Wichtigste Steuergröße für das Anziehen von Schraubverbindungen ist immer das Drehmoment. Auch für viele andere Verfahren wird das Drehmoment als eine Steuergröße benötigt.

Die Problematik beim drehmomentgesteuerten Anziehen liegt ausschließlich in den schwankenden Reibbeiwerten. Dabei muss man vor allem zwischen der Kopfreibung und der Gewindereibung unterscheiden. Die Summe dieser schwankenden Reibungseinflüsse führt dazu, dass selbst bei hoher Drehmomentwiederholgenauigkeit Schwankungen der resultierenden Vorspannkraft von 50 % und mehr auftreten können.

Dies bedeutet, dass die Schraubverbindung immer so überdimensioniert sein muss, dass sie bei einer Abweichung nach oben nicht überlastet wird und bei einer Abweichung nach unten noch immer die geforderte Vorspannkraft aufbringt.

Beim sogenannten Drehwinkelverfahren werden wie­derum das Drehmoment und der Drehwin­kel der Schraubverbindung als Steuergröße herangezogen. Dabei dient im Endanzug der Drehwinkel und nicht das Drehmoment als Steuergröße. D.h. die Schraube wird bis zu einem Schwell­moment angezogen und von dort aus um einen vorgegebenen Nachspannwinkel wei­tergedreht. Das Drehmoment kann als zusätzliche Kontrollgröße überwacht werden.

Dieses seltene Verfahren findet lediglich bei ganz speziellen Sicherheitsverschraubungen Anwendung, bei denen die Schrau­be in den plastischen Bereich ange­zogen werden muss. In diesem plastischen Bereich führt ein Weiterdrehen der Schraube praktisch zu keinem nennenswer­ten Drehmomentanstieg mehr, so dass das Dreh­moment nicht als Steuergröße herangezogen werden kann.
Für den Anzug einer Schraube in den plas­tischen Bereich müssen ganz bestimmte Parameter eingehalten werden. Zudem ver­liert die Schraube ihre Wiederverwendbarkeit, da sie beim Anzug quasi dauerhaft ver­formt wird.

Um die starken Einschränkungen der Dehnschraube zu vermeiden ohne die Abhängigkeit der Reibwerte als Nachteil zu bekommen, wurde das streckgrenzgesteuerte Anziehen entwickelt. Auch hier werden Drehmoment und Drehwinkel als Steuergrößen erfasst. Man macht sich dabei die abfallende Steigung im Spannungs-/Dehnungsdiagramm bei Erreichen der Streckgrenze als Abschaltkriterium zunutze.

Betrachtet man das Spannungs-/ Dehnungsdiagramm, so zeigt sich, dass der Anstieg zunächst linear erfolgt und sich bei Erreichen der Streckgrenze abflacht. Die Axialkraft verhält sich proportional zum Drehmoment - die Dehnung proportional zum Drehwinkel. Mathematisch wird der Anstieg einer Kurve als die Ableitung der Funktion definiert. Fällt die Ableitung des Drehmomentes nach dem Drehwinkel auf ca. 50 % des Ausgangswertes, ist die Streckgrenze erreicht und der Anzugsvorgang wird been­det. Man kann diesem Prozess noch zusätz­lich Grenzwinkel und Grenzmomente zur Sicherheit überlagern.

Mit diesem Verfahren können die Nachteile der schwankenden Reibwerte oder der Einschränkung der ausgewählten Schraube vermieden werden. Die eingesetzten Schrauben können durch die größere Sicherheit beim Erreichen der notwendigen Montagevorspannkraft kleiner dimensioniert werden.

Dennoch hat sich dieses Verfahren in der Praxis nicht sehr weit verbreiten können, da es mit einem sehr hohen messtechnischen Aufwand und damit hohen Kosten verbunden ist. Außerdem erfordert es im dauernden Betrieb sehr konstante Verhältnisse an den Bauteilen und stellt auch bestimmte konstruktive Anforderungen an die Schraubverbindung. Dieses Verfahren ist nur bei ordentlichen metrischen Stahlverbindungen anwendbar, da nur hier das dargestellte Spannungs-/Dehnungsdiagramm Gültigkeit hat. Außerdem sind diese Verfahren bei klei­neren Drehmomenten messtechnisch nicht vernünftig einsetzbar.

Grundsätzlich ist der mathematische Zu­sammenhang zwischen der Dehnung der Schraube und der erzeugten Vorspannkraft wesentlich genauer als zwischen Dreh­moment und Vorspannkraft. Eine direkte Dehnungsmessung führt daher zu genauen Vorspannkraftwerten. Dies kann z.B. über die mechanische Messung einer Bohrung in der Schraube erfolgen, die tiefer sein muss als die Einspannlänge der verwendeten Schraube. Diese Methode findet in der Praxis praktisch keine Anwendung, da sie sich lediglich für Spezialfälle mit größeren Schrauben eignet.

Ultraschall-Längenmessung

Eine weitere Methode ist, die Dehnung der Schraube über die Laufzeitmessung einer Ultraschallwelle zu erfassen. Hierzu wird ein Ultraschallimpuls in den Schraubenkopf eingebracht. Der Impuls pflanzt sich durch die Schraube fort, wird am Schaft­ende an der Grenzfläche Stahl/Luft reflektiert und läuft zum Schraubenkopf zurück. Der Zeitunterschied zwischen dem 1. und 2. Echo des Impulses wird zur Längenmessung der Schraube verwendet. Diese Messung kann hochfrequent erfolgen, so dass mit mehreren tausend Messungen pro Sekunde eine hohe Auflösung erreicht werden kann.

Als Störgrößen müssen dabei noch die verschiedenen Spannungszustände des Schraubenwerkstoffes sowie die Temperatur der Schraube kompensiert werden. Dieses Verfahren wurde bereits zur Serien­reife entwickelt und findet bei ganz sensiblen Sicherheitsschraubverbindungen in der Automobilindustrie erste Anwendungen. Dabei kann jedoch auf die zusätzliche Überwachung von Drehmoment und Drehwinkel noch nicht verzichtet werden.

Auch dieses Verfahren erfordert Spezialschrauben mit aufgedampftem Sensor. Mit jeder verarbeiteten Schraube verbleibt somit ein teures Sensorelement am Bauteil.