Schraube (Verbindungselement)
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|thumb|Stiftschrauben_an_einer_Generators an der Grand-Coulee-Talsperre]]
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Eine Schraube, die als Verbindungselement dient, ist prinzipiell ein kegelförmig zugespitzter Stift oder Bolzen, auf dem ein Gewinde aufgebracht ist, und der zudem an seinem oberen Ende einen geometrisch verschieden ausgeführten Kopf aufweist. Das Gewinde kann prinzipiell als Keil oder schiefe Ebene betrachtet werden, der zur Wirkungsentfaltung durch Rotation wendelförmig aufgewickelt ist.
Anwendung, Aufbau
Schrauben dienen als lösbare Verbindungen von Bauteilen aller Art, insbesondere sollen sie zwei oder mehr Teile so verbinden, dass nur sie selbst auf Zug beansprucht werden und die zu verbindenden Teile durch die Haftreibung fixiert werden. Die Kraft, die zum Verbinden der Teile aufzubringen ist, nennt man Montagevorspannkraft. Schrauben werden auch als Scher-Lochleibungsverbindungen eingesetzt oder auf Biegung beansprucht.
Schrauben werden zur Anwendung gebracht, indem sie in ein "Muttergewinde" bzw. Innengewinde eingedreht werden und dabei ihre wirksame Länge zunehmend verkürzen, bis sie die zu verbindenden Teile zusammendrücken. Das zugehörige Muttergewinde muss als zusätzliche Schraube oder in das Verbindungsteil eingeschnittenes Gewinde bereitgestellt werden, oder die Schraube schneidet sich während der Drehung selbst ihr Gewinde in das Material (siehe Schneidschraube, Blechschraube und Holzschraube).
Der Kopf mit seiner jeweils speziellen Form dient einerseits als Angriffspunkt für das zugehörige Drehwerkzeug (Schraubenschlüssel, Schraubendreher, Inbusschlüssel etc.) andererseits als Druckfläche zum Andrücken des ?obersten? Teils auf das darunterliegende zu verbindende Teil.
Schrauben bestehen in der Regel aus einem metallischen Werkstoff und werden in zahlreichen verschiedenen Größen, Formen, Materialien und Oberflächen gefertigt. Für spezielle Anwendungen stehen auch Schrauben aus Kunststoff zur Verfügung. Es gibt Schrauben mit weniger als einem halben Millimeter Durchmesser für Uhrwerke oder als mannshohe, schenkeldicke Verbindungselemente an Großmaschinen oder Bauwerken. In Zeiten der Elektroschrottverordnung und Altautoverwertungsrichtlinie ist die Schraubverbindung aktueller denn je.
Schrauben können sich in der Richtung unterscheiden, in welcher sie eingeschraubt werden. Als rechtsdrehend bezeichnet man in der Mechanik Gewinde von Schrauben, wenn sich die Schraube beim Drehen im Uhrzeigersinn vom Betrachter wegbewegt. Bezugsrichtung ist die Bewegung der Schraube in Längsrichtung, wenn sie gedreht wird. Daher gilt der Drehsinn sowohl für das Eindrehen (rechts drehen, vorwärts bewegen) als auch für das Ausdrehen (links drehen, rückwärts bewegen). Bei linksdrehenden Gewinden erfolgt das Einschrauben gegen den Uhrzeigersinn.
Herstellung
Für die Produktion von Kopfschrauben gibt es heute hauptsächlich zwei Herstellverfahren:
* das Kaltfließpressverfahren auf mehrstufigen Pressen für große Stückzahlen und Durchmesser bis zur Zeit maximal M36. Das Ausgangsmaterial wird als "Draht" auf Spulen aufgewickelt angeliefert und in den Pressen vorgeschalteten Anlagen abgehaspelt, gerichtet und gegebenenfalls auf den gewünschten Durchmesser reduziert. Moderne Kaltfließpressen ("boltmaker") arbeiten heute mehrstufig, d.h. pro Hub sind mehrere Operationen hintereinander verkettet, bspw. Sechskantkopf vorformen, stauchen, entgraten und Gewindeteil reduzieren. Im nachfolgenden Prozess werden die Gewinde durch Gewindewalzmaschinen mit Flachbacken oder Rolle- und Segmentwerkzeugen spanlos auf die reduzierten Gewindeteile aufgerollt. Abhängig von Durchmesser und Länge der Schrauben erreichen solche Anlagen Produktionszahlen von mehr als 1.000 Stück pro Minute.
* das Warmpressverfahren Schmieden auf Schmiedepressen für kleine bis mittlere Stückzahlen und Durchmesser bis M200. Das in Stangenform eingesetzte Rundmaterial muss zuerst in einem vorbereitenden Arbeitsgang abgelängt werden. Die Abschnitte werden dann ganz oder partiell (in Gas-, Öl- oder Induktionsöfen) auf Schmiedetemperatur (abhängig vom Werkstoff; bis zu 1.250 °C) erwärmt und in Pressen partiell umgeformt. Zur Fertigstellung solcher Schrauben werden anschließend zerspanende Verfahren (CNC-Drehen, Gewindeschneiden) angewandt, wobei die Gewinde heute überwiegend spanlos auf Gewinderollmaschinen (2 oder 3 Rollen Maschinen mit Rollkräften bis 1.200 kN) hergestellt werden.
Aus Kostengründen weniger gebraucht wird heute die Fertigung großer Stückzahlen von Schrauben und Muttern auf automatischen Drehmaschinen. Bei kleinen Stückzahlen ist aber die Fertigung auf Drehmaschinen immer noch gebräuchlich. Kleinere Gewindeabmessungen werden dabei mit Hilfe von Gewindebohrern (für Innengewinde) und Schneideisen (für Außengewinde) hergestellt. Diese beiden Werkzeuge werden auch für die Herstellung von Gewinden von Hand gebraucht.
Siehe hierzu auch [http://www.wuerth.de/de/service/dino/04herstellung.html#4-1 Herstellverfahren]
Korrosionsschutz
thumb|Verzinkte_Schraube_mit_Sechskantkopf,_M_45_x_160_
Festigkeitsklasse_4.6
Schwach korrodierende Schrauben (abhängig von den Umgebungsbedingungen) bestehen aus nichtrostendem Stahl, Nickellegierungen, Kupferlegierungen, Kunststoffen, gelegentlich Aluminium, Titan (meist in der Legierung 6AL4V) oder neuerdings auch aus Carbon (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ).
Stahlschrauben werden durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen gegen Korrosion geschützt.
*Blanke Schrauben (umgangssprachlich "schwarze" Schrauben) korrodieren am schnellsten. Sie benötigen nach der Montage eine Schutzbeschichtung (z.B. Korrosionsschutzfarbe), wenn sie nicht unter korrosionsfreien oder -armen Bedingungen verwendet werden.
Die meisten Schrauben werden bereits beim Hersteller beschichtet:
• (auch geschwärzte Schrauben genannt), dabei wird eine dünne, festanhaftende dunkelbraune bis schwarze Oxidschicht (Eisenoxiduloxid - Fe3O4) durch Tauchen in eine erhitzte, stark alkalische Salzlösung erzeugt. Norm dazu: DIN 50938. Der erzielte Korrosionsschutz ist schwach, er dient eher optischen Gründen.
*Putz/'>Phosphat]ierung, dabei wird auf der Oberfläche chemisch oder elektrochemisch eine Phosphatschicht erzeugt. Schwacher Korrosionsschutz, vorwiegend bei Anforderungen an die Haftfähigkeit z.B. von [[Putz (Werkstoff)/'>Putz verwendet (z.B. Schnellbauschrauben-Trockenbau) bzw. im Automobilbau für Motorschrauben, die ohnehin keiner Korrosion ausgesetzt sind wie z.B. Pleuel- und Zylinderkopfschrauben. Vorteilhaft wird dabei die gute Einstellbarkeit der Reibungszahlen sowie die hohe Belastungsfähigkeit der Phosphatschicht ausgenutzt.
• Dabei werden Feuerverzinkung (tZn) und galvanische Verzinkung (galZn) unterschieden. Die preiswerte und bei weitem gebräuchlichste Verzinkung ist die galvanische Verzinkung. Große Schrauben (ab M16, M20...) für den Einsatz im Freien werden meist feuerverzinkt.
* zusätzlich A2 oder A4.
Bei der vollständigen Kennzeichnung werden alle relevanten Daten angegeben, ein Beispiel ist:
ISO 4014 - M10 x 60 - 8.8
Aus der Bezeichnung ist aufgrund der ISO-Norm 4014 (metrisches ISO-Gewinde bzw. Regelgewinde) herauszulesen, dass es sich um eine Sechskantschraube mit Schaft und einem Nenndurchmesser von 10mm, sowie einer Länge von 60 mm und der folgend erklärten Festigkeitsklasse 8.8 handelt.
ISO 8765 - M20 x 2 x 60 - 8.8
Der Kennzeichnung dieser Sechskantschraube ist noch die Steigung von 2,0 mm hinzugefügt und es handelt sich somit um ein Feingewinde, denn eine Schraube mit Regelgewinde hätte eine Steigung von 2,5 mm. Zusätzliche Kennwerte, wie Flanken- und Kerndurchmesser, Spannungs- und Kernquerschnitt, sowie Steigungswinkel kann man mithilfe der DIN 13 bestimmen.
Aus der Festigkeitsklasse bei Stahlschrauben lassen sich die Zugfestigkeit Rm und die Streckgrenze Rel errechnen.
Als Beispiel die Festigkeitsklasse 8.8:
:Rm wird errechnet, indem man die erste Zahl mit 100 multipliziert. (8 x 100 = 800 N/mm² maximale Zugfestigkeit),
:Rel, indem beide Zahlen miteinander multipliziert und das Ergebnis noch einmal mit 10 multipliziert.
:(8 x 8 = 64 N/mm² x 10 = 640 N/mm² Mindeststreckgrenze). In diesem Fall wird bei 80% der Zugfestigkeit (hier bricht die Schraube) die Streckgrenze (ab hier treten irreversible Verformungen auf) erreicht und die Verformung geht von dem elastischen in den plastischen Bereich über. Wenn die Schraube darüber hinaus belastet wird, ist das Material dauerhaft verformt und die Schraube ist dauerhaft verlängert. Dies sollte vermieden werden.
Gemäß der Normung für mechanische und physikalische Eigenschaften (EN ISO 898-1) sind die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 und 12.9 gebräuchlich.
In der Industrie kommt sehr häufig die Klasse 8.8 zur Verwendung, die Klassen 4.6, 5.6 und 5.8 sind abgesehen von den Flanschverbindungen nur selten anzutreffen. 10.9 und 12.9 werden vor allem für berechnete und definiert vorgespannte Schraubverbindungen verwendet.
In Baumärkten hingegen wird vielfach die Festigkeitsklasse 4.6 angeboten.
Für Schrauben aus nichtrostendem_Stahl wird die Qualität und Festigkeitsklasse auf dem Schraubenkopf angegeben. Diese sind A (für austenitischen Stahl), 1 bis 5 (Sorte) sowie 50 (weich), 70 (kaltverfestigt) oder 80 (hochfest), z.B: A2-70 oder A5-80.
Vorwiegend werden die Qualitäten A2 allgemein und A4 für erhöhte Korrosionsbeanspruchungen verwendet. Diese Qualitäten werden umgangssprachlich auch heute noch mit den von KRUPP geprägten Werksbezeichnungen "V2A" und V4A" benannt. In besonderen Fällen kommen auch Schrauben aus den Werkstoffen mit den Werkstoffnummer 1.4439 oder 1.4462 zum Einsatz, beispielsweise im Offshore-Bereich.
"Nichtrostende" (eigentlich: korrosionsarme) Schrauben haben einen silbrig-gelblichen, matten Glanz und sind oft (sofern austenitisch) nicht magnetisch.
Schraubenarten
Je nach Art des Verwendungszwecks oder des Materials, in welches die Schraube geschraubt werden soll, hat sie ein genormtes Gewinde, welches ein fertiges Gegengewinde erfordert, oder sie besitzt ein selbstschneidendes Gewinde.
Es wird unterschieden nach
Material, für das die Schraube verwendet wird
* Holzschrauben mit einem der Belastbarkeit des Holzes angepassten Holzgewinde
* Blechschrauben mit einem für dünne Bleche berechneten Gewinde
* Kunststoffschrauben mit einem Gewindeprofil, speziell für Kunststoffe
* Schnellbauschrauben mit mehrgängigem Gewinde oder großem Steigungswinkel oder die so genannten Spanplattenschrauben, z.B. als Synonym die Markenbezeichnung SPAX, von: Spanplattenschraube mit Kreuzschlitz "x"). Hierbei handelt es sich um Schrauben mit selbstschneidendem Gewinde.
Schrauben mit genormten zylindrischen Gewinde (z.B. metrisch oder Whitworth-zöllig) zum Einschrauben in ein Innengewinde (z. B. Mutter) werden als 6-Kant-Schraube umgangssprachlich
* Maschinenschrauben
genannt.
Schraubenkopf-Formen
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!valign="top"| || c) TorqSet, Sicherheitsprofil mit versetztem Kreuz (kaum gebraucht)
Torx-TR, mit stirnseitiger Bohrung
* Innensechskant-TR, mit stirnseitiger Öffnung
Für besondere Anwendungsgebiete gibt es weitere Formen
Innenvielzahn, um ein hohes Drehmoment zu übertragen (Automobilbranche)
* Innendreikant, oft bei Spielzeugen und Gebrauchselektrik, solchen sind oft in den handelsüblichen Bit-Sätzen nicht enthalten
= Rändelschraube
=Rändelschrauben haben einen gerändelten Kopf und können ohne Werkzeug angezogen werden.
Schraubennormen (Auswahl)
*Sechskantkopf
**Sechskantschraube mit Schaft ISO 4014 (alt: DIN 931)
**Sechskantschraube mit Gewinde bis Kopf ISO 4017 (alt: DIN 933)
**Sechskantschraube mit Schaft, Feingewinde 8×1 bis 100×4, DIN 960
**Sechskantschraube mit Feingewinde 8×1 bis 100×4 bis Kopf, DIN 961)
**Sechskant-Passschraube ohne Mutter für Stahlbaukonstruktionen DIN 7968
**Sechskant-Passschraube mit Sechskantmutter für Stahlbaukonstruktionen DIN 7990
**Sechskant-Holzschraube DIN 571
**Sechskant-Blechschraube DIN 7976
*Vierkantkopf
**Vierkantschraube mit Bund DIN 478
**Vierkantschraube mit Kernansatz DIN 479
**Vierkantschraube mit Ansatzkuppe DIN 480
*Zylinderkopf
**Zylinderschraube mit Innensechskant ISO 4762 (alt: DIN 912)
**Zylinderschraube mit Innensechskant, niedriger Kopf, mit Schlüsselführung DIN 6912
**Zylinderschraube mit Innensechskant, niedriger Kopf DIN 7984
**Zylinderschraube mit Schlitz ISO 1207 (alt: DIN 84)
**Zylinder-Blechschraube mit Schlitz DIN 7971
*Senkkopf
**Senkschraube mit Innensechskant DIN 7991
**Senkschraube mit Schlitz DIN 963
**Senk-Holzschraube mit Schlitz DIN 97
**Senk-Blechschraube mit Schlitz DIN 7972
**Senkschraube mit Kreuzschlitz DIN 965
**Senk-Holzschraube mit Kreuzschlitz DIN 7997
**Senk-Blechschraube mit Kreuzschlitz DIN 7982
thumb|180px|Gängige_Schraubenschlüssel oder Schraubendreher zum Drehen der Schraube. Bei vielen Verbindungen ist es notwendig, einen Drehmomentschlüssel zu verwenden. Wo definierte Vorspannkräfte in Schraubenverbindungen einzubringen sind, kommen hydraulische Vorspannverfahren (drehend oder ziehend) zur Anwendung.
Sonderbauformen
*Schrauben ohne Kopf können Stiftschrauben, Gewindestifte oder Gewindebolzen sein, mit einem zweigeteilten oder durchgehenden Gewinde. Ein Anwendungsbeispiel für einen Gewindestift ist der Befestigungsstift für Türgriffe, ein Beispiel für Stiftschrauben sind die Schrauben zur Verbindung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock bei Kolbenmotoren.
• haben eine Spiralbohrerspitze, die geeignet ist, in nicht allzu dicke und harte Materialien (meist Bleche) ein Loch zu bohren, wodurch die Schraube in einem Arbeitsgang ohne Vorbohren verschraubt werden kann.
*Gewindeformende Schrauben] (selbstformende Schrauben) formen selbst ein Gewinde in ein Sackloch oder ein Durchgangsloch, ohne einen Span zu produzieren, und sind dadurch für Materialien geeignet, für die selbstschneidende Schrauben ungeeignet sind. Es ist dabei jedoch ein linear steigendes Einschraubdrehmoment und ein höheres Anziehdrehmoment notwendig. Die Schrauben sind, da meist vergütet hergestellt, teurer als eine metrische Normschraube, jedoch können im Gesamtprozess Kosten reduziert werden, da auf ein Gewindeschneiden im Gegenbauteil verzichtet werden kann.
Siehe auch: [[Dübel, Bewegungsschraube, Stockschraube, Normteil, Archimedische Schraube, Gewinde
Schraubensicherungen
Hauptartikel: SchraubensicherungBei dynamischen Belastungen (Querschub) können Schraubenverbindungen durch selbsttätiges Lösen versagen. Eine Abhilfe gegen dieses Bauteilversagen bietet in erster Linie die korrekte Auslegung und Konstruktion der Schraubverbindung. Als Grundsatz gilt:
* Die zu verbindenden Bauteile sollen möglichst starr bzw. steif sein,
* die zugehörige Schraube muss dagegen möglichst nachgiebig sein,
* die Schraubenverbindung ist so hoch wie möglich vorzuspannen.
Die beste Schraubensicherung ist eine ausreichend hohe Vorspannkraft (Klemmkraft). Sie verhindert einerseits, dass sich die verspannten Bauteile durch eingeleitete Querkräfte gegeneinander verschieben können. Andererseits sorgt sie dafür, dass es durch axial eingeleitete Kräfte nicht zum Klaffen zwischen den Bauteilen kommt (Gefahr eines Gewalt- oder Dauerbruches).
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Schraubverbindung mit hochfesten Schrauben (-> ab Festigkeitsklasse 8.8) und Muttern zu versehen und auf jegliche Zusätze wie Federringe, Unterlegscheiben oder Zahnscheiben zu verzichten.
An Stellen, wo solche Maßnahmen nicht möglich sind, können die Schraubverbindungen mit Klebstoff, speziell geformten Muttern mit Kunststoffeinsatz, Kronenmuttern mit Splint oder durch Verdrahten gesichert werden. Unbedingt abzuraten ist dagegen vom Kontern mehrerer Muttern auf einer Schraube, da zunächst die Verbindung gesichert erscheint, sich dann aber besonders schnell löst. Eine aufwendige Ausnahme ist dabei die Methode, das Gewinde der Befestigungsmutter als Rechtsgewinde auszuführen, das zugehörige Gewinde der Kontermutter auf der Schraube dagegen als Linksgewinde. Diese Methode ist im Bergbau verbreitet, ebenso an alten Fahrrädern mit geschraubten Ritzeln auf der Hinterradnabe.
Für die Berechnung und Auslegung von Schraubenverbindungen sei an dieser Stelle auf die VDI-Richtlinie 2230, Teil 1: "Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Zylindrische Einschraubenverbindungen" verwiesen.
Anzieh-/Montageverfahren
Folgende Anziehverfahren werden heute in der Industrie für die Montage von Schraubenverbindungen angewendet:
* drehmomentgesteuertes Anziehen
* drehmoment-drehwinkelgesteuertes Anziehen
* streckgrenzengesteuertes Anziehen
* hydraulisches Vorspannen
* thermisches Anziehen (vgl. Warmnieten)
Weblinks
• Einige Schraubennormen
• Bilder von allen Schrauben(und Muttern) aufrufbar über die jeweilige DIN-Nummer
• Schraubenbrevier
