Verbindungstechnik: Schraubverbindungen (2) 03.06.2013, 06:02

Schraube vorspannen

Schrauben und Muttern werden Festigkeitsklassen zugeteilt. Diese werden bei Schrauben mit zwei Zahlsymbolen angegeben. Der Beitrag befasst sich allgemein mit der Schraubenfestigkeit.

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Festigkeitsklassen bei Schrauben und Muttern 

Der Beitrag »Verbindungstechnik: Schraubverbindungen (1)« ging auf die Vorspannkraft ein. Um diese verlässlich einschätzen zu können, muss man über die Schraubenfestigkeit Bescheid wissen. Grundlagen dazu werden in den Themen Zugfestigkeit und Zugversuch behandelt. Grundsätzlich darf sich eine Schraube unter der Zugbelastung in keinem Fall bleibend verlängern. D. h. die Mindeststreckgrenze Re darf nicht erreicht werden.
Wegen der großen Bedeutung der Festigkeit gibt man diese bei Schrauben durch die Festigkeitsklasse an. Sie besteht aus zwei Zahlen, z. B. 10.9 (zehn Punkt neun). Die ausführliche Kennzeichnung einer Sechskantschraube lautet dann z. B. Sechskantschraube ISO 4017 - M 8 x 40 - 10.9. Andere gebräuchliche Festigkeitsklassen sind: 6.8, 8.8,12.9. 
Bei Muttern gibt man nur eine Zahl an. Beispiel: Sechskantmutter ISO 4032 - M8 - 10. Andere gebräuchliche Festigkeitsklassen bei Muttern sind: 6, 8 und 12.

Was heißt nun 10.9
Die Zahl 10 bezieht sich auf die Mindestzugfestigkeit Rm. Die Zahl 10 wird mit 100 multipliziert: 10 • 100 = 1000 N/mm2; dies ist Rm.

Die Zahl 9 bezieht sich auf die Mindeststreckgrenze Re. Sie erhält man, wenn man die erste Zahl mit dem zehnfachen Wert mit der zweiten Zahl multipliziert: Re = 10 • 90 = 900 N/mm2. Weil Re aus Sicherheitsgründen im Betrieb nicht erreicht werden darf, wird eine Sicherheitszahl ν (nü) eingeführt. 

Rechenbeispiel: Ein Lagerdeckel wird mit 3 Schrauben mit einem Getriebegehäuse verschraubt. Die Schrauben besitzen die Festigkeitsklasse 8.8. Die auf den Deckel wirkende Axialkraft kann 33 kN erreichen. Welche Schraubenabmessungen müssen gewählt werden, wenn eine Sicherheit von 2,0 verlangt wird? 

Lösungsvorschlag

Gegeben: Schraubenanzahl n = 3; Re = 8 • 80 = 640 N/mm2; F = 33 kN = 33 000 N. Sicherheitszahl ν = 2. 

Gesucht: d der Schrauben 

σ z zul = Re : ν = 640 N/mm2 : 2 = 320 N/mm2

Schraubenquerschnittsfläche As: σz zul = F : As ; F = Fges : n = 33 000 N : 3 = 11 000 N pro Schraube.

As = F : σ z zul = 11 000 N : 320 N/mm2 = 34,38 mm2. Laut Tabellenbuch passt der in der Nähe von 34,38 mm2 liegende Spannungsquerschnitt 36,6 mm2 für Regelgewinde M8

Es müssen also Schrauben M8 der Festigkeitsklasse 8.8 verwendet werden. 

Beanspruchung von Schrauben und Bauteilen beim Anziehen einer Schraube

Das Anzugs-Drehmoment MA = FH • r erzeugt im Schraubenschaft eine Zugkraft. Dabei wird die Schraube um das Maß Δl verlängert, während die gespannten Bauteile um das Maß Δa gestaucht werden. 

Die auf eine bestimmte Schraube abgestimmte Vorspannkraft FV kann aus Tabellen entnommen werden. Die Kraft ist abhängig von der Reibzahl μ und von der Festigkeitsklasse der Schraube.