Dehnschraube

Einfache Dehn­schraube

EineDehnschraubeist eine merklichelastischdehnbareSchraubehöhererFestigkeitsklasse.Sie verhält sich in einer Schraubenverbindung dank eines schlanken und besonders langen Schafts wie einevorgespannteZugfeder.

Die durch das Anziehen im gedehnten Schaft erzeugteZugkraftmindert sich nur wenig, wenn sich die Schraubverbindung später durchplastische Verformungsetzt.Deshalb kann die entsprechendeVerschraubungohne zusätzlicheVerdrehsicherungauskommen. Sie kann sich nicht lockern, ist also selbstsichernd.

Beiwechselnder Beanspruchungdurch eine zeitlich veränderlicheKraftdehnt sich die Schraube weiter (Krafterhöhung), ohne überdehnt zu werden, bzw. sie zieht sich etwas zusammen (Kraftminderung), ohne sich zu lockern.

Bauform

Zur Aufnahme zusätzlicher elastischerVerformungsarbeitist der Schaft (zylindrischer Teil ohneGewinde) länger als bei einer Standardschraube. Gleichzeitig ist sein Durchmesser kleiner als derKerndurchmesser des Gewindes,damit dieses nicht mehr das schwache Element der Schraube ist.

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

Funktion

Die Verwendung einer Dehnschraube verhindert, dass Längenänderungen im Betrieb – z. B. durch Temperaturänderungen bei hoher unterschiedlicherWärmedehnungzwischen der Schraube und den zu befestigenden Bauteilen – zu starken Kraftänderungen führen; SchraubennormalerSchaftlänge würden nämlich in diesem Fall:

• sich stärker ausdehnen/weniger stark schrumpfen als die zu verbindenden Teile und damit weniger gedehnt/gespannt, wodurch die bei der Montage erzeugte Vorspannung verschwindet und die Schraube locker wird, oder
• sich weniger stark ausdehnen/stärker schrumpfen als die zu verbindenden Teile und damit stärker gedehnt/gespannt, wodurch plastische Verformung bis zur Lockerung der Schraube eintritt oder trennende Verformung in Gewinde bzw. Schaft und damit Zerstörung der Verbindung.

Eine Dehnschraubenverbindung ist auch von Vorteil bei Wechselbeanspruchung, d. h. bei schneller Änderung derBelastungzwischen Null und Maximalwert. Last-Stößewerden durch die Dehnung gemildert. Für dieWechselfestigkeitder Schraube ist nicht mehr dieKerbwirkungdes Gewindes das begrenzende Phänomen, sondern der schlankere Schaft.

Anwendungen

Am häufigsten werden Dehnschrauben inVerbrennungsmotorenverwendet. Außer Betrieb und im Dauerbetrieb haben alle Teile temperaturabhängige unterschiedliche Betriebsmaße. Dehnschrauben ermöglichen u. a., dass dieZylinderkopfdichtungin beiden genannten Betriebszuständen ausreichend stark zusammengepresst wird. Bei Verwendung „starrer “Standardschrauben wäre das wegen der großenthermischen Dehnungdes ausAluminiumbestehendenZylinderkopfsnicht 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 imVW Golf IIIwerden z. B. nach folgendem Schema angezogen:

1. Stufe 40Nm
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 Montagevorrichtungenverwendet, 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. In beiden Fällen werden sie ohne zusätzlichesDrehmomentnur bis zum Aufsetzen der Köpfe eingedreht. Die Vorspannung stellt sich nach Entfernen der Vorrichtung bzw. nach Erkalten der Schrauben ein.

Oft sind Dehnschrauben bis zur möglichen Materialgrenze ausgelegt, so dass an den Schaftenden (Gewinde, Kopf) zunächst Spannungsspitzen 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 sie dadurch brechen können.

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

Auslegung

BeimEntwurfeiner Schraubenverbindung arbeitet derKonstrukteurvorteilhaft mit demVerspannungsdiagramm nachFelix Rötscher(Rötscher-Diagramm). Dieses komplexe Diagramm berücksichtigt die federnden Eigenschaften aller beteiligten Teile und stellt ihre Wirkung in der Verbindung anschaulich dar. Es enthält zusammenfassend je eine Kennlinie Kraft über Weg (Federkennlinie) für die gedehnten und für die gestauchten Teile. Beide treffen sich in einem gemeinsamen Punkt, der von der Vorspannkraft vorgegeben und Bezugspunkt für die zu untersuchenden Änderungen im Betrieb ist. Die Schraubenverbindung wird dabei soausgelegt,dass die verbundenen Teile bei den maximal auftretenden Kräften nicht voneinander abheben und die zulässigeFestigkeitder Schraube nicht überschritten wird.

Weblinks

• Rötscher-Diagramme für Standard- und Dehnschraube