3.3.2.7 Schrauben

Die Bedeutung von Schrauben bei der Auslegung von metallisch gedichteten Verbindungen darf nicht unterschätzt werden. Auch Schrauben haben Einsatzgrenzen, die vor ihrem Bruch liegen. Falsch montierte Schrauben sind potenzielle Gefahrenquellen für Undichtigkeiten, insbesondere bei zyklischen Temperaturbelastungen.

Zwei wichtige mechanische Größen müssen bei der Montage von Schrauben berücksichtigt werden: die Zugfestigkeit R_m, die beschreibt, ab welcher Zugspannung es zum Bruch der Schraube kommen kann, und die Dehngrenze R_{p 0,2}, die angibt, ab welcher Spannung trotz steigender Verlängerung der Schraube die Zugkraft das erste Mal gleichbleibt oder geringer wird. Sie stellt den Übergang zwischen elastischem und plastischem Bereich dar. Schrauben sollten nicht mit Spannungen beaufschlagt werden, die höher sind als die 0,2%-Dehngrenze R_{p 0,2}. Als Richtwerte für die Anziehmomente von Schrauben werden daher Werte angegeben, die eine 90%ige Ausnutzung der 0,2%-Dehngrenze berücksichtigen.

Die Zugfestigkeit und die Dehngrenze von Stahlschrauben bei Raumtemperatur finden sich in der Bezeichnung ihrer Festigkeitsklassen, d. h. einer zweistelligen Zahlenkombination. Die erste Zahl gibt 1/100 [N/mm²] der Zugfestigkeit an. Die Multiplikation der beiden Zahlen ergibt 1/10 [N/mm²] der Dehngrenze. Beispiel: Festigkeitsklasse 8.8, R_m = 8 · 100 N/mm² = 800 N/mm², R_{p 0,2} = 8 · 8 · 10 N/mm² = 640 N/mm².

In der Bezeichnung von Edelstahlschrauben werden die Werkstoffqualität und die Zugfestigkeit angegeben. Diese sind: A für Austenitisch, 1 bis 5 für den Legierungstyp; sowie die Festigkeitsklasse: -70 für kaltverfestigt oder -80 für hochfest. Die Festigkeitsklasse entspricht 1/10 N/mm² der Zugfestigkeit. Beispiel: Bezeichnung A2-70, A2 entspricht Austenitisch, Legierungstyp 2, 70 entspricht R_m = 70 · 10 N/mm² = 700 N/mm².

Die verwendeten Muttern sollten mindestens die gleiche Festigkeit wie die Schrauben aufweisen. Bei Stahlmuttern wird eine Kennzahl angegeben, die 1/100 [N/mm²] der Prüfspannung entspricht. Beispiel: Kennzahl 8 entspricht R_m = 800 N/mm². Für Edelstahlschrauben sollte eine Mutter der gleichen oder einer höheren Werkstoffqualität und Festigkeitsklasse verwendet werden. Achtung: Muttern mit einer niedrigeren Höhe als das 0,8-Fache des Schraubendurchmessers (flache Ausführung) haben eine eingeschränkte Belastbarkeit.

Zur Bestimmung des Anziehdrehmoments und der Vorspannkraft ist die Kenntnis des Reibungskoeffizienten µ_ges der Schraubenverbindung notwendig. Aufgrund der Vielzahl der Oberflächen- und Schmierzustände ist es unmöglich, gesicherte Werte anzugeben. Die Streuung ist zu groß. Aus diesem Grund können lediglich Streubereiche für die Reibungskoeffizienten angegeben werden. Zur Bestimmung des richtigen Drehmomentes ist ein Versuch unter Einsatzbedingungen ratsam.

Durch die Verwendung von Schmiermitteln können die Reibungskoeffizienten verringert werden, der große Streubereich bleibt jedoch erhalten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein kleinerer Reibungskoeffizient zu einem geringeren maximalen Anziehmoment führt. Also: Schmiermitteleinsatz → Reibungskoeffizient µ_ges sinkt → weniger Anziehmoment ist nötig bzw. darf angelegt werden.

Bei Edelstahlschrauben sind die Reibungswerte im Gewinde und an den Auflageflächen wesentlich größer als bei vergüteten Stahlschrauben. Auch der Streubereich der Reibungswerte ist viel größer (bis über 100 %). Aufgrund des hohen Flankendrucks neigen sie zudem zum Festfressen. Hier hilft in der Regel ein Schmiermittel. Alternativ können versilberte Schrauben oder versilberte Muttern verwendet werden.

Eigenschaften von Schrauben bei erhöhten Temperaturen

Beim Einsatz von Schrauben bei höheren Temperaturen muss beachtet werden, dass sich die Zugfestigkeit und die Dehngrenze verringern. Zudem muss die Zeitdehngrenze bzw. Warmfestigkeit als Bemessungsgröße für die mechanische Belastbarkeit berücksichtigt werden. Angaben zur Dehngrenze dienen daher lediglich als Anhaltswerte. Für kritische oder sicherheitsrelevante Anwendungen müssen weitere mechanische Kenngrößen und sämtliche Einflussfaktoren berücksichtigt werden.

Wird eine Durchsteck-Schraubenverbindung durch Drehen der Mutter angezogen, entsteht eine Zugkraft im Schraubenbolzen und eine gleich große Druckkraft zwischen den Platten. Dadurch wird die Schraube verlängert und das Bauteil zusammengedrückt. Durch die Verlängerung (Streckung) der Schraube entsteht die Vorspannkraft. Die Klemmkraft entsteht durch das Zusammendrücken der Teile und ist ohne weitere Krafteinflüsse auf die Verbindung gleich groß wie die Vorspannkraft.

Beim Festdrehen der Schraube entsteht Reibung zwischen den Berührungsflächen. Mit zunehmender Vorspannkraft steigen die Reibungsmomente im Gewinde und in der Mutterauflage. Bei der maximalen Vorspannkraft stellt die Summe der Reibungsmomente den Großteil des Gesamtanziehdrehmoments dar. Bei geschmierten Schrauben (kleinere Reibungskoeffizienten) ist der Reibungsanteil geringer, sodass hier bei gleichem Anziehdrehmoment die Schrauben eine höhere Vorspannkraft erzeugen. Dabei ist zu beachten, dass bei geschmierten Schrauben das maximale zulässige Anziehdrehmoment geringer ist als bei nicht geschmierten Schrauben.

Vorspannkraft und Anziehmoment bewirken Zug- und Torsionsspannungen in der Schraube. Beide Einflüsse müssen simultan bei der Berechnung der Schraubenbelastung betrachtet werden. Eine Alternative zur Berechnung bieten Tabellen, wie sie in der VDI-Richtlinie 2230 aufgeführt werden. Wird eine 90%ige Ausnutzung der 0,2%-Dehngrenze als zulässig angesehen, lassen sich dort für verschiedenen Reibungskoeffizienten, die zulässige maximalen Anziehdrehmomente und die zugehörigen Vorspannkräfte entnehmen. Die Angaben sind jedoch lediglich unverbindliche Richtwerte. Für kritische oder sicherheitsrelevante Anwendungen müssen sämtliche Einflussfaktoren berücksichtigt werden, die eine Schraubenberechnung erfordern können. Auszüge aus den Tabellen sind im Folgenden für Edelstahl- und Stahlschrauben aufgeführt.

Werden Schrauben in Sacklochbohrungen geschraubt, entsteht ein eingeschlossener Hohlraum am Ende der Gewindebohrung. Solche Totvolumen. werden unter Vakuum nur sehr langsam entleert und führen zu einer lang anhaltenden Gasabgabe, die sich wie ein Leck äußert. Man spricht daher auch von einem virtuellen Leck. Unter Hochvakuum und insbesondere UHV-Bedingungen sollten derartige Totvolumen konstruktiv vermieden oder – wenn nicht anders möglich – entlüftet werden.

Eine komfortable Art der Entlüftung bieten Vakuumschrauben. Ihr Schraubenkern ist aufgebohrt (Entgasungsbohrung). Zudem befindet sich in der Schraubenkopfauflage eine radiale Ausfräsung (Entgasungssenkung), über die der Bereich des Durchgangslochs der Schraubenverbindung entlüftet wird. Die mechanischen Kenngrößen für Schrauben sind nicht auf Vakuumschrauben übertragbar, da die Entlüftungsbohrung zu einer mechanischen Schwächung führt.