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Einfache Dehnschraube

Eine Dehnschraube ist eine merklich elastisch dehnbare Schraube höherer Festigkeitsklasse. Die durch das Anziehen im gedehnten Schaft erzeugte Zugkraft mindert sich nur wenig, wenn später durch plastische Verformung sogenanntes Setzen in der Schraubverbindung stattfindet. Die entsprechende Verschraubung kann ohne zusätzliche Verdrehsicherung auskommen, sie ist selbstsichernd. Bei wechselnder Beanspruchung durch eine zeitlich veränderliche Kraft dehnt sich die Schraube weiter (Krafterhöhung), beziehungsweise sie zieht sich etwas zusammen (Kraftminderung), ohne überdehnt zu werden oder sich zu lockern.

Inhaltsverzeichnis

FunktionBearbeiten

Eine Dehnschraube verhält sich in einer Schraubenverbindung wie eine vorgespannte Zugfeder. Die besondere federnde Eigenschaft bewirkt ihr schlanker und besonders langer Schaft. Ihre Verwendung verhindert, dass Längenänderungen im Betrieb – zum Beispiel durch Temperaturänderungen – zu starken Kraftänderungen führen, die die Verbindung zerstören oder komplett lockern können.

Schrauben normaler Schaftlänge würden bei hoher unterschiedlicher Wärmedehnung zwischen sich und den zu befestigten Bauteilen im Betrieb entweder zu stark gespannt, wodurch plastische (bis zur Lockerung der Schraube) oder trennende Verformung im Gewinde oder im Schaft eintritt. Andererseits, wenn sich eine kurze Schraube stärker dehnt als sich die zu verbindenden Teile ausdehnen, verschwindet die bei der Montage erzeugte Vorspannung, und die Schraube wird locker.

Eine Dehnschraubenverbindung ist auch von Vorteil bei sogenannter Wechselbeanspruchung (schnelle Änderung der Belastung zwischen Null und Maximalwert). Last-Stöße werden durch die Dehnung gemildert. Der Durchmesser des Schraubenschafts ist kleiner als der des Gewindes. Die Kerbwirkung in letzterem ist nicht mehr das begrenzende Phänomen für die Wechselfestigkeit der Schraube.

BauformBearbeiten

Zur Aufnahme von mehr elastischer Verformungsarbeit ist der Schaft (zylindrischer Teil ohne Gewinde) länger als bei einer Standardschraube. Er ist aber dünner als das Gewinde (Kerndurchmesser), damit nicht dieses das schwache Element der Schraube ist.

Die miteinander zu verbindenden Teile sind häufig für eine Dehnschraube zu dünn. Dann wird eine lange Hülse „untergelegt“. Diese ist als weiteres elastisch verformbares Bauteil willkommen. Solche Dehnschraubenverbindungen mit vorstehenden Schrauben sind geometrisch auffällige Gebilde.

AnwendungenBearbeiten

Die am häufigsten verwendeten Dehnschrauben sind Schrauben in Verbrennungsmotoren. Außer Betrieb und im Dauerbetrieb haben alle Teile temperaturabhängige unterschiedliche Betriebsmaße. Dehnschrauben ermöglichen unter anderem, dass die Zylinderkopfdichtung in beiden Betriebszuständen ausreichend stark zusammen gepresst wird. Bei Verwendung von „starren“ Standardschrauben wäre das wegen der großen thermischen Dehnung des aus Aluminium bestehenden Zylinderkopfs nicht möglich.

Eine Dehnschraubenverbindung ist immer mit der vorgesehenen Vorspannung zu erstellen. Die Montage hat sorgfältig kontrolliert zu erfolgen. Die Zylinderkopfschrauben am 1,6-l-Benzin-Motor im VW Golf III werden zum Beispiel nach folgendem Schema angezogen:

  1. Stufe 40 Nm
  2. Stufe 60 Nm
  3. Stufe +90° (1/4 Umdrehung)
  4. Stufe +90° (1/4 Umdrehung)

Bei sehr großen Motoren und anderen großen Maschinen werden Montagevorrichtungen verwendet, mit denen es möglich ist, die Schrauben während des Einbaus mechanisch gedehnt zu halten. Eine andere Möglichkeit ist, die Schrauben durch starke Erwärmung verlängert einzubauen. Sie werden in beiden Fällen nur bis zum Aufsetzen der Köpfe ohne zusätzliches Drehmoment eingedreht. Die Vorspannung stellt sich nach Entfernen der Vorrichtung beziehungsweise nach Erkalten der Schrauben ein.

Oft sind Dehnschrauben bis zur möglichen Materialgrenze ausgelegt, so dass zunächst Spannungsspitzen an den Schaftenden (Gewinde, Kopf) im plastischen Bereich entstehen und beim ersten Betrieb durch Verformung abgebaut werden. Diese Schrauben müssen bei Reparaturen gegen neue ausgetauscht und dürfen nicht wieder montiert werden, da ihr Material durch Überdehnung geschädigt wurde und die Schrauben brechen können.

Im weitesten Sinn können auch Fahrradspeichen als Dehnschrauben betrachtet werden. Sie haben ein Gewinde und unterliegen einer andauernden Wechselbelastung. Entsprechend sind dünnere Speichen dehnfähiger und halten länger als dickere.

Auslegung von DehnschraubenverbindungenBearbeiten

Beim Entwurf einer Schraubenverbindung arbeitet der Konstrukteur vorteilhaft mit dem sogenannten Verspannungsdiagramm nach Felix Rötscher (Rötscher-Diagramm). Dieses ist ein komplexes Diagramm, das die federnden Eigenschaften aller beteiligten Teile berücksichtigt und deren Wirkung in der Verbindung anschaulich darstellt. Es enthält zusammenfassend je eine Kennlinie Kraft über Weg (Federkennlinie) für die gedehnten und für die gestauchten Teile. Beide Linien treffen sich im von der Vorspannkraft vorgegebenen gemeinsamen Punkt im Diagramm, der Bezugspunkt für die zu untersuchenden Änderungen im Betrieb ist. Die Schraubenverbindung wird dabei so ausgelegt, dass die verbundenen Teile bei den maximal auftretenden Kräften nicht voneinander abheben und die zulässige Festigkeit der Schraube nicht überschritten wird.

WeblinksBearbeiten