Schraube

Eine Schraube ist ein Stift oder Bolzen, der außen mit einem Gewinde versehen ist. Eine mit einer Schraube hergestellte Verbindung ist in der Regel kraft- und formschlüssig und wieder lösbar. Grundsätzlich ist zwischen sogenannten Holz- und Metallschrauben zu unterscheiden.

Holzschrauben sind schwach konisch und werden vorwiegend in Holz eingeschraubt, worin sie sich ein Gegengewinde selbst schneiden. Ein besonderes und angepasstes Gegenstück wie die Mutter existiert nicht.

Eine Metallschraube ist meistens zylindrisch und wird in ein Gegengewinde, das sich in der Mutter oder einem anderen an der Verbindung beteiligten Teil befindet, geschraubt. Sie heißt Metallschraube, weil sie im Metallgewerbe entwickelt wurde und vorwiegend dort verwendet wird.

Sowohl Holz- als auch Metallschrauben bestehen meistens aus Metall (vorwiegend Stahl, Messing oder manchmal Kupfer), seltener aus Kunststoff.

Bei Schrauben mit Kopf (kegel-, scheiben- oder linsenförmig) dient die Ringfläche unter dem Kopf als Anschlag gegen das mit ihnen zu befestigende gelochte Teil. Der Kopf enthält auch Formelemente zum formschlüssigen Kontakt mit Werkzeugen für das Drehen der Schraube: Schlitz, (Außen- oder Innen-) Sechskant oder andere.

Das Gewinde stellt eine schiefe Ebene dar, die wendelförmig auf den Grundkörper gewickelt ist. Infolge der Keilwirkung einer schiefen Ebene wird beim Anziehen der Schraube eine kleine angewendete Umfangskraft zu einer größeren Axialkraft verstärkt. Andererseits wird eine große Bewegung am Umfang in eine kleine Axialbewegung umgewandelt (zum Justieren angewendet).

Eine Schraube ist auch eines der beiden Teile eines Schraubgetriebes.

Im vorliegenden Artikel werden vorwiegend die Eigenschaften von Metallschrauben beschrieben.

Geschichte

Das älteste bekannte schraubenförmige technische Gebilde ist die Archimedische Schraube, die als Pumpe für Flüssigkeiten dient. Sie wurde durch den griechischen Mathematiker Archytas von Tarent (428–350 v. Chr.) beschrieben, ob sie aber, wie von einigen Wissenschaftlern postuliert,<ref name="jstor">Ancient Mesopotamian Gardens and the Identification of the Hanging Gardens of Babylon Resolved. Abgerufen am 16. Dezember 2015. </ref> schon im 7. Jahrhundert v. Chr. zur Wasserversorgung der bisher archäologisch nicht nachgewiesenen Hängenden Gärten von Babylon bzw.Ninive verwendet wurde, ist umstritten.<ref name="muse">The Archimedean Screw. Abgerufen am 16. Dezember 2015. </ref>

Im 1. Jahrhundert v. Chr. waren Schrauben aus Holz im Mittelmeerraum zur Kraftverstärkung in Öl- und Weinpressen verbreitet. Hier wurde zum ersten Mal das Prinzip der Schraube als Verbindungselement verwendet.

Zu Beginn des 15. Jahrhunderts wurden schon Metallschrauben in Europa gefertigt, die sich aber wegen ihres hohen Preises nicht 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:

• 1744: Erfindung eines Bits mit flacher Klinge für eine Art Handbohrmaschine, Vorgänger des Schraubendrehers.
• 1770: Der englische Werkzeugmacher Jesse Ramsden (1735–1800) baut die erste zufriedenstellende Drehmaschine.
• 1797: Der britische Ingenieur Henry Maudslay (1771–1831) lässt sich eine Gewindeschneidmaschine patentieren.
• 1798: Der Amerikaner David Wilkinson lässt sich eine ähnliche Maschine in den USA patentieren.
• ab 1800: Herstellung und Verwendung von Hand-Schraubendrehern.
• 1908: Der Kanadier Peter Lymburner Robertson (1879–1951) führt den Schraubenkopf mit Innenvierkant Robertson-Schraube ein, der in den Vereinigten Staaten von Amerika zum Standard wird.
• 1930er: Der Amerikaner Henry F. Phillips kauft das Phillipsschrauben-Patent von J. P. Thompson (patentiert 1933) für einen Kreuzschlitz-Schraubenkopf.
• Während des Zweiten Weltkrieges wurden Gewinde international standardisiert, so dass einheitliche Teile in allen Ländern der Alliierten hergestellt und verwendet werden konnten.

Die ein bis zwei Gewindestangen zum Klemmen an Tischlerwerkbänken (Hobelbank) wurden bis um 1950 überwiegend aus Holz gefertigt.

Mechanik einer Schraubverbindung

Das Gewinde einer Schraube kann geometrisch als aufgerollter Keil aufgefasst werden.<ref>R. O. Pohl: „Einführung In die Physik“, Bd 1: Mechanik, Akustik und Wärmelehre, Springer 2009, ISBN 978-3-540-76337-6</ref> Die Reibung (Haftreibung, Selbsthemmung) verhindert bei Belastung auf die Keilfläche das Wegrutschen des Keils beziehungsweise das Losdrehen einer Schraube. Durch Vibrationen kann es aber zum selbsttätigen Lösen kommen, weshalb in solchen Fällen meistens eine (formschlüssige) Schraubensicherung nötig ist.

Die durch Anziehen einer Schraubverbindung entstehende axiale Kraft bewirkt eine geringe elastische Verformung des Schraubenschaftes und des Werkstücks. Der Schraubenschaft wird dabei gedehnt, die verspannten Werkstücke werden gestaucht. Die elastisch verformte Schraubenverbindung wirkt wie eine harte Feder und ist gegen Losdrehen kraftschlüssig gesichert, solange diese Federvorspannung zum Beispiel durch Kriechen (langsame plastische Verformung) nicht abgebaut wird. Holzschraubenverbindungen sind wegen der Kriechneigung des Holzes besonders betroffen. Eine ausreichend dauerhaft sichere Verbindung nach diesem Prinzip ist nur die besonders weiche Dehnschrauben-Verbindung (mit Metallschraube), die zum Beispiel zwischen Zylinderkopf und Motorblock in Verbrennungsmotoren angewendet wird. Der Schaft einer solchen Schraube ist extra lang, um als weiche Feder zu wirken. Die Dehnschraubenverbindung ist weniger gegen Kriechen empfindlich und lässt auch zu, dass sich ihre Betriebskraft in größerem Maße ändert. Innerhalb eines größeren Bereichs periodischen Betriebskraftwechsels wird die Verbindung weder aufgehoben, noch wird die Schraube über die Dehngrenze hinaus beansprucht. Dehnschraubenverbindungen kommen ohne zusätzliche Schraubensicherung aus.

In den Schraubenschaft werden über die Ringfläche unter dem Kopf und über das Gewinde Kräfte eingeleitet, die ihn vorwiegend auf Zug beanspruchen. Wegen des Reibungswiderstandes im Gewinde und unter dem Kopf gegen das Verdrehen durch Anziehen wird er auch auf Torsion beansprucht. 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 wird.

Anwendung und Montage

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 ausgediente Geräte sortenrein zu trennen und Komponenten gegebenenfalls wiederzuverwenden. Dem steht allerdings entgegen, dass Gerätehersteller mehr und mehr die Lösbarkeit und damit Reparaturen absichtlich erschweren, um einen schnellen Neukauf zu erzwingen. 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

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 abgehaspelt und gerichtet. Moderne Kaltfließpressen arbeiten mehrstufig, d. h. in einem Hub werden mehrere Operationen 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, 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

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: (auch geschwärzte Schrauben genannt), 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
• Verzinkung: Dabei werden Feuerverzinkung („tZn“) (Norm hierzu: EN ISO 10684) und galvanische Verzinkung („galZn“) (Norm hierzu: EN ISO 4042, auch EN ISO 2081) unterschieden. Die preiswerte und bei weitem gebräuchlichste Verzinkung ist die galvanische Verzinkung. Große Schrauben (ab M 16) für den Einsatz im Freien werden meist feuerverzinkt.
• 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 durch den Salzsprühtest ermittelt, d. h. beschichtete Teile (z. B. Schrauben) müssen in einer Prüfkammer einem ständigen Salznebel über beispielsweise 240 oder 480 Stunden widerstehen, ohne Korrosion aufzuweisen. So simuliert man den Lebenszyklus eines Bauteils in Bezug auf dessen Korrosionsbeständigkeit.

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

Kennzeichnung, Festigkeitsklassen

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 R_m und die Streckgrenze R_e errechnen. Als Beispiel die Festigkeitsklasse 8.8:

• R_m wird errechnet, indem man die erste Zahl mit 100 multipliziert: 8 N/mm² × 100 = 800 N/mm² minimale Zugfestigkeit,
• R_e, 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.

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

• Stahl, vom billigen Baustahl bis hin zum amagnetischen, rostfreien Edelstahl
• Messing und andere Buntmetalllegierungen
• Titan
• Kunststoff
• Keramik
• Composite (Faserverbundmaterialien)
• Aluminium (z. B. in Verbindung mit Magnesiumbauteilen)

Gewindeformen

• Rechts- oder Linksgewinde
• Metrisches ISO-Gewinde (fein, standard, grob)
• zöllige Gewinde (UN-Gewinde und Whitworth-Gewinde)
• Rohrgewinde
• Holzschraubengewinde (der Belastbarkeit des Holzes angepasst)
• selbstschneidende oder selbstprägende Gewinde für Metall oder Kunststoff
• Blechschraubengewinde mit einem Gewinde ähnlich demjenigen von Holzschrauben
• Schnellbauschrauben-Gewinde mit mehrgängigem Gewinde oder großem Steigungswinkel
• selbstschneidende Spanplattenschrauben-Gewinde, z. B. als Synonym 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- und UNC-Gewinden
• 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.

Schraubenkopf-Formen

Schraubenkopf-Formen

• Flachkopf
• Rundkopf
• Sechskantkopf
• Senkkopf
• Senkrundkopf (Linsenkopf)
• Zylinderkopf

Schraubenkopfantriebe

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

• Außen-Sechskant
• Außen-Vierkant
• Innen-Sechskant (Inbus)
• Innen-Sechsrund (Torx)
• Innen-Vielzahn (XZN)
• Innen-Vierkant (Robertson, verbreitet in Nordamerika)
• Kopf-Kreuzschlitz (Phillips und Pozidriv)
• Kopf-Schlitz

Sicherheitsschrauben

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)
• 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

• Rändelschrauben
• Flügelschrauben
• Stellschrauben zur Regulierung von mechanischen Größen

Kombinationen

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, 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)

• 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
  • Vierkantschraube mit Bund DIN 478
  • Vierkantschraube mit Kernansatz DIN 479
  • Vierkantschraube mit Ansatzkuppe DIN 480
• 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 (mit Vierkant unter dem Kopf umgangssprachlich „Schlossschrauben, Torbandschrauben“, diese können nur von der Seite der Mutter her gelöst werden)
  • Flachrundschraube mit Vierkantansatz DIN 603
• 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.

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.

Gewindesteigung

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

Für metrische Schrauben wird zwischen „Metrischen Regelgewinde“ nach DIN 13-1 und „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.<ref>K.-D. Lürße: Gewindetabellen. Mikroskopfreunde Nordhessen, S. 3, 4, abgerufen am 15. August 2012 (PDF; 385 kB). </ref>

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.

Sonderbauformen

• Schrauben ohne Kopf können Stiftschrauben, Gewindestifte, Madenschrauben oder Gewindebolzen sein, mit einem zweigeteilten oder durchgehenden Gewinde. Ein Anwendungsbeispiel für einen Gewindestift ist der Befestigungsstift für Türgriffe, ein Beispiel für Stiftschrauben sind die Schrauben zur Verbindung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock bei Kolbenmotoren. Das Dehnungsverhalten (Material und Querschnitt) von Zylinderkopfschrauben ist an die Verhältnisse angepasst.

• Bohrschrauben haben eine Spitze mit 2 Bohrschneiden, die geeignet ist, in nicht allzu dicke und harte Materialien (meist Bleche) ein Loch zu bohren, wodurch die Schraube in einem Arbeitsgang ohne Vorbohren und Gewindeschneiden verschraubt werden kann.
• Gewindeformende Schrauben (selbstformende Schrauben) formen selbst ein metrisches Gewinde in ein Sackloch oder ein Durchgangsloch aus Metall, ohne einen Span zu produzieren. Sie sind für weiche Materialien geeignet. Beim Einschrauben ist ein linear steigendes Drehmoment und ein höheres Anzugsmoment notwendig. Die Schrauben sind, da meist vergütet hergestellt, teurer als metrische Normschrauben, jedoch können im Gesamtprozess Kosten reduziert werden, da auf ein Gewindeschneiden im Gegenbauteil verzichtet werden kann. Ein geformtes Gewinde ist haltbarer als ein geschnittenes, da es besser zur Schraube passt und durch Kaltverfestigung oft härter ist. Solche selbstformenden Schrauben haben einen konischen Gewinde-Beginn, manche als Ausdrehsicherung ein leicht dreikantiges Profil.
• Blechschrauben und Schrauben für Kunststoff-Sacklöcher formen ebenfalls ein Gewinde, ähneln jedoch einer Holzschraube mit geringer Steigung. Selbstschneidende Schrauben besitzen Nuten ähnlich einem Gewindebohrer.
• Spannschlösser benötigen je eine Schraubenöse/-haken mit Rechts- und Linksgewinde. Sie dienen dem Spannen von Drähten und Seilen. Spannschrauben (siehe Spannschloss) haben dagegen an je einem Ende ein Links- und ein Rechtsgewinde.

• Wiener Vorreiber für Holz, dient zum Beispiel zum einfachen Verschließen von Fenstern

Schraubensicherungen

Anzieh-/Montageverfahren

Folgende Anziehverfahren werden heute in der Industrie für die Montage von Schraubenverbindungen angewendet:

• drehmomentgesteuertes Anziehen, z. B. mit elektrischem Drehmomentschlüssel
• drehmoment-drehwinkelgesteuertes Anziehen, z. B. mit Drehmomentdrehwinkelschlüssel
• streckgrenzengesteuertes Anziehen, z. B. mit Drehmomentdrehwinkelschlüssel
• hydraulisches Vorspannen
• thermisches Anziehen (vgl. Warmnieten)
• hydraulisches Schraubendrehen

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.

Für die Berechnung und Auslegung von Schraubenverbindungen sei an dieser Stelle auf die VDI-Richtlinie VDI 2230-1: „Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen“ verwiesen.

Selten werden metallische Gewindeverbindungen auch gefettet. Rohrverschraubungen, die Sauerstoff transportieren, dürfen nicht gefettet werden. An Undichtigkeiten ausströmender Sauerstoff kann zur Selbstentzündung des Fettes führen.

Verbindungen an Lebensmittelleitungen müssen von Fremdstoffen frei bleiben, um eine Kontamination zu vermeiden.

Allgemein gilt die Regel, dass alle Schraubverbindungen aus Materialien mit möglichst gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen sollten, um so bei Temperaturschwankungen eine mechanische Wechselbelastung zu vermeiden.

Siehe auch

• Archimedische Schraube
• Bewegungsschraube
• Bolzen (Befestigung)
• Dübel
• Gewinde
• Sammlung Schrauben und Gewinde im Museum Würth
• Normteil
• Stockschraube

Literatur

•  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

• Schraubenfibel – Technisches Nachschlagewerk rund um Verbindungselemente
• Fachlich fundierte 3D Animation zur Darstellung der Vorgänge innerhalb einer Schraubverbindung
• Schraubennormen – Schrauben und deren Zeichnungen
• Daten zu Normen, Werkstoffen, Festigkeiten
• Animationen zur Funktionsweise von gewindeformenden Schrauben und Schraubkurven
• Abbildungen verschiedener Vertiefungen auf Schraubenköpfen zum Kontakt mit einem Schraubendreher (englisch)
• Geschichte der Schraube
• Schraubenherstellung Video auf Youtube

Einzelnachweise

<references />