Höhere Montagevorspannkräfte bei weniger Bauraum

Von Annedore Bose-Munde

Bei Leichtmetallverschraubungen stehen die Bauraumoptimierung sowie die Leistungsverdichtung und Kostenoptimierung im Fokus. Ein ganz wichtiger Punkt ist vor diesem Hintergrund die Tragfähigkeitsoptimierung der Verbindung. Mit Blick auf gewindefurchende Metallverschraubungen beziehungsweise Leichtmetallverschraubungen heißt das: Es muss eine bessere Ausnutzung des Mutternwerkstoffes durch eine höhere Gewindeüberdeckung der Gewindeflanken von Schrauben- und gefurchtem Mutterngewinde erreicht werden. Hierfür hat die Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG die Powertite entwickelt.

„Die gewindefurchende Powertite zeichnet sich gegenüber marktüblichen Vergleichsprodukten durch eine höhere Tragfähigkeit der Schraube an sich aus. Durch einen leicht erhöhten Spannungsquerschnitt, der dem Niveau des normierten Spannungsquerschnittes einer metrischen Schraube entspricht, kann die Powertite so höhere Zugbruchkräfte generieren“, sagt Thomas Jakob, Application Sales Engineer bei Arnold Umformtechnik. Durch die spezielle Geometrie des Verbindungselementes können so in Verbindung mit angepassten Oberflächensystemen relativ hohe Montagevorspannkräfte während der Schraubenmontage erreicht werden. Diese liegen in der Regel auf dem Niveau von metrischen Schrauben sowohl bei elastischer als auch bei überelastischer Montage.

Die Powertite-Schraube ist eine runde gewindefurchende Schraube mit einer Trilobular-Furchzone. Das heißt: Dort, wo die Umformarbeit geleistet wird, verfügt die Schraube über einen leicht dreieckigen Querschnitt (mit abgerundeten Ecken) zur Reduktion der Furchmomente. Die Furchzonenlänge ist mit einer Länge von 3 x p (p = Gewindesteigung) Bauraum optimiert und ermöglicht eine Verteilung der Umformarbeit beim Gewindefurchprozess auf mehrere Gewindegänge sowie ein optimales Ansetzen und Zentrieren der Schraube. Der runde Tragquerschnitt hat ein definiertes Übermaß; der Außendurchmesser der Schraube ist immer größer als das nominelle Nennmaß. Dadurch wird eine höhere Überdeckung der Gewindeflanken von Schraube und gefurchtem Mutterngewinde gewährleistet. Grundsätzlich sorgt diese spezielle Geometrie dafür, dass die Schraube einen erhöhten Spannungsquerschnitt und somit auch etwas höhere Zugbruchkräfte erreicht als konventionelle metrische Schrauben. Durch die Kombination von Trilobularquerschnitt in der Furchzone und Rundquerschnitt im Tragbereich wird eine signifikante Optimierung von gewindefurchenden Schraubenverbindungen erreicht, weil einerseits die Furchmomente niedrig sind und andererseits die Überdrehmomente und die Tragfähigkeit des gefurchten Mutterngewindes erheblich gesteigert werden.

Mit der Powertite möchte Arnold Umformtechnik eine Antwort auf die neuen Marktanforderungen geben: höhere Montagevorspannkräfte bei weniger Bauraum übertragen. Beispiele für den Einsatz der gewindefurchenden Powertite sind Anwendungen, bei denen höchste Vorspannkräfte durch überelastische Montage realisiert werden müssen. Auch für Baugruppen, bei denen nur wenig Einschraubtiefe realisiert werden kann und hohe Lochtoleranzen erforderlich sind, eignet sie sich. Zudem kann in vielen Fällen eine Gewichtsreduzierung durch die Reduzierung der Schraubenlängen und gewichtsoptimierte Schraubenköpfe erreicht werden. Im Vergleich zur gewindefurchenden Schraube Taptite 2000 ist Powertite eine neu entwickelte tragfähigkeitsoptierte Furchschraube. Während bei Taptite der komplette Trag- und Furchbereich trilobular ist, ist Powertite im Tragbereich rund mit Übermaß und lediglich im Furchbereich trilobular. Dadurch wurde das Vorspannkraftniveau metrischer Schrauben auch bei überelastischer Montage erreicht sowie auch eine Bauraumoptimierung möglich. Eine rechnerische Vorauslegung für den konkreten Anwendungsfall ist in beiden Fällen mit dem Tool Fast Designer Metals möglich. Voraus geht dem immer eine Empfehlung von Arnold Umformtechnik für eine geeignete Kernlochauslegung.

Im Fokus der Powertite-Anwendungen steht insbesondere die Elektromobilität. Angefangen beim Batteriebereich über den Motor und Achslenkungsbereich sowie das Getriebe bietet sie großes Potenzial. Dies gilt insbesondere für Leichtmetallverschraubungen aber auch bei der Kombination mit Gussbauteilen. Thomas Jakob kennt genau diese Themen durch seine Tätigkeit in verschiedenen Aufgabenbereichen seit vielen Jahren. Er nennt drei Beispiele, bei denen durch zielgerichtete Beratung sowie umfangreiche Berechnungen und Untersuchungen Baugruppen durch den Einsatz der Powertite optimiert werden konnten: „Bei einer Getriebegehäuseverschraubung wurde eine gewindefurchende Schraube M8, die ursprünglich elastisch montiert wurde, durch eine Powertite M7, die überelastisch montiert wird, ersetzt. Dadurch konnte ein deutliches Downsizing erreicht werden. Bei einer Anwendung im Hochvoltbatteriebereich konnte durch den Einsatz der Powertite M8 x 33 bei der Bracketverschraubung in Guss- und Bohrloch-Bereichen eine deutliche Kosteneinsparung zu den vorher eingesetzten metrischen Schrauben erzielt werden. Auch eine Aktuatorverschraubung in der Lenksäule wurde durch den Einsatz einer Powertite M6 x 20 kostengünstiger. Bisher wurde eine metrische Schraube in eine Einpressmutter eingedreht. Durch das Entfallen der Einpressmutter fallen nun auch keine Kosten für das Element und den Setzprozess an.“

Die gewindefurchende Powertite ist eine grundsätzliche Weiterentwicklung der Gewindefurchtechnologie. Durch die Substitution von konventionellen gewindefurchenden Schrauben der Dimension M8x40 (Nenndurchmesser x Länge) mit M7x40-Schrauben der Serie Powertite können deutliche CO₂-Einsparpotenziale realisiert werden. Das belegen zwei konkrete Beispiele. So wird in einem Lastverteilergetriebe, welches derzeit noch in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, seit Juni 2022 die Powertite M7x40 eingesetzt. Pro Getriebe kann allein dadurch eine Gewichtseinsparung von zirka 42 g erreicht werden und somit eine CO₂-Einsparung von zirka 72 g pro Getriebe. Bei 13 Schrauben pro Getriebe und einem Bedarf von zirka 6 Mio. Schrauben pro Jahr ergibt sich allein für dieses Getriebe eine Gewichtsersparnis von zirka 19.400 kg beziehungsweise eine CO₂-Reduktion von 33,1 t pro Jahr. Noch deutlicher ist die Einsparung bei einer E-Motor-Getriebeeinheit, in der 33 Schrauben pro Getriebeeinheit verwendet werden. Von den 50.000 geplanten Fahrzeugen pro Jahr werden voraussichtlich 30.000 mit jeweils zwei E-Motor-Getriebeeinheiten pro Auto ausgestattet. In diesem Fall beträgt die Gewichtseinsparung durch den Einsatz der Powertite pro Fahrzeug zirka 213 g, die CO₂-Einsparung etwa 364 g. Hochgerechnet auf alle 50.000 Fahrzeuge und die nötigen 80.000 Getriebe ergibt sich ein Gesamtbedarf von zirka 2,64 Mio. Schrauben im Jahr. Allein durch den Einsatz der Powertite kann dann eine Gewichtsersparnis von zirka 8.519 kg beziehungsweise eine CO₂-Reduktion von 33,1 t pro Jahr bei der Herstellung dieser Fahrzeuge erreicht werden.

Mit der gewindefurchenden Powertite kann laut Hersteller eine Tragfähigkeitserhöhung des gefurchten Mutterngewindes von mehr als 20 % gegenüber marktüblichen trilobularen Schrauben erreicht werden. Vorteile davon seien laut Arnold normkonforme Furchmomente, eine überelastische Montage auch in konisch gegossenen Kernlöchern in GD-Al, ein Vorspannkraftniveau analog metrischer Schraubenverbindungen und die Möglichkeit größerer Kernlochtoleranzen zur Optimierung von Gießprozessen von Leichtmetallen. Dazu kommen eine hohe Montagesicherheit und die Anwendbarkeit in Stahl sowie Aluminium und sonstigen Leichtmetallen. Außerdem sind Wiederhohlverschraubungen möglich und im Servicefall ein Ersatz durch metrische Schrauben. Auch von der Kostenseite her biete die Powertite Vorteile wie die Reduzierung der Gesamtverbindungskosten um bis zu 85 %, die Möglichkeit zum Downsizing, eine Bauraum- und Gewichtsoptimierung sowie schlankere vorgelagerte Prozesse bei der Fertigung von Leichtmetall- oder Stahlkomponenten.

Mehr als drei Jahre hat sich Arnold Umformtechnik in einem intensiven Entwicklungsprozess mit der Auslegung, Optimierung und anforderungsgerechten Anpassung der Powertite beschäftigt. Erstmals öffentlich vorgestellt wurde sie Ende Juni beim Workshop Industrielle Schraubmontage in Dresden. „Wir haben die Entwicklungszeit genutzt, alle Hinweise unserer Kunden aufgegriffen und diese bestmöglich umgesetzt“, sagt Thomas Jakob. Potenzielle Kunden können in gewohnter Weise auf das komplexe Produktwissen des Forchtenberger Verbindungselemente-Herstellers zurückgreifen, ebenso auf ein umfassendes Verständnis zur Performance des Produktes in den verschiedenen Anwendungen und Anwendungsbereichen. Ergänzt wird dies durch die entsprechenden Berechnungstools sowie weitreichendes fertigungstechnisches Knowhow. Eigens für die Powertite hat Arnold Umformtechnik im Dialog mit Entwicklungspartnern aus dem Bereich der Werkzeugherstellung ein komplett neues Fertigungsverfahren entwickelt.