Gewindefurchende Schraubverbindungen für Leichtmetallgehäuse

Leichtmetallgehäuse für den Fahrzeugbau sind in der Regel mit metrischen Schrauben verbunden. Bei der Auslegung stützt man sich dabei auf langjährig erworbenes Wissen und Erfahrungen, in geringerem Maße auf Simulationen sowie Normen wie die VDI 2230.

(firmenpresse) - Von Christian Hinteregger, Magna Powertrain AG & Co. KG, Lannach, Österreich und Thomas Jakob, Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG, Forchtenberg


Bei Getriebe- und Motorkomponenten tritt eine Kombination aus mechanischer und thermischer Beanspruchung auf. Aufgrund des stetig steigenden Kostendrucks wenden OEM und Zulieferer neue innovative Technologien wie Gewindefurch-Schraubverbindungen an. Die Auslegung der Gewindefurch-Schraubverbindungen wird von Faktoren wie der Vorspannkraft, der Lösesicherheit, der Relaxation und Wiederhol-Verschraubbarkeit, aber auch von Montageprozessen und der Servicefähigkeit bestimmt.

Das Advanced Technology Engineering der MAGNA Powertrain AG & Co KG, dem weltweit führenden Hersteller von Verteilergetrieben und ARNOLD Umformtechnik, ein führender Hersteller von intelligenten Verbindungslösungen in Europa, entwickelten ein Konzept zur Untersuchung der Verschraubungsparameter bei AlSi9Cu3-Legierungen und gewindefurchenden Schrauben der TAPTITE 2000-Generation in der Festigkeitsklasse 10.9.


Schraubverbindungen bei Fahrzeuggetrieben

Um eine prozesssichere Verschraubung in der Großserienfertigung sicherzustellen, müssen Einflussfaktoren des Schraubsystems, der Fertigung und Montage berücksichtigt werden. Zusätzlich spielt der Preis eines Produktes und der Technologie eine Rolle. Mehrkosten durch Zusatzaufwendungen im Montage- und Fertigungsprozess dürfen die Einsparungen einer innovativen Schraubtechnologie nicht schmälern.

Getriebegehäuse-Verschraubungen aus Leichtmetall bestehen heute üblicherweise aus metrischen Schrauben. Die Schraubenverbindung wird in der Regel nach Maßgabe der VDI Richtlinie 2230 ausgelegt. Diese ist für gewindefurchende Verbindungselemente nur eingeschränkt tauglich, da sich hier Gewindefurch- und Gewindereibmoment überlagern. Deshalb müssen folgende Anforderungen konstruktiv bestimmt werden:

- Mindestvorspannkraft
- Mindestlosbrechmoment

- zulässige Vorspannkraftabfälle
- Anforderungen an die Wiederhol-Verschraubbarkeit in Abstimmung mit dem Kunden
- Definition eines maximal zulässigen Furchmomentes zur Absicherung der Montagesicherheit.

Mit statischen Verschraubversuchen können alle wesentlichen Parameter von Erst- und Wiederholverschraubungen geprüft werden. Wiederholverschraubungen sind zwingend erforderlich, bei ihnen müssen aber Anziehmomente und Kernlochtoleranzen unbedingt aufeinander abgestimmt sein, um Plastifizierungen des gefurchten Mutterngewindes zu vermeiden. Umfangreiche Einschraubversuche mit Vorspannkraftmessung zeigen, dass ein relativ homogenes Vorspannkraft-Fenster für Erst- und Wiederholverschraubungen erreicht werden kann. Die besondere Herausforderung ist, dass der Gießer die Kernlochtoleranzen einhalten kann und bei maximaler und minimaler Kernlochtoleranz sowie Erst- und Wiederholverschraubungen die Vorgaben bezüglich Mindestvorspannkraft, Losbrechmoment und Montagesicherheit erfüllt werden.


Vorspannkraftvergleich von gewindefurchender und metrischer Schraube

Würde man die Verschraubungen nach VDI 2230 für Stahlsysteme auslegen, ergäbe sich bei einer Reibungszahl von µ = 0,14, einem Montagemoment von 34 Newtonmeter und einer Festigkeit 10.9 eine Vorspannkraft von 24,2 Kilonewton. Bei einer Aluminiumlegierung AlSi9Cu3 und entsprechender Mutternauslegung für Gewindefurchschrauben unterschiedlicher Mutterngewinde-Durchmesser liegt die Vorspannkraft bei nur etwa zwei Drittel des Wertes der VDI-Vorlage. Hier muss man jedoch berücksichtigen, dass das Gussgefüge und die Gussgeometrien des Mutternwerkstoffes im Bereich des gegossenen Kernloches in Ordnung sind.

Die Untersuchung der erreichbaren Vorspannkräfte mit metrischen Schrauben ergibt dieselbe Tendenz. Auch hier lassen sich die nach VDI 2230 angegebenen Vorspannkräfte in der konkreten Getriebeapplikation nicht prozesssicher erreichen.

Nach VDA 235-203 kann ein Verhältnis des Losdrehmomentes (ML) zum Anziehmoment (MA) von größer 0,4 als unkritisch angenommen werden. Verschraubuntersuchungen an einem Getriebegehäuse aus GD-AlSi9Cu3 mit gewindefurchenden TAPTITE 2000- Schrauben CE M8 x 40-10.9 haben gezeigt, dass die Losbrechmomente mit zunehmender Anzahl der Wiederholverschraubungen ins vorgefurchte Gewinde tendenziell abnehmen.

Tendenziell werden bei maximaler Gewindeüberdeckung etwas höhere Losbrechmomente erreicht als bei minimaler Gewindeüberdeckung. Selbst bei maximaler Kernlochtoleranz (geringste Gewindeüberdeckung) werden noch relativ akzeptable Losbrechmomente erreicht.


Statische und dynamische Relaxation

Dynamische Schwingfestigkeitsversuche unter Temperatureinfluss (-40 bis +120 Grad Celsius) simulieren Betriebsbelastungen. Aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeit des Getriebegehäuses verteilt sich die Betriebslast unterschiedlich auf die Schrauben. Der Vorspannkraftverlust in einer unter Temperatur schwellend geprüften Schraubverbindung ist unabhängig von der aufgebrachten Betriebskraft. Wesentlich für den Kraftverlust kaltumgeformter Mutterngewinde ist die aufgebrachte Temperaturbelastung für eine bestimmte Kernlochgeometrie (Gewindeüberdeckung), wobei kurzfristige wechselnde Temperaturbelastungen keine gravierenden Veränderungen verursachen. Die Versuche zeigen auch, dass es zwischen metrischer Schraube und gewindefurchender Schraube keine signifikanten Unterschiede bezüglich Vorspannkraftabfall unter Temperatureinfluss gibt.

Langzeitmessungen der Vorspannkraft unter Temperaturwechsel geben Aufschluss über Vorspannkraftverluste infolge thermischer Einflüsse. MAGNA und Arnold verschraubten dazu ein Getriebegehäuse mit TAPTITE 2000-Schrauben CE M8 x 65 und setzten es im Wechsel unterschiedlichen Temperaturen aus. Die Vorspannkräfte bewegten sich innerhalb enger
Streubänder.


Zulässiges Furchmoment für Montagesicherheit

Bei gewindefurchenden Schrauben sollte der Abstand zwischen Furch- und Überdrehmoment möglichst groß sein. Bei Überdrehversuchen einer gewindefurchenden Schraube mit rundem Querschnitt im Original-Getriebegehäuse zeigt sich ein hohes Furchmoment von etwa 30 Newtonmeter. Bei einem Anziehmoment von 34 Newtonmeter besteht somit die Gefahr, dass der Kopf bei entsprechenden Furchmomentstreuungen nicht die Kopfauflage erreicht. Außerdem entstehen bei diesem Wert relativ geringe Vorspannkräfte sowie Abreißkräfte beim Schraubenbruch infolge erhöhter Torsionsspannungen.

Der gleiche Versuch mit einer gewindefurchenden Schraube TAPTITE 2000, die einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, führt zu Furchmomenten von nur zwölf Newtonmeter. Selbst bei stark streuenden Furchmomenten ist eine prozesssichere Verschraubung mit minimaler Nacharbeitsrate sichergestellt und es werden ausreichende Vorspannkräfte erreicht.

Die statischen und quasistatischen Prüfungen haben gezeigt, dass die Vorspannkraft grundsätzlich von der Kernloch- und Schraubengeometrie sowie deren Toleranzen und den Materialzuständen abhängt. Temperaturschwankungen erzeugen ein Kriechen, das je nach Muttern- und Schraubenmaterial unterschiedliche Auswirkungen auf die Restvorspannkraft hat. Bei einer Stahlschraube in Aluminium-Mutternmaterial sinkt die Vorspannkraft beispielsweise um ein Drittel.

Bei dieser Materialpaarung ist auch der Einfluss der Betriebskraft unwesentlich. Betriebskräfte bis sechs Kilonewton wirkten sich nicht negativ auf die Verringerung der Vorspannkraft aus. Deshalb können die Schraubendimensionen ohne Risiko um mindestens eine Größe verkleinert werden, ohne die Toleranzen der Kernlöcher zu verändern. Gleichzeitig sinken die Herstellkosten und das Gesamtgewicht.

Eine optimale Leichmetall-Gewindefurch-Verschraubung ins gegossene Kernloch erfüllt folgende Bedingungen:

- minimale Schraubdimension
- größtmögliche Gusstoleranzen
- Einschraubtiefen maximal das zweieinhalbfache des Schraubendurchmessers Auflagendurchmesser der Schraubenköpfe abhängig von den maximalen Vorspannkräften, möglichst genormte Standardköpfe
- Schraubenköpfe mit Innengeometrien
- Korrosionssystem abhängig von der Abriebfestigkeit
- Gleitmittelbeschichtung abhängig von der Materialkombination
- optimierte Aluminiumlegierungen bieten ein umformgünstiges Mutterngefüge, Schrauben mit dreieckförmigem Schaftquerschnitt und Radiusgewinde-Flankenprofil (System TAPTITE 2000) bieten niedrige Furch- und hohe Überdrehmomente
- ein ausreichender Abstand zwischen Furch- und Anziehdrehmoment erzielt höhere Vorspannkräfte
- niedrige Furchmomente verursachen eine geringere Streuung der Vorspannkraft.

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Datum: 25.03.2007 - 14:43 Uhr
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