Unterlegscheiben

Was sind Unterlegscheiben?

Eine Unterlegscheibe ist eine dünne, ringförmige Scheibe, die zwischen dem Kopf eines Befestigungselements und dem Werkstück angeordnet wird. Ihre Hauptaufgabe ist die Lastverteilung: Durch die Vergrößerung der Auflagefläche unter dem Schraubenkopf oder der Mutter verringert die Unterlegscheibe den Anpressdruck und verhindert, dass sich das Befestigungselement in den Untergrund eingräbt. Dies ist besonders wichtig beim Verschrauben in weichen Werkstoffen – wie Aluminium, Kunststoff oder Holz –, bei denen die konzentrierte Klemmkraft eines Sechskantkopfes allein die Oberfläche zerdrücken kann.

Neben der Lastverteilung erfüllen Unterlegscheiben drei weitere Funktionen. Abstandhalter: Ein Stapel flacher Unterlegscheiben gleicht die Greiflänge aus, wenn eine Schraube für die Verbindung etwas zu lang ist. Oberflächenschutz: Die Unterlegscheibe opfert ihre eigene Oberfläche, um zu verhindern, dass die sich drehende Mutter das Werkstück zerkratzt. Reibungsanpassung: Eine gehärtete flache Unterlegscheibe unter der Mutter bietet eine bekannte, wiederholbare Reibungsfläche für die Drehmoment-Zugkraft-Kalibrierung und isoliert die Verbindung von der variablen Reibung des eingespannten Teils selbst.

So funktionieren Waschmaschinen

Eine Unterlegscheibe funktioniert nach dem einfachsten Prinzip der Befestigung: der Flächenvergrößerung. Die Klemmkraft geteilt durch eine größere Fläche ergibt eine geringere Kontaktbelastung. Eine einfache Unterlegscheibe unter einem M12-Schraubenkopf vergrößert den wirksamen Auflagerdurchmesser von etwa 13 mm auf 24 mm und senkt so die Flächenpressung um über 70%. Dies ist die Grundlage dafür, dass Stahlbaunormen – AISC, Eurocode 3 – gehärtete Unterlegscheiben unter Schraubenköpfen in gleitkritischen Verbindungen vorschreiben.

Belleville-Scheiben funktionieren nach einem anderen Prinzip: der elastischen Verformung. Der Kegel wird unter Vorspannung zusammengedrückt und speichert dabei Energie wie eine Tellerfeder. Wenn sich die Verbindung absetzt, sich die Dichtung entspannt oder Temperaturwechsel zu Maßänderungen führen, dehnt sich die Scheibe wieder aus und stellt die verlorene Klemmkraft wieder her. Dieser passive Ausgleich ist der Grund, warum Belleville-Scheiben Standard bei Hochtemperatur-Flanschverbindungen sind, bei denen das Kriechen der Dichtung andernfalls bereits wenige Stunden nach der Inbetriebnahme zu Undichtigkeiten führen würde.

Sicherungsscheiben verhindern ein Lösen durch mechanische Einwirkung. Der spiralförmige Einschnitt eines Spaltrings greift beim Abflachen in die Mutter und das Werkstück ein und erzeugt so einen Ratschen-Effekt, der eine Rückdrehung verhindert. Zahnsicherungsscheiben verankern bei vollem Drehmoment scharfe Zinken in beiden Oberflächen. Das Nord-Lock-System nutzt gepaarte Nocken: Der Nockenanstiegswinkel übersteigt die Gewindesteigung, wodurch das Scheibenpaar geometrisch nicht in der Lage ist, sich von selbst zu lösen.

Klassifizierungssystem für Waschmaschinen

Unterlegscheiben werden nach ihrer Funktion klassifiziert – nicht nach Material, Norm oder Geometrie. Eine flache Unterlegscheibe und eine Belleville-Scheibe können denselben Außendurchmesser haben, erfüllen jedoch gegensätzliche mechanische Aufgaben.

Flach- bzw. Lastverteilungsscheiben Vergrößerung der Auflagefläche. Standardmäßig werden flache Unterlegscheiben (DIN 125) verwendet. Kotflügelunterlegscheiben verfügen über einen überdimensionierten Außendurchmesser für dünnes Blech und Verbundwerkstoffe – der Name leitet sich aus der Reparatur von Fahrzeugkotflügeln ab. Konstruktionsunterlegscheiben (ASTM F436) sind dick, gehärtet und abgeschrägt und dienen zur hochfesten Verschraubung im Stahlbau. Vierkantunterlegscheiben, die häufig im Holzrahmenbau und bei Schlitzverbindungen zum Einsatz kommen, haben eine größere Auflagefläche als runde Unterlegscheiben mit gleichem Außendurchmesser und verhindern ein Durchdrehen in Schlitzen.

Sicherungsscheiben / Anti-Lockerungsscheiben Verhindern ein Verdrehen bei Vibrationen. Geteilte Sicherungsscheiben (DIN 127) sind am weitesten verbreitet – ein einzelner spiralförmiger Einschnitt erzeugt Federspannung und eine Greifkante. Zahnsicherungsscheiben greifen mit scharfen Zähnen in beide Passflächen ein; die inneren Zähne umklammern den Schaft des Befestigungselements, die äußeren Zähne greifen in das Werkstück ein. Nord-Lock-Keilscheiben verwenden gepaarte Nocken mit einem Steigungswinkel, der steiler ist als die Gewindespiral, wodurch ein Selbstlösen bei jeder Schwingungsamplitude geometrisch unmöglich ist.

Federscheiben / Spannscheiben Sie wirken als kompakte Tellerfedern. Belleville-Federscheiben (DIN 6796) bieten eine hohe Belastbarkeit bei geringem axialem Platzbedarf – ideal für Flanschverbindungen und die Vorspannung von Lagern. Wellfederscheiben eignen sich für geringe Belastungen bei stark begrenztem axialem Platzangebot. Gebogene Federscheiben, die einfachste der drei Varianten, bieten eine geringe Federkraft bei minimalen Kosten für unkritische Baugruppen.

Spezialunterlegscheiben Sie erfüllen zwar Nischenfunktionen, sind aber unverzichtbar. Senkscheiben verleihen Flachkopfschrauben in sichtbaren Baugruppen ein sauberes, professionelles Erscheinungsbild. Verbunddichtscheiben kombinieren einen Metallaußenring mit einer vulkanisierten Gummilippe im Inneren und bilden so eine statische Dichtung an der Schnittstelle des Befestigungselements – sie kommen häufig in Hydraulikverteilern, Motorölwannen und Anschlüssen für Flüssigkeitsleitungen zum Einsatz.

Arten von Unterlegscheiben

Die zwölf unten aufgeführten Unterlegscheibentypen decken die vier Funktionsgruppen ab. Flachunterlegscheiben und Sicherungsscheiben machen etwa 80% des industriellen Verbrauchs aus; Federscheiben und Spezialausführungen dienen der Lösung spezifischer technischer Anforderungen, bei denen eine Standard-Flach- oder Sicherungsscheibe nicht ausreicht. Die Konstruktionsgrundlagen der einzelnen Gruppen sind im obigen Abschnitt „Klassifizierungssystem für Unterlegscheiben“ erläutert.

Materialien

Kohlenstoffstahl

• Einfache flache Unterlegscheiben — kohlenstoffarmer Stahl, verzinkt für allgemeine Anwendungen im Innenbereich, feuerverzinkt für den Außenbereich (Tragkonstruktionen)

• Federstahl (C67S–C75S) — Spaltsicherungsscheiben, Belleville-Scheiben, Wellenscheiben und gebogene Federscheiben; gehärtet auf HRC 42–50 zur Gewährleistung der elastischen Rückstellung

• Baustahl — ASTM F436 Konstruktionsunterlegscheiben, vergütet, Mindesthärte HRC 38

Edelstahl

• A2 / 304 — allgemeine Außenanwendungen, Regen, schwache Chemikalien; Einsatz im Lebensmittelbereich und in der Architektur

• A4 / 316 — Küstengebiete und chloridreiche Umgebungen; chemische Verarbeitung, Offshore

Messing

• Dekorative und elektrische Anwendungen; nicht magnetisch, korrosionsbeständig in Süßwasser. Geringere Festigkeit als Stahl – die Klemmkraft entsprechend reduzieren. Häufig im Schiffsbau und bei der elektrischen Erdung eingesetzt, wo ein geringer Kontaktwiderstand wichtig ist.

Nichtmetallisch / Verbundwerkstoff

• Nylon — Isolierscheiben zur elektrischen Isolierung; Schulerscheiben für Leiterplattenabstandshalter

• PTFE — chemische Verarbeitung; mit Dichtungen versehene Dichtflächen für aggressive Medien

• Vulkanisierter Gummi (NBR / FKM) — geklebte Dichtungsscheiben; NBR für Öl, FKM für hohe Temperaturen und chemische Beständigkeit

Die Materialauswahl hängt von drei Faktoren ab: der chemischen Umgebung an der Schnittstelle des Befestigungselements, der für die mechanische Funktion der Unterlegscheibe erforderlichen Härte (eine Nylon-Unterlegscheibe kann eine gehärtete Konstruktionsunterlegscheibe nicht ersetzen) und der galvanischen Verträglichkeit mit Schraube, Mutter und Werkstück.

So wählen Sie die richtige Waschmaschine aus

Schritt 1: Hauptfunktion

• Verteilung der Schraubenbelastung oder Schutz der Oberfläche → Unterlegscheibe. Den Außendurchmesser auf das Werkstückmaterial abstimmen: größerer Außendurchmesser bei weichen Untergründen.

• Verhindern des Lösens bei Vibrationen → Spaltsicherung für den allgemeinen Einsatz; Nord-Lock für sicherheitskritische Anwendungen oder Vibrationen mit hoher Amplitude, bei denen ein sich lösendes Befestigungselement eine Gefahr darstellt.

• Ausgleich von Dichtungskriechung oder thermischer Ausdehnung → Belleville-Feder. Wählen Sie die Tragfähigkeit bei 70–80% der Belastung in flacher Position.

• Abdichtung einer Flüssigkeitsgrenzfläche → Verbunddichtung. Die Gummimischung muss auf die Flüssigkeit abgestimmt sein (NBR für Öl, FKM für Kraftstoff und hohe Temperaturen).

Schritt 2: Härteanpassung

Eine Unterlegscheibe, die weicher ist als der Schraubenkopf, verformt sich zuerst, wodurch sich die Klemmkraft verringert. Die Härteklasse der Schraube muss mindestens erreicht oder überschritten werden: gehärtete flache Unterlegscheiben (HRC 38–45) für die Güteklasse 8.8 und höher, Federstahlunterlegscheiben (HRC 42–50) für alle Sicherungs- und Federtypen. Verwenden Sie niemals eine verzinkte Flachscheibe aus kohlenstoffarmem Stahl unter einem Schraubenkopf der Güteklasse 10.9 – die Unterlegscheibe würde nachgeben, bevor die Schraube die vorgesehene Vorspannkraft erreicht.

Schritt 3: Galvanische und umgebungsbedingte Übereinstimmung

• Stahlschraube + Aluminiumwerkstück → Eine Edelstahlunterlegscheibe isoliert die Schnittstelle und verlangsamt den galvanischen Korrosionsprozess.

• Bauteile für den Außenbereich → feuerverzinkte Unterlegscheibe, gleiche Zinkbeschichtung wie die Schraube, kein Metallpaar.

• Elektrische Isolierung erforderlich → Unterlegscheibe aus Nylon oder PTFE; die Durchschlagfestigkeit für die Spannungsklasse überprüfen.

• Einwirkung von Salzwasser oder Chemikalien → Edelstahl A4 (316); Edelstahl A2 (304) bildet bei direktem Salznebel innerhalb von 12–18 Monaten Lochfraß.

Häufig gestellte Fragen

Brauche ich unter jedem Schraubenkopf und jeder Mutter eine Unterlegscheibe? Nicht immer. Flanschschrauben und Flanschmuttern verfügen über eine integrierte Auflagefläche – eine separate Unterlegscheibe ist daher überflüssig. Bei Baustahl sind gemäß den Vorschriften gehärtete flache Unterlegscheiben unter dem gedrehten Bauteil vorgeschrieben. Bei der Verschraubung in weichen Werkstoffen muss unter dem Schraubenkopf stets eine flache Unterlegscheibe verwendet werden.

Was ist der Unterschied zwischen einer flachen Unterlegscheibe und einer Fender-Unterlegscheibe? Eine Fender-Unterlegscheibe hat im Verhältnis zu ihrem Innendurchmesser einen deutlich größeren Außendurchmesser – in der Regel das 2- bis 3-Fache des Schraubendurchmessers gegenüber dem 1,5- bis 2-Fachen bei einer einfachen flachen Unterlegscheibe. Fender-Unterlegscheiben sind zudem dünner. Sie verteilen die Last auf dünne oder schwache Untergründe wie Blech, Glasfaser und Verbundwerkstoffe.

Geteilte Sicherungsscheiben: Funktionieren die überhaupt? Bei reiner axialer Schwingung verlieren geteilte Sicherungsscheiben ihre Wirksamkeit, sobald sich der zusammengedrückte Spaltring über seinen Federbereich hinaus abflacht. Sie zeigen eine bessere Leistung in Baugruppen, in denen die Spaltkanten einen mechanischen Eingriff erzeugen. Für kritische Anwendungen bieten Nord-Lock-Keilscheiben eine nachweisbare, durch Tests dokumentierte Sicherungsleistung.

Wie viele Belleville-Unterlegscheiben kann ich übereinander stapeln? Durch paralleles Stapeln (in derselben Richtung verschachtelt) vervielfacht sich die Tragfähigkeit – zwei Unterlegscheiben verdoppeln die Kraft bei gleicher Durchbiegung. Reihenschichtung (abwechselnde Richtungen) vervielfacht den Federweg – zwei Unterlegscheiben verdoppeln den Federweg bei gleicher Belastung. Praktische Obergrenze: 4 Unterlegscheiben pro Stapel; ab 4 Unterlegscheiben führt die Reibung zwischen den Unterlegscheiben zu unvorhersehbarer Hysterese.

Kann ich Unterlegscheiben aus Edelstahl mit Schrauben aus Kohlenstoffstahl verwenden? Ja, und das geschieht oft absichtlich. Eine Unterlegscheibe aus Edelstahl zwischen dem Kopf einer Schraube aus Kohlenstoffstahl und einem Werkstück aus Aluminium trennt das Aluminium vom kathodischeren Kohlenstoffstahl und verlangsamt so die galvanische Korrosion. Aufeinander abgestimmte Werkstoffe sind an der Schnittstelle zur Unterlegscheibe nicht immer die beste Wahl.

Wie lautet die richtige Ausrichtung einer Senkkopf-Schließscheibe? Die konische (senkgeschliffene) Seite zeigt zum Schraubenkopf. Die flache Seite liegt am Werkstück an. Wird sie verkehrt herum eingesetzt, entsteht unter dem Schraubenkopf ein Spalt, wodurch der Zweck der bündigen Montage zunichte gemacht wird.