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Metrische Stahlschrauben
Theorie und Praxis (Sichern)

 

Eine Schraube, was passiert beim festziehen? Wie sichert man eine Schraubenverbindung?

 

Eine Schraube, was passiert beim festziehen?

 

 

Wenn man diese Antwort kennt, kann man schon sehr viele Effekte gut erklären und kann auch in vielen Fällen beurteilen, wie sicher eine Verbindung wohl sein wird.

Eine richtig "nach Vorschrift" angezogene Schraube, wird mit 90 Prozent der maximal möglichen Belastung des  Schraubenmaterial angezogen (Streckgrenze). Aber 90 Prozent von was, werden sich vielleicht einige fragen? 
Nun, jedes Metall kann bis zu einem bestimmten Punkt gedehnt werden und kehrt danach immer zu seiner ursprünglichen Form zurück, die vor der Belastung bestand (elastisch). Wird das Material aber darüber hinaus belastet, kommt es zu einer bleibenden Verformung, es wurde plastisch verformt! Der Punkt des Materialbruches liegt immer "in der Zone der plastischen Verformung". 
Mit "Streckgrenze" wird der Punkt bezeichnet, ab dem man mit einer plastischen Verformung rechnen muss. Eine Schraube wird mit 90 Prozent angezogen, bezogen auf eben diese Streckgrenze!

Wie nun aber, kann eine Schraube eine Last aufnehmen, wenn Sie selbst schon bis an ihre Limiten belastet wird beim anziehen?

 

Die Schraube als Feder
 

 

Beim Anziehen der Mutter, wird die Schraube etwas verlängert und zieht so wie eine Feder, die beiden Teile zusammen.

Machen wir uns doch dazu ein kleines Gedankenexperiment:
(Vereinfacht, natürlich sind es Kräfte in "Newton" und nicht Massen in "Kilogramm" die an einer Verbindung "ziehen". Aber so ist es für die meisten verständlicher...)

Eine Feder zieht mit 10kg zwei Platten zusammen. Diese beiden Platten werden also jetzt fest aneinander gepresst.
Frage: Wie stark muss man ziehen, bis die Platten sich voneinander lösen können? Natürlich mit etwas mehr als 10kg!
Solange man mit weniger als 10kg zieht (rote Pfeile), ändert sich für die Feder selbst gar nichts, erst wenn die Zugkraft 10kg übersteigt, beginnt sich die Feder noch etwas weiter zu strecken und die beiden Platten können sich voneinander lösen.

Das heisst also mit anderen Worten, dass eine Schraube bis an ihr Limit gespannt/festgezogen werden kann, ohne dass man befürchten muss, dass sie bricht (solange die auf sie einwirkende Kraft nicht grösser wird als ihre zulässige Bruchspannung). Eine Schraube kann also vereinfacht wie eine Zugfeder betrachtet werden!
 

Damit wird aber auch ein anderer wichtiger Umstand klar. Um eine Schraube festziehen zu können, muss wirksam verhindert werden, dass sie in den Untergrund eingedrückt wird! Links ist etwas übertrieben gezeigt, was ich meine:

Um eine Schraubenverbindung sicher anziehen zu können muss verhindert werden, dass der Schraubenkopf (oder die Mutter) in den Untergrund einsinken kann! Das darf weder im Moment des Anziehens geschehen, noch später im Betrieb!
Das kann verhindert werden, indem man U-Scheiben verwendet, oder auf eine weiche Oberfläche, eine grössere, feste Platte klebt die das verhindert.


Festigkeitswert einer Schraube
 

Wie viel hält nun aber so eine Schraube überhaupt? Sicher werden schon viele Angabe wie "8.8" (oder ähnliche) auf Schrauben, oder Verpackungen gelesen haben, aber was heisst das?

Dieser Nummerncode definiert die Festigkeitsklasse einer Schraube. "8.8" ist sozusagen die Standartfestigkeit, also die am meisten verwendete (z.B. solche aus dem Baumarkt). Hochfeste Schrauben gehören etwa der Klasse "12.9", und weichere zum Beispiel der Klasse "4.8" an. Was heissen nun aber diese beiden Zahlen?

Ganz grob kann auf folgende Weise die maximal zulässige Belastung pro Quadratmillimeter des Schraubenquerschnitt berechnet werden:

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

(ist nicht ganz exakt ich weiss, aber so ist es für jeden verständlich, hoffe ich doch)

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

Bei einer 12.8 Schraube also: 12 x 8 = 96 kg/mm2 

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

 

Grösse Spannungs-
Querschnitt
[mm2]
M2 2.07
M2.5** 3.39
M3 5.03
M3.5**  
M4 8.78
M5 14.2
M6 20.1
M7**  
M8 36.6
M10 58.0
M12 84.3
M16 157.0
Die nebenstehende Tabelle gibt für die bei uns gängigsten Schraubengrössen (metrisches ISO Regelgewinde), die Querschnittsflächen an. So kann man leicht ermitteln wann eine Schraube brechen wird!

Bei einer M2 Schraube der Festigkeit 8.8 wären das also rund 132.48 kg Last die sie gerade noch aushalten müsste (8x8x2.07)!

Aber Aufpassen! Diese Werte gelten nur bei einer ruhenden Last (Zug), bei einer Temperatur von ca. 20°C! 
Bei Lastwechsel, Vibrationen, verschiedene Belastungsrichtungen und höheren oder tieferen Temperaturen,  kann sich dieser Wert drastisch verkleinern! Das zu vertiefen würde hier aber deutlich zu weit führen, denn das ist eine Aufgabe für einen Ingenieur, und nicht gerade eine einfache, wenn man es genau wissen muss...

 

** Sondergrösse die nicht Standart ist

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 zum Beispiel die Propellerverbindungen bei einigen grossen (Benzin) Motoren, bei denen der Propeller mit 4, 5, oder 6 Schrauben auf der Nabe befestigt werden. 
Schon mit einer 4.8 Schraube hat man mehr als genug Festigkeit, sie ist aber deutlich elastischer als eine 8.8 oder sogar 12.9 Schraube. Die Gefahr eines Schraubenbruches, ist also bei den festen Schrauben sogar grösser, vor allem wenn sie nicht vorschriftsmässig (fest genug) angezogen sind!

Anziehdrehmoment
 
Grösse Anziehdrehmoment in Nm
4.8 8.8 10.9 12.9
M3 0.56 1.28 1.80 2.15
M3.5 0.86 1.96 2.75 3.30
M4 1.28 2.90 4.10 4.95
M5 2.5 5.75 8.1 9.7
M6 4.30 9.90 14.0 16.5
M8 10.5 24.0 34.0 40.0
M10 21 48 67 81
M12 36 83 117 140
M14 58 132 185 220
M16 88 200 285 340
Insbesondere die kleinen Schrauben kann man leicht "zu fest" anziehen, oder eine grössere viel zu wenig. Darum habe ich hier mal die Anzugsmomente (gemäss Norm) aufgeführt.

Natürlich hat nicht jeder einen Drehmomentschlüssel Zuhause und längst nicht immer können wir bei unseren Modellen alles "nach Vorschrift" anziehen, da sonst Teile einfach zerdrückt würden. Ich finde es aber doch wichtig, in etwa zu wissen, wie hoch die vorgesehenen Werte liegen, als Richtwert.
Die Angaben links gelten für Metallschrauben der aufgeführten Festigkeitsklassen. Die Werte (Anziehdrehmoment) gelten für geschmierte Schrauben und sind in "Nm" (Newtonmeter) angegeben. 

1 Nm "entspricht" dabei 1kg/dm

also "einem Kilogramm Zugkraft, bei zehn Zentimeter Hebellänge".

(Anziehdrehmoment bei einer Reibungszahl von 0.125)

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Wie sichert man eine Schraubenverbindung?

 

 

 

Etwas vom wichtigsten in unserem Hobby sind Schraubenverbindungen. Wehe es löst sich etwas im Flug! Das kann schnell zu erheblichen Problemen führen..., gelinde ausgedrückt. Also wie verhindert man, dass eine Verbindung sich selbstständig, unkontrolliert lösen kann?

Grundsätzlich muss man unterscheiden zwischen Sicherungen gegen das Lösen der Schraube (oder Mutter), oder gegen das verlieren! 
Bei einem Motorträger ist es wichtig zu verhindern, dass die Schrauben komplett herausfallen können, damit auch bei losen Schrauben der Motorträger noch fest mit dem Modell verbunden ist. Es mag so wohl bedenklich wackelt, der Motor kann sich aber nicht vom Modell lösen!
Beim Rotorkopf eines Hubschraubers gibt es Schrauben die sich keinesfalls lösen dürfen, da dies schon zu einer unkontrollierten Verschiebung von Teilen führt. Ob die Schraube anschliessen verloren gehen kann, spielt keine Rolle mehr, da dann der Hubschrauber eh schon "schwer zu kontrollieren ist..."
Diese Unterscheidung ist sehr wichtig, um entscheiden zu können, welche Sicherung man einsetzten sollte. 

Am Anfang haben wir gesehen das eine Schraube beim Anziehen wie eine Feder gespannt wird. Diese Spannung in der Feder muss natürlich erhalten bleiben, denn sie ist die beste Sicherung gegen unkontrolliertes Lösen. 
Es gibt die Faustregel, dass eine Schraube die mindestens eine Spannlänge von drei bis fünf mal den Durchmesser überbrückt und vorschriftsmässig angezogen ist (siehe oben in der Tabelle Anziehmomente), eigentlich nicht mehr gesichert werden muss. Ihre Dehnung ist so gross (Federwirkung), dass solange der Untergrund standhält, sie immer festsitzen wird, auch bei Vibrationen (Faustformel).

 


 

Verliersicherungen

 

Kontermutter

Etwas vom einfachsten ist das Aufsetzten einer Kontermutter. Entgegen der landläufigen Meinung, verhindert eine Kontermutter nicht das sich eine Schraube löst. Sondern sie verhindert, das die Mutter komplett abfällt, wenn die Verbindung locker wurde!
Zusammen können sich die beiden Muttern noch immer drehen auf dem Gewinde, vor allem bei Vibrationen. Sobald die Schraube aber gelöst ist, blockieren die beiden Muttern zuverlässig und verhindern so, dass die Schraube kurz darauf komplett herausfällt.

 

Stoppmutter DIN 985 mit Polyamideinlage

links Stoppmutter (DIN 985) 
rechts normale Mutter (ISO 4032 / DIN 934)

Die Stoppmutter ist vermutlich eines der bekanntesten "Sicherungselemente", es ist aber nur eine Sicherung gegen das verlieren!

Ein eingespritzter Kunststoffring aus Polyamid schlisst sich eng um die Schraube, so dass die Mutter sich nicht selbstständig drehen kann. Wenn also eine Schraube/Mutter sich gelockert hat, kann sie nicht abfallen, da die Stoppmutter noch immer auch dem Gewinde klemmt.

Ganz wichtig ist aber, dass eine Stoppmutter eigentlich nur einmal verwendet werden darf! So ist es definiert in der Norm.
Auch sind höhere Temperaturen von ihnen fernzuhalten, da sonst der Sicherungsring aus Kunststoff Schaden nimmt.
Ich habe auch schon Stoppmuttern zwei, dreimal gebraucht. Sobald ich aber feststelle, dass sie nur noch wenig "Widerstand" beim Aufschrauben bieten ersetzte ich sie, denn hier handelt es sich nur um ein Rappen/Cent- Teil...


 

Sicherungen gegen das "Lösen"

 

U-Scheibe z.B. ISO 7089 / DIN 125 A

 

Solche U-Scheiben gibt es in diversen Grössen. Wenn man einen weichen Untergrund bei einer Schraube, oder einer Mutter hat, kann man in vielen Fällen das "Eingraben" von Kopf und/oder Mutter wirksam verhindern. 
So kann das Risiko des späteren Lösen der Verbindung vermindert werden, da so der Untergrund weniger schnell nachgeben kann, wodurch die Schraube ja an Spannung verlieren würde.
Federring DIN 127 A, nicht zu empfehlen,
genau so wie alle Fächerscheiben!

 

Diese "geschlitzten" Federringe sind so eine Sache. Bei Elektronikteilen mögen sie ja noch verwendbar sein, um eine Platine, oder ähnliches zu fixieren. Bei einer festen Verbindung habe sie aber nichts zu suchen, genau so wie all die Fächerscheiben!!

Diese Federringe sind für normale Schrauben (8.8) viel zu weich, und können auch sehr schnell beim Anziehen brechen! Die Praxis zeigt ganz klar, dass man besser kein Federring einbaut, da ohne ein solcher, eine Schraubenverbindung bei Vibrationen besser hält, als eine die mit einem Federring "gesichert ist"!

Ich setzte diese Elemente grundsätzlich nicht mehr ein, auch wenn sie noch heute vielen gekauften Teilen beigelegt werden. Entweder tausche ich sie gegen eine Federscheibe aus, oder sichere mit einer flüssigen Schraubensicherung.

Federscheibe gewellt DIN 137 Form B

 

Eine solche Federscheibe (oder ähnliche, gibt es in diversen Bauformen), ist mein bevorzugtes Sicherungselement! Sie wirkt wie eine Tellerfeder und verhindert auch bei Vibrationen ein Lösen der Verschraubung. Gleichzeitig bewirkt sie eine Vergrösserung der Auflagefläche, ähnlich wie eine U-Scheibe, was zusätzliche Sicherheit gibt.
Schraubensicherung (Loctite)

 

Mit solchen Schraubensicherungslacken erzielt man ein Maximum an Sicherheit. Loctite ist dabei ein bekannter Markenname. Auf das Gewinde, oder in das Gewindeloch geträufelt und die Schraube/Mutter festgezogen, fertig. 
Diese Sicherungsflüssigkeiten härten erst unter Luftabschluss aus und füllen jeden Spalt im Gewinde. Dadurch wird eine maximale Sicherung, insbesondere auch gegen Vibrationen, erzielt.
Beim lösen "zerkrümelt" die Schraubensicherung und übt eine zusätzliche blockierende Wirkung aus, was dem Lösen auch noch entgegenwirkt.

Je nach Typ kann man sie mit erhöhten Kraftaufwand wieder lösen, oder auch erst, wenn 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 können, dürfen sie nicht bei heissen Stellen verwendet werden, da dann ihre Funktion nicht mehr gewährleistet ist. An einem heissen Motor, ist das also eine falsche Sicherung!

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Letzte Aktualisierung: 03. August 2014        

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