Artikel: Das kleine Schrauben - Einmaleins, FMT Extra 2008

Die Schraube als Feder

Festigkeitswert einer Schraube

Wie viel hält eine Schraube überhaupt aus? Sicher werden schon viele Angaben wie „8.8“, „12.9“, oder „6.4“ auf Schrauben oder Verpackungen gelesen haben. Aber was bedeutet diese Zahl?
Es handelt sich um einen Nummerncode, der die Festigkeitsklasse einer Schraube angiebt. Schrauben der Festigkeitsklasse "8.8" gehören dabei der am meisten verwendete Klasse an. Hochfeste Schrauben gehören etwa der Klasse "12.9" und weichere zum Beispiel der Klasse "4.8" an (je höher die erste Zahl um so mehr hält eine Schraube aus). Ganz grob kann man mit diesen beiden Zahlen die maximal zulässige Belastung pro Quadratmillimeter des Schraubenquerschnitt berechnen (in kg zum besseren Verständnis):  

"1. Zahl" multipliziert mit der "2. Zahl" gleich Kilogramm pro Quadratmillimeter

Bei einer 8.8 Schraube also: 8 x 8 = 64 kg/mm²

Bei einer 12.9 Schraube also: 12 x 9 = 108 kg/mm²

Bei einer 4.8 Schraube also: 4 x 8 = 32 kg/mm²

Auch Muttern haben Festigkeitsklassen, die aber nur mit einer Zahl angegeben werden. So entspricht eine Mutter der Festigkeitsklasse „8“ einer Schraube der Klasse „8.8“

Die Tabelle 1 gibt für die bei uns gängigsten Schraubengrössen (metrisches ISO Regelgewinde), Querschnittsflächen und Bruchlasten an. So kann man leicht ermitteln was eine Schraube maximal aushalten kann. Das sind aber nur zulässige Belastungen für einen ruhenden (statischen) Fall. Für zulässige dynamischen Bruchlasten werden in der Literatur Verminderungen von 50 bis 70 Prozent der zulässigen statischen Last angegeben! Um konkrete Aussagen machen zu können, müsste jeder Fall gezielt angeschaut werden, was aber den Rahmen sprengen würde. Für uns Modellbauer ist es wichtig zu wissen, dass überall wo hohe Temperaturen, Bewegungen und Vibrationen im Spiel sind, sich die Belastungsgrenzen um bis zu 70 % vermindern können. Je nach Einsatzfall kann es durchaus sinnvoll sein, weichere Schrauben zu verwenden, vor allem dann, wenn Vibrationen und Schläge vorhanden sind. Denn je fester eine Schraube ist, um so spröder wird sie auch. Klassisches Beispiel sind die Propellerverbindungen bei einigen grossen (Benzin) Motoren, bei denen der Propeller mit 4, 5, oder 6 Schrauben auf der Nabe befestigt wird. Es kann sich bei Problemen mit gebrochenen Schrauben durchaus lohnen, auch einmal solche einer niedrigeren Festigkeitsklasse zu versuchen.

Kleine Schrauben kann man leicht "zu fest" anziehen (überdrehen), und dafür grössere zu wenig. In Tabelle 2 sind ungefähre Anzugsmomente aufgeführt. Natürlich hat nicht jeder einen Drehmomentschlüssel Zuhause und längst nicht immer können wir bei unseren Modellen alles "nach Vorschrift" anziehen, da sonst die Teile zerdrückt würden. Ich finde es aber doch wichtig, in etwa zu wissen, wie hoch die vorgesehenen Werte liegen (als Richtwert).

Die Angaben gelten für Metallschrauben der aufgeführten Festigkeitsklassen. Die Werte (Anziehdrehmoment) stehen für geschmierte Schrauben (Stahl auf Stahl) und sind in "Nm" (Newtonmeter) angegeben. 
1 Nm "entspricht" dabei rund1kg/dm, also "einem Kilogramm Zugkraft an einem 10cm langen Hebel".

Wehe es löst sich etwas im Flug! Das kann schnell zu erheblichen Problemen führen... Wie kann man verhindert, dass sich eine Verbindung, unkontrolliert lösen kann? 
Grundsätzlich muss man zwischen Sicherungen gegen das Lösen der Schraubverbindung, oder gegen das Verlieren unterscheiden. Bei einem Motorträger ist es wichtig zu verhindern, dass die Schrauben ganz herausfallen können, damit auch bei losen Schrauben der Motorträger noch fest mit dem Modell verbunden bleibt. Es mag wohl bedenklich wackeln, aber der Motor kann sich nicht vom Modell lösen! Dagegen gibt es beim Rotorkopf eines Hubschraubers Schrauben, die sich keinesfalls lösen dürfen, da dies schon zu einer unkontrollierten Verschiebung von Teilen führen würde. Die Unterscheidung, Sichern gegen das Lösen oder das Verlieren ist wichtig für die Art der Sicherung.
Am Anfang haben wir Festgestellt, dass eine Schraube beim Anziehen wie eine Feder gespannt wird. Diese Spannung muss erhalten bleiben, denn sie ist die beste Sicherung gegen unkontrolliertes Lösen. Es gilt die Faustregel, dass eine Schraubverbindung, die mindestens eine Spannlänge von drei bis fünf mal den Schraubendurchmesser überbrückt und vorschriftsmässig angezogen ist (Tabelle 2), eigentlich nicht mehr gesichert werden muss. Die Dehnung ist dann so gross (Federwirkung), das solange der Untergrund standhält, sie immer angezogen bleibt, auch bei Vibrationen (Prinzip einer Dehnschraube).

Verliersicherungen

Relativ einfach ist das Aufsetzten einer Kontermutter. Entgegen der landläufigen Meinung, verhindert eine Kontermutter nicht, dass sich eine Verbindung löst. Sie verhindert nur, das die Mutter komplett abfällt, wenn die Verbindung sich gelockert hat. Zusammen können sich die beiden Muttern immer noch auf dem Gewinde drehen, vor allem bei Vibrationen. Sobald sich aber die Verschraubung gelöst hat, blockieren die beiden Muttern zuverlässig und verhindern damit (meistens), dass die Schraube herausfallt.
Die Stoppmutter ist vermutlich eines der bekanntesten "Sicherungselemente", gegen das Verlieren (und nicht gegen das Lösen). Ein eingespritzter Kunststoffring aus Polyamid schliesst sich eng um das Gewinde, so dass sich die Mutter nicht selbstständig drehen kann. 

Wenn sich also eine Verschraubung gelockert hat, kann sie nicht abfallen, da die Stoppmutter noch immer auch dem Gewinde klemmt. Man sollte aber wissen, dass eine Stoppmutter gemäss der Norm nur einmal verwendet werden darf. Dennoch habe ich  Stoppmuttern auch schon mehrmals benutzt. Wenn ich aber feststelle, dass sie nur noch wenig "Widerstand" beim Aufschrauben aufweisen, dann spätestens, ersetzte ich sie. Es lohnt sich nicht, bei einem so günstigen Bauteil zu sparen, wenn ein ganzes Modell auf dem Spiel stehen kann.
Temperaturen von mehr als ca. 60°C sind von ihnen fernzuhalten, da sonst der Sicherungsring aus Kunststoff seine Funktion nicht mehr erfüllen kann.

Sicherungen gegen Lösen

U-Scheiben gibt es in diversen Grössen. Wenn man bei einer Verschraubung einen weichen Untergrund hat, kann man mit ihr in vielen Fällen das "Eingraben" von Kopf und/oder Mutter wirksam verhindern. Das Risiko, dass sich die Verbindung später löst, wird so erheblich vermindert, da der Untergrund weniger schnell nachgibt (auch bei weicherem Metall wie z.B. Aluminium).
Diese "geschlitzten" Federringe und auch die Zahn- oder Fächerscheiben sind so eine Sache. Bei Kunststoffbauteilen die mehr über die Reibung fixiert werden, mögen sie ja noch sinnvoll sein. Bei einer festen/stabilen Verbindung habe sie aber nichts zu suchen. Diese Federringe und Fächerscheiben sind für normale Schrauben (8.8) viel zu weich, und können beim Anziehen sogar auseinander brechen!

Die Praxis zeigt, dass ohne diese Ringe eine Schraubenverbindung bei Vibrationen deutlich besser hält als eine, die mit einem Federring oder einer Fächerscheibe "gesichert ist"! Ich setzte diese Elemente grundsätzlich nicht mehr ein. Entweder tausche ich sie gegen eine Federscheibe aus, oder sichere mit einer flüssigen Schraubensicherung.
Feder- und Spannscheiben gibt es in diversen Bauformen (gewellt oder flach/konisch) und sind meine bevorzugten Sicherungselemente! Die Feder- oder Spannscheiben wirken wie eine Tellerfeder und verhindern auch bei Vibrationen ein Lösen der Verschraubungen. Zusätzlich bewirken sie eine Vergrösserung der Auflageflächen, ähnlich einer U-Scheibe, was zusätzliche Sicherheit gibt.
Mit flüssigen Schraubensicherungen kann man sehr gute Ergebnisse erzielen (Loctite ist hier ein bekannter Markenname). Auf das Gewinde oder in das Gewindeloch geträufelt, die Schraube/Mutter festgezogen, fertig. Aber Achtung, bei einem Gewinde in einem Sackloch (am Grund geschlossen), muss die Schraubensicherung in das Muttergewinde geträufelt werden. Am Gewindebolzen nützt es nichts, da die verdrängte Luft  im Gewindegrund, beim Einschrauben die Flüssigkeit gar nicht in die Gewindespalten vordringen lässt...!
Diese Sicherungsflüssigkeiten härten erst unter Luftabschluss aus und füllen jeden Spalt im Gewinde. Beim Lösen "zerkrümelt" die Schraubensicherung und übt zusätzliche eine blockierende Wirkung aus. Je nach Typ kann man sie mit erhöhtem Kraftaufwand wieder lösen, oder bei hochfesten Schraubensicherungen erst, nachdem man die Verbindung auf rund 150 - 200°C erwärmt hat.
Damit ist auch gleich ihr grosser Nachteil erwähnt; da sie sich bei Erwärmung wieder lösen, dürfen sie nicht an oder neben heissen Stellen verwendet werden, da dann ihre Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Also nicht an, oder neben einem heissen Motor oder Schalldämpfer zur Sicherung einsetzten!

Schrauben aus Kunststoff

Kunststoffschrauben werden in vielen Fällen eingesetzt. Entweder um Gewicht zu sparen oder um mögliche Schäden am Modell zu vermeiden, wenn es zu einer "unsanfteren Begegnung" zwischen "Hindernis und Modell" kommen sollte.
Immer wieder taucht in diesem Zusammenhang die Frage auf: Ja hält das denn mit so einer Schraube? Oder soll man nicht doch besser eine Schraube aus Metall nehmen? Dann aber mit dem Risiko, dass „im Falle des Falles“, die Schraube nicht als Sollbruchstelle fungiert und alle Belastungen zu 100prozent an das übrige Modell weitergibt!
Viele Kunststoffschrauben, sind aus Polyamid oder POM (Polymerblend aus polaren Polymeren). Da es sich in den meisten unserer Fällen um Polyamid PA66 (Nylon) handelt, gehe ich im folgenden auf dieses Material ein. POM- Schrauben (oder ähnliche) verhalten sich aber auch in der beschriebenen Weise. 
Polyamid ist ein thermoplastischer Kunststoff, der durch Erwärmung in fast jede beliebige Form gebracht werden kann (Spritzguss, Tiefziehen usw.). Das heisst, dass mit steigenden Temperaturen die Festigkeit von Polyamid deutlich abnimmt, so wie bei allen Kunststoffen.
Polyamid hat aber noch eine weitere wichtige Eigenschaft; das Material nimmt Wasser auf (auch aus der Luft). Bei Raumtemperatur (23°C) sind das rund 2.8% des Gewichtes. Trockenes Polyamid ist bei 60°C etwa so spröde, wie wir es bei Temperaturen von -10 bis 0°C her kennen. Die Festigkeit bleibt in etwa gleich aber die Elastizität des Werkstoffes wird stark vom Wassergehalt beeinflusst. So werden Teile die aus Polyamid hergestellt werden in vielen Fällen zuerst eine gewisse Zeit gelagert, damit sie Wasser aus der Luft aufnehmen können, oder sie werden vor dem Einbauen regelrecht im heissen Wasser gekocht, damit sie elastischer werden (aber das eigentlich nur am Rande).
Mann muss beachten, das Modelle an den auch Kunststoffschrauben verbaut sind, nicht in einer trockenen Umgebung gelagert werden, da sonst diese Schrauben schnell spröde werden. Entweder man vermeidet es, oder man sorgt dafür, dass vor dem nächsten Einsatz des Modells diese Schrauben in eine Umgebung mit etwas erhöhter Luftfeuchtigkeit kommen (ein paar Tage), damit das Polyamid aus der Luft Wasser aufnehmen kann um so ihre Elastizität zurück zu erlangen. Dann aber sollt man jede Kunststoffschraube auch noch auf ihren festen Sitz hin kontrollieren. Warum das gemacht werden sollte, erkläre ich im nächsten Abschnitt.

Die zulässigen Belastungen für Kunststoffschrauben werden in der Praxis mit etwa 25% der maximalen Tragfähigkeit angesetzt (Erfahrungswerte). Die Werte in der Tabelle 3 wurden anhand der Grafik von Bild 15 ermittelt (1kg ~ 10N)

Bild 15: Maximale Tragfähigkeit  von Kunststoffschrauben (Quelle: Konstruieren mit Kunststoffen von Gunter Erhard )

Kunststoffe haben die Eigenschaft, dass sie unter Belastung, mit der Zeit nachgeben und sich langsam verformen. Dieser Prozess des elastischen Verformens ist immer vorhanden.

Ein Beispiel-  wenn man eine  Kunststoffschraube anzieht, geschieht das gleiche wie bei einer Metallschraube, sie wird wie eine Feder gespannt und baut so die Klemmkraft auf. Da es sich hier aber um ein Kunststoffschraube handelt nimmt die Spannung mit der Zeit in der Schraube langsam ab. Das zeigt die Grafik (Bild 16).

Wie man sieht baut, eine Kunststoffschraube in den ersten 20 Stunden einen beachtlichen Teil der Klemmkraft ab, dann läuft die Kurve immer flacher aus - sie wird aber nie ganz horizontal werden.
Aber Achtung: Wer jetzt meint das man nach 20 Stunden einfach etwas nachziehen kann und dann halte es für immer, der irrt! In diesem einem Fall beginnt man wieder bei Null und ist wieder am Anfang der Kurve, Kunststoffe sind keine Metalle.

Was heisst das jetzt für uns Modellbauer? Sicher ist, bei allen Verschrauben mit Kunststoffschrauben die nur für einen Tag montiert sind, muss dieser Umstand nicht weiter berücksichtigt werden (z.B. Tragflächenbefestigungen), denn am Abend werden die Verbindungen wieder gelöst. Ganz anders ist das beim Montieren von Höhenleitwerken oder Fahrwerken mit Kunststoffschrauben. Das sind meistens Verbindungen die man einmal anzieht und dann als "erledigt" betrachtet. Wenn man feststellt, dass nur mit "extremen" Festziehen der Kunststoffschraube ein sicherer Sitz des Bauteils erreicht wird, sollte man sich vor Augen führen, dass ein Viertel bis ein Drittel der Klemmkraft durch die Elastizität der Kunststoffschraube wieder verloren geht! Mann sollte also entweder stärkere Schrauben verwenden oder andere Massnahmen treffen, um die auftretenden Kräfte zumindest teilweise abzufangen. Das soll jetzt natürlich nicht heissen, das wir nie mehr Kunststoffschrauben verwenden, aber man sollte wissen, wie sich diese Schrauben über längere Zeit im Einsatz verhalten, dann können unnötige Risiken vermieden werden.

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