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About this book

Die Schraube ist das am häufigsten eingesetzte Maschinenelement. Schraubenverbindungen behandelt in ganzheitlicher Form alle Einflussfaktoren auf das funktionelle Verhalten von Schraubenverbindungen in den verschiedensten Anwendungsgebieten. Seit dem Erscheinen der 4. Auflage im Jahre 1988 hat sich das Gebiet auf vielfältige Weise weiterentwickelt. Diesen Veränderungen wird in der Neuauflage Rechnung getragen: dies betrifft vor allem das Kapitel Normung sowie die Berechnung, die sich auf die aktualisierte VDI-Richtlinie 2230 bezieht. Neuere Forschungsergebnisse finden sich in den Kapiteln über Tragfähigkeit und Temperaturverhalten, innovative Oberflächenschutzmaßnahmen in demjenigen über Korrosion, neuartige Geräte und automatisierte Methoden im Montagekapitel.

Table of Contents

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Wie bei vielen technischen Bauteilen, z. B. Rädern, Propellern, Tragflügeln, Versteifungsrippen usw., finden sich auch beim Gewinde bzw. der Schraube in der Natur Vorbilder. Möglicherweise geht die Idee der Schraube auf eine an einem Pfahl oder einem Baumstamm sich spiralenförmig hochrankende Pflanze, z. B. eine Bohnenpflanze, zurück.
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

2. Normung

Zusammenfassung
Ziel der Normung von Schrauben und Muttern ist die Vereinheitlichung von Maßen, Benennungen und funktionellen Eigenschaften unter dem Gesichtspunkt technischer und wirtschaftlicher Optimierung. Die allgemein gültige Formulierung von Regeln sowie die Sortenverminderung und Austauschbarkeit gleichartiger Produkte bewirken nicht nur eine Erleichterung nationaler und internationaler Handelsbeziehungen, sondern stellen auch einen bedeutenden Beitrag zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit industrieller Fertigung dar. Auf kaum einem anderen Gebiet wurde in den letzten Jahren die internationale Normung (ISO = International Organization for Standardization) so intensiv vorangetrieben wie auf dem Gebiet der Verbindungselemente. Sie konnte allerdings bis heute noch nicht den Stand erreichen, der eine umfassende Umstellung bzw. Übernahme von ISO-Normen in das deutsche Normenwerk rechtfertigen würde. Dieses Kapitel stellt daher im wesentlichen die derzeit gültigen DIN-Normen (DIN = Deutsches Institut für Normung) vor und berücksichtigt die ISO-Normen insoweit, als sie fester Bestandteil der DIN-Normen wurden. Soweit ISO-Normen noch nicht übernommen wurden, finden sich in den entsprechenden DIN-Normen nähere Hinweise.
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

3. Werkstoffe

Zusammenfassung
Die Wahl des Werkstoffs für eine Schraubenverbindung richtet sich im wesentlichen nach folgenden Gesichtspunkten:
  • Werkstoffestigkeit in Abhängigkeit von der Höhe der erforderlichen Montagevorspannung,
  • Betriebsanforderungen auf Grund zusätzlicher mechanischer Beanspruchung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Einflüssen wie Temperatur, Korrosion und Strahlung,
  • Fertigungsbedingungen.
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

4. Berechnung von Schraubenverbindungen

Zusammenfassung
Der Berechnungsgang bei einer Schraubenverbindung zur Ermittlung der Tragfähigkeit bei mechanischer Beanspruchung hängt in entscheidendem Maße von der Verbindungsgeometrie ab, die in die Hauptgruppen nach Bild 4.1 unterteilt werden kann [4.1, 4.2].
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

5. Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen bei mechanischer Beanspruchung

Zusammenfassung
Das Festigkeitsverhalten insbesondere gekerbter Bauteile gegenüber mechanischer Beanspruchung wird nachhaltig von der Belastungs-Zeit-Funktion (zügige oder schwingende Beanspruchung) beeinflußt. Während konstruktiv bedingte Kerben (Querschnittsübergänge) bei rein zügiger Beanspruchung die Tragfähigkeit von Bauteilen im Falle ausreichender Werkstoffzähigkeit verbessern können, wird diese bei Schwingbeanspruchung grundsätzlich herabgesetzt.
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

6. Korrosion und Korrosionsschutz von Schraubenverbindungen

Zusammenfassung
Nach DIN 50900 Teil 1 versteht man unter Korrosion die Reaktion von Metallen mit ihrer Umgebung. Im wesentlichen wird zwischen den drei folgenden Korrosionsmechanismen unterschieden:
  • chemische Korrosion (z. B. Verzundern von Stahl),
  • metallphysikalisch-chemische Korrosion (z. B. Druckwasserstoffangriff bei Stahl) und
  • elektrochemische Korrosion (z. B. anodische und/oder kathodische Spannungs-rißkorrosion).
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

7. Schraubenverbindungen bei hohen und tiefen Temperaturen

Zusammenfassung
Die Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen kann durch den Einfluß hoher Temperaturen nachhaltig beeinträchtigt werden. Die Beeinträchtigung wird hervorgerufen durch temperaturbedingte Änderungen der mechanischen und physikalischen Werkstoffeigenschaften (z. B. Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte, Elastizitätsmodul, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit). Insbesondere sind bei der konstruktiven Auslegung von Schraubenverbindungen Unterschiede in der thermischen Ausdehnung der spannenden und verspannten Teile sowie die Zeitabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften im Kriechbereich der Werkstoffe zu beachten. Während z. B. bei Stählen plastische Verformungen in Schraubenverbindungen schon während der Montage bei Raumtemperatur durch Werkstoffverfesti-gung weitgehend zum Stillstand kommen, können Kriechvorgänge bei hohen Temperaturen einen erheblichen Abbau der Montagevorspannkraft durch Relaxation bewirken. Dabei ist das Ausmaß der Relaxation Werkstoff-, zeit-, temperatur- und lastabhängig.
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

8. Montage von Schraubenverbindungen

Zusammenfassung
Die Betriebssicherheit hochbeanspruchter Schraubenverbindungen hängt entscheidend von der Höhe der Vorspannkraft ab. Aufwendige Berechnungs- und Fertigungsmethoden bleiben dann wirkungslos, wenn eine Schraubenverbindung infolge unsachgemäßer Montage entweder zu hoch oder zu niedrig vorgespannt wird. Eine zu hohe Montagevorspannkraft führt zu einer direkten Überbeanspruchung, während zu niedrig vorgespannte Schraubenverbindungen auf indirektem Weg versagen, z. B. durch selbsttätiges Lösen (Kapitel 9) und/oder Dauerbruch (Abschnitt 5.2), insbesondere bei exzentrischer Beanspruchung [8.1].
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

9. Selbsttätiges Lösen und Sichern von Schraubenverbindungen

Zusammenfassung
Das Versagen schwingbeanspruchter Schraubenverbindungen ist häufig auf ein selbsttätiges Lösen während des Betriebs zurückzuführen. Dies ist gleichbedeutend mit dem vollständigen oder partiellen Verlust der Vorspannkraft, der in vielen Fällen einen Dauerbruch der Schraube zur Folge hat. Begünstigt wird der Dauerbruch dadurch, daß mit abnehmender Vorspannkraft der von der Schraube zu übertragende Anteil F SA der Gesamtbetriebskraft F A größer wird (Bild 9.1 und Bild 4.25). Insbesondere bei exzentrisch betriebsbeanspruchten Schraubenverbindungen kann eine zu niedrige Vorspannkraft eine Systemveränderung von Schrauben und verspannten Teilen hervorrufen, die zu einer unerwarteten Überbeanspruchung von Schraube und Mutter führen kann (s. Abschnitt 4.2.2.3 und 5.2.2.3).
Heinrich Wiegand, Karl Heinz Kloos, Wolfgang Thomala

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