Minimale Materialstärke für Gewindebohrung

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo Experten,

ich plane gerade einen Druckbehälter und da meine Kenntnisse der Mschinenelmente und Konstruktion noch etwas dürftig sind habe ich da einige Probleme und hoffe ihr könnt mir helfen.

Erst einmal meine Aufgabenstellung:
Rechteckiger Druckbehälter (ausgelegt bis 2bar) und einem maximalen Innenvolumen von 25l. Alle Wände sollen miteinander verschraubt und dauerhaft abgedichtet werden mit Ausnahme des Deckels, da dieser als Öfnung dient. Das Material: Aluminium.

Mein Frage:
Da der Behälter möglichst leicht sein soll, versuche ich die Außenwände sehr dünn zu gestallten (unter Berücksichtung der auftretenden Kräfte natürlich). Wie berechne ich, oder woher weis ich allgemein wie dick ich eine Platte wählen muss wenn ich in die schmale Kante z.B ein M4 Gewinde setze. Ich kann ja wohl schlecht eine 5mm dicke Platte nehmen und ein Gewinde reinschneiden, welches alleine schon 4mm im Durchmesser hat. Ich denke da müsste es doch irgendwelche Richtlinien oder Berechnungen zu geben?

Eine weitere Frage bezieht sich auf radialbelastete Schrauben. Die Auslegung für die axialen Belastungen viel mehr relativ leicht. Aber woher weis ich wieviel eine Schraubverbindung radial aushält?

Für Lösungsansätze und / oder Hilfen wo ich Lösungen zu meinem Problem finde wäre ich sehr dankbar.

#2

Hallo

Grundsätzlich werden Druckbehälter niemals eckig gebaut.

  1. Halten sie dem Druck nicht stand.
  2. bekommt man zuviel Oberfläche im Verhältnis zum Volumen.

Überleg Dir die Aufgabenstellung nochmal, vielleicht ist ja ein standard Kompressorkessel mit 24 Liter oder ein Vorratsbehälter aus einer LKW oder Anhängerbremsanlage geeignet für Dich. Selbstbauen ist schwierig, da man dafür jede Menge Hardware benötigt um Metall tief zu ziehen etc. Außerdem müssen Druckkessel geschweißt werden.

Horst

#3

Dass Druckbehälter üblicherweise rund gebaut werden zur Druckverteilung ist mir auch klar. Aber ich dachte da ich nur mit einem kleinen Druck und einem kleinen Volumen (Fmax ungefähr 26.8kN)arbeite, dass das trotzdem machbar wäre. Die 2bar maximal Druck beziehen sich auf das maximal mögliche meines Druckkalibarators. In der Praxis arbeite ich bis maximal 800mbar:wink: Ich wollte nur um sicher zu gehen dass ich keinen Behälter baue der explodieren kann, ihn so auslegen, dass er den maximal möglichen Druck aushält.
Mich würde trotzdem interessieren wieviel Material um ein Gewinde sein muss damit eine Schraubenverbindung nicht ausbricht (wie oben beschrieben) oder wie man das berechnet.

#4

Hallo Holger

Erst einmal meine Aufgabenstellung:
Rechteckiger Druckbehälter (ausgelegt bis 2bar) und einem
maximalen Innenvolumen von 25l. Alle Wände sollen miteinander
verschraubt und dauerhaft abgedichtet werden mit Ausnahme des
Deckels, da dieser als Öfnung dient. Das Material: Aluminium.

Mein Frage:
Da der Behälter möglichst leicht sein soll, versuche ich die
Außenwände sehr dünn zu gestallten (unter Berücksichtung der
auftretenden Kräfte natürlich). Wie berechne ich, oder woher
weis ich allgemein wie dick ich eine Platte wählen muss wenn
ich in die schmale Kante z.B ein M4 Gewinde setze. Ich kann ja
wohl schlecht eine 5mm dicke Platte nehmen und ein Gewinde
reinschneiden, welches alleine schon 4mm im Durchmesser hat.
Ich denke da müsste es doch irgendwelche Richtlinien oder
Berechnungen zu geben?

Zunächst einmal gilt das von Horst geschriebene, allerdings müssen Druckbehälter nicht geschweißt werden, sie können auch verschraubt werden. Das erfordert aber entsprechende Baumassnahmen.
Stirnseitiges Verbinden ist nur sinnvoll, wenn entsprechend dimensionierte Flanschungen (Abwinkeln) eingesetzt werden.

Eine weitere Frage bezieht sich auf radialbelastete Schrauben.
Die Auslegung für die axialen Belastungen viel mehr relativ
leicht. Aber woher weis ich wieviel eine Schraubverbindung
radial aushält?

Radiale Belastung gibt es bei der beschriebenen Auslegung kaum, das meiste geht über Zug. Ich nehme mal an, dass Du Scherbelastung meinst, da sind die entscheidenden Parameter die Materialfestigkeit und der Querschnitt.

Gruß
Rochus ( so eine Art Unterschrift macht man hier)

#5

Hmm… ich werde noch mal über meine Idee nachdenken. Wobei ich ja glaube dass Fmax 26,8kN (bezogen auf meine gwählten Maße) bzw 2bar = 0,2N/mm² in meinen Augen sehr wenig ist und leicht zu abzudichten. Aber wie gesagt ich denk noch mal drüber nach.

Gruß Holger

#6

Mein Frage:
Da der Behälter möglichst leicht sein soll, versuche ich die
Außenwände sehr dünn zu gestallten (unter Berücksichtung der
auftretenden Kräfte natürlich). Wie berechne ich, oder woher
weis ich allgemein wie dick ich eine Platte wählen muss wenn
ich in die schmale Kante z.B ein M4 Gewinde setze. Ich kann ja
wohl schlecht eine 5mm dicke Platte nehmen und ein Gewinde
reinschneiden, welches alleine schon 4mm im Durchmesser hat.
Ich denke da müsste es doch irgendwelche Richtlinien oder
Berechnungen zu geben?

Was die Dicke des Gegengewindes betrifft sollte sie so dick sein wie eine normale Sechskantmutter, was in etwa einmal der Durchmesser ist. Allerdings gilt das nur für Stahl. Und ich würde im Allgemeinen davon Abstand nehmen etwas in Alu festzuschrauben wenn es durch Kräfte belastet wird, da Alu ein sehr weiches Material ist.
Gruß Nik

#7

Hallo,

wie man an Blechschrauben sieht, genügt grundsätzlich eine Windung oder sogar etwas weniger für eine Schraubverbindung.

Gruss Reinhard

#8

wie man an Blechschrauben sieht, genügt grundsätzlich eine
Windung oder sogar etwas weniger für eine Schraubverbindung.

Guten Reinhard,
DAS kann nicht so stehen gelassen werden:

Du hast sicherlich recht - die Schraube hält (sich) - aber auch nicht mehr. Ich kenne die „Fausregel“: 1 X d (bei M4 = 4mm Einschraubtiefe) aber in Stahl - für Alu war, glaube ich, 1,2 X d anzusetzen.

Eine Schraubenverbindung, gerade im Druckbehälterbau, ist eine sehr komplexe Angelegenheit:

Die Schraube soll dichten; Sie soll dem Druck standhalten; Sie soll bei vollem Druck immer noch dichten; …

Das bedeutet: Zu der Zugkraft, die bei dieser Verbindung (wie sie in anderen Antworten schon genauer beschrieben wurde) auch noch gleichzeitig eine gleichgroße Scherkraft ausgesetzt ist, ist zum Zug auch noch die Anpresskraft (zum dichten) und die Scherbelastung hinzu zu rechnen.

Außerdem: Blechschrauben haben ein völlig anderes Gewindeprofil als Gewindeschrauben.
mfg
Gerd

#9

Mich würde trotzdem interessieren wieviel Material um ein
Gewinde sein muss damit eine Schraubenverbindung nicht
ausbricht (wie oben beschrieben) oder wie man das berechnet.

Hallo

Die Stanzmaschinenbauer rechnen das folgendermassen:

Der erste Gewindegang trägt 70% der Last.
Der zweite Gewindegang trägt 20% der Last.
Die übrigen Gewindegänge übernehmen den Rest und sorgen für die Losdrehsicherheit.

Schraubendimensionierung:

Anziemoment ist 90% Streckgrenze des Schraubenmaterials.

Das wird nur bei höchstbelasteten Schrauben angewendet.
Anziehen mit Drehmomentschlüssel nach vorgeschriebener Tabelle.
Schraubenkopfauflage mit Graphitfett eingefettet, damit Drehmomentschlüssel richtigen Wert anzeigt und damit kein Passrost an der Schraubenauflage entsteht.
Bei hochfrquenter Belastung wird sonst Schraubenkopf mit Auflage verschweisst.
Bei gewissen Anwendungen zwar nicht schlecht, aber nie mehr lösbar.
Lösen mit ausfräsen, ausbohren oder Schweissbrenner.

Bei M4 ist 6mm Fleisch drumherum möglich, je nach umstehende Geometrie und kleinste übrigbleibende Wände, die alle Kräfte noch übernehmen können.

Ueberprüfung der tragenden Geometrie.

Trick:
Den ersten Gewindegang ein bisschen tiefer setzen durch anstechen bewirkt, dass mehr Material die Zugkräfte aufnimmt.

Gruss
Beat

#10

Alle Wände sollen miteinander

verschraubt und dauerhaft abgedichtet werden mit Ausnahme des
Deckels, da dieser als Öfnung dient. Das Material: Aluminium.

Hallo,
da der Behälter doch oben offen ist und die Schraubverbindungen somit zugänglich:
warum nimmst Du nicht Schrauben und Muttern?
Wozu Gewindebohrungen?

Gruß:
Manni

#11

wie man an Blechschrauben sieht, genügt grundsätzlich eine
Windung oder sogar etwas weniger für eine Schraubverbindung.

Guten Reinhard,
DAS kann nicht so stehen gelassen werden:

Hallo,

ist schon klar, aber genau das wollte ich mit dem Extrembeispiel Blechschraube klarstellen: Aussagen wie „eine M4-Schraube kann man nicht in 4 mm Alu schrauben“ sind ziemlich sinnlos, es kommt eben immer darauf an, was die Verbindung leisten soll. In der Automobilindustrie hat sich das Schrauben zu einer komplexen Wissenschaft entwickelt.

Gruss Reinhard

#12

Hallo Beat,

das ist ja mal ne ordentliche Antwort, danke :smile: Ich habe mir inzwischen auch noch profesionelle Hilfe geholt um die optimalste Lösung für meine Aufgabe zu finden.

Gruß
Holger

#13

Der erste Gweindegang trägt nie 70% (es sei Denn Deine Bohrung hat nur einen Gewindegang), auch wenn einem die Hersteller von Helicoil und Co in Ihrer Werbung einem dies immer Verkaufen wollen. Knapp 40% sind realistischer. Dennoch trägt der erste Gewindegang die größte Einzellast, von daher reißt die Schraube auch immer dort. Deine Materialstärke sollte so Dick sein, daß mindestens 3,5 Gewindegänge reinpassen, dann bekommst Du knapp 100 % Belastbarkeit.