Sicher ohne Mutter

Schrauben - Leichtmetallgehäuse für Fahrzeuggetriebe werden standardmäßig mit metrischen Schrauben verbunden. Der Einsatz von gewindeschneidenden Schrauben mit optimierter Geometrie bringt hier deutliche Kostenvorteile für den Schraubprozess.

29. Mai 2007

Schrauben gelten vielfach als untergeordnetes Maschinenelement und finden bei der konstruktiven Auslegung eines Produkts oft nur geringe Beachtung. Übersehen wird dabei meist, dass etwa bei einem typischen Fahrzeuggetriebe die Materialkosten für die Schrauben zwar nur 0,5 Prozent der Gesamtkosten ausmachen, der Aufwand für die Fertigung der Mutterngewinde jedoch um ein Vielfaches höher liegt. Dazu kommt, dass bei typischen Anwendungen die unterschiedlichsten Schraubengrößen zum Einsatz kommen und Schraubenantriebe und -teller gemäß dem Getriebedesign, der Beschichtung und anderer Kundenforderungen gewählt werden müssen. Unternehmen mit einer großen Kundenanzahl benötigen daher oft eine vielfältige Lagerhaltung mit entsprechend hohen Kosten.

Eine Möglichkeit, diesem Kostendruck zu entgehen, bietet das Furchen des Mutterngewindes im Werkstück durch die Schraube selbst. Eine prozesssichere Verschraubung in der Großserienfertigung lässt sich dabei jedoch nur sicherstellen, wenn alle relevanten Einflussfaktoren des Schraubsystems, der Fertigung und Montage berücksichtigt werden. Der führende Getriebehersteller Magna Powertrain AG mit Sitz im österreichischen Lannach hat deshalb zusammen mit dem Umformtechnikunternehmen Arnold aus dem württembergischen Forchtenberg untersucht, unter welchen Bedingungen der Einsatz von gewindefurchenden Schrauben der Serie Taptite 2000 in der Großserienfertigung von Leichtmetall getrieben wirtschaftlich effizient und technisch effektiv zum Einsatz kommen kann. Untersucht wurden die Parameter Kernlochdurchmesser, Kernlochentformschräge und Schraubenart und ihre Auswirkungen auf die Montageprozessfähigkeit, die Vorspannkraft, die Wiederholverschraubbarkeit, die Standzeit des Gießwerkzeugs sowie auf Servicefreundlichkeit und Kosten.

Die Auslegung einer Schraubenverbindung bei Gehäuseverschraubungen aus Leichtmetall im Getriebebau erfolgt in der Regel nach Maßgabe der VDI-Richtlinie 2230 unter dem Einsatz von metrischen Schrauben. Bei gewindefurchenden Verbindungselementen kann diese Vorschrift jedoch nur eingeschränkt verwendet werden aufgrund der Überlagerung von Gewindefurch- und Gewindereibmoment. Konstruktiv bestimmt werden müssen deshalb die Mindestvorspannkraft, das Mindestlosbrechmoment, der zulässige Vorspannkraftabfall in Folge von Relaxation sowie die Anforderungen an die Wiederholverschraubbarkeit und die Definition eines maximal zulässigen Furchmomentes zur Absicherung der Montagesicherheit.

Schraubversuche bringen Gewissheit

Prüfen lassen sich alle wesentlichen Verschraubparameter sowohl bei Erstverschraubung als auch bei Wiederholverschraubung mittels statischer Verschraubversuche. Umfangreiche Einschraubversuche mit entsprechender Vorspannkraftmessung haben gezeigt, dass sich mit gewindeschneidenden Schrauben für Erstund Wiederholverschraubungen ein relativ homogenes Vorspannkraftfenster erreichen lässt. Die besondere Herausforderung ist, dass der Gießer die Kernlochtoleranzen problemlos einhalten kann und dennoch bei maximaler und minimaler Kernlochgröße immer die geforderten Ansprüche an Mindestvorspannkraft, Losbrechmoment und Montagesicherheit erfüllt werden.

Ein Ergebnis der statischen und quasistatischen Prüfungen ist, dass die geforderte Vorspannkraft grundsätzlich abhängt von der Kernlochgeometrie, der Schraubengeometrie und deren Toleranzen sowie von den Materialzuständen. Bei Temperaturschwankungen kommt es zu einem Kriechen, welches je nach Muttern- und Schraubenmaterial unterschiedliche Auswirkungen auf die Restvorspannkraft hat. So ist bei einer Stahlschraube in Alu-Mutternmaterial mit den typischen geprüften Geometrien mit einem Vorspannkraftverlust von rund einem Drittel zu rechnen.

Auch unter Temperatureinfluss ist der Vorspannkraftverlust unabhängig der aufgebrachten Betriebskraft. Aufgebrachte Betriebskräfte bis sechs Kilonewton konnten keine erhöhte Verringerung der Vorspannkraft erwirken. Dies ermöglicht die Reduzierung der Schraubendimensionen um mindestens eine Größe, was sowohl die Herstellkosten als auch das Gesamtgewicht senkt. Die Toleranzen der Kernlöcher bleiben dabei jedoch unverändert. Wesentlich für den Vorspannkraftverlust kaltumgeformter Mutterngewinde ist die aufgebrachte Temperaturbelastung für eine bestimmte Kernlochgeometrie, wobei kurzfristige, wechselnde Temperaturbelastungen keine gravierenden Veränderungen verursachen.

Kein wesentlicher Unterschied zwischen gewindefurchenden und metrischen Schrauben zeigt sich auch beim Vergleich der erreichbaren Vorspannkraft. Entsprechendes gilt auch für die Lösesicherheit als Verhältnis des Losdrehmomentes zum Anziehmoment, die auch bei wiederholter Verschraubung gewährleistet bleibt. Zwar nehmen die Losbrechmomente mit zunehmender Anzahl der Wiederholverschraubungen ins vorgefurchte Gewinde tendenziell ab, jedoch erreichen sie auch bei der maximalen Kernlochtoleranz relativ akzeptable Werte.

Entscheidend für die Erlangung einer prozesssicheren Montage mit gewindefurchenden Schrauben ist jedoch, dass die eingesetzten Systeme niedrige Furch- und hohe Überdrehmomente erreichen. Große Vorteile bieten hier die Schrauben mit dreieckförmigem Schaftquerschnitt und einem Radiusgewindeflankenprofil der Bezeichnung Taptite 2000 aus dem Arnold- Produktsortiment. Bei gewindefurchenden Schrauben mit rundem Querschnitt bewirkt das hohe Furchmoment, dass bei gegebenem Anziehmoment und Streuungen des Furchmoments die Gefahr besteht, dass der Kopf nicht die Kopfauflage erreicht und somit eine Nachverschraubung notwendig wird. Zudem erlauben die geringen Abreißkräfte beim Schraubenbruch infolge erhöhter Torsionsspannungen nur relativ geringe Vorspannkräfte.

Beim Einsatz von Schrauben mit dreieckförmigem Querschnitt sind die Furchmomente dagegen weniger als halb so hoch, sodass selbst bei entsprechender Streuung der Furchmomente eine prozesssichere Verschraubung mit minimaler Nacharbeitsrate sichergestellt ist und ausreichende Vorspannkräfte erreicht werden. Ferner ergibt sich durch niedrige Furchmomente auch eine geringere Vorspannkraftstreuung. Ein umformgünstiges Mutterngefüge bieten dabei optimierte Aluminiumlegierungen wie GD-ALSi9Cu3.

Insgesamt weist die Studie nach, dass gewindefurchende Schrauben in dem untersuchten Getriebegehäuse problemlos die bisher eingesetzten metrischen Schrauben ersetzen können. Zwar sind die eingesetzten gewindefurchenden Schrauben teurer als metrische Schrauben, die ersparte Gewindeherstellung reduziert jedoch die Gesamtkosten des Verschraubungsprozesses um knapp 16 Prozent.

Michael Pult, Arnold Umformtechnik/bt

Erschienen in Ausgabe: 04/2007