Anleitung zur Auswahl und sicheren Verwendung von metrischen ISO-Schrauben für die Wartung

Stellen Sie sich vor, ein hochwertiges Präzisionsgerät wird durch den Ausfall einer einzigen kleinen Schraube unbrauchbar gemacht – die daraus resultierenden Verluste könnten katastrophal sein. In der mechanischen Instandhaltung mögen Schrauben und Muttern unbedeutend erscheinen, aber sie sind entscheidend für den sicheren und stabilen Betrieb von Geräten. Angesichts der riesigen Vielfalt an metrischen Schrauben und Muttern, die verfügbar sind, wie kann man diese jedoch genau identifizieren, richtig auswählen und sicher befestigen? Dieser Leitfaden bietet klare, praktische Anweisungen für diese Aufgaben.

Beim Zusammenbau und der Wartung moderner Maschinen spielen Schrauben und Muttern eine entscheidende Rolle. Sie sind die Schlüsselkomponenten, die verschiedene Teile verbinden und die strukturelle Integrität der Geräte gewährleisten. Auf den ersten Blick mögen alle metrischen Schrauben ähnlich aussehen, aber in Wirklichkeit unterscheiden sie sich erheblich in Bezug auf Gewindeart, Festigkeitsklasse und Maßspezifikationen. Eine falsche Auswahl oder Verwendung kann zu Geräteausfällen oder sogar Sicherheitsrisiken führen. Daher ist ein tiefes Verständnis der Eigenschaften von metrischen Schrauben und Muttern sowie die richtige Auswahl und Befestigungstechnik für das Wartungspersonal unerlässlich.

Dieser Leitfaden richtet sich an Fachleute, die in der Fabrik- und Maschinenwartung tätig sind, und vermittelt grundlegendes Wissen über metrische ISO-Schrauben und -Muttern, um ihnen zu helfen, Ersatzteile richtig zu identifizieren und zu verwenden und so einen sicheren und zuverlässigen Gerätebetrieb zu gewährleisten. Wir konzentrieren uns auf die am häufigsten verwendeten metrischen Schrauben und Muttern in industriellen Umgebungen und geben praktische Tipps zur Identifizierung und Anwendung.

Die ISO-Norm definiert mehrere spezialisierte Gewindearten, aber in den meisten mechanischen Geräten werden nur zwei häufig verwendet: Standardsteigung und Feingewinde. Andere Gewindearten sind hauptsächlich Spezialgeräten wie Präzisionsinstrumenten oder optischen Geräten vorbehalten.

Die Steigung bezieht sich auf den Abstand zwischen benachbarten Gewinden, gemessen in Millimetern. Standardsteigungsgewinde eignen sich für die meisten allgemeinen Verbindungen, während Feingewindegewinde dort eingesetzt werden, wo eine höhere Haltekraft oder Vibrationsbeständigkeit erforderlich ist.

Die folgende Tabelle listet die gebräuchlichsten Kombinationen von Gewindedurchmessern und Steigungen in Industriemaschinen auf:

Mit Ausnahme der Schrauben und Muttern niedrigster Güte weisen alle metrischen Befestigungselemente Festigkeitskennzeichnungen auf. Diese Markierungen helfen, ihre Tragfähigkeit schnell und genau zu bestimmen.

Schraubenköpfe sind typischerweise mit zwei durch einen Dezimalpunkt getrennten Zahlen gekennzeichnet. Die gesamte Bandbreite umfasst zehn Klassen von 3.6 bis 14.9, aber in industriellen Umgebungen sind die gängigen Klassen 8.8, 9.8, 10.9 und 12.9. Der Schraubenkopf enthält auch einen Herstellercode (normalerweise zwei oder drei Buchstaben).

Die erste Zahl gibt die Zugfestigkeit des Schraubenstahls an, grob gemessen in 10 kg pro Quadratmillimeter Querschnittsfläche. Beispielsweise hält eine Schraube der Klasse 12.9 mindestens 120 kg pro Quadratmillimeter stand, bevor sie bricht. Ebenso hat eine Schraube der Klasse 8.8 eine Bruchlast von 80 kg pro Quadratmillimeter.

Wenn eine Schraube allmählich belastet wird, dehnt sie sich leicht aus, wie eine Feder. Wenn die Last freigegeben wird, kehrt sie in ihre ursprüngliche Länge zurück. Es gibt jedoch eine Grenze, über die hinaus sich die Schraube nicht vollständig erholt, sondern sich dauerhaft dehnt – dies ist die Streckgrenze. Die zweite Zahl auf dem Schraubenkopf stellt den Prozentsatz der Zugfestigkeit dar, der die Schraube standhalten kann, bevor die Dehnung beginnt.

Beispielsweise beginnt sich eine Schraube der Klasse 12.9 zu dehnen, wenn die Last 90 % ihrer Bruchlast erreicht. Ebenso beginnt sich eine Schraube der Klasse 9.8 bei 80 % ihrer Bruchlast zu dehnen.

Festigkeitskennzeichnungen auf Muttern sind oft schwieriger zu identifizieren als auf Schrauben. Sie können als Zahlen oder als Muster aus Punkten und Linien erscheinen, wobei die Linienposition an die Zeiger einer Uhr erinnert, die die Klasse angeben.

Die Mutternklasse sollte immer der Schraubenklasse entsprechen oder diese um eine Stufe übertreffen. Beispielsweise sollte eine Schraube der Klasse 8.8 mit einer Mutter der Klasse 8 oder 9 kombiniert werden. Eine Schraube der Klasse 12.9 sollte mit einer Mutter der Klasse 12 oder 14 kombiniert werden.

Wie bereits erwähnt, erreicht eine Schraube, wenn sie allmählich belastet wird, eine Streckgrenze (an der die dauerhafte Dehnung beginnt). Wenn die Last weiter erhöht wird, erreicht die Schraube ihren Bruchpunkt. Normen definieren eine „Prüflast“, typischerweise 90 % der Last, die erforderlich ist, um die Schraube zu dehnen.

In der Praxis konstruieren Hersteller Maschinen oft so, dass Schrauben Lasten weit unterhalb der Prüflast tragen, wodurch ein robuster Sicherheitsfaktor gewährleistet wird.

Feingewindeschrauben sind typischerweise 10 % stärker als Schrauben mit Standardsteigung, da beim Gewindeschneiden weniger Metall entfernt wird.

Die empfohlenen maximalen Drehmomente in der folgenden Tabelle gehen von leicht geschmierten Gewinden aus. Das Anziehen einer Schraube auf das angegebene Drehmoment sollte die Spannung in der Schraube auf etwa 85 % der Prüflast einstellen, was 62 % der Bruchlast entspricht.

Verwenden Sie diese Drehmomentwerte nur, wenn der Maschinenhersteller keine Drehmomenteinstellung angegeben hat.

Feingewindeschrauben und -muttern werden typischerweise nur in Sonderfällen verwendet, und die Wartungsdokumentation des Herstellers sollte das für jede Anwendung erforderliche Drehmoment angeben.

Feingewinde werden oft verwendet, wenn Schrauben in Weichmetallblöcke (z. B. Aluminiumguss) geschraubt werden, bei denen die Gewinde im Block viel schwächer sein können als die Schraube und normalerweise ein geringeres Drehmoment erfordern, um ein Ausreißen zu vermeiden.

Viele Faktoren beeinflussen die Festigkeit von Gewindeteilen, darunter Herstellungsmethoden, Oberflächenbeschaffenheit und Präzision der Gewindeform.

Die Festigkeit einer Gewindeverbindung hängt von ihrer schwächsten Komponente ab. Wenn beispielsweise eine hochfeste Schraube in ein weicheres, duktileres Material (z. B. Aluminiumlegierung oder kohlenstoffarmer Stahl) geschraubt wird, bestimmt das weichere Teil das maximal zulässige Drehmoment.

Häufiger müssen Schrauben nicht nur Zuglasten durch Anziehen, sondern auch seitlichen oder „Scher“-Lasten standhalten. Ein typisches Beispiel sind zwei Platten, die zusammengeschraubt und Kräften ausgesetzt sind, die Scherkräfte auf die Schraube ausüben.

Wenn die angelegte Last sehr gering ist, kann die Reibung zwischen den Platten aufgrund der Schraubenfestigkeit eine Bewegung verhindern. Sofern jedoch keine Passstifte zur Aufnahme der Scherkraft eingebaut sind, erfährt die Schraube schließlich sowohl Scher- als auch Zugspannung. Die Kombination dieser Spannungen erzeugt eine größere Gesamtspannung als jede für sich allein, sodass das Voranzugsmoment der Schraube möglicherweise niedriger sein muss als die Maximalwerte, um zusätzliche Spannungen durch Scherung zu berücksichtigen.

Als Richtlinie gilt, dass eine Reduzierung des Anzugsdrehmoments um 10 % es ermöglicht, dass 35 % der Belastbarkeit der Schraube Scherkräfte ohne Überlastung bewältigen.

Konstrukteure müssen all diese Faktoren berücksichtigen und können ein geringeres Drehmoment angeben, insbesondere bei Hebezeugen, die hohe Sicherheitsmargen erfordern.

Beachten Sie immer die Wartungsdokumentation des Maschinenherstellers für die angegebenen Drehmomentwerte für Schrauben und Muttern in Hebe- und lasttragenden Anwendungen.

Die folgende Tabelle listet die richtigen Schlüssel- und Innensechskantgrößen für die gängigsten Schrauben- und Mutterngrößen in Industriemaschinen auf.

Um das Risiko des Abrutschens des Schlüssels und Beschädigungen der Befestigungskanten zu minimieren, verwenden Sie nach Möglichkeit einen Ringschlüssel (oder den Ringschlüssel eines Kombischlüssels).

Metrische Schrauben werden etwas kleiner als ihre Nenngröße hergestellt – beispielsweise hat eine M16-Schraube typischerweise einen Schaftdurchmesser von 15,97 mm. Dies bedeutet, dass eine 16-mm-Schraube durch ein 16-mm-Loch passen kann, aber um Fehlausrichtungen zwischen den Teilen zu berücksichtigen, werden Durchgangslöcher typischerweise etwas größer gebohrt.

Die folgende Tabelle enthält typische Durchgangslochgrößen und die richtigen Gewindebohrergrößen für Standard- und Feingewinde.

Für metrische Gewinde lassen sich die Gewindebohrergrößen einfach als Schraubendurchmesser minus Gewindesteigung berechnen. Beispielsweise benötigt eine M16-Schraube mit Standardsteigung und einer Steigung von 2,0 mm eine Gewindebohrergröße von 16 – 2 = 14 mm.

Entfernen Sie beim Gewindeschneiden, insbesondere bei M10 und kleineren Größen, häufig den Gewindebohrer, um Metallspäne zu entfernen und Brüche zu vermeiden.

Beim Anziehen einer Schraube in Gewinde oder einer Mutter-Schraube-Baugruppe, um Teile zusammenzuklemmen, erzeugt das angelegte Drehmoment Zugspannung im Schraubenschaft.

Die tatsächliche Kraft in der Schraube hängt von Faktoren wie Gewindeform, Steigung, Oberflächenbeschaffenheit und Schmierung ab. Für die meisten Standardfälle mit leicht geschmierten metrischen Schrauben kann die Kraft wie folgt angenähert werden:

Kraft = 5 × Drehmoment / Durchmesser

Wobei die Kraft in Newton (N), das Drehmoment in Newtonmetern (Nm) und der Durchmesser in Metern (m) angegeben ist. Beispielsweise erzeugt eine M16-Schraube, die auf 247,5 Nm angezogen wird:

Kraft = 5 × 247,5 Nm / 0,016 m = 77.344 N (77,3 kN)

Um Newton in Kilogramm-Kraft (kgf) umzurechnen, dividieren Sie durch 9,81 (oder 10 für schnelle Schätzungen), was 7.884 kgf Schraubenlast ergibt.

Trockene Gewinde erhöhen die Reibung, was zu einer geringeren Kraft führt.

Schraubverbindungen versagen typischerweise auf drei Arten: Scherversagen, Zugbruch oder Gewindeausreißen.

Zugbruch (Schraube bricht) tritt bei Überlastung der Verbindung oder übermäßigem Anziehen auf. Schrauben versagen oft dort, wo das Gewinde auf den Schaft trifft.

Scherversagen tritt auf, wenn seitliche Kräfte die Kapazität der Schraube überschreiten, oft verschlimmert durch Überdrehen, wodurch keine Festigkeitsreserve für Scherkräfte verbleibt. Beide Ausfallarten treten normalerweise früh oder spät im Lebenszyklus einer Komponente auf.

Ein häufiger Betriebsausfall beinhaltet seitliche Lasten, die Muttern von Schrauben abhebeln und Kaskadenausfälle verursachen. Die Gewindekonizität führt zu einer Ausdehnung der Mutter, wodurch der Gewindeeingriff reduziert wird, bis das Metall nachgibt und die Gewinde ausreißen.