Diskussion:Schraubenverbindungen: Unterschied zwischen den Versionen

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Eigentlich müßte es Schraubverbindung genannt werden und nicht Schraubenverbindung!
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[[Bild:Flansch neu.JPG|right]]  
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Dies sollte man mal ändern. [[Benutzer:D.Vagt]]
 
  
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Ist in der Literatur nicht eindeutig geregelt, man findet beides. Was spricht für Schraubverbindung?--[[Benutzer:Dg|Dg]] 00:09, 16. Dez 2005 (CET)
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== Grundlagen ==                 
  
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Imho handelt es sich bei der Teilung um ein Verb -> Schrauben. Daher würde eher Schraube als Substantiv passen.
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=== Begriffserklärung ===   
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Bzw. liegt die Deutung evtl. für dritte bei der Schraube, was man eher mit der Bekannten Blechschraube, Sechskantschraube etc. in Verbindung bringt. Daher denke ich ist die Aussage Schraubverbindung ratsamer wäre. Oder sehe ich das jetzt falsch?[[Benutzer:D.Vagt|D.Vagt]] 00:40, 16. Dez 2005 (CET)
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Eine Schraubenverbindung ist eine [[lösbare Verbindungen |lösbare Verbindung]] von zwei oder mehreren Teilen durch eine oder mehrere Schrauben. Die Schrauben sind dabei so zu bemessen, dass das entstandene Verbundteil die ihm zugedachte Funktion erfüllt und den auftretenden ruhenden oder wechselnden Betriebskräften standhält.
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[[Bild:Bolzen 60.JPG]]
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=== Einsatzgebiet ===
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Schrauben und Muttern sind am häufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und Verbindungselemente, die in allen Industrie- und Handwerksbranchen eingesetzt werden. Je nach Nutzung der Schraubenfunktion unterscheidet sich auch der Einsatzgebiet.
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*Befestigungsschrauben werden für die Herstellung von Spannverbindungen verwendet (Verspannen von zwei Bauteilen)
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*Bewegungsschrauben zum Umwandeln von Drehbewegung in Längsbewegung (Schraubstock, Schraubzwingen, Leitspindel einer Drehmaschine)
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*Dichtungsschrauben zum Verschließen von Einfüll- und Auslauföffnungen (Getrieben, Ölwannen)
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===  Aufbau und Funktion ===
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Die Schraubenverbindung beruht auf der Paarung von Schraube bzw. Gewindestift mit Außengewinde und Bauteil mit Innengewinde (meist Mutter). Bei der Verdrehung von Schraube zu Mutter erfolgt ein Gleiten der Gewindeflanken der Schraube auf den Gewindeflanken der Mutter und damit eine Längsbewegung. Formschluss wird im Gewinde erzielt.
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[[Bild:Bolzen mit Mutter 60.JPG]]
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Die wichtigsten Funktionen der Verbindung sind: Vorspannung, Bewegung, Kraftübersetzung, Verschlussfunktion, Dichtfunktion, Hubeinstellung (Stellschraube), sowie Längenmessung (Mikrometerschraube).
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=== Vorteile / Nachteile ===
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Vorteile:
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*lösbar
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*einfache Montage und Demontage
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*wiederverwendbar im Vergleich zu Nietverbindungen
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*hohe Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu Klebverbindungen
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*Verbinden unterschiedlicher Werkstoffarten möglich
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*keine Gefügeveränderung im Vergleich zu Schweißen
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*verschiedene Gewindearten und Festigkeitsklassen
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Nachteile:
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*Korrosionsanfälligkeit
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*Aufwändige Vorbereitung der Verbindung (Bohren, Senken, Gewindeschneiden)
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*Schwächung der Bauteile durch Bohrungen
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*nicht geeignet für schwererreichbare Verbindungsstellen
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*Vorspankraftverlust durch Setzen
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*nichtkontrolliertes Anziehen führt zu plastischen Verformungen bzw. zum Bruch
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== Aufbauelemente der Schraubenverbindung ==
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[[Bild:Scheiben 60.JPG]]
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=== Gewinde und Gewindearten ===
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Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung, die längs einer um einen Zylinder gewundenen Schraubenlinien verläuft. Die Schraubenlinie kann rechts- oder linksgängig hergestellt werden. Dadurch unterscheiden wir Rechts- und Linksgewinde.
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Gewindekenngrößen sind:
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*Nenndurchmesser = Außendurchmesser
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*Kerndurchmesser
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*Flankendurchmesser - theoretisches Maß, das in der Mitte zwischen Nenndurchmesser und Kerndurchmesser liegt
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*Steigung - zuruckgelegte Weg (Längsbewegung) bei einer Umdrehung oder der Abstand zwischen zwei Gewindespitzen
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*Steigungswinkel
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*Teilung = Steigung geteilt durch die Gangzahl
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*Flankenform
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Ausgehend von den Kenngrößen unterscheidet man im wesentlichen folgende Gewindearten:
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* '''a)  metrisches Gewinde nach DIN ISO 13, für Befestigungsschrauben'''
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* b)  metrisches Feingewinde nach DIN ISO 13 mit geringerer Steigung bei höheren Beanspruchungen
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* c)  Rohrgewinde nach DIN ISO 228, nichtdichtend, für Fittings oder Hähne
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* c)  Rohrgewinde nach DIN ISO 2999 und 3858, dichtend, Kegel 1:16, Einsatz mit Dichtband oder Hanf
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* d)  metrisches Trapezgewinde nach DIN ISO 103, 380, 263 und 30295 Leitspindeln, Schraubstöcke, Schraubzwingen
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* e)  metrisches Sägengewinde nach DIN 513,2781 Hub- und Druckspindeln
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* f)  Rundgewinde nach DIN 405,15403, für Bewegungsspindeln/Kupplungsspindeln beim Eisenbahnwagen
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* g)  Elektrogewinde DIN 40430 für Lampenfassungen und Sicherungen
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[[Bild:Gewindearten.jpg]]
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=== Schrauben und Muttern ===
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Die Schrauben unterscheiden sich im wesentlichen durch die Form des Kopfes. Am häufigsten werden folgende Schrauben verwendet:
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* a)  Sechskantschraube
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* b)  Innensechskantschraube
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* c)  Halbrundschraube
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* d)  Senkschraube
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* e)  Zylinderschraube
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* g)  Stiftschraube
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[[Bild:Schraubenarten.jpg]]
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Muttern werden bei Durchsteckverschraubungen eingesetzt. Bedingt durch ihre Form ist bei Muttern nur ein Antrieb von außen möglich. Die wichtigsten genormten Muttern sind :
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* a)  Sechskantmutter
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* b)  Vierkantmutter
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* c)  Hutmutter
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* d)  Nutmutter
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* e)  Kronenmutter
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* f)  Schlitzmutter
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* g)  Zweilochmutter
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[[Bild:Mutternarten.jpg]]
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=== [[Scheiben und Sicherungselemente]] ===
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== Normung ==
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=== Normen und Richtninien ===
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Verbindungs- und Befestigungselemente wie Schrauben, Muttern oder ähnliche Formteile sind auf nationaler, regionaler und internationaler Basis genormt.
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* Nationale Normen (DIN)
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* Europäische Normen (EN)
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* Internationale Normen (ISO)
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Hochbeanspruchte Schraubenverbindungen werden nach den VDI-Richtlinien ([http://www.vdi.de/index.php?id=301 VDI 2230]) und Schrauben an Druckbehältern nach den [http://www.gsw-essen.de/vor-ad.htm AD-Merkblättern] berechnet.
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=== Festigkeitsklassen ===
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Die Festigkeitsklassen der Schrauben (4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 10.9; 12.9) geben Informationen über die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich [[Zugfestigkeit]], [[Streckgrenze]], [[Bruchdehnung]] und [[Härte]]. Die [[Zugfestigkeit]] und [[Streckgrenze]] können über die beiden Zahlen ermittelt werden.
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[[Zugfestigkeit]] (R<sub>m</sub>) in N/mm<sup>2</sup>  =  erste Zahl &times; 100
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[[Streckgrenze]] (R<sub>e</sub>) in N/mm<sup>2</sup>  =  Produkt beider Ziffern &times; 10
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== [[Dimensionierung]] ==
 +
 
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===  Kräfte, Verformungen und Spannungen ===
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==== Betriebskraft ====
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Die Wirkung der Betriebskraft ''F<sub>B</sub>'' (angehängte Last, Zylinderinnendruck) kann axial oder quer zur Schraubenachse erfolgen.
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*''axial'', z. B. bei Flanschverbindungen, die kein Drehmoment übertragen: die Betriebskraft wirkt in Richtung der Schraubenachse, ist senkrecht oder parallel zur [[Vorspannkraft]] und bildet [[Formschluss]]. Die Schraube wird auf Zug belastet.
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[[Bild:Flanschverbindung 60.JPG]]
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* ''quer'', ''F<sub>Q</sub>'' z. B. bei Verbindungen, die ein Drehmoment übertragen sowie bei Laschenverbindungen: die Querkraft führt zu einer zusätzlichen Beanspruchung der Schraube auf Scherung, es entsteht [[Reibschluss]].
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[[Bild:Laschenverbindung 60.JPG]]
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==== Vorspannkraft ====
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Als Vorspannkraft bezeichnet man die in einer Schraube auftretende Spannungs- oder Zugkraft, die durch Streckung der Schraube entsteht, wenn Verschraubungselemente (z.B. zwei Stahlplatten) durch Drehen der Mutter angezogen werden. Zwischen den Verschraubungselementen entsteht eine gleich große Druckkraft. Dadurch längt sich die Schraube und die Verschraubungselemente werden zusammengepresst. Der Zusammenhang zwischen Längendehnung und Vorspannkraft wird meistens im Verspannungsschaubild dargestellt.
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[[Bild:Verspannungsbild.gif|center]]
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Die Druckspannungen in den verschraubten Bauteilen beschränken  sich nicht auf das unmittelbare Gebiet unter dem Schraubenkopf, sondern breiten sich kegelförmig unter 45° bis zu den Stoßfugen aus.
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[[Bild:Bild 5.jpg|center]]
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Vereinfachung nach Röttscher
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Formel ergänzen
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==== Setzen ====
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Die Rauheit an den Oberflächen der Verschraubungselemente werden größtenteils schon während des Anziehens durch die Reibung entfernt. Nach der Montage kommt es zu einer plastischen Verformung der zusammengepressten Verschraubungselemente, da sich die Auflagepunkte (Kopf und Mutter)aneinander angleichen. Hierbei spricht man von einem Setzen der Schraubenverbindung. Je mehr Trennfugen eine Schraubenverbindung hat, desto größer ist der Setzbetrag. Außerdem ist die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen: Je höher die Montagetemperatur (z.B. die Erwärmung der Schraubenverbindung), desto größer ist der Setzbetrag.
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==== Anziehdrehmoment ====
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Anziehdrehmoment wird gebraucht, um Schrauben und Muttern mit einem bestimmten Kraftaufwand anzuziehen. Die während des Anziehens auftretenden Reibungen im Gewinde sowie an der Kopf- und Mutterauflage sind bei der Festlegung des Anziehdrehmoments von großer Bedeutung. Fast 90% des Gesamtanzugsmomentes werden zur Überwindung von Reibungseinflüssen aufgewendet. Somit ist das Anziehdrehmoment stark von der Reibungszahl beeinflusst. Bei einer mittleren Reibungszahl von µ<sub> ges</sub> &asymp; 0,12 (Normalfall), kann folgende Formel als '''Näherungslösung''' für Ermittlung des Anziehdrehmoments eingesetzt werden :
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'''  M<sub> A</sub> &asymp;  0,17 &times; F<sub> VM</sub> &times; d '''
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''d''  :  Schraubennenndurchmesser
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''F<sub>VM</sub>''  :  Montagevorspannkraft
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 +
Um die erforderliche Vorspannkraft möglichst genau zu erreichen, ist ein kontrolliertes Anziehen unbedingt notwendig. Dazu stehen uns unterschiedliche Anziehverfahren zu Verfügung:
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{| {{Tabelle}}
 +
!    Anziehverfahren    !!    Streuung der Vorspannkräfte    !!    [[Anziehfaktor]] k<sub>A</sub> (nach VDI 2230)
 +
 
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|-
 +
! streckgrenzgesteuertes oder drehwinkelgesteuertes Anziehen von Hand oder motorisch
 +
| entspricht der [[Streckgrenze]]||1
 +
|-
 +
! drehmomentgesteuertes Anziehen mit [[Drehmomentschlüssel]] ohne oder mit Vormontage durch Schlagschrauber
 +
| 20 %||1,4 bis 1,6
 +
|-
 +
! Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber, Kontrolle durch [[Drehmomentschlüssel]]
 +
| 40 %||2,5
 +
|-
 +
! Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber ohne Einstellkontrollen
 +
| 60 %||2,5 bis 4
 +
|}
 +
 
 +
Die Streuung der Vorspannkräfte des jeweiligen Anziehverfahrens wird mit dem [[Anziehfaktor]] k<sub>A</sub> berücksichtig, damit eine errechnete und für die Funktion der Schraubenverbindung notwendige minimale Vorspannkraft gewährleistet ist.
 +
 
 +
'''  k<sub>A</sub> = F<sub>Vmax</sub> / F<sub>Vmin</sub> > 1 '''
 +
 
 +
Standardtabelle über unverbindliche Richtwerte der Anziehdrehmomente gängiger Schrauben mit metrischem Gewinde:
 +
 
 +
{| {{Tabelle}}
 +
!Festigkeitsklasse !! 4.6 !! 5.6 !! 6.9 !! 8.8 !! 10.9 !! 12.9
 +
|-
 +
! M 6
 +
| 3,5 Nm || 4,6 Nm || 8,5 Nm || 10 Nm || 14 Nm || 17 Nm
 +
|-
 +
! M 8
 +
| 8,4 Nm || 11 Nm || 21 Nm || 25 Nm || 35 Nm || 41 Nm
 +
|-
 +
! M 10
 +
| 17 Nm || 22 Nm || 41 Nm || 49 Nm || 69 Nm || 83 Nm
 +
|-
 +
! M 12
 +
| 29 Nm || 39 Nm || 72 Nm || 86 Nm || 120 Nm || 145 Nm
 +
|-
 +
! M 14
 +
| 46 Nm || 62 Nm || 115 Nm || 135 Nm || 190 Nm || 230 Nm
 +
|-
 +
! M 16
 +
| 71 Nm || 95 Nm || 180 Nm || 219 Nm || 295 Nm || 355 Nm
 +
|-
 +
! M 18
 +
| 97 Nm || 130 Nm || 245 Nm || 290 Nm || 400 Nm || 485 Nm
 +
|-
 +
! M 20
 +
| 138 Nm || 184 Nm || 345 Nm || 410 Nm || 580 Nm || 690 Nm
 +
|}
 +
 
 +
Standard-Anziehdrehmomente ersetzen niemals die Angaben des jeweiligen Herstellers. Sie dienen lediglich zur Orientierung für den Fall, dass keine Herstellerangaben zur Verfügung stehen.
 +
 
 +
=== Berechnung ===
 +
 
 +
==== Grundlagen der Berechnung ====
 +
 
 +
Eine Schraubenverbindung muss nach verschiedenen Kriterien rechnerisch überprüft werden. Ziel der Berechnung ist die Festlegung der erforderlichen Schraubenabmessungen unter Berücksichtigung folgender Einflussfaktoren :
 +
 
 +
* [[Schraubenverbindungen#Festigkeitsklassen|Festigkeitsklasse]]
 +
* Streuung der [[Schraubenverbindungen#Vorspannkraft|Vorspannkraft]] beim Anziehen
 +
* Verminderung der Vorspannkraft durch Setzen
 +
* Dauerhaltbarkeit bei Wechsellast
 +
* Zugbeanspruchung im Gewinde
 +
* Druckbeanspruchung der verspannten Teile durch Schraubenkopf oder Mutter
 +
* Zulässige Flächenpressung (verspannte Teile)
 +
* Kräfte und Spannungen unter Temperatureinfluss
 +
 
 +
==== Berechnungsübungen ====
 +
[[Bild:Druckbehälter-klein.jpg|right]]
 +
===== 1 =====
 +
Ein Druckbehälter soll durch einen Deckel dichtverschraubt werden. Zwischen dem Druckbehälterflansch und dem Deckel wird ein [[Wellendichtring]] mit einem Außendurchmesser ''d<sub>a</sub>'' = 600 mm und einem Innendurchmesser ''d<sub>i</sub>'' = 560 mm eingelegt. Im Entwurf hat man sich auf Sechskantschrauben M 20 festgelegt, die auf einem Lochkreisdurchmesser ''D'' = 630 mm angebracht werden. Der Behälter steht unter dem konstanten inneren Gasdruck ''p<sub>e</sub>'' = 8 bar.
 +
 
 +
'''Zu berechnen sind:'''
 +
 
 +
*a) der größte zulässige Schraubenabstand ''l<sub>a</sub>''
 +
*b) Anzahl der Schrauben ''n''
 +
*c) auf den Deckel wirkende Druckkraft ''F''
 +
*d) Betriebskraft je Schraube ''F<sub>B</sub>''
 +
*e) Festigkeitsklasse der Schrauben
 +
 
 +
'''Allgemeine Lösungshinweise:'''
 +
 
 +
* Es handelt sich um eine exzentrisch verspannte und exzentrisch belastete Schraubenverbindung
 +
* Bei der Berechnung der auf den Deckel wirkenden Druckkraft wird sicherheitshalber davon ausgegangen, dass der Druck bis Mitte Dichtung, also bis zum mittleren Dichtungsdurchmesser ''d<sub>m</sub>'' wirksam ist.
 +
* Konstruktionsregeln für Flanschverbindungen: Das Verhältnis Schraubenabstand zu Lochdurchmesser ''l<sub>a</sub>'' / ''d<sub>h</sub>'' &le; 5
 +
* Roloff/Matek Tabellen (TB 8-13) und Roloff/Matek Maschinenelemente / Berechnungsbeispiele
 +
 
 +
[[schraubenverbindungen: Antworten#L.C3.B6sung_f.C3.BCr_.C3.9Cbungsaufgabe|Lösung]]
 +
 
 +
===== RM 8.1 =====
 +
{|
 +
| [[Bild:Augenschraube.jpg]]
 +
|Eine Augenschraube nach DIN 444 soll bei Montagearbeiten eine ruhende Last von 28 kN tragen.
 +
 
 +
Vorrätig sind folgende Schraubengrößen der Festigkeitsklasse 5.6: M8, M12, M16 und M24.
 +
 
 +
Welche Schraube ist aufgrund der Gewindetragfähigkeit mindestens zu wählen?
 +
|}
 +
 
 +
[[Schraubenverbindungen:_Antworten#L.C3.B6sung_f.C3.BCr_.C3.9Cbungsaufgabe_RM_8.1|Lösung]]
 +
 
 +
===== RM 8.2 =====
 +
{|
 +
| [[Bild:Spannschloss 1480.gif]]
 +
|Aus Spannschlossmutter und Anschweißenden der Festigkeitsklasse 3.6 bestehende Spannschlösser nach DIN 1480 werden z. B. zum Spannen von Zugstangen und Nachstellen von Bremsbändern verwendet.
 +
 
 +
Zu bestimmen ist die Spannschlossgröße (Gewindedurchmesser d, genormt: Regelgewinde Reihe 1, M6 bis M56) für eine Zugkraft von 10 kN bei ruhender Belastung.
 +
|}
 +
 
 +
[[Schraubenverbindungen:_Antworten#L.C3.B6sung_f.C3.BCr_.C3.9Cbungsaufgabe_RM_8.2|Lösung]]
 +
 
 +
===== RM 8.4c  =====
 +
 
 +
Bei einem Druckbehälter wird eine Schraube statisch axial mit einer Betriebskraft von 14 kN belastet.
 +
 
 +
a) Ermitteln Sie für eine  Schraube M14 die passende Festigkeitsklasse. 
 +
 
 +
b) Ermitteln Sie für die Festigkeitsklasse 4.6 die passende Schraube.
 +
 
 +
 
 +
[[Schraubenverbindungen:_Antworten#L.C3.B6sung_f.C3.BCr_.C3.9Cbungsaufgabe_1|Lösung]]
 +
 
 +
===== 2 =====
 +
Für Excel ist ein Tabellenblatt zur Dimensionierung von Schraubenverbindungen zu erarbeiten, deren [[Media:Schraubverbindung roh.xls|Rohfassung zum Download]] bereit steht.
 +
 
 +
=== Sicherheit ===
 +
 
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Nur die richtige Montagevorspannkraft gewährleistet eine sichere und zuverlässige Schraubenverbindung. Eine zu hohe Vorspannkraft führt zu einer Überlastung und somit zum Bruch der Schraube oder zur Verformung der zu verschraubenden Elemente. Bei einer zu geringen Vorspannkraft kann sich die Schraubenverbindung lösen und zu Unfällen führen.
 +
Durch kontrollierten Schraubenanzug mit regelmäßig überprüften Anziehwerkzeugen kann man Unfälle und Schadensfälle durch Überlastung beim Anziehen vermeiden.
 +
 
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=== Haltbarkeit ===
 +
 
 +
Schrauben halten nicht ewig und haben auch eine sogenannte " Standzeit". Zylinderkopfschrauben, Dehnschrauben und alle Schraubenverbindungen die einer hohen mechanischen Belastung standhalten müssen, sollten nur einmal verwendet werden.
 +
Bezogen auf die Haltbarkeit einer Schraubenverbindung müssen folgende Einflüsse beachtet werden:
 +
 
 +
* Umwelteinflüsse (Hitze, große Kälte, hohe Temperaturschwankungen)
 +
* mechanische Einflüsse (Torsion, Stoß- und Schlageinflüsse, Vibrationen)
 +
* Wärmeausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Bauteile
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* Hilfsstoffe ( Schmierfett, Öl, chem. Sicherungszusätze, z.B. Loctite)
 +
* Ausführung der Unterlegscheibe bzw. der Sicherungselemente
 +
 
 +
== Herstellung, Beschaffung und Kosten ==
 +
 
 +
Schrauben und Muttern werden spanend durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder spanlos durch Pressen, Stauchen, Eindrücken und Rollen hergestellt. Die Art der Herstellung ist abhängig von Werkstoff, Genauigkeit, Gewindeform, Festigkeit und Stückzahl. Bei Schrauben ergeben kalt geformte, gerollte Gewinde gegenüber geschnittenen wesentliche Vorteile: höhere Dauerhaltbarkeit, glättere Oberfläche, wirtschaftlichere Fertigung. Informationen über Hersteller und Lieferanten, können dem  [http://www.schraubenverband.de/index.htm Deutschen Schraubenverband] entnommen werden. Im Vergleich zu [[Schweißverbindungen]], [[Nietverbindungen]] oder [[Klebverbindungen]] liegen die Kosten für Schraubenverbindungen wesentlich höher. Zeitaufwendige Konstruktion, teuere Herstellung sowie die Arbeitszeit der Werker bei der Montage, treiben die Kosten in die Höhe. Durch den vielseitigen Einsatz, unterschiedliche Funktionen sowie die Wiederverwendung sind die Kosten der Schraubenverbindungen im Vergleich zu anderen Verbindungsarten zu begründen.
 +
* [http://www.inox-schrauben.de/index.php www.inox-schrauben.de]
 +
 
 +
== Fragen zum Thema Schraubenverbindungen ==
 +
 
 +
# Was ist eine Schraubenverbindung ?
 +
# Nenne je 3 Vor- und Nachteile einer Schraubenverbindung.
 +
# Welche Gewindearten sind dir bekannt ?
 +
# Warum ist ein kontrolliertes Anziehen einer Schraube erforderlich ?
 +
# Nenne 3 unterschiedliche Anziehverfahren.
 +
# Welche Auswirkung hat die Montagevorspannkraft auf die Sicherheit der Schraubenverbindung ?
 +
# Nenne mind. 4 Kriterien die bei der Festlegung der Schraubenabmessungen rechnerisch überprüft werden müssen.
 +
# Wie werden Schrauben und Muttern hergestellt ?
 +
 
 +
== Quellen ==
 +
 
 +
Roloff/Matek - Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 17. Aufl. 2005, ISBN 3-528-17028-X
 +
 
 +
Roloff/Matek - Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 7. Aufl. 2003, ISBN 3-528-64482-6
 +
 
 +
Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 15. Aufl. 1986, ISBN 3-540-12418-7
 +
 
 +
Karl-Heinz Decker: Maschinenelemente, Gestaltung und Berechnung, Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1966
 +
[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]
 +
[[Kategorie: Fertigungstechnik]]

Aktuelle Version vom 15. November 2014, 08:59 Uhr

Flansch neu.JPG

Grundlagen

Begriffserklärung

Eine Schraubenverbindung ist eine lösbare Verbindung von zwei oder mehreren Teilen durch eine oder mehrere Schrauben. Die Schrauben sind dabei so zu bemessen, dass das entstandene Verbundteil die ihm zugedachte Funktion erfüllt und den auftretenden ruhenden oder wechselnden Betriebskräften standhält.

Bolzen 60.JPG

Einsatzgebiet

Schrauben und Muttern sind am häufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und Verbindungselemente, die in allen Industrie- und Handwerksbranchen eingesetzt werden. Je nach Nutzung der Schraubenfunktion unterscheidet sich auch der Einsatzgebiet.

  • Befestigungsschrauben werden für die Herstellung von Spannverbindungen verwendet (Verspannen von zwei Bauteilen)
  • Bewegungsschrauben zum Umwandeln von Drehbewegung in Längsbewegung (Schraubstock, Schraubzwingen, Leitspindel einer Drehmaschine)
  • Dichtungsschrauben zum Verschließen von Einfüll- und Auslauföffnungen (Getrieben, Ölwannen)

Aufbau und Funktion

Die Schraubenverbindung beruht auf der Paarung von Schraube bzw. Gewindestift mit Außengewinde und Bauteil mit Innengewinde (meist Mutter). Bei der Verdrehung von Schraube zu Mutter erfolgt ein Gleiten der Gewindeflanken der Schraube auf den Gewindeflanken der Mutter und damit eine Längsbewegung. Formschluss wird im Gewinde erzielt.

Bolzen mit Mutter 60.JPG

Die wichtigsten Funktionen der Verbindung sind: Vorspannung, Bewegung, Kraftübersetzung, Verschlussfunktion, Dichtfunktion, Hubeinstellung (Stellschraube), sowie Längenmessung (Mikrometerschraube).

Vorteile / Nachteile

Vorteile:

  • lösbar
  • einfache Montage und Demontage
  • wiederverwendbar im Vergleich zu Nietverbindungen
  • hohe Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu Klebverbindungen
  • Verbinden unterschiedlicher Werkstoffarten möglich
  • keine Gefügeveränderung im Vergleich zu Schweißen
  • verschiedene Gewindearten und Festigkeitsklassen

Nachteile:

  • Korrosionsanfälligkeit
  • Aufwändige Vorbereitung der Verbindung (Bohren, Senken, Gewindeschneiden)
  • Schwächung der Bauteile durch Bohrungen
  • nicht geeignet für schwererreichbare Verbindungsstellen
  • Vorspankraftverlust durch Setzen
  • nichtkontrolliertes Anziehen führt zu plastischen Verformungen bzw. zum Bruch

Aufbauelemente der Schraubenverbindung

Scheiben 60.JPG

Gewinde und Gewindearten

Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung, die längs einer um einen Zylinder gewundenen Schraubenlinien verläuft. Die Schraubenlinie kann rechts- oder linksgängig hergestellt werden. Dadurch unterscheiden wir Rechts- und Linksgewinde.

Gewindekenngrößen sind:

  • Nenndurchmesser = Außendurchmesser
  • Kerndurchmesser
  • Flankendurchmesser - theoretisches Maß, das in der Mitte zwischen Nenndurchmesser und Kerndurchmesser liegt
  • Steigung - zuruckgelegte Weg (Längsbewegung) bei einer Umdrehung oder der Abstand zwischen zwei Gewindespitzen
  • Steigungswinkel
  • Teilung = Steigung geteilt durch die Gangzahl
  • Flankenform

Ausgehend von den Kenngrößen unterscheidet man im wesentlichen folgende Gewindearten:

  • a) metrisches Gewinde nach DIN ISO 13, für Befestigungsschrauben
  • b) metrisches Feingewinde nach DIN ISO 13 mit geringerer Steigung bei höheren Beanspruchungen
  • c) Rohrgewinde nach DIN ISO 228, nichtdichtend, für Fittings oder Hähne
  • c) Rohrgewinde nach DIN ISO 2999 und 3858, dichtend, Kegel 1:16, Einsatz mit Dichtband oder Hanf
  • d) metrisches Trapezgewinde nach DIN ISO 103, 380, 263 und 30295 Leitspindeln, Schraubstöcke, Schraubzwingen
  • e) metrisches Sägengewinde nach DIN 513,2781 Hub- und Druckspindeln
  • f) Rundgewinde nach DIN 405,15403, für Bewegungsspindeln/Kupplungsspindeln beim Eisenbahnwagen
  • g) Elektrogewinde DIN 40430 für Lampenfassungen und Sicherungen

Gewindearten.jpg

Schrauben und Muttern

Die Schrauben unterscheiden sich im wesentlichen durch die Form des Kopfes. Am häufigsten werden folgende Schrauben verwendet:

  • a) Sechskantschraube
  • b) Innensechskantschraube
  • c) Halbrundschraube
  • d) Senkschraube
  • e) Zylinderschraube
  • g) Stiftschraube

Schraubenarten.jpg

Muttern werden bei Durchsteckverschraubungen eingesetzt. Bedingt durch ihre Form ist bei Muttern nur ein Antrieb von außen möglich. Die wichtigsten genormten Muttern sind :

  • a) Sechskantmutter
  • b) Vierkantmutter
  • c) Hutmutter
  • d) Nutmutter
  • e) Kronenmutter
  • f) Schlitzmutter
  • g) Zweilochmutter

Mutternarten.jpg

Scheiben und Sicherungselemente

Normung

Normen und Richtninien

Verbindungs- und Befestigungselemente wie Schrauben, Muttern oder ähnliche Formteile sind auf nationaler, regionaler und internationaler Basis genormt.

  • Nationale Normen (DIN)
  • Europäische Normen (EN)
  • Internationale Normen (ISO)

Hochbeanspruchte Schraubenverbindungen werden nach den VDI-Richtlinien (VDI 2230) und Schrauben an Druckbehältern nach den AD-Merkblättern berechnet.

Festigkeitsklassen

Die Festigkeitsklassen der Schrauben (4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 10.9; 12.9) geben Informationen über die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und Härte. Die Zugfestigkeit und Streckgrenze können über die beiden Zahlen ermittelt werden.

Zugfestigkeit (Rm) in N/mm2 = erste Zahl × 100

Streckgrenze (Re) in N/mm2 = Produkt beider Ziffern × 10

Dimensionierung

Kräfte, Verformungen und Spannungen

Betriebskraft

Die Wirkung der Betriebskraft FB (angehängte Last, Zylinderinnendruck) kann axial oder quer zur Schraubenachse erfolgen.

  • axial, z. B. bei Flanschverbindungen, die kein Drehmoment übertragen: die Betriebskraft wirkt in Richtung der Schraubenachse, ist senkrecht oder parallel zur Vorspannkraft und bildet Formschluss. Die Schraube wird auf Zug belastet.

Flanschverbindung 60.JPG

  • quer, FQ z. B. bei Verbindungen, die ein Drehmoment übertragen sowie bei Laschenverbindungen: die Querkraft führt zu einer zusätzlichen Beanspruchung der Schraube auf Scherung, es entsteht Reibschluss.

Laschenverbindung 60.JPG

Vorspannkraft

Als Vorspannkraft bezeichnet man die in einer Schraube auftretende Spannungs- oder Zugkraft, die durch Streckung der Schraube entsteht, wenn Verschraubungselemente (z.B. zwei Stahlplatten) durch Drehen der Mutter angezogen werden. Zwischen den Verschraubungselementen entsteht eine gleich große Druckkraft. Dadurch längt sich die Schraube und die Verschraubungselemente werden zusammengepresst. Der Zusammenhang zwischen Längendehnung und Vorspannkraft wird meistens im Verspannungsschaubild dargestellt.

Verspannungsbild.gif

Die Druckspannungen in den verschraubten Bauteilen beschränken sich nicht auf das unmittelbare Gebiet unter dem Schraubenkopf, sondern breiten sich kegelförmig unter 45° bis zu den Stoßfugen aus.

Bild 5.jpg

Vereinfachung nach Röttscher Formel ergänzen

Setzen

Die Rauheit an den Oberflächen der Verschraubungselemente werden größtenteils schon während des Anziehens durch die Reibung entfernt. Nach der Montage kommt es zu einer plastischen Verformung der zusammengepressten Verschraubungselemente, da sich die Auflagepunkte (Kopf und Mutter)aneinander angleichen. Hierbei spricht man von einem Setzen der Schraubenverbindung. Je mehr Trennfugen eine Schraubenverbindung hat, desto größer ist der Setzbetrag. Außerdem ist die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen: Je höher die Montagetemperatur (z.B. die Erwärmung der Schraubenverbindung), desto größer ist der Setzbetrag.

Anziehdrehmoment

Anziehdrehmoment wird gebraucht, um Schrauben und Muttern mit einem bestimmten Kraftaufwand anzuziehen. Die während des Anziehens auftretenden Reibungen im Gewinde sowie an der Kopf- und Mutterauflage sind bei der Festlegung des Anziehdrehmoments von großer Bedeutung. Fast 90% des Gesamtanzugsmomentes werden zur Überwindung von Reibungseinflüssen aufgewendet. Somit ist das Anziehdrehmoment stark von der Reibungszahl beeinflusst. Bei einer mittleren Reibungszahl von µ ges ≈ 0,12 (Normalfall), kann folgende Formel als Näherungslösung für Ermittlung des Anziehdrehmoments eingesetzt werden :

M A ≈ 0,17 × F VM × d

d  : Schraubennenndurchmesser

FVM  : Montagevorspannkraft

Um die erforderliche Vorspannkraft möglichst genau zu erreichen, ist ein kontrolliertes Anziehen unbedingt notwendig. Dazu stehen uns unterschiedliche Anziehverfahren zu Verfügung:

Anziehverfahren Streuung der Vorspannkräfte Anziehfaktor kA (nach VDI 2230)
streckgrenzgesteuertes oder drehwinkelgesteuertes Anziehen von Hand oder motorisch entspricht der Streckgrenze 1
drehmomentgesteuertes Anziehen mit Drehmomentschlüssel ohne oder mit Vormontage durch Schlagschrauber 20 % 1,4 bis 1,6
Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber, Kontrolle durch Drehmomentschlüssel 40 % 2,5
Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber ohne Einstellkontrollen 60 % 2,5 bis 4

Die Streuung der Vorspannkräfte des jeweiligen Anziehverfahrens wird mit dem Anziehfaktor kA berücksichtig, damit eine errechnete und für die Funktion der Schraubenverbindung notwendige minimale Vorspannkraft gewährleistet ist.

kA = FVmax / FVmin > 1

Standardtabelle über unverbindliche Richtwerte der Anziehdrehmomente gängiger Schrauben mit metrischem Gewinde:

Festigkeitsklasse 4.6 5.6 6.9 8.8 10.9 12.9
M 6 3,5 Nm 4,6 Nm 8,5 Nm 10 Nm 14 Nm 17 Nm
M 8 8,4 Nm 11 Nm 21 Nm 25 Nm 35 Nm 41 Nm
M 10 17 Nm 22 Nm 41 Nm 49 Nm 69 Nm 83 Nm
M 12 29 Nm 39 Nm 72 Nm 86 Nm 120 Nm 145 Nm
M 14 46 Nm 62 Nm 115 Nm 135 Nm 190 Nm 230 Nm
M 16 71 Nm 95 Nm 180 Nm 219 Nm 295 Nm 355 Nm
M 18 97 Nm 130 Nm 245 Nm 290 Nm 400 Nm 485 Nm
M 20 138 Nm 184 Nm 345 Nm 410 Nm 580 Nm 690 Nm

Standard-Anziehdrehmomente ersetzen niemals die Angaben des jeweiligen Herstellers. Sie dienen lediglich zur Orientierung für den Fall, dass keine Herstellerangaben zur Verfügung stehen.

Berechnung

Grundlagen der Berechnung

Eine Schraubenverbindung muss nach verschiedenen Kriterien rechnerisch überprüft werden. Ziel der Berechnung ist die Festlegung der erforderlichen Schraubenabmessungen unter Berücksichtigung folgender Einflussfaktoren :

  • Festigkeitsklasse
  • Streuung der Vorspannkraft beim Anziehen
  • Verminderung der Vorspannkraft durch Setzen
  • Dauerhaltbarkeit bei Wechsellast
  • Zugbeanspruchung im Gewinde
  • Druckbeanspruchung der verspannten Teile durch Schraubenkopf oder Mutter
  • Zulässige Flächenpressung (verspannte Teile)
  • Kräfte und Spannungen unter Temperatureinfluss

Berechnungsübungen

Druckbehälter-klein.jpg
1

Ein Druckbehälter soll durch einen Deckel dichtverschraubt werden. Zwischen dem Druckbehälterflansch und dem Deckel wird ein Wellendichtring mit einem Außendurchmesser da = 600 mm und einem Innendurchmesser di = 560 mm eingelegt. Im Entwurf hat man sich auf Sechskantschrauben M 20 festgelegt, die auf einem Lochkreisdurchmesser D = 630 mm angebracht werden. Der Behälter steht unter dem konstanten inneren Gasdruck pe = 8 bar.

Zu berechnen sind:

  • a) der größte zulässige Schraubenabstand la
  • b) Anzahl der Schrauben n
  • c) auf den Deckel wirkende Druckkraft F
  • d) Betriebskraft je Schraube FB
  • e) Festigkeitsklasse der Schrauben

Allgemeine Lösungshinweise:

  • Es handelt sich um eine exzentrisch verspannte und exzentrisch belastete Schraubenverbindung
  • Bei der Berechnung der auf den Deckel wirkenden Druckkraft wird sicherheitshalber davon ausgegangen, dass der Druck bis Mitte Dichtung, also bis zum mittleren Dichtungsdurchmesser dm wirksam ist.
  • Konstruktionsregeln für Flanschverbindungen: Das Verhältnis Schraubenabstand zu Lochdurchmesser la / dh ≤ 5
  • Roloff/Matek Tabellen (TB 8-13) und Roloff/Matek Maschinenelemente / Berechnungsbeispiele

Lösung

RM 8.1
Augenschraube.jpg Eine Augenschraube nach DIN 444 soll bei Montagearbeiten eine ruhende Last von 28 kN tragen.

Vorrätig sind folgende Schraubengrößen der Festigkeitsklasse 5.6: M8, M12, M16 und M24.

Welche Schraube ist aufgrund der Gewindetragfähigkeit mindestens zu wählen?

Lösung

RM 8.2
Spannschloss 1480.gif Aus Spannschlossmutter und Anschweißenden der Festigkeitsklasse 3.6 bestehende Spannschlösser nach DIN 1480 werden z. B. zum Spannen von Zugstangen und Nachstellen von Bremsbändern verwendet.

Zu bestimmen ist die Spannschlossgröße (Gewindedurchmesser d, genormt: Regelgewinde Reihe 1, M6 bis M56) für eine Zugkraft von 10 kN bei ruhender Belastung.

Lösung

RM 8.4c

Bei einem Druckbehälter wird eine Schraube statisch axial mit einer Betriebskraft von 14 kN belastet.

a) Ermitteln Sie für eine Schraube M14 die passende Festigkeitsklasse.

b) Ermitteln Sie für die Festigkeitsklasse 4.6 die passende Schraube.


Lösung

2

Für Excel ist ein Tabellenblatt zur Dimensionierung von Schraubenverbindungen zu erarbeiten, deren Rohfassung zum Download bereit steht.

Sicherheit

Nur die richtige Montagevorspannkraft gewährleistet eine sichere und zuverlässige Schraubenverbindung. Eine zu hohe Vorspannkraft führt zu einer Überlastung und somit zum Bruch der Schraube oder zur Verformung der zu verschraubenden Elemente. Bei einer zu geringen Vorspannkraft kann sich die Schraubenverbindung lösen und zu Unfällen führen. Durch kontrollierten Schraubenanzug mit regelmäßig überprüften Anziehwerkzeugen kann man Unfälle und Schadensfälle durch Überlastung beim Anziehen vermeiden.

Haltbarkeit

Schrauben halten nicht ewig und haben auch eine sogenannte " Standzeit". Zylinderkopfschrauben, Dehnschrauben und alle Schraubenverbindungen die einer hohen mechanischen Belastung standhalten müssen, sollten nur einmal verwendet werden. Bezogen auf die Haltbarkeit einer Schraubenverbindung müssen folgende Einflüsse beachtet werden:

  • Umwelteinflüsse (Hitze, große Kälte, hohe Temperaturschwankungen)
  • mechanische Einflüsse (Torsion, Stoß- und Schlageinflüsse, Vibrationen)
  • Wärmeausdehnungskoeffizient der zu verbindenden Bauteile
  • Hilfsstoffe ( Schmierfett, Öl, chem. Sicherungszusätze, z.B. Loctite)
  • Ausführung der Unterlegscheibe bzw. der Sicherungselemente

Herstellung, Beschaffung und Kosten

Schrauben und Muttern werden spanend durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder spanlos durch Pressen, Stauchen, Eindrücken und Rollen hergestellt. Die Art der Herstellung ist abhängig von Werkstoff, Genauigkeit, Gewindeform, Festigkeit und Stückzahl. Bei Schrauben ergeben kalt geformte, gerollte Gewinde gegenüber geschnittenen wesentliche Vorteile: höhere Dauerhaltbarkeit, glättere Oberfläche, wirtschaftlichere Fertigung. Informationen über Hersteller und Lieferanten, können dem Deutschen Schraubenverband entnommen werden. Im Vergleich zu Schweißverbindungen, Nietverbindungen oder Klebverbindungen liegen die Kosten für Schraubenverbindungen wesentlich höher. Zeitaufwendige Konstruktion, teuere Herstellung sowie die Arbeitszeit der Werker bei der Montage, treiben die Kosten in die Höhe. Durch den vielseitigen Einsatz, unterschiedliche Funktionen sowie die Wiederverwendung sind die Kosten der Schraubenverbindungen im Vergleich zu anderen Verbindungsarten zu begründen.

Fragen zum Thema Schraubenverbindungen

  1. Was ist eine Schraubenverbindung ?
  2. Nenne je 3 Vor- und Nachteile einer Schraubenverbindung.
  3. Welche Gewindearten sind dir bekannt ?
  4. Warum ist ein kontrolliertes Anziehen einer Schraube erforderlich ?
  5. Nenne 3 unterschiedliche Anziehverfahren.
  6. Welche Auswirkung hat die Montagevorspannkraft auf die Sicherheit der Schraubenverbindung ?
  7. Nenne mind. 4 Kriterien die bei der Festlegung der Schraubenabmessungen rechnerisch überprüft werden müssen.
  8. Wie werden Schrauben und Muttern hergestellt ?

Quellen

Roloff/Matek - Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 17. Aufl. 2005, ISBN 3-528-17028-X

Roloff/Matek - Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 7. Aufl. 2003, ISBN 3-528-64482-6

Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer Verlag, 15. Aufl. 1986, ISBN 3-540-12418-7

Karl-Heinz Decker: Maschinenelemente, Gestaltung und Berechnung, Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1966

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