Die Grundlagen der Schrauben und Schraubenarten

Obwohl Schrauben weit verbreitet sind, gehören sie oft zu den am wenigsten beachteten Komponenten in der Elektronik. Es gibt jedoch einen Grund, warum DigiKey über 13.000 verschiedene Schraubentypen anbietet. Sie werden verwendet, um Leiterplatten festzuhalten, Abdeckungen zu befestigen und Steckverbinder zu montieren. Im Gegensatz zu elektronischen Bauteilen sind Schrauben nicht gekennzeichnet, und man muss ein Auge dafür entwickeln, sie zu erkennen.

Während ich in der Junior High School den Farbcode für Widerstände lernte, brachte mir mein Vater, ein Maschinenschlosser, bei, was eine Maschinenschraube #6-32 ist. Es erwies sich als ein wirklich nützliches Talent. Wenn Sie es vergessen haben oder sonst nichts über Schrauben wissen, finden Sie in diesem Beitrag die Grundlagen.

Grundlagen der Schrauben

Bei der Schraube handelt es sich um ein Befestigungselement mit einer schraubenförmigen Rille, die in die Außenseite einer zylindrischen Stange geschnitten ist und als Gewinde bezeichnet wird. Sie passt in eine gegenläufige schraubenförmige Nut, die in die Innenseite eines zylindrischen Lochs geschnitten ist, entweder in einem festen Körper oder in einem kleinen Gegenstand, der Mutter genannt wird. Durch Drehen der Schraube in das entsprechende Gewindeloch wird die Schraube in die Gegenfläche vorgeschoben. Wird die Schraube durch ein Objekt geführt, wird das Objekt durch Drehen der Schraube bis zur Verbindung von Objekt und Montagefläche an der Fläche befestigt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zeichnung einer typischen Maschinenschraube mit rundem Kopf und ihren wichtigsten Eigenschaften. (Bildquelle: Art Pini)

Die wichtigsten Spezifikationen für eine Schraube sind ihr Hauptdurchmesser (in Abbildung 1 als „Major Diameter“ bezeichnet), die Gewindesteigung (oder die reziproke Anzahl der Gewinde pro Längeneinheit) und die Länge. Der Hauptdurchmesser ist der Durchmesser, der an der Außenseite des Gewindes gemessen wird. Die Gewindesteigung ist der Weg, den die Schraube bei einer Umdrehung zurücklegt, oder der Abstand zwischen den Spitzen benachbarter Gewinde. Der Kehrwert der Gewindesteigung ist die Anzahl der Gewinde pro Längeneinheit. In den USA und Kanada wird als Längeneinheit das Zoll (in.) verwendet. In Ländern, die metrische Schraubenspezifikationen verwenden, sind es Millimeter (mm). Die Schraubenlänge ist der Abstand zwischen der Unterseite der Schraube und der Bezugsebene. Die Bezugsebene ist die Stelle, an der die Schraube die Gegenfläche berührt. Bei Rundkopf- und ähnlichen Schrauben befindet sie sich, wie abgebildet, an der Basis des Schraubenkopfes. Bei einer Flachkopfschraube, die in einer Senkbohrung sitzt, befindet sie sich oben am Schraubenkopf.

Normen für Schraubengewinde

Die in Nordamerika am häufigsten verwendete Gewindenorm ist der Unified Thread Standard (UTS). UTS-Schrauben werden nach ihrem Nenndurchmesser und der Gewindezahl angegeben. Eine ¼-20 ist beispielsweise eine Schraube mit einem Durchmesser von ¼ Zoll und einer Gewindezahl von 20 Gewinden pro Zoll. Schrauben mit einem Durchmesser von weniger als ¼ Zoll werden mit einer ganzzahligen Zahl, 0-16, angegeben. Schrauben mit einem Durchmesser von weniger als 0 werden mit den Zahlen 00, 000 und 0000 bezeichnet. Die in Brillen verwendeten Schrauben sind zum Beispiel typischerweise 00-72.

UTS unterstützt mehrere Gewindegrößen für jeden Schraubendurchmesser. Die kleineren oder gröberen Gewindegänge werden als Unified Coarse Thread (UNC) bezeichnet. Die Schrauben mit einer feineren Steigung werden als Unified Fine Thread (UNF) bezeichnet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Abmessungen von Schrauben nach der UTS-Schraubennorm. (Tabellenquelle: Art Pini)

Aus Tabelle 1 geht hervor, dass es für jeden Schraubendurchmesser zwei mögliche Gewindegrößen gibt, so dass eine Schraube Nr. 10 mit einer Gewindegröße von 24 oder 32 Gewinden pro Zoll erhältlich ist.

Die absoluten Durchmesser der Schrauben mit ganzzahligen Werten können durch Multiplikation der Werte mit 0,013 und Addition des Produkts zu 0,060 Zoll berechnet werden. Eine Schraube mit der Nummer 6 hat also einen Durchmesser von (6 x 0,013) + 0,060 = 0,138 Zoll.

Es gibt auch eine metrische Schraubennorm. Diese werden mit dem Buchstaben M bezeichnet, gefolgt vom großen Durchmesser der Schraube in mm und der Gewindesteigung ebenfalls in mm (Tabelle 2).

Tabelle 2: Metrische Schraubendurchmesser und Gewindesteigungen für die Grob- und Feingewindeserie. (Tabellenquelle: Art Pini)

Bei den Feingewinden gibt es eine größere Auswahl an Schraubendurchmessern als bei den Grobgewinden, aber in Tabelle 2 sind nur die überlappenden Durchmesser aufgeführt. Wie bei den UTS-Schrauben sind die metrischen Schrauben in zwei Gewindesteigungen für jeden Durchmesser erhältlich. Denken Sie daran, dass die Schraubensteigung der Kehrwert der Gewindesteigung pro mm ist.

Schraubenkopfformen und Triebarten

Schrauben werden mit einer Vielzahl von Kopfformen hergestellt. Jede Kopfform bietet spezifische Vorteile. So wird beispielsweise eine Flachkopfschraube in der Regel so versenkt, dass der Kopf vollständig unter der Oberfläche liegt, in die die Schraube eingedreht wird. Dadurch bleibt die Oberfläche frei von Überständen. Die gebräuchlichsten Schraubenkopftypen, die in der Elektronikmontage verwendet werden, sind unten in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Beispiel für einige typische Schraubenkopftypen. Die Anwendung bestimmt im Allgemeinen den Typ des verwendeten Schraubenkopfes. (Bildquelle: Art Pini)

Neben der Form des Schraubenkopfes werden Schrauben auch durch die Treiberart beschrieben. Die Treiberart bestimmt die Art des Werkzeugs, das zum Drehen der Schraube verwendet wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Art des Gewindetriebs bestimmt das maximale Drehmoment, das auf den Schraubenkopf ausgeübt werden kann. Sie bestimmt auch die Art des Werkzeugs, das zum Drehen der Schraube verwendet wird. Es sind hier einige der am häufigsten verwendeten Triebarten dargestellt. (Bildquelle: Art Pini)

Für alle dargestellten Triebarten, mit Ausnahme des Sechskantkopfes, ist ein entsprechender Schraubendreher erforderlich. Für die Sechskantschrauben benötigen Sie einen Schraubenschlüssel oder einen Mutternschlüssel. Die Anwendung bestimmt die Auswahl des Treibertyps.

Die meisten Schrauben werden im Uhrzeigersinn eingedreht. Dies wird als rechtsgängiges Gewinde bezeichnet. Ein weniger gebräuchliches Gewinde ist das Linksgewinde, bei dem die Schraube gegen den Uhrzeigersinn eingedreht wird.

In der Elektronik vorkommende Schraubenarten

Angesichts der großen Anzahl von Baugruppen, die in der Elektronik verwendet werden, sollte es offensichtlich sein, dass es eine große Anzahl von Schraubentypen gibt, die benötigt werden, um sie alle zusammenzuhalten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Häufig verwendete Schraubentypen in elektronischen Baugruppen. (Bildquellen: B&F Fastener Supply, RAF electronic-hardware, und Pomona Electronics)

Die Maschinenschraube: Wie der Name schon sagt, werden diese Schrauben zur mechanischen Befestigung von Bauteilen in Maschinen, Fahrzeugen, Elektronik und Haushaltsgeräten verwendet. Ein Beispiel wäre die Befestigung einer Leiterplatte auf einem Abstandshalter mit Gewinde. Die in Abbildung 4 (links) gezeigte PMS-632-0075-PH von B&F Fastener Supply ist eine Kreuzschlitzschraube mit Linsenkopf und einer Länge von ¾ Zoll (#6-32).

Die selbstschneidende Blechschraube, zweite von links, ist eine 6X1/2 HHSMS von B&F Fastener Supply. Dies ist eine Sechskantschraube (#6) mit einer Länge von ½ Zoll. Blechschrauben werden zum Verbinden von Blechteilen wie Chassis oder Gehäusen verwendet. Sie werden mit nur kleinen Vorbohrungen in Blechelemente eingesetzt. Die Schrauben schneiden sich beim Eindrehen ihr eigenes Innengewinde.

Die Panelschraube, dritte von links, dient dazu, eine abnehmbare Platte zu befestigen. Es handelt sich um eine Form der Schulterschraube. Der obere Teil der Schraube, der so genannte Schaft, hat kein Gewinde, da er durch ein Loch in der Platte hindurchgeführt und frei gedreht werden soll, während der mit einem Gewinde versehene Teil die Platte in dem mit einem Gewinde versehenen Befestigungsloch befestigt. Bei der abgebildeten Schraube handelt es sich um die Schlitzschraube 0100-SS (#4-40) von RAF Electronic Hardware mit einer Länge von 21/32 Zoll.

Das letzte Beispiel ist eine Stiftschraube. Stiftschrauben werden verwendet, um rotierende Bauteile wie Knöpfe, Zahnräder und Nocken an einer Welle zu befestigen. Es handelt sich um Schrauben ohne Kopf, die in der Regel als Schlitz- oder Innensechskantschraube ausgelegt sind. Ein gutes Beispiel ist die Schlitzschraube 4914 (#8-32) von Pomona Electronics (ganz rechts).

Fazit

Dies sind nur einige der verfügbaren Schraubentypen. Ich hoffe, dass Ihnen dieser Beitrag als praktischer Leitfaden zur Identifizierung von Schrauben dienen kann und Sie auf den richtigen Weg zur Auswahl der richtigen mechanischen Schraube für Ihr nächstes Designprojekt bringt.