Schraubenlehre

von Matthias Mente

Jeder hat sie schon in der Hand gehabt. Viele haben schon über die kryptischen Bezeichnungen gerätselt: Die Schraube das unbekannte „Wesen“.
Welche Schraubentypen gibt es?

Welches Material, welche Festigkeit sollte beim Motorradgespann verwendet werden? Im Gegensatz zu Schweiß-, oder Nietverbindungen sind Schraubverbindungen lösbar. Schrauben sollen die zu verbindenden Teile mit so großen Kräften zusammenspannen, daß die Teile ohne sich zu verschieben bei allen Beanspruchungen ausreichend stark aufeinander gedrückt werden.

Das klingt zunächst nach Binsenweisheit, hat aber durchaus große Bedeutung: Schraubverbindungen sind auf Zugbeanspruchung und nicht auf Scherung ausgelegt. Hohe (Zug-)Spannung in der Schraube ist die beste Sicherung gegen Lockerung. Ist die Schraube bereits gelockert, wird sie auf (unzulässige) Scherung beansprucht. Das kann böse enden!

Allgemein sind ISO-metrische Schrauben üblich. Das heißt die Gewindeabmessungen sind nach DIN 13 genormt. Sind nun alle ISO-metrischen Schrauben beliebig untereinander austauschbar? Prinzipiell ja, es ist aber noch das Material und die Festigkeit zu beachten. Die Bezeichnung der Schrauben setzt sich zusammen aus:

1. Schraubennamen
2. Gewindebezeichnung, ggf. Feingewinde
3. Länge in mm
4. Norm
5. Festigkeitsklasse
6. ggf. Material und sieht dann beispielsweise so aus:
Sechskantschraube M12 x 1,5 x 80 DIN 960

Die Erklärungen der Reihe nach:

Schraubennamen

Im Gespannbau werden immernoch häufig Sechskant-, oder Zylinderschrauben verwendet. Bei den Zylinderschrauben wird noch zwischen Innensechskant und Schlitz unterschieden. Für einzelne besondere Einsatzfälle bei denen eine geringe Bauhöhe erforderlich ist, sind Flach-, oder Senkkopfschrauben vorgesehen.

Gewindebezeichnung

M steht für metrisches Gewinde. Die wichtigsten Gewindeabmessungen sind definiert durch den Nenndurchmesser in mm, sowie der Gewindesteigung in mm je Umdrehung.

Im obigen Beispiel liegt also ein metrisches Gewinde vor mit Nenndurchmesser 12 mm und einer Steigung von 1,5 mm (Feingewinde). Die Steigung wird normalerweise nur für Feingewinde angegeben. Das normale M12 Gewinde hat eine Steigung von 1,75 mm.
Feingewinde bieten durch die höhere Anzahl der Gewindegänge keine größere Zugfestigkeit, bestenfalls durch den geringfügig größeren Spannungsquerschnitt, jedoch nur marginal. Lediglich das Verhältnis Drehmoment / Klemmkraft wird per Feingewinde zugunsten der Klemmkraft optimiert.

Schraubenlänge

Die Schraubenlänge / Nennlänge bezieht sich auf die Schaftlänge, das Gewinde kann als Teilgewinde kürzer sein.

Schraubennorm

In der Norm sind Form und Ausführung des Schraubenkopfes und alle Abmessungen festgelegt.

Festigkeitsklasse

Diese Angaben finden wir auf dem Schraubenkopf eingeprägt. Im Fahrzeugbau werden nur Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 oder höher (10.9, oder 12.9) eingesetzt. Die erste Zahl multipliziert mit 100 ergibt dabei die Mindestzugfestigkeit ?B in N/mm2.

Die Bezeichnung 8.8 bedeutet also, dass die Schraube mit einer Zugspannung von mindestens 800 N/mm2 belastet werden kann, bis sie bricht. Eine Schraube mit M12 Gewinde hat eine Querschnittsfläche von 74,3 mm2. Multipliziert man die Querschnittsfläche mit der angegebenen Zugspannung ergibt sich daraus in diesem Fall eine maximale Zugbelastung von 59440 N.

Diese Zahl stellt jedoch einen eher theoretischen Wert dar. Wäre die Belastung im Betrieb tatsächlich so hoch, würde die Schraube überdehnt und unbrauchbar. Daher wird als zweite Größe noch die Streckgrenze ?S angegeben.

Als Streckgrenze wird die Belastungsspannung angegeben, die maximal zu einer bleibenden Dehnung von 0,2% führt. Die zweite Zahl hinter dem Punkt gibt dann das 10fache des Verhältnisses Streckgrenze zu Mindestzugfestigkeit an. Wie so oft gilt auch hier: Je größer, desto besser.

Material

Standardmaterial für 8.8 und 10.9 Schrauben ist Stahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt und Zusätzen (DIN 898 Teil 1). Für 12.9 Schrauben wird legierter Stahl verwendet.

Die Oberflächen können durch verschiedene Veredelungsverfahren, wie beispielsweise brünieren oder verzinken, bis zu einem gewissen Grad vor Korsossion geschützt werden. Dass dieser Schutz oft nicht von Dauer ist, wissen wir nur allzu gut. Galvanisch ZinkNickel, Zinklamelle oder im Motor Phosphatiert geölt sind bei Gespannen Stand der Technik.

Aluminium

Innensechskantschraube DIN 912Aluminium-Schrauben werden grundsätzlich eloxiert. Diese Eloxierung schützt zusätzlich gegen Korrosion und wird in verschiedenen Farben angeboten. Der Gewichtsvorteil von etwa 60% gegenüber Stahlschrauben ist nur mit Vorsicht zu genießen:

Die Streckgrenze liegt je nach Legierung um 25…50% unter der von Stahlschrauben. Damit bleibt der Einsatzbereich auf Motordeckelschrauben oder ähnlich gering beanspruchte Stellen beschränkt. Im Schrauber-Alltag überwiegen die Nachteile:

Schraubenköpfe werden leichter rund gedreht, die Bruchgefahr ist grösser, und das Gewinde muss mit Grafit eingestzt werden, da es sonst frißt. Interessant sind Aluschrauben eigentlich nur für Leute, die es gern farbig lieben.

Titan

Schskantschraube DIN 960Absolute Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse, 40% Gewichtsvorteil, Zugfestigkeiten bis zu 1250 N/mm2 und eine Streckgrenze von 800 N/mm2 würden Titan zum idealen Schraubenwerkstoff machen.

Mit etwa 6 Euro für eine M6 x 30 Innensechskantschraube ist Titan allerdings extrem teuer. Für die Einsparung eines Kilogramms müßten einige tausend Euro investiert werden.

Edelstahlschrauben

Zylinderschraube mir Schlitz DIN 84Edelstähle weisen geringere Verunreinigungen durch Phosphor, Schwefel und nichtmetrische Einschlüsse auf. Schrauben und Muttern aus nichtrostenden Stählen werden durch Buchstaben und Zahlen gekennzeichnet.

Beispiel: A2-70. A steht dabei für austenitische Stähle. Es gibt noch die Bezeichnungen C für martensitische-, und F für ferritische Stähle. Damit werden verschiedene Stahlgefüge bezeichnet.

A2 ist eines der meist gebräuchlichsten Werkstoffe aus denen nichtrostende Schrauben und Zubehörteile gefertigt werden. A4 ist bezüglich Korrosionsbeständigkeit ein höherwertiger Werkstoff als A2. Man spricht häufig auch von den Marken-Bezeichnungen „NIRO“, „NIROSTA“, „INOX“, und von der Materialbezeichnung „Chrom-Nickel-Stahl“ wenn man Edelstahl im allgemeinen meint.

Die nachfolgenden Zusatzzahlen kennzeichnen die mechanischen Eigenschaften. Besonders beachtenswert sind hier wieder die Festigkeitsklassen. Abweichend von DIN 898 Teil 1 werden Schrauben aus nichtrostenden Stählen in den Festigkeitsklassen 50, 70 und 80 gefertigt. Die Angabe A4-70 auf dem Schraubenkopf bedeutet dann eine Zugfestigkeit von 700 N/mm2.

Edelstahlschrauben dehnen sich allerdings stärker als Schrauben aus Standard-Stahl. Mit einer Streckgrenze von 450 N/mm2 liegen diese Schrauben noch unterhalb einer handelsüblichen 8.8 Schraube (Tabelle 1). Dies muss bei der Verwendung berücksichtigt werden. Hochbelastete Teile wie Bremswiderlager sollten nicht durch Edelstahlschrauben gehalten werden.

Wer tiefer in das Thema einsteigen möchte, empfehlen wir die Seite http://www.schrauben-lexikon.de/td3-werkstoffe-stahl.asp

Schreibe einen Kommentar

Design by MR design / Powered by MR cloud

Zur Werkzeugleiste springen