Der Radius unter dem Kopf: Ihre Durchgangsbohrung gibt ihn womöglich nicht frei

Was die Produktnormen tatsächlich festlegen

Der Radius bleibt nicht dem Hersteller überlassen. Er ist begrenzt, und zwar je nach Kopfform unterschiedlich.

d_a verdient eine genaue Bezeichnung, weil es oft falsch verwendet wird. ISO 225 definiert es als Übergangsdurchmesser — den Innendurchmesser der Auflagefläche dort, wo sie in den Radius unter dem Kopf übergeht. Es ist nicht der Radius selbst. Es liefert die größte radiale Hüllkontur des Übergangs vom Kopf zum Schaft, also genau den Wert, gegen den man eine Bohrung oder eine Scheibenbohrung prüft.

Eines sagen die Normen nicht: Sie legen die Geometrie fest, aber keine von ihnen erklärt die Entlastung von Ermüdungsspannungen zum Zweck. Dass der Radius die Spannungskonzentration am Übergang vom Kopf zum Schaft beeinflusst, stammt aus der Fachliteratur der Mechanik, nicht aus dem ISO-Text. Die Aussage ist zutreffend — nur lässt sich dafür keine Produktnorm zitieren.

Die Anmerkung in ISO 273, die Zeichnungen übergehen

ISO 273:1979 enthält nach ihren Tabellen für Durchgangsbohrungen eine Anmerkung: Wenn eine Kollision zwischen der Kante der Durchgangsbohrung und dem Radius unter dem Kopf vermieden werden muss, wird empfohlen, die Bohrung anzufasen.

Man beachte den Wortlaut. Es wird empfohlen, wo nötig, nicht für jede Bohrung nach ISO 273 verlangt. Die sinnvolle Frage lautet daher, ob sich Ihre Bohrung und Ihre Schraube tatsächlich überschneiden. Für M6:

Bei einer M6-Zylinderschraube mit Innensechskant oder Sechskantschraube können also zwei der drei genormten Bohrungsreihen geometrisch mit dem Kopfübergang kollidieren, eine nicht. Diesen Vergleich kann man für jede Größe in einer Minute anstellen, und er nützt mehr als eine Faustregel.

„Kann kollidieren“ heißt nicht „kollidiert“. Hier stehen größte Hüllkonturen gegen Nennbohrungen; die tatsächlichen Teile können frei sein. Entscheidend ist, dass man bei der feinen und der mittleren Reihe hinsehen muss.

Was eine Kollision tatsächlich kostet

NASA-STD-5020A benennt die Folge ausdrücklich, und es ist nicht die, die wir schreiben wollten. Der betreffende Abschnitt verlangt Freiraum für den Radius, wo eine Kollision vermieden werden muss, und als Gründe nennt er, dass eine Kollision die Vorspannkraft unzuverlässig machen, die Festigkeit mindern oder einen unzureichenden Widerstand gegen Klaffen ergeben kann.

Als Erstes verliert man also die Funktion der Auflagefläche. Trägt die Bohrungskante über den Radius einen Teil der Last, weiß man nicht mehr, was die Auflagefläche trägt, und die Vorspannkraft wird zu einer Zahl, der man nicht trauen kann.

Zwei Dinge, die wir schreiben wollten und die falsch sind

• „Eine Scheibe mit Fase nach ISO 7090 verwenden, Fase zum Kopf.“ Das hatten wir verkehrt herum. Die Fase von ISO 7090 sitzt am Außendurchmesser — der Anwendungsbereich sagt es wörtlich, „am Außendurchmesser angefast“ (sinngemäß übersetzt) — und ihre Bohrung entspricht ISO 7089. Sie kann keinen Freiraum für einen Radius unter dem Kopf schaffen, und weder ISO 7089 noch ISO 7090 legt überhaupt eine Einbaulage fest.
  Die Anforderung, die es tatsächlich gibt, steht in NASA-STD-5020A: Wo eine Kollision vermieden werden muss, ist eine angefaste Bohrung zu verwenden oder eine Scheibe mit gesenkter Bohrung unter dem Kopf, die Senkung zum Schraubenkopf. Das ist eine echte Regel „Scheibe als Freiraum für den Radius“ — sie gilt aber für Schraubverbindungssysteme der NASA und setzt eine Scheibe voraus, die tatsächlich eine gesenkte Bohrung hat. Eine umgedrehte flache Scheibe bewirkt nichts.
• „Am Radius brechen Schrauben.“ Das ist nicht die Hauptstelle. NASA RP-1228 stellt fest, dass Schrauben unter schwellender Zugbeanspruchung meist nahe dem Ende des Gewindeteils versagen, wo die Spannungskonzentration am höchsten ist, und begutachtete Schadensuntersuchungen nennen den ersten tragenden Gewindegang, den Gewindeauslauf und den Übergang vom Kopf zum Schaft als die drei Stellen — in dieser Reihenfolge.

Die Zahlen 65 / 20 / 15 und woher sie stammen

Man begegnet einer Verteilung: 65 % am ersten tragenden Gewindegang unter der Mutterauflage, 20 % am Gewindeauslauf, 15 % unter dem Kopf. Sie wird ständig zitiert. Es lohnt sich zu wissen, was sie tatsächlich ist.

Die nachverfolgbare Quelle ist der Aufsatz von B. Taylor, „The Strength of Large Bolts Subjected to Cyclic Loading“, Transactions of the Institute of Marine Engineers, Vol. 64, 1952 — und Taylor gibt Daten von W. Staedel aus dem Jahr 1933 wieder.

Staedels ursprüngliche Statistik konnten wir nicht finden; Stichprobengröße, Prüfeinrichtung, Belastungsbedingungen und Auswahlkriterien sind daher nicht überprüfbar. Wir haben außerdem in VDI 2230 Blatt 1, NASA-STD-5020A und den Bänden des ASM Handbook zu Schäden an Verbindungselementen und zur Ermüdung mechanisch gefügter Verbindungen nachgesehen und in keinem davon Prozentangaben zur Verteilung der Bruchstellen gefunden.

Man sollte sie also als das verwenden, was sie ist: Daten von 1933, wiedergegeben in einer Arbeit von 1952 — nützlich für die Rangfolge, die sie nahelegt, nicht als moderne Wahrscheinlichkeit für Ihre Verbindung.

Was sich sagen lässt und was nicht

Belegt: Der Radius ist eine festgelegte Konstruktionsgeometrie, von der Produktnorm nach oben und unten begrenzt. Eine Kollision mit der Bohrungskante ist ein anerkanntes Risiko, das man laut ISO 273 wo nötig konstruktiv vermeiden soll, und NASA-STD-5020A nennt als Folgen unzuverlässige Vorspannkraft, geminderte Festigkeit und unzureichenden Widerstand gegen Klaffen.

Nicht belegt: dass jeder Kontakt automatisch eine Kerbe hinzufügt. Damit wollten wir schließen, und es geht weiter, als die Belege tragen. Ob ein Kontakt eine örtliche Schädigung erzeugt und was das für die Lebensdauer unter Ermüdung bedeutet, hängt vom tatsächlichen Spiel, der Kontaktgeometrie, der Werkstoffhärte und der Last ab. Die Normen sagen, eine Kollision sei zu vermeiden; sie sagen nicht, dass Kontakt einer neuen Spannungsspitze gleichkommt.

Die praktische Fassung ist nüchterner und nützlicher: d_a,max für Ihre Größe nachschlagen, mit der festgelegten Bohrung vergleichen und anfasen, wenn sie sich überschneiden.

Weiterführend

Was der Kopf mechanisch leistet, steht unter Kopfform wählen; wofür eine Scheibe gut ist und wofür nicht, unter Unterlegscheiben erklärt; die Grenzen der Kopfumformung überhaupt unter Grenzen der Kopfumformung; und die Bohrungsseite unter Maße von Senkbohrungen.

Quellen

• ISO 4762:2004 — Abschnitt 3, Bild 1 (größter Radius unter dem Kopf), Tabelle 1: r_min, d_a,max, Formeln für r_max und l_f,max
• ISO 4014:2022 und ISO 4017:2022 — Abschnitt 4, Bild 2, Maßtabellen: r_min, d_a,max, zulässiger kleinster und größter Radius unter dem Kopf
• ISO 225:1983 — Definition des Übergangsdurchmessers d_a
• ISO 273:1979 — Abschnitt 2, Anmerkung nach den Tabellen: Anfasen empfohlen, wenn eine Kollision mit dem Radius unter dem Kopf vermieden werden muss
• NASA-STD-5020A — Abschnitt 4.7.3, TFSR 22: angefaste Bohrung oder Scheibe mit Senkung, Senkung zum Schraubenkopf; genannte Folgen einer Kollision
• NASA RP-1228, Fastener Design Manual — Versagen nahe dem Ende des Gewindeteils
• Mushtaq et al., Engineering Failure Analysis 122 (2021) — erster tragender Gewindegang, Gewindeauslauf, Übergang vom Kopf zum Schaft
• B. Taylor, Transactions of the Institute of Marine Engineers, Vol. 64 (1952), mit Daten von W. Staedel (1933) — die Zahlen 65 / 20 / 15

Die Abnahme einer bestimmten Verbindung richtet sich nach Ihrer Zeichnung und den darin genannten Normen.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 3: Kopf. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Ist der Radius unter einem Schraubenkopf genormt?

Ja, an beiden Enden. ISO 4762 nennt in Tabelle 1 einen kleinsten Radius je Größe und begrenzt den größten über r max = (d a,max minus d s,max) geteilt durch 2, mit l f,max = 1,7 r max. ISO 4014 und ISO 4017:2022 nennen r min und d a,max, wobei der zulässige kleinste und größte Radius im Bild dargestellt ist, allerdings ohne allgemeine Formel für r max. Einen Zweck nennen die Normen nicht; dass der Radius die Spannungskonzentration beeinflusst, stammt aus der Fachliteratur der Mechanik, nicht aus dem ISO-Text.

Was bedeutet d a auf einer Schraubenzeichnung?

Es ist der Übergangsdurchmesser, in ISO 225 definiert als Innendurchmesser der Auflagefläche dort, wo sie in den Radius unter dem Kopf übergeht. Es ist nicht der Radius selbst. Praktisch dient es als größte radiale Hüllkontur des Übergangs vom Kopf zum Schaft, also als der Wert, den man mit einer Durchgangsbohrung oder einer Scheibenbohrung vergleicht.

Muss eine Durchgangsbohrung angefast werden?

Nur wo es nötig ist. ISO 273:1979 merkt nach ihren Tabellen an, dass Anfasen empfohlen wird, wenn eine Kollision zwischen Bohrungskante und Radius unter dem Kopf vermieden werden muss — eine Empfehlung im Bedarfsfall, keine pauschale Anforderung. Die Prüfung ist reine Rechnung: Bei M6 beträgt die Hüllkontur des Übergangs d a,max 6,8 mm, die feine und die mittlere Bohrungsreihe haben 6,4 und 6,6 mm, beide können sich also überschneiden, und die grobe Reihe mit 7,0 mm ist frei.

Gehört eine Scheibe mit Fase mit der Fase nach oben, um den Radius freizugeben?

Nicht bei ISO 7090. Ihr Anwendungsbereich beschreibt sie als am Außendurchmesser angefast, und ihre Bohrung entspricht ISO 7089; sie schafft also keinen Freiraum für einen Radius unter dem Kopf, und keine der beiden Normen legt eine Einbaulage fest. Die Regel, die es tatsächlich gibt, steht in NASA-STD-5020A: Wo eine Kollision vermieden werden muss, ist eine angefaste Bohrung oder eine Scheibe mit gesenkter Bohrung unter dem Kopf zu verwenden, die Senkung zum Schraubenkopf. Dafür braucht man eine Scheibe, die tatsächlich eine gesenkte Bohrung hat.

Versagen die meisten Schrauben am Radius unter dem Kopf?

Nein. NASA RP-1228 stellt fest, dass Schrauben unter schwellender Zugbeanspruchung meist nahe dem Ende des Gewindeteils versagen, wo die Spannungskonzentration am höchsten ist, und veröffentlichte Schadensuntersuchungen ordnen den ersten tragenden Gewindegang, den Gewindeauslauf und den Übergang vom Kopf zum Schaft in dieser Reihenfolge. Die oft zitierte Aufteilung 65 / 20 / 15 geht auf eine Arbeit von 1952 zurück, die Daten von 1933 wiedergibt, deren ursprüngliche Statistik wir nicht überprüfen konnten; in VDI 2230, NASA-STD-5020A und den geprüften Bänden des ASM Handbook findet sich keine Verteilung der Bruchstellen.