Grundlagen der Schraubtechnik, Teil 2: Normen, Richtlinien und Auslegung

Wer in der Konstruktion vor der Aufgabe steht, eine Schraubverbindung auszulegen, muss zahlreiche physikalische Größen, Formeln und Rechenwege nutzen sowie diverse – zum Teil branchenspezifische – Normen und Richtlinien kennen. In jedem Falle gilt es zu wissen, welchen Zug- und Scherkräften oder Biegemomenten die Verbindung ausgesetzt sein wird. Nur dann lassen sich die richtige Schraubenart, -größe und -festigkeit wählen.

Überlegungen zur Auslegung von Schraubverbindungen finden Sie ebenfalls in der 8. Auflage des Buches „Technik rund um Schrauben“, herausgegeben von der Böllhoff GmbH in Bielefeld. Interessenten haben hier die Möglichkeit, sich ein Exemplar des Buches zu bestellen!

Zu den Grundlagen der Schraubtechnik sind in dieser Serie erschienen:

Inhaltsverzeichnis

1. Was es bei der Auslegung zu berücksichtigen gilt
2. Wichtige Normen für die Auslegung einer Schraubverbindung im Maschinenbau
3. Normen für Schraubverbindungen im Druckgeräte- und Rohrleitungsbau
4. Normen für Schraubverbindungen im Stahlbau
5. Spezialfall gewindefurchende Schrauben in Kunststoff
6. Vorspannkraft spielt entscheidende Rolle für die Auslegung von Schraubverbindungen
7. Berechnung der Vorspannkraft mit VDI 2230
8. Schrauben versagen an den Stellen der geringsten Tragfähigkeit

Dass es auf der Welt eine schier unüberschaubare Vielfalt und Komplexität an Verbindungselementen gibt, haben wir in unserem Beitrag „Was ein Konstrukteur über Schrauben, Muttern und Gewinde wissen muss“ angerissen. Man denke allein bei der Schraubenart nur an metrische oder zöllige Schrauben, Maschinen- oder Holzschrauben, an gewindefurchende, Blech- oder Dünnblechschrauben. Sie alle stehen in unfassbar zahlreichen Varianten, Festigkeitsklassen, Gewindearten und Abmessungen zur Verfügung.

Was es bei der Auslegung zu berücksichtigen gilt

Entsprechend komplex gestaltet sich die Auslegung einer Schraubverbindung. Dabei sind neben den wirkenden Belastungen und Kräften, wie Zugkräften, Scherkräften oder Biegemomenten, im Vorfeld folgende Aspekte zu berücksichtigen:

Werkstoffe: Sowohl das Material der Schraube als auch die Werkstoffe der zu verbindenden Teile müssen berücksichtigt werden, denn ihre Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften beeinflussen die Auslegung der Schraubverbindung.
Vorspannkraft: Die Schraubverbindung muss mit genau definierter Vorspannkraft ausgelegt werden, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten, andererseits die Komponenten nicht zu sehr zu beanspruchen. Hierauf gehen wir weiter unten ausführlicher ein.
Sicherheitsfaktor: Bei der Auslegung sollte ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden, um eine ausreichende Festigkeit und Zuverlässigkeit der Schraubverbindung sicherzustellen.
Montage und Zugänglichkeit: Die Konstruktion muss die Anforderungen der Produktionsseite berücksichtigen, sprich: die Montagegegebenheiten an der Linie, insbesondere die Zugänglichkeit zur Schraubstelle. Es muss genügend Platz vorhanden sein, um die Schraube anzubringen oder zu entfernen, und es müssen geeignete Werkzeuge verfügbar sein, um die Schraube zu montieren oder zu demontieren.
Umgebungseinflüsse: Erfolgt der spätere Einsatz unter besonders hohen oder niedrigen Temperaturen, unter Einfluss von Feuchtigkeit oder korrosiven Medien, muss die Konstruktion geeignete Maßnahmen ergreifen, um die Schraubverbindung zu schützen. Dies kann durch spezielle Beschichtungen oder Korrosionsschutzmaßnahmen geschehen.
Geometrie des Gewindes: Wird ein metrisches Gewinde, ein Zoll- oder Feingewinde benötigt? Gewindeart und Gewindesteigung müssen auf die konkrete Anwendung hin festgelegt werden.

Wichtige Normen für die Auslegung einer Schraubverbindung im Maschinenbau

Viele dieser für die Auslegung und Dimensionierung von Schraubverbindungen wichtigen Punkte werden in verschiedenen Normen konkretisiert. Im Bereich des Maschinenbaus ist die VDI 2230 hervorzuheben. Sie behandelt die Berechnung der Tragfähigkeit von Schraubverbindungen. Die Norm liefert eine Methodik zur Auslegung von Schraubverbindungen unter Berücksichtigung von Belastungen, Materialien, Geometrie und Vorspannkraft.

Was ein Konstrukteur über Schrauben, Muttern und Gewinde wissen muss

Im Maschinenbau werden kritische Schraubverbindungen nach der VDI 2230 als hochfeste, vorgespannte und gleitfeste Verbindungen ausgelegt und berechnet. Demnach muss das Anziehdrehmoment so festgelegt werden, dass die resultierende Vorspannkraft zu einem reinen Reibschluss in der Trennfuge zwischen den Bauteilen führt und diese sich nicht gegeneinander verschieben lassen. Eine Auslegung auf Lochleibung, wie es etwa bei Passschrauben oder Nietverbindungen üblich ist, ist im Maschinenbau nicht zulässig, da sich hier die Bauteile auf dem Schraubenschaft abstützen.

Ins Detail gehen dann die Normen DIN EN ISO 898-1, DIN EN ISO 3506 und DIN EN ISO 16047.

Die DIN EN ISO 898-1 behandelt die mechanischen Eigenschaften von Schrauben aus Kohlenstoffstahl.
Die DIN EN ISO 3506 definiert die mechanischen Eigenschaften von Schrauben aus nichtrostendem Stahl für den Maschinenbau und legt die Klassifizierung, Anforderungen und Prüfverfahren fest.
In der DIN EN ISO 16047 geht es um die Vorspannkraftindizes für Schraubverbindungen. Sie liefert Informationen zur Vorspannungsberechnung, um die Auslegung und Sicherheit von Schraubverbindungen im Maschinenbau zu unterstützen.
Werden beschichtete Schrauben verwendet, ist die DIN EN ISO 10683 relevant: Diese Norm behandelt die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Schrauben aus Stahl mit Korrosionsschutzbeschichtung („Zinklamellenüberzüge“). Sie legt Anforderungen an Beschichtungen, Maße, Prüfverfahren und Korrosionsbeständigkeit fest.

Brauchen wir in zehn Jahren noch Verbindungstechniken?

Normen für Schraubverbindungen im Druckgeräte- und Rohrleitungsbau

Im Druckgeräte- und Rohrleitungsbau werden je nach Behälterart (befeuert oder unbefeuert) und je nach Anforderungen Flanschverbindungen mit Dichtungen im Hauptschluss nicht nach der VDI 2230, sondern zum Beispiel nach der DIN EN 1591 (Teile 1 bis 5, Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtung) und der DIN EN ISO 13445 (Norm für unbefeuerte Druckbehälter) ausgelegt. Zur Beurteilung der Belastungsvorgänge werden die Auslastungsgrade für den jeweiligen Flansch, die Schrauben und die Dichtung ermittelt.

Normen für Schraubverbindungen im Stahlbau

Im Stahlbau wiederum sollte der Konstrukteur sich folgende Richtlinien zu Gemüte führen:

DIN 15018, Teile 1 bis 3: Hier geht es unter anderem um die Grundsätze für Stahltragwerke und speziell Berechnungen für Fahrzeugkrane.
DIN EN 1993-1-8: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten. Diese Normenreihe ersetzt die DIN 18800 „Stahlbauten“ und legt die Anforderungen und Nachweise für Stahlkonstruktionen fest. Auch wenn sie sich nicht spezifisch auf Schraubverbindungen oder deren Auslegung bezieht, stellt die Stahlbauten-Normenreihe jedoch die grundlegenden Anforderungen und Vorgaben für die Konstruktion von Stahlbauten dar, einschließlich der Verwendung von Schraubverbindungen.
Des Weiteren wäre die DIN EN 1090-2 zu nennen: Diese Norm legt die Anforderungen an die technische Ausführung von Stahltragwerken und deren Komponenten fest, ebenfalls einschließlich der Montage von Schraubverbindungen.
Und die DIN EN 14399 behandelt die Vorspannung von hochfesten Schraubverbindungen im Stahlbau. Sie legt Anforderungen an Schrauben, Unterlegscheiben und Muttern fest und enthält Prüfverfahren zur Bewertung der Vorspannung.

Spezialfall gewindefurchende Schrauben in Kunststoff

Einen Sonderfall nehmen die gewindefurchenden Schrauben ein. Sie müssen nicht nur mehrere Bauteile miteinander verbinden, sondern auch fähig sein, ein Gegengewinde zu formen. Die Auslegung, um diese Anforderungen zu erfüllen, wird für gewindefurchende Schrauben in Metall in der DIN 7500 und für gewindefurchende Schrauben in Kunststoff in der Richtlinie DVS 2241-1 behandelt („Direktverschraubung von Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen“). Eine genormte, rein rechnerische Auslegung ist aufgrund der vielfältigen Einflussgrößen derzeit nicht vorhanden. Es sind daher immer Verschraubungsversuche erforderlich, in denen unter anderem der Vorbohrungsdurchmesser, das Füge- und das Überdrehmoment ermittelt werden.

Vorspannkraft spielt entscheidende Rolle für die Auslegung von Schraubverbindungen

Wie aus dem kurzen Überblick über einige einschlägige Normen und Richtlinien hervorgeht, spielt die Vorspannkraft eine entscheidende Rolle bei der Auslegung einer Schraubverbindung – jedenfalls bei einer klassischen, bei der mindestens zwei Bauteile mittels Form- und Kraftschluss miteinander verbunden werden (siehe Bild 1).

Die Vorspannkraft wird durch das bei der Montage aufgebrachte Anziehdrehmoment indirekt in der Schraube erzeugt, denn beim Anziehen wird eine axiale Kraft auf die Schraube ausgeübt. Die Vorspannkraft bewirkt dadurch eine – wenn auch nicht sehr große, aber doch wichtige – elastische Dehnung der Schraube (Längung) und der miteinander verbundenen Bauteile (Kürzung). Zudem wird in allen Trennfugen ein Reibschluss erzeugt.

Montagezustand_einer_vorgespannten_Schraubverbindung — Bild 1: Montagezustand einer vorgespannten Schraubverbindung – die Vorspannkraft längt die Schraube und verspannt die Bauteile gegeneinander.
Bild: Böllhoff

Die Vorspannkraft als „Zugkraft“ erzeugt ihrerseits eine Klemmkraft, die die Komponenten zusammenhält und das Risiko senkt, dass sich die Verbindung unter Belastung löst. Die Klemmkraft bewirkt, dass sich die Bauteile weder relativ zueinander bewegen noch aufklaffen. Auf diese Weise erhöht die Vorspannkraft die Sicherheit der Schraubverbindung. Eine ausreichende Vorspannkraft ist daher besonders wichtig in sicherheitskritischen Anwendungen, um ein Versagen der Verbindung zu verhindern.

Außerdem bewirkt die Vorspannkraft eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Bauteilen der Verbindung. Dadurch wird verhindert, dass die gesamte Belastung allein auf die Schraube wirkt, was zu einer Überlastung oder Schwächung der Schraube führen könnte. Und: Die Vorspannkraft hilft, den Effekt von Kriechen (Zeitabhängigkeit der Verformung) und Setzen (bleibende Verformung) zu kompensieren. Die angeführte zusätzliche Dehnung in der Schraube gleicht diese Effekte aus und hält die Verbindung stabil.

Berechnung der Vorspannkraft mit VDI 2230

Die VDI 2230 bietet eine Methodik zur Berechnung der erforderlichen Vorspannkraft, die auf den spezifischen Parametern der Schraubverbindung basiert. Dennoch ist die Berechnung relativ aufwendig. Für die Kalkulation werden die Gestalt der Schraubverbindung sowie die zum Ertragen der Vorspannkraft erforderlichen mechanischen Eigenschaften der Verbindungselemente festgelegt. Außerdem wird das – zur Erzeugung der Vorspannkraft ausgewählte – Montageverfahren in der Berechnung berücksichtigt. In einigen Fällen muss überprüft werden, ob die erzeugte Vorspannkraft auch im Betrieb erhalten bleibt und ob möglicherweise eine Sicherungsmethode vorgesehen werden muss.

Schraubensicherung

Diese Berechnung kann grob in drei Abschnitte gegliedert werden.

Im ersten Abschnitt – mit drei Schritten – wird unter anderem der Schraubendurchmesser überschlägig ermittelt. Sodann werden das Anziehverfahren und der Anziehfaktor festgelegt, der die Streuung zwischen maximaler und minimaler Montagevorspannkraft bestimmt. Und es wird die für die weitere Berechnung erforderliche Klemmkraft berechnet beziehungsweise definiert.
Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts liegt in der Berechnung der Montagevorspannkraft. Dabei werden alle auf die Verbindung wirkenden Belastungen wie die erforderliche Klemmkraft, die maximalen Betriebskräfte, die Setzkräfte sowie die thermischen Belastungen berücksichtigt.
Und im dritten Abschnitt werden Beanspruchungsfälle im Montagezustand, aber vor allem im Betriebszustand, berechnet und die Festigkeitsnachweise für jeden Beanspruchungsfall erbracht. Die Berechnungen in diesem Abschnitt sollen ein Schraubenversagen ausschließen, ein Gleiten sowie Kriechvorgänge vermeiden (die eine Verringerung der Vorspannung nach sich zögen) sowie bei Überlastung der Verbindung sicherstellen, dass die Schraube im freien Gewinde oder im Schraubenschaft entsprechend dem Konstruktionsprinzip versagt. Zuletzt wird das zur Erzeugung der erforderlichen Montagevorspannkraft notwendige Anziehdrehmoment berechnet.

Ob eine Schraubverbindung gut ausgelegt ist, zeigt sich letztlich meist erst im Betrieb, wenn äußere Betriebskräfte wirken. Ziehen Sie daher idealerweise immer Fachleute hinzu, um die für Ihre Schraubverbindung erforderliche Vorspannkraft richtig zu bestimmen. Als Richtwert gilt: Die Vorspannkraft sollte so hoch sein, dass die Schraube bis zu mindestens 75 % ihrer Streckgrenze vorgespannt ist. Nach VDI 2230 wird eine 90-prozentige Ausnutzung der Mindeststreckgrenze angestrebt. Auf diese Weise wird die Schraube optimal und mit einer 10-prozentigen Sicherheit genutzt, bevor die plastische Verformung einsetzt.

Schrauben versagen an den Stellen der geringsten Tragfähigkeit

Die Tragfähigkeit einer Schraube hängt von der Schraubengeometrie sowie von den auf die Schraube wirkenden Montage- und Betriebskräften ab. Bei zu hoher Belastung versagt die Schraube an der Stelle der geringsten Tragfähigkeit.

Einteilung_einer_Schraube_in_verschiedene_Bereiche — Bild 2: Das Konstruktionsprinzip für Schraubverbindungen im Maschinenbau besagt, dass die Schraube bei einem Versagen möglichst im freien, belasteten Gewindeteil brechen soll.
Bild: Böllhoff

Eine Schraube lässt sich in vier Tragfähigkeitsbereiche unterteilen:

den Kopf,
den Schaft,
den im Eingriff befindlichen Teil des Gewindes sowie
den Teil des Gewindes, der frei belastbar ist.

Die Schraube kann an verschiedenen Stellen versagen: So kann der Kopf abscheren, sie kann im Muttergewinde abstreifen oder an allen anderen Stellen zwischen Kopf und Gewindespitze brechen oder reißen.

Bei der Auslegung von Schraubverbindungen im Maschinenbau hat sich das folgende Konstruktionsprinzip bewährt: Die Tragfähigkeiten des Schraubenkopfes, des Schraubenschaftes und des im Eingriff befindlichen Gewindes sollen einzeln betrachtet höher sein als die Tragfähigkeit im freien belasteten Gewinde. Vereinfacht gesagt, soll die Schraube im Fall einer Überbeanspruchung der Schraubverbindung im freien, belasteten Gewinde brechen.

Achtet der Konstrukteur bei der Abstimmung der Tragfähigkeiten auf dieses Prinzip, so wird für den Fall einer Überbeanspruchung eine definierte Versagensgrenze der Schraubverbindung sichergestellt. Außerdem kündigt sich ein bevorstehender Schraubenbruch an dieser Stelle in der Regel rechtzeitig an, und zwar durch eine vorangehende, plastische Verformung in Form einer Einschnürung und folglich durch Undichtigkeiten, Geräuschentwicklung gelockerter Teile oder andere Veränderungen. Dadurch besteht die Möglichkeit einer rechtzeitigen Instandhaltung oder Korrektur, bevor das Schadensereignis eintritt.

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