Neun wurden berufen, zehn unterschrieben den Bericht

Die Quellen sind vier Hefte des Journal of the Franklin Institute: Mai 1864 für die Sitzung, die den Ausschuss einsetzte, November und der folgende Januar für die Monatsprotokolle und Januar 1865 für den Bericht selbst, der von Seite 53 bis Seite 56 reicht. Alle sind gemeinfrei und im Internet Archive gescannt. Die Texterkennung verfälscht Ziffern, deshalb wurde jede unten zitierte Zahl mit den Seitenbildern abgeglichen.

April: neun Namen

Den Antrag stellte Algernon Roberts, unterstützt von C. T. Parry. Er verlangte einen Ausschuss, der die Frage eines geeigneten Systems von Schraubengewinden, Schraubenköpfen und Muttern untersuchen sollte, das das Institut amerikanischen Ingenieuren zur allgemeinen Einführung empfehlen würde. Danach nennt das Protokoll die Mitglieder:

Neun Männer. Merken Sie sich die Liste; im Dezember wird sie wichtig. Beachten Sie auch, wer fehlt: William Sellers, dessen Vortrag gerade verlesen worden war, und Algernon Roberts, der den Antrag zur Einsetzung des Ausschusses gestellt hatte.

Oktober und Dezember: Fortschritte gemeldet

In der ordentlichen Monatssitzung vom 20. Oktober 1864 widmet das Protokoll dem Ausschuss eine Zeile, die er sich mit einem anderen teilt: Die Sonderausschüsse für Gewichte, Maße und Münzen der Vereinigten Staaten und für ein einheitliches System von Schraubengewinden und Schraubenköpfen meldeten Fortschritte. Das ist der ganze Eintrag. Sechs Monate nach dem Vortrag.

Die Sitzung vom 15. Dezember 1864 beginnt mit William Sellers, Präsident, im Vorsitz. Zwei andere Sonderausschüsse meldeten Fortschritte. Dann: Der Sonderausschuss für ein einheitliches System von Schraubengewinden legte den folgenden Bericht vor.

Warum das Gewinde eine Abflachung hat

Der Bericht ist überwiegend ein Argument über Werkzeuge, und seine gehaltvollste Passage betrifft die Form der Gewindespitze. Ein Spitzgewinde ist die einfachste Form und braucht keine Sonderwerkzeuge, aber seine Anfälligkeit für Beschädigung, stets groß, wird bei großen Schrauben zu einem ernsten Problem. Von der Spitze muss also etwas weg. Die Frage ist, welche Form übrig bleiben soll.

Eine gerundete Spitze und ein gerundeter Grund, schreibt der Ausschuss, bereiten weit größere Schwierigkeiten. Alle auf der Drehbank gestrehlten oder geschnittenen Gewindebohrer und Schrauben bräuchten einen zweiten Arbeitsgang, um sie fertigzustellen oder zu runden. Und weil der Radius der Rundung für jedes Gewinde ein anderer sein muss, wäre es unmöglich, eine Lehre zu bauen, die für alle Größen taugt, und ohne Sonderwerkzeuge sehr schwierig, die Form auch nur für ein einziges Gewinde richtig herzustellen.

Dann das Prinzip, ausdrücklich formuliert:

Die flache Spitze gibt es also, weil sich eine Rundung nicht mit einer einzigen Lehre prüfen ließ. Das Maß wird nach demselben Grundsatz festgelegt: so klein wie möglich, nur genug, um das Gewinde zu schützen, wofür ein Achtel der Steigung ausreichend erscheint, sodass drei Viertel der Steigung als Tragfläche bleiben. Ein Achtel oben weg, ein Achtel unten weg, drei Viertel bleiben: Diese Rechnung führt der Satz selbst aus.

Ein unsymmetrisches Gewinde wurde erwogen und verworfen. Eine Flanke senkrecht zur Achse ergäbe die größte Festigkeit bei geringster Reibung, trüge aber nur in einer Richtung, und die Mutter müsste passend geschnitten werden; der Ausschuss stufte diese Form daher als Ausnahme ein.

Sechzig Grad, und warum nicht feiner

Zum Winkel nennt der Ausschuss erst einen mechanischen Grund und gleich danach den eigentlichen. Sechzig Grad scheinen die Bedingungen geringsten Reibungswiderstands bei größter Festigkeit zu erfüllen, vor allem aber, weil sich dieser Winkel leichter herstellen lässt als jeder andere und auch verbreiteter ist. Das ist Sellers’ eigenes Argument aus dem Vortrag acht Monate zuvor, wiederholt von dem Ausschuss, der ihn prüfte.

Bei der Steigung geht der Ausschuss von einer bemerkenswerten Beobachtung aus: In jedem Fall sind die heute gebräuchlichen Gewinde fester als ihre Schrauben. Das ließ eine feinere Abstufung reizvoll erscheinen. Drei Dinge sprachen dagegen.

• Gusseisen. Wäre das Gewinde auf Schmiedeeisen oder Messing beschränkt, hätte man eine feinere Abstufung erreichen können; da Gusseisen aber einen so großen Teil aller Ingenieurarbeit ausmacht, wären feinere Gewinde womöglich keine Verbesserung
• Die Abflachung hatte einen Teil der Arbeit schon erledigt. Für die Gewindetiefe und die Festigkeit der Schraube entsprach die Abflachung von Spitze und Grund einer Verringerung der Steigung eines Spitzgewindes um 25 Prozent oder einer Erhöhung der Gänge je Zoll um 33 Prozent. Die beiden Werte sind genau zueinander reziprok, die Rechnung stimmt
• Die Werkstätten konnten es nicht halten. Feinere Gewinde hätten eine größere Genauigkeit verlangt, als die damaligen Werkzeugmaschinen boten, um ein Überspringen der Gewinde zu vermeiden, und die Verschleißfläche wäre kleiner geworden

Dass Gusseisen die Abstufung gröber macht, ist derselbe Grund, den Whitworth 1841 in seinem eigenen Vortrag nennt: Die Gewinde, über die er mittelte, wurden in Gusseisen ebenso wie in Schmiedeeisen verwendet, und dieser Umstand machte sie gröber, als sie bei Beschränkung auf Schmiedeeisen gewesen wären. Zwei Gremien, zwei Länder, dreiundzwanzig Jahre Abstand, und derselbe Werkstoff setzt die Untergrenze.

Und dieselbe Methode, in denselben Worten

Der Satz, der das Steigungsargument abschließt, ist der entscheidende: Wir sind der Ansicht, dass die durchschnittliche Praxis der mechanischen Welt dem allgemeinen Bedarf vermutlich besser entspricht als irgendwelche allein auf Theorie gegründeten Verhältnisse. Und dann die Methode: Wir haben uns einige Mühe gegeben festzustellen, welche Verhältnisse in Gebrauch sind, und legen das Folgende als nach unserem Urteil angemessenen Durchschnitt vor. (sinngemäß übersetzt)

Das ist Whitworths Methode und beinahe Whitworths Wortlaut, ob unabhängig gefunden oder nicht. Diese Seite berichtet die Parallele und behauptet nicht, wie sie zustande kam. Was sie belegt: Die drei Gründungsdokumente, die diese Website inzwischen vollständig gelesen hat, greifen alle zum selben Instrument. Das Gewerbe befragen, den Durchschnitt bilden und die unhandlichen Zahlen runden.

Woher die Regel für die Schlüsselweite stammt

Die Beschlüsse enthalten auch die Verhältnisse von Kopf und Mutter, und hier tritt eine Regel in die Akten, die man noch heute wiedererkennt.

Unsere Seite über den Vortrag von Sellers hält fest, dass eine der Firmen aus Philadelphia zur Sitzung im April Zeichnungen mit einer Hausregel mitbrachte: Die Schlüsselweite bearbeiteter Köpfe und Muttern betrug das Anderthalbfache des Schraubendurchmessers. Der Ausschuss übernahm diese Hausregel und schlug einen Achtelzoll auf. Was heute die Schlüsselweite einer Schraube bestimmt, ist eine Tabelle und keine Formel, doch dies ist die Formel, die sie ablöste, und eine der Firmen, die sie verwendete, saß im Ausschuss.

Wie sie sich verbreiten sollte

Der zweite Beschluss ist der aufschlussreiche, denn er benennt den Mechanismus. Eine Abschrift der Beschlüsse sollte an den Quartiermeister-General, den Chef des Bureau of Steam Engineering der Marine, die Chefs des Waffenwesens von Heer und Marine, die Chefs des Pionierkorps und des Militäreisenbahnkorps sowie an die Betriebsleiter und Werkmeister der Eisenbahngesellschaften gehen, mit der Bitte, die Einführung zu fördern, indem sie alle Hersteller bei neuen Verträgen verpflichten, die empfohlenen Verhältnisse einzuhalten. Eine dritte Abschrift ging an die Ingenieurvereine und die wichtigsten Maschinen- und Lokomotivwerkstätten.

Der Weg zu einem nationalen Gewinde führte über die Leute, die Lieferverträge unterschrieben, und im Dezember 1864 hieß das: Heer, Marine und Eisenbahnen. Vierundfünfzig Jahre später führte dieselbe Überlegung zu einer Bundeskommission mit zwei Mitgliedern des Heeres, zwei der Marine und einer Frist von sechs Monaten. Das Instrument blieb dasselbe.

Zehn Unterschriften

Der letzte Beschluss lautet, dass dieser Ausschuss nunmehr entlastet werde. Darunter stehen die Namen, jeder mit einer Firma.

Neun wurden berufen, zehn unterschrieben. J. W. Murphy, der berufen wurde, fehlt unter den Unterschriften. William Sellers und Algernon Roberts, die unterschrieben, standen nicht auf der Liste vom April. Roberts hatte den Antrag gestellt, der den Ausschuss einsetzte. Sellers war der Verfasser des geprüften Vorschlags und leitete die Sitzung, in der der Bericht entgegengenommen wurde, und seine Firma stellte zwei der zehn Unterschriften.

Wir haben jedes Heft von Juni 1864 bis Januar 1865 gelesen und kein Protokoll gefunden, das eine Ergänzung oder Änderung der Ausschussbesetzung verzeichnet. Diese Seite gibt wieder, was die beiden Dokumente sagen, und hört dort auf. Protokolle von Ausschüssen des neunzehnten Jahrhunderts sind oft knapp, und das Fehlen eines Eintrags belegt nichts Bestimmtes.

Was man daraus mitnehmen kann

• Die Abflachung am Gewinde ist eine Entscheidung der Lehrenprüfung. Eine gerundete Spitze braucht für jede Steigung einen anderen Radius, also hätte eine Lehre nicht für alle Größen gereicht, und der Ausschuss wollte eine Form, die jeder Mechaniker ohne Sonderwerkzeuge herstellen kann
• Die Abflachung beträgt oben und unten je ein Achtel der Steigung, sodass drei Viertel der Steigung als Tragfläche bleiben, und der Bericht rechnet das im selben Satz vor
• Gusseisen setzte die Untergrenze der Feinheit, in Philadelphia 1864 genauso wie in England 1841
• Die Schlüsselweite betrug anderthalb Durchmesser plus einen Achtelzoll, übernommen aus der Hausregel einer Mitgliedsfirma mit einem Achtel Zuschlag
• Die Einführung sollte über die Beschaffung laufen, über die Einkaufsoffiziere von Heer, Marine und Eisenbahnen, ein halbes Jahrhundert bevor der Kongress dasselbe tat

Die Gewohnheit, die sich zu übernehmen lohnt, teilen alle drei Dokumente. Keines behauptet, die richtige Zahl gefunden zu haben. Jedes sagt mit eigenen Worten, dass sich die richtige Zahl nicht herleiten lässt, und misst dann, was das Gewerbe bereits tut.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 2: Gewinde. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Was beschloss der Ausschuss des Franklin Institute von 1864?

Er berichtete am 15. Dezember 1864 und beschloss, dass das Institut amerikanischen Ingenieuren zur allgemeinen Einführung ein Gewinde mit geraden Flanken unter 60 Grad, einer Abflachung an Spitze und Grund von je einem Achtel der Steigung und einer festgelegten Reihe von Steigungen empfiehlt, dazu Verhältnisse für Schraubenköpfe und Muttern. Weiter beschloss er, Abschriften an Beamte von Heer, Marine und Eisenbahnen sowie an die Ingenieurvereine zu senden und den Ausschuss zu entlasten.

Warum hat das Sellers-Gewinde eine flache statt einer gerundeten Spitze?

Wegen Lehren und Werkzeugen. Der Ausschuss schrieb, eine gerundete Spitze und ein gerundeter Grund würden einen zweiten Arbeitsgang zum Fertigstellen von auf der Drehbank geschnittenen Gewindebohrern und Schrauben erfordern, und da der Radius der Rundung für jedes Gewinde ein anderer sein müsse, sei es unmöglich, eine Lehre für alle Größen zu bauen. Er formulierte den Grundsatz, ein einheitliches System werde durch eine Form erleichtert, die jeder verständige Mechaniker ohne Sonderwerkzeuge herstellen kann.

Wie viel des Gewindes ist abgeflacht?

Ein Achtel der Steigung oben und ein Achtel unten. Der Bericht sagt, das Maß solle so klein wie möglich und nur ausreichend sein, um das Gewinde zu schützen, ein Achtel der Steigung erscheine ausreichend, und so blieben drei Viertel der Steigung als Tragfläche.

Warum wählte der Ausschuss keine feinere Steigung?

Er nennt drei Gründe. Gusseisen macht einen so großen Teil aller Ingenieurarbeit aus, dass feinere Gewinde womöglich keine Verbesserung wären, während eine auf Schmiedeeisen oder Messing beschränkte Abstufung feiner hätte ausfallen können. Die Abflachung von Spitze und Grund hatte bereits das Äquivalent einer um 25 Prozent verringerten Steigung eines Spitzgewindes erreicht. Und feinere Gewinde hätten eine größere Genauigkeit verlangt, als die Werkzeugmaschinen boten, mit der Gefahr des Überspringens, bei kleinerer Verschleißfläche.

Woher stammt die Regel von anderthalb Durchmessern Schlüsselweite?

Aus diesem Bericht, der beschloss, dass der Abstand zwischen den parallelen Seiten von Schraubenkopf und Mutter bei einer rohen Schraube anderthalb Schraubendurchmesser plus ein Achtelzoll betragen solle, bei bearbeiteten Teilen ein Sechzehntelzoll weniger. Eine der im Ausschuss vertretenen Firmen aus Philadelphia hatte zur Sitzung im April Zeichnungen mit dem Anderthalbfachen des Durchmessers als Hausregel mitgebracht.

Wer unterschrieb den Bericht von 1864?

Zehn Männer, jeweils mit einer neben dem Namen gedruckten Firma: Wm. B. Bement, C. T. Parry, J. Vaughan Merrick, John H. Towne, Coleman Sellers, B. H. Bartol, Edward Longstreth, James Moore, Wm. Sellers und Algernon Roberts. Der im April berufene Ausschuss hatte neun Namen; J. W. Murphy, der auf dieser Liste stand, fehlt unter den Unterschriften, während Wm. Sellers und Algernon Roberts, die unterschrieben, nicht darauf standen.

Wie sollte die Empfehlung eingeführt werden?

Über Lieferverträge. Der Ausschuss beschloss, Abschriften der Beschlüsse an den Quartiermeister-General, den Chef des Bureau of Steam Engineering der Marine, die Chefs des Waffenwesens von Heer und Marine, die Chefs des Pionierkorps und des Militäreisenbahnkorps sowie an Betriebsleiter und Werkmeister der Eisenbahnen zu senden, mit der Bitte, die Einführung zu fördern, indem sie alle Hersteller bei neuen Verträgen zur Einhaltung verpflichten.

Quellen

• Journal of the Franklin Institute, Januar 1865, Band 49 Nummer 1, Seiten 53 bis 56: Protokoll der ordentlichen Monatssitzung vom 15. Dezember 1864 und Bericht des Sonderausschusses für ein einheitliches System von Schraubengewinden
• Journal of the Franklin Institute, Mai 1864, Band 47 Nummer 5: der Vortrag und das Protokoll zur Berufung des Ausschusses
• Journal of the Franklin Institute, November 1864, Band 48 Nummer 5, Seite 356: der Ausschuss meldet Fortschritte

Alle vier hier verwendeten Hefte sind gemeinfrei und wurden aus dem gescannten Text von Exemplaren im Internet Archive gelesen, von denen keines zugangsbeschränkt ist. Die Texterkennung verfälscht auf diesen Scans Ziffern, deshalb wurde jede oben zitierte Zahl mit Bildern der gedruckten Seiten abgeglichen, namentlich mit den gedruckten Seiten 55 und 56 des Heftes vom Januar 1865. Dieser Abgleich war nötig: Die Textebene gibt die Entsprechung als 26 Prozent wieder, wo die gedruckte Seite 25 Prozent sagt, also den Wert, der genau reziprok zu den daneben stehenden 33 Prozent ist. Aus der Steigungstabelle des Berichts wird hier kein Wert zitiert, da diese Tabelle in der Textebene stark verstümmelt ist. Die Parallele zwischen den ersten Sätzen des Ausschusses und Whitworths Vortrag von 1841 wird als Textbeobachtung nach vollständiger Lektüre beider Dokumente berichtet; es wird nichts darüber behauptet, wie sie entstand, und nichts über Abschreiben oder Einfluss. Zur Besetzung gibt diese Seite nur wieder, was das Protokoll vom April und die Unterschriften vom Dezember verzeichnen, sowie dass die Hefte von Juni 1864 bis Januar 1865 gelesen wurden und kein Protokoll eine Änderung der Ausschussbesetzung verzeichnet; kein Motiv und keine Unregelmäßigkeit wird nahegelegt oder angedeutet. Es wird nicht behauptet, dass dieser Bericht eine spätere Einführung bewirkt hat, da kein Dokument dazu vorliegt. Die Empfehlung wird mit keiner heutigen Norm verglichen.