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Schrauben Das Leichtbau-Potenzial ultrahochfester Schrauben für den Fahrzeugbau

| Autor / Redakteur: Horst Dieterle* / Dorothee Quitter

Ultrahochfeste Schrauben erlauben eine Erhöhung der Klemmkraft oder eine Reduzierung des Schraubendurchmessers. In beiden Fällen kann Gewicht reduziert werden.

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Kamax hat ultrahochfeste Schrauben mit einer Zugfestigkeit von bis zu 1900 MPa entwickelt. Dafür wurde der Werkstoff-Gefügezustand des unteren Bainits zugrunde gelegt.
Kamax hat ultrahochfeste Schrauben mit einer Zugfestigkeit von bis zu 1900 MPa entwickelt. Dafür wurde der Werkstoff-Gefügezustand des unteren Bainits zugrunde gelegt.
(Bild: Kamax)

Die Tragfähigkeit einer Schraube und die maximale Vorspannkraft einer Schraubverbindung stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit der Festigkeit der Schraube. So kann durch eine höhere Festigkeit der Schraube eine höhere Vorspannkraft erzielt werden, ohne dass die Abmessung und somit Bauraum und Gewicht der Schraube vergrößert werden müssen. Andererseits kann eine höhere Schraubenfestigkeit genutzt werden, um unter Aufrechterhaltung der Vorspannkraft die Querschnittsabmessung zu reduzieren und so eine Gewichtsreduzierung der Schraube und eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums zu erreichen.

Vergleich der Klemmkräfte von ultrahochfesten Schrauben 15.9U im Vergleich zu konventionellen Schrauben der Klasse 10.9 für verschiedene Schraubenabmessungen.
Vergleich der Klemmkräfte von ultrahochfesten Schrauben 15.9U im Vergleich zu konventionellen Schrauben der Klasse 10.9 für verschiedene Schraubenabmessungen.
(Bild: Kamax)

Neben der Festigkeit einer Schraube, die in der Regel durch Auswahl geeigneter Werkstoffe und Wärmebehandlungsverfahren erreicht wird, sind das Verformungsvermögen der Schraube bzw. die Duktilität des Werkstoffs, sowie eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber wasserstoffinduziertem Sprödbruch wesentliche Anforderungsmerkmale.

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Definition und Kennzeichnung ultrahochfester Schrauben

Ultrahochfeste Schrauben setzen die Zugfestigkeit über die maximale Festigkeitsklasse der hochfesten Schrauben nach DIN EN ISO 898-1 nach oben hin fort. Für ultrahochfeste Schrauben existieren derzeit zwei Richtlinien, die VDA-Richtlinie VDA 235-205 und die Richtlinie USCAR-IFI Guide UHSFG-1416U-2014. In diesen Richtlinien werden derzeit ultrahochfeste Schrauben mit einer Festigkeitsklasse bis 16.8U, d.h. mit einer Festigkeit von 1600 MPa bis 1770 MPa beschrieben. Ultrahochfeste Schrauben und Kxtreme-Schrauben nutzen dieselbe Bezeichnungssystematik wie hochfeste Schrauben nach DIN EN ISO 898-1, jedoch wird zur Unterscheidung von martensitisch vergüteten Schrauben bei ultrahochfesten Schrauben mit bainitischem Gefüge den Zahlenangaben der Buchstabe U angehängt. So bedeutet zum Beispiel die Kennzeichnung 16.8U eine ultrahochfeste Schraube mit bainitischem Gefüge und einer Mindestzugfestigkeit von 1600 MPa und einem Dehngrenzverhältnis größer 0,8.

Schraubenentwicklung bei Kamax

Kamax hat ultrahochfeste Schrauben mit einer Zugfestigkeit von derzeit bis zu 1900 MPa entwickelt und als werkstoffliche Basis den Gefügezustand des unteren Bainits zugrunde gelegt. Der primäre Gedanke dabei war, für die angestrebte hohe Festigkeit die gute Duktilität und die geringe Empfindlichkeit gegenüber wasserstoffinduziertem Sprödbruch des unteren Bainits zu nutzen. Die Beschreibung des bainitischen Gefügezustandes und seiner Eigenschaften liegt schon seit den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts vor. Einen Bezug zu Schrauben mit bainitischem Gefüge aus dem Hause Kamax findet sich bereits im Jahr 1976. Diese Entwicklung wurde bei Kamax erneut in 2007 aufgenommen und mit den heute verfügbaren Schrauben der Kxtreme-Reihe zur Serienreife geführt.

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Buchtipp

Dieser Fachbeitrag ist ein Auszug aus dem Buch “Handbuch der ultrahochfesten Schrauben" von Horst Dieterle. Es ist bei der Vogel Communications Group erschienen und kann über www.vogel-fachbuch.de oder unter ISBN 978-3-8343-3465-7 bezogen werden.

In einer umfangreichen Untersuchung durch die FEV Group wurden die Einsatzpotenziale von ultrahochfesten Schrauben bei der Konstruktion von Verbrennungsmotoren abgeschätzt und die zu erwartenden Vorteile für den Anwender herausgearbeitet. Auch wenn die Transformation in der automobilen Antriebstechnik von der Verbrennungstechnologie hin zu elektrisch angetriebenen Fahrzeugen in vollem Gange ist, werden Verbrennungsmotoren z.B. zur Sicherstellung großer Reichweiten, in Schwerlastfahrzeugen oder auch zum Beladen elektrischer Antriebe (Range Extender) zumindest für die Übergangszeit eingesetzt werden und müssen gleichzeitig bereits heute den gestiegenen Anforderungen hinsichtlich geringer Emisionswerte Rechnung tragen.

Auch im außermotorischen Bereich, z.B. im Fahrwerk, kann durch Reduzierung der Schraubenabmessung Gewichtseinsparung und Downsizing realisiert werden. Diese Komponenten sind den Umwelteinflüssen direkt ausgesetzt. Hier ist die für bestimmte Festigkeitsklassen geringe Wasserstoffsprödbruchempfindlichkeit der Kxtreme-Schrauben vorteilhaft. Sie ermöglicht in Kombination mit geeigneten Korrosionsschutzmaßnahmen die Validierung bestimmter Anwendungsfälle.

Erhöhung der Klemmkraft

Die ständig zunehmenden Anforderungen an Kraftfahrzeuge hinsichtlich der Emission von Schadstoffen zwingen zu einer Reduzierung der Fahrzeuggewichte durch Leichtbau sowie zu einer Erhöhung der Effizienz der verbrennungsmotorischen Antriebe. Dies zeigt sich beispielsweise in der stetig steigenden Leistungsdichte und damit einhergehend in steigenden Verbrennungsdrücken der Motoren. Durch diese Leistungsdichteerhöhung der Motoren steigen auch die mechanischen und thermischen Belastungen auf Hauptlagerdeckelschrauben und Zylinderkopfschrauben an. Je nach Belastungsanstieg müsste ohne den Einsatz von ultrahochfesten Schrauben die höhere Belastung durch eine Erhöhung der Schraubenabmessung aufgefangen werden.

Reduzierung der Schraubenabmessung

Eine Reduzierung des Schraubenquerschnitts im Gewinde oder im Schaft kann durch eine Erhöhung der Festigkeit des Schraubenwerkstoffs kompensiert werden. Im Folgenden werden zwei konkrete Anwendungsfälle von Verschraubungen in der automobilen Praxis und die möglichen Vorteile der Verwendung von ultrahochfesten Schrauben aufgezeigt.

Beispiel 1: Zylinderkopfschraube

Wie sich an einer Zylinderkopfverschraubung am Beispiel eines 1-Liter- und 3-Zylinder-Ottomotors mit Grauguss-Kurbelgehäuse zeigen lässt, ergeben sich bei Verwendung von ultrahochfesten Schrauben mehrere direkte und indirekte Vorteile.

Direkte und indirekte Vorteile durch Verwendung von ultrahochfesten Schrauben am Beispiel einer Zylinderkopfschraubverbindung
Direkte und indirekte Vorteile durch Verwendung von ultrahochfesten Schrauben am Beispiel einer Zylinderkopfschraubverbindung
(Bild: Kamax)

Als unmittelbarer direkter Vorteil ergibt sich eine Gewichtseinsparung durch eine Reduzierung des Schraubendurchmessers. Die heute für diesen Schraubfall üblicherweise eingesetzte Schraube M10 × 1,25 der Festigkeitsklasse 10.9 kann unter Aufrechterhaltung derselben Klemmkraft durch eine ultrahochfeste Schraube 15.8U der Abmessung M9 × 1,25 ersetzt werden. Unter der konservativen Annahme, dass die Kopfauflagefläche zur Aufnahme der Flächenpressung konstant gehalten wird, und unter der Annahme eines auf den Durchmesser bezogenen konstanten Einschraubverhältnisses reduziert sich das Gewicht der Schrauben um 14 g. Bei 8 erforderlichen Schrauben pro Motor ergibt dies ein reduziertes Schraubengewicht von 112 g pro Motor. Rechnet man im Zylinderkopf die sich aus dem kleineren Bohrungsdurchmesser ergebende Gewichtszunahme von 23 g und die Gewichtseinsparung im Zylinderblock von 32 g hinzu, ergibt sich ein Gesamteinsparpotenzial von 121 g pro Motor allein durch die Verwendung der ultrahochfesten Schrauben.

Zylinderkopfverschraubung; links Draufsicht mit Detail Zylinder und Schraubhülse, rechts Kühlkanalquerschnitt zwischen Zylinder und Schraubenbohrung.
Zylinderkopfverschraubung; links Draufsicht mit Detail Zylinder und Schraubhülse, rechts Kühlkanalquerschnitt zwischen Zylinder und Schraubenbohrung.
(Bild: Kamax)

Neben der Gewichtseinsparung ergibt sich auch der indirekte Vorteil einer besseren Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses. Die Reduzierung des Schraubendurchmessers ermöglicht eine Reduzierung der Abmessung der Schraubendurchführung im Zylinderkurbelgehäuse, woraus zusätzlicher Bauraum entsteht, der für eine größere Querschnittsfläche der Kühlkanäle genutzt werden kann (Bild 3). Dadurch reduzieren sich die Druckverluste des Wasserkühlkreislaufs, was zu einem geringeren Energiebedarf der Wasserpumpe führt. Ein weiterer indirekter Vorteil aus dem gewonnenen Bauraum ergibt sich in der Möglichkeit, konstruktiv die Kerbspannungen in den Kühl-kanalecken und dadurch die Rissanfälligkeit der Zylinderkurbelgehäuse zu reduzieren. Durch den geringeren Raumbedarf der ultrahochfesten Schraube kann der gewonnene Bauraum für eine weichere, weniger rissanfällige Gestaltung der Kühlkanal-ecken genutzt werden.

Beispiel 2: Schwungradverschraubung

Der Durchmesser des Schwungrades wird hauptsächlich durch die Abmessung der Schraube bestimmt. Die heute üblicherweise eingesetzte Schraube der Abmessung M11 × 1,0 der Festigkeitsklasse 10.9 lässt sich unter Beibehaltung derselben Klemmkraft durch eine ultrahochfeste Schraube M10 × 1,25 der Festigkeitsklasse 15.8U ersetzen. Aufgrund der kurzen Länge der Schwungradbefestigungsschrauben ergibt sich hier nur eine geringe Gewichtsreduktion von 96 g (für die Schrauben 30 g und das Schwungrad 66 g).

Schwungradflansch und Reibwiderstandsmoment in Abhängigkeit des Durchmessers der Dichtfläche und der Umfangsgeschwindigkeit (T=Reibmoment, µ= Reibwert Dichtung, FSeal=Anpresskraft Dichtring)
Schwungradflansch und Reibwiderstandsmoment in Abhängigkeit des Durchmessers der Dichtfläche und der Umfangsgeschwindigkeit (T=Reibmoment, µ= Reibwert Dichtung, FSeal=Anpresskraft Dichtring)
(Bild: Kamax)

Der weitaus interessantere indirekte Vorteil ergibt sich aus dem signifikant geringeren Reibmoment der Schwungraddichtung. Die durch den Einsatz der ultrahochfesten Schrauben ermöglichte Durchmesserreduktion des Schwungrades führt zu einer geringeren Laufgeschwindigkeit, und wie Bild 2 zu entnehmen ist, reduziert sich das Reibmoment mit geringerer Laufgeschwindigkeit und abnehmendem Durchmesser der Dichtungslauffläche deutlich.

Dieses Beispiel zeigt, dass durch den Einsatz ultrahochfester Schrauben, neben der in diesem Fall relativ geringen Gewichtsreduzierung, insbesondere der indirekte Vorteil der innermotorischen Reibungsreduzierung zu einer Erhöhung der Effizienz des Motors genutzt werden kann.

Buchtipp

Mit dem “Handbuch der ultrahochfesten Schrauben” führt Automobilzulieferer Kamax Jahre der Entwicklungsarbeit an ultrahochfesten Schrauben mit bainitischem Gefüge zusammen. Das Besondere: Die innovative Schraubentechnologie eröffnet neue Chancen für den Leichtbau.

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* Dipl.-Ing. Horst Dieterle, Director Product & Process Development and Innovation Hub, Kamax Automotive GmbH

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