Schrauben Was bei Schraubverbindungen zu beachten ist

Redakteur: Stefanie Michel

Die Schraube ist ein universelles Verbindungselement und ist in den unterschiedlichsten Formen erhältlich. Doch für eine richtig ausgelegte Schraubverbindung sind Kenntnisse zu den Montageverfahren, den Sicherungsmethoden, der Schraubeneigenschaften und der Berechnung nötig.

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Die elastisch verformte Schraubenverbindung wirkt wie eine harte Feder und ist gegen Losdrehen kraftschlüssig gesichert, solange diese Federvorspannung zum Beispiel durch Kriechen (langsame plastische Verformung) nicht abgebaut wird.
Die elastisch verformte Schraubenverbindung wirkt wie eine harte Feder und ist gegen Losdrehen kraftschlüssig gesichert, solange diese Federvorspannung zum Beispiel durch Kriechen (langsame plastische Verformung) nicht abgebaut wird.
(Bild: Böllhoff)

Die Schraubenverbindung ist nach wie vor die klassische Methode, um Bauteile miteinander zu verbinden. Obwohl viele Normen und Richtlinien zu diesem Thema existieren und die grundsätzliche Wirkungsweise quasi selbsterklärend ist, treten in der Praxis immer wieder Probleme bei der Anwendung dieser Verbindungselemente auf. Um diese möglichst zu vermeiden, müssen bereits bei der Auslegung der Schraubverbindung deren charakteristische Eigenschaften berücksichtigt werden.

Vorspannkraft beachten

Bei einer konventionellen Schraubenverbindung werden zwei oder mehrere Bauteile durch Form- und Kraftschluss miteinander verbunden. Das bei der Montage aufgebrachte Anzugsmoment erzeugt in der Schraube eine Vorspannkraft, die die Bauteile gegeneinander verspannt und somit in allen Trennfugen einen Reibschluss hervorruft. Bei einer richtig ausgelegten Schraubenverbindung ist diese Vorspannkraft so groß, dass alle auftretenden Belastungen nicht zu einer Relativbewegung zwischen den Bauteilen führen, sich die montierten Komponenten also wie ein Teil verhalten. Andererseits darf die Vorspannkraft nicht so groß gewählt werden, dass im Betriebsfall zulässige Spannungen überschritten werden.

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Bestimmend für die richtige Auslegung einer Schraubenverbindung sind bei gegebenen Bauteilen neben den Platzverhältnissen und Montagemöglichkeiten vor allem die optimale Gestaltung der Verbindungselemente selbst. Dabei stehen eine große Vielzahl von verschiedenen Abmessungen, Normen, Werkstoffen und Festigkeitsklassen zur Verfügung. Dem Anwender obliegt die Aufgabe, die richtigen Fügeelemente für die von ihm festzulegende Vorspannkraft zu wählen.

Für den Einsatz von metrischen Schrauben findet sich eine sehr detaillierte Anweisung für die Auslegung und Berechnung in der VDI-Richtlinie 2230.

Geeignete Schraube verhindert selbsttätiges Lösen der Verbindung

Alle auftretenden Kräfte rufen Verformungen und eventuell Verschiebungen an den verschraubten Bauteilen hervor. Solange die Summe aller Belastungen nicht zu einem Versagen bei einem der Bauteile führt, verhält sich eine verschraubte Baugruppe wie ein Teil. Bei dynamischen Belastungen – besonders bei Vibrationen – können sich Schraubenverbindungen lösen, obwohl zulässige Werte nicht überschritten werden. Außerdem kann es durch Setz- und Kriechvorgänge zu einem deutlichen Verlust an Vorspannkraft kommen. In allen diesen Fällen spricht man vom selbsttätigen Lösen. Um zu verhindern, dass so die Funktion der Verbindung verloren geht, ist ein geeignetes Sicherungselement zu wählen.

Durch eine Schraubenverbindung soll eine definierte Vorspannkraft erzeugt werden, deren Einhaltung bei der Montage in der Regel nicht direkt kontrollierbar ist. Stattdessen wird häufig mit einem vorgegebenen Anzugsmoment verschraubt. Ob die gewünschte Vorspannkraft damit erreicht wird, hängt entscheidend davon ab, ob die eingesetzten Montagewerkzeuge ausreichend genau arbeiten, und ob der Reibungseinfluss so groß ist, wie bei der Auslegung angenommen. So kommt es, dass von der Oberflächenbehandlung der Schraube nicht nur ein guter Korrosionsschutz erwartet wird, sondern auch die Einhaltung eines definierten Reibwertfensters. Erst wenn alle am Verschraubungsprozess beteiligten Einflussgrößen ausreichend genau beherrscht werden, kann von einer prozesssicheren Montage gesprochen werden.

Schraube möglichst stark vorpannen

Bei der Montage wird eine Vorspannkraft aufgebracht, die zu einer elastischen Verlängerung der Schraube und zu einer Verkürzung der Bauteile führt. Man kann sich dabei die Schraube wie eine Zugfeder, und die verbundenen Komponenten wie eine Druckfeder vorstellen. Eine im Betrieb auftretende zusätzliche Kraft verteilt sich entsprechend der Elastizität der verbundenen Teile. Bei Zugbeanspruchung nimmt die Belastung der Schraube nur gering zu, die verbleibende Klemmkraft nimmt aber umso stärker ab. Die durch die Vorspannkraft hervorgerufenen elastischen Dehnungen bzw. Stauchungen der Bauteile führen dazu, dass beim Auftreten einer Betriebslast der Reibschluss zwischen den Bauteilen erhalten bleibt. Dafür ist es notwendig, die Schraube möglichst stark vorzuspannen, um möglichst viel der elastischen Dehnung nutzen zu können. Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass die größere Belastung der Schraube aus der Vorspannung bei der Montage herrührt, und die eigentliche Betriebslast nur sehr selten zu einer Überlastung der Schraube führt.

Einsatz gewindefurchender Schrauben bei Auslegung mit berücksichtigen

Wegen ihrer wirtschaftlichen Vorteile sind so genannte Direktverschraubungen von zunehmender Bedeutung. Dabei handelt es sich um spezielle Schrauben, die in der Lage sind, sich ihr Gegengewinde selbst zu formen oder zu furchen. Damit entfällt bei dieser Form von Schrauben die Notwendigkeit, eine Gewindebohrung oder ein Mutternelement bereitzustellen. Schraubenverbindungen nach diesem Prinzip können qualitativ konventionellen Verbindung ebenbürtig sein, allerdings machen es die besonderen Eigenschaften gewindefurchender Schrauben erforderlich, diese bereits bei der Auslegung und bei der Montage hinreichend zu berücksichtigen. Mit Hilfe von Einschraubversuchen können die Prozessparameter optimal ermittelt werden.

Für den Einsatz in metallischen Werkstoffen sind diese Elemente in der DIN 7500 bzw. DIN 267 Teil 30 bereits genormt, und auch bei der Verwendung in Kunststoffen und bei Dünnblechen (bis 2 mm Blechdicke) hat sich das Verfahren der Direktverschraubung bereits etabliert.

Durch wachsende Anforderungen am Markt in Bezug auf Rationalisierung im kompletten Monatageprozess unter Einbindung neuer Materialien, aber auch gestiegenen Kundenanforderungen, sind Fachwissen und Geschwindigkeit von hoher Bedeutung. Die Böllhoff Anwendungstechnik bietet rund um Verbindungselemente in der Beratung vor Ort und über anwendungstechnische Versuche im akkreditieren Labor technische Dienstleistung für seine Kunden an, die das komplette Angebot eines Systemlieferanten entlang der gesamten Wertschöpfungskette abrunden.

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