Schraubenverbindung

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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Berechnungsprogramm

Berechnungsprogramm für Axial- und Querkraft belastet Schraubenverbindung

Mit dem Berechnungsprogramm kann eine bestehende Schraubenverbindung überprüft (Gewindedurchmesser ist gegeben),
bzw. den Gewindedurchmesser überschlägig ermitteln werden.
Bei der Berechnung des Gewindedurchmessers werden verschiede Eingabewerte mit den folgenden Werten vorbelegt.
Nach der ersten Berechnung des Gewindedurchmessers können diese vorbelegten Werte nachträglich geändert werden.

Gewindenennwerte

Gewindeabmessungen Metrisches ISO Gewinde

Gewindeabmessungen in Abhängigkeit vom Gewindenenndurchmesser und der Steigung für metrische ISO Gewinde. Abmessungen in mm.

Nenndurchmesser	d
Steigung	P
Gewindetiefe des Bolzengewindes	h2 = 0,6134 * P
Gewindetiefe des Muttergewindes	H1 = 0,5413 * P
Rundung	R = 0,1443 * P
Flankendurchmesser	d2 = D2 = d - 0,6495 * P
Kerndurchmesser des Bolzengewindes	d3 = d - 1,2269 * P
Kerndurchmesser des Muttergewindes	D1 = d - 1,0825 * P
Kernloch Bohrerdurchmesser	DBohrer = d - P
Flankenwinkel	60°
Steigungswinkel	φ = arctan[ P / (d2 * π)]
Spannungsquerschnitt	As = (d2 + d3)2 * π / 16
Spannungsdurchmesser	ds = (d2 + d3) * 0,5

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Steigungswinkel

Gewindereibwinkel

Beim Gewindereibwinkel ist bei Spitzgewinden der Flankenwinkel zu berücksichtigen.

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Gewindeabmessungen Whitworth Regelgewinde BSW 84

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

Klemmlänge

 Die Klemmlänge l_K 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 (C) – der Abstand zwischen dem Kopf (Mutter) und dem ersten Gewindegang, der in die Gewindebohrung eingreift.
Die Klemmlänge bezeichnet auch die Gesamtdicke 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 der 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.
Für die Schraubenkopf oder Gewindedehnung werden Erfahrungswerte bezogen auf den Nenndurchmesser angesetzt.

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Schraubenkopf

Schraubenschaft

Freies Gewinde

Eingeschraubtes Gewinde und Mutter

Die elastische Nachgiebigkeit δ_GM setzt sich aus der Nachgiebigkeit des eingeschraubten Gewindekerns δ_G und der Mutterverschiebung δ_M durch axiale Relativbewegungen zwischen Mutter und Schraube, zusammen.

Eingeschraubtes Gewinde

Muttergewindegänge

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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.

Ersatzquerschnitt [1]

Der Ersatzquerschnitt ist gültig für Durchsteck wie für Sacklochverschraubungen.

[1] Decker: Maschinenelemente

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Klemmkraft

Klemmkraft zur Übertragung einer Querkraft durch Reibschluss

Klemmkraft bei einem Flansch zur Übertragung eines Drehmoments

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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)

Klemmkraft zum Abdichten gegen ein Medium

Schraubenabstand bei Dichtflächen [3]

Bei druckbeaufschlagten Abschlussdeckeln kann der Schraubenabstand nach folgender Formel festgelegt werden,
um die Dichtigkeit zu gewährleisten.

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Konsolenverschraubungen

Schraubenkraft einer Konsolenverschraubungen 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.

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Schraubenkraft einer Konsolenverschraubungen bei Torsionsbelastung

Durch das Torsionsmoment wirkt an der Schraube eine Querkraft.
Die Berechnung der Querkraft mit der folgenden Formel ist nur gültig, bei gleicher Schraubengröße aller 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

zul. Spannung und Spannungsquerschnitt

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:

Vorspannkraft

Mindest Vorspannkraft

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.

Anziehfaktoren

Anziehverfahren	Anziehfaktor α A	Streuung der Vorspannkräfte
Streckgrenzen- oder Drehwinkelgesteuertes Anziehen motorisch oder manuell	1,0	-
Mechanische Längenmessung	1,1 ... 1,5	± 5 ... 20%
Streckgrenzengesteuertes Anziehen	1,2 ... 1,4	± 9 ... 17%
Drehwinkelgesteuertes Anziehen	1,2 ... 1,4	± 9 ... 17%
Hydraulische Anziehen	1,2 ... 1,6	± 9 ... 23%
Drehmomentschlüssel	1,4 ... 1,6	± 17 ... 23%
Drehschrauber	1,7 ... 2,5	± 26 ... 43%
Impulsgesteuertes Anziehen mit Schlagschrauber	2,5 ... 4,0	± 43 ... 60%

Kleinere Anziehwerte für kleine Reibwerte, größere Anziehwerte für größere Reibwerte.

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Vorspannkraft bei zul. Spannung

Nährungsformel für Vorspannkraft bzw. Schraubendurchmesser bei ca. 90 % der Streckgrenze

Diese Formel ist nur eine grobe Näherungsformel für eine Überschlagsberechnung und ist gültig für einen Reibwert von 0,12.

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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.

- Ausdehnungskoeffizient der Schraube ist größer als die Platte, die Vorspannkraft verkleinert sich.
- Ausdehnungskoeffizient der Schraube ist kleiner als die Platte, die Vorspannkraft erhöht sich.

Mindeststreckgrenze bei erhöhter Temperatur

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

Anhaltswerte für den 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

Anhaltswerte für den 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

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Kräfte in der Schraubenverbindung

Kräfteverhältnis

Das Kräfteverhältnis Φ_K ist der Quotient aus der Schraubenzusatzkraft F _SA und der axialen Betriebskraftkomponente F _A

.

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.

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Vorspannungsänderung durch Setzung

Durch die Rauhigkeit der Oberflächen treten Setzungen auf. Um diesen Setzbetrag wird die Vorspannkraft vermindert.

Richtwerte für Setzbeträge in Abhängigkeit der Rautiefe n. VDI 2230

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

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Betriebskraftanteil

Betriebskraftanteil auf die verspannten Teile

Betriebskraftanteil auf die Schraube

max. Schraubenkraft

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Spannungen

Zugspannung

Torsionsspannung

Vergleichsspannung

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Ausschlagsspannung bei dynamischer Betriebskraft

Tabelle der zul. Ausschlagsspannung für die verschiedenen Festigkeitsklassen

Nährungsformel für die zul. Ausschlagsspannung

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Anziehdrehmoment

Anziehdrehmoment

Bei einem Flankenwinkel von 60° und gleichem Reibwert von Gewinde und Schraubenkopf vereinfacht sich die Formel zu:

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Losdrehmoment

Beim Losreißmoment (Moment um die Schraube in Drehung zu versetzen) sind bei den Reibwerten die Haftreibwerte einzusetzen.

Wirkungsgrad

Wegübersetzung eines Gewindes

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Pressung

Flächenpressung Kopfauflage

Grenzflächenpressung für Kopfauflage

Flächenpressung im Gewinde

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Werkstoffwerte von Schrauben und Kennzeichnung

Werkstoffwerte 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

Werkstoffwerte Mutter für die verschiedenen Festigkeitsklassen

	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

Die Prüfspannung σ_ZL 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.

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.

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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

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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

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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

L_eff = effektive tragende Gewindelänge

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.

Der Scherspannungsfaktor für die einzelnen Werkstoffe beträgt: [1]

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

Mindestwandstärke

Mindestwandstärke und minimale Werkstückbreite

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 besonder schwer.
Im Inland im Aussenbereich, ohne in Berührung mit Säure zu kommen, reicht eine A2 Edelstahl Schraube vollkommen aus.
Schrauben die aus A4 Edeltstahl 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.

Bezeichnung für nichtrostende Stahlsorten und die Festigkeitsklassen für Schrauben

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Mechanische Eigenschften 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

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.

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

Literatur:
[1] VDI 2230 Blatt 1:2015-11 Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Zylindrische Einschraubenverbindungen
[2] Europa Lehrmittel: Tabellenbuch Metall
[3] AD2000 Merkblatt - B8 Flansche

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