Unterlegscheiben spezifizieren: „eine M4-Scheibe“ sind drei verschiedene Teile

Drei Außendurchmesser-Reihen, eine Nenngröße

ISO 7091 ist die normale Reihe in einer gröberen Produktklasse; deshalb kann sich dieselbe Nennscheibe auch in Toleranz und Ausführungsqualität unterscheiden, ohne sich auf dem Papier in den Maßen zu unterscheiden.

Wie man eine Scheibenspezifikation liest

Eine Unterlegscheibe wird durch fünf Angaben bestimmt, die ersten drei davon sind Maße:

• Innendurchmesser — und er ist größer als die Schraube, weil die Schraube hindurchpassen muss. Eine „M4-Scheibe“ hat einen Innendurchmesser über 4 mm, nicht 4 mm
• Außendurchmesser — die Reihen oben
• Dicke — bei kleinen Größen vergleichbar mit der Kopfhöhe, also nicht ohne Folgen
• Werkstoff — unlegierter Stahl, nichtrostender Stahl, Messing, Nylon, Fiber
• Härteklasse und Oberflächenbehandlung — die am häufigsten weggelassene Angabe und die wichtigste

Also eine Scheibe dazu — und was sie wirklich tut, ist etwas anderes

„Sie verteilt die Last“ ist die übliche Antwort, und sie ist die unwichtigste der vier, außer bei weichen Werkstoffen. Geordnet danach, wie oft es der eigentliche Grund ist:

• Sie schafft eine gleichbleibende Auflagefläche. Die Reibungszahl unter dem Kopf entscheidet zum größten Teil, wie viel Ihres Drehmoments zu Klemmkraft wird, und eine Scheibe macht diese Fläche jedes Mal gleich, egal wie die Bauteiloberfläche beschaffen ist — genau das ist das Problem der Drehmomentsteuerung
• Sie schützt die Oberfläche davor, vom drehenden Kopf zerkratzt zu werden — kosmetisch bei einem lackierten Teil, funktional an einer Dichtfläche
• Sie überbrückt eine übergroße oder geschlitzte Bohrung — der Fall, für den die große Reihe aus gutem Grund existiert
• Sie verteilt die Flächenpressung — wirklich wichtig bei Aluminium, Kunststoff und Holz, bei Stahl weitgehend ohne Bedeutung

Eine zusätzliche Scheibe ist eine Änderung der Verbindung

Legt man eine Scheibe unter einen Kopf, der bisher direkt auf dem Bauteil auflag, verlagert sich die Reibfläche. Sie liegt nun zwischen Schraube und Scheibe sowie zwischen Scheibe und Bauteil statt zwischen Schraube und Bauteil, mit anderen Reibungszahlen und einer zweiten Fläche, die rutschen kann.

• Die Klemmkraft bei gleichem Drehmoment ändert sich, mit einer glatten, harten Scheibe meist nach oben — was ein Gewinde überlasten kann, das vorher in Ordnung war
• Die Klemmlänge wächst um die Scheibendicke, was gegen Setzen leicht hilft und den Gewindeeingriff leicht verringert, wenn die Schraubenlänge unverändert bleibt
• Eine lose Scheibe kann sich mit dem Kopf drehen und verlagert die Gleitfläche ohne Vorwarnung auf die Seite zwischen Scheibe und Bauteil

Die Bauarten, und ob sie halten, was sie versprechen

Unter M3 ändern sich drei Dinge

• Die Scheibendicke wird zu einem nennenswerten Anteil der Kopfhöhe — wie alles andere bei diesen Größen —, sie verändert also sichtbar, wie viel Gewinde im Eingriff bleibt
• Die Handhabungskosten steigen stark. Eine lose M2-Scheibe zuverlässig zuzuführen ist schwieriger als die Schraube selbst, und genau deshalb gibt es SEMS-Schrauben — die Scheibe wird im Werk montiert und kann nicht abfallen
• Ebenheit und Grat zählen anteilig mehr. Ein Grat, der unter einem M8-Kopf vernachlässigbar ist, wird unter einem M2-Kopf zur Schiefstellung

Was auf die Zeichnung gehört

• Die Normnummer — ISO 7089, ISO 7092 oder ISO 7093, nicht „M4-Scheibe“
• Werkstoff und Härteklasse, denn eine weiche Scheibe ist eine Quelle für Setzen
• Oberflächenbehandlung, abgeglichen mit den berührten Teilen — eine Scheibe ist ein drittes Metall in der Verbindung
• Ob sie überhaupt erforderlich ist, als Funktion formuliert. „Scheibe für gleichbleibende Auflagefläche“ übersteht eine Kostensenkungsrunde, eine unerklärte Stücklistenposition nicht

Eine Zeile dieser Tabelle hat ihre Papiere ganz verloren: Die als DIN 137 verkauften gewellten und gewölbten Federscheiben berufen sich auf eine Norm, die ersatzlos zurückgezogen wurde.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 3: Kopf. 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

Wie herum gehört eine flache Unterlegscheibe?

Bei einer gewöhnlichen flachen Scheibe sagen die Normen nichts dazu, weil es nichts auszurichten gibt. Weder ISO 7089 noch ISO 7090 legt eine Einbaurichtung fest. Der verbreitete Rat, die gefaste Seite zum Schraubenkopf zu legen, gilt auch für ISO 7090 nicht, denn deren Fase sitzt am Außendurchmesser — der Anwendungsbereich sagt es wörtlich so —, und die Bohrung entspricht ISO 7089, sodass ein Umdrehen keinen Freiraum für den Radius unter dem Kopf schafft. Eine Scheibe, die den Radius wirklich freistellt, braucht eine angesenkte Bohrung, und die Regel dafür steht in NASA-STD-5020A: angesenkte Seite zum Schraubenkopf. Was bei einer gewöhnlichen gestanzten Scheibe zählt, sind Ebenheit und Grat, und das umso mehr, je kleiner die Größe.

Wie liest man eine Scheibenspezifikation?

Anhand von fünf Angaben: Innendurchmesser, Außendurchmesser, Dicke, Werkstoff sowie Härteklasse mit Oberflächenbehandlung. Der Innendurchmesser ist größer als die Schraube, da sie hindurchpassen muss — eine M4-Scheibe hat einen Innendurchmesser über 4 mm. Der Außendurchmesser ergibt sich aus der Reihe, und die Härte ist die am häufigsten weggelassene und wichtigste Angabe, weil eine Scheibe, die weicher ist als die umgebenden Teile, sich unter dem Kopf verformt und Vorspannkraft verliert.

Warum haben Scheiben derselben Größe unterschiedliche Außendurchmesser?

Weil es flache Scheiben in mehreren Außendurchmesser-Reihen gibt. Von klein nach groß: klein (ISO 7092 / DIN 433), normal (ISO 7089 / DIN 125), groß (ISO 7093 / DIN 9021, etwa das 3-Fache des Nenndurchmessers) und sehr groß (ISO 7094). Von klein zu groß wächst der Außendurchmesser auf mehr als das Doppelte, was darüber entscheidet, ob die Scheibe in eine Senkung passt und wie viel Auflagefläche ein weicher Werkstoff bekommt. Geben Sie die Normnummer an, nicht die Größe.

Wozu ist eine Unterlegscheibe eigentlich da?

Meistens, um eine gleichbleibende Auflagefläche zu schaffen, damit die Reibung unter dem Kopf reproduzierbar ist — und diese Reibung entscheidet zum größten Teil, wie viel des aufgebrachten Drehmoments zu Klemmkraft wird. Danach folgen der Schutz der Oberfläche vor dem drehenden Kopf und das Überbrücken einer übergroßen oder geschlitzten Bohrung. Das Verteilen der Flächenpressung, die übliche Lehrbuchantwort, ist bei Aluminium, Kunststoff und Holz wirklich wichtig und bei Stahl weitgehend ohne Bedeutung.

Verändert eine zusätzliche Scheibe die Verbindung?

Ja. Die Reibfläche wandert von Schraube–Bauteil zu Schraube–Scheibe plus Scheibe–Bauteil, mit anderen Reibungszahlen und einer zweiten Fläche, die rutschen kann; damit ändert sich die Klemmkraft, die das gleiche Drehmoment ergibt — mit einer glatten, harten Scheibe meist nach oben, was ein vorher unauffälliges Gewinde überlasten kann. Außerdem wächst die Klemmlänge um die Scheibendicke. Behandeln Sie das als Änderung, die eine erneute Verifizierung erfordert, nicht als kostenlose Stücklistenergänzung.

Funktionieren Federringe?

Das Fastener Design Manual der NASA bewertet die geschlitzte Bauart als nutzlos zum Sichern, sobald die Vorspannkraft sie flachgedrückt hat, und das geschieht weit unterhalb der üblichen Klemmkraft. Zahnscheiben wirken, indem sie sich in die Gegenfläche eingraben, was die Beschichtung entfernt und ein Korrosionsproblem auslösen kann. Keilsicherungsscheiben mit Rampen sind im Querschwingungsversuch wirksam. Eine Tellerfeder löst wiederum ein anderes Problem — sie erhält die Vorspannkraft bei Setzen und Temperaturwechseln, statt ein Verdrehen zu verhindern.

Quellen

• ISO 7089 — Plain washers — Normal series, product grade A
• ISO 7092 — Plain washers — Small series, product grade A
• ISO 7093-1 — Plain washers — Large series
• NASA RP-1228 — Fastener Design Manual (Bewertung geschlitzter Federringe)