Konstruktion und Werkstoffe Schraubverbindungen Grundlagen der Konstruktion Vorlesung

Die Idee der Schraube Archimedes schuf um 250 v. Chr. die „Schraube ohne Ende“ ( heute noch als „ Archimedische Schraube“ bekannt), die im wesentlichen dazu diente, Wasser von einem niedrigen Wasserspiegel auf einen höher gelegenen zu befördern. Preß- und Hebeschrauben waren schon den alten Römern bekannt. Ein weiterer Beweis sind die Beschreibungen von Wein-, Öl-, Tuch- und Buchdruckerpressen im Mittelalter. Sie beruhen ebenfalls auf dem Prinzip der Schraubenspindel.

Die ersten Schraubverbindungen Erst in der 2. Hälfte des 18. Jahrhunderts erkannten die Konstrukteure beim Bau der gerade erfundenen Dampfmaschine die ungeheure Wichtigkeit und Notwendigkeit eiserner Halte- und Verbindungsschrauben. Wie primitiv diese anfangs gefertigten Schrauben und Muttern waren veranschaulicht das nebenstehende Bild, das eine Schraubenverbindung an einer der ersten Dampfmaschinen von James Watt zeigt. Diese Befestigungsschrauben wurden mühselig vom Schmied gefertigt, der zu jeder seiner Schrauben auch die Mutter herstellte.

Schraubenarten

Gewinde

Schraubbewegung Eine Schraubenbewegung ist eine räumliche Bewegung um und längs einer festen Achse, der Schraubenachse. Die relative Längsbewegung und die relative Drehbewegung z.B. der Mutter gegenüber dem Schraubenbolzen sind kinematisch gekoppelt. Die Schraubenbewegung wird durch ein Gleiten der Gewindeflanken (Wirkflächen) der beiden Teile formschlüssig erzwungen.

Befestigungsschrauben

Gewindearten

Gewindearten Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13

Schraubenbezeichnung

Metrisches Trapezgewinde - Bewegungsgewinde Wird in Bewegungsspindeln geschnitten zur Übertragung von Kräften in beiden Achsrichtungen, z.B. bei Leitspindeln.

Sägengewinde - Bewegungsgewinde Die Axialkraft erzeugt fast keine Radialkomponente. Anwendung: Deckelverschraubung von Hochdruckventilen, Übertragung von Kräften durch Bewegungsspindeln in nur einer Achsrichtung, z.B. bei Schlagspindelpressen.

Schraubenarten

Mutternarten

Schraubensicherungen Diesem selbsttätigen Losdrehen ist entweder durch konstruktive Gegenmaßnahmen zu begegnen (Erhöhung der Vorspannkraft und der elastischen Dehnungen) oder durch wirkungsvolle Sicherungen an den Auflagen (Verriegelung) oder im Gewinde (Verklebung). Unwirksame Sicherungen sind: die weder bezüglich des Lockerns noch bezüglich des Losdrehens eine Sicherungswirkung besitzen. Dazu zählen: Federringe DIN 127 Federscheiben DIN 137 Zahnscheiben DIN 6797 Fächerscheiben DIN 6798 Sicherungsbleche DIN 432

Verliersicherungen Als Verliersicherungen werden jene Elemente und Methoden bezeichnet, die zwar ein teilweises Losdrehen und damit Vorspannkraftverluste bis zu ca. 80% nicht verhindern können, wohl aber das vollständige Auseinanderfallen der Verbindung. Hierzu gehören: Sechskantmuttern mit Klemmteil, Schrauben mit Kunststoffstreifen und -pfropfen im Gewinde, axial oder /und radial verformte Muttern (künstliche Steigungs- oder Durchmesserfehler), Kronenmuttern mit Splinten, Drahtsicherungen (bei hohen Vorspannkräften oder dünnem Draht kann der Sicherungs-Draht abreißen; dann Einstufung als unwirksam).

Losdrehsicherungen Elemente und Methoden , welche die Bezeichnung „Losdrehsicherung“ verdienen, erhöhen die Grenzverschiebung so weit, dass sie unter den Bedingungen der Praxis nicht mehr überschritten werden kann. Damit bleibt annähernd die volle Montage- Vorspannkraft bis zum Dauerbruch der Schraube erhalten, die Verbindung dreht sich nicht los. Sie sind deshalb auch nur bei querbelasteten Schraubenverbindungen erforderlich.

Verspannungsschaubild

Verspannungsschaubild

Aufteilung der Schraube in einzelne zylindrische Körper

Berechnung der Nachgiebigkeiten Die Nachgiebigkeiten der Platten wird analog berechnet.

Schraubenbeanspruchung Rastlinien Ausgeprägte Rastlinien deuten auf eine zeitlich veränderliche dynamische Beanspruchung hin, d.h. sie lag teils über, teils unter der Dauerhaltbarkeit, und der Anriss setzte sich schrittweise fort. Restbruch Die kleine Restbruchfläche gibt Aufschluss auf eine geringe Restvorspannkraft im Augenblick des Bruches.

Druckverteilung in den Platten

Bestimmung der Ersatzhülse

Beispiel Druckgehäuse

Kräfte am Spitzgewinde

Gewindereibmoment Die Wirkung der Flankenneigung auf die Reibung wird durch einen fiktiven Reibungswert μ.

Reibung im Schraubenkopf

Anziehmoment Beim Festdrehen der Schraube ist im letzten Augenblick, also beim Erreichen der Montage- Vorspannkraft FV , außer dem Gewindereibmoment noch das Reibmoment an der Auflagefläche des Schraubenkopfes bzw. der Mutter, das Auflagereibmoment MA zu überwinden. Damit ergibt sich das Anzugsmoment allgemein:

Festigkeitsklassen für Schrauben und Muttern nachDIN EN 20898

Mindest-Einschraubtiefen nach VDI 2230

Kritische Stellen bei Schrauben