Schraubenverbindungen: Antworten

Was ist eine Schraubenverbindung ?

Antwort: Eine Schraubenverbindung ist eine lösbare Verbindung von zwei oder mehreren Teilen durch eine oder mehrere Schrauben

Nenne je 3 Vor- und Nachteile einer Schraubenverbindung.

Antwort:

Vorteile:

• lösbar
• einfache Montage und Demontage
• wiederverwendbar im Vergleich zu Nietverbindungen

Nachteile:

• Korrosionsanfälligkeit
• Aufwändige Vorbereitung der Verbindung (Bohren, Senken, Gewindeschneiden)
• nichtkontrolliertes Anziehen führt zu plastischen Verformungen bzw. zum Bruch

Welche Gewindearten sind Dir bekannt ?

Antwort:

• metrisches Gewinde nach DIN ISO 13, für Befestigungsschrauben
• metrisches Feingewinde nach DIN ISO 13, Schrauben und Muttern mit größeren Abmessungen
• Rohgewinde nach DIN ISO 228, nichtdichtend, für Fittings oder Hähnen
• Rohrgewinde nach DIN ISO 2999 und 3858, dichtend, Kegel 1:16, Einsatz mit Dichtband oder Hanf
• metrisches Trapezgewinde nach DIN ISO 103, 380, 263 30295 Leitspindeln, Schraubstöcke, Schraubzwingen
• metrisches Sägengewinde nach DIN 513,2781 Hub- und Druckspindeln
• Rundgewinde nach DIN 405,15403, für Bewegungsspindeln/Kupplungsspindeln beim Eisenbahnwagen
• Elektrogewinde DIN 40430 für Lampenfassungen und Sicherungen

Warum ist ein kontrolliertes Anziehen einer Schraube erforderlich ?

Antwort: Um eine verlangte Vorspannkraft möglichst genau zu erreichen, ist ein kontrolliertes Anziehen unbedingt erforderlich.

Nenne 3 unterschiedliche Anziehverfahren.

Antwort:

• Drehwinkelgesteuertes Anziehen von Hand oder motorisch

• Drehmomentgesteuertes Anziehen mit Drehmomentschlüssel

• Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber

Welche Auswirkung hat die Montagevorspannkraft auf die Sicherheit der Schraubenverbindung ?

Antwort:

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.

Nenne mind. 4 Kriterien, die bei der Festlegung der Schraubenabmessungen rechnerisch überprüft werden müssen.

Antwort:

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

Wie werden Schrauben und Muttern hergestellt ?

Antwort:

Schrauben und Muttern werden spanend durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder spanlos durch Pressen, Stauchen, Eindrücken und Rollen hergestellt.

Lösung für Übungsaufgabe

geg.: Belastung: statisch axial, exzentrisch angreifende Betriebskraft

d_a = 600 mm

d_i = 560 mm

D = 630 mm

p_e (e für effektiv) = 8 bar = 80 N/cm²

Sechskantschrauben M 20

d_h gewählt aus Roloff/Matek Tabelle 8-8, Durchgangsloch Reihe mittel:

d_h = 22 mm

ges.:

der größte zulässige Schraubenabstand l_a = ?

Anzahl der Schrauben n = ?

auf den Deckel wirkende Druckkraft F = ?

Betriebskraft je Schraube F_B = ?

Festigkeitsklasse der Schrauben ?

Lösungsweg:

a)

l_a / d_h ≤ 5

l_a ≈ 5 × d_h

l_a ≈ 5 × 22 mm ≈ 110 mm

b)

n ≈ D × π / l_a

n ≈ 630 mm × π / 110 mm ≈ 18

c)

d_m = [(d_a - d_i) / 2] + d_i

d_m = [(600 mm - 560 mm) / 2] + 560 mm = 580 mm

F = p_e × d_m² × π / 4

F = 80 N/cm² × 58²cm² × π / 4

F = 211.366 N ≈ 211,4 kN

d)

F_B = F / n = 211,4 kN / 18 = 11,74 kN

e)

Hinweis: Gemäß Tabelle RM 8-13, Fußnote 1 sind bei Dehnschrauben oder exzentrisch angreifender Betriebskraft F_B die Durchmesser der nächsthöheren Laststufe zu wählen. In Zeile "stat. axial" würde bei zentrischem Kraftangriff in der Spalte "bis 16 kN" abgelesen werden, bei exzentrischem Kraftangriff ist aber die nächsthöhere Laststufe zu wählen, es gilt die Spalte "bis 25 kN".

Nach der Tabelle 8-13, in der Spalte "bis 25 kN", sind für Nenndurchmesser 20 (M 20) Schrauben der Festigkeitsklassen 4.8 oder 5.6 empfohlen.

Es werden Schrauben der gängigen Festigkeitsklasse 5.6 gewählt.

Lösung für Übungsaufgabe RM 8.1

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?

rechnerische Lösung

geg:

Festigkeitsklasse 5.6R_e = 300N/mm²

S = 1,67 (Vordimensionierung lt. Europa TB S. 44)

F = 28kN

ges.:

Spannungsquerschnittsfläche A_s in mm²

Lös.:

lt. Europa Tb. Seite 45

σ_zul = R_e / S

σ_zul = 300N/mm²

σ_zul = 180 N/mm²

lt. Europa Tb. Seite 45

A_s = F / σ_zul

A_s = 28kN / 0,18 kN/mm²

A_s = 155,6mm²

Gewählt wird M16, da die nächst größere Spannungsquerschnittsfläche 157mm² ist, lt. Europa Tb. Seite 204.

Vorauswahl mittels Tabellenbuch

Gemäß Tabelle RM 8-13 ist bei einer stat. axialen Betriebskraft F_B = 28 kN die Spalte der nächsthöheren Laststufe, also F_B = 40 kN zu wählen.

Für die Festigkeitsklasse 5.6 ist ein Nenndurchmesser 24 (M 24) zu wählen.

Lösung für Übungsaufgabe RM 8.2

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 gemäß Tabellenbuch Europa

geg:

R_e = 180N/mm² (3.6)

S = 1,67

F = 10kN

ges.:

Spannungsquerschnittsfläche A_s in mm²

Lös.:

lt. Europa Tb. Seite 45

σ_zul = R_e / S

σ_zul = 180N/mm²

σ_zul = 108 N/mm²

lt. Europa Tb. Seite 45

A_s = F / σ_zul

A_s = 10kN / 0,108kN/mm²

A_s = 92,6mm²

Gewählt wird M16, da die nächst größere Spannungsquerschnittsfläche 157mm² ist, lt. Europa Tb. Seite 204.

rechnerische Lösung gemäß RM

Berechnung nicht vorgespannter Schrauben im Maschinenbau gemäß RM FS 8.44

Lösung für Übungsaufgabe 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.

für a)

geg:

• A_s = 115 mm² lt. RM TB 8-1
• F_S = 14 kN
• S = 1,67 gewählt nach Europa Tb. Metall (43. Aufl.) Seite 45, dort S = 1,2 ... 1,8.
  Hinweis: Eine Sicherheit von 1,67 bedeutet, dass die Schraube mit einer Zugspannung von lediglich 60% der Streckgrenze belastet wird.

ges.:

Festigkeitsklasse, zu ermitteln über die erforderliche Streckgrenze R_{e erf} in N/mm²

Es werden zwei alternative Lösungswege vorgestellt. Beim ersten Weg werden die Werte rechnerisch ermittelt. Beim zweiten ermittelt man die Werte aus einer Tabelle. Beide Wege werden abschließend verglichen.

Lös. 1:

I) R_{e erf} = σ_zzul · S lt. Europa Tb. Seite 45

II) σ_zzul = F / A_s

---

R_{e erf} = S · F / A_s

R_{e erf} = 1,67 · 14.000 N / 115 mm²

R_{e erf} = 203,3 N/mm²

Aus RM TB 8-4 wird zur erforderlichen Streckgrenze die nächstgrößere definierte Streckgrenze (R_e = 240 N/mm²) gewählt und hieraus die Festigkeitsklasse 4.6 abgeleitet.

Lös. 2: Laut RM TB 8-13 "Richtwerte zur Vorauswahl der Schrauben" ergibt sich bei einer statisch axialen Belastung von 14 kN bei einer Schraube M14 eine empfohlene Festigkeitsklasse von ca. 5.8.

für b)

geg:

• R_e = 240 N/mm²
• S = 1,67
• F_S = 14 kN

ges.:

Nenndurchmesser d, zu ermitteln über Berechnung der erforderliche Spannungsquerschnittsfläche A_{s min} in mm²

Lös. 1:

lt. Europa Tb. Seite 45

σ_zzul = R_e / S

σ_zzul = 240 N/mm² / 1,67

σ_zul = 144 N/mm²

lt. Europa Tb. Seite 45

A_{s min} = F_S / σ_{z zul}

A_{s min} = 14.000 N / 144 N/mm²

A_{s min} = 97,22 mm²

Aus RM TB 8-1 wird zur erforderlichen Spannungsquerschnittsfläche A_{s min} die nächstgrößere definierte Spannungsquerschnittsfläche (A_s = 115 mm²) gewählt und hieraus der Nenndurchmesser d = 14 mm, also eine Schraube M14 abgeleitet.

Lös. 2:

Laut RM TB 8-13 "Richtwerte zur Vorauswahl der Schrauben" ergibt sich bei einer statisch axialen Belastung von 14 kN über die vorgegebene Festigkeitsklasse 4.6 eine Schraube M20.

Kommentar:

Die Lösung über TB 8-13 ist schnell ermittelt aber ergibt aufgrund der groben Einteilung der Tabelle eine Vorauswahl zur Dimensionierung einer Schraube, die über die rechnerische Lösung verfeinert werden sollte.