Schraube

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Schrauben mit diversen Köpfen, Schlitzen und Gewinden.
Selbstschneidende für Holz oder Spanplatte (links),
für Blech mit Bohrspitze (Mitte) und mit “Metallgewinde” (drei übrige)
Schrauben mit “Metallgewinde” und verschiedenen Köpfen
links: Rundkopf mit Innensechskant
zweiter von links: traditioneller (Außen-)Sechskantkopf
rechts: zwei moderne Rundköpfe mit Innenvielzahn

Eine Schraube ist ein zylindrischer oder leicht kegeliger (konischer) Körper, in dessen Oberfläche ein Gewinde eingeschnitten oder -gewalzt ist. An einem ihrer Enden ist i. d. R. ein Schraubenkopf angesetzt. Über das “Kinn” des Schraubenkopfes (Ringfläche, unten) erfolgt die Kraftübertragung auf das mit der Schraube zu befestigende Teil, oft eine Platte, durch die die Schraube gesteckt ist. Der Schraubenkopf ist am Rand oder auf seiner Oberseite so geformt, dass er mit einem Werkzeug zum Ein- und Ausdrehen - einem Schraubendreher oder einem Schraubenschlüssel - verbunden werden kann. Die beiden wesentlichen Schraubenarten unterscheiden sich durch das Gewinde. Die Gewindegänge der Schrauben für die Metall- und Kunststofftechnik (Metallschrauben) sind weniger scharfkantig als die der Schrauben für Holz (Holzschrauben). Mit Holzschrauben wird das Gegengewinde beim Einschrauben - manchmal auch ohne ein Loch vorzubohren - selbst geschnitten (selbstschneidende Schrauben), während in der Metalltechnik das Gewinde am Gegenstück, das oft eine Mutter ist, vorhanden sein muss. Ihr Schaft ist komplett zylindrisch, während die Holzschrauben am freien Ende konisch und angespitzt sind.

Eine mit einer Schraube hergestellte Verbindung ist in der Regel wieder lösbar.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schraubendrehmaschine (1871)

Das älteste bekannte schraubenförmige technische Gebilde ist die als Pumpe für Flüssigkeiten verwendete Archimedische Schraube.

Im 1. Jahrhundert v. Chr. waren im Mittelmeerraum Spindelpressen aus Holz zum Auspressen von Öl- und Wein-Früchten bekannt. Diese Pressen geben eine frühe Auskunft von der Umwandlung einer Drehbewegung zwischen Schraube und Mutter in eine Längsbewegung zwischen beiden und den ältesten Hinweis auf die Kraftverstärkung (Keil-Wirkung zwischen den Gewindegängen) mittels Schraube (und Mutter).

Erste Metallschrauben wurden vereinzelt in der römischen Antike angefertigt, wie beispielsweise die Nadelhalter an mehreren Zwiebelknopffibeln aus dem 4. Jahrhundert, die als von den Römischen Kaisern vergebene prunkvolle Rangabzeichen nicht nur aus wertvollen Metallen, sondern auch technisch besonderes aufwendig gestaltet waren.[1] Ebenso wurden zu Beginn des 15. Jahrhunderts Metallschrauben in Europa gefertigt, die sich aber wegen ihres hohen Preises ebenfalls nicht allgemein durchsetzen konnten. Erst die Industrialisierung im 18. Jahrhundert ermöglichte die preiswerte und massenhafte Herstellung und weite Verbreitung von Schrauben. Nachfolgend eine Zeittafel der neuzeitlichen Errungenschaften:

Mechanik einer Verbindung mit Metallschraube und -mutter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schraubenverbindung zweier Platten
links: mit Mutter
rechts: Innengewinde in unter Platte
Kraftverhältnisse am Schraubengang einer in Längsrichtung belasteten Schraube mit Flachgewinde
(bei 60°-Spitzgewinde wirkt L/cos30° anstatt L auf die Flanke)

Die Flanken des Schraubengewindes bilden mit dem Mutterngewinde eine senkrecht zu den Flanken wirkende formschlüssige Verbindung. In Richtung der Flanken sind beide Teile gegeneinander beweglich bzw. um ihre gemeinsame Mittenachse drehbar. Werden die Teile gegeneinander “angezogen”, so entsteht eine in Normalenrichtung zwischen den einander zugekehrten Flankenflächen wirkende Kraft (N, siehe rechts stehende Abbildung) und infolge der Reibung zwischen beiden ein Kraftschluss gegen das Drehen. Die Normalkraft N wird durch die Längskraft L und die Umfangskraft U erzeugt. Im Gleichgewichtszustand nach dem Anziehen wird die Rolle der notwendigen Umfangskraft U von der (Ruhe-)Reibung (Kraft R) zwischen den mit der Normalkraft N aufeinander gepressten Flanken übernommen. Die Komponente Ru von R ist bei üblicher Gewindesteigung (in nebenstehender Abbildung übertrieben steil dargestellt) immer größer als U, und der bestehende Kraftschluss gegen Losdrehen ist ausreichend. Es besteht Selbsthemmung.

Die Längskraft L bleibt infolge einer kleinen elastischen Verformung des Schraubenschaftes und der beteiligten Werkstücke als elastische Kraft in der Schraubenverbindung gespeichert. Der Schraubenschaft wird dabei gedehnt und die Werkstücke gestaucht. Die Schraubenverbindung wirkt wie eine gespannte harte Feder, die den Kraftschluss erzeugt. Dieser kann durch Kriechen (langsame plastische Verformung der Materialien, vor allem bei Kunststoff) verloren gehen. Durch Vibrationen kann es auch zum selbsttätigen Lösen kommen, weshalb in solchen Fällen meistens eine Schraubensicherung (formschlüssig gegen Drehen) nötig ist.

Eine ausreichend dauerhaft sichere Verbindung nach dem Kraftschluss-Prinzip ist nur die besonders weiche Dehnschrauben-Verbindung (mit Metallschraube), die zum Beispiel zwischen Zylinderkopf und Motorblock in Verbrennungsmotoren angewendet wird und ohne zusätzliche (formschlüssige) Schraubensicherung auskommt. Der Schaft einer solchen Schraube ist extra lang, um als weiche Feder zu wirken und Kriechen unwirksam zu machen.

Die in den Schraubenschaft über die Ringfläche unter dem Kopf eingeleitete Kraft und die über das Gewinde eingeleitete Gegenkraft erzeugen in ihm Zugspannungen. Wegen des Reibungswiderstandes gegen das Verdrehen im Gewinde werden im Schaft auch Torsionspannungen erzeugt. Scherbeanspruchung kann entstehen, wenn sich zwei zusammengeschraubte Teile quer bewegen, Biegebeanspruchung, wenn die Fläche unter dem Kopf (oder/und der Mutter) nicht rechtwinklig zum Schaft ist. Das Gewinde stellt eine Kerbung der Oberfläche dar, wodurch die Belastbarkeit des Schafts auf Zug, Scherung und Torsion gegenüber einem glatten Bolzen herabgesetzt ist. Im Maschinenbau gibt die VDI-Richtlinie 2230 aus dem Jahre 2003 grundlegende Hinweise zur Dimensionierung.

Anwendung und Montage[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stiftschrauben am geöffneten Gehäuse einer Dampfturbine

Es gibt Schrauben mit weniger als einem halben Millimeter Durchmesser für Uhrwerke und auch mannshohe, schenkeldicke Verbindungselemente an Großmaschinen und Bauwerken.

Schraubverbindungen sind lösbar, sie begünstigen die Wiederverwertung von Geräten, Maschinen und Anlagen. Sie erleichtern Reparaturen, Umbauten und das Demontieren ausgediente Geräte zum sortenreinen Trennen der Komponenten, um sie gegebenenfalls wiederzuverwenden. Dem steht allerdings entgegen, dass Gerätehersteller mehr und mehr die Lösbarkeit und damit zum Beispiel Reparaturen absichtlich erschweren, um dies Werkstätten vorzubehalten. Es werden zum Beispiel ausgefallene Schraubenköpfe gewählt, für die kein gängiges Anschluss-Werkzeug existiert.

Die Schraubenköpfe sind mit einer Anschluss-Geometrie (Schlitz, Sechskant u. a.) zum Kontakt mit einem Montagewerkzeug (Schraubendreher, Schraubenschlüssel) versehen, mit dem das Anzugs-Drehmoment übertragen wird. Um gezielt einen bestimmten Wert des Anzugs-Drehmoments zu erzeugen, wird ein Drehmomentschlüssel verwendet. Der optimale Wert ist besonders bei Dehnschraubenverbindungen erforderlich. Auch die Schrauben zur Befestigung einer Autofelge aus Stahl werden mittels Drehmomentschlüssel mit einem bestimmten Drehmoment angezogen. Die Radschrauben sind keine Dehnschrauben, aber die Umgebungen der Felgenlöcher geben elastisch nach, so dass selbstsichernde Schraubenverbindungen gleich wie mit Dehnschrauben entstehen. Eine zusätzliche Sicherung gegen Lösen besteht durch die Reibungskräfte zwischen Schraube und Felge, die infolge der Kegelform der Kontaktfläche vergrößert sind.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Produktion von Kopfschrauben gibt es heute hauptsächlich zwei Herstellverfahren:

  • Das Kaltfließpressverfahren auf einer mehrstufigen Presse für große Stückzahlen und Durchmesser bis zurzeit maximal M 36. Das Ausgangsmaterial wird als Draht auf Spulen aufgewickelt angeliefert und in den vorgeschalteten Anlagen abgewickelt und gerichtet. Moderne Kaltfließpressen arbeiten mehrstufig, d. h. in einem Hub werden mehrere Arbeitsschritte hintereinander durchgeführt, bspw. Rohling abscheren, Sechskantkopf vorformen, fertigstauchen, abgraten und Gewindeteil reduzieren. Im nachfolgenden Prozess wird das Gewinde mit einer Gewindewalzmaschine spanlos hergestellt (Einwalzen der Gewinderille in die Oberfläche des Schraubenschafts). Presse und Walzmaschine bilden in der Regel eine Einheit, den sogenannten „Boltmaker“. Abhängig von Durchmesser und Länge der Schrauben erreichen solche Anlagen Produktionszahlen von mehr als 300 Stück pro Minute.
  • Das Warmpressverfahren Schmieden auf einer Schmiedepresse für kleine bis mittlere Stückzahlen und Durchmesser bis M 200. Ausgangsmaterial ist Rundmaterial in Stangenform. Nach dem Ablängen werden die Rohlinge ganz oder partiell auf Schmiedetemperatur (abhängig vom Werkstoff bis zu 1250 °C) erwärmt und in einer Presse vorgeformt. Die Fertigstellung wird in der Regel zerspanend durch CNC-Drehen und Gewindeschneiden vorgenommen. Schrauben mit höherer Festigkeit im Gewinde werden nach dem Schmieden der Rohform spanlos auf einer Gewinderollmaschine fertig hergestellt.

Die frühere Herstellung von Schrauben (und Muttern) auf automatischen Drehmaschinen ist kosten- und materialintensiv und wird nur noch bei kleinen Stückzahlen angewendet. Bei kleinen Durchmessern werden die Gewinde mit Hilfe von Gewindebohrern (für Innengewinde) und Schneideisen (für Außengewinde) hergestellt. Diese beiden Werkzeuge mit mehreren gleichzeitig schneidenden Schneidteilen werden auch für die Herstellung kleinerer Gewindedurchmesser von Hand gebraucht. Für große Durchmesser wird ein speziell geformter Drehmeißel verwendet (nur ein Schneidteil).

Korrosionsschutz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch Stückverzinkung vor Korrosion geschützte Schrauben
Verzinkte Schraube an einem Pfosten im Außenbereich
durch Witterungseinfluss korrodierte Schraubverbindung an einem Mast

Korrosionsarme bzw. rostfreie Schrauben bestehen aus nichtrostendem Stahl, Nickellegierungen, Kupferlegierungen, Kunststoffen, gelegentlich Aluminium, Titan oder neuerdings auch aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff („Carbon“). Einfache Stahlschrauben dagegen benötigen eine Schutzbeschichtung (z. B. Korrosionsschutzfarbe), wenn sie nicht unter korrosionsfreien oder -armen Bedingungen verwendet werden. Mögliche Verfahren der Oberflächenbehandlung sind:

  • Brünierung (geschwärzte Schrauben), dabei wird eine dünne, festanhaftende dunkelbraune bis schwarze Oxidschicht (Eisenoxiduloxid – Fe3O4) durch Tauchen in eine erhitzte, stark alkalische Salzlösung erzeugt. Norm dazu: DIN 50938. Der erzielte Korrosionsschutz ist schwach, er dient eher optischen Gründen.
  • Phosphatierung, dabei wird auf der Oberfläche chemisch oder elektrochemisch eine Phosphatschicht erzeugt. Schwacher Korrosionsschutz, vorwiegend bei Anforderungen an die Haftfähigkeit z. B. von Putz verwendet (z. B. Schnellbauschrauben-Trockenbau) bzw. im Automobilbau für Motorschrauben, die ohnehin keiner Korrosion ausgesetzt sind wie z. B. Pleuel- und Zylinderkopfschrauben. Vorteilhaft werden dabei die gute Einstellbarkeit der Reibungszahlen sowie die hohe Belastungsfähigkeit der Phosphatschicht ausgenutzt. Norm hierzu: EN 12476
  • Stückverzinkung: Stückverzinkte Schrauben („tZn“) gemäß der Norm EN ISO 10684 werden in den Größen M8 bis M64 hergestellt. Sie besitzen eine mittlere Mindestzinkschichtdicke von 50 Mikrometer und kommen in der Regel im Stahl- und Metallbau zum Einsatz. Stückverzinkte Schrauben sind auch bei Außeneinsatz für Jahrzehnte vor Korrosion geschützt.
  • Galvanische Verzinkung: Galvanisch verzinkte Schrauben („galZn“) gemäß EN ISO 4042 und EN ISO 2081 sind sehr verbreitet und z. B. in Baumärkten erhältlich. Ihre handelsübliche Zinkschichtdicke beträgt 5 Mikrometer. Aus diesem Grund sind galvanisch verzinkte Schrauben nur für temporäre Einsätze im Außenbereich geeignet.
  • Chromatierung (aus Umwelt- und Gesundheitsschutzschutzgründen wegen des Gehaltes an sechswertigem Chrom abnehmend) (Norm hierzu: EN ISO 4520, EN ISO 4042)
  • Verzinnen, um eine gute Weichlot-Oberfläche herzustellen (Elektroindustrie)
  • Kadmierung (aus Umweltschutzgründen eingestellt) (Norm hierzu: EN ISO 2082)
  • Zinklamellenüberzug: frei von sechswertigem Chrom (Cr-VI) bei hoher Korrosionsbeständigkeit herstellbar, keine Wasserstoffversprödung (Norm hierzu: EN ISO 10683, VDA 235-104)
  • Zink-Nickel-Beschichtung: Cr-VI-frei, Reibwert einstellbar, temperaturbeständig bis 300 °C, höchster Korrosionsschutz (>1000 h nach EN ISO 9227), zugelassen in der Automobilindustrie (s. EN ISO 4042, VDA 235-104)
  • Sherardisieren: In Europa wenig bekanntes Diffusions-Verzinkungsverfahren, Korrosionsbeständigkeit ist vergleichbar mit dem der Feuerverzinkung, gute Haftung.

Untersuchungen haben ergeben, dass Korrosionsschutzschichten, die sechswertiges Chrom enthalten – z. B. chromatierte und galvanisch verzinkte Schichten – krebserregend sein können. Der EU-Altauto-Verordnung 2000/53/EG entsprechend müssen daher alle Neufahrzeuge ab dem 1. Juli 2007 frei von sechswertigem Chrom (Cr-VI) sein. Daher werden immer mehr Beschichtungen zum Beispiel auf den Zinklamellenüberzug umgestellt. Neben dem Automobilsektor ist davon z. B. auch die Elektronikindustrie betroffen, die ebenfalls auf Cr-VI-freie Verfahren umstellen muss (siehe RoHS-Richtlinie).

Die Korrosionsbeständigkeit von Beschichtungen wird häufig mit dem Salzsprühtest geprüft. Bei diesem Kurzzeittest werden beschichtete Teile (z. B. Schrauben) in einer Prüfkammer über eine definierte Stundenzahl einem ständigen Salznebel ausgesetzt. Bei der Bewertung der Ergebnisse von Salzsprühprüfungen ist zu berücksichtigen, dass diese selten mit dem Verhalten in natürlichen Umgebungen übereinstimmen.[2]

Weitere Oberflächenbehandlungen, die neben dem Korrosionsschutz auch zur Dekoration oder der besseren elektrischen Kontaktgabe dienen, sind das Versilbern, das Verkupfern, die Messingbeschichtung, das Verchromen, das Vernickeln und das Vergolden.

Kennzeichnung, Festigkeitsklassen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Angabe der Fes­tig­keits­klas­se auf einem Schraubenkopf

Die Kennzeichnung der Sechskant- und Innensechskantschrauben ab M5 erfolgt auf dem Schraubenkopf, auf dem das Herstellerkurzzeichen und die Festigkeitsklasse angegeben sind, bei Schrauben aus nichtrostendem Stahl zusätzlich A2 oder A4.

Bei der vollständigen Bezeichnung werden alle relevanten Daten angegeben, ein Beispiel ist:

  • ISO 4014 – M10 × 60 – 8.8 – A2E

Aus der Bezeichnung ist aufgrund der ISO-Norm ISO 4014 (metrisches ISO-Gewinde bzw. Regelgewinde) herauszulesen, dass es sich um eine Sechskantschraube mit Schaft und einem Nenndurchmesser von 10 mm, sowie einer Länge von 60 mm und der folgend erklärten Festigkeitsklasse 8.8 handelt. Die Schraube hat einen galvanischen Überzug mit dem Überzugsmetall Zink (A), Schichtdicke 5 μm (2) mit Glanzgrad blank, keine Farbe (E); bezeichnet nach EN ISO 4042.

  • ISO 8765 – M20 × 2 × 60 – 8.8

Der Kennzeichnung dieser Sechskantschraube ist noch die Steigung 2,0 mm hinzugefügt. Damit handelt es sich nicht um ein Regelgewinde (Steigung 2,5 mm), sondern um ein Feingewinde. Zusätzliche Kennwerte, wie Flanken- und Kerndurchmesser, Spannungs- und Kernquerschnitt, sowie Steigungswinkel kann man mithilfe der DIN 13 bestimmen.

Aus der Festigkeitsklasse bei Stahlschrauben lassen sich die Zugfestigkeit Rm und die Streckgrenze Re errechnen. Als Beispiel die Festigkeitsklasse 8.8:

  • Rm wird errechnet, indem man die erste Zahl mit 100 multipliziert: 8 N/mm2 × 100 = 800 N/mm2 minimale Zugfestigkeit,
  • Re, indem beide Zahlen miteinander multipliziert und das Ergebnis noch einmal mit zehn multipliziert: (8 × 8) N/mm2 = 64 N/mm2, 64 N/mm2× 10 = 640 N/mm2 Mindeststreckgrenze. In diesem Fall wird bei 80 % der Zugfestigkeit (hier beginnt die Einschnürung der Schraube und die maximal übertragbare Kraft ist hier am größten) die Streckgrenze (ab hier treten irreversible Verformungen auf) erreicht; und die Verformung geht von dem elastischen in den plastischen Bereich über. Wenn die Schraube darüber hinaus belastet wird, ist das Material dauerhaft verformt; und die Schraube ist dauerhaft verlängert. Das sollte vermieden werden.

Gemäß der Normung für mechanische und physikalische Eigenschaften (EN ISO 898-1) sind die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 und 12.9 gebräuchlich.

Festigkeitsklasse Zugfestigkeit Rm
in N/mm2
Streckgrenze Re
in N/mm2
Anmerkung
4.6 400 240
5.6 500 300
5.8 500 400
6.8 600 480
8.8 800 640 Schrauben dieser Festigkeitsklassen (hauptsächlich 10.9) sind auch für „Hochfeste planmäßig vorspannbare Schraubenverbindungen für den Metallbau“ (ugs. HV-Schrauben) nach EN 14399 erhältlich.
10.9 1000 900
12.9 1200 1080

In der Industrie kommt sehr häufig die Klasse 8.8 zur Verwendung. Die Klassen 4.6, 5.6 und 5.8 werden hauptsächlich bei Massenwaren und geringwertigen Verbindungen eingesetzt. Ausnahme sind Flanschverbindungen im Rohrleitungsbau, hier werden die Klassen 4.6 und 5.6 auf Grund ihrer hohen Bruchdehnung häufig vorgeschrieben (z. B. Druckgeräterichtlinie 97/23/EU oder AD 2000-Merkblatt W7:2008-05). 10.9 und 12.9 werden vor allem für berechnete und definiert vorgespannte Schraubverbindungen verwendet.

In Baumärkten hingegen wird vielfach die Festigkeitsklasse 4.6 angeboten.

Für Schrauben aus nichtrostendem Stahl wird die Qualität und Festigkeitsklasse auf dem Schraubenkopf angegeben. Diese sind z. B. A (für austenitischen Stahl), 1 bis 5 (Sorte) sowie 50 (weich), 70 (kaltverfestigt) oder 80 (hochfest), zum Beispiel A2-70 oder A5-80. Weitere mechanische Eigenschaften von nichtrostenden Schrauben sind in ISO 3506-1 beschrieben.

Vorwiegend werden die Qualitäten A2 allgemein und A4 für erhöhte Korrosionsbeanspruchungen verwendet. Diese Qualitäten werden umgangssprachlich auch heute noch mit den von Krupp geprägten Werksbezeichnungen „V2A“ und „V4A“ benannt. In besonderen Fällen kommen auch Schrauben aus den Werkstoffen mit den Werkstoffnummern 1.4439 oder 1.4462 zum Einsatz, beispielsweise im Offshore-Bereich. „Nichtrostende“ (eigentlich: korrosionsarme) Schrauben haben einen silbrig-matten Glanz und sind oft (sofern austenitisch) nicht magnetisch.

Material der Schrauben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schrauben können aus vielen Materialien gefertigt werden, solange diese die Belastung im Einsatzfeld erfüllen. Einige wenige Beispiele sind:

Gewindeformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Rechts- oder Linksgewinde
  • Metrisches ISO-Gewinde Regelgewinde, Spitzgewinde, Feingewinde
  • zöllige Gewinde (UN-Gewinde und Whitworth-Gewinde)
  • Rohrgewinde (Whitworth-Gewinde, NPT-Gewinde)
  • Trapezgewinde
  • Rundgewinde
  • Sägengewinde
  • Flachgewinde
  • Holzschraubengewinde (der Belastbarkeit des Holzes angepasste Grobgewinde).
  • selbstschneidende oder selbstprägende Gewinde für Metall oder Kunststoff (gewindefurchende Schraube DIN 7500).
  • Blechschraubengewinde ähnlich denjenigen von Holzschrauben.
  • Schnellbauschrauben-Gewinde mit mehrgängigem Gewinde oder großem Steigungswinkel.
  • selbstschneidende Spanplattenschrauben-Gewinde, z. B. die Markenbezeichnung SPAX (von: Spanplattenschraube mit Kreuzschlitz „x“).
  • Nagelschrauben, diese werden mit Hilfe eines pneumatischem Schussgeräts in Holz eingeschossen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schnellbauschrauben werden sie linear und nicht drehend in das Werkstück eingebracht, was den Fertigungsschritt vereinfacht. Der Vorteil zu einer reinen Nagelverbindung ist die leichte Lösbarkeit der Verbindung.
  • Maschinenschrauben, mit metrischen Gewinden oder den amerikanischen UNF (Unified National Fine Thread)- und UNC (Unified National Coarse Thread)-Gewinden.
  • NPT-, NPTF-Gewinde
  • British Standard Pipe (BSP/ G), British Standard Pipe Taper (BSPT/ R)
  • Unified National Special Thread (UNS)
  • Trilobular­schrauben

Schrauben, bei denen nur ein Teil des Schafts das Gewinde trägt, nennt man Teilgewindeschrauben.

Die pleonastische Handelsbezeichnung Gewindeschraube (jede Schraube hat ein Gewinde) bezeichnet üblicherweise Schrauben mit Gewindeformen, die zur Aufnahme in einem passenden Innengewinde vorgesehen sind, also zum Beispiel Maschinenschrauben mit metrischem oder zölligem Gewinde, aber keine Holz- oder Blechschrauben oder selbstschneidende.

Schraubenkopfformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Genormte Schraubenkopfformen
Schraubenkopfantriebe
Screw Head - Slotted.svg Schlitz
Screw Head - Square External.svg Außen-Vierkant
Screw Head - Hex External.svg Außen-Sechskant
Screw Head - Robertson.svg Innen-Vierkant (Robertson-Schraube)
Screw Head - Hex Socket.svg Innen-Sechskant (Inbus)
Pin-in-hex socket screw drive 003.png Innen-Sechskant mit Stift
Screw Head - Phillips.svg Phillips
Screw Head - Pozidrive.svg Pozidriv
Screw Head - Torx.svg Torx
Screw Head - Torx Tamperproof.svg Torx mit Stift (Torx-TR)
Wkretaki-07 torx plus.svg Torx Plus
Screw Head - IPR.svg Torx Plus Security
Screw Head - Triple Square.svg Innen-Vielzahn (XZN)
Screw Head - One-way Clutch.svg Einweg-Schlitz
Screw Head - Tri-wing.svg Tri-Wing
Screw Head - Torq-set.svg Torq-Set
Pentalobular.svg Pentalob
Screw Head - Spanner.svg Spanner
Screw Head - Bristol.svg Bristol
Screw Head - Phillips Combo.svg Phillips Combo
Combo Slot - Torx.jpg Combo Slot - Torx

Schraubenkopfformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Flachkopf, Tellerkopf
  • Rundkopf
  • Sechskantkopf
  • Senkkopf
  • Senkrundkopf (Linsenkopf)
  • Zylinderkopf
  • Trompetenkopf
  • Flachrundkopf
  • Panhead
  • Senkfräskopf
  • Zierkopf

Schraubenkopfantriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die häufigsten zusätzlichen Formen am Schraubenkopf zum Ansatz eines Schraubendrehers oder Schraubenschlüssels sind:

  • Außen-Sechskant
  • Außen-Vierkant
  • Innen-Sechskant (Inbus)
  • Innen-Sechsrund (Torx); bei Torx Plus Security mit fünf anstatt sechs Spitzen
  • Innen-Vielzahn (XZN)
  • Innen-Vierkant (Robertson, verbreitet in Nordamerika)
  • Kopf-Kreuzschlitz (Phillips und Pozidriv)
  • Kopf-Schlitz

Siehe auch: Liste der Schraubenkopfantriebe

Sicherheitsschrauben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Sicherheitsschraube

Um unerwünschten Zugriff zu erschweren, werden Schrauben mit außergewöhnlichen Antrieben am Kopf verwendet:

  • Innensechskant-TR, Innensechskant mit zentralem Dorn
  • Pentalob, von der Firma Apple ab dem Iphone 4 und ab 2010 sukzessive in Macbooks verwendet
  • Torq-Set, Profil mit versetztem Kreuz, in der Luftfahrttechnik weit verbreitet
  • Torx-TR (Tamper Resistant = manipulationssicher, Torx mit zentralem Dorn)
  • Torx Plus Security, Torx mit zentralem Dorn und fünf anstatt sechs Spitzen
  • Tri-Wing, in der Luftfahrttechnik verbreitet

Die entsprechenden Schraubendreher werden nach einiger Zeit im Handel angeboten, so dass immer wieder Anlass für die Einführung einer neuen außergewöhnlichen Form besteht.

Schraubenköpfe mit Schlitzen, deren linke Fläche schräg ist, lassen sich nur einschrauben, jedoch nicht lösen (Beispiel: Einweg-Schlitz).

Von Hand betätigbare Schrauben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Rändelschrauben
  • Flügelschrauben
  • Stellschrauben zur Regulierung von mechanischen Größen

Kombinationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kreuzschlitzschraube mit zusätzlichem Außen-Sechskant

Es gibt auch Schraubenköpfe, die mehrere Profile kombinieren. Das Bild links zeigt eine Kreuzschlitzschraube mit zusätzlichem Außen-Sechskant. Weit verbreitet sind Kreuzschlitzschrauben, bei denen einer der beiden Schlitze über den Rand des Kopfes hinaus ausgeführt ist (Phillips-Combo), so dass sie auch mit (verschieden großen) Schlitzschraubendrehern bedient werden können (siehe Bild unten: gängige Computer-Schrauben). Für derartige Schrauben gibt es inzwischen auch spezielle Schraubendreher, die meist als „Plus-Minus-Schraubendreher“ angeboten werden. Sie ermöglichen ein sehr festes Anziehen wie bei Schlitzschrauben und bieten gleichzeitig die Abrutschsicherheit der Kreuzschlitzschrauben. Eine weitere Kombination existiert aus Torx- und Schlitzschrauben.

Schraubennormen (Auswahl)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gängige Schrauben in Computergehäusen
Hammerkopfschraube
Flachrundschraube mit Vierkantansatz nach DIN 603, umgangssprachlich auch Schloss- oder Torbandschraube
Isometrische Projektion eines Gewindestiftes mit Innensechskant
  • Sechskantkopf
    • Sechskantschraube mit Schaft ISO 4014 (alt: DIN 931)
    • Sechskantschraube mit Gewinde bis Kopf ISO 4017 (alt: DIN 933)
    • Sechskantschraube mit Schaft, Feingewinde 8 × 1 bis 100 × 4, ISO 8765 (alt: DIN 960)
    • Sechskantschraube mit Feingewinde 8 × 1 bis 100 × 4 bis Kopf, ISO 8676 (alt: DIN 961)
    • Sechskant-Passschraube für Stahlbaukonstruktionen (geringes Lochspiel) DIN 7968
    • Sechskant-Schraube für Stahlbaukonstruktionen DIN 7990
    • Sechskant-HV-Schraube für Stahlbaukonstruktionen (hochfeste Verbindung) EN 14399 (alt: DIN 6914)
    • Sechskant-Holzschraube DIN 571 (Wiener Schraube)
    • Sechskant-Blechschraube ISO 1479 (alt: DIN 7976)
  • Vierkantkopf
  • Zylinderkopf
    • Zylinderschraube mit Innensechskant ISO 4762 (alt: DIN 912)
    • Zylinderschraube mit Innensechskant, niedriger Kopf, mit Schlüsselführung DIN 6912
    • Zylinderschraube mit Innensechskant, niedriger Kopf DIN 7984
    • Zylinderschraube mit Schlitz ISO 1207 (alt: DIN 84)
    • Zylinder-Blechschraube mit Schlitz ISO 1481 (alt: DIN 7971)
    • Zylinderschraube mit Innensechskant mit metrischem Feingewinde EN ISO 12474
  • Senkkopf
    • Senkschraube mit Innensechskant ISO 10642 (alt: DIN 7991)
    • Senkschraube mit Schlitz ISO 2009 (alt: DIN 963)
    • Senk-Holzschraube mit Schlitz DIN 97
    • Senk-Blechschraube mit Schlitz ISO 1482 (alt: DIN 7972)
    • Senkschraube mit Kreuzschlitz ISO 7046 (alt: DIN 965)
    • Senk-Holzschraube mit Kreuzschlitz DIN 7997
    • Senk-Blechschraube mit Kreuzschlitz ISO 7050 (alt: DIN 7982)
  • Linsensenkkopf
    • Linsensenkschraube mit Schlitz ISO 2010 (alt: DIN 964)
    • Linsensenk-Holzschraube mit Schlitz DIN 95
    • Linsensenk-Blechschraube mit Schlitz ISO 1483 (alt: DIN 7973)
    • Linsensenkschraube mit Kreuzschlitz ISO 7047 (alt: DIN 966)
    • Linsensenk-Holzschraube mit Kreuzschlitz DIN 7995
    • Linsensenk-Blechschraube mit Kreuzschlitz ISO 7051 (alt: DIN 7983)
  • Rundkopf
    • Halbrund-Holzschraube mit Schlitz DIN 96
    • Halbrund-Holzschraube mit Kreuzschlitz DIN 7996
  • Linsenkopf (breiter, niedriger und runder als Zylinderkopf)
    • Linsen-Blechschraube mit Kreuzschlitz ISO 7049 (alt: DIN 7981)
  • Hammerkopf
    • Hammerschrauben DIN 261, mit Vierkant DIN 186, und mit Nase DIN 7992
    • T-Nutenschrauben DIN 787
  • Flachrundkopf (für dekorative und Sicherungszwecke; können nur von der Seite der Mutter her gelöst werden)
    • Flachrundschraube mit Vierkantansatz DIN 603 (gewöhnlich „Schlossschrauben" oder "Torbandschrauben“ genannt)
  • Gewindestifte (umgangssprachlich in Deutschland als Madenschraube und in Österreich als Wurmschraube bezeichnet)
    • Gewindestift mit Innensechskant und Kegelkuppe ISO 4026 (alt: DIN 913)
    • Gewindestift mit Innensechskant und Spitze ISO 4027 (alt: DIN 914)
    • Gewindestift mit Innensechskant und Zapfen ISO 4028 (alt: DIN 915)
    • Gewindestift mit Innensechskant und Ringschneide ISO 4029 (alt: DIN 916)
    • Gewindestift mit Schlitz und Kegelkuppe DIN 551
    • Gewindestift mit Schlitz und Spitze DIN 553
    • Gewindestift mit Schlitz und Zapfen ISO 7435 (alt: DIN 417)
    • Gewindestift mit Schlitz und Ringschneide DIN 438
  • Sonstige Schrauben
    • Augenschrauben DIN 444
    • Flügelschrauben DIN 316
    • Rändelschrauben hohe Form DIN 464
    • Rändelschrauben niedrige Form DIN 653
    • Ringschrauben DIN 580
    • Verschlussschraube mit Innensechskant, kegeliges Gewinde DIN 906
    • Verschlussschraube mit Außensechskant, kegeliges Gewinde DIN 909
    • Verschlussschraube mit Bund und Innensechskant, zylindrisches Gewinde DIN 908
    • Verschlussschraube mit Bund und Außensechskant, schwere Ausführung, zylindrisches Gewinde DIN 910
    • Verschlussschraube mit Bund und Außensechskant, leichte Ausführung, zylindrisches Gewinde DIN 7604
    • Gewinde-Schneidschraube DIN 7513
    • Stiftschrauben, Einschraubende ~2 d DIN 835
    • Stiftschrauben, Einschraubende ~1 d DIN 938
    • Stiftschrauben, Einschraubende ~1,25 d DIN 939
    • Stiftschrauben, Einschraubende ~2,5 d DIN 940

Es gibt noch eine Vielzahl von Spezialschrauben, die für spezielle Einsatzzwecke, bei denen keine Normschrauben verwendet werden können, konstruiert werden und sich im Wesentlichen durch ihre Kopf- bzw. Gewindeform unterscheiden (z. B. Blattschraube oder Bohrschraube mit Blechschraubengewinde DIN 7504)

Je nach der Kopfform braucht man den entsprechenden Schraubenschlüssel oder Schraubendreher zum Drehen der Schraube. Bei vielen Verbindungen ist es notwendig, einen Drehmomentschlüssel zu verwenden.

Gewindesteigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Gewindesteigung beschreibt den Weg, den ein Gewinde, z. B. eine Schraube, bei einer Umdrehung eingedreht wird. Die Steigung von Gewinden ist üblicherweise für die entsprechenden Nenndurchmesser in Normen festgeschrieben (Beispiel: metrisches ISO-Gewinde).

Für metrische Schrauben wird zwischen dem „Metrischen Regelgewinde“ nach DIN 13-1 und dem „Metrischen-Feingewinde“ nach DIN 13-2 bis DIN 13-11 unterschieden. Beim „Metrischen Regelgewinde“ gibt es eine feste Zuordnung der Steigung zum Nennmaß der Schraube, wogegen beim Feingewinde (typisch ab M 8) zwischen unterschiedlichen Steigungen (z. B.: M 10 × 0,75; M 10 × 1,0; M 10 × 1,25) je Nennmaß gewählt werden kann.[3]

Schrauben mit Feingewinde im Bereich von M 12 bis M 42 sind (neben anderen Steigungen) mit einer einheitlichen Steigung von 1,5 verfügbar.

Metrische Schrauben ohne Kennzeichnung der Steigung (z. B. Baumarktware) haben „Regelgewinde“.

Bei zölligen Gewinden wird typisch die Anzahl der Gewindegänge je Zoll für die Steigung angegeben. Daraus ergibt sich die Anzahl der Schraubenumdrehungen je Zoll axialen Schraubenweg.

Länge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Längenangabe bezieht sich normalerweise auf die Länge ohne Kopf (also Gewinde plus ggf. Schaft). Nur bei Schrauben mit Senkkopf oder Linsensenkkopf wird die Länge ab der Position des Kopfdurchmessers gemessen.

Die Länge einer Schraube wird meist in Millimetern angegeben. Die Angabe beschreibt die Eindringtiefe ins Material, d. h. der Schraubenkopf zählt in der Regel nicht mit. Nur bei der ganz im Material verschwindenden Senkkopfschraube ist der Kopf mitzurechnen (bei der Linsenkopfschraube aber nur teilweise, denn die "Linse" des Kopfes steht über).

Sonderbauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bohrschraube
  • Schrauben ohne Kopf gibt es mit den Bezeichnungen Madenschrauben, Stiftschrauben, Gewindestifte und Gewindebolzen. Sie können ein zweigeteiltes oder durchgehendes Gewinde besitzen. Madenschrauben und Gewindestifte werden beispielsweise zur Befestigung von Türgriffen eingesetzt. Gewindebolzen und Stiftschrauben dienen zur Verbindung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock bei Kolbenmotoren.
  • Geräteschrauben sind Schrauben zum Befestigen von Einsätzen in Elektro-Installationsdosen ("Gerätedosen"), z. B. Unterputzdosen. Sie ähneln gängigen Holzschrauben, haben aber oft ein etwas feineres Gewinde (etwa 7 Gewindegänge pro cm statt 5,5). Gängige Geräteschrauben haben einen Durchmesser von 3,2 mm und sind Längen bis 40 mm erhältlich. Sie sind häufig aus relativ weichem Metall gefertigt, so dass sie einfach mit einem Seitenschneider gekürzt werden können.
  • Gewindefurchende Schrauben (auch selbstformende, selbstprägende oder gewindeformende Schrauben) nach DIN 7500 bilden wie Gewindeformer selbsttätig ein Gewinde in einer Bohrung oder einem Sackloch aus, ohne einen Span zu produzieren. Sie sind meist zur Verwendung in plastisch verformbaren Materialien bis zur Brinellhärte 135 HB bzw. Zugfestigkeit von Rm = 450 N/mm2 geeignet. Zum Einschrauben ist ein erhöhtes und linear ansteigendes Drehmoment notwendig. Schrauben zur Verwendung in harten Werkstoffen werden meist an der Oberfläche vergütet und sind dadurch teurer als metrische Normschrauben. Insgesamt können Kosten eingespart werden, da das gesonderte Schneiden des Gewindes entfällt und auch eine Sicherung gegen Vibration nicht notwendig ist. In vielen Materialien ist ein geformtes Gewinde haltbarer als ein geschnittenes, da es sich der Schraube anpasst und gegebenenfalls eine Kaltverfestigung eintritt. Um das Ansetzen der Schraube zu erleichtern haben selbstformende Schrauben oft eine konische Spitze, manche besitzen ein leicht dreikantiges (trilobulares) Profil, zur Reduzierung der Reibung.[4]
  • Selbstschneidende Schrauben besitzen Nuten ähnlich einem Gewindebohrer und können in weichen Materialien wie Aluminium eingesetzt werden.
  • Blechschrauben und Schrauben für Kunststoff formen ebenfalls ein Gewinde. Schrauben für weiche Kunststoffe weisen eine ähnlich grobe Gewindesteigung auf, wie Holzschrauben. Gewinde für Blech sowie für harte Kunststoffe haben in der Regel eine Steigung, die zwischen derjenigen von Holz- und der von Metallschrauben liegt. Im Gegensatz zu Holzschrauben besitzen sie jedoch oft keine ausgeprägte Spitze und werden selten mit Senkkopf gefertigt.
  • Bohrschrauben sind an ihrer Spitze mit 2 Bohrschneiden ausgestattet, die geeignet sind, in Werkstücke ein Loch zu schneiden, in welchem sich das nachfolgende Gewinde selbsttätig verankert. Ebenso wie Blechschrauben besitzen Bohrschrauben ein grobes Gewinde, denn sie eignen sich überwiegend zur Verwendung in dünnen oder weichen Materialien. In dickerem Material ist eine ausreichende Spanabfuhr beim Bohren nicht möglich. In zähen Materialien können Gewinde nur mit spezialisierten Werkzeugen geschnitten werden.
    Bohrschrauben beschleunigen die Arbeit, da das vorherige Bohren eines Lochs entfällt. Beim Verbinden von mehreren Werkstücken aus zähem Material ist darauf zu achten, dass die Länge des Bohrkopfes mindestens der Gesamtdicke der zu verbindenden Materialien entspricht. Sonst greifen die Gewindegänge bereits, bevor die Bohrung fertiggestellt ist, wodurch die Werkstücke auseinandergetrieben würden.
    Bei erhöhtem Korrosionsrisiko sind Schrauben aus rostfreiem Stahl zu verwenden. Rostfreier Stahl lässt sich weniger gut härten. Daher eignen sich diese Schrauben nur zur Verwendung mit Aluminiumwerkstoffen.[5]
Wiener Vorreiber für Holz
  • Schraubösen und Schraubhaken dienen zum Einhängen, Halten und Befestigen von Befestigungsmitteln und anderen Gegenständen.
    • Wiener Vorreiber sind eine spezielle Form des Schraubhakens und werden als Zuhaltung und Verschluss von Klappen und Fensterflügeln verwendet.
  • Spannschlösser zum Spannen von Drähten und Seilen bestehen aus zwei Schraubösen oder Schraubhaken, von denen jeweils einer ein Rechts- und der andere ein Linksgewinde besitzt. Eine Hülse mit zwei dazu passenden und jeweils bis zur Mitte reichenden Innengewinden dient als Verbindungsstück und zum Justieren des Abstands. Eine Spannschraube (siehe Spannschloss) besitzt demgegenüber ein Links- und Rechts-Außengewinde an ihren beiden Enden.

Schraubensicherungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Schraubensicherung

Anzieh- und Montageverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Industrie werden verschiedene Montageverfahren angewendet:

Die Schraube sollte so angezogen werden, dass die zu übertragende Betriebskraft (z. B. die Antriebs- oder Bremsmomente einer Radverschraubung) über die Reibung in der Verbindung sicher übertragen werden können. Ist dies nicht der Fall und die Schraube wird Querkräften ausgesetzt, besteht die Gefahr des selbsttätigen Losdrehens oder des Schraubenbruchs.

Die VDI-Richtlinie VDI 2230-1 „Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen“ behandelt die Berechnung und Auslegung von Schraubenverbindungen.

Metallische Gewindeverbindungen ohne vorgegebenes Anzugsmoment sollten in korrosiver Umgebung durch Fett, Montagepaste, Schraubensicherung- oder Dichtungsmittel geschützt werden, um das spätere Lösen der Verbindung zu erleichtern. Ist das Anzugsmoment vom Hersteller vorgegeben, so kann das durch die Schmierung erleichterte Eindrehen der Schraube zur Überdehnung des Gewindes führen. Hier sollte der Vorgabe des Herstellers gefolgt oder gegebenenfalls eine spezielle, nichtschmierende Montagepaste verwendet werden. Der Auftrag von Öl, Fett oder Seife auf das Gewinde von Holzschrauben erleichtert das Eindrehen und kann das Abscheren der Schraube bei Überlastung verhindern. Verschraubungen an Rohren oder Behältern für reinen Sauerstoff, dürfen nicht gefettet werden, da der Sauerstoff zur Selbstentzündung des Fettes führen kann.

Idealerweise bestehen die Hauptelemente einer Schraubverbindungen aus Materialien mit gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, um eine mechanische Wechselbelastung infolge von Temperaturschwankungen zu vermeiden.

Für leichtgewichtige Verbindungen mit geringem Raumbedarf werden anstelle von Schrauben auch Niete verwendet.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gustav Niemann, Hans Winter, Bernd-Robert Höhn: Maschinenelemente – Band 1: Konstruktion und Berechnung von Verbindungen, Lagern, Wellen. 4. Auflage. Springer, München 2005, ISBN 978-3-540-25125-5.
  • Karl-Heinz Decker, Karlheinz Kabus: Funktion, Gestaltung und Berechnung. Inklusive Tabellenband, 2 Bände. 16. Auflage. Hanser, München 2007, ISBN 978-3-446-40897-5.
  • Hermann Roloff, Wilhelm Matek, Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch: Maschinenelemente, Normung, Berechnung, Gestaltung. Lehrbuch, Tabellenbuch, 2 Bände mit CD-ROM. 14. Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2000, ISBN 3-528-84028-5.
  • Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen: DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau. 23. Auflage. Springer, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17306-6, S. G34 ff.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Barbara Deppert-Lippitz, Reinhold Würth (Hrsg.): Die Schraube zwischen Macht und Pracht: das Gewinde in der Antike. Thorbecke, Sigmaringen 1995, ISBN 3-7995-3628-0, S. 88–89 (Ausstellungskatalog).
  2. DIN EN ISO 14713-1 – Zinküberzüge – Leitfäden und Empfehlungen zum Schutz von Eisen- und Stahlkonstruktionen vor Korrosion – Teil 1: Allgemeine Konstruktionsgrundsätze und Korrosionsbeständigkeit (ISO 14713-1:2009); Deutsche Fassung EN ISO 14713-1:2009, Seite 25.
  3. K.-D. Lürße: Gewindetabellen. Mikroskopfreunde Nordhessen, S. 3, 4, abgerufen am 15. August 2012 (PDF; 385 kB).
  4. Broschüre "Trilobulares Furchsystem" der Bossard AG.
  5. Beschreibung von Bohrschrauben im Katalog der Adolf Würth GmbH & Co. KG, S. 251ff.