Verbindungstechnik: Schraubverbindungen (1) 30.05.2013, 07:34

Die wichtigsten lösbaren Verbindungen im Maschinenbau sind Schraubverbindungen. Der Beitrag befasst sich mit Grundlagen der Schraubtechnik.

Schraubverbindungen

Aufgabe von Schrauben ist es, zwei oder mehr Bauteile kraftschlüssig zu verbinden. 

Beispiele: 
- Maschinenfuß auf einem Fundament befestigen
- Autofelge mit der Radnabe verschrauben 
- Deckel auf einem Getriebegehäuse befestigen.

Es gibt drei Möglichkeiten, Schraubverbindungen herzustellen:  

- mit Durchsteckschraube
- mit Einziehschraube 
- mit Stiftschraube  

Bei vielen Verbindungen bietet sich fertigungstechnisch die Durchsteckschraube oft als einfachste Lösung an.

Durchsteckschraubenverbindung M10 herstellen. 

Arbeitsschritte: 
- Bohrmitten anreißen und körnen  
- Durchgangsloch mit einem größeren als dem Schraubendurchmesser bohren (Durchmesser sind genormt) 
- Schraube einstecken
- Sicherungsscheibe aufstecken und Mutter festziehen

Kräfte an Schraube und Mutter 

Beim Anziehen der Mutter verlängert sich die Schraube. Die Mutter selbst wird dabei axial gestaucht. Die sich dadurch ergebende Verformung in den Gewindegängen führt dazu, dass die Gewindegänge die Kräfte nicht gleichmäßig aufnehmen: Die Gewindegänge links müssen mehr tragen als die rechts folgenden.

Schrauben sichern 

Schraubenverbindungen sind durch die hohe Flankenreibung im Gewinde gegen Losdrehen gesichert. Bei statisch belasteten Schraubenverbindungen ist deshalb keine weitere Losdrehsicherung erforderlich. 
Ist eine Verbindung aber durch dynamische, d. h. wechselnde Kräfte belastet, muss sie gegen selbsttätiges Lösen gesichert werden. Solche Sicherungen sind z. B. Federringe, Zahnscheiben und Tellerfedern. Sie werden auch als Setzsicherungen bezeichnet. Verliersicherungen beruhen auf Formschluss und verhindern nach dem Lockern ein völliges Auseinanderfallen der Verbindung; dazu gehören Splinte, Drahtsicherungen und Scheiben mit umbiegbaren Lappen. 

Schrauben anziehen: Vorspannkraft 

Beim Anziehen einer Schraube entsteht im Schraubenschaft eine Zugkraft, an den zu fügenden Teilen dagegen entstehen Druckkräfte F_V. F_V wird als Vorspannkraft bezeichnet. Beim Anziehen wird über den Schlüssel ein Drehmoment M_A erzeugt. M_A entsteht aus der Handkraft F_H und der Schraubenschlüssellänge r. Die Reibung in der Verbindung wird im Wirkungsgrad µ (mü) zusammengefasst. 

Rechenbeispiel: 
Eine Schraube M12 ist anzuziehen. Der Wirkungsgrad µ wird mit 0,6 angegeben. Der Schraubenschlüssel hat eine Länge r = 200 mm; er wird  mit einer Handkraft F_H = 70 N gedreht. Welche Vorspannkraft F_V entsteht beim Anziehen der Schraube? 

Arbeitsgleichung: Aufgewendete Arbeit W₁ = gewonnene Arbeit W₂ . Die zugeführte Arbeit wird aber durch die Reibung verringert auf 0,6 · W₁:
0,6 · W₁ = W₂
W₁: Bei einer Umdrehung entsteht über den Schlüssel die Arbeit W₁ = F_H · 2 · r · π 
W₂: Bei einer Umdrehung ist die Arbeit an der Mutter W₂ = F_V · P (M12 hat eine Steigung P von 1,75 mm); daraus folgt: 

0,6 · F_H · 2 · r · π = F_V · P –> F_V = 0,6 · 70 N · 2 · 0,20 m · π : 0,00175 m = 30 159 N.

F_V = 30 159 N 

Übungsaufgabe
Mit einer Schraube M10 soll eine Vorspannkraft von 20 kN erzeugt werden. Der verwendete Schraubenschlüssel hat eine Länge von 180 mm. Der Wirkungsgrad soll mit 0,55 angesetzt werden. Welche Drehkraft am Schlüssel ist erforderlich?

Lösung:

F_H = F_V · P : (µ · 2 · r · π); P = 1,5 mm

F_H =  48,3 N
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Die Zeichnung unten ist für die Verwendung in Arbeitsblättern gedacht.