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Befestigungsschrauben

Schrauben sind die am meisten verwendeten Elemente zum Verbinden von Bauteilen. Ge genu¨ber Schweiß-, Lo¨t-, Kleb-, Niet- und Pressverbindungen lassen sich die Bauteile zersto¨ rungsfrei lo¨sen und abermals verbinden. So werden Maschinenteile, Maschinen- und Getriebegeha¨use, Rohr- und Kupplungsflansche, Lagerko¨rper u. dgl. miteinander verschraubt Außer zur Befestigung dienen Schrauben auch zum Einstellen, Messen und Spannen. Schrauben und Muttern und deren Gewinde sind weitgehend genormt

10.1

Gewinde

Schrauben besitzen Gewinde, deren Ga¨nge sich mit der Steigung P um einen zylindrischen Kern mit dem Durchmesser dK winden. Der Betrag der Steigung P ist gleich der Axialverschiebung bei einer Umdrehung. Mit der Abwicklung eines Ganges, der sog Flankenlinie , am Flankendurchmesser d2 als mittlerem Gewindedurchmesser ergibt sich ein Dreieck mit dem Steigungswinkel a (Bild 10.1). Die Gleit- und Reibungsverha¨ ltnisse beim Zusammenwirken mit dem Gewinde der Mutter bzw. des Werkstu¨ckes sind dieselben wie auf einer um den Winkel a geneigten schiefen Ebene, die zusa¨tzlich in der senkrecht liegenden Richtung noch um den Flankenwinkel b geneigt ist.

Bild 10.1 Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13. Schraubenschaft mit Gewinde und Mutte Steigungswinkel, tan a = P/(d2 p 7 0,32 P/d2 a H Gewindetragtiefe = 0,54127P h3 Gewindetiefe = 0,61343P Teilflankenwinkel = 30 = halber Flankenwinkel b Außen- und Nenndurchmesser d m Mutternho¨ he d2 P Steigung Flankendurchmesser = d – 0,64952 P d3 d K Kerndurchmesser = d – 1,22687P R Rundungsradius = 0,14434P

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Lo¨sbare Verbindungen

Das Außengewinde wird auch als Bolzengewinde und das Innengewinde als Muttergewinde bezeichnet. Besitzt der Schaft wie im Bild 10.1 den gleichen Durchmesser d wie das Gewinde, dann spricht man von Schaftschrauben. Sie werden auch Vollschaftschrauben genannt im Gegensatz zu den Du¨nnschaftschrauben mit einem Schaftdurchmesser ungefa¨ hr gleich dem Flan kendurchmesser d2 (als Ausgangsmaß des Rundstabes fu¨r gerolltes Gewinde), beispielsweise bei Kombi-Schrauben nach DIN 6900 (siehe Bild 10.21). Bei Taillen- oder Dehnschrauben (Dehnschaftschrauben) ist der Schaft- oder Taillendurchmesser dT kleiner als der GewindeKerndurchmesser dK d3, u¨blich dT 70,9dK Eine Schaftschraube hat den Schaftquerschnitt A mit dem Durchmesser d, somit A d2 p/4, eine Taillenschraube den Taillenquerschnitt AT mit dem Durchmesser dT , womit AT d2T p/4 wird. Im Gewinde sind wichtig der Kernquerschnitt AK mit dem Durchmesser dK d 3 am Gewindegrund, also A K d2K p/4, und der Spannungsquerschnitt A S als Bezugsgro¨ße fu¨ Festigkeitsberechnungen, der mit dem Durchmesser dS (d 2 þ d3)/2 errechnet wird A S (d2 + d3 2 p/16 (Bild 10.2). Fu¨r einige wichtige Gro¨ßen des metrischen ISO-Gewindes nach DIN 13 sind die genannten Durchmesser und Querschnitte in Tab. 10.1 angegeben

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Bild 10.2 Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13. Querschnittsdefinitionen A Schaftquerschnitt d Außen- und Nenndurchmesse AK Kernquerschnitt d K Kerndurchmesser = d – 1,22687 P AS Spannungsquerschnit d S Spannungsdurchmesser = 0,5 d 2 + d3 AT Taillenquerschnitt d T Taillendurchmesser einer Dehnschraube = 0,d3

Die Grundformen der gebra¨uchlichsten Gewinde werden im Wesentlichen nach DIN 202 durch die Form des Profils, z. B. Trapez oder Dreieck, die Steigung P, die Gangzahl (ein- oder mehrga¨ ngig) und ihren Einsatzzweck unterschieden. Grundformen sind: metrische Gewind mit einem Flankenwinkel von 60 , Whitworth-Gewinde mit einem Flankenwinkel von 55 Rundgewinde, Sa¨ gengewinde und Trapezgewinde (Bild 10.3 Die u¨ blichen Befestigungsgewinde besitzen ein dreieckfo¨rmiges Profil mit dem Flankenwink 2b 60 C und dem Te ilflankenwinkel b 30 (siehe Bild 10.1). Beim metrischen Gewinde sind die Außendurchmesser d in einer Reihe des metrischen Maßsystems gestuft Das metrische ISO-Gewinde wird entspr. DIN 13 in folgenden Toleranzklassen ausgefu¨ hrt fein f fu¨r Gewinde von großer Genauigkeit, wenn nur geringes Spiel auftreten darf (Toleranz felder1) 4H oder 5H/4h oder 4e fu¨r Mutterngewinde/Bolzengewinde) mittel mfu¨r allgemeine Anwendung (Toleranzfelder 6H/6g) grob g, wenn keine Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden (Toleranzfelder 7H/8g). Die Toleranzfelder und deren Abmaße fu¨r die Durch messer d d2 und d3 sind in DIN 13 angegeben. Die Toleranzklasse m als vorherrschende braucht in Bestellungen nicht genannt zu werden 1)

Im Gegensatz zum ISO-Toleranzsystem (siehe Abschn. 2.3) wird bei Gewinden die Ziffer vor den Buc staben gesetzt

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Bild 10.3 Ga¨ngige Gewinde-Grundformen. a) metrisches Gewinde, b) Whitworth-Gewinde, c) Rundgewind d) Sa¨gengewinde, e) Trapezgewinde

Es wird zwischen Regel- und Feingewinden unterschieden. Die Letzten haben gegenu¨ber den Regelgewinden eine kleinere Gewindetiefeh 3 und eine dementsprechend kleinere Steigung P Sie eignen sich bei kurzen Schraubla¨ ngen, auf du¨nnwandigen Rohren, als Stellgewinde oder be ho¨heren Tragfa¨ higkeitanspru¨chen (z. B. Fu¨hrungsbolzen bei Bremssa¨ tteln). In der Tab. 10.1 sind die nach DIN 13 genormten drei Auswahlreihen fu¨r Regel- und Feingewinde zusammengestellt Regelgewinde sind den Feingewinden mo¨glichst vorzuziehen, außerdem soll jeweils die vorher gehende Reihe der nachfolgenden vorgezogen werden, um die Anzahl der Fertigungs- und Mess werkzeuge auf ein Minimum zu beschra¨nken }blich sind Rechtsgewinde wie in Bild 10.1, die durch Rechtsdrehung angezogen werden Linksgewinde kommen nur fu¨r Sonderfa¨ lle in Betracht, sind jedoch in englischsprachigen La¨ndern verbreitet Lampen- und Sicherungsfassungen oder Verbindungen, die der Witterung ausgesetzt sind und/ oder o¨ fter gelo¨st werden mu¨ssen, wie Armaturen und Wagonkupplungen, werden in der Rege mit dem robusten, unempfindlichen Rundgewinde versehen (Bild 10.3). Bezeichnungsbeispiel mit 50 mm Außendurchmesser und 7 mm Steigung: DIN 264-Rd 50 7. Fu¨r Rohre mit Zollabmessungen wie Gas- und Wasserleitungsrohre, fu¨ r Armaturen, Fitting und Gewindeflansche werden auch heute noch die Whitworth-Rohrgewinde (Bild 10.3) verwendet, und zwar nach DIN 3858 und DIN EN ISO 228. Mit kegeligem Außengewinde und zylindrischem Innengewinde ist es zum Dichthalten geeignet. Im Profil ist es dem metrischen ISO-Gewinde a¨ hnlich Fu¨r Verschraubungen elektrotechnischer Installationsrohre ist einStahlpanzerrohrgewinde mit DIN 40430 genormt. Bezeichnungsbeispiel: DIN 40430-Pg 21, das einen Außendurchmesser von 28 mm besitzt ¨ gengewinde erwa¨hnt. Da diese Außer den genannten Gewinden seien noch dieTrapez- und Sa nicht als Befestigungsgewinde dienen, sind sie bei den Bewegungsschrauben dargestellt (siehe Kapitel 11, Bild 11.3) Nicht vergessen werden sollte die weite Verbreitung von im deutschsprachigen Raum selten verwendeten Gewindetypen, z. B. dem UNC-Gewinde ANSI B1.1. Das UNC (Unified Coarse Thread Series) ist das amerikanische Einheits-Grobgewinde. Die alte Bezeichnung NC ist ver gleichbar mit dem metrischen Gewinde, die Bezeichnung UNC mit dem metrischen ISO-Ge winde. NC- und UNC-Gewinde sind auswechselbar (entsprechend dem metrischen und ISOmetrischen Gewinde) Der Unified Thread Standard (UTS) spezifiziert die Form, Gro¨ßenabstufung, Toleranz usw fu¨r US-amerikanische Zoll-Gewinde. Er besteht aus den Spezifikationen Unified Coarse (UNC), Unified Fine (UNF), Unified Extra Fine (UNEF) und Unified Special (UNS)

10.2

Ausfu¨ hrung von Schrauben und Muttern

Schrauben und Muttern werden nach DIN ISO 4759 in den Produktklassen (Ausfu¨hrungsgu¨ten) A (bisher m mittel), B (bisher mg mittelgrob), C (bisher g grob) und F (bisher

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Bild 10.4 Auswahl verschiedener Kopfschrauben (die Buchstaben A, B und C geben die Produktklasse an a) Sechskantschraube mit Schaft A, B DIN EN 24014 (DIN 931), C DIN EN 24016, mit Feingewinde A, B DIN EN 28765, b) Sechskantschraube mit Gewinde bis Kopf A, B DIN EN 24017 (DIN 933), C DIN EN 24018, mit Feingewinde A, B DIN EN 28676, c) Sechskantschraube mit Mutter fu¨ r Stahlkonstruktionen DIN 7990, d) Sechskantschraube mit großer Schlu¨ sselweite HV-Verbindungen in Stahlkonstruktionen DIN 6914, e) Sechskantschraube mit Zapfen, kleinem Sechskant und Gewinde bis Kopf DIN 561, f) Sechskantschraube mit Ansatzspitze, kleinem Sechs kant und Gewinde bis Kopf DIN 564, g) Sechskantpassschraube mit Mutter fu¨ r Stahlkonstruktio nen DIN 7968, h) Sechskantpassschraube mit langem Gewindezapfen DIN 609, i) Zylinderschrau be mit Innensechskant A DIN EN ISO 4762 (DIN 912), mit niedrigem Kopf und Schlu¨ sselfu¨ hrun DIN 6912, mit niedrigem Kopf DIN 7984, k) Zylinderschraube mit Schlitz A, B DIN EN ISO 1207 (DIN 84), l) Flachkopfschraube mit Schlitz DIN EN ISO 1580 (DIN 85), m) Senkschraube mi Innensechskant A DIN EN ISO 10642 (DIN 7991), n) Senkschraube mit Schlitz A DIN EN ISO 2009 (DIN 963), o) Linsensenkschraube mit Schlitz A DIN EN ISO 2010 (DIN 964), p) Senkschraube mit Schlitz mit oder ohne Mutter fu¨ r Stahlkonstruktionen DIN 7969, q) Linsenschrau mit Kreuzschlitz DIN EN ISO 7045 (DIN 7985), r) Vierkantschraube mit Kernansatz DIN 479 mit Bund und Ansatzkuppe DIN 480, s) Augenschraube A, B, C DIN 444, t) Kreuzlochschraub mit Schlitz DIN 404

f fein) hergestellt. Fu¨r Teile von Schraubenverbindungen aus kaltza¨ hen oder warmfesten Werkstoffen heißen die Produktklassen T1 (bisher f), T2 (bisher m) und T3 (bisher mg) Schrauben und Muttern werden in der Regel in der Produktklasse A verwendet. Die Klassen unterscheiden sich nach Oberfla¨ chenbeschaffenheit, Maß- und Formgenauigkeit gema¨ ß DIN 267-2 und DIN ISO 4759-1. In DIN ISO 8992 sind die allgemeinen Anforderungen fu¨r Schrauben und Muttern festgelegt sowie die zugeho¨rigen Normen angegeben Die Darstellung und Namen von Verbindungselementen sind mit DIN 918 und DIN ISO 1891 genormt. Bild 10.4 zeigt eine Auswahl genormter Kopfschrauben . In Bild 10.5 ist dargestellt, mit welchen Werkzeugen verschiedene Kopfschrauben angezogen werden. Um ein unbefug tes Lo¨sen auszuschließen, werden oft Sonderko¨pfe vorgesehen, wie Bild 10.5 veranschaulicht

Bild 10.5 Bedienwerkzeuge fu¨ r verschiedene Schraubenkopf formen

Bild 10.6 TORX-Schraubsystem (links) und Sechskantkopf

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Bild 10.7 Auswahl genormter Stift schrauben und Schraubenbolze a) b) c) d) e)

Stiftschraube DIN 938 mit Einschraubende d DIN 939 mit Einschraubende 1,25d DIN 835 mit Einschraubende 2d DIN 940 mit Einschraubende 2,5d Schraubenbolzen DIN 2509

Dreikantverschraubungen DIN 22416 fu¨r schlagwetter- und explosionsgeschu¨tzte Gera¨ te du¨ fen nur mit einem Dreikantschlu¨ssel angezogen und gelo¨st werden. Sechskantschrauben und -muttern werden mit Gabel- oder Ringschlu¨sseln angezogen. Beim TORX-Schraubsystem nach Bild 10.6 (links), das von verschiedenen Schraubenherstellern angeboten wird, besitzt der Schraubenkopf eine sechseckige Sternform mit gerundeten Ecken. Dadurch wird die Kraft beim Anziehen durch Fla¨ chen u¨ bertragen, wa¨ hrend dies beim Sechskantkopf nur u¨ b Angriffslinien geschieht (Bild 10.6 rechts). Auch bei hohen Anziehdrehmomenten bleiben die Werkzeuge sicher im Eingriff und gleiten nicht aus. Das robuste Profil ist unempfindlich, be sonders fu¨r maschinelle Montagen und dort geeignet, wo Schrauben oft gelo¨st werden mu¨ssen. Die Firma Bergner, Schwabach, liefert auch von ihr al Ribe-Triform bezeichnete Schrauben, deren Gewinde am Ende mit voller Gewindetiefe konisch auslaufen und an diesem Auslauf dreimal am Umfang angefla¨ cht sind. Dadurch lassen sich die Schrauben leicht i das Gewindeloch einfu¨hren und einschrauben Mit DIN 7500 sind gewindefurchende Schrauben fu¨r metrisches ISO-Gewinde M 2 bis M 10 genormt, und zwar außer den Abmessungen auch Richtwerte fu¨r die Kernlochdurchmesser Hierbei handelt es sich um Schrauben, die sich beim Einschrauben in ein vorgebohrtes Kern loch ihr Gewinde selbst spanend formen (gewindefurchende Schrauben sowie GewindeSchneidschrauben DIN 7513 und 7516). Dazu geho¨ren auch Bohrschrauben, die jedoch beim Einschrauben ihr Kernloch selbst bohren und das Gegengewinde spanlos formen. DIN 7504 entha¨lt Bohrschrauben mit Blechschrauben-Gewinde nach DIN EN ISO 1478, das vom metrischen ISO-Gewinde abweicht Die Stiftschrauben nach Bild 10.7 besitzen ein Einschraubende mit einer }bergangspassung (unten) und ein Mutternende (oben). Das Einschraubende wird nicht wieder gelo¨st. Es sitz ru¨ttelsicher im Bauteil fest. Zum Eindrehen dient ein Spezialschlu¨ssel, ein sog. Stiftsetzer Fu¨r Leichtmetalle (einschließlich Aluminium) sollen vorzugsweise Stiftschrauben DIN 949 (im Bild 10.7 nicht dargestellt) verwendet werden, Form A mi 7 2d und Form B mit 72,5d langem Einschraubende, auf dem sich Festsitzgewinde nach DIN 8141 befindet

Bild 10.8 Auswahl genormter Gewindestifte a) Gewindestift mit Schlitz und Kegelkuppe DIN EN 24766 (DIN 551), b) mit Innensechskan und Kegelkuppe DIN 913, c) mit Schlitz und Spitze DIN EN 27434 (DIN 553), d) mit Innensechs kant und Spitze DIN 914, e) mit Schlitz und Ringschneide DIN EN 27436 (DIN 438), f) mit In nensechskant und Ringschneide DIN 916, g) mit Schlitz und Zapfen DIN EN 27435 (DIN 417) h) mit Innensechskant und Zapfen DIN 915, i) Schaftschraube mit Schlitz und Kegelkupp DIN 427, k) Gewindestift mit Druckzapfen DIN 6332

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Bild 10.9 Schraubenenden nach DIN 78 Ko ohne Kuppe, K Kegelkuppe, L Linsenkuppe, Ks Kegelstumpf, Spz Splintzapfen Za Zapfen, Ak Ansatzkuppe, Rs Ringschneide, Sp Spitze, Asp Ansatzspitze, Sb Schabenut (zum Gewindeschneiden)

Anschweißenden DIN 525 (hier nicht gezeigt) besitzen ein gewindeloses Ende, mit dem sie in oder an Bauteile geschweißt werden und dann die Aufgaben der Stiftschrauben erfu¨llen. Zu erwa¨hnen sind noch die kopflosen Gewindestifte, die vorwiegend zur Sicherung gegen Verschieben von Bauteilen dienen (Bild 10.8) Genormte Schraubenenden zeigt Bild 10.9. Bestellangaben fu¨r Formen und Ausfu¨hrungen von Schrauben und Muttern siehe DIN 962 In Tab. 10.3 sind die Durchgangslo¨cher fu¨r Schrauben, in Tab. 10.4 die Abmessungen der am meisten verwendeten Schraubenko¨pfe, Muttern und Unterlegscheiben wiedergegeben. Mi DIN ISO 272 sind Schlu¨ sselweiten SW fu¨r Sechskantschrauben und -muttern festgelegt, die gegenu¨ber den fru¨her in Deutschland u¨ blichen nach DIN 931 und 934 teilweise etwas kleine sind (alte DIN-Werte in Klammern): M10 SW 16 (17), M12 SW 18 (19), M14 SW 21 (22) und M22 SW 32 (34). Um den Anforderungen einer optimalen Belastbarkeit von Schraubenverbindungen zu genu¨ gen, wurden international zwei Mutterntypen genormt, die ho¨her sind m 0,8d ) als Muttern nach der zuru¨ckgezogenen DIN 934 (m 7 0,8d) und somit gro¨ßere Pru¨fkra¨ fte erreichen

Bild 10.10 Auswahl genormter Muttern (Die Buchstaben A, B und C geben die Produktklasse an a) Sechskantmutter, Typ 1, A, B DIN EN 24032 und DIN EN 28673, Typ 2, A, B DIN EN 28674, b) niedrige Form A, B DIN EN 24035 (DIN 439-2) sowie DIN EN 28675, c) wie b), B DIN EN 24036, d) wie b), C DIN EN 24034, 1,5 d hoch DIN 6330, e) mit großer Schlu¨ sselweite fu¨ r HV-Verbindungen in Stahlkonstruktionen DIN 6915, f) Kronenmutter A, B bis M10 DIN 935-1 g) wie f), jedoch ab M12 C DIN 935-3, h) Kronenmutter niedrige Form bis M10 DIN 937, i) wie h), jedoch ab M12, k) Sechskantmutter mit Klemmteil (selbstsichernd durch nichtmetallische Einsatz) niedrige Form, A, B DIN EN ISO 10511 (DIN 985), Typ 1, mit Regelgewinde A, B DIN EN ISO 7040 (DIN 6924), mit Feingewinde A, B DIN EN ISO 10512 (DIN 982), l) Sechskant-Hutmutter niedrige Form DIN 917, m) wie l), jedoch hohe Form DIN 1587, n) Sechskant Hutmutter mit Klemmteil (selbstsichernd durch nichtmetallischen Einsatz) DIN 986, o) Vierkan mutter C DIN 557, p) Vierkantmutter niedrige Form DIN 562, q) Schlitzmutter DIN 546 r) Zweilochmutter DIN 547, s) Kreuzlochmutter DIN 548, t) Nutmutter DIN 1804 und DIN 981 u) Kreuzlochmutter DIN 1816

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Bild 10.11 ENSAT1-Einsatzbuchse

Bild 10.12 Gewinde-Sackloch mit eingedrehtem HELICOIL 1-Einsatz (Werkbild Bo¨ llhof

Der Typ 2 ist gegenu¨ber dem Typ 1 um ca. 10 % ho¨ her, jedoch nur fu¨r die Festigkeitsklasse 8, 9 und 12 vorgesehen. Die Pru¨fkra¨ fte sind in DIN EN 20898 festgelegt Eine Auswahl genormter Muttern zeigt Bild 10.10. Schweißmuttern DIN 928 und 929 besitzen stirnseitig vier bzw. drei Warzen, mit denen sie an Bleche buckelgeschweißt werden. Mit ihnen wird auch an Du¨nnblechen die gleiche Belastbarkeit erzielt wie mit Muttern DIN EN 24032 Ihre Anwendung ist sehr rationell, da sie Montagearbeiten auch an schwer zuga¨nglichen Stel len erheblich erleichtern. Sechskantschweißmuttern DIN 977 haben einen Flansch mit einem Durchmesser 7 3d , auf dessen Unterseite sich die Warzen befinden Neuere Verfahren wie FORMDRILL1 erzeugen Muttergewinde in Blechmaterialien durch Innenrollieren direkt. Dadurch wird die Anzahl der beno¨tigten Teile einer Konstruktion ver ringert Erwa¨hnt seien noch die Einsatzbuchsen wie ENSAT 1, Bild 10.11, die ein Außen- und ein Innengewinde besitzen und am Ende geschlitzt oder gelocht sind. Beim Eindrehen in glatte Bohrlo¨cher schneiden sie sich mit den scharfen Kanten an diesen Schlitzen oder Lo¨chern in die Bohrlochwandungen und verankern sich. Die Befestigungsschrauben werden dann in die Innengewinde der Buchsen wie in die Gewindelo¨cher von Bauteilen eingedreht. Mit diesen Einsatzbuchsen lassen sich auch hervorragend Bauteile aus Leichtmetall, Grauguss, Kunststoff, Holz oder Faserstoff hochfest und dauerhaltbar verschrauben. Noch gu¨nstigere Festigkeitseigenschaften haben die sog. HELICOIL1 -Einsa¨ tze. Dies sind Drahtwendel aus rhombusfo¨rmigem Draht. Sie werden in das mit einem Spezialgewindebohrer geschnittene Gewinde eingedreht. Die elastische Stahlwendel verteilt die Belastung sehr gleichma¨ ßig (Bild 10.12) In der Automobil- und Haushaltsgera¨ teindustrie werden fu¨r Du¨nnblechkonstruktionen auch Blechmuttern nach Bild 10.13 verwendet. Das Muttergewinde wird durch ein ausgestanztes Loch und zwei hochgebogene Lappen gebildet, die sich beim Anziehen der Schraube in den Gewindegrund stemmen und dadurch auch eine Sicherung gegen Lockern bieten

Bild 10.13 Blechmuttern

Bei der Auswahl der Schrauben- und Mutternform spielt die Zuga¨ nglichkeit fu¨r die Bedien werkzeuge (Schraubenschlu¨ssel, Schraubendreher, Hakenschlu¨ ssel u. dgl.) eine Rolle. Es muss stets fu¨r eine gute Montage- und Demontagemo¨glichkeit gesorgt werden. An umlaufenden Maschinenteilen sollten keine Schraubenko¨pfe oder Muttern vorstehen, da sie eine sta¨ ndige Unfallgefahr darstellen. Zur leichten Sa¨ uberung der Maschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen, werden die Ko¨pfe meistens versenkt. Die Wahl muss sich selbstversta¨ ndlich auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten richten. Bild 10.14 zeigt verschiedene Mo¨ glichkeiten einer Deckelbefestigung. Die Durchsteckverschraub...