Schraubenverbindung
Um Schraubenverbindungen rechnerisch und konstruktiv sicher auslegen zu können, müssen die Kräfte und Verformungen an Schrauben und verspannten Teilen sorgfältig
untersucht werden.
Man unterscheidet Axialkraft und Querkraft belastete Schraubenverbindungen (exzentrisch belastete Schraubenverbindungen werden hier nicht behandelt).
Berechnungsgang
- Berechnung der Betriebskraft bzw. der Klemmkraft.
- Aus der Klemmkraft, Setzkraft und Betriebskraft wird die Vorspannkraft errechnet.
- Festlegung des Schraubendurchmessers aus der Vorspannkraft.
- Berechnung der Nachgiebigkeit der Schraube und der verspannten Teile.
- Berechnung des Kräfteverhältnisses und Festlegung des Krafteinleitungsfaktors.
- Berechnung der Vergleichsspannung und der Ausschlagsspannung und mit den zul. Werten vergleichen.
- Wenn die zul. Werte überschritten werden, den Schraubendurchmesser erhöhen und die Berechnung ab der Nachgiebigkeit der Teile neu durchführen.
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Gewindenennwerte
Gewindeabmessungen Metrisches ISO Gewinde
Gewindeabmessungen in Abhängigkeit vom Gewindenenndurchmesser und der Steigung für metrische ISO Gewinde. Abmessungen in mm.
Nenndurchmesser |
D = d |
Steigung |
P |
Gewindetiefe des Bolzengewindes |
h3 = 0,6134 * P = H * 17 / 24 |
Gewindetiefe des Muttergewindes |
H1 = 0,5413 * P |
Rundung |
R = 0,1443 * P |
Flankendurchmesser |
d2 = D2 = d - 0,6495 * P |
Kerndurchmesser des Bolzengewindes |
d3 = d - 1,22687 * P |
Kerndurchmesser des Muttergewindes |
D1 = d - 1,0825 * P |
Flankenwinkel |
60° |
Steigungswinkel |
φ = arctan[ P / (d2 * π)] |
Spannungsquerschnitt |
As = (d2 + d3)2 * π / 16 |
Spannungsdurchmesser |
ds = (d2 + d3) / 2 |
Spannungsdurchmesser |
ds = (As * 4 / π )0,5 |
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Gewindeabmessungen Whitworth Regelgewinde BSW
Das Whitworth Regelgewinde unterscheidet sich gegenüber dem Metrischen ISO Gewinde hauptsächlich durch den Flankenwinkel von 55°.
Nenndurchmesser |
d |
Gangzahl je inch |
Z |
Steigung |
P = 2,54 / Z |
Gewindetiefe |
h1 = 0,64 * P |
Flankendurchmesser |
d2 = d - 0,6495 * P |
Kerndurchmesser |
d1 = d - 1,28 * P |
Flankenwinkel |
55° |
Spannungsquerschnitt |
As = (d2 + d3)2 * π / 16 |
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Steigungswinkel
Der Steigungswinkel besagt, wie weit das Gewinde pro 360° Drehung steigt. Ein Regelgewinde hat einen mittleren Steigungswinkel von ca. 3°.
φ = Steigungswinkel (Grad)
P = Gewindesteigung (mm)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
φ = Steigungswinkel (Grad)
P = Gewindesteigung (mm)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
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Gewindereibwinkel
Der Tangens des Reibungswinkels ist das Verhältnis von Reibungskraft zu Normalkraft in der Reibungsfläche,
mit denen der Körper im Grenzzustand des Gleichgewichts belastet ist.
Er gibt die Neigung der resultierenden Kraft in der Reibungsfläche an.
ρ' = Gewindereibwinkel (Grad)
μG = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
ρ' = Gewindereibwinkel (Grad)
μG = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
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Klemmlänge
Die Klemmlänge lK ist die freie Länge einer Schraube, die unter Spannung gedehnt wird; das bedeutet:
- In einer Durchgangsbohrung der Abstand zwischen dem Schraubenkopf und der Mutter.
- In einer Sackbohrung oder bei einer Stiftschraube der Abstand zwischen dem Kopf (Mutter) und dem ersten Gewindegang, der in die Gewindebohrung eingreift.
Die Klemmlänge bezeichnet auch die Gesamtlänge der unter Druck verbundenen Teile.
Zur Optimierung einer Schraubenverbindung sollte die Klemmlänge mindestens das Drei- bis Fünffache des Schraubendurchmessers betragen. Durch Erhöhung der Elastizität
des Befestigungselements werden die Eigenschaften der Verbindung erheblich verbessert.
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Nachgiebigkeit der Schraube
Gesamtnachgiebigkeit der Schraube
Durch das Anziehen der Schraubenverbindung wird die Schraube gedehnt und die verschraubten Bauteile gestaucht.
Die Nachgiebigkeit der Schraube und Bauteile hat einen Einfluss auf die Verteilung der Betriebskraft auf die die einzelnen Teile.
Die Schraubennachgiebigkeit wird ermittelt, in dem die Schraube in verschiedene Einzelelemente aufgeteilt wird.
Die einzelnen Schrauben Nachgiebigkeiten werden als in Reihe geschaltete Steifigkeiten berechnet.
δ S = elastische Nachgiebigkeit gesamte Schraube (mm/N)
δ K = elastische Nachgiebigkeit Schraubenkopf (mm/N)
δ s,i = elastische Nachgiebigkeit Schraubenschaft (mm/N)
δ fG = elastische Nachgiebigkeit freies Gewinde (mm/N)
δ GM = elastische Nachgiebigkeit Mutter- bzw. Flanschgewindegänge (mm/N)
δ S = elastische Nachgiebigkeit gesamte Schraube (mm/N)
δ K = elastische Nachgiebigkeit Schraubenkopf (mm/N)
δ s,i = elastische Nachgiebigkeit Schraubenschaft (mm/N)
δ fG = elastische Nachgiebigkeit freies Gewinde (mm/N)
δ GM = elastische Nachgiebigkeit Mutter- bzw. Flanschgewindegänge (mm/N)
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Schraubenkopf
Für den Schraubenkopf wird eine Ersatzdehnlänge von 0,4*d angesetzt.
δ K = elastische Nachgiebigkeit Schraubenkopf (mm/N)
l K = Ersatzdehnlänge Schraubenkopf (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A N = Nennquerschnittsfläche Schraube (mm²)
d = Schraubennenndurchmesser (mm)
δ K = elastische Nachgiebigkeit Schraubenkopf (mm/N)
l K = Ersatzdehnlänge Schraubenkopf (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A N = Nennquerschnittsfläche Schraube (mm²)
d = Schraubennenndurchmesser (mm)
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Schraubenschaft
Für den Schraubenschaft (Abschnitt ohne Gewinde) wird die Schraubensteifigkeit auf den Schaftdurchmesser bezogen.
δ s,i = elastische Nachgiebigkeit Schraubenschaft (mm/N)
l s,i = Schaftlänge (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A s,i = Nennquerschnittsfläche Schraubenschaft (mm²)
d i = Schraubenschaft-Durchmesser (mm)
δ s,i = elastische Nachgiebigkeit Schraubenschaft (mm/N)
l s,i = Schaftlänge (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A s,i = Nennquerschnittsfläche Schraubenschaft (mm²)
d i = Schraubenschaft-Durchmesser (mm)
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Freies Gewinde
Beim freien Gewinde, welches nicht mit einem Muttergewinde verbunden ist,
wird die Schraubensteifigkeit auf den Spannungsquerschnitt des Gewindes bezogen
δ fG = elastische Nachgiebigkeit freies Gewinde (mm/N)
l fG = Länge freies Gewinde (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
δ fG = elastische Nachgiebigkeit freies Gewinde (mm/N)
l fG = Länge freies Gewinde (mm)
E S = E-Modul Schraube (N/mm2)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
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Schraubenverbindungsart - Durchsteckverbindung - Einschraubverbindung
Bei dem Gewindeanteil welches mit dem Muttergewinde verbunden ist, wird je nach Verbindungsart die Dehnlänge wie folgt festgelegt:
- Durchsteckverbindung (Schraube mit Mutter) - lG = 0,4 * d
- Einschraubverbindung (Schraube in Befestigungsplatte verschraubt) - lG = 0,33 * d
Durchsteckverbindung
δ GM = elastische Nachgiebigkeit Mutter (mm/N)
l G = 0,4 * d (mm)
E S = E-Modul Mutter (N/mm2)
A N = Nennquerschnitt (mm²) - Flankendurchmesser
δ GM = elastische Nachgiebigkeit Mutter (mm/N)
l G = 0,4 * d (mm)
E S = E-Modul Mutter (N/mm2)
A N = Nennquerschnitt (mm²) - Flankendurchmesser
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Einschraubverbindung
δ GM = elastische Nachgiebigkeit eingeschraubtes Gewinde (mm/N)
l G = 0,33 * d (mm)
E P = E-Modul Innengewinde Flansch (N/mm2)
A N = Nennquerschnitt (mm²) - Flankendurchmesser
δ GM = elastische Nachgiebigkeit eingeschraubtes Gewinde (mm/N)
l G = 0,33 * d (mm)
E P = E-Modul Innengewinde Flansch (N/mm2)
A N = Nennquerschnitt (mm²) - Flankendurchmesser
Einzelsteifigkeiten einer Schraube.
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Nachgiebigkeit der verspannten Teile
Gesamtnachgiebigkeit verspannte Teile
Bei den verspannten Teilen, breitet sich über die Klemmlänge eine tonnenförmige Druckspannung aus. Die Schwierigkeit liegt in der Ermittlung eines
Ersatzquerschnitts, da die auf Druck beanspruchten Zonen keinen Zylinder bilden. In den folgenden Formeln wird der Ersatzquerschnitt für einen Zylinder ermittelt, der
die Abhängigkeit der seitlichen Ränder berücksichtigt.
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
l K = Klemmlänge (mm)
E P = E-Modul verspannte Teile (N/mm2)
A ers = Ersatzquerschnitt (mm²)
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
l K = Klemmlänge (mm)
E P = E-Modul verspannte Teile (N/mm2)
A ers = Ersatzquerschnitt (mm²)
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Ersatzquerschnitt [4]
Der Ersatzquerschnitt ist gültig für die Durchsteck- wie für die Einschraubverbindung.
Klemmkraft
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Klemmkraft bei Axialkraftbelastung
Für die Bestimmung der min. Restklemmkraft bei Axialbelastung, können folgende Faktoren angenommen werden.
|
Faktor Fk / FB |
Statische Belastung |
0,5 ... 1,5 |
Dynamische Belastung |
1 ... 2 |
Fk = Klemmkraft
FB = Axialkraft (Betriebskraft)
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Klemmkraft zur Übertragung einer Querkraft durch Reibschluss
Bei Querkraftbelastung einer Schraubenverbindung ist für die Klemmkraft hauptsächlich der Reibwert in der Trennfuge maßgebend.
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Klemmkraft bei einem Flansch zur Übertragung eines Drehmoments
Eine sichere Flanschverbindung wird durch den Reibwert und die Anzahl der Schrauben sowie dem Lochkreisdurchmesser bestimmt.
F
K,erf = erf. Klemmkraft bei Drehmomentbelastung (N)
M
= Drehmoment
(Nmm)
n
= Anzahl Schrauben (-)
μ
T =
Haftreibwert Trennfuge (-)
d
L = Lochkreisdurchmesser (mm)
F
K,erf = erf. Klemmkraft bei Drehmomentbelastung (N)
M
= Drehmoment
(Nmm)
n
= Anzahl Schrauben (-)
μ
T =
Haftreibwert Trennfuge (-)
d
L = Lochkreisdurchmesser (mm)
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Schraubenkraft und -größe einer Flanschverbindung mit Dichtung
Die Berechnung von Schrauben an Flanschverbindungen mit Dichtungen, finden Sie hier.
Die Berechnung erfolgt nach AD 2000 Merkblatt B7 - Schrauben.
Schraubenabstand bei Dichtflächen [3]
Bei druckbeaufschlagten Abschlussdeckeln kann der Schraubenabstand nach folgender Formel festgelegt werden,
um die Dichtigkeit zu gewährleisten.
l = Schraubenabstand (mm)
d = Durchmesser Durchgangsloch (mm)
l = Schraubenabstand (mm)
d = Durchmesser Durchgangsloch (mm)
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Konsolenverschraubungen
Schraubenkraft einer Konsolenverschraubung bei einer Biegemomentbelastung
Durch die außenliegende Kraft, wirkt in der Flanschfläche eine Querkraft und ein Moment.
Die Querkraft ist durch Reibschluss aufzunehmen.
Das Moment wird über die Schraubenaxialkräfte aufgenommen, hierbei wird von einer linearen Verteilung der Schraubenkräfte ausgegangen.
Als Kippkante für die Schraubenkräfte, wird im gezeichneten Beispiel, die untere Schraubenreihe angenommen. Je nach Flanschsteifigkeit ist die Lage der Kippkante
festzulegen.
Axialkraft einer Schraube mit Abstand Ly
Klemmkraft für Reibschlussverbindung
Gesamte Schraubenkraft
F a,Ly = Schraubenaxialkraft (N)
F = Belastung (N)
L x = Abstand Belastung zur Flanschfläche (mm)
L y = Abstand von der zu berechnenden Schraubenkraft
bis zur Kippkante (mm)
n i = Anzahl Schrauben mit Abstand Li (mm)
L i = Schraubenabstand von der Kippkante (mm)
F K,Q = Klemmkraft je Schraube (N)
μ T = Reibwert in der Flanschfläche (-)
n = Schraubenanzahl gesamt (-)
F a,Ly = Schraubenaxialkraft (N)
F = Belastung (N)
L x = Abstand Belastung zur Flanschfläche (mm)
L y = Abstand von der zu berechnenden Schraubenkraft
bis zur Kippkante (mm)
n i = Anzahl Schrauben mit Abstand Li (mm)
L i = Schraubenabstand von der Kippkante (mm)
F K,Q = Klemmkraft je Schraube (N)
μ T = Reibwert in der Flanschfläche (-)
n = Schraubenanzahl gesamt (-)
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Schrauben-Querkraftbelastung einer Konsolenverschraubung bei Torsionsbelastung
Durch das Torsionsmoment wirkt an der Schraube eine Querkraft.
Bei der Berechnung wird angenommen, dass das Torsionsmoment im Schwerpunkt der Schraubenanordnung wirkt.
Die horizontale und vertikale Belastung wird gleichmäßig auf die Schrauben aufgeteilt.
Torsionsmoment
Polares Trägheitsmoment der Schraubenanordnung
Schraubenkräfte
M z = Torsionsmoment (Nmm)
F H = Horizontale Belastung (N)
F V = Vertikale Belastung (N)
l x = horizontaler Abstand von FV (mm)
l y = vertikaler Abstand von FH (mm)
Ips = polares Trägheitsmoment der Schraubenanordnung (mm²)
X S,i = Schraubenabstand in X-Richtung zum Schwerpunkt (mm)
Y S,i = Schraubenabstand in Y-Richtung zum Schwerpunkt (mm)
F S,x = Schraubenkraft in Richtung x (N)
F S,y = Schraubenkraft in Richtung y (N)
F S,res = Resultierende Schraubenkraft (N)
n S = Anzahl Schrauben (-)
M z = Torsionsmoment (Nmm)
F H = Horizontale Belastung (N)
F V = Vertikale Belastung (N)
l x = horizontaler Abstand von FV (mm)
l y = vertikaler Abstand von FH (mm)
Ips = polares Trägheitsmoment der Schraubenanordnung (mm²)
X S,i = Schraubenabstand in X-Richtung zum Schwerpunkt (mm)
Y S,i = Schraubenabstand in Y-Richtung zum Schwerpunkt (mm)
F S,x = Schraubenkraft in Richtung x (N)
F S,y = Schraubenkraft in Richtung y (N)
F S,res = Resultierende Schraubenkraft (N)
n S = Anzahl Schrauben (-)
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Vorauswahl Gewindedurchmesser
Tabelle Vorspannkraft
Nach Berechnung der Vorspannkraft über die Klemm- und Betriebskraft und den Anziehfaktor, kann aus Tabellen in denen die Vorspannkraft in Abhängigkeit vom
Schraubendurchmesser und der Festigkeitsklasse aufgeführt ist, der entsprechende Schraubendurchmesser festgelegt werden.
Forderung: Fv Tabelle > Fv Rechnung
Erforderlicher Spannungsquerschnitt - Näherungsformel
Beim Anziehen wird die Schraube durch die Vorspannkraft auf Zug, durch das Gewindereibmoment auf Torsion beansprucht. Beide Größen können erst später berechnet
werden. Aus diesem Grund wird zunächst reine Zugspannung angenommen, hervorgerufen durch die Schraubenkraft (F S = F K + F A).
Auf Grund der nicht berücksichtigten Torsionsspannung wird die zul. Spannung nur ca. 0,6 ... 0,8 * R p0,2 angesetzt. Unter Berücksichtigung des Anziehfaktors alpha A
wird der erforderliche Spannungsquerschnitt wie folgt berechnet:
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
α A = Anziehfaktor (-)
F K = Klemmkraft (N)
F A = Betriebskraft (N)
ν = Ausnutzung Streckgrenze (-) - ca. 0,6...0,8
R p0,2 = Streckgrenze (N/mm2)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
α A = Anziehfaktor (-)
F K = Klemmkraft (N)
F A = Betriebskraft (N)
ν = Ausnutzung Streckgrenze (-) - ca. 0,6...0,8
R p0,2 = Streckgrenze (N/mm2)
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Vorspannkraft
Mindest Vorspannkraft
Für eine sichere Schraubenverbindung ist eine mindest Vorspannkraft erforderlich, um ein klaffen der Befestigungsflansche zu verhindern.
F V,min = Mindest Vorspannkraft (N)
F Z = Setzkraft (N)
F K = Klemmkraft (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = Axialkraft (N)
F V,min = Mindest Vorspannkraft (N)
F Z = Setzkraft (N)
F K = Klemmkraft (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = Axialkraft (N)
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Maximale Vorspannkraft
Die maximale Vorspannkraft ist gegenüber der min. Vorspannkraft um den Anziehfaktor α A größer. Der Anziehfaktor berücksichtigt die unterschiedlichen
Ungenauigkeiten der verschiedenen Anziehverfahren. Um die gewünschte Vorspannkraft tatsächlich zu erreichen, wird die Vorspannkraft um den Anziehfaktor erhöht.
F V = Maximale Vorspannkraft (N)
α A = Anziehfaktor (-) siehe Tabelle unten
F V,min = Mindest Vorspannkraft (N)
F V = Maximale Vorspannkraft (N)
α A = Anziehfaktor (-) siehe Tabelle unten
F V,min = Mindest Vorspannkraft (N)
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Anziehfaktoren
Die Anziehfaktoren berücksichtigen die unterschiedlichen Ungenauigkeiten der verschiedenen Anziehverfahren.
Anziehfaktor αA |
Streuung (* |
Anziehverfahren |
Bemerkung |
1,05..1,2 |
±2%..±10% |
Längungsgesteuertes Anziehen mit Ultraschall |
Kalibrierwerte erforderlich Schalllaufzeitmessung |
1,1..1,5 |
±5%..±20% |
Mechanische Längenmessung |
Ermittlung der elastischen Nachgiebigkeit |
1,2..1,4 |
±9%..±17% |
Streckgrenzengesteuertes Anziehen |
Vorgabe des relativen Drehmoment-Drehwinkel-Koeffizienten |
1,2..1,4 |
±9%..±17% |
Drehwinkelgesteuertes Anziehen |
Versuchsmäßige Bestimmung von Voranziehmoment |
1,2..1,6 |
±9%..±23% |
Hydraulische Anziehen |
Einstellung über Längen- bzw. Druckmessung |
1,4..1,6 |
±17%..±23% |
Drehmomentschlüssel oder Drehschrauber |
Sollanziehdrehmoment am Originalteil durch Längenmessung |
1,6..2,0 Reibungszahl- klasse B |
±23%..±33% |
Drehmomentschlüssel oder Drehschrauber mit Drehmomentmessung |
Sollanziehdrehmoment durch Schätzen der Reibungszahl |
1,7..2,5 Reibungszahl- klasse A |
±26%..±43% |
Drehmomentschlüssel oder Drehschrauber mit Drehmomentmessung |
Sollanziehdrehmoment durch Schätzen der Reibungszahl |
2,5..4,0 |
±43%..±60% |
Schlagschrauber oder Impulsschrauber |
Einstellen über Nachziehmoment u. einem Zuschlag |
(* (αA - 1) / (αA + 1) Auszug aus VDI 2230
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Vorspannkraft bei zul. Spannung
Sind die Gewindeabmessungen bekannt, kann die Vorspannkraft aus der zulässigen Spannung berechnet werden.
F V = Vorspannkraft (N)
σ zul = zul. Spannung (N/mm2)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
ρ' = Gewindereibwinkel (Grad)
W p = pol. Widerstandsmoment (mm³)
d s = Spannungsdurchmesser aus As (mm)
A s = Spannungsquerschnitt (mm²)
R p0,2 = Streckgrenze Schraubenwerkstoff (N/mm²)
P = Gewindesteigung (mm)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
μ G = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
d S = Spannungsdurchmesser (mm)
F V = Vorspannkraft (N)
σ zul = zul. Spannung (N/mm2)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
ρ' = Gewindereibwinkel (Grad)
W p = pol. Widerstandsmoment (mm³)
d s = Spannungsdurchmesser aus As (mm)
A s = Spannungsquerschnitt (mm²)
R p0,2 = Streckgrenze Schraubenwerkstoff (N/mm²)
P = Gewindesteigung (mm)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
μ G = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
d S = Spannungsdurchmesser (mm)
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Näherungsformel für Vorspannkraft bzw. Schraubendurchmesser bei ca. 90 % der Streckgrenze
Diese Formel ist nur eine grobe Näherungsformel und ist nur für eine Überschlagsberechnung gültig.
F V = Vorspannkraft (N)
R p0,2 = Streckgrenze (N/mm²)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
d = Schraubendurchmesser (mm)
x = Faktor (-)
Faktor x in Abhängigkeit des Reibwertes:
x = 0,90 bei μ 0,08
x = 0,85 bei μ 0,10
x = 0,82 bei μ 0,12
x = 0,80 bei μ 0,14
F V = Vorspannkraft (N)
R p0,2 = Streckgrenze (N/mm²)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
d = Schraubendurchmesser (mm)
x = Faktor (-)
Faktor x in Abhängigkeit des Reibwertes:
x = 0,90 bei μ 0,08
x = 0,85 bei μ 0,10
x = 0,82 bei μ 0,12
x = 0,80 bei μ 0,14
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Vorspannkraft in der Schraubenverbindung bei erhöhter Temperatur
Die Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen bei erhöhter Temperatur, kann durch Änderung folgender Einflüsse nachhaltig beeinträchtigt werden, Festigkeits- und
Zähigkeitskennwerte, Elastizitätsmodul, Thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit.
Ein Abfall der Vorspannkraft bzw. eine Erhöhung durch Wärmedehnungen kann zum Versagen der Schraubenverbindung führen.
Bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ändert sich die Vorspannkraft wie folgt:
- Ausdehnungskoeffizient der Schraube und Platte ist gleich, die Vorspannkraft ändert sich nicht.
αS = αP → Fv,T = Fv,RT
- Ausdehnungskoeffizient der Schraube ist größer als die Platte, die Vorspannkraft
verkleinert sich.
αS > αP → Fv,T < Fv,RT
- Ausdehnungskoeffizient der Schraube ist kleiner als die Platte, die Vorspannkraft
erhöht sich.
αS < αP → Fv,T > Fv,RT
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Vorspannkraft bei erhöhter Temperatur
Mit der vereinfachten Annahme l
S= l
P und α
S*ΔT
S sowie α
P*ΔT
P < 1 vereinfacht sich Formel
zu
Wenn der E-Modul von Schraube und Platte bei Raum- und erhöhter Temperatur gleich angenommen werden kann, berechnet sich die Vorspannkraftdifferenz wie
folgt:
Fv,RT = Vorspannkraft bei Raumtemperatur (N)
F v,T = Vorspannkraft bei erhöhter Temperatur (N)
ΔF v = Vorspannkraft-Differenz durch Temperaturdifferenz (N)
l S = Schraubenlänge = Klemmlänge im unbelasteten Zustand (mm)
l P = Plattenlänge = Klemmlänge im unbelasteten Zustand (mm)
A S = Gewinde Nennspannungsquerschnitt (mm²)
A P = Querschnitt der verspannten Teile (mm²)
E S,RT = Elastizitätsmodul Schraube bei Raumtemperatur (N/mm²)
E S,T = Elastizitätsmodul Schraube bei erhöhter Temperatur (N/mm²)
E P,RT = Elastizitätsmodul Platte bei Raumtemperatur (N/mm²)
E P,T = Elastizitätsmodul Platte bei erhöhter Temperatur (N/mm²)
α S = Ausdehnungskoeffizient Schraube (1/K)
α P = Ausdehnungskoeffizient Platte (1/K)
ΔT S = Temperaturdifferenz Schraube (°C)
ΔT P = Temperaturdifferenz Platte (°C)
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Mindeststreckgrenze bei erhöhter Temperatur
Bei Schraubenverbindungen die einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind, ist die geringere Streckgrenze zu berücksichtigen.
Werkstoff |
Werkstoff Nr. |
Durchmesser
mm |
Mindeststreckgrenze Rp0,2 bei Temperatur (N/mm²) |
|
20°C |
100°C |
200°C |
300°C |
400°C |
500°C |
600°C |
C35E |
1.1181 |
≤ 60 |
300 |
270 |
229 |
192 |
173 |
|
|
35B2 |
1.5511 |
≤ 60 |
300 |
270 |
229 |
192 |
173 |
|
|
25CrMo4 |
1.7218 |
≤ 100 |
440 |
428 |
412 |
363 |
304 |
235 |
|
42CrMo4 |
1.7225 |
≤ 60 |
730 |
702 |
640 |
562 |
475 |
375 |
|
40CrMoV4-7 |
1.7711 |
≤ 100 |
700 |
670 |
631 |
593 |
554 |
470 |
293 |
X22CrMoV12-1 |
1.4923 |
≤ 160 |
600 |
560 |
530 |
480 |
420 |
335 |
|
X19CrMoNbVN11-1 |
1.4913 |
≤ 160 |
750 |
701 |
651 |
627 |
577 |
495 |
305 |
X5CrNi18-10 |
1.4301 |
≤ 35 |
350 |
155 |
127 |
110 |
98 |
92 |
|
X5CrNiMo17-12-2 |
1.4401 |
≤ 35 |
350 |
175 |
145 |
127 |
115 |
110 |
|
X5NiCrTi26-5 |
1.4980 |
≤ 160 |
600 |
580 |
560 |
540 |
520 |
490 |
430 |
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Anhaltswerte für den Elastizitätsmodul bei erhöhter Temperatur
Tabelle mit dem Elastizitätsmodul bei erhöhter Temperatur.
Werkstoff |
Werkstoff Nr. |
Elastizitätsmodul bei Temperatur (N/mm²) |
|
20°C |
100°C |
200°C |
300°C |
400°C |
500°C |
600°C |
C35E |
1.1181 |
211000 |
204000 |
196000 |
186000 |
177000 |
164000 |
127000 |
40CrMoV4-7 |
1.7711 |
211000 |
204000 |
196000 |
186000 |
177000 |
164000 |
127000 |
X19CrMoNbVN11-1 |
1.4913 |
216000 |
209000 |
200000 |
190000 |
179000 |
167000 |
127000 |
X22CrMoV12-1 |
1.4923 |
216000 |
209000 |
200000 |
190000 |
179000 |
167000 |
127000 |
X5CrNi18-10 |
1.4301 |
200000 |
194000 |
186000 |
179000 |
172000 |
165000 |
|
X5CrNiMo17-12-2 |
1.4401 |
200000 |
194000 |
186000 |
179000 |
172000 |
165000 |
|
X5NiCrTi26-5 |
1.4980 |
211000 |
206000 |
200000 |
192000 |
183000 |
173000 |
162000 |
nach oben
Anhaltswerte für den Wärmeausdehnungskoeffizienten bei erhöhter Temperatur
Tabelle mit den Werten des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei erhöhter Temperatur.
Werkstoff |
Werkstoff Nr. |
Wärmeausdehnungskoeffizient bei Temperatur (10-6/K) |
|
100°C |
200°C |
300°C |
400°C |
500°C |
600°C |
C35E |
1.1181 |
11,1 |
12,1 |
12,9 |
13,5 |
13,9 |
14,1 |
40CrMoV4-7 |
1.7711 |
11,1 |
12,1 |
12,9 |
13,5 |
13,9 |
14,1 |
X5CrNi18-10 |
1.4301 |
16,0 |
16,5 |
17,0 |
17,5 |
18,0 |
|
X5CrNiMo17-12-2 |
1.4401 |
16,0 |
16,5 |
17,0 |
17,5 |
18,0 |
|
X5NiCrTi26-5 |
1.4980 |
17,0 |
17,5 |
17,7 |
18,0 |
18,2 |
|
Auszug aus DIN EN 10269
nach oben
Kräfte in der Schraubenverbindung
Kräfteverhältnis
Das Kräfteverhältnis ΦK ist der Quotient aus der Schraubenzusatzkraft F SA und der axialen Betriebskraftkomponente F A
Φ K = Kraftverhältnis (-)
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
δ S = elastische Nachgiebigkeit der Schraube (mm/N)
F SA = Schraubenzusatzkraft (N)
F A = axiale Betriebskraft (N)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
δ S = elastische Nachgiebigkeit der Schraube (mm/N)
F SA = Schraubenzusatzkraft (N)
F A = axiale Betriebskraft (N)
nach oben
Krafteinleitungsfaktor
Der Krafteinleitungsfaktor n berücksichtigt die örtliche Einleitung der Betriebskraft in die verspannten Teile.
Je nach Krafteinleitungsort wird ein Teil der verspannten Teile entlastet und der andere Teil gestaucht. Hiermit ändert sich die Steifigkeit der verspannten Teile,
sowie die federnde Länge der Schraube. Diese Steifigkeitsänderung wird durch den Krafteinleitungsfaktor berücksichtigt.
Bei nicht genauer Kenntnis der Krafteinleitung ist n=0,5 anzunehmen.
Bei Querkraft beanspruchten Schraubenverbindungen, die über Reibschluß die Kräfte übertragen, ist der Krafteinleitungsfaktor n = 0.
nach oben
nach oben
Vorspannungsänderung durch Setzung [5]
Durch die Rauigkeit der Oberflächen treten Setzungen auf. Um diesen Setzbetrag wird die Vorspannkraft vermindert.
Setzbetrag und Vorspannkraftverlust bei Starrschrauben
Setzbetrag unter Berücksichtigung der Schraubennachgiebigkeit bei Dehnschrauben
f z = Setzbetrag (mm)
l K = Klemmlänge (mm)
d = Nenndurchmesser (mm)
F Z = Vorspannkraftverlust durch Setzen (N)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
δ S = elastische Nachgiebigkeit der Schraube (mm/N)
E S = E-Modul der Schraube (N/mm2)
f z = Setzbetrag (mm)
l K = Klemmlänge (mm)
d = Nenndurchmesser (mm)
F Z = Vorspannkraftverlust durch Setzen (N)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
δ P = elastische Nachgiebigkeit der verspannten Teile (mm/N)
δ S = elastische Nachgiebigkeit der Schraube (mm/N)
E S = E-Modul der Schraube (N/mm2)
nach oben
Richtwerte für Setzbeträge in Abhängigkeit der Rautiefe n. [VDI 2230]
Die Werte sind gültig für Stahl Flansche. Als Mittelwert kann 0,01 mm angenommen werden.
Rautiefe Rz |
Belastung |
Richtwert Setzbetrag μm |
|
|
im Gewinde |
je Kopf- oder
Mutterauflage |
je innere Trennfuge |
< 10 μm |
Zug / Druck
Schub |
3
3 |
2,5
3 |
1,5
2 |
10 ... 40 μm |
Zug / Druck
Schub |
3
3 |
3
4,5 |
2
2,5 |
40 ... 160 μm |
Zug / Druck
Schub |
3
3 |
4
6,5 |
3
3,5 |
Empirische Formel für den Setzbetrag, abgeleitet aus der VDI Tabelle
Für die analytische Schraubenberechnung, wurde in [6] die folgende empirische Formel entwickelt,
auf der Grundlage der VDI Tabelle mit den einzelnen Setzbeträgen.
n
KM = Anzahl der Kopf-/Mutterauflageflächen (-)
n
T = Anzahl inneren Trennfugen (-)
S
= Schubkoeffizient 0=Zug/Druckbelastung / 1=Schubbelastung
Rz
min = Rauheitsbereich
Rzmin | Einteilung VDI Tabelle |
0 μm | < 10 μm |
10 μm | 10 μm bis 40 μm |
40 μm | 40 μm bis 160 μm |
nach oben
Betriebskraftanteil
Betriebskraftanteil auf die verspannten Teile
Der Betriebskraftanteil auf die verspannten Teile, ist der Betriebskraftanteil zwischen Klemmkraft und Vorspannkraft.
F PA = Betriebskraftanteil auf die verspannten Teile (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
F PA = Betriebskraftanteil auf die verspannten Teile (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
nach oben
Betriebskraftanteil auf die Schraube
Der Betriebskraftanteil auf die Schraube, ist der Betriebskraftanteil zwischen Vorspannkraft und maximaler Schraubenkraft.
F S,A = Betriebskraftanteil auf die Schraube (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
F S,A = Betriebskraftanteil auf die Schraube (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
nach oben
Maximale Schraubenkraft
Die maximale Schraubenkraft berechnet sich aus Vorspannkraft plus Betriebskraftanteil auf die Schraube.
F S = Schraubenkraft (N)
F V = Vorspannkraft (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
F S = Schraubenkraft (N)
F V = Vorspannkraft (N)
n = Krafteinleitungsfaktor (-)
Φ K = Kraftverhältnis (-)
F A = axiale Betriebskraft (N)
nach oben
Spannungen
Zugspannung
Die Zugspannung in einer Schraubenverbindung bezieht sich auf den Spannungsquerschnitt des Gewindes.
Bei Dehnschrauben ist der Querschnitt des Dehnschafts maßgebend.
σ Z = Zugspannung (N)
F S = Schraubenkraft (N)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
σ Z = Zugspannung (N)
F S = Schraubenkraft (N)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
nach oben
Torsionsspannung
Durch die Reibung im Gewinde und unter der Kopfauflage wird die Schraube beim Anziehen auf Torsion beansprucht.
τ = Torsionsspannung (N/mm2)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
ρ° = Gewindereibwert (Grad)
W P = pol. Widerstandsmoment (mm³)
d s = Spannungsdurchmesser aus As (mm)
A s = Spannungsquerschnitt (mm²)
τ = Torsionsspannung (N/mm2)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
ρ° = Gewindereibwert (Grad)
W P = pol. Widerstandsmoment (mm³)
d s = Spannungsdurchmesser aus As (mm)
A s = Spannungsquerschnitt (mm²)
nach oben
Vergleichsspannung
Die maßgebende Spannung für eine Schraubenverbindung, ist die Vergleichspannung nach der Gestaltänderungs-Hypothese.
σ V = Vergleichsspannung (N/mm2)
σ Z = Zugspannung (N/mm²)
τ = Torsionsspannung (N/mm2)
σ V = Vergleichsspannung (N/mm2)
σ Z = Zugspannung (N/mm²)
τ = Torsionsspannung (N/mm2)
nach oben
Ausschlagsspannung bei dynamischer Betriebskraft
Bei dynamisch beanspruchten Schraubenverbindungen, ist die dynamische Betriebskraft maßgebend für die Haltbarkeit der Verbindung.
σ a = Ausschlagsspannung (N/mm2)
σ Z,max = max. Zugspannung (N/mm²)
σ Z,min = min. Zugspannung (N/mm²)
F V = Vorspannkraft (N)
F SA,max = Axialkraftanteil auf die Schraube bei max. Betriebskraft (N)
F SA,min = Axialkraftanteil auf die Schraube bei min. Betriebskraft (N)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
σ a = Ausschlagsspannung (N/mm2)
σ Z,max = max. Zugspannung (N/mm²)
σ Z,min = min. Zugspannung (N/mm²)
F V = Vorspannkraft (N)
F SA,max = Axialkraftanteil auf die Schraube bei max. Betriebskraft (N)
F SA,min = Axialkraftanteil auf die Schraube bei min. Betriebskraft (N)
A S = Spannungsquerschnitt (mm²)
Tabelle der zul. Ausschlagsspannung für die verschiedenen
Festigkeitsklassen
nach oben
Näherungsformel für die zul. Ausschlagsspannung
Die zulässige Ausschlagspannung kann nach folgender Näherungsformel berechnet werden.
σ a = Ausschlagsspannung (N/mm2)
d = Nenndurchmesser (mm)
F m = Mittelkraft der dyn. Betriebskraft (N)
F 0,2 = Schraubenkraft an der Streckgrenze (N)
σ a = Ausschlagsspannung (N/mm2)
d = Nenndurchmesser (mm)
F m = Mittelkraft der dyn. Betriebskraft (N)
F 0,2 = Schraubenkraft an der Streckgrenze (N)
nach oben
Anziehdrehmoment
Anziehdrehmoment berechnen
Um die Schraubenverbindung mit der zulässigen Vorspannkraft zu beanspruchen, ist die Schraube mit einem definierten Anziehdrehmoment anzuziehen.
M A = Anziehdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
ρ' = Gewindereibwert (Grad)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
P = Gewindesteigung (mm)
μ G = Reibwert Gewinde (-)
μ K = Reibwert Kopfauflage (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
M A = Anziehdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
ρ' = Gewindereibwert (Grad)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
P = Gewindesteigung (mm)
μ G = Reibwert Gewinde (-)
μ K = Reibwert Kopfauflage (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
Bei einem Flankenwinkel von 60° und gleichem Reibwert von Gewinde und Schraubenkopf vereinfacht sich die Formel zu:
nach oben
M A = Anziehdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
μ ges = Reibwert für Gewinde und Kopfauflage (-)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
d = Nenndurchmesser (mm)
M A = Anziehdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
μ ges = Reibwert für Gewinde und Kopfauflage (-)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
d = Nenndurchmesser (mm)
nach oben
Losdrehmoment
Beim Losreißmoment (Moment um die Schraube in Drehung zu versetzen) sind bei den Reibwerten die Haftreibwerte einzusetzen.
M L = Losdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
ρ' = Gewindereibwert (Grad)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
μ K = Reibwert Kopfauflage (-)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
μ G = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
M L = Losdrehmoment (Nmm)
F V = Vorspannkraft (N)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
ρ' = Gewindereibwert (Grad)
φ° = Steigungswinkel (Grad)
μ K = Reibwert Kopfauflage (-)
d K,R = Reibdurchmesser Kopfauflage (mm)
d K = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d i = Bohrungsdurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
μ G = Gewindereibwert (-)
β = Flankenwinkel (Grad)
nach oben
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Schraubenverbindung berechnet sich aus der Arbeit der Schraube bei einer Umdrehung,
zur der Arbeit mit der die Schraube um eine Umdrehung mit dem Gabelschlüssel aufgebracht werden muss.
η = Wirkungsgrad (-)
φ = Steigungswinkel (Grad)
ρ' = Reibungswinkel Gewinde (Grad)
β = Flankenwinkel (Grad)
μ = Reibwert Gewinde (-)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
F v = Vorspannkraft = Axialkraft (N)
F Hand = Handkraft (N)
l = Länge Hebelarm (mm)
η = Wirkungsgrad (-)
φ = Steigungswinkel (Grad)
ρ' = Reibungswinkel Gewinde (Grad)
β = Flankenwinkel (Grad)
μ = Reibwert Gewinde (-)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
F v = Vorspannkraft = Axialkraft (N)
F Hand = Handkraft (N)
l = Länge Hebelarm (mm)
nach oben
Wegübersetzung eines Gewindes
Die Wegübersetzung ist das Verhältnis des Umfangswegs des Flankendurchmessers zur vertikalen Steigung des Gewindes, bei einer Umdrehung.
i = Wegübersetzung (-)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
φ = Steigungswinkel (Grad)
i = Wegübersetzung (-)
d 2 = Flankendurchmesser (mm)
P = Gewindesteigung (mm)
φ = Steigungswinkel (Grad)
nach oben
Pressung
Flächenpressung Kopfauflage
Die zwischen Schraubenkopf und Flansch auftretende Pressung darf die zulässige Pressung nicht überschreiten.
p
K = Flächenpressung Kopfauflage (N/mm²)
F
V =Vorspannkraft (N)
F
S,A = Axialkraftanteil auf die Schraube (N)
A
p = Pressungsfläche (mm²)
d
k = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d
i = Bohrungsdurchmesser (mm)
Grenzflächenpressung für Kopfauflage
p
K = Flächenpressung Kopfauflage (N/mm²)
F
V =Vorspannkraft (N)
F
S,A = Axialkraftanteil auf die Schraube (N)
A
p = Pressungsfläche (mm²)
d
k = Außendurchmesser Kopfauflage (mm)
d
i = Bohrungsdurchmesser (mm)
Grenzflächenpressung für Kopfauflage
nach oben
Werkstoffwerte von Schrauben und Kennzeichnung
Werkstoffwerte der Schraube für die verschiedenen Festigkeitsklassen
|
3.6 |
4.6 |
4.8 |
5.6 |
5.8 |
6.8 |
8.8
≤ M16 |
8.8
> M16 |
10.9 |
12.9 |
Rm (N/mm²) |
330 |
400 |
420 |
500 |
520 |
600 |
800 |
830 |
1040 |
1220 |
Re (N/mm²) |
190 |
240 |
320 |
300 |
400 |
480 |
- |
- |
- |
- |
Rp0,2m (N/mm²) |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
640 |
660 |
940 |
1100 |
Werkstoff
Beispiel |
S185
9S2 |
S235
9S20 |
S235
9S20 |
C35
E295 |
C35
E295 |
C35
E295 |
C35
34Cr4 |
C35
34Cr4 |
41Cr4
34CrMo4 |
42CrMo4
30CrNiMo8 |
nach oben
Werkstoffwerte der Mutter für die verschiedenen Festigkeitsklassen
Die Prüfspannung σZL entspricht der größtmöglichen Zugfestigkeit einer Schraube, mit der die Mutter gepaart werden kann, wenn die Belastbarkeit der
Verbindung bis zur Bruchlast der Schraube gewährleistet sein soll.
|
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
σZL (N/mm²) |
400 |
500 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
Werkstoff
Beispiel |
S235
9S20 |
C35
E295 |
C35
E295 |
C35
35S20 |
C45 |
C45 |
nach oben
Kennzeichnung der Festigkeitsklasse von Schrauben
Nach Norm sind Schrauben ab Gewindedurchmesser M5 mit einem Herkunfts-Kennzeichen und mit dem Festigkeitsklassenkennzeichen zu versehen.
Die Kennzeichnung kann auf der Kopffläche oder Schlüsselfläche gekennzeichnet werden.
Kennzeichnung der Festigkeitsklasse von Sechskantmuttern
Die Sechskantmuttern müssen auf der Auflagefläche oder einer Schlüsselfläche vertieft oder auf der Fase erhöht gekennzeichnet werden.
Alternativ zur Kennzeichnung durch die Kennzahl der Festigkeitsklasse kann eine Kennzeichnung auch mit Hilfe des Uhrzeigersystems erfolgen.
Festigkeit |
04(* |
05(* |
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
Kennzeichnung
im Uhrzeigersinn |
|
|
|
|
|
|
|
|
(* Schrauben und Muttern mit reduzierter Belastbarkeit (geringere Kopfhöhe) werden mit einer vorangestellten 0 gekennzeichnet.
Kennzeichnung von Linksgewinde
Schrauben mit Linksgewinde werden mit einem Pfeil auf dem Kopf oder am Gewindeende oder mit einer Einkerbung an der Schlüsselfläche markiert.
nach oben
Paarung von Schrauben und Muttern [2]
Bei einer Schrauben-Mutter-Verbindung kann die Festigkeitsklasse der Mutter höher gewählt werden, als die Festigkeitsklasse der Schraube. Dies ist ratsam für eine
Schrauben-Mutter-Verbindung mit Belastungen oberhalb der Streckgrenze.
Schraube |
Mutter |
Festigkeitsklasse |
Gewindebereich |
Festigkeitsklasse |
Gewindebereich |
|
|
|
Typ 1 |
Typ 2 |
Typ 0,5*d |
3.6 bis 12.9
reduzierte Belastbarkeit |
≥ M39 |
04 |
- |
- |
< M39 |
≥ M39 |
05 |
- |
- |
< M39 |
3.6 - 4.6 - 4.8 |
> M16 |
4 |
> M16 |
- |
- |
3.6 - 4.6 - 4.8 |
≤ M16 |
5 |
< M16 1) |
- |
- |
5.6 - 5.8 |
≤ M39 |
5 |
> M16 ≤ M39 |
- |
- |
6.8 |
≤ M39 |
6 |
≤ M39 |
- |
- |
08.8
reduzierte Belastbarkeit |
≤ M39 |
|8| |
≤ M16 |
> M16 ≤ M39 |
- |
≤ M39 |
|8| |
> M16 ≤ M39 1) |
- |
- |
8.8 |
≤ M39 |
8 |
≤ M16 |
> M16 ≤ M39 |
- |
≤ M39 |
8 |
> M16 ≤ M39 (1 |
- |
- |
10.9 |
≤ M39 |
10 |
≤ M39(1 |
- |
- |
12.9 |
≤ M39 |
12 |
≤ M161) |
≤ M391) |
- |
1) vergüteter Werkstoff
Mutter Typ 1 = Mutterhöhe ≈ 0,9 * d - ISO 4032
Mutter Typ 2 = Mutterhöhe ≈ 1,0 * d - ISO 4033
nach oben
Mindesteinschraubtiefe
Richtwerte für die Mindesteinschraubtiefe
Richtwerte für die Mindesteinschraubtiefe von Sacklochbohrungen bei verschiedenen Werkstoffpaarungen.
Werkstoff |
3.6 - 4.6 |
4.8 - 6.8 |
8.8 |
10.9 |
[Lit.] |
Schraube und Mutter
mit gleicher Festigkeitsklasse |
0,8 * d |
0,8 * d |
0,8 * d |
0,8 * d |
[2] |
Baustahl Rm < 400 N/mm2 |
0,8 * d |
1,2 * d |
- |
- |
[1] |
St37 - d/P = < 9 |
- |
- |
1,0 * d |
1,25 * d |
[2] |
St37 - d/P = ≥ 9 |
- |
- |
1,25 * d |
1,4 * d |
[2] |
Baustahl Rm ≥ 400...600 N/mm2 |
0,8 * d |
1,2 * d |
1,2 * d |
- |
[1] |
St50 - d/P = < 9 |
- |
- |
0,9 * d |
1,0 * d |
[2] |
St50 - d/P = ≥ 9 |
- |
- |
1,0 * d |
1,2 * d |
[2] |
Baustahl Rm = 600...800 N/mm2 |
0,8 * d |
1,2 * d |
1,2 * d |
1,2 * d |
[1] |
Baustahl Rm > 800 N/mm2 |
0,8 * d |
1,0 * d |
1,0 * d |
1,0 * d |
[1] |
C45V - d/P = < 9 |
- |
- |
0,8 * d |
0,9 * d |
[2] |
C45V - d/P = ≥ 9 |
- |
- |
0,9 * d |
1,0 * d |
[2] |
Gusseisenwerkstoffe |
1,3 * d |
1,5 * d |
1,5 * d |
- |
[1] |
GG-22 - d/P = < 9 |
- |
- |
1,0 * d |
1,2 * d |
[2] |
GG-22 - d/P = ≥ 9 |
- |
- |
1,2 * d |
1,4 * d |
[2] |
Kupferlegierungen |
1,3 * d |
1,3 * d |
- |
- |
[1] |
Aluminium-Gusslegierungen |
1,6 * d |
2,2 * d |
- |
- |
[1] |
Al-Legierungen ausgehärtet |
0,8 * d |
1,2 * d |
1,6 * d |
- |
[1] |
Al-Legierungen nicht ausgehärtet |
1,2 * d |
1,6 * d |
- |
- |
[1] |
AlCuMg1 F40 - d/P = < 9 |
- |
- |
1,1 * d |
1,4 * d |
[2] |
AlCuMg1 F40 - d/P = ≥ 9 |
- |
- |
1,4 * d |
- |
[2] |
Kunststoffe |
2,5 * d |
- |
- |
- |
[1] |
d = Schraubennenndurchmesser
P = Gewindesteigung
nach oben
Mindesteinschraubtiefe nach VDI 2230 Febr. 2003 in Abhängigkeit der Scherfestigkeit des Innengewinde-Werkstoffs
Gültig für Regelgewinde von M4 bis M39 nach DIN 13. Toleranzklasse 6g/6H
Leff = effektive tragende Gewindelänge
nach oben
Scherfestigkeit
Nach der Gestaltänderungs-Hypothese von Mises lässt sich die Scherfestigkeit für duktile Werkstoffe wie folgt berechnen.
Welche Werkstoffkennwerte zu verwenden sind, richtet sich nach dem Nachweisziel.
Beim Nachweis der Tragfähigkeit ist die Zugfestigkeit, beim Betriebsnachweis die Streckgrenze einzusetzen.
τ = Scherfestigkeit (N/mm2)
R m = Zugfestigkeit (N/mm2)
R p = Streckgrenze (N/mm2)
β = Scherspannungsfaktor (-))
τ = Scherfestigkeit (N/mm2)
R m = Zugfestigkeit (N/mm2)
R p = Streckgrenze (N/mm2)
β = Scherspannungsfaktor (-))
Der Scherspannungsfaktor für die einzelnen Werkstoffe beträgt: [1]
nach oben
Werkstoff |
Scherspannungsfaktor β (-) |
Vergütungsstähle |
0,60...0,65 |
Austenit (lösungsgeglüht) |
0,80 |
Austenit F60/90 |
0,60...0,75 |
Grauguss GJL |
1,40 |
Grauguss GJS |
0,90 |
Aluminiumlegierungen |
0,70 |
Titanlegierungen (ausgehärtet) |
0,60 |
Schrauben Festigkeitsklasse 4.6 |
0,70 |
Schrauben Festigkeitsklasse 5.6 |
0,70 |
Schrauben Festigkeitsklasse 8.8 |
0,65 |
Schrauben Festigkeitsklasse 10.9 |
0,62 |
Schrauben Festigkeitsklasse 12.9 |
0,60 |
Schrauben Festigkeitsklasse 50 |
0,80 |
Schrauben Festigkeitsklasse 70 |
0,0,72 |
Schrauben Festigkeitsklasse 80 |
0,68 |
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Gewindeeinsatz Helicoil®
Mit dem Drahtgewindeeinsatz Helicoil® wird eine gleichmäßige Last- und Spannungsverteilung erzeugt.
Heliciol® Gewindeeinsätze schaffen hochfeste, verschleißfeste, thermisch belastbare Gewinde, indem die Kräfte von Flanke zu Flanke in das Aufnahmegewinde übertragen
werden.
Spannung im 1. Gewindegang des Aufnahmewerkstücks
σ
w = Spannung im 1. Gewindegang des Werkstücks (N/mm²)
F
v =Vorspannkraft (N)
D
HC = Außendurchmesser Aufnahmegewinde (mm)
D
1HC = Gewindekerndurchmesser (mm)
Abmessungen siehe Hersteller Böllhoff
σ
w = Spannung im 1. Gewindegang des Werkstücks (N/mm²)
F
v =Vorspannkraft (N)
D
HC = Außendurchmesser Aufnahmegewinde (mm)
D
1HC = Gewindekerndurchmesser (mm)
Abmessungen siehe Hersteller Böllhoff
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Mindestwandstärke
Mindestwandstärke und minimale Werkstückbreite.
Die angegebenen Richtwertformeln gelten für Aluminium-, Guss-und Knetlegierungen und eine Gewinde-Einschraublänge 1,5 d.
amin = Mindestwandstärke (mm)
s min = min. werkstückbreite (mm)
D HC = Außendurchmesser Aufnahmegewinde (mm)
amin = Mindestwandstärke (mm)
s min = min. werkstückbreite (mm)
D HC = Außendurchmesser Aufnahmegewinde (mm)
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Erforderliche Gewindelänge (mm) von Helicoileinsätzen
Die Mindestgewindelängen sind so ausgelegt, dass Schrauben das schwächste Glied in der Verbindung sind.
Zugfestigkeit des
Werkstücks Rm (N/mm2 ) |
Schraubenfestigkeitsklasse |
|
5.8 |
8.8 |
10.9 |
12.9 |
14.9 |
bis 100 |
2 d |
3,0 d |
- |
- |
- |
> 100 - 150 |
2 d |
2,5 d |
2,5 d |
2,5 d |
3 d |
> 150 - 200 |
1,5 d |
2,0 d |
2,0 d |
2,5 d |
2,5 d |
> 200 - 250 |
1,5 d |
1,5 d |
2,0 d |
2,5 d |
2,5 d |
> 250 - 300 |
1,0 d |
1,5 d |
1,5 d |
2,0 d |
2,0 d |
> 300 - 350 |
1,0 d |
1,0 d |
1,5 d |
1,5 d |
2,0 d |
> 350 - 400 |
1,0 d |
1,0 d |
1,5 d |
1,5 d |
1,5 d |
> 400 |
1,0 d |
1,0 d |
1,5 d |
1,5 d |
1,5 d |
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Edelstahlschrauben
Allgemeines
Edelstahl wird fälschlicherweise oftmals als “nichtrostend” bezeichnet, richtiger wäre die Edelstahlsorten sind schwer rostende
Edelstähle. Trotz alledem sind Edelstahlschrauben aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit beliebt, sie rosten also besonders schwer.
Im Inland im Außenbereich, ohne in Berührung mit Säure zu kommen, reicht eine A2 Edelstahl Schraube vollkommen aus.
Schrauben die aus A4 Edelstahl bestehen sind zusätzlich auch noch säure- bzw – seewasserbeständig. Das bedeutet, dass gerade in Küstenregionen A4 Schrauben ihren
Bestimmungsort finden. Auch in der Chemie- und Lebensmittelindustrie werden vorzugsweise A4 Edelstahl Schrauben verwendet, da diese auch Säuren standhalten.
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Bezeichnung für nichtrostende Stahlsorten und die Festigkeitsklassen für Schrauben
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Mechanische Eigenschaften von Edelstahlschrauben
Festigkeitswerte bei Raumtemperatur.
Stahlsorte |
Festigkeitsklasse |
Durchmesserbereich |
Zugfestigkeit
N/mm² |
Streckgrenze
N/mm² |
Bruchdehnung
mm |
A1-A2-A3-A4-A5 |
50 |
≤ M39 |
500 |
210 |
0,6 d |
70 |
≤ M24 |
700 |
450 |
0,4 d |
80 |
≤ M24 |
800 |
600 |
0,3 d |
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Änderung der Streckgrenze bei erhöhter Temperatur - Festigkeitsklasse 70 und 80
Stahlsorte |
Streckgrenze - % der Werte bei Raumtemperatur |
|
+100°C |
+200°C |
+300°C |
+400°C |
A2 - A4 |
85 |
80 |
75 |
70 |
C1 |
95 |
95 |
80 |
65 |
C3 |
90 |
85 |
80 |
60 |
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Stahlsorten und Beständigkeit
Stahlsorte |
Werkstoff |
|
Beständig
gegen Rost |
Beständig
gegen Säure |
Festigkeit |
Schweißbarkeit |
A1 |
1.4300 - X12CrNi18-8
1.4305 - X8CrNiS18-9 |
Klassischer Drehstahl |
mittel |
gering |
gering
Klasse 50 |
gering |
A2 |
1.4301 - X5CrNi18-10
1.4303 - X4CrNi18-12 |
Klassischer Edelstahl |
hoch |
gering |
mittel
Klasse 70 |
gut |
A3 |
1.4306 - X2CrNi19-10
1.4550 - X6CrNiNb18-10 |
|
hoch |
mittel |
mittel
Klasse 70 |
gut |
A4 |
1.4401 - X5CrNiMo17-12-2
1.4404 - X2CrNiMo17-12-2 |
Edelstahl Hochsäureumgebung |
hoch |
hoch |
mittel
Klasse 70-80 |
gut |
A5 |
1.4436 - X3CrNiMo17-13-3
1.4571 - X6CrNiMoTi17-12-2 |
Edelstahl besondere Härte |
hoch |
hoch |
hoch |
gut |
Anziehmomente für Schrauben und Muttern aus A 2/A 4
Bei Verbindungselementen aus nichtrostenden Stählen sind die Reibungswerte im Gewinde und an den Auflageflächen wesentlich größer als bei vergüteten Stahlschrauben
- auch der Streubereich der Reibungswerte ist hier viel größer. Durch Verwendung von Spezialschmiermitteln können zwar die Reibungszahlen µ verringert werden - aber
der sehr große Streubereich bleibt erhalten.
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Reibwerte für Edelstahlschrauben
Schrauben und Muttern aus A2 oder A4
Nachgiebigkeit der Verbindung |
unter Kopf |
im Gewinde |
|
Schmiermittel |
Reibwert μ K |
Schmiermittel |
Reibwert μ G |
groß |
ohne |
0,35 - 0,50 |
ohne |
0,26 - 0,50 |
groß |
Schmiermittel |
0,08 - 0,12 |
Schmiermittel |
0,12 - 0,23 |
groß |
Schutzfett |
0,25 - 0,35 |
Schutzfett |
0,26 - 0,45 |
klein |
ohne |
0,08 - 0,12 |
ohne |
0,23 - 0,35 |
klein |
Schmiermittel |
0,08 - 0,12 |
Schmiermittel |
0,10 - 0,16 |