Außen- oder SchraubengewindeEine Fase am ersten Gewindegang des Innen- und Außengewindes verhindert ein Verkanten beim Eingreifen des Gewindes[1]
Das Gewinde ist eine profilierte Einkerbung, die fortlaufend wendelartig (also als Schraubenlinie) in einer zylinderförmigen Innen- oder Außenwand verläuft. Diese fortlaufende Vertiefung wird als Gewindegang auf einer Schraube bzw. in einer Mutter bezeichnet. Es handelt sich um eine Abwandlung der schiefen Ebene, wobei eine Übersetzung einer Umfangskraft in eine größere Längskraft stattfindet, z. B. in Spindelpressen, Weinpressen und Wagenhebern.
Bauteile mit Außen- (Schrauben) und solche mit Innengewinde (Muttern) bilden immer zusammenpassende Paare. Z. B. in Normen aufgenommene Fertigungstoleranzen stellen sicher, dass trotz getrennter Herstellung eine Funktion von Bauteilpaaren mit gleichen Nenndaten immer gewährleistet ist.
Gewinde lassen sich spanlos (umformend) oder spanend(Gewindeschneiden) erzeugen. Die spanlosen Verfahren sind in der Massenfertigung üblich und werden bevorzugt angewendet, weil sie technische Vorteile (glatte Oberfläche, erhöhte Festigkeit, ungebrochene Werkstofffaser) mit hoher Effizienz (kein Verlust durch zu entsorgende Späne) verbinden. Geschnitten werden Gewinde vorrangig in Teilen, die insgesamt schon spanend gefertigt werden (z. B. Drehteile, Frästeile).
Eine Fertigung im 3D-Druck-Verfahren ist ebenfalls möglich.
spanend: Das Gewindeprofil wird von formgerechten Werkzeugschneiden in einem Schneideisen oder einer Schneidkluppe aus dem Werkstoff herausgearbeitet. Maschinelles Gewindeschneiden erfolgt vorwiegend durch Schraubdrehen, Schraubfräsen oder Schraubschleifen. Sogenanntes Gewindewirbeln (Variante des Wirbelns) erzeugt gleich hohe Genauigkeit wie Gewindeschleifen, ist aber wesentlich schneller. Mehrere Drehmeißel umrunden den Rohling exzentrisch und schneiden kurze „Kommaspäne“ aus. Die Gewindegänge werden nacheinander fertig, da sich der Rohling langsam in gleicher Richtung mitdreht.[2]
spanlos: Der Rohling hat Gewindeflankendurchmesser. Das Werkzeug drückt das Profil ein und verdrängt den Werkstoff vom Gewindegrund in die Gewindespitzen. Dabei befindet sich der Bolzen zwischen zwei oder drei angetriebenen, profilierten Gewinderollen bzw. -walzen aus Schnellarbeitsstählen.
Schneid- oder Blechschrauben sowie gewindefurchende Schrauben nach DIN 7500 drücken sich das erforderliche Muttergewinde beim Eindrehen in vorgebohrte Löcher selbst. Bohrschrauben schneiden in dünnen oder weichen Materialien auch das Loch selber.
Zirkularfräsen: Auf einer Fräsmaschine werden in einer Bohrung mit einem speziellen Gewindefräser ein Kreis und gleichzeitig ein Vorschub in Richtung der Bohrungsachse gefahren. Der Gewindefräser ist kleiner als die Bohrung und dreht sich gleichzeitig um sich selbst. Die Fräsmaschine wird so gesteuert, dass sich aus den überlagerten Bewegungen des Kreises und des Vorschubs der Gewindegang ergibt. Der Vorteil des Verfahrens ist eine wesentlich erhöhte Produktivität, weil die Rückseite des Gewindefräsers, die nicht schneidet, frei ist, und zwischen ihr und der Bohrungswand ein Spalt entsteht. Dadurch kann ein Kühlschmiermittelstrom die Späne wesentlich besser abführen. Der Kühlschmierstoff verbessert auch die Oberflächengüte. Außerdem können mit einem einzigen Fräser verschiedene Durchmesser hergestellt werden. Das Gewindebohren ist auf einen bestimmten Durchmesser je Werkzeug beschränkt.
auch Muttergewinde, siehe auch Mutter (Technik); man unterscheidet
durchgehende Gewinde und die Gegenseite nicht erreichende Sacklochgewinde. Gegenform: Außengewinde
Eine Gewindestange hat keine Werkzeugangriffe und ist lediglich ein Stab mit einem Außengewinde. Gewindestangen werden zum Beispiel einbetoniert, um anschließend einen Gegenstand an dem Betonsockel zu befestigen. Auch lassen sich mit drehenden Gewindestangen länger andauernde Schub- und Zugarbeiten verrichten.
Rechts- und LinksgewindeRechter-Daumen-Regel: Dreht man eine Schraube oder Mutter mit Rechtsgewinde in Richtung der gekrümmten Finger, zeigt der Daumen die Bewegungsrichtung an. Analog nimmt man für das Linksgewinde die linke Hand.
Beim Rechtsgewinde oder dem rechtssteigenden Gewinde verlaufen bei Ansicht wie in nebenstehendem Bild die Gewindeflanken von links nach rechts (oben) an.
Die Gewinde laufen durch Drehung im Uhrzeigersinn ineinander.
Das Rechtsgewinde wird aus ergonomischen Gründen bevorzugt. Die meisten Menschen sind Rechtshänder und können deshalb beim Drehen im Uhrzeigersinn ein größeres Drehmoment aufbringen als beim Drehen gegen den Uhrzeigersinn. Durch die Reibung in den Gewindegängen erfordert das Anziehen des Gewindes ein größeres Drehmoment als das Lösen des Gewindes. Das Rechtsgewinde kommt diesen beiden Umständen entgegen.
Beim Linksgewinde oder beim linkssteigenden Gewinde verlaufen bei Ansicht wie in nebenstehendem Bild die Gewindeflanken von rechts nach links (oben) an. Linksgewinde werden in Fertigungszeichnungen und der Logistik mit den Buchstaben LH (für Left Hand) gekennzeichnet, z. B.: M16-LH. Der Schraubenkopf von Schlitzschrauben mit linksdrehendem Gewinde wird im Uhrmacherhandwerk gelegentlich markiert, z. B. durch eine Querrille oder drei parallele Schlitze im Schraubenkopf.[3]
Ein Linksgewinde läuft durch Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn ineinander. Linksgewinde kommen zum Einsatz:
Für Spezialfälle, bei denen sich die Verschraubung durch die üblicherweise vorherrschende Belastung ungewollt lösen würde (Schraubensicherung), wie zum Beispiel
die Befestigungsschrauben von Spannfuttern auf Bohr- und Drehmaschinen mit Rechtsgewinde sowie manchen bei Blick auf den Schraubenkopf im Uhrzeigersinn drehenden Kreissägeblättern (z. B. Mafell).
Wenn durch den unterschiedlichen Drehsinn Irrtümer vermieden werden können. So haben zum Beispiel die Anschlussverschraubungen an Gasflaschen, die brennbare Gase enthalten, Linksgewinde und können so nicht an Stelle einer Inertgasflasche angeschlossen werden.
Früher wurden teilweise auch Radmuttern bzw. -bolzen von Kraftfahrzeugen (beispielsweise Opel Blitz, Fiat 1500 u. 1300, Mercedes 170V, Jaguar XK 120-150, Daf 400) auf der rechten Fahrzeugseite gegen ein Lösen beim Fahren mit Linksgewinde ausgeführt. Bei extrem leistungsstarken Fahrzeugen wie Traktoren und z. B. dem Porsche Carrera GT oder dem Ferrari Enzo Ferrari werden auch heute noch die Radmuttern der rechten Fahrzeugseite (Zentralverschlüsse) mit Linksgewinde versehen. Diese sind dann (im Falle des Porsche Carrera GT) farbig besonders markiert: linke Fahrzeugseite = Rechtsgewinde = rote Muttern, rechte Fahrzeugseite = Linksgewinde = blaue Muttern.
Spannschloss mit Rechts- (links im Bild) und Linksgewinde (rechts im Bild)
Bei einem Spannschloss wird die Kombination von Links- und Rechtsgewinde genutzt, um die angeschlossenen Zugelemente durch Drehung zusammenzuziehen und wieder zu lösen, etwa beim Kuppeln von Eisenbahnwagen, zum Verspannen von Ladungsstücken mit einer Zurrkette oder von Wanten eines Segelbootes.
Bei der auf das vordere Ende des Laufes einer Schusswaffe aufgeschraubten Mündungsmutter kommen Linksgewinde zum Einsatz (z. B. Kalaschnikow).
Bei einem Linksausdreher zum Herausdrehen abgebrochener Schrauben mit Rechtsgewinde.
Gewindearten 1: Spitzgewinde 2: Flachgewinde 2a: Zweigängiges Flachgewinde3 u. 4: Sägegewinde 5: Rundgewinde 6: Flachgewinde s = Steigung t = Gewindetiefe d = Außendurchmesser di = Innendurchmesser
Zoll-System:Zollgewinde – nach dem UTS-Standard (engl. Unified Thread Standard) in Ländern, die die Länge in Zoll messen (z. B. USA). Zöllige Gewinde sind etwa in der Hausinstallation (Whitworth-Gewinde), in einigen Bereichen der Feinmechanik (beispielsweise an Stativen und Computergehäusen) sowie in der Luftfahrt weltweit gängig.
Die verbindlichen Definitionen der Gewinde-Kenngrößen sind, unabhängig von der Gewindeart, in DIN 2244 und ISO 5408 festgelegt. Beide Normen stimmen nahezu überein.
Zudem muss grundsätzlich zwischen den Nominalmaßen und den zulässigen Grenzmaßen unterschieden werden. So hat z. B. der Flankendurchmesser des metrischen ISO-Regelgewindes M16x2 (für Außen- und Innengewinde) einen Nennwert von 14,701 mm, das entsprechende Außengewinde muss aber beim üblichen Außengewinde-Toleranzfeld 6g einen Flankendurchmesser zwischen 14,503 und 14,663 mm aufweisen.
Durchmesser (d2 für Außengewinde bzw. D2 für Innengewinde) eines imaginären, geometrisch-idealen Kreiszylinders (Flankenzylinder), der das Gewindeprofil so durchschneidet, dass die Breiten der dadurch entstehenden Profiltäler (Leerräume) und -spitzen (Zähne) gleich groß sind.
Bei metrischen Gewinden bezeichnet die Steigung den Weg in axialer Richtung, der durch eine Umdrehung zurückgelegt wird. Also der Abstand zwischen zwei Gewindespitzen in mm (früher als Ganghöhe bezeichnet).
Bei Zoll-Gewinden dagegen bezeichnet der Wert der Steigung die Anzahl an Gewindegängen auf der Strecke 1 Zoll („tpi“ = threads per inch = Gewindegänge pro Zoll).
Zwischen dem Steigungswinkel , der Steigung l und dem Flankendurchmesser d2 (= Durchmesser des Zylinders) gilt folgender Zusammenhang: Den Steigungswinkel erhält man, indem man den Arcustangens von Steigung/(Flankendurchmesser * ) berechnet. Beim ISO-Norm-Gewinde beträgt dieser Winkel für M6 etwa 3° und für M20 etwa 2°.
Die Teilung ist bei mehrgängigen Gewinden der Abstand zwischen zwei Gewindekerben.
Die Teilung ist im Regelfall die Steigung geteilt durch die Gangzahl.
Beispiel: Die Bezeichnung Tr60x60 P20 bedeutet Trapezgewinde mit 60 mm Durchmesser, 60mm Steigung und 60/20 = 3 Gängen, sowie einem Abstand von 20 mm von Gang zu Gang.
Bei eingängigen Gewinden ist die Teilung gleich der Steigung.
Steilgewinde sind Gewinde mit großer Steigung im Verhältnis zum Durchmesser des Gewindes.
Steilgewinde bewirken pro Umdrehung eine relativ große axiale Bewegung. Um die Steilheit eines Gewindes zu vergrößern, wird entweder das Gewindeprofil verbreitert oder es wird ein mehrgängiges Gewinde mit mehreren parallel laufenden Gewindegängen hergestellt. Beides vergrößert die Steigung des Gewindes.
Feingewinde (z. B. M6 × 0,5 mm) sind Gewinde mit geringer Steigung. Sie finden z. B. Verwendung an Stellschrauben von Messgeräten. Der geringe Vorschub pro Umdrehung erlaubt präzise Einstellungen. Das Gewindeprofil ist proportional zur Steigung verkleinert.
Rechtsgängige Schrauben mit ein bis vier GängenEin-, zwei- und dreigängiges Gewinde: Es gilt die Beziehung TeilungP Gangzahl nSteigungPh
Eingängige Gewinde sind die Regel, sie dienen vorwiegend der Befestigung. Bei mehrgängigen Gewinden sind mehrere Gewindegänge parallel sozusagen um den Schraubenschaft „gewickelt“. Sie dienen auch zur Befestigung oder mit Steilgewinde zur Vergrößerung des Gewinde-Hubs.
Im ersten Fall kann der Innendurchmesser einer Hohlschraube vergrößert und/oder kann eine dünnwandige Mutter verwendet werden. Das Gewindeprofil ist kleiner, die Last wird aber von mehreren Gängen aufgenommen. Dieses mehrgängige Gewinde hat im Ganzen die gleiche Steigung wie eingängiges Regelgewinde gleichen Außendurchmessers.
Im zweiten Fall wird das Gewindeprofil beibehalten, aber die Steigung wird vergrößert. Der vom Profil nicht benötigte Zwischenraum wird von einem zweiten oder weiteren Gewindegang gefüllt. Man erhält „Schnellschraubungen“, ein bestimmter Hub ist mit weniger Umdrehungen beziehungsweise in kürzerer Zeit erreichbar. Kraftverstärkung und Selbsthemmung sind kleiner als beim Regelgewinde, da umgekehrt proportional zur Zahl der Gänge.
Die Schraubverschlüsse von Konservengläsern sind ein typischer Anwendungsfall eines mehrgängigen Gewindes. Vor allem der dünnwandige Deckel verlangt ein kleines Gewindeprofil, das Platz schafft für weitere Gewindegänge. Die höhere Zahl von Gängen hat auch den Vorteil, dass über den Umfang mehr als eine Stelle existiert, wo das Gewinde zu „greifen“ beginnt. Ein Steilgewinde liegt meistens nicht vor. Die Steigung ist die zum hier großen Gewindedurchmesser gehörende Regelsteigung. Sie ist so groß, dass die Betätigung eines solchen Verschlusses schnell vornehmbar ist. Begünstigt wird das auch dadurch, dass in der Regel nicht mehr als eine Drehung zwischen verschlossen und geöffnet vorgesehen werden muss. Die Selbsthemmung bleibt erhalten.
Echte mehrgängige Schnellverschlüsse werden angewendet, wenn der Gewindedurchmesser nicht vergrößerbar ist. Sie sind an Flaschen für Kosmetika oder Getränke und an hochwertigen Füllerkappen zu finden. Die beim Wiederverschluss nötige Selbsthemmung kann durch Zusatzmaßnahmen erreicht werden (zum Beispiel mit Schnappverbindungen oder gut haftenden Oberflächenbeschichtungen der Deckel). Die Gewindesteigung und damit die Selbsthemmung ist außerdem vom Durchmesser und der Breite des Gewindesganges abhängig. Daher können mehrgängige Gewinde mit Gewindegängen, die in Bezug auf den Durchmesser schmal sind, auch ohne Zusatzmaßnahmen selbsthemmend sein.
Das National Pipe Thread (NPT) hat ein kegeliges Innen- und Außengewinde. Dadurch soll eine dichte Rohrverbindung hergestellt werden können.
In der Sanitär- (Gas- und Wasserleitungen) und Heiztechnik (z. B. Heizköperanschlüsse) werden zur Herstellung von lösbaren Rohrverbindungen üblicherweise Rohrgewinde verwendet. Die Kenngröße wird in Zoll angegeben. Diese bezog sich ursprünglich auf den Innendurchmesser bzw. die nominale Nennweite (DN) von mittelschweren Gewinderohren. Um die Kompatibilität der Gewinde zu gewährleisten, haben leichte und schwere Gewinderohre trotz unterschiedlicher Wandstärken den gleichen Außendurchmesser und trotz nominell gleicher Nennweite abweichende Innendurchmesser.
Aufgrund der Notwendigkeit, den Außendurchmesser beizubehalten, ist die Benennung der Gewinde nach Nennweite bzw. Innendurchmesser verwirrend:
Der Außendurchmesser eines einzölligen Rohrgewindes beträgt nicht 25,4 mm, sondern liegt im Bereich von 32,89 bis 33,25 mm.
Hochdruckrohre mit 1″-Rohrgewinde besitzen einen kleineren Innendurchmesser, da die Wandstärke größer ist.
In Europa ist das Whitworth-Gewinde gebräuchlich. Zylindrische Gewinde werden auch mit BSP (British Standard Pipe) abgekürzt.
Nach Norm werden im Gewinde dichtende (EN 10226-1, davor: DIN 2999) und nicht im Gewinde dichtende Rohrgewinde (ISO 228) unterschieden. Die Dichtheit bei nicht im Gewinde dichtenden Gewinden wird durch außerhalb des Gewindes angeordnete Dichtflächen erreicht.
Am gebräuchlichsten sind im Gewinde dichtende Rohrgewinde, sie werden als zylindrische Innengewinde und kegelige Außengewinde mit maßlicher Durchmesserüberschneidung ausgeführt.
Auf dem amerikanischen Kontinent ist hingegen das US-amerikanische NPT (National Pipe Thread) gebräuchlich. Die Maßangabe umfasst bei NPT-Gewinden neben der Durchmesserkodierung die Anzahl der Gewindegänge auf einem Zoll. Wegen der unterschiedlichen Gangzahl je Zoll und geringfügiger Unterschiede im Durchmesser sind BSP- und NPT-Gewinde untereinander nicht vollständig verschraubbar. Erkennbar wird dies, wenn sich das Gewinde gar nicht oder nur einige (wenige) Umdrehungen einschrauben lässt.
Bezeichnungsbeispiele für im Gewinde dichtende Gewinde:
für ein kegeliges Whitworth-Rohraußengewinde: Rohrgewinde EN 10226-R½
für ein zylindrisches Whitworth-Rohrinnengewinde: Rohrgewinde EN 10226-Rp½
Bezeichnungsbeispiele für nicht im Gewinde dichtende Gewinde:
für ein Rohrinnengewinde: Rohrgewinde ISO 228-G½
für ein Rohraußengewinde: Rohrgewinde ISO 228-G½ A
für ein Rohraußengewinde: Rohrgewinde ISO 228-G½ B
(A, B für die Toleranzklasse)
Rohraußengewinde werden oft auch – vor allem bei Messingteilen – aufgeraut, so dass Dichtmaterial beim Einschrauben besser im Gewinde hält und sich beim Eindrehen nicht verschiebt.
Ein Stahlpanzerrohrgewinde (früher auch PG-Gewinde) wird zur Verschraubung von Leitungsverlegerohren in der Elektroinstallation verwendet. Da die Rohre relativ dünnwandig sind, darf die Gewindetiefe auch nicht sehr groß sein.
Edison-Gewinde werden als Rundgewinde in Blech gedrückt/gewalzt/geprägt und auch für Schraubsicherungen und Heizelemente verwendet. Gängige Größen sind E5,5 (z. B. Modellbaulampen), E10 (Taschenlampe, Fahrradlicht), E14 (Mignon), E27 (Normal), E40 (leistungsstarke Metalldampf- und Scheinwerferlampen), wobei die Zahl den Durchmesser in mm angibt.
Kugelgewinde werden in die Oberfläche von Kugelgewindespindeln gerollt oder geschliffen, während Rollengewinde mit speziellen Schleifprozessen in die Oberfläche der Rollengewindespindel geschliffen werden. Kugel- und Rollengewindetriebe werden als Antriebselemente in der Lineartechnik eingesetzt, etwa zum Verfahren des Supports einer Drehmaschine.
Darstellung und Bemaßung einer Gewindebohrung als Draufsicht in einer technischen ZeichnungGewindebohrung in einer Schnittdarstellung mit Bemaßung in einer technischen Zeichnung
Die Darstellung des Außengewindes (Bolzengewinde) und Innengewinde (Muttergewinde) ist in der technischen Zeichnung unterschiedlich.
Für die Draufsicht gilt:
Bolzengewinde (Außengewinde)
breite Volllinie als kompletter Kreis (Durchmesser = Nenndurchmesser)
schmale Volllinie als 3/4-Kreis (Durchmesser = Nenndurchmesser - Steigung)
Muttergewinde (Innengewinde)
breite Volllinie als kompletter Kreis (Durchmesser = Nenndurchmesser - Steigung)
schmale Volllinie als 3/4-Kreis (Durchmesser = Nenndurchmesser)
Für die Seitenansicht gilt:
Bolzengewinde (Außengewinde)
außen breite Volllinie (Abstand zwischen beiden Linien = Nenndurchmesser)
innen schmale Volllinie (Abstand zwischen beiden Linien = Nenndurchmesser - Steigung)
Ende des Gewindes wird mit einer breiten Volllinie dargestellt
Muttergewinde (Innengewinde)
Innenfläche der Bohrung: breite Volllinie (Abstand zwischen beiden Linien = Nenndurchmesser - Steigung)
Außenfläche des Gewindes: schmale Volllinie (Abstand zwischen beiden Linien = Nenndurchmesser)
Ende des Gewindes wird mit einer breiten Volllinie dargestellt
Wird in der Zeichnung ein Bolzen in einem Muttergewinde dargestellt, dann hat die Darstellung des Bolzens Vorrang (siehe auch ISO 6410-1).
Üblicherweise werden Gewinde verwendet, die der internationalen Normung unterworfen sind. Abweichend gibt es hin und wieder Hersteller, die aus verschiedensten Gründen von der Norm abweichende Gewinde anwenden. Das kann sicherheits- oder konstruktionsbedingt sein oder aber aus Konkurrenzgründen, so dass man auf jeden Fall auf Originalersatzteile zurückgreifen muss.
Abmessungen der gebräuchlichen Gewinde und allgemeine Bezeichnungsweisen finden sich in Tabellenbüchern oder in kostenpflichtig zu beziehenden Normen.
Der Taumelfehler ist der Steigungsfehler gemessen auf einen Gang.
Formfehler
Der Formfehler beschreibt die Abweichung von der theoretisch exakten Gewindeform. Die theoretisch genaue Form des Gewindes erhält man, wenn man ein Gewinde unter dem Steigungswinkel schneidet. Bei beinahe jeder Art der Gewindeherstellung bleibt ein Formfehler.
Flankenoberflächenfehler
Die Oberfläche der Flanken hat nicht die gewünschte Rautiefe (ist zu rau), so dass die Schrauben sich im Bereich des Gewindes festfressen und nicht mehr lösen lassen (dies kann bei sehr großen Gewinden passieren, die sehr großem Druck ausgesetzt sind).
Die Archimedische Schraube hat eine Schraubenlinie. Sie ist um 200 v. Chr. im antiken Ägypten nachgewiesen und wurde für die Bewässerung eingesetzt. Eine Paarung von Innen- und Außengewinde ist hier nicht realisiert.
In Mitteleuropa tauchen Gewinde als Paarung von Innen- und Außengewinden dann in zahlreichen Abbildungen von Baumkeltern auf, Hintergrund dieser Abbildungen ist das biblische Motiv „Christus in der Kelter“. Es dürfte sich hierbei durchweg um Holzgewinde gehandelt haben, wie diese auch noch im 19. Jahrhundert bei solchen Keltern in Gebrauch waren. Die frühesten dieser Abbildungen (Fresken und Miniaturen) datieren ins 12. Jahrhundert, Hinweise auf andere Anwendungen solcher Gewinde fehlen dann aber für die nächsten drei Jahrhunderte.
Auf einer Abbildung eines Schwerlastkranes von Francesco di Giorgio ist eine hölzerne Spindel dargestellt. Das Bild dürfte in etwa um 1480 entstanden sein.
Um 1800 verbesserte Henry Maudslay die Leitspindel der Drehbank dergestalt, dass die getrennte Herstellung von Außen- und Innengewinde möglich wurde. Bis dahin war das Paar Schraube und Mutter immer eine nicht austauschbare Einheit. Bei Maschinen wurden diese Paare gekennzeichnet, um die Übersicht zu behalten. Maudslay begann mit der Normung des Gewindes.
Joseph Whitworth (1803–1887) baute hierauf auf. Er legte nach systematischen Untersuchungen den Flankenwinkel von 55° fest. Zusammen mit der Steigung gab es nun eine verlässliche Norm für die Paarung von Außen- und Innengewinde.
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