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Schraubentechnik für Fortgeschrittene

Schraubentechnik für Fortgeschrittene

Das wichtigste Teil beim Gespannbau sind die Schrauben, sie halten die Dinge zusammen. Allerdings nur, wenn der Anwender es versteht, sie richtig anzuwenden.

Beitrag aus MG 156

Wir sind mit unserem Redaktionsgespann zur Firma Ribe Verbindungstechnik GmbH & Co. KG nach Schwabach gefahren. Ribe ist eine der Großen im Schraubenmarkt. Woche für Woche werden in der Nähe von Nürnberg 30 Millionen Stahlschrauben produziert, dazu noch etwa 5,5 Millionen Ribe-Aluform®, höchstfeste Schrauben aus Aluminium. Wir sprachen dort mit dem Entwickler Dr. Ing. Ralf Jenning. An unserem Gespann hat er uns verschiedene Aspekte von Verschraubungen erläutert.

Steigt man in die Schraubenmaterie ein, eröffnet sich ein gigantischer Fachbereich. Unzählige Bücher sind zu solchen Verbindungen geschrieben worden. Wir haben versucht, das Thema einerseits tiefgründig anzugehen, andererseits auf ausschweifende Formeln und Diagramme zu verzichten. Wer ambitioniert in die Materie einsteigen möchte, kann sich auf www.schrauben-lexikon.de weiter informieren oder sich in die bleischweren Standardwerke des Maschinenbaus vertiefen.

Herstellung

Schrauben, wie wir sie am Motorradgespann kennen, werden hochautomatisiert in Großserie hergestellt. Dabei ist das Prinzip der Fertigung stets dasselbe: Von großen Drahtrollen wird in mehrstufigen Kaltumformpressen zunächst die erforderliche Materiallänge abgeschnitten. Im Folgenden wird durch Stauchung ein Schraubenkopf geformt, während gleichzeitig der schlanke Schaft durch Fließpressen ausgebildet wird.

Durch eine angepasste Wärmebehandlung wird der so entstandene „Drahtnagel“ auf die definierte Festigkeit gebracht. Im letzten formgebenden Prozess wird der Rohling durch zwei profilierte Metallbacken geführt, um ihm das Gewinde aufzuwalzen. Dieser Vorgang geht rasend schnell vor sich und ist mit einem höllischen Lärm verbunden. Um Korrosion vorzubeugen und die Montierbarkeit zu gewährleisten, werden Schrauben, abhängig vom zukünftigen Einsatzfall, noch beschichtet.

Materialen

Die Richtlinien für Schrauben sind in nationalen DIN- und internationalen ISO-Normen festgelegt, wobei für unterschiedliche Materialien verschiedene Normen Anwendung finden. Im Gespannbau sind verzinkte Stahlschrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und 10.9 Standard und bieten ein konkurrenzlos günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis.

Bei Edelstahlschrauben sprechen wir von rostfreiem Stahl – und davon gibt es rund 120 verschiedene Sorten, also Materialzusammensetzungen. Das gemeinsame Merkmal von nichtrostenden Stählen ist der Chrom-Anteil.

Schraubverbindungen aus Titan erweisen sich darüber hinaus auch in anspruchsvollster Umgebung als extrem korrosionsstabil und bieten einen weiteren Vorteil: Das spezifische Gewicht liegt bei etwa 57 % der der Stähle. Würde man alle Stahlschrauben eins zu eins gegen solche aus Titan ersetzen, könnte das Gespann um bis zu vier Kilogramm leichter werden.

Aber Titan erweist sich im Umformprozess der Schraubenherstellung als deutlich aufwendiger im Vergleich zum Stahl und ist hinsichtlich der Zugbelastbarkeit nur in etwa mit einer Stahlschraube der Festigkeitsklasse 8.8 gleichzusetzen. Wenn wir daher beispielsweise eine acht Millimeter starke Stahlschraube der Klasse 10.9 aus verzinktem Stahl gegen eine aus Titan ersetzen wollten, müsste der Durchmesser auf etwa zehn Millimetern ansteigen – was den Gewichtsvorteil mindert. Auch wollen wir nicht vergessen, dass wir dies sehr teuer erkaufen müssen.

Die noch deutlich leichteren Schrauben aus Aluminium (rund ein Drittel Gewicht im Vergleich zu Stahl) sind im PKW-Bereich inzwischen weit verbreitet und auch an dem einen oder anderen Motorrad bereits serienmäßig zu finden. Aufgrund der limitierten Festigkeit gilt hier vor allem, dass die Montage auf die jeweilige Verbindungsstelle genau abgestimmt und mit hohen Fachkenntnissen durchgeführt werden muss.

Für den Schrauber und Bastler spricht grundsätzlich nichts dagegen, Aluminiumschrauben in unkritischen Bereichen zu verwenden. Diese vor allem leichten und korrosionsstabilen Verbindungselemente eignen sich auch ohne konkrete Montageauslegung zur Befestigen von Verkleidungsteilen oder Beiwagenscheiben. Auch ein Kotflügel lässt sich damit gut befestigen.

Wer allerdings sicherheitskritische Lenker, Gabelbrücken, Achsklemmungen, Motorhalterungen, Bremsanlagen oder Gespann-Verbindungsstreben mit Leichtmaterialschrauben ohne detaillierte Sachkenntnis und Montageparametrisierung montiert, begibt sich in Lebensgefahr! Darauf weist uns auch Ralf Jenning von Ribe ausdrücklich hin.

Abb.: Sechskantschraube-ISO4017

Bevor wir auf die Zugfestigkeit eingehen, wollen wir uns klar machen, was die Schraube überhaupt im Gewinde hält. Es sind zwei Faktoren: Zum einen ist es der Reibungswiderstand unter dem Kopf der Ringfläche, der dazu beiträgt, dass sich die Verbindung nicht löst; zum anderen die Reibung der Gewinderillen zwischen dem Außengewinde der Schraube und dem Innengewinde, in das die Schraube hineingedreht ist. Das kann eine Mutter oder ein Muttergewinde in einem Bauteil sein.

Im optimalen Montagefall entsteht durch das Anziehen ein hoher Grad an elastischer Vorspannung bis sogar hin zu einer geringen plastischen Längung des Schraubenschaftes. Das Klemmteil wird dabei etwas gestaucht – bei unseren verwendeten Schrauben geschieht dies im Bereich von hundertstel Millimetern. Sind Vibrationen zu erwarten, was beim Gespann immer der Fall ist, kann diese Mikrobewegung die sichernde Wirkung der Reibung drastisch mindern. Um dem vibrationsinduzierten Lösen entgegenzuwirken, kann eine flüssige Schraubensicherung eingesetzt werden.

Dazu ein Hinweis: Ist der Grund für das Lockern einer Verschraubung eine falsch bewertete, zu hohe Betriebslast, verbessern diese Lacke oder Pasten die Verbindung nicht. Sie verhindern lediglich das Herausfallen der früher oder später nicht mehr mit ausreichender Klemmkraft verspannten Schraube.

Im einfachsten Fall bedeutet "optimal angezogen", dass zumindest das richtige Montagedrehmoment angelegt wird. Doch woher kennen wir das? Der Idealfall: Unser Gespannbauer hat dies in die Bedienungsanleitung hineingeschrieben. Ist kein Drehmoment bekannt, helfen uns die Werkzeughersteller: Sie haben die Länge von Schraubenschlüsseln festgelegt, damit die mögliche Hebelkraft als Stellgröße und geben so das Drehmoment grob vor. Wer eine Stahlschraube mit dem Schraubenschlüssel festzieht, liegt mit dem aufgebrachten Drehmoment ungefähr richtig - wenn die Schraube fettfrei ist und die zu verbindenden Materialien aus Stahl sind.

Ein Schraubenschlüssel der Schlüsselweite 13 ist kürzer als der 17er und länger als der Zehner. Daher ist es ist also keine gute Idee, auf einen Schraubenschlüssel eine Verlängerung aufzusetzen, um damit eine Schraube noch fester anzuziehen. Dabei wird der Gewindebolzen über den Grenzwert einer (geringen) zulässigen Plastifizierung gedehnt. Die Sicherheit der Verbindung ist nicht mehr gewährleistet. Dreht der Gewaltschrauber noch ein Stückchen weiter, reißt er entweder das Gewinde heraus, oder die Schraube reißt ab.

Fatal: Schmierung verringert Reibung

Wie wir wissen, halten der Reibungswiderstand unter dem Kopf und die Reibung der Gewinderillen die Schraubverbindung fest. Wie verhält es sich aber bei eingefetteten Schrauben? Mancher Gespannfahrer setzt keine Schraube ein, die er nicht zuvor in einen Topf mit Schmiermittel getaucht hat.

Der Vorteil: Wo Schmiere ist, findet mangels Elektrolyt keine Korrosion statt, und die Schraube lässt sich auch nach der härtesten Winterfahrt über salzgeplagte Straßen wieder lösen. Übrigens: Wenn schon Schmiere, dann auch unter den Schraubenkopf. Der Haken dabei: Durch das Schmiermittel wird auch der Reibungswiderstand bei der Montage dramatisch herabgesetzt!

Bereits beim Anziehen der Verbindung besteht die Gefahr, die Schraube zu überdrehen – sie wird über Gebühr länger und kann abreißen. Drehmomente gelten stets für Schrauben „ab Werk“, die oftmals bereits einen Trockengleitfilm appliziert haben – außer, es ist explizit etwas anderes angegeben.

Die Art der Schraube muss mit bedacht gewählt werden.

Beispiel: Eine zehn Millimeter starke 8.8-Schraube soll mit 30 Newtonmetern angezogen werden. Eine zusätzlich geschmierte Schraube wird bei Aufbringen dieser 30 Nm deutlich zu weit gedreht, sie ist dann längst über den idealen Bereich hinaus. Die Folge: Die Schraube kann erheblich geschädigt sein und stellt somit keine sichere Verbindung mehr dar. Auch der Drehmomentschlüssel gibt keinen direkten Aufschluss über die Vorspannung in der Schraube!

Bei der Verwendung von Ölen und Fetten bleiben die Angaben zu den Anzugs-Drehmomenten in den Fachbüchern im Ungefähren. Man stützt sich auf komplizierte Berechnungen und Kurvendiagramme, die bestenfalls bei der automatisierten Montage berücksichtigt werden können und lediglich Möglichkeiten abbilden. Für uns als Schrauber mit der Hand am Arm sind diese Werte nutzlos.

Unsere Empfehlung lautet daher: Eine Schraube nur dann einschmieren, wenn es nachweislich unumgänglich ist, und mit sehr viel Bedacht montieren. Besser ist es, nach der Wintersaison die eventuell korrodierten Schrauben zu ersetzen statt Gefahr zu laufen, sie zu verlieren. Mehrfach gelöste und montierte Schrauben sind Verschleißteile - insbesondere an Steckachsen!

Ist die Schraube mit optimal hohem Klemmkraftniveau montiert, ohne überzogen zu sein, wirkt die Verbindung wie eine harte Feder. Sie ist gegen das Losdrehen kraftschlüssig gesichert und kann auch geringe Vibrationen „abfedern“. Dies funktioniert vor allem bei langen Schrauben, wie man sie zum Beispiel am Zylinderkopf findet. Die Schraubenlänge kann auch Materialdehnungen bei hohen Temperaturschwankungen besser ausgleichen.

Die bereits angesprochene Schraubenklasse sagt uns, wie hoch die Zugfestigkeit der Schraube ist. Bei Stahlschrauben ist dies der Zahlenwert vor dem Punkt auf dem Schraubenkopf. Bei einer Festigkeitsangabe von 10.9 weist die 10 auf eine mögliche Zugbelastung von über 1040 N/mm² hin; bei einer Bezeichnung 8.8 sind es Minimum 830 N/mm².

Die Zahl hinter dem Punkt gibt die prozentual auf die Zugfestigkeit bezogene Streckgrenze oder auch Dehngrenze an. Bei 10.9 sind es somit 90% der Zugfestigkeit, bei 8.8 80%. Unter der Streckgrenze versteht man dabei den Spannungswert, den die Schraube aushalten kann, ohne sich dauerhaft zu verformen, also länger zu werden.

Die Gespannhersteller verwenden bei den Verbindungen von Motorrad und Beiwagen verzinkte Schrauben mit mindestens der Festigkeitsklasse 8.8. Wer diese Schrauben ersetzt, weil sie im Lauf der Zeit Rost ansetzen, sollte peinlich genau auf diese Spezifikation achten. Wichtig: Auch die verwendeten Muttern müssen der Festigkeitsklasse der Schraube entsprechen, sie sind dann markiert mit einer „8“.

Mancher Gespannfreund ersetzt die verzinkten 8.8er durch Edelstahlschrauben. Um aber eine ähnliche Festigkeit wie die 8.8-Schraube zu erhalten, muss das Gegenstück in Edelstahl die Bezeichnung der Festigkeitsklasse „80“ tragen, und die gibt’s nicht im Baumarkt um die Ecke.

Durch die Gewindeform des Schraubenschaftes bedingt sollten Schrauben nur axial (und bei Montage auf Torsion) belastet werden. Wenn in ungünstigen Konstruktionen und bei Überlastungsfällen Schrauben auf Scherung beansprucht werden, erweist sich die Gewindekontur als kritisch. Die auftretenden Biegespannungen können sich im Gewindegrund konzentrieren und ein Bauteilversagen hervorrufen. Diese Belastungen sollten daher vom Konstrukteur möglichst ausgeschlossen werden, indem die Klemmkraft ein Verschieben der Bauteile sicher verhindert.

Scherkraft

Fehlerverzeihvermögen

Auf einen weiteren Aspekt machte uns Ralf Jenning aufmerksam. Umso höher die Festigkeitsklasse der Schraube, desto niedriger das Fehlerverzeihvermögen. Eine 8.8-Schraube ist zwar nicht so stabil wie eine mit der Zugfestigkeit von 10.9, doch bietet sie mehr Reserven bei der Belastung im Grenzbereich. Die 10.9er hält zwar von Haus einer rund 20 Prozent höherer Belastung stand, doch ist der Punkt bis zum Abreißen beim Überschreiten der maximalen Belastung schneller erreicht.

Ein tiefes Schlagloch (Spannungsspitze) kann eine 8.8er verbiegen oder überdehnen, eine 10.9 oder gar höhere Festigkeiten reißen tendenziell spröde ab. Dies gilt übrigens für nahezu alle Materialien.

Anwendung

Unterlegscheiben zwischen Schraubenkopf oder Mutter und Auflagefläche sollten nur dann verwendet werden, wenn die Oberfläche der verschraubten Teile weicher ist (z.B. Aluminium), uneben, oder wenn die Oberfläche poliert ist und nicht beschädigt werden soll.

Beim Verschrauben mit Muttern sollten maximal zwei Gewindegänge der Schraube aus der Mutter herausragen. Mit Bedacht sollte das Verschrauben unterschiedlicher Materialien vorgenommen werden. Edelstahl oder Titan in Stahl oder Aluminium birgt die Gefahr, dass sich die Gewinde durch Korrosion festfressen. Ein Lösen der Schraubverbindung führt dann zur Zerstörung des weicheren Materials.

bg

• Nach fest kommt ab

• Edelstahlschrauben