BOLTED

Ein Forum über die Optimierung
von Schraubenverbindungen

Vom Draht zur Schraube

Schrauben zählen zu den grundlegendsten Bestandteilen in Maschinenbau und Konstruktion, aber ihre Herstellung ist heute ein komplexes Hightech-Verfahren mit mehreren Schritten. Erfahren Sie, wie aus Rohstahl hochspezifische und präzise Metallteile werden.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2018.

Schrauben können in einer Vielzahl von Größen und Formen zum Einsatz kommen, aber das Herstellungsverfahren bleibt im Kern das Gleiche. Es beginnt mit dem Kaltumformen von
Stahldraht in die richtige Form, gefolgt von einer Wärmebehandlung zur Optimierung der Festigkeit und einer Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Haltbarkeit sowie der anschließenden
Verpackung für den Transport. Für komplexere Ausführungen kann das Herstellungsverfahren allerdings um eine Reihe zusätzlicher Schritte erweitert werden.

Als einer der führenden Anbieter von Befestigungselementen für die Automobilindustrie verfügt der schwedische Hersteller Bulten über viel Know-how bei jedem Schritt und jedem Aspekt der Schraubenherstellung. „Wir produzieren keine Katalogteile – sondern ausschließlich individuell nach Kundenvorgabe“, sagt Henrik Oscarson, Technical Manager des Bulten Produktionsbetriebs in Hallstahammar, Schweden. „Je nachdem, wo das Befestigungselement zum Einsatz kommen soll, gibt es eine Reihe verschiedener Optionen für die Herstellung der richtigen Schraube.“

DAS KALTUMFORMEN BEGINNT mit großen Stahlwalzdrähten, die abgerollt und auf Länge geschnitten werden. Die Stahlsorte ist in der gesamten Branche entsprechend den Anforderungen von ISO 898-1 genormt. Mithilfe von Spezialwerkzeug wird der Draht dann kalt in die richtige Form gewalzt. Hier wird der Stahl im Grunde bei Raumtemperatur und unter hohem Druck durch Pressformen gezogen. Das Werkzeug selbst kann sehr komplex sein und bis zu 200 verschiedene Teile mit Toleranzen im Hundertstel-Millimeter-Bereich beinhalten. Einmal perfektioniert, ermöglicht das Kaltumformen eine schnelle Herstellung der Schrauben in großen Mengen und mit hoher Homogenität.

Kompliziertere Ausführungen, die sich nicht allein durch Kaltumformen konturieren lassen, können weitere Dreh- oder Bohrschritte erfordern. Beim Drehen wird die Schraube mit hoher Geschwindigkeit rotiert, während gleichzeitig Stahl abgetragen wird, um die gewünschte Form zu erreichen. Bohren kann dazu dienen, die Schraube mit Löchern zu versehen. Falls erforderlich, können einige Schrauben an dieser Stelle des Verfahrens auch mit Keilsicherungsscheiben versehen werden.

DIE WÄRMEBEHANDLUNG IST ein Standardverfahren für alle Schrauben, in dem diese extremen Temperaturen ausgesetzt werden, um den Stahl zu härten. Ihr Gewinde erhält die Schraube in der Regel vor der Wärmebehandlung, entweder durch Rollen oder durch Schneiden, wenn der Stahl weicher ist. Das Rollen funktioniert ähnlich wie das Kaltumformen, wobei die Schraube durch eine Pressform geleitet wird, um aus dem Stahl ein Gewinde zu formen. Beim Schneiden wird das Gewinde durch Fräsen und Abtragen des Stahls gebildet.

Da bei der Wärmebehandlung die Eigenschaften des Stahls verändert werden, um ihn härter zu machen, ist es einfacher und kostengünstiger, das Gewinde vorher zu formen. Allerdings führt das Gewindeformen nach der Wärmebehandlung zu einer besseren Ermüdungsfestigkeit.

„Die Wärmebehandlung kann Wärmeabdrücke und kleinere Schäden an der Schraube hinterlassen“, erklärt Henrik Oscarson. „Aus diesem Grund verlangen einige Kunden das Gewindeschneiden nach der Wärmebehandlung, besonders für Anwendungen wie Motoren- und Zylinderkopfschrauben. Dieses Verfahren ist sehr teuer, da gehärteter Stahl geformt werden muss, aber dafür bleiben die Gewinde besser in Form.“

Bei Schrauben, deren Länge mehr als das Zehnfache des Schraubendurchmessers beträgt, kann die Wärmebehandlung dazu führen, dass der Stahl wieder die Rundungen des ursprünglichen
Stahldrahts annimmt. Daher ist häufig ein zusätzlicher Glättungsprozess erforderlich.

DIE WAHL DER OBERFLÄCHENBEHANDLUNG richtet sich nach der Anwendung der Schraube und den Anforderungen des Kunden. Das größte Problem bei den Befestigungselementen ist oftmals ihre Korrosionsbeständigkeit, weshalb eine verzinkte Beschichtung im Elektrolyseverfahren eine gängige Lösung darstellt. Hierbei wird die Schraube in eine Flüssigkeit mit Zink getaucht und es wird ein elektrischer Strom angewendet, sodass das Zink eine Schicht über der Schraube bildet. Die elektrolytische Behandlung birgt allerdings die erhöhte Gefahr einer Wasserstoffversprödung. Eine weitere Option sind Zinkflakes, die eine noch höhere Korrosionsbeständigkeit bieten, aber auch teurer sind.

WENN DIE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT kein Problem ist, beispielsweise in einem Motor oder bei einer Anwendung, die regelmäßig Öl ausgesetzt ist, ist die Verwendung von Phosphat eine kostengünstigere Möglichkeit. Nach Abschluss der Oberflächenbehandlung können Standardschrauben in der Regel verpackt werden. Komplexere Ausführungen können aber noch zusätzliche Bauteile wie Klammern erfordern. Für andere Schrauben kann auch eine Form von Sicherung notwendig sein, entweder eine Gewindesicherung oder ein Sicherungslack. Eine Gewindesicherung besteht aus einer dicken Nylonschicht über dem Gewinde, wodurch die Griffigkeit verbessert wird. Ein Sicherungslack hilft, das gewindeformende Drehmoment zu verbessern.

NACHDEM DIESE SCHRITTE abgeschlossen sind, ist die Schraube fertig. Nun fehlt nur noch die Qualitätskontrolle, um Gleichmäßigkeit und Kohärenz sicherzustellen, bevor die Schrauben für den Transport verpackt werden können.

DIE STADIENGÄNGE

1. DRAHT
Abgerollt, geglättet und auf Länge geschnitten.

2. KALTUMFORMEN
Der Stahl wird bei Raumtemperatur in die richtige Form gebracht.

3. SCHRAUBENKOPF
Schrittweise geformt, indem der Stahl unter hohem Druck durch mehrere Pressformen gezogen wird.

4. GEWINDE
Das Gewinde entsteht durch Rollen oder Schneiden.

5. WÄRMEBEHANDLUNG
Die Schraube wird extremer Hitze ausgesetzt, um den Stahl zu härten.

6. OBERFLÄCHENBEHANDLUNG
Abhängig von der Anwendung. Eine Zinkbeschichtung ist üblich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.

7. VERPACKUNG/LAGERUNG
Nach der Qualitätskontrolle zur Sicherstellung der Gleichmäßigkeit und Kohärenz werden die Schrauben verpackt.

Highspeed für den Transport von morgen

Erstveröffentlichung Bolted #1 2018.

IM JAHR 2015 initiierte Elon Musk, der Milliardär hinter den futuristischen Technologieunternehmen Tesla und SpaceX, den sogenannten Hyperloop Pod Competition. Der Wettbewerb
ruft Studenten zur Entwicklung der besten Transportkapseln für den Hyperloop auf – Musks Traum, in dem Menschen in einer frei schwebenden Kapsel bei nahezu Überschallgeschwindigkeit
durch ein riesiges Röhrennetz befördert werden, das die größten Städte der Welt miteinander verbinden soll.

Im Rahmen des Wettbewerbs 2017 wurde schließlich dem Team WARR Hyperloop der Technischen Universität München die lasergesinterte Titan-Siegertrophäe überreicht. Im Wettbewerb brach es mit seiner Kapsel, bei der für jede Schraube original Nord-Lock Keilsicherungsscheiben zum Einsatz kamen, den weltweiten Geschwindigkeitsrekord für den Hyperloop.

DAS 30-KÖPFIGE Team WARR Hyperloop war in mehrere kleinere Teams unterteilt, die für verschiedene Bereiche von CAD-Konstruktion und -Struktur bis hin zu Beschaffung, Finanzen und Marketing zuständig waren. Florian Janke, Teamleiter für CAD-Konstruktion und -Struktur, war inspiriert von Musks Vision eines superschnellen futuristischen Transportsystems und insbesondere von der Vorstellung, dass Menschen eines Tages in nur 30 Minuten von München nach Berlin reisen könnten.

„Als Elon Musk mit seinen SpaceX-Wettbewerben begann, musste ich einfach dabei sein. Wir haben in allen Phasen des Hyperloop Pod Competition gut abgeschnitten. In der letzten, bei der es um die maximale Geschwindigkeit ging, erreichten wir einen Wert von 324 km/h“, sagt er.

Die leichte Kapsel des Teams WARR Hyperloop brach den bisherigen Geschwindigkeitsrekord des in Kalifornien ansässigen Unternehmens Hyperloop One von 310 km/h, dessen Kapsel diese Geschwindigkeit in einer 500 Meter langen Röhre erreicht hatte. „Beim Testen mit derart hohen Geschwindigkeiten in einer relativ kurzen Röhre von 1,2 km Länge haben wir natürlich enorm viel Beschleunigung und Schwingung“, erklärt Janke. „Sichere Schrauben waren daher besonders wichtig, weshalb wir uns für die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock entschieden haben, mit denen die Schrauben bombenfest sitzen. Einfach perfekt.“

Das WARR-Team ist für den kommenden dritten Hyperloop-Wettbewerb angemeldet und hat bereits die erste Auswahlrunde hinter sich. Obwohl einige Teammitglieder im neuen Team für 2018 wieder aktiv sind, wenn auch mit neuen Funktionen und Aufgaben, studieren die meisten von ihnen nebenher weiter. Einige sind auch viel auf Messen unterwegs, um die Gewinnerkapsel von 2017 auszustellen.

DA DAS TEAM SEHR ENG MIT EINER VIELZAHL VON HERSTELLERN ZUSAMMENGEARBEITET HAT, um die finanzielle Unterstützung sowie verschiedene Teile zu erhalten, haben einige Teammitglieder bereits Gespräche mit diesen Unternehmen geführt und ziehen inzwischen eine Anstellung dort in Betracht.

Die besten Tipps vom Verschraubungsexperten

Bolted hatte die einzigartige Gelegenheit, Japans führenden Experten für Schraubenverbindungen, Doktor Tomotsugu Sakai, zu treffen. Sein Buch „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ gilt nach wie vor als Standardwerk auf dem Gebiet geschraubter Befestigungen.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

Wie definieren Sie eine ideale Befestigung, auf die Sie auch in Ihrem Buch eingehen?

„Im Idealfall sollte eine Befestigung auf der Verwendung von weit verbreiteten, standardisierten Befestigungselementen basieren und nicht auf individuell konstruierten Teilen. Noch wichtiger aber ist, dass die ideale Befestigung eine Schraubenbefestigungskonstruktion gewährleisten sollte, die zu keiner Art von Versagen führt. Die gesamte Gestaltung eines Produktes verliert ihre Gültigkeit, wenn auch nur ein einziger Ausfall auftritt. Jeder einzelne Aspekt muss beachtet werden. Für mich ist eine „Beurteilung ohne jede Auslassung“ am wichtigsten.

Ist es von Vorteil, Schmiermittel bei der Schraubenbefestigung zu verwenden?
„Ja, wenn die befestigten Objekte nicht gegeneinander gleiten, ist die Verringerung des Reibungskoeffizienten in jeder Hinsicht vorteilhaft. Wenn sich die befestigten Objekte in einer „Lockerungsumgebung“ befinden, ist deren Lockerung wahrscheinlicher, wenn der Reibungskoeffizient niedrig ist, aber dies führt nicht notwendigerweise zu einer Lockerung.
In einer „Lockerungsumgebung“ befinden sie sich dann, wenn sie durch eine Kraft, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gezwungen werden, gegeneinander zu gleiten.

Wie führen von außen einwirkende Kräfte zum Gleiten, basierend auf Scherrichtung, Axialrichtung und Torsion?
„Wenn eine äußere Kraft in Scherrichtung einwirkt, führt sie zum Gleiten. Wirkt sie in axialer Richtung ein, trennen sich die befestigten Objekte voneinander – Separation. Unter diesen Bedingungen gilt, je niedriger der Reibungskoeffizient in der Trennfuge, desto wahrscheinlicher ist ein spontanes Lösen.

Beim Schreiben von „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ habe ich die konventionelle Sicht des Gleitphänomens verwendet, die das Gleiten von befestigten Objekten auf der Kontaktfläche erklärt – das sogenannte „Makrogleiten“. Das kann mit bloßem Auge beobachtet werden, da diese Art von Gleiten für eine visuelle Bestätigung nur 0,1 mm betragen muss. Um das Jahr 1988 wurde festgestellt, dass vor dem Makrogleiten ein nicht sichtbares „Mikrogleiten“ auftritt, das eine Drehung bewirkt, die so mikroskopisch klein ist, dass sie nicht mit bloßem Auge bestätigt werden kann, egal ob sie in Lockerungsrichtung oder nicht erfolgt. Dieses Phänomen, „Mikrogleiten“, verursacht eine allmähliche Abnahme der Axialkraft. Es wurde erstmals in einem Artikel im ‚Journal of the Japan Society for Precision Engineering‘ vorgestellt.“

„Wenn befestigte Objekte miteinander in Kontakt sind, kann der Gleitwert eines bestimmten Abschnitts der Kontaktfläche oder anderer Abschnitte durch herkömmliche Experimente nicht gemessen werden. Aber alle diese Werte lassen sich mithilfe der Finite-Elemente-Methode, FEM, berechnen. Sie wird etwa seit dem Jahr 2000 in der Befestigungsindustrie verwendet und kommt heute bei den meisten Forschungsarbeiten über Verbindungselemente mit Gewinde zum Einsatz. In einem Artikel von Doktor Satoshi Izumi et al. aus dem Jahr 2006 wurde die Entdeckung bekanntgegeben, dass nicht beim Makrogleiten (deutliches, sichtbares Gleiten), sondern beim Mikrogleiten (nicht sichtbares, mikroskopisch kleines Gleiten) eine allmähliche Drehlockerung auftritt. Als ich den Artikel zum ersten Mal las, war ich schockiert; er besagt, dass ein wiederholtes Auftreten von Mikrogleiten zu einer mikroskopisch kleinen Drehlockerung in einer Größenordnung von 1 Grad pro 1.000 Mal oder 1/1000 Grad bei jedem Mal führt. Eine Drehung um 1/1000 Grad ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Mit der Finite-Elemente-Methode kann sie jedoch perfekt untersucht werden und es wurde nachgewiesen, dass Mikrogleiten eine Drehlockerung verursacht. Nun war ich in Schwierigkeiten! [lacht] Die Ergebnisse stellten das Konzept eines kritischen Gleitwertes auf drastische Weise in Frage.

Ich hatte gedacht, dass Mikrogleiten zwangsläufig zu Reibverschleiß führt, zog jedoch nicht in Betracht, dass es eine Drehlockerung bewirken könnte. Zu dieser Zeit hatte ich keine Möglichkeit, das zu testen. Es war eine Erfahrung, die mir die Augen geöffnet hat.”

Fakten: Mikrogleiten
Ein Gleiten, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Es verringert nach und nach die Klemmkraft und kann letztlich zu einer sichtbaren Drehlockerung (Makrogleiten) führen. Auch Setz- und Relaxationserscheinungen des Materials können die Klemmkraft herabsetzen. Um beiden Arten des Gleitens entgegenzuwirken, hat die Nord-Lock Gruppe die X-series Keilsicherungsscheiben entwickelt. Durch ihre Federwirkung wird Klemmkraftverlust vermieden, während die Keilwirkung ein spontanes Lösen und eine Lockerung der Schraube verhindert.

Facten: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Geboren in Okazaki City, Japan
  • 1979 – Erhält nach der Arbeit für die Toyota Motor Corporation seinen Doktortitel in Maschinenbau; beschäftigt sich vor allem mit der Festigkeits- und Dauerbelastungsprüfung, Forschung und Entwicklung von verschiedenen Automobilteilen.
  • 2001 – Wechselt zu Toyota Techno Service Corp und ist dort für die Weiterbildung und technische Beratung auf dem Gebiet von Schraubenverbindungen zuständig.
  • 2007 – Geht in den Ruhestand und gründet die Firma „Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering“, in der er sich bis heute auf die technische Beratung und Ausbildung im Bereich Schraubenverbindungen konzentriert.

Nukleare Sicherheit durch dreifachen Schutz

23 Februar 2018
Kommentar

Text: Ulrich Schamari

Foto: ILLUSTRATIONEN: Daher Nuclear Technologies

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

DIE HERAUSFORDERUNG

Daher Nuclear Technologies GmbH aus Hanau bei Frankfurt am Main, Deutschland, entwickelt Behälter für den Transport radioaktiver Stoffe. Aus offensichtlichen Gründen müssen diese Behälter extrem sicher sein.

Bei der Konstruktion eines neuen Behälters für Uranhexafluorid-Transporte musste das Unternehmen die sehr strengen internationalen und nationalen Auflagen berücksichtigen, einschließlich der Empfehlungen der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEA) für den Transport im Straßen-, Schienen- und Seeverkehr. Ein Behälter, der diese Anforderungen erfüllt, muss zum Beispiel den mechanischen und thermischen Belastungen wiederstehen, die bei einem Unfall auftreten können.

Diese mechanischen Unfallbelastungen werden durch eine Reihe von Prüfungen definiert, die einen Fall aus einer Höhe von 120 Zentimetern, gefolgt von einem Fall aus 9 Metern Höhe und anschliessend einem Fall aus einem Meter auf eine Spitze beinhalten. Dabei muss der Behälter dicht bleiben, so dass die nachfolgende thermische Prüfung in Form eines Brandes die Sicherheit des Behälters nicht beeinträchtigt.

DIE LÖSUNG

Daher konstruierte die Behälterschlösser so, dass sich die Verriegelungsbolzen beim Verladen des Behälters auf einen Lkw oder während des Transportes unter keinen Umständen lockern oder verloren gehen können. Die intensive Suche nach der optimalen Lösung führte das Unternehmen schließlich zu den Nord-Lock Keilsicherungsscheiben des Typs NL16-254SMO. Diese Keilsicherungsscheiben sind ein wichtiger Bestandteil des von Daher eingesetzten dreifach geschützten Verriegelungssystems: Das Schloss ist mit einem Bolzen gesichert, der wiederum durch einen weiteren Bolzen verriegelt wird. Die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock befinden sich unter dem zweiten dieser Bolzen. Jeder Behälter verfügt über sechs Schlösser und jedes Schloss ist mit einem Paar der Nord-Lock Keilsicherungsscheiben ausgestattet.

DAS ERGEBNIS

Durch den Einsatz der Nord-Lock Keilsicherungstechnologie können sich die Verriegelungssysteme an den Daher-Transportbehältern für die Nuklearindustrie nicht mehr durch Vibrationen oder Belastungen lockern, sondern bleiben fest und sicher verriegelt. Daher war außerdem positiv von der Kosteneffektivität und problemlosen Wartung dieser Nord-Lock Produkte überrascht. Bei Bedarf lassen sich die Keilsicherungsscheiben jederzeit austauschen, um sicherzustellen, dass die Transportbehälter in einwandfreiem Zustand bleiben. Die Behälter haben eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren – wozu die Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock ihren Teil beitragen

Die Experten: Dauerhaltbarkeitsverbesserung einer Schraube

Erstveröffentlichung: Bolted #2 2015.

A: Das Festigkeitsverhalten einer Schraube gegenüber mechanischer Beanspruchung wird nachhaltig davon beeinflusst, ob die Beanspruchung zügig oder schwingend ist. Auftretende Kerbspannungen führen dazu, dass Schraubenverbindungen nur relativ geringe Schwingkräfte übertragen können. Die Maßnahmen zur Dauerhaltbarkeitsverbesserung der Schraube zielen darauf ab, die Schwingfestigkeit an den kritischen Stellen zu steigern.

Zur Erhöhung der Gewindebelastbarkeit empfiehlt sich die Verwendung von Schrauben mit schlußgewalztem anstatt schlußvergütetem Gewinde. Verwenden Sie anstelle eines einzigen großen Verbindungselements mehrere kleine Verbindungselemente, um eine Schraubenverbindung mit höherer Belastbarkeit zu erzielen.

Darüber hinaus wird die Belastbarkeit auch durch die Verwendung optimierter Verbindungselemente erhöht, wie beispielsweise durch Superbolt-­Spannmuttern mit Vielfachschrauben (MJT) oder -Flexmuttern, die die Lastverteilung in den Gewinden verbessern und der Schraubenverbindung zusätzliche Elastizität verleihen.

Die beste Vorgehensweise, um die Dauerhaltbarkeit zu verbessern, besteht darin, die wechselnden Belastungen am Gewinde zu verringern. Dafür stehen drei wesentliche Möglichkeiten zur Verfügung: Konstruktive Gestaltung, sachgerechte Montage und richtiges Sichern der Baugruppe.

Der Konstruktionsprozess der Baugruppe bietet die Möglichkeit, die Verteilung der auf die Schraubenverbindungen einwirkenden Lasten zu verbessern und das Ausmaß der äußeren Belastungen, die von jeder Verbindung getragen werden, zu verringern. Um dies zu erreichen, halten Sie sich an die folgenden Prinzipien:

1. Verwenden Sie eine möglichst hohe Vorspannung
2. Minimieren Sie die Exzentrizität von Schraube zu Last
3. Verwenden Sie möglichst große Kontaktflächen
4. Verwenden Sie möglichst große Klemmlängen
5. Verminderung der Schraubenzusatzkraft

Weitere Optionen für die konstruktive Gestaltung der Baugruppe umfassen die Verwendung von Bolzen oder Schrauben mit Dehnschaft und den Einsatz von Federscheiben, die den Auswirkungen von Relaxation, Kriechen und unterschiedlicher Wärmedehnung entgegen wirken.

Bei der Montage der Baugruppe ist das Erreichen der notwendigen Vorspannung der wesentliche Faktor, wenn es um die Reduzierung wechselnder Belastungen geht. Es wird empfohlen, kalibrierte Werkzeuge mit hoher Genauigkeit zu verwenden. Außerdem empfiehlt sich die Benutzung eines geeigneten Schmiermittels, um eine präzise Vorspannung zu erzielen und das Risiko des Festfressens zu verringern. Achten Sie auf die richtige Anzugsreihenfolge, um das Risiko ungleichmäßig belasteter Schrauben zu minimieren und die Vollständigkeit der Schraubenverbindung sicherzustellen.

In Bezug auf die Sicherheit der Baugruppe ist es empfehlenswert, die Schraubenverbindung vor einem Verlust der Vorspannung zu schützen. Schützen Sie die Baugruppe außerdem vor Umwelteinflüssen, wie etwa Korrosion, die zu Ermüdungsrissen führen können. Dies kann durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und/oder Beschichtungen für Bauteile und Verbindungselemente geschehen.

 

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Die Geschichte der Schraube

20 Dezember 2017
3 Kommentare

Text: Alannah Eames

Foto: Illustration: Kent Zeiron

Auf den ersten Blick mag eine Schraube eine einfache Komponente sein, die verschiedene Bauteile zusammenhält. Auf den zweiten Blick werden Sie jedoch feststellen, dass hinter den vermeintlich unbedeutenden Schrauben und Muttern deutlich mehr steckt. Ohne sie würden all unsere Geräte und Maschinen auseinanderfallen.

History of the bolt drawings

Erstveröffentlichung Bolted #2 2012.

Schrauben gehören zu den gängigsten Komponenten, die in der Bauindustrie und bei der Konstruktion von Maschinen verwendet werden. Sie halten alles zusammen – von den Schrauben einer elektrischen Zahnbürste oder eines Türscharniers bis hin zu den massiven Bolzen, mit denen in Gebäuden Betonträger an ihrem Platz gehalten werden. Aber Hand aufs Herz – haben Sie sich schon jemals gefragt, wo Schrauben eigentlich herkommen?

Die Geschichte des Gewindes kann bis ins 4. Jahrhundert v. Chr. zurückverfolgt werden, die wichtigsten Entwicklungen der modernen Schraubenverbindungen wurden in den letzten 150 Jahren gemacht. Die Meinung der Experten im Hinblick auf den Ursprung der einfachen Schraube und Mutter gehen auseinander. In seinem Artikel „Nuts and Bolts“ (Schrauben und Muttern) schreibt Frederick E. Graves, dass ein Gewindebolzen mit passender Mutter als Befestigungsmittel erstmals im 15. Jahrhundert auftaucht. Er basiert seinen Schluss auf den ersten schriftlichen Hinweis auf Schrauben, der in einem Buch aus dem frühen 15. Jahrhundert stammt.

Graves gibt jedoch zu, dass, auch wenn der Gewindebolzen erst im 15. Jahrhundert auftaucht, der Bolzen ohne Gewinde bis auf die Römerzeit zurückgeht. Damals diente er zum „Verriegeln von Türen, als Drehachse zum Öffnen und Schließen von Türen und als Keilbolzen in Form einer Stange oder eines Stabs mit einem Schlitz versehen, in den ein Keil eingesetzt wurde, um den Bolzen zu arretieren.“ Außerdem weist er darauf hin, dass die Römer die ersten Schrauben entwickelten, die aus Bronze und bisweilen sogar aus Silber bestanden. Die Gewinde wurden von Hand gefeilt oder bestanden aus einem Draht, der um den Stab gewunden und daran festgelötet wurde.

Laut Forschung des Schraubenexperten Bill Eccles geht die Geschichte des Schraubengewindes noch wesentlich weiter zurück. Archimedes (287 bis 212 v. Chr.) machte sich das Prinzip der Schraube für die Entwicklung einer Wasserhebeanlage zunutze. Es gibt jedoch eine Menge Anzeichen dafür, dass die Wasserschraube bereits im alten Ägypten, d. h. noch vor Archimedes, im Einsatz war. Sie wurde aus Holz gebaut und zum Bewässern von Äckern und zum Abpumpen von Schlagwasser aus Schiffsrümpfen verwendet. „Viele glauben jedoch, dass das Schraubengewinde um 400 v. Chr. von dem griechischen Philosophen Archytas von Tarent erfunden wurde, der als Erfinder der Mechanik gilt und ein Zeitgenosse Platons war“, schreibt Eccles auf seiner Webseite.

Die Geschichte kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden: das Schraubenprinzip, das bis auf 400 v. Chr. zurückgeht, bei dem die Schrauben zum Fördern von Wasser und in Traubenpressen zum Herstellen von Wein verwendet wurden. Und die eigentliche Schraube als Befestigungsmittel und Verbindungselement, die seit ungefähr 400 Jahren im Einsatz ist.

Im 15. Jahrhundert verwendete Johannes Gutenberg Schrauben als Befestigungselemente in seinen Druckerpressen. Der Einsatz von Schrauben nahm enorm zu, als sie für Uhren und Waffen verwendet wurden. Laut Graves beinhalten Leonardo da Vincis Notizbücher vom Ende des 15. Jahrhunderts und Anfang des 16. Jahrhunderts verschiedene Entwürfe für Gewindeschneidemaschinen.

Etwas, über das sich die Mehrzahl der Forscher jedoch einig ist, ist die Tatsache, dass die Industrielle Revolution die Entwicklung von Schraube und Mutter vorangetrieben und sie als wichtige Komponente für Konstruktionen und Montagen etabliert hat.

In W.R. Willburs „History of the Nut and Bolt Industry in America“ (die Geschichte der Befestigungsmittelindustrie in Amerika) von 1905 steht geschrieben, dass die erste Maschine zur Herstellung von Schrauben und Muttern bereits 1568 von Besson in Frankreich gebaut wurde. Besson führte später die Gewindeschneidelehren oder -platten ein, die in Drehbänken verwendet wurden. 1641 verbesserte die englische Firma Hindley of York das Gerät, das daraufhin in großem Umfang eingesetzt wurde.

Auf der anderen Seite des Atlantiks, in den USA, ist im Carriage Museum of America einiges über die Geschichte der Schraube dokumentiert. Die Muttern von Fahrzeugen, die Anfang des 19. Jahrhunderts gebaut wurden, waren flacher und eckiger als die späterer Modelle. Bei den späteren Fahrzeugen kamen Muttern mit abgekanteten Ecken zum Einsatz und das Schraubengewinde wurde bündig am Bolzen abgedreht. Das Herstellen von Schrauben war zu dieser Zeit ein schwieriger, zeitraubender Prozess.

Anfänglich wurden die Gewinde der Schrauben von Hand gefertigt, aber schon bald war es aufgrund des steigenden Bedarfs erforderlich, den Produktionsprozess zu beschleunigen. In England führten J. und W. Wyatt 1760 einen Fabrikationsprozess für die Massenproduktion von Schraubengewinden ein. Dieser Meilenstein stellte die Konstrukteure jedoch vor eine neue Herausforderung: jedes Unternehmen stellte seine eigenen Gewinde her, d. h. dass es Muttern und Schrauben in unzähligen Größen gab, was zu Problemen für die Hersteller von Maschinen führte.

Es sollte bis 1841 dauern, bis Joseph Whitworth hierfür eine Lösung fand. Nach jahrelanger Forschung und dem Sammeln von Schrauben von zahllosen britischen Werkstätten, schlug er eine Standardisierung der Größe der Schraubengewinde in Großbritannien vor, damit z. B. die Schrauben eines Herstellers in England mit den Muttern eines Herstellers aus Schottland kompatibel waren. Sein Vorschlag beinhaltete, dass die Steigung des Gewindes auf 55 Grad standardisiert und die Anzahl Steigungen pro Inch für unterschiedliche Durchmesser definiert werden sollte.

Während diese Frage in England diskutiert wurde, versuchten die Amerikaner etwas ähnliches und begannen mit der Verwendung des Whitworth-Gewindes. 1864 schlug William Sellers ein Gewinde mit einer Steigung von 60 Grad und unterschiedliche Gewindesteigungen für unterschiedliche Durchmesser vor. Dies führte zur Entwicklung der American Standard Coarse Series und der Fine Series. Ein Vorteil, den die Amerikaner im Vergleich zu den Engländern hatten, war, dass ihre Gewindeform einen flachen Gewindegrund und flache Gewindespitzen hatte. Dies vereinfachte den Herstellungsprozess im Vergleich zum Whitworth-Standard mit abgerundetem Gewindegrund und runden Gewindespitzen. Es stellte sich jedoch heraus, dass das Whitworth-Gewinde in dynamischen Applikationen besser funktionierte und sich der abgerundete Gewindegrund des Whitworth-Gewindes günstig auf die Ermüdung auswirkte.

Während des 1. Weltkriegs wurde das Fehlen eines Schraubenstandards zwischen unterschiedlichen Ländern zu einem enormen Problem bei der Kriegsführung; im 2. Weltkrieg wurde es für die Alliierten zu einem noch größeren Problem. 1948 einigten sich Großbritannien, die USA und Kanada darauf, in allen Ländern, die imperiale Maßeinheiten verwendeten, das Unified-Gewinde als Standard einzuführen. Das Gewinde hat ein ähnliches Profil wie die metrische DIN-Schraube, die 1919 in Deutschland entwickelt worden war. Dies war eine Kombination aus den besten Eigenschaften des Whitworth-Gewindes (der abgerundete Gewindegrund, der sich günstig auf die Ermüdung auswirkte) und dem Sellers-Gewinde (60 Grad Steigung und flache Gewindespitzen). Es zeigte sich jedoch, dass der größere Radius des Gewindegrundes des Unified-Gewindes dem metrischen DIN-Profil überlegen war. Dies führte zur Entwicklung des metrischen ISO-Gewindes, das heutzutage in allen Industrieländern verwendet wird.

Alle, die in der Industrie arbeiten, können bezeugen, dass sich die Schrauben im Laufe der letzten Jahrzehnte deutlich verbessert haben. „Als ich vor 35 Jahren in der Industrie begann, war die Stärke der Schrauben noch nicht so klar definiert wie heute“, erinnert sich Eccles. „Mit der Einführung der modernen metrischen Eigenschaftsklassen und durch die neusten Aktualisierungen der relevanten ISO-Normen ist die Beschreibung der Stärke einer Schraube und der Testmethoden, die diese Eigenschaften festlegen, heute deutlich besser definiert.“

In dem Takt, in dem sich die Rohstoffindus­trie weiterentwickelt, werden Schrauben nicht nur aus Stahl sondern auch aus anderen, exotischeren Materialien hergestellt, um den geänderten Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.
In den letzten 20 Jahren wurden Nickel-Legierungen entwickelt, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen wie z. B. Turboladern und Motoren eingesetzt werden können, in denen Stahl nicht die gleiche Leistung bringt. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf Leichtmetallschrauben wie Aluminium, Magnesium und Titan.

Die moderne Schraubentechnologie hat seit den Tagen, in denen Schrauben und Muttern noch von Hand gefertigt wurden, und Kunden lediglich zwischen einfachen Stahlschrauben und Muttern wählen konnten, eine beein­druckende Entwicklung durchlaufen. Heutzutage entwickeln Unternehmen wie Nord-Lock fantastische Verbesserungen in der Schraubentechnologie, einschließlich Keilsicherungssystemen. Kunden können zwischen vormontierten Keilsicherungsscheiben aus Edelstahl oder mit Zinkflockenbeschichtung, Radmuttern für Stahlflachfelgen oder Kombibolzen wählen, die an den spezifischen Einsatzzweck angepasst werden. Der Erwerb des US-Unternehmens Superbolt Inc. und des Schweizer Unternehmens P&S Vorspannsysteme AG (heute Nord-Lock AG) hat das Portfolio der Nord-Lock Gruppe um Schraubenprodukte für die Schwerindustrie wie Offshore, Energiegewinnung und Bergbau erweitert, und dazu geführt, dass der Konzern auf seinem Weg zum Weltmarktführer auf dem Gebiet Schraubensicherung einen großen Schritt weiter gekommen ist.

Heute wird zudem wesentlich mehr Gewicht auf das Analysieren der Schraubenverbindungen gelegt. „Früher gaben ausschließlich Erfahrungswerte bei der Entscheidung für eine bestimmte Schraubengröße den Ausschlag. Und man hielt den Atem an und hoffte, dass alles gut geht“, fährt Eccles fort. „Heutzutage legt man mehr Gewicht auf die Analyse und stellt sicher, dass die Konstruktion funktioniert, bevor Produkte gebaut und auf den Markt gebracht werden.“

Hafenriesen

1 Dezember 2017
Kommentar

Text: Roxana Ortiz

Foto: Paceco

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

KUNDE: PACECO ESPAÑA S.A
PRODUKTE: KAIKRANE, VERLADEKRANE, DIENSTLEISTUNGEN UND SYSTEME FÜR DEN CONTAINERUMSCHLAG
GEGRÜNDET: 1967
ANTEILSEIGNER: MITSUI GROUP UND URSSA, S. COOP.
NORD-LOCK PRODUKT: NORD-LOCK KEILSICHERUNGSSCHEIBEN/ NL20

Mit seinem Angebot an Krane, Dienstleistungen und Systemen für den Containerumschlag muss sich das spanische Maschinenbauunternehmen Paceco España ständig neu an die Bedürfnisse seiner Kunden anpassen. Da Frachtschiffe immer größer werden, muss auch die Höhe, Reichweite und vor allem Effizienz von Kai- und Verladekranen mit dieser Entwicklung Schritt halten. Heute ist Paceco España in der Lage, Schiffe von 25 Containerlinien zu be- und entladen. Das Unternehmen stellt derzeit einen der weltweit größten und leistungsstärksten Kräne her, den Portainer Malaccamax, der eine Reichweite von maximal 72,5 Metern, einen Abstand von 52,5 Metern unter dem Spreizer und einen Schienenabstand von 30,48 Metern bietet.

Den ersten Kontakt mit Nord-Lock hatte Paceco España 2009, als das Unternehmen Schwierigkeiten mit einem seiner Kaikrane hatte. Bei dem Kran mit einer Tragfähigkeit von 65 Tonnen waren Probleme mit der Befestigung der Untersetzungsgetriebe an den Portalstützen aufgetreten – die Getriebe, über die der Kran auf dem Dock bewegt wird. Während des Betriebs hatten sich immer wieder die Befestigungsschrauben durch Vibrationen gelöst.

Im Zuge ihrer Problemanalysen setzten sich die Ingenieure von Paceco España mit den Technikern von Nord-Lock in Verbindung, die zur angenehmen Überraschung von Paceco España eine Lösung vorschlagen konnten. „Seit 2009 setzen wir Keilsicherungsscheiben von Nord-Lock ein und seitdem haben wir keine Probleme mehr mit Schraubenverbindungen, die Vibrationen ausgesetzt sind“, sagt der Ingenieur Pelayo Bobes. „Mit diesen Keilsicherungsscheiben waren wir in der Lage, unsere Kunden rundum zufrieden zu stellen und dabei auch noch Geld und Zeit zu sparen.

Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

F: Was bedeuten die Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben?
A:   Schraubenköpfe und Muttern sind oft mit einer Kennzeichnung in Form von Zahlen, Buchstaben, Bindestrichen, Schrägstrichen, Punkten oder diversen anderen Markierungen versehen. Verbindungselemente weisen im Allgemeinen zwei verschiedene Kennzeichnungen auf: Ein eindeutiges Herstellerkennzeichen – wie etwa Buchstaben oder Insignien – sowie Angaben zur Festigkeit des Verbindungselements. Diese Markierungen unterscheiden sich je nach Herstellungsart des Verbindungselements. In der nebenstehenden Tabelle sind die Verbindungselemente aus legiertem Stahl und Edelstahl aufgeführt, die den ISO-Normen entsprechen. Verbindungselemente mit UNC-Gewinde erfüllen hauptsächlich die Anforderungen der ASTM-Normen.

Da bei kleineren Größen, wie z. B. bei Durchmessern unterhalb von M5 nach ISO 898-1, nur wenig Platz vorhanden ist, können die Kennzeichnungen auch fehlen. Bei darüber liegenden Größen muss die Schraubenklasse jedoch auf dem Kopf angegeben sein.

 

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