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Verstanden

Die Schraube; ein erheblicher Teil der modernen Welt basiert auf mit dieser (noch gar nicht so alten) Erfindung gebauten, lösbaren Verbindungen. In der Fahrzeugtechnik ist diese neben dem Schweißen sicherlich die häufigst anzutreffende.

Von Wikipedia entleihe ich mal eine (gekürzte) Definition dieses Begriffes (dort sind auch weitere Infos zu Normen, etc. zu finden):

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Schraube (Verbindungselement)

Eine Schraube ist ein zylindrischer Stift oder Bolzen, auf dem ein Gewinde aufgebracht ist. Sie bildet zusammen mit einem Gegenstück mit Innen-Gewinde (sehr oft eine Mutter) ein Verbindungselement. Bei Schrauben mit Kopf dient die Ringfläche unter dem Kopf als axialer Anschlag.

Die Verbindung Schraube/Werkstücke/Mutter ist in axialer Richtung formschlüssig, die Verbindung zwischen Schraubenschaft und Werkstück in radialer Richtung ebenfalls. Gegen Lösen besteht nach dem Anziehen der Schraube Kraftschluss (axiale Normalkraft infolge geringer elastischer Verformung des Schaftes und des Werkstücks).

….

Ihr Gewinde wird in ein entsprechendes Muttergewinde bzw. Innengewinde eingedreht. Dabei wird die Schraube gedehnt und die zusammengefügten Teile werden gestaucht. Die Schraube hält also die Bauteile durch eine Klemmverbindung zusammen, sie wird ausschließlich auf Zug beansprucht.

Zwar werden Schrauben manchmal auch auf Scherung (Anm.: z.B. als Überlastungschutz im Antriebsstrang von landw. Maschinen) oder Biegung beansprucht, allerdings sind sie für diese Verwendung nicht sonderlich gut geeignet. Das Gewinde stellt eine Kerbung der Oberfläche dar, die die Belastbarkeit auf Scherung oder Biegung gegenüber einem glatten Bolzen um ca. 50% herabsetzt.“

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Soweit so gut. Aber wie sieht das in Praxis aus? Schraubenbezeichnungen zu entschlüsseln ist keine Wissenschaft.

Beim Händler steht auf dem Regalbrett beispielsweise „M10 × 60–8.8“. Diese Angaben bedeuten das wir hier ein Exemplar mit einem Nenndurchmesser von 10mm und einer Schaft-/Gewindelänge von 60mm vorliegen haben (nur bei Senkköpfen ist die Angabe als gesamte Schraubenlänge zu verstehen). Das war ja mal klar.

Teilweise werden auch entsprechende ISO-Normen angegeben, etwa die „4014“ aus der Werkzeuganschluss (Sechskantkopf) oder andere Eigenschaften (hier: Schaft) hervorgehen. Auch die Gewindesteigung (hier: Regelgewinde) ist daraus ersichtlich.

Da man aber selten alle ISOs im Kopf hat ist es meist so, das bei Schrauben, die ein spezielles Gewinde aufweisen, dieses mit in die Bezeichnung aufgenommen ist.

So bezeichnet „M20 × 2 × 60–8.8“ eine Schraube die NICHT das für ihren Durchmesser festgelegte Regel- (Steigung 2,5mm) sondern ein Feingewinde mit 2,0 mm Steigung aufweist.

Die Steigung zeigt uns wie weit die Schraube bei einer Umdrehung eingedreht wird. Je kleiner die Zahl, desto höhere Anzugsmomente lassen sich realisieren; auch die Selbsthemmung (der Reibungswiderstand zwischen den Gewinden von Schraube und Mutter) wird dadurch erhöht, da mehr Gewindegänge ineinander greifen.

Die letzte Zahl in der Schraubenbezeichnung, „8.8“, steht für die Festigkeitsklasse. Diese Klassen kennzeichnen bei Schrauben und Muttern die Zugfestigkeit, sowie die Streckgrenze. Bei Erreichen des Zugfestigkeitwerts ist das Maximum der durch die Verbindung übertragbaren Kraft erreicht. Die Streckgrenze gibt an, ab welchem Wert sich die Schraube zu verformen beginnt, sie also „überdehnt“ (und damit bleibend länger) wird.

„8.8“ steht für eine Zugfestigkeit von 800N pro Quadratmillimeter (der Wert vor dem Punkt wird mit 100 multipliziert).

Die Mindeststreckgrenze beträgt hier 80 Prozent (Wert nach dem Punkt).

80 % der Zugfestigkeit entsprechen 640 N/mm2 (8 x 8 = 64 N/mm2 x 10 = 640 N/mm2)

Bei diesem Wert wird also die Streckgrenze der Beispielschrauben erreicht.

Da eine Mutter beim Anziehen nicht überdehnt werden kann entfällt auf ihr die Angabe der Streckgrenze, sie muss mit einer einzelnen eingeprägten „8“ auskommen.

Die Festigkeitsklassen mit denen man als normaler Mensch zu tun hat sind 4.6, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 und 12.9. Bei nicht vorhandener Kennzeichnung der Klasse muss man immer von „4.6“ ausgehen. Das ist das, was von Possling bis Obi im Regal liegt, eine Ausnahme stellt hier Hornbach da, die eine reichliche Größenauswahl an (einzeln erwerbbaren) Schrauben der 8.8er Klasse und zugehöriger 8er Muttern haben.

Die Faustformel „je höher die angegebene Klasse, desto besser“ ist Grundsätzlich richtig, jedoch gibt es einige Stellen, an denen ganz bestimmte Festigkeitsklassen und damit auch Materialeigenschaften gefordert werden.

Gängige Fahrgestellschrauben haben oft ein Klasse von „10.9“, manche Verbindungen (z.B. Flansche) fordern explizit weichere oder sogar speziell konzipierte Schrauben wie Scherschrauben (welche eine beabsichtigte Materialschwächung aufweisen) oder Dehnschrauben (bei denen der Schaft dünner als das Gewinde ist). Solche Spezialschrauben dürfen in keinem Fall durch welche aus dem Standardkatalog ersetzt werden.

Beim Mischen von Klassen innerhalb einer Verbindung ist Vorsicht geboten. So ist eine höherklassige Mutter zur Einhaltung eines vorgeschrieben Drehmoments (das sich natürlich nach der Schraube richtet) verwendbar, eine aus einer niedrigeren Klasse dagegen nicht; hier besteht die Gefahr das die härtere Schraube das Gewinde der Mutter beschädigt und so nachgibt.

Ähnliches kann passieren, wenn eine Schraube nicht lang genug gewählt wird. Man geht als Faustregel von einer Mindesteinschraubtiefe von 1 x Schraubennenndurchmesser (Stahl) bzw. 2 x Schraubennenndurchmesser (Alu) aus.

Wichtig: Es dürfen unabhängig vom Material nie Verbindungen einer höheren Festigkeit durch schwächere ersetzt werden. Nie, nie, nie.

Gelegentlich trifft man auf den Irrglauben das Schrauben aus Edelstahl (Krupp-Bezeichnungen V2A oder V4A) „besser“ wären als Stahlschrauben; das ist nicht richtig, sie sind nur „anders“ und punkten mit Ihrer Rostfreiheit bzw. Säurefestigkeit, haben aber auch material- und verbindungstechnisch andere Eigenschaften.

Auf den Schrauben finden sich auch gänzlich andere Prägungen. Bei der Bezeichnung „A5-80“ steht das „A5“ für die Stahlsorte, während die „80“ eine der Festigkeitsklassen für Edelstahlschrauben anzeigt. „50“ steht für weich, „70“ für kaltverfestigt und „80“ für hochfest. Die Annahme das eine „hochfeste“ VA Schraube einer gleicher Abmasse aus Stahl überlegen ist, zerstört ein Blick in die Tabelle:

 

V2A-Schrauben: (Anzugsmomente in Nm)

50 70 80
M5 1,7 3,5 4,7
M6 3 6 8
M8 7,1 16 22
M10 14 32 43
M12 24 56 75

Stahlschrauben: (Anzugsmomente in Nm)

5.6 8.8 10.9 12.9
M4 1,4 3,3 4,8 5,6
M5 2,7 6,5 9,5 11,2
M6 4,6 11,3 
16,5 19,3
M8 11 27,3
40,1 46,9
M10 22
54 79 93
M12
39
93
137
160

Anm.: Es gibt viele unterschiedliche solcher Tabellen im Internet, teilweis auch mit leicht unterschiedlichen Werten. Dies liegt an den zugrundeliegenden "mittleren Reibwerten" (hier µges=0.14).

M12 Stahl in der höchsten Klasse hat beispielsweise einen Anzugsdrehmoment von 160 Nm, während das „edle Geblüt“ bereits bei 75 Nm die Flügel streckt. Entsprechend geringer ist also die Festigkeit der gesamten Verbindung.
Schick, schick. Aber: Was wir mühselig und mit dem passend aus der Tabelle entnommen Anzugsdrehmoment angeschraubt haben soll doch nun bitte auch dort verweilen, und dass obwohl wir mit 80km/h und von -30 bis +45 Grad Außentemperatur unterwegs sind.

Grundsätzlich genügt in einer konstruktiv richtig dimensionierten Verbindung die Selbsthemmung zwischen Schraube und Mutter. Erhöht sich die Klemmlänge (Richtwert: mehr als 5x Schraubendurchmesser) gilt dies sogar für Verbindungen mit dynamischer Beanspruchung.

Trotzdem können bestimmte Krafteinwirkungen wie Vibrationen oder ein Taumeln der verbundenen Materialien dazu führen, dass ein Bauteil das innere Losdrehmoment (Reibschluss zwischen Kopfauflage und Material oder Schraube und Mutterngewinde) überwindet.

Es gibt verschiedene Arten von Schraubensicherungen, die sich für den Privatgebrauch auf zwei reduzieren lassen: Losdrehsicherungen und Verliersicherungen. Erstere sollen Relativbewegungen zwischen den Verbindungselementen verhindern, während letztere lediglich gegen das vollständige Auseinanderfallen einer Verbindung schützt.

Rillen- oder Wellenscheiben leisten als Losdrehsicherung einer Mutter gute Dienste, einfache Unterlegscheiben verteilen nur die Flächen-Kräfte hindern aber in keinem Fall das Lösen. Der allseits beliebte Federring (umgangssprachlich teilweise „Sprengring“; wird aus einem spiralförmig gedrehten Draht „aufgesprengt“) kann sich bei sehr festen Verbindungen in die Oberflächen fressen. Deshalb kann in einem solchen Falle eine andere Sicherung nötig werden.

An Radlagern sitzen gerne die langsam (leider) aus der Mode kommenden Kronenmuttern, die im rechten Winkel zur Schraubachse Schlitze (Kronenform) haben. In der zugehörigen Schraube muss eine, mit den Schlitzen fluchtende Bohrung vorhanden sein, um die eigentliche Sicherung, den Splint durchstecken zu können.

Das Kontern zweier Muttern ist in dem Sinne kein Sicherungselement und nur dann voll wirksam, wenn die Kraft beim „Gegeneinanderschrauben“ der Muttern die auf die Verbindung einwirkenden Kräfte übersteigt. Dies macht sie für den Einsatz an hochfesten Verbindungen ungeeignet.

Selbstsichernde Muttern, die es heute in nahezu jeder Größe und verschiedenen Bauformen gibt, zählen zu den Verliersicherungen.

So gibt es sie rein metallisch mit vorgequetschten Gewindegängen oder, in der häufigsten Ausführung mit einem hinter dem Gewinde eingelegten engen Kunststoffring, der beim Durchschrauben hohe Reibungswerte aufbaut. Diese Art ist allerdings hitzeempfindlich, ein Einsatz in der Nähe oder an Bremsen, Krümmer, Auspuff verbietet sich also. Diese Muttern sind nur einmalig zu verwenden und deshalb für Verbindungen gut, die man nicht ab und an lösen muss.

Die moderne Chemie bietet weiterhin verschiedene Stoffe an, mit denen sich Schrauben sichern lassen. Diese Methode basiert hauptsächlich darauf, dass der Zwischenraum zwischen den Schrauben- und Gewindeflanken durch die Sicherungsmasse ausgefüllt werden und so eine höhere Flächenreibung entsteht.

Für höherfeste Verbindungen gibt es Produkte die mit Klebstoffen arbeiten, die durch den Druck beim Einschrauben aktiviert werden. Diese wirken dann nicht nur wie erstgenannte als Verlier- sondern auch direkt als Losdrehsicherung.

 

Diese Zusammenfassung wurde zum privaten Autodaktieren geschrieben und erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit. Es gibt zahllose Schrauben-, Mutter-, und Sicherungsformen die hier nicht alle aufgeführt sind. Wer weiter forschen möchte dem bietet Wikipedia ein gute erste Anlaufstelle mit weiterführenden Links zum Thema.

 

 

Quellen:

 

Wikipedia

Böllhof Verbindungstechnik

Oldtimermarkt

Sicherungs-Normen.de

www.pfeffer.ch