Gewindeausführungen von Metallbauteilen
Das Gewinde ist keine Erfindung der Neuzeit, sondern in der Spätantike finden sich davon bereits die ersten Ursprünge. Im Laufe der Jahrtausende hat es jedoch nicht an Funktionalität und Bedeutung verloren! Gewinde begegnen uns insbesondere bei Verbundteilen wie Schrauben und Muttern sowie bei Gewindestangen. Relativ eindeutig identifiziert können sie als spiralförmige Einkerbungen entlang eines zylindrischen Körpers sein. Das Gewinde kann als Innengewinde oder Außengewinde zum Einsatz kommen. Bei Ersterem findet sich die Spiralform innerhalb des zylindrischen Körpers (bspw. bei Muttern) und bei Zweiterem ist die Spiralform außen angebracht (bspw. Schrauben oder Gewindestangen). Außengewinde und Innengewinde bilden passgenaue Paare. Nur dadurch kann die Funktion eines Gewindes erst ergriffen werden. Diese liegt darin, Drehbewegungen (frei rotierende Krafteinwirkungen) in einer linearen bzw. axiale Bewegungsrichtung zu überführen. Bei Schrauben kann sich diese Eigenschaft auch ohne Vorhandensein eines passgenauen Außengewindes zu eigen gemacht werden: Sogenannte Gewindefurchende Schrauben drehen sich ihr „eigenes Gegengewinde“. Dies birgt Potentiale einer enormen Senkung der benötigten Materialmenge und spart Materialbearbeitungen ein. Aus diesen Gründen werden gewindefurchende Schrauben aus zeitlicher und finanzieller Sicht häufig bevorzugt. Heutzutage existiert eine Vielzahl verschiedener Gewindetypen, die wiederum durch ISO bzw. DIN Normen streng definiert und außerdem standardisiert sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Gewindetypen auch von unterschiedlichen Herstellern passgenau und auch funktionsfähig sind. Ein Gewinde wird durch verschiedene Kenngrößen charakterisiert, von denen einige nachfolgend aufgelistet und knapp erklärt werden:
Nenndurchmesser
Beim Nenndurchmesser wird der Abstand zwischen den zwei äußersten Kanten der gegenüberliegenden Gewindeflanken gemessen; Es handelt sich um den größten Durchmesser der Gewindegeometrie.
Kerndurchmesser
Im Gegensatz zum Nenndurchmesser wird hier der Abstand der tiefsten gegenüberliegenden Einkerbungen gemessen; Es handelt sich um den kleinsten Durchmesser der Gewindegeometrie.
Flankendurchmesser
Der Flankendurchmesser bildet den Abstand der imaginären Profil-Mittellinien gegenüber der Gewindeflanken ab.
Flankenwinkel
Der Flankenwinkel gehört zu den wichtigsten Kenngrößen und markiert gleichzeitig ein zentrales Unterscheidungsmerkmal der jeweiligen Dabei handelt es sich um den Winkel zweier zueinander gerichteter benachbarter Gewindeflanken.
Steigung
Allgemein gesprochen handelt es sich bei der Steigung um die Strecke, die zurückgelegt wird. Die Steigung drückt sich jedoch unterschiedlich und in Abhängigkeit davon aus, ob es sich um ein metrisches oder um ein Zoll-Gewinde handelt: Beim metrischen Gewinde wird der Abstand zwischen zwei Gewindespitzen in Millimeter angegeben (alte Bezeichnung „Ganghöhe“). Beim Zoll-Gewinden drückt die Steigung aus, wie viele Vollumdrehungen es bedarf, bis das Gewinde ein Zoll Gang- bzw. Gewinde ist. Höhenunterschied erreicht hat. Dadurch leitet sich auch die bei diesem Gewindetyp vorzufindende Steigungseinheit tpi ab (engl. threads per inch; Umdrehungen pro Zoll) ab.
Die nachfolgende Darstellung nennt und charakterisiert die gängigsten Gewindetypen. Aufgrund der Komplexität der Gewindelehre und dem Umstand, dass bei vielen Gewindetypen Subgattungen existieren, dient die folgende Auflistung lediglich dem Zweck, sich einen ersten Überblick in die Thematik zu verschaffen.
Metrisches ISO-Gewinde
Das metrische ISO-Gewinde ist weltweit am meisten verbreitet und gehört zu den bekanntesten Gewindeformen. Im deutschen Sprachgebrauch finden Sie sich dazu auch zahlreich Synonyme Wie
- Regelgewinde,
- Normalgewinde,
- Spitzgewinde,
- Maschinengewinde oder
- Metallgewinde
Als standardisiertes Gewinde wird es verwendet in der Norm DIN-13 1 genau klassifiziert. Charakteristisch für das metrische ISO-Gewinde ist ein Zulaufen der Gewindeflanken in V-Form (keilförmig). Weiterhin ist der Winkel zwischen zwei auf einer Seite gegenüberliegenden Außenkanten, der sogenannte Flankenwinkel, auf 60 Grad festgesetzt. Aufgrund dieser Geometrie hat das Gewinde nach Versenkung in den Untergrund einen Guten Halt und verrutschen Sie nicht – es gehört somit zu den selbsthemmenden Befestigungsgewinden. Der Nenndurchmesser wird – zusammen mit einem vorangestellten M als charakteristisches Kürzel – in Millimeter angegeben. Anwendung findet das Spitzengewinde bei Schrauben, Muttern sowie Gewindestangen und insbesondere bei kraftschlüssigen Verwendungen.
Metrisches ISO-Feingewinde
Das metrische ISO-Feingewinde weist im Wesentlichen die gleichen Merkmale auf wie das bekannte Regelgewinde. So liegt hier ebenfalls ein V-förmiger Zulauf der Gewindeflanken, und ein Flankenwinkel von 60 Grad vor. sterben Unterscheidet zum Regelgewinde liegen in einem deutlich flacher bzw. feineres Gewinde und in einer niedrigere Gewindetiefe. Eine genaue Klassifizierung der Schraube findet sich in der Norm DIN 13-2 bis DIN 13-10. Aufgrund des feineren Gewindes liegt es in der Natur der Sache, dass bei einer Vollumdrehung von 360 Grad weniger Distanz bzw. Steigung zurückgelegt wird als bei einem Regelgewinde mit gleichem Nenndurchmesser. Dieser Steigungsunterschied wird bei Abkürzungen als Unterscheidungsmerkmal des Feingewindes gegenüber dem Regelgewinde genutzt: Zusätzlich zum Buchstaben M und der Größenangabe des Nenndurchmessers weist das Feingewinde gegenüber dem Normalgewinde eine weitere Zahl auf. Diese gibt die Steigung bei einer Vollumdrehung in Millimeter an: Zum Beispiel M20 x 1. Es findet sich auch die Abkürzung MF wieder. Das ISO-Feingewinde hat gegenüber dem Regelgewinde mehrere Vorteile: Dieses Befestigungsgewinde kann aufgrund der geringer benötigten Eindringtiefe auch bei dünnen Schrauben eingeritzt werden. Aus funktionaler Sicht weist ein Feingewinde eine auf höhere Tragfähigkeit und auch eine Bessere Selbsthemmung gegenüber dem Regelgewinde auf.
Trapezgewinde
Namengebend für dieses Gewinde ist die Im Querschnitt erscheinende Form eines gleichschenkligen Trapezes. Dieses Gewinde ist nach DIN Norm klassifiziert. Es finden sich verschiedene Ausprägungsformen:
- Metrisches ISO-Trapezgewinde (DIN 103)
- Scharfkantiges Trapezgewinde (DIN 380)
- Abgerundetes Trapezgewinde (DIN 30295)
Alle diese Gewindenormen umfassen einen Flankenwinkel von 30 Grad. Geometriebedingt weisen die Gewindeflanken eine größere Breite gegenüber gleichgroßen Regelgewinden auf. Die Konsequenz ist, dass sie bei einer 360 Grad Drehung mehr Distanz bzw. eine größere Steigung zurücklegen. Aus diesem Grund eignen sich Trapezgewinde insbesondere dort, bei der durch die Drehbewegung möglichst viel Strecke zurückgelegt werden soll. In dieser Nutzung als sogenanntes Bewegungsgewinde kommt das Trapezgewinde bei Drehmaschinen oder Spindelpressen vor. Weitere Verwendung finden sich in Montagebänden oder auch Industriefahrzeugen, mitunter bei Gabelstaplern. Gegenüber klassischen Gewindeanforderungen etwa einer guten Selbsthemmung schneidet dieser Gewindetyp unterdurchschnittlich ab, in der primären Nutzung als Bewegungsgewinde ist dies aber von geringerer Bedeutung.
Trapezgewinde werden durch die Abkürzung Tr mit nachgestellter Zahl für den Nenndurchmesser und anschließender Angabe der Steigung angegeben – beides jeweils in Millimeter.
Whitworthgewinde (Rohrgewinde)
Der Name des Gewindes geht auf dessen Erfinder Sir Joseph Whitworth zurück, der es in den 1840ern einführte. Es gilt als das weltweit erstes normiertes Gewinde. Der Flankenwinkel beträgt 55 Grad. Aufgrund dieser Gegebenheit ist das Whitworth Gewinde Nicht auf metrischen Gegengewinden anwendbar. Bedingt durch den Herkunftsort in Großbritannien finden sich Unterschiede in der Klassifizierung und Größenangabe gegenüber metrischen Gewinden. So wird der Durchmesser nicht metrisch (Millimeter, Zentimeter, usf.), sondern in Zoll Wiedergabe. Eine weitere Besonderheit findet sich in der Angabe der Steigung: Diese wird nicht durch die zurückgelegte Strecke gedruckt, sondern durch die Angabe, wie viele Vollumdrehungen pro Zoll Gangunterschied zurückgelegt werden. Wichtig zu beachten ist, dass ein Zoll beim Whitworth-Gewinde nicht wie üblich 25,4 Millimeter, sondern etwa 33,25 Millimeter entspricht! Dieser Umstand ist historisch gewachsen.
Binnendifferenziert wird das Whitworth Gewinde in
- Normalgewinde – abgekürzt auch als BSW in Großbritannien (British Standard Whitworth) bzw. BSP (British Standard Pipe Thread) in anderen europäischen Ländern und Ländern
- Feingewinde – auch als BSF bezeichnet (British Standard Fine)
Da das Whitworth-Gewinde in Deutschland überwiegend in Rohren Verwendung findet, unter anderem im Sanitär-, Heizungs-, und Klimaanlagenbereich, ist eine geläufige Bezeichnung dafür auch Rohrgewinde. Bei Rohrgewinden findet sich eine weitere Binnendifferenzierung
- Kegelige Gewinde (Abkürzung Rc) – metallisch dichtend
- Zylindrisches Gewinde (Abkürzung G) – metallisch nicht dichtend
Bei allen Ausprägungsformen dieses Gewindetyps handelt es sich um Befestigungsgewinde.
An dieser Stelle sei gesagt, dass es ein Amerikanisches Pendant zu den Rohrgewinden gibt. Hierbei handelt es sich um sogenannte NPT (National Taper Pipe) und NPTF (National Taper Pipe Dryseal) Gewinde. Diese können auch in kegeliger (konischer) und zylindrischer Form vorkommen. Die amerikanischen Gewinde sind jedoch mit deutschen Rohrgewinden bzw. im Allgemeinen mit Whitworth Gewinde nicht kompatibel, denn: Beide weisen einen Flankenwinkel von nicht 55, sondern 60 Grad auf.
Sägengewinde
Das Sägengewinde trägt auch andere Bezeichnungen – etwa Buttress-Gewindeform oder Sägezahngewindeform. Der Letztgenannte weist bereits auf die Form dieses Gewindetyps hin; Diese ähneln nämlich dem Aussehen von Sägezähnen. Das Charakteristikum Dieses eher unbekannteren Gewindes ist sein asymmetrische Form. Durch diese ist bei der Drehbewegung eine Reibung, eine hohe Scherfestigkeit, sowie eine große Belastbarkeit in axialer Richtung gegeben. Die Belastbarkeit übertrifft selbst diese des leistungsstarken Trapezgewindetyps. Aber Obacht: Bedingt durch die Asymmetrie des Gewindes gelten diese Vorzüge nur entlang der Nutzung in einer Richtung – und zwar die entlang der Gewindestange. Ich bin einsatz kommt dieses Gewinde bei Kraftschrauben, sowie in Bereichen, bei der eine einseitig hohe Belastung erfolgt – beispielsweise bei Spindelpressen bzw. hydraulischen Pressen, Spannzangen in Drehmaschinen und Fräsmaschinen oder Hubspindeln in Hebeanlagen. Es gibt verschiedene Modifikationen von Sägengewinden. Sie unterscheiden sich unter anderem im Flankenwinkel. Dieser kann je nach Typ zwischen 30 und 45 Grad betragen. Festgelegt und normiert wird die jeweilige Subgattung nach DIN 513, 2781, 20401, 55525 und 6063, wobei der DIN 513 Typ, das sogenannte metrische Sägengewinde, das gängigste Modell darstellt.
Abgekürzt wird dieser Gewindetyp mit dem Buchstaben S. Daran schließt sich das Nennmaß, sowie die Steigung pro Vollumdrehung an – beides jeweils in Millimeter.
Rundgewinde
Das Rundgewinde ähnelt dem Trapezgewinde, jedoch mit dem auffälligen und gleichzeitig namensgebenden Unterschied, dass die Flanken und Innenkanten abgerundet sind. Durch diesen Umstand ist es gegenüber anderen Gewindetypen, die eckige Kanten besitzen, weniger anfällig für Beschmutzungen oder mechanische Demolierung und ist gleichzeitig bei Bedarf auch leichter einzufetten. Weiterhin weist es eine große Widerstandskraft und hohe Belastungsgrenzen auf. Bedingt durch seine Eigenschaften kommt dieses Gleitgewinde in schmutzanfälligen und eher gröberen Arbeitsfeldern zum Einsatz, wie etwa bei Eisenbahnwaggons, in Lasthaken und Lastmuttern, Kupplungsspindeln oder allgemein großen Ventilen. Standardisiert wird der Gewindetyp nach der DIN 405, 15403, 20400, wobei der DIN 405 Typ am gebräuchlichsten ist. Alle Normierungen umfassen einen Flankenwinkel von 30 Grad.
Abgekürzt wird diese Gewindeform durch den Buchstaben Rd. Darauf folgt die Angabe des Nenndurchmessers sowie die Steigung, doch hier gilt Obacht: Der Nenndurchmesser wird bei diesem Gewindetyp in Millimeter und die Steigung in Zoll angegeben.
Flachgewinde
Die Besonderheit dieses Gewindetyps liegt darin, dass die Flanken parallel zueinander ausgerichtet sind und der Flankenwinkel faktisch 0 Grad besitzt. Aufgrund der dadurch erscheinenden Querschnittsform wird diese Gewindeform auch alternativ bezeichnet als quadratisches Gewinde. Flachgewinde zeichnen sich durch den Flankenwinkel mit einem hoher Eigenwirkungsgrad aus. Dies wirkt materialschonendaus kein Radialdruck bzw. Berstdruck auf das Gegengewinde wirkt. Trotz dieser Vorteile weist das Flachgewinde eine Vielzahl gewichtiger. Nachteile auf, die eine Verwendung heutzutage nahezu gänzlich ausschließt. Der größte Nachteil liegt in der Wirtschaftliche Ineffizienz der Herstellung. Aufgrund der Geometrie können Geräte zum Herstellen dieses Gewindes (Einpunkt-Schneidewerkzeuge, Gewindebohrer oder Schneideisen) nicht von Freiwinkeln profitieren. Daher ist die Produktion dieses Gewindes zeit-, strom- und ressourcenintensiv. Da dieses Gewinde zusätzlich ist im Vergleich zu anderen Gewindetypen, bspw. dem Trapezgewinde, weniger belastungsfähig ist, gibt es auch auf der funktionalen Seite deutlich attraktivere Alternativen.
Plastikgewinde bzw. Thermoplastschrauben
Der Name Plastikgewinde ist etwas irreführend, da hiermit nicht Schrauben bzw. Gewinde gemeint sind, die aus Plastik bestehen, sondern solche, die in einen Plastikuntergrund eingeführt werden. Zur klaren definitorischen Trennung wird bei Schrauben, die aus Plastik bestehen, von Kunststoffschrauben und bei zuvor genannten von Thermoplastschrauben gesprochen. Beim Begriff Thermoplasten Es handelt sich um einen Oberbegriff für verschiedene „Plastik“-Polymere, die als Gemeinsamkeit alle umformbar bei Wärmeeinwirkung sind und bei höheren Temperaturen ein Schmelzverhalten aufweisen. Vor allem die Thermoplast-Gruppen der Polyamide (PA), Polyethylene (PE) und Polypropylene (PP) erfreuen sich in der Industrie großer Beliebtheit – beispielsweise in der Elektronikinstallation, dem Anlagen- und Maschinenbau sowie in der Automobilindustrie. Der Grund hierfür liegt in der – im Vergleich zu metallischen Werkstoffen – hohen Stabilität und Festigkeit bei zeitgleich kleiner Dichte.
Bei der Verschraubung von Thermoplastschrauben sind die besonderen Eigenheiten von Thermoplasten zu berücksichtigen Mittels verschiedener extra für diesen Anwendungsbereich gedachter Merkmale: So ist unter anderem das Plastikgewinde steiler, der Unterschied zwischen dem Kern- und dem Nenndurchmesser fällt größer aus und auch die Gewindeflanke ist größer im Vergleich zu metallischen Schrauben. Durch diese Eigenschaften wird ein besserer Halt im Plastikuntergrund erzielt. Thermoplastschrauben charakterisiert weiterhin ein im Vergleich zu Regelgewinden steilerer Flankenwinkel von 30 Grad. Es kommt also zu einer Absenkung der Druckspannung im Plastik, wodurch die Gefahr eines Aufplatzens deutlich minimiert WIRD. Trotz dieser Merkmale gilt beim Eindrehen von Thermoplastschrauben Obacht, da der Plastikuntergrund weich und somit wenig widerstandsfähig ist. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Variationen von Thermoplastschrauben. Sie verbergen sich stellenweise hinter gehandelter Wortmarken, wovon einige patentiert sind, darunter etwa:
- Delta PT® Schrauben,
- PT® Schrauben,
- DST Schrauben,
- RST Schrauben,
- RST plus Schrauben,
- STP® Schrauben,
- PLASTITE® 48 Schrauben und
- PLASTITE® 45 Schrauben
Unabhängig vom speziellen Typ einer Thermoplastschraube eint alle, dass es sich hierbei um gewindefurchende Gewindetypen handelt. Eine vorherige Bearbeitung des Plastikuntergrunds ist ebenfalls nicht mehr erforderlich. Dies erleichtert die Montagearbeit und bringt gleichzeitig Kosteneinsparungen mit sich.
Rechtsgewinde
Beim Rechtsgewinde handelt es sich nicht um einen eigenständigen Gewindetyp im engeren Sinne, sondern um eine allgemeine Gewindeeigenschaft. Als Rechtsgewinde werden alle Gewinde zusammengefasst, die sich Beim Drehen mit dem Uhrzeigersinn in den Untergrund einführen lassen. Sie können schnell und einfach durch einen Verlauf von unten links nach oben rechts identifiziert werden. Rechtsgewinde stellen Quantitativ gemessen den überlegenen Großteil gegenüber dem Linksgewinde dar. Dies ist weniger mit mechanischen Vorzügen zu erklären als durch den Umstand, dass der Großteil der Menschen rechtshändig ist. Die Drehbewegung mit dem Uhrzeigersinn fällt dabei leichter als im Gegensatz dazu.
Linksgewinde
Beim Linksgewinde handelt es sich wie beim Rechtsgewinde nicht um einen eigenständigen Gewindetyp, sondern um eine allgemeine Gewindeeigenschaft. Als Linksgewinde werden alle Gewinde zusammengefasst, die sich selbst Beim Drehen gegen den Uhrzeigersinn in den Untergrund einführen lassen. Sie werden meist bei Schrauben, die bei ihrer Beanspruchung Drehmomente bzw. Eine rotierende Kraft gegen den Uhrzeigersinn ausgesetzt sind, als zusätzliche Sicherungsfunktion verwendet. Als bekannte Beispiele können Fahrradpedale oder Gasventile angeführt werden. Der Einsatz eines Rechtsgewindes bei diesen Fällen führt dazu, dass sich die Schaube von selbst aus der Konstruktion lösen würde. Der Austausch des Rechtsgewindes durch ein Linksgewinde verhindert dies zuverlässig. Eindeutig und schnell Identifiziert werden können Linksgewinde durch den Verlauf des Gewindes von unten rechts nach oben links. Sie gleichen somit dem Spiegelbild eines Rechtsgewindes.
Schrauben, die ein Linksgewinde besitzen, werden mit der Abkürzung LH (engl. left hand) angegeben. Alternativnamen zum Linksgewinde sind linkssteigendes Gewinde oder auch linksdrehendes Gewinde.