Auch wenn der Nachweis für eine Zulassung oder Prüfbehörde geführt werden muss und die Vereinfachungen der analytischen Methode nicht akzeptiert werden, ist die numerische Methode die robustere Wahl.

Welche Fehler führen häufig zu einem ungültigen Schraubennachweis?

Die häufigsten Fehler beim rechnerischen Schraubennachweis entstehen nicht bei der Berechnung selbst, sondern bei den Eingangsgrößen. Falsch angenommene Reibungszahlen, unklare Krafteinleitungspunkte und nicht berücksichtigte Setzbeträge führen dazu, dass der Nachweis auf dem Papier gelingt, die Verbindung in der Realität aber versagt.

Weitere verbreitete Fehlerquellen sind:

Verwendung von Nennmaßen statt tatsächlicher Gewindegeometrie für die Querschnittsberechnung
Vernachlässigung der Torsionsspannung beim Anziehdrehmoment
Falsche Zuordnung des Krafteinleitungsfaktors, besonders bei exzentrischer Lasteinleitung
Annahme eines zu günstigen Anziehverfahrens ohne Absicherung durch Prozessvorgaben
Fehlende Berücksichtigung von Temperatureinflüssen auf Vorspannkraft und Werkstoffeigenschaften

Ein strukturiertes Vorgehen nach VDI 2230 mit dokumentierten Eingangsgrößen und nachvollziehbaren Annahmen ist die wirksamste Maßnahme gegen solche Fehler. Wer den Nachweis für sicherheitsrelevante Verbindungen führt, sollte die Annahmen zusätzlich durch Messungen oder Versuche absichern.

Wie CE-SYS Engineering den Schraubennachweis unterstützt

CE-SYS Engineering führt Schraubenberechnungen nach VDI 2230 sowie ergänzende FEM-Simulationen für Unternehmen durch, die belastbare Nachweise für ihre Verbindungstechnik benötigen. Das Leistungsangebot umfasst konkret:

Analytische Schraubenauslegung nach VDI 2230 für statisch und dynamisch beanspruchte Verbindungen
FEM-Strukturanalyse bei komplexen Geometrien, mehraxialen Spannungszuständen oder behördlichen Nachweisanforderungen
Spannungsnachweise und Verformungsanalysen für Flanschverbindungen und Baugruppen mit großen Ausschnitten
Nachweisführung nach europäischen und internationalen Regelwerken
Ableitung konstruktiver Optimierungen auf Basis der Berechnungsergebnisse

Ob es sich um eine einzelne kritische Schraubenverbindung oder eine komplexe Mehrschraubenverbindung handelt: Nehmen Sie Kontakt auf und besprechen Sie Ihre Anforderungen direkt mit den Ingenieuren von CE-SYS Engineering.