Drehmomentschlüssel

Grundprinzip und Zweck

Ein Drehmomentschlüssel ist ein handgeführtes Schraubwerkzeug, mit dem ein vorher definiertes Anzugsmoment auf eine Schraube, Mutter oder ein anderes Verbindungselement ausgeübt wird. Das Ziel ist eine passende Klemmkraft zwischen Bauteilen, damit die Verbindung auch bei maximalen Betriebskräften sicher hält. Nach DIN EN ISO 6789 unterscheidet man anzeigende Drehmomentschlüssel, auch Messschlüssel genannt, und auslösende Drehmomentschlüssel, die oft Klick- oder Knackschlüssel heißen.

Drehmomentschlüssel gibt es in verschiedenen Größen und Ausführungen für unterschiedliche Drehmomentbereiche. Das erreichbare Moment ist durch die Kraft des Benutzers und die noch handhabbare Hebellänge begrenzt, die etwa 1,5 Meter beträgt. Daraus ergibt sich eine theoretische Grenze von etwa 1500 N m; in der Praxis sind Schlüssel über 1300 N m selten. Höhere Drehmomente können mit Drehmomentvervielfältigern oder hydraulischen Schraubern erreicht werden.

Einsatz und Anzugsverfahren

Drehmomentschlüssel werden verwendet, wenn Schraubverbindungen mit einer definierten Vorspannkraft angezogen werden müssen. Normale Werkzeuge wie Maul-, Ring- oder Steckschlüssel übertragen ein Moment, das stark von der Kraft und dem Gefühl des Benutzers abhängt. Bei empfindlichen oder stark belasteten Verbindungen reicht das nicht aus.

Wichtig sind Drehmomentschlüssel zum Beispiel im Maschinenbau, in der Automobilindustrie, in der Mikroelektronik, in der Implantationsmedizin sowie in der Luft- und Raumfahrt. Beim Auto sind Radschrauben ein typisches Beispiel: Für jedes Fahrzeugmodell werden genaue Anzugsmomente vorgegeben, auch bei Stahlfelgen. Zu niedrige Momente können Verbindungen lösen, zu hohe Momente können Gewinde, Felgen, Radnaben oder Bolzen beschädigen.

Es gibt zwei wichtige Anzugsverfahren. Beim drehwinkelgesteuerten Verfahren wird die Schraube um einen definierten Winkel weitergedreht, gemessen mit einem mechanischen oder elektronischen Messaufnehmer. Beim drehmomentgesteuerten Verfahren wird das Drehmoment beim Anziehen gemessen; beim Erreichen eines Sollwertes wird eine Anzeige oder Auslösung aktiv.

Mechanische Typen

Mechanische Drehmomentschlüssel arbeiten mit unterschiedlichen Prinzipien. Knickschlüssel knicken oder brechen beim Erreichen des gewünschten Drehmoments ab und verhindern dadurch eine weitere Momenteinleitung. Auslösende Drehmomentschlüssel, auch Knack-Schlüssel, geben beim Erreichen des voreingestellten Moments ein Signal. Slipper rutschen beim Grenzmoment durch und verhindern so ebenfalls ein weiteres Anziehen.

Bei Knack-Schlüsseln muss der Anwender nach dem Signal sofort aufhören, Kraft aufzubringen. Bei Slippern hängt die Auslösegenauigkeit weniger von der Fertigkeit des Benutzers ab, weil das Werkzeug selbst durchrutscht. Für gute Verschraubungsqualität sind hohe Auslösegenauigkeit, Wiederholgenauigkeit, ein klar erkennbares Signal und möglichst geringe Einflüsse durch unterschiedliche Handhabung wichtig.

Auslösende und anzeigende Schlüssel

Bei auslösenden Drehmomentschlüsseln wird ein Soll- oder Zielmoment über eine Skala oder mit einem Prüfgerät eingestellt. Wird dieses Moment am Antriebsteil erreicht, zeigt der Schlüssel dies hörbar, fühlbar oder sichtbar an, meist durch Klicken, Knacken oder einen farbigen Indikator. Viele Modelle bestehen aus einem Stahlrohr mit Auslösemechanismus, Griff, Einstellvorrichtung und Skala. Häufig ist eine umschaltbare oder umsteckbare Ratsche integriert. Der Antrieb erfolgt oft über Vierkantzapfen in Zollgrößen wie 1/4, 3/8, 1/2, 3/4, 1 oder 1 1/2 Zoll.

Anzeigende Drehmomentschlüssel zeigen das aufgebrachte Drehmoment über eine mechanische Skala, Messuhr oder elektronische Anzeige an. Viele verwenden einen Torsionsstab, dessen Verdrehung als Maß für das Drehmoment dient. Eine einfache Bauform besitzt einen elastisch biegbaren Hebelarm und einen unbelasteten Indikatorstab. Wenn das gewünschte Drehmoment auf der Skala erreicht ist, beendet der Bediener das Anziehen. Diese Bauart ist einfach, dauerhaft genau und kostengünstig.

Elektronische und mechatronische Varianten

Elektronische Drehmomentschlüssel messen das Drehmoment meist mit einem Dehnungsmessstreifen am Torsionsstab. Das Messsignal wird verstärkt, in eine Einheit wie N m oder lbf ft umgerechnet und auf einem Display angezeigt. Es können verschiedene Schraubfälle mit Grenzwerten gespeichert werden. Während des Anziehens zeigen LED oder Display an, ob der Wert erreicht wird. Messwerte können im internen Speicher abgelegt und über Schnittstellen wie RS-232 ausgelesen oder gedruckt werden. Typische Anwendungen sind produktionsbegleitende Dokumentation und Qualitätssicherung.

Programmierbare elektronische Drehmoment-/Drehwinkelschlüssel messen zusätzlich zum Drehmoment auch den Drehwinkel ab einem Drehwinkelstartmoment M_{α0}. Die Winkelmessung erfolgt mit Winkelsensor oder elektronischem Gyroskop. Damit lassen sich bereits verschraubte Verbindungen erkennen, Kurvenverläufe auswerten sowie Losbrechmoment, Weiterdrehmoment und Enddrehmoment bestimmen. In der Automobilindustrie werden solche Schlüssel für drehmoment-drehwinkelgesteuerte Verschraubungen verwendet, zum Beispiel 50 N m + 90°: 50 N m sind Fügemoment oder Schwellwert, danach wird noch um 90° weitergedreht.

Mechatronische Drehmomentschlüssel verbinden mechanische und elektronische Messung. Sie lösen wie ein auslösender Schlüssel aus, messen aber zusätzlich digital Klick- und Enddrehmoment. Die Messungen können per Datenfunk übertragen und dokumentiert werden.

Einheiten, Pflege und Kontrolle

Die wichtigste Einheit ist Newtonmeter, geschrieben N m oder N·m. Viele Schlüssel besitzen zusätzlich eine Skala in Pound-force foot aus dem angloamerikanischen Maßsystem, mit Einheitenzeichen wie ft·lb, lb·ft, ft·lbs oder lbf·ft. Es gilt: 1 N·m entspricht 0,73756215 lbf·ft, und 1 lbf·ft entspricht 1,3558179 N·m. Die ältere Einheit Kilopondmeter, kp·m, ist selten; 1 kp·m entspricht 9,80665 N·m.

Für Werkstattarbeiten liegen praktikable Drehmomentbereiche etwa bei 0 bis 6 N m bis hin zu etwa 200 bis 800 N m. Typische Anzugsmomente für Pkw-Radmuttern oder Radschrauben liegen zwischen 40 und 150 N·m bei Gewinden zwischen M 10 × 1,25 und M 14 × 1,5. Bei bestimmten Verbindungen, etwa Zylinderkopfschrauben, kann zuerst ein niedriges Schwellmoment vorgeschrieben sein; danach wird ein bestimmter Nachspannwinkel gedreht, um sicher den Bereich der plastischen Verformung, also die Streckgrenze, zu erreichen.

Nach Gebrauch soll bei vielen auslösenden Drehmomentschlüsseln die Feder entspannt werden, indem das kleinstmögliche Moment eingestellt wird. Werden mehrere Schrauben angezogen, sollten sie gleichmäßig und in Zwischenschritten auf das Zielmoment gebracht werden. Drehmomentwerkzeuge unterliegen der Norm EN ISO 6789:2017-07. Sie empfiehlt eine Rekalibrierung nach 12 Monaten Gebrauch oder etwa 5000 Lastwechseln, weil Feder und Begrenzungsmechanismus verschleißen. Sonderbauarten sind Dental-Drehmomentschlüssel für sehr kleine, präzise Momente, Torsiometer zur Messung mechanischer Reibungswiderstände sowie Produktionsschlüssel und Druckluft- oder Elektroschrauber mit Drehmomentbegrenzer.