Warum können zu dünne Unterlegscheiben bei hohen Lasten in das weichere Werkstück eingedrückt werden?

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Das Eindrücken von zu dünnen Unterlegscheiben in ein weiches Werkstück lässt sich durch physikalische Prinzipien der Druckverteilung und der Biegesteifigkeit erklären.

Hier sind die Hauptgründe im Detail:

1. Ungenügende Lastverteilung (Das Hebelgesetz)

Die eigentliche Aufgabe einer Unterlegscheibe ist es, die Kraft des Schraubenkopfes oder der Mutter auf eine größere Fläche zu verteilen. Dadurch sinkt der Druck pro Quadratmillimeter (Flächenpressung).

  • Ist die Scheibe dick und steif genug, leitet sie die Kraft gleichmäßig nach außen weiter. Die gesamte Fläche der Scheibe drückt auf das Werkstück.
  • Ist die Scheibe zu dünn, fehlt ihr die nötige Biegesteifigkeit. Unter hoher Last biegt sie sich an den Rändern nach oben (sie schüsselt).

2. Konzentration der Kraft (Die „Kraterbildung“)

Wenn sich die Scheibe aufgrund mangelnder Dicke verbiegt, geschieht Folgendes:

  • Die Kraft wird nicht mehr über die gesamte Fläche der Scheibe übertragen.
  • Stattdessen konzentriert sich die gesamte Last nur noch auf den Bereich direkt unter dem Schraubenkopf (ringförmig um das Bohrloch).
  • Die effektive Kontaktfläche wird also wieder sehr klein – fast so, als wäre gar keine Unterlegscheibe vorhanden.

3. Überschreitung der Grenzflächenpressung

Jedes Material hat eine spezifische Belastungsgrenze, die sogenannte Grenzflächenpressung.

  • Wird diese Grenze überschritten, verformt sich das Material plastisch (dauerhaft).
  • Da bei einer dünnen, verbogenen Scheibe die Kraft nur punktuell/ringförmig wirkt, steigt der lokale Druck massiv an und übersteigt die Festigkeit des weicheren Werkstücks (z. B. Holz, Aluminium oder Kunststoff). Die Scheibe bohrt sich mitsamt der Schraube in das Material ein.

4. Der „Tellerfeder-Effekt“

Eine zu dünne Scheibe wirkt unter hoher Last wie eine sehr schwache Tellerfeder. Sie gibt nach, anstatt Widerstand zu leisten. Sobald die Elastizitätsgrenze der Scheibe überschritten ist, verformt sie sich dauerhaft trichterförmig. Dieser Trichter wirkt dann wie ein Keil, der die Lochränder des weichen Werkstücks nach außen drückt und das Eindringen begünstigt.

Zusammenfassung

Eine Unterlegscheibe funktioniert nur dann, wenn sie starrer ist als das Werkstück, auf dem sie liegt. Ist sie zu dünn, gibt sie der Kraft nach, verringert die wirksame Kontaktfläche und führt so zu einer extrem hohen lokalen Druckbelastung, die das weichere Material nachgeben lässt.

Die Lösung: Für weiche Werkstoffe oder hohe Lasten müssen Unterlegscheiben mit größerer Dicke (z. B. nach ISO 7093 / DIN 9021 – „Kotflügelscheiben“ oder verstärkte Scheiben) verwendet werden, um die nötige Steifigkeit für eine echte Kraftverteilung zu gewährleisten.

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