Die Geschichte der Schraube

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.

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.“