1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKSchraubverbindungenSpannverbindungenFeinwerkelementeVDI/VDE 2251Blatt 1.1VDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI/VDE-RICHTLINIENBolted joints Tensioned joints Precision engineering componentsFrhere Ausgaben: VDI/VD
2、E2251Blatt 1:1972-01und VDI/VDE2251Blatt 1:2013-07EntwurfZubeziehen durch Beuth Verlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2016Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattetICS 39.020 Februar 2016VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikr
3、osystem- und Feinwerktechnik (GMM)Fachbereich Feinmechanik und MechatronikInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . .
4、. . . . . . . . . . . . . 22 Gewindeauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Unmittelbare Schraubverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.1 Auengewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Innengewinde . . . . . . . . . . . . . . .
5、 . . . . . . . . . . . . . . . 54 Mittelbare Schraubverbindungen durch Verbindungsteile. . . . . . . . 64.1 Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.2 Muttern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.3 Gewindeplatten . . . . . . . . . .
6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.4 Gewindeeinstze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.5 Scheiben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Schraubverbindungen speziell als Feinwerkelemente . . . . . . . . . . 115.1 Schraubverbindungen fr An
7、sichts- oder Funktionsflchen . . . . . . 115.2 Schraubverbindungen zur Aufnahme von Scherkrften . . . . . . . . 115.3 Schraubverbindungen vielfach geschichteter dnner Teile . . . . . . . 115.4 Dichte Schraubverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.5 Schraubverbindungen elektrisch
8、er Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Sicherung der Schraubverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.1 Lagesicherung der Verbindungspartner . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.2 Sicherung der Schraubverbindungen gegen Lsen . . . . . . . . . . . 126.3 Sicherung von Schrauben ge
9、gen Verlieren . . . . . . . . . . . . . . . 14Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02 2 VDI/VDE 2251 Blatt 1.1 Alle Re
10、chte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung
11、, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung desUrheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserRichtlinie m
12、itgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/2251.EinleitungSchraubverbindungen (Bild 1) sind unmittelbareoder mittelbare Verbindungen, die durch den Fge-vorgang Schrauben“ hergestellt werden. Dazu sindmindesten
13、s in einem Verbindungspartner oder Hilfs-bauteil ein Befestigungsgewinde oder Teile davonnotwendig.Bild 1. Mittelbare Schraubenverbindungena) Durchsteckverbindungb) Aufschraubverbindungc) Aufschraubverbindung mit StiftschraubeAuer den Verbindungsteilen werden bei Schraub-verbindungen zustzlich Hilfs
14、bauteile wie Scheiben(z.B. zum Ausgleich von Toleranzen und zum Ver-kleinern der Flchenpressung), Federscheiben, Fe-derringe und Splinte zum Sichern gegen Lsen derVerbindung verwendet.Schraubverbindungen mit normalen Gewinden undohne zustzliche Mittel zur Sicherung sind stets ls-bar. Bedingt lsbare
15、Verbindungen lassen sich mitSpezialgewinden und sogenannten selbstschneiden-den Schrauben unter Verwendung entsprechenderWerkstoffe oder Sicherungsmittel herstellen.Unlsbare Verbindungen sind nur unter Verwendungzustzlicher Sicherungsmittel (z.B. Klebstoffe ent-sprechender Festigkeit, spezielle Kopf
16、formen zur Si-cherung vor unbefugtem Zugriff) realisierbar.1 AnwendungsbereichSchraubverbindungen werden bevorzugt angewen-det, wenn aus Funktionsgrnden eine lsbare Verbin-dung gefordert ist. Der Fgevorgang (Montage) istauch unter schwierigen Bedingungen (z.B. geeigne-ter Werkzeugzugang) zuverlssig
17、mglich, und dieVerbindung kann mit hoher Sicherheit gegen selbst-ttiges Lsen ausgestattet werden.Fr Verbindungen, bei denen Lsbarkeit nicht not-wendig ist, werden Schrauben dann angewendet,wenn sichere Spannkrfte bei einfacher Gestaltungder Verbindungsstelle erreicht werden sollen oderMaschinen, Wer
18、kzeuge und Vorrichtungen fr andereVerbindungsarten nicht vorhanden oder einsetzbarsind.Die Schrauben sollen mglichst nur durch Lngs-krfte beansprucht werden; nur in Sonderfllen lsstman Scherbeanspruchungen des Schraubenschaftszu. Querkrfte zwischen den Bauteilen sind dahervorzugsweise durch Reibkrft
19、e in den Wirkflchender Verbindungspartner zu bertragen, die durch ge-ngend hohe Vorspannung der Schrauben (Flchen-pressungen in den Trennfugen) bewirkt werden ms-sen.In Tabelle 1 werden unterschiedliche mittelbare so-wie unmittelbare Schraubenverbindungen von zweioder mehreren Verbindungspartnern, m
20、it oder ohneVerwendung von zustzlichen Hilfsbauteilen, darge-stellt.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02VDI/VDE 2251 Blatt 1.1 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20
21、16Tabelle 1. bersicht von Schraubverbindungen mitoder ohne Hilfsbauteilen2 Gewindeauswahlberwiegend werden metrische Gewinde nachDIN 13-1 verwendet, auerdem metrische Feinge-winde nach DIN 13-2 bis DIN 13-4 fr Gewinde mitverhltnismig geringen Einschraublngen, Elek-trogewinde nach DIN 40400 sowie Ble
22、ch- und Holz-schraubengewinde.Flach-, Trapez- oder Sgengewinde sollten als Befes-tigungsgewinde nicht zur Anwendung kommen.Rechtsgngige Gewinde sollten bevorzugt, linksgn-gige und mehrgngige Gewinde sowie Kegelgewindenur in Sonderfllen zur Anwendung kommen.Um eine sichere Kraftbertragung zwischen de
23、n zuverbindenden Bauteilen zu gewhrleisten, sindSchraubenverbindungen vorzuspannen. Das erfolgtin der Feinwerktechnik durch einfaches festes Anzie-hen der Schraube oder Mutter von Hand (z.B. mitSchraubendreher oder Schraubenschlssel mit nichtdefinierter Kraft). Ist jedoch eine definierte Vor-spannkr
24、aft FV notwendig, kann man das Anzugs-moment MA (z.B. unter Verwendung eines Drehmo-mentschlssels) mithilfe von Formeln und Kennwer-ten aus der allgemeinen Literatur 1; 3; 4; 6; 15 so-wie aus der Richtlinie VDI 2230 Blatt 1 berechnen.Fr genherte Berechnungen (ISO-Profil und blicheWerkstoffe) nach 3;
25、 6 gilt:Mit dem mittleren Auflageradius:(1)wird(2)Dabei istrm mittlerer AuflageradiusDK Durchmesser SchraubenkopfDI Durchmesser SchraubenlochMA AnzugsmomentFV VorspannkraftP HebelarmlngeG Reibzahl im Gewinded2 GewindeauendurchmesserK Reibzahl der KopfauflageDies gilt nur fr Regelgewinde mit dem Stei
26、gungs-winkel = 30.Tabelle 2 enthlt Reibzahlen fr verschiedeneOberflchen- und Schmierzustnde; Tabelle 3 listetdie Durchmesser der Durchgangslcher fr Schrau-ben, abhngig vom Gewindedurchmesser, auf.Bild 2. Darstellung der Vorspannkraft FV und des Anzugs-moments MAFr berschlagsrechnungen (ISO-Profil un
27、d blicheWerkstoffe) zur Ermittlung des notwendigen An-zugsmoments MA empfiehlt sich folgende Formelnach 4; 15:(3)Dies gilt nur fr Regelgewinde mit dem Steigungs-winkel = 30.Fr vollstndige Berechnungen sind Festigkeitsrech-nungen, die die Beanspruchung des Gewindebolzensauf Zug und Verdrehung sowie d
28、es Muttergewindesauf Herausreien, zu bercksichtigen. Des Weiterenmssen die relativ groen Toleranzen der Gewinde,Normteile und Durchgangslcher bercksichtigtwerden. Aus diesem Grund wird auf die zuvor ge-nannte Literatur verwiesen.Verbin-dungSpann-wirkungberGestaltung der Verbindungzwei Verbindungs-pa
29、rtnermehr als zweiVerbindungs-partnerunmittel-barSchulteram Gewin-debolzenmittelbarmitSchraubeSchrauben-kopfSchrauben-endemittelbarmit MutterSchulteram Gewin-debolzenund MutterSchrauben-ende undMutterMutternmittelbarmitSchraube,MutteroderGewinde-platteSchrauben-ende undMutternSchrauben-kopf undMutte
30、rSchrauben-endenrm 0,25 DK DI+( )=MA FV 0,16 P 0,58+ G d2 K+ rm( )=MA 0,22 FV d2 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-02 4 VDI/VDE 2251 Blatt 1.1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V.
31、, Dsseldorf 2016Tabelle 2. Reibzahlen G und K fr verschiedene Oberflchen- und Schmierzustnde (VDI 2230 Blatt 1)Anmerkung: Es sind Reibungszahlen anzustreben, die sich in die Reibungszahlklasse B einordnen, um eine mglichst hohe Vorspannkraftbei geringer Streuung aufzubringen. Dies bedeutet nicht aut
32、omatisch die Verwendung der Kleinstwerte und dass die vorhandene Reibungszahl-streuung der Klassenstreuung entspricht. Tabelle 2 gilt fr Raumtemperatur. Tabelle 3. Durchgangslcher DI in mm fr Schrauben (Auszug DIN EN 20273)Reibungszahl-klasseBereich frG und KAuswahl typischer Beispiele frWerkstoff/O
33、berflchen SchmierstoffeA 0,04 bis 0,10metallisch blankvergtungsschwarzphosphatiertgalvanische berzge wieZn, Zn/Fe, Zn/NiZink-Lamellen-berzgeFestschmierstoffe wie MoS2, Grafit, PTFE, PA, PE, PIin Gleitlacken, als Top-Coatsoder in Pasten;Wachsschmelzen;WachsdispersionenB 0,08 bis 0,16metallisch blankv
34、ergtungs-schwarzphosphatiertgalvanische berzge wieZn, Zn/Fe, Zn/NiZink-Lamellen-berzgeAl- und Mg-LegierungenFestschmierstoffe wie MoS2, Grafit, PTFE, PA, PE, PIin Gleitlacken, als Top-Coatsoder in Pasten;Wachsschmelzen;Wachsdispersionen, Fette;le; Anlieferzustandfeuerverzinkt MoS2; Grafit;Wachsdispe
35、rsionenorganische Beschichtungen mit integriertem Festschmierstoffoder Wachsdispersionaustenitischer Stahl Festschmierstoffe oder Wachse; PastenC 0,14 bis 0,24austenitischer Stahl Wachsdispersionen; Pastenmetallisch blankphosphatiertAnlieferungszustand (leicht gelt)galvanische berzge wieZn, Zn/Fe, Z
36、n/NiZink-Lamellen-berzgeKlebstoffohneD 0,20 bis 0,35austenitischer Stahl lgalvanische berzge wieZn, Zn/FefeuerverzinktohneE 0,30galvanische berzge wieZn/Fe, Zn/Niaustenitischer StahlAl-, Mg-LegierungenohneGewinde-durchmesserDurchgangsloch Gewinde-durchmesserDurchgangslochfein mittel grob fein mittel
37、 grob33,5456781012143,23,74,35,36,47,48,410,513153,43,94,55,56,67,691113,515,53,64,24,85,878101214,516,5161820222427303336391719212325283134374017,520222426303336394218,5212426283235384245B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsC
38、ollection - Stand 2016-02VDI/VDE 2251 Blatt 1.1 5 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20163 Unmittelbare SchraubverbindungenUnmittelbare Schraubverbindungen werden durchein oder mehrere Wirkflchenpaare der zu verbinden-den Bauteile (beliebig geformter Verbindungspart-
39、ner) realisiert. An den Verbindungspartnern sind An-stze mit Auengewinde und in Durchgangs- oderSacklchern Innengewinde zum Verbinden vorzu-sehen.3.1 AuengewindeDie Gewinde werden im Normalfall auf zylindrischeKrper geschnitten oder gerollt und enden je nachBedarf (DIN 76-1; Bild 3; Bild 4a).Bild 3.
40、 Gewindeauslufe und Gewindefreistiche (Lnge a)Gewinde knnen auch geprgt, auf gegossene bzw.fliegepresste Bolzen oder auf Rohre geschnittenwerden. Die fr die Spannwirkung notwendige Funk-tionskraft wird entweder durch die Anlageflchen(Bild 4) oder durch die funktionsgerecht gestaltetenEnden der Gewin
41、debolzen (DIN 78; Bild 5) erzielt.Eine groflchige Anlage ergibt keine Verformung.Einprgungen an definierter Stelle, die sich dabei er-geben, werden bei jeder Wiedermontage weiterbe-nutzt. In Sonderfllen kann ein Zapfen Axialkrfteaufnehmen.Zum Herstellen oder Lsen der Verbindungen wer-den die Bolzen
42、so gestaltet, dass Angriffsflchen frentsprechende Werkzeuge entstehen (Bild 6). Dasder Befestigungsstelle abgewandte Ende des Bolzenslsst sich auch als Schraubenkopf mit Schlitz odereine der anderen bekannten Kopfformen gestalten.Ferner lassen sich Bleche oder Buchsen anschweienoder anlten.3.2 Innen
43、gewindeInnengewindelcher knnen durchgehend oder alsSacklcher ausgefhrt werden, wobei die erforderli-che Gewindelnge werkstoffabhngig ist. Diese lsstsich bei dnnen Teilen, oder solchen aus Werkstoffenmit geringer Festigkeit, durch konstruktive Manah-men erreichen (Bild 7). Es kann sich hierbei umHilf
44、sbauteile unterschiedlichster Gestaltung handeln.Bild 4. Gestaltungsbeispiele fr Anlageflchena) gedreht f) gestauchter Bundb) gefrst g) Sickec) Sicherungsscheibe h) gegossene, gespritzte oder fliegepresste Schulterd) Stift i) gebogene Lappene) geformte, geprgte KerbenBild 5. Schraubenenden nach DIN
45、78 Ko ohne Kuppe Spz Splintzapfen Sp SpitzeK Kegelkuppe Za Zapfen Asp AnsatzspitzeL Linsenkuppe Ak Ansatzkuppe Sb Schabenut (zum Gewindeschneiden)Ks Kegelstumpf Rs RingschneideB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEE1A29BEST BeuthStandardsCollection -
46、Stand 2016-02 6 VDI/VDE 2251 Blatt 1.1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016Bild 8 zeigt Gewindehinterschnitte bei Sacklochge-winden.Bei der Gestaltung von Gewindebohrungen ist jedochdarauf zu achten, dass bei der konstruktiven Ausfh-rung die folgenden Kriterien be
47、rcksichtigt werden:Bei Durchgangsgewinden (Bild 9) muss der Gewin-debohrer bis zum Gewindeende freien Durchgang ha-ben. Besonders bei kleinen Durchmessern darf dasGewindeende nicht in einer schrgen Flche enden,da sonst Bruchgefahr fr Bohrer und Gewindebohrerbesteht.Bild 9. Zweckwidrige Lage oder For
48、m des Auslaufraums derGewindebohrunga) Bohrungsversatzb) Rundungc) schrge Flche4 Mittelbare Schraubverbindungen durch VerbindungsteileMittelbare Schraubverbindungen beliebig geformterVerbindungspartner werden durch ein oder mehrereHilfsbauteile realisiert. Die bertragung der Betriebs-krfte erfolgt d
49、urch die verwendeten Hilfsbauteile.Verwendbare Verbindungs- oder Hilfsbauteile sindSchrauben, Muttern, Scheiben sowie deren Sonder-formen. Nachfolgend werden genormte und nicht ge-normte Verbindungs- oder Hilfsbauteile der Gerte-technik dargestellt und benannt.4.1 SchraubenSchrauben unterschiedlichster Werkstoffe und Ge-staltung sind die am hufigste
