Schrauben- und Stiftverbindungen

Inhaltsverzeichnis

• Schraubenverbindungen
• Funktion und Wirkung
• Aufgaben und Wirkprinzip

Die Schraube ist das am häufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und Verbindungselement. Die Schraubenverbindung beruht auf der Paarung von Schraube mit Außengewinde und Bauteil mit Innengewinde, wobei zwischen beiden Formschluss im Gewinde erzielt wird.

Je nach Nutzung dieser Schraubfunktion unterscheidet man:

• Befestigungsschrauben für die Herstellung von Spannverbindungen. Hier führt dies Drehbewegung der Schraube zum Verspannen von zwei Bauteilen.
• Bewegungsschrauben zum Umwandeln von Drehbewegungen in Längsbewegungen bzw. zum Erzeugen großer Kräfte.
• Dichtungsschrauben zum Verschließen von Einfüll- und Auslauföffnungen.
• Einstellschrauben zum Ausrichten von Geräten und Instrumenten. u.a.

Gewindearten

Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung, die längs einer um einen Zylinder gewundenen Schraubenlinie verläuft.

Bild 2: Grundformen der gebräuchlichsten Gewinde.

a) metrisches Gewinde b) metrisches Feingewinde c)Whitwirth-Rohrgewinde d) Trapezgewinde

e) Sägengewinde f) Rundgewinde

Die Art des Gewindes wird durch die Profilform, z.B. Dreieck oder Trapez, die Steigung, die Gangzahl und den Windungssinn bestimmt. Begriffe und Definitionen für zylindrische Gewinde sind in DIN 2244 festgelegt.

Die gebräuchlichsten Gewinde sind:

1. Metrisches ISO-Gewinde: Flankenwinkel 60°, je nach Größe der Steigung unterscheidet man Regel- und Feingewinde.
   Regelgewinde: Vorzugsweise angewendet bei Befestigungsschrauben aller Art.
   Feingewinde: Anwendung besonders bei großen Abmessungen und hohen Beanspruchungen, bei dünnwandigen Teilen, bei Mess-, Einstell- und Dichtungsschrauben.
2. Rohrgewinde: Flankenwinkel 55°; Zylindrisches Gewinde zur mechanischen Verbindung der Teile von Fittings, Hähnen usw.
3. Metrisches ISO-Trapezgewinde: Flankenwinkel 30°; Bevorzugtes Bewegungsgewinde für Leitspindeln von Drehmaschinen, Spindeln von Pressen, Ventilen, Schraubstöcken etc.

Gewindebezeichnungen

Die abgekürzten Gewindebezeichnungen sind in betreffenden Normblättern angegeben und in DIN 202 zusammengefasst. Die Kurzbezeichnung setzt sich normalerweise zusammen aus dem Kennbuchstaben für die Gewindeart und der Maßangabe für den Nenndurchmesser. Zusatzangaben für Steigung oder Gangzahl, Toleranz, Mehrgängigkeit, Kegeligkeit und Ligsgängigkeit sind gegebenenfalls anzufügen.

Schrauben- und Mutternarten

Schraubenarten

Die Schrauben unterscheiden sich im wesentlichen durch die Form des Kopfes, welche durch die Art des Kraftangriffs der Schraubwerkzeuge bedingt ist. Als günstige Antriebsformen haben sich bei Außenangriff Sechskant, Vierkant und Zwölfzahn und bei Innenangriff Innensechskant, Innenzwölfzahn, Kreuzschlitz und Schlitz erwiesen.

Nachfolgend einige gebräuchliche Schraubenarten:

1. Sechskantschrauben
2. Zylinderschrauben mit Innensechskant
3. Zylinder- und Flachkopfschrauben
4. Senk- und Linsenkopfschrauben
5. Stiftschrauben
6. Gewindestifte

Mutternarten

Durch die Verwendung von Muttern können Durchsteckverschraubungen ausgeführt werden. Bedingt durch ihre Form ist bei Muttern nur ein Antrieb von außen möglich. Ein Versagen der Schraubenverbindung kann durch Bruch der Schraube oder durch Abstreifen des Gewindes auftreten. Da Zweites kritischer ist, sind Schraubenverbindungen so ausgelegt, dass ein Versagen nur durch Bruch der Schraube auftreten kann.

Nachfolgend einige gebräuchliche Mutternarten:

1. Sechskantmuttern
2. Vierkantmuttern
3. Hutmuttern
4. Rändelmuttern
5. Nut- und Kreuzlochmuttern

Scheiben und Schraubensicherungen

Scheiben

Zwischen den Schraubenkopf bzw. die Mutter und die Auflagefläche werden Scheiben gelegt, wenn der Werkstoff der verschraubten Teile sehr weich oder deren Oberfläche rau und unbearbeitet ist oder auch, wenn diese nicht beschädigt werden sollen.

Schraubensicherungen

Schraubensicherungen sollen die Funktion einer Schraubenverbindung unter beliebig lange wirkender Beanspruchung erhalten. Aus der Vielzahl gebräuchlicher, meist genormter Sicherungselemente werden die wichtigsten genannt

Mitverspannte federnde Sicherungselemente wirken durch ihre meist axiale Federung wie z.B. Federringe, Zahnscheiben, Federscheiben

Formschlüssige Sicherungselemente sind solche, die durch ihre Form bzw. Verformung den Schraubenkopf oder die Mutter festlegen wie Kronenmuttern mit Splint oder Stift oder Drahtsicherungen.

Sperrende Sicherungselemente verhindern das Losdrehen durch eine Verzahnung.

Stoffschlüssige Sicherungselemente lassen sich durch Verkleben der Gewinde herstellen. Der Klebstoff wird entweder bei der Montage flüssig aufgetragen oder in Microkapseln eingeschlossen bereist beim Schraubenhersteller aufgebracht.

Im Großmaschinen- und Stahlbau werden Schraubenverbindungen auch durch Verformung des Gewindeüberstandes oder durch Schweißpunkte gesichert.

Herstellung, Werkstoffe und Festigkeiten

Herstellung

Für die Herstellung kommen in Frage die spanende Formung und die Kalt- oder Warmumformung. Bei Schrauben ergeben kalt geformte, gerollte Gewinde gegenüber geschnittenen wesentliche Vorteile; höhere Dauerhaltbarkeit, glattere Oberfläche, wirtschaftlichere Fertigung.

Werkstoffe und Festigkeiten

Die Mindestanforderungen an Güte, die Prüfung und Abnahme der Schrauben und Muttern sind festgelegt und beziehen sich auf die fertigen Teile ohne Rücksicht auf Herstellungsverfahren und Aussehen.

Für die Güte der Schrauben und Muttern sind maßgebend:

1. die Ausführung, gekennzeichnet durch die Produktklassen A, B, und C, wodurch maximale Rautiefen der Oberflächen (Auflage-, Gewinde-, Schlüsselflächen), zulässige Toleranzen (Längenmaße, Kopfhöhen, Schlüsselweiten) sowie Winkligkeit und Mittigkeit festgelegt sind.
2. die Festigkeitsklasse, bei Schrauben gekennzeichnet durch zwei mit einem Punkt getrennte Zahlen. Die erste Zahl gibt1/100 der Mindest-Zugfestigkeit R_m in N/mm², die zweite das 10-fache des Streckgrenzenverhältnisses R_eL/R_m bzw R_p0,2/R_m an. Das zehnfache Produkt beider Zahlen ergibt die Mindeststreckgrenze R_eL.

Muttern werden nach ihrer Belastbarkeit in 3 Grußßen unterteilt:

• a) Muttern für Schraubenverbindungen mit voller Belastbarkeit. Das sind Muttern mit Nennhöhen m = 0,85d
• b) Muttern für Schraubenverbindungen mit eingeschränkter Belastbarkeit; Nennhöhen m= 0,5...0,8d.
• c) Muttern für Schraubenverbindungen ohne festgelegte Belastbarkeit.

Montagevorspannkraft, Anziehverfahren

Die bei der Montage einer Schraube sich ergebende Vorspannkraft unterliegt je nach Reibungsverhältnissen und Anziehmethode einer Streuung zwischen einem Größtwert und einem Kleinstwert.

Das Anziehen von Hand oder mit Schlagschraubern ohne Einstellkontrollen führt zu den größten Streuungen und sollte darum auf untergeordnete Verbindungen beschränkt bleiben. Bei wichtigen Verschraubungen ist ein kontrolliertes Anziehen unbedingt erforderlich, um eine verlangte Vorspannkraft möglichst genau zu erreichen:

• Drehmomentgesteuertes Anziehen mit anzeigenden oder signalgebenden Drehmomentschlüsseln.
• Drehwinkelgesteuertes Anziehen, bei dem die Schraubenverbindung zunächst auf ein Ausgangsdrehmoment vorgezogen wird. Von dieser Drehmomentschwelle aus wird die Schraube um einen errechneten Winkel weiterbewegt und in den überelastische Bereich vorgespannt.
• Streckgrenzgesteuertes Anziehen, bei dem das Verhältnis von Anziehdrehmoment zu Anziehdrehwinkel stetig gemessen und bei einem Rückgang dieses Wertes, der Anziehvorgang beendet wird.

Stiftverbindungen

Formen und Verwendung

Stiftverbindungen werden hergestellt, indem in eine durch alle zu verbindenden Teile gehende Aufnahmebohrung ein Stift mit übermaß eingedrückt wird. Die entstehende Verbindung ist form- und kraftschlüssig. Stifte dienen zur Sicherung der Lage (Fixierung, Zentrierung) von Bauteilen, zur scherfesten Verbindung von Maschinenteilen, zur Halterung von Federn, zur Sicherung von Bolzen und Muttern (Sicherungsstifte) und zur Wegbegrenzung von Maschinenteilen (Anschlagstifte).

Bestimmen für den Einsatz der verschiedenen Stiftformen sind die verlangte Fixiergenauigkeit, die Herstellkosten für die Aufnahmebohrung, die Sitzfestigkeit, die Lösbarkeit und die verlangte Scherkraft. Stifte sollen aus härterem Werkstoff als die zu verbindenden Bauteile sein. Ungehärtete Stifte werden fast ausschließlich aus Automatenstahl hergestellt.

Nachfolgend eine Auflistung der verschiedenen Stiftformen:

• Kegelstifte
  Kegelstifte mit dem Kegel 1:50 können die bei häufigem Ausbau auftretende Abnutzung bzw. Lochausweitung ausgleichen und stellen deshalb immer wieder die genaue Lage der Teile zueinander her. Da die Aufnahmebohrung kegelig aufgerieben und der Stift eingepasst werden muss, ist ihre Anwendung kostspielig. Kegelstifte lassen sich leicht lösen, sind aber nicht rüttelfest.
• Zylinderstifte
  Zylinderstifte sind für Spiel-, übergangs- und übermaßpassungen geeignet. Das erforderliche Aufreiben macht ihre Anwendung kostspielig. Sie sind schwerer lösbar als Kegelstifte und auch nicht rüttelfest.
• Kerbstifte
  Kerbstifte sind im Gegensatz zu den glatten Kegel- und Zylinderstiften am Umfang mit 3 Kerbwulstpaaren versehen, die beim einschlagen in das nur mit dem Spiralbohrer hergestellt Loch elastisch in die Kerbfurchen zurückgedrängt werden. Die dadurch gegenüber der unbeschädigt bleibenden Bohrlochwandung entstehende radiale Verspannung hält den Kerbstift rüttelfest. Die Herstellung solcher Verbindungen ist aufgrund der einfachen Arbeitsweise sehr wirtschaftlich.
• Spannstifte
  Spannstifte werden aus gewalztem Federbandstahl gerollt. Die in Längsrichtung geschlitzten Hülsen haben gegenüber dem Lochdurchmesser je nach Größe ein übermaß von 0,2 - 0,5 mm so dass sich nach dem Eintreiben ein rüttelfester Sitz ergibt. Die Stifte lassen sich leicht austreiben und könne mehrfach wieder verwendet werden.