Die Verbindung hat sich gelöst, obwohl die Länge stimmte

Was die Länge tatsächlich tut

Eine Verbindung wird von der Klemmkraft gehalten, die durch das Dehnen der Schraube entsteht. Diese Dehnung ist elastisch — die Schraube ist eine Feder, die gezogen wurde und zurückwill —, und der Teil der Schraube, der sich dehnt, ist die Klemmlänge, die Länge zwischen Kopf und erstem tragenden Gewindegang.

Sie ist allerdings nicht die ganze Feder, und hier lohnt Genauigkeit, weil die Näherung oft wie das Modell selbst verwendet wird. VDI 2230 setzt die elastische Nachgiebigkeit der Schraube als Reihenschaltung aus fünf Teilen zusammen: Kopf, Schaft, freies belastetes Gewinde, eingeschraubtes Gewinde und Mutter- bzw. Einschraubbereich. Die Klemmlänge ist der größte dieser Teile und der, den die Konstruktion direkt festlegt; deshalb dominiert sie das Ergebnis — nicht, weil der Rest null wäre.

Warum die kurze Schraube mehr von dem verliert, was man ihr gegeben hat

Unter dem Kopf und im Gewinde wird die Oberflächenrauheit unter Last eingeebnet. Das ist das Setzen, und es lohnt sich, es wegen einer Eigenschaft zu verstehen: Es ist ein absoluter Weg, kein Prozentsatz. Ein paar Mikrometer eingeebneter Rauheitsspitzen sind ein paar Mikrometer, ob die Schraube M2 oder M12 ist.

Die Dehnung, in der die Klemmkraft gespeichert ist, ist dagegen nicht absolut. Sie wächst mit der Klemmlänge. Dieselben paar Mikrometer nehmen einer kurzen Schraube daher einen viel größeren Anteil ihrer Vorspannkraft als einer langen — aus demselben Grund verlieren kleine Schrauben einen größeren Anteil ihrer Vorspannkraft, nur vom anderen Ende her betrachtet.

• Mehr Klemmlänge ist meist billiger als mehr Durchmesser. Eine Hülse oder ein längerer Dom verlängert die Feder, ohne Gewinde, Werkzeug oder Bohrung zu ändern
• Es ist auch die Antwort auf Ermüdung. Eine längere, weniger steife Schraube übernimmt einen kleineren Anteil einer schwankenden Betriebskraft, weil sich die Last nach dem Verhältnis der Steifigkeiten auf Schraube und Verbindung aufteilt
• Nichts davon gilt für Länge, die keine Klemmlänge ist. Eine längere Schraube, deren zusätzliche Länge über die Mutter hinausragt, hat dieselbe Feder wie vorher

Also länger vorschreiben — und genau hier geht es schief

In einem Sackgewinde sitzt eine zu lange Schraube auf: Ihr Ende erreicht den Lochgrund, bevor der Kopf die Oberfläche erreicht. Der Schrauber spürt weiterhin Widerstand, das Drehmoment steigt weiter, der Drehmomentschlüssel klickt trotzdem.

Dieselbe Rechnung schlägt am anderen Ende des Lochs zu. Ein Gewindeloch hat einen Grund, einen Auslauf, wo der Gewindebohrer aufgehört hat, und eine nutzbare Gewindetiefe, die kürzer ist als die Bohrtiefe — und der Gewindeeingriff wird in tragenden Gängen gezählt, nicht in Millimetern Bohrung.

Zwei Stellen, an denen die Länge nicht dort ist, wo man sie vermutet

• Der Bezugspunkt wandert mit dem Kopf. Bei einer Senkkopfschraube ist die angegebene Länge die Gesamtlänge einschließlich Kopf; bei den meisten anderen Köpfen wird sie unter dem Kopf gemessen. „M3 × 10“ bedeutet also je nach Kopf unterschiedlich viel nutzbare Schraube, und das ist eines der Dinge, die eine Bezeichnung stillschweigend als bekannt voraussetzt
• Gewindeauslauf ist kein Gewinde. Wo das Gewinde in den Schaft übergeht, gibt es unvollständige Gänge, die keine Last tragen. Liegt der Auslauf in der Mutter oder im Gewindeloch, ist der Eingriff kürzer, als die Zeichnung nahelegt, und zwar am höchstbeanspruchten Ende

Daher stammen die Regeln zum Gewindeüberstand, und es sind Konventionen, keine einheitliche Regel: Verschiedene Regelwerke verlangen bündig, eine Steigung oder zwei, und die bekannten „zwei volle Gänge“ sind eine Werkstattgewohnheit, keine ISO-Anforderung. Gemeinsam ist ihnen der Grund. Eine Schraube, die bündig mit der Mutterfläche abschließt, sagt für sich allein nichts aus, weil die Gänge nahe dem Ende die unvollständigen sind — die Prüfung verlangt also so viel sichtbares Gewinde, dass der unvollständige Teil nachweislich jenseits der Mutter liegt. Welche Konvention gilt, entscheidet die maßgebende Spezifikation, nicht die Faustregel.

Die Frage ist also nicht, wie lang

• Wie viel dieser Länge ist Klemmlänge? Ist es der größte Teil, verhält sich die Verbindung gut. Steckt der größte Teil in einem Gewindeloch oder ragt über eine Mutter hinaus, bringt die Länge nicht das, wonach sie aussieht
• Ist das Loch ein Sackloch, und wie tief ist das nutzbare Gewinde? Nicht die Bohrtiefe — die Tiefe, bevor der Gewindebohrer ausläuft
• Welchen Bezugspunkt verwendet die Angabe? Senkköpfe werden über alles gemessen, die übrigen unter dem Kopf
• Was begrenzt die Vorspannkraft, die erhalten bleiben soll? Die Länge entscheidet, wie viel davon übrig bleibt; die Festigkeitsklasse entscheidet, wie viel man aufbringen durfte. Es sind zwei Hälften einer Frage
• Ist mit einer schwankenden Last zu rechnen? Dann ist die Klemmlänge eine Ermüdungsgröße und nicht nur eine Montagegröße, und sie gehört früher in die Entscheidungsreihenfolge, als sie meist steht (englisch)

Nebenbei: die Scherfrage, meist die falsche Frage

Es gibt hier zwei legitime Auslegungen, und sie sind nicht austauschbar. Eine gleitfeste Verbindung überträgt eine Querkraft durch Reibung zwischen den geklemmten Flächen, die von der Klemmkraft erzeugt wird, und ist so ausgelegt, dass sie nicht rutschen darf. Eine Scher-Lochleibungs-Verbindung überträgt sie über Scherung im Verbindungselement und Lochleibung an der Bohrungswand, und AISC sagt ausdrücklich, dass dieselbe hochfeste Schraube beiden dient — handfest angezogene Schrauben sind für die meisten Scher-Lochleibungs-Verbindungen zulässig.

Die Frage lautet daher nicht „wirkt die Schraube als Bolzen?“, sondern als welche der beiden diese Verbindung ausgelegt wurde. Eine gleitfeste Verbindung, die gerutscht ist, hat verloren, worauf sie ausgelegt war, und Bewegung in der Trennfuge ist der Mechanismus, der die Vorspannkraft abbaut. Eine Scher-Lochleibungs-Verbindung hat nicht versagt, weil sie sich auf ihre Schrauben abstützt; das ist ihre Aufgabe.

Wo das Verbindungselement tatsächlich Scherung überträgt, bietet der gewindefreie Schaft in der Scherfuge mehr Querschnitt und keinen Gewindegrund, der Spannungen konzentriert — AISC 360 gibt für Gewinde außerhalb der Scherfuge eine höhere nominelle Scherspannung an als für Gewinde in der Scherfuge, umgekehrt ein Verhältnis von etwa 0,83. Beides ist zulässig; die Auslegung auf den Wert mit Gewinde in der Scherfuge ist eine legitime Entscheidung, kein Versehen. Es bedeutet aber, dass die Schaftlänge ein bewusst gewähltes Maß ist und nicht der Rest, der übrig bleibt.

Wie groß dieses Maß tatsächlich wird, ist ebenfalls nicht frei wählbar: Die Produktnorm zieht die Gewindelänge ab und dann noch fünf Steigungen dazu; deshalb hat eine kurze Schraube mit Teilgewinde weniger Schaft, als die übliche Subtraktion ergibt.

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

Ist eine längere Schraube fester?

Nur wenn die zusätzliche Länge Klemmlänge ist. VDI 2230 setzt die Schraubenfeder aus fünf in Reihe geschalteten Teilen zusammen – Kopf, Schaft, freies Gewinde, eingeschraubtes Gewinde und Mutter- bzw. Einschraubbereich –, und die Klemmlänge ist der größte davon und der, den die Konstruktion direkt festlegt. Eine größere Klemmlänge speichert dieselbe Klemmkraft in mehr Dehnung; dadurch wird die Verbindung unempfindlicher gegen Setzen, und die Schraube übernimmt einen kleineren Anteil jeder schwankenden Betriebskraft. Gewinde, das über die Mutter hinausragt, bringt nichts; im Gewindeloch eingeschraubtes Gewinde trägt über eine Ersatzlänge bei.

Was passiert, wenn eine Schraube für ein Sackloch zu lang ist?

Sie sitzt auf. Das Schraubenende erreicht den Lochgrund, bevor der Kopf die Oberfläche erreicht; das Drehmoment wird dann dafür verbraucht, die Schraube gegen den Lochgrund zu drücken, statt sie gegen die Verbindung zu dehnen. Im Grenzfall, in dem der Kopf nie aufliegt, gibt es überhaupt keine Klemmkraft; davor ist die Vorspannkraft, was eben übrig bleibt, und das ist unvorhersehbar und meist viel zu wenig. So oder so zeigt das Werkzeug eine Zahl an, die etwas anderes beschreibt als die Verbindung; deshalb sollte man das zuerst prüfen, wenn sich eine Sacklochverbindung ohne erkennbare Ursache löst.

Warum verlieren kleine Schrauben mehr Vorspannkraft als große?

Weil Setzen ein absoluter Weg ist und elastische Dehnung nicht. Ein paar Mikrometer eingeebneter Rauheit unter dem Kopf und im Gewinde sind unabhängig von der Größe ein paar Mikrometer, während die Dehnung, in der die Klemmkraft gespeichert ist, mit der Klemmlänge wächst. Derselbe Verlust nimmt einer kurzen Schraube daher einen viel größeren Anteil ihrer Vorspannkraft. Das ist eine geometrische Folge, kein Qualitätsproblem, und eine längere Klemmlänge ist die direkte Abhilfe.

Wie viele Gewindegänge sollen über die Mutter hinausragen?

Es gibt keine einheitliche Regel. Verschiedene Spezifikationen verlangen bündig, eine Steigung oder zwei, und die bekannten „zwei vollen Gänge“ sind eine Werkstattgewohnheit, keine ISO-Anforderung. Gemeinsam ist ihnen der Grund: Die Gänge nahe dem Schraubenende sind die unvollständigen, daher zeigt eine Schraube, die bündig mit der Mutterfläche abschließt, für sich allein nicht, dass die Mutter voll im Eingriff ist. Welche Konvention gilt, entscheidet die maßgebende Spezifikation.

Sollte der gewindefreie Schaft in der Scherfuge liegen?

Das ergibt mehr Schertragfähigkeit: Der Schaft hat mehr Querschnitt als das Gewinde und keinen Gewindegrund, der Spannungen konzentriert, und AISC 360 weist Gewinde außerhalb der Scherfuge eine höhere nominelle Scherspannung zu. Beides ist aber zulässig, und die Auslegung auf den niedrigeren Wert mit Gewinde in der Scherfuge ist eine legitime Entscheidung. Vorher ist zu klären, um welche Art von Verbindung es sich handelt – eine gleitfeste Verbindung überträgt die Last durch Reibung zwischen den geklemmten Flächen und ist so ausgelegt, dass sie nicht rutscht, während eine Scher-Lochleibungs-Verbindung dafür ausgelegt ist, Scherung über das Verbindungselement zu übertragen; dieselbe hochfeste Schraube dient beiden.

Quellen

• ASME B1.1 — Unified Inch Screw Threads (UN, UNR and UNJ Thread Form)
• VDI 2230 Blatt 1 — Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen