Schraube Gewindefurchende Schraube optimiert den Bauraum

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Die Elektrifizierung im Automobilbau stellt umfassende Herausforderungen an alle Systeme – so auch an Schraubenverbindungen. Die runde gewindefurchende Schraube Powertite ist mit ihrer Trilobular-Furchzone diesen Anforderungen gewachsen.

In einer E-Motor-Getriebeeinheit konnte durch den Einsatz der Powertite ein Gewicht pro Fahrzeug von etwa 213 g und CO2 von etwa 364 g eingespart werden.
In einer E-Motor-Getriebeeinheit konnte durch den Einsatz der Powertite ein Gewicht pro Fahrzeug von etwa 213 g und CO2 von etwa 364 g eingespart werden.
(Bild: Arnold Umformtechnik)

Der Bauraum wird bei vielen Anwendungen im Automobilbereich zunehmend knapp – so auch für die Schraubenverbindungen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an Vorspannkräfte und die Zuverlässigkeit der Verbindungen. Neben der Bauraumoptimierung stehen die Leistungsverdichtung und Kostenoptimierung im Fokus. Die Tragfähigkeit der Verbindung zu optimieren ist dabei ein wichtiger Grund. Mit Blick auf gewindefurchende Metallverschraubungen beziehungsweise Leichtmetallverschraubungen heißt das: Der Mutternwerkstoff muss besser ausgenutzt werden. Doch wie wird das erreicht? Durch eine höhere Gewindeüberdeckung der Gewindeflanken von Schrauben- und gefurchtem Mutterngewinde.

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Genau für diese Einsatzfälle 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. Mehr als drei Jahre hat sich Arnold Umformtechnik in einem intensiven Entwicklungsprozess mit der Auslegung, Optimierung und anforderungsgerechten Anpassung der Powertite beschäftigt immer mit dem Blick auf konkrete Anwendungsfälle. „Wir haben die Entwicklungszeit genutzt, alle Hinweise unserer Kunden aufgegriffen und diese bestmöglich umgesetzt“, sagt Thomas Jakob.

Runde gewindefurchende Schraube mit Trilobular-Furchzone

Das Besondere des Verbindungselements ist seine spezielle Geometrie. Die Powertite ist eine runde gewindefurchende Schraube mit einer Trilobular-Furchzone. Das heißt: Dort wo die Umformarbeit geleistet wird, hat die Schraube einen leicht dreieckigen Querschnitt (mit abgerundeten Ecken), der die Furchmomente reduziert. Die Furchzonenlänge ist mit einer Länge von 3 x p (p = Gewindesteigung) Bauraum optimiert. Damit wird die Umformarbeit beim Gewindefurchprozess auf mehrere Gewindegänge verteilt. Zudem wird die Schraube optimal angesetzt und zentriert. 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.

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Grundsätzlich sorgt diese spezielle Geometrie dafür, dass die Schraube einen erhöhten Spannungsquerschnitt und somit auch etwas höhere Zugbruchkräfte erreicht als konventionelle metrische Schrauben. Die Kombination von Trilobularquerschnitt in der Furchzone und Rundquerschnitt im Tragbereich optimiert die gewindefurchenden Schraubenverbindungen. Einerseits sind dabei die Furchmomente niedrig und andererseits werden die Überdrehmomente und die Tragfähigkeit des gefurchten Mutterngewindes erheblich gesteigert.

Im Vergleich zur gewindefurchenden Schraube Taptite 2000, die sich seit über 20 Jahren etabliert und in mehreren Tausend Anwendungsfällen bewährt hat, ist Powertite eine tragfähigkeitsoptimierte 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.

Mit der gewindefurchenden Powertite wird eine Tragfähigkeitserhöhung des gefurchten Mutterngewindes von mehr als 20 Prozent gegenüber marktüblichen trilobularen Schrauben erreicht. Das bedeutet eine Reihe technischer Vorteile:

  • normkonforme Furchmomente
  • eine überelastische Montage auch in konisch gegossenen Kernlöchern in GD-Al
  • ein Vorspannkraftniveau analog metrischer Schraubenverbindungen
  • größere Kernlochtoleranzen zur Optimierung von Gießprozessen von Leichtmetallen
  • hohe Montagesicherheit
  • Anwendbarkeit in Stahl sowie Aluminium und sonstigen Leichtmetallen
  • Wiederhohlverschraubungen sind möglich
  • im Servicefall ein Ersatz durch metrische Schrauben

Anwendungsbereiche für gewindefurchende Schrauben

Mit der Powertite möchte Arnold Umformtechnik eine Antwort auf die neuen Marktanforderungen geben: höhere Montagevorspannkräfte bei weniger Bauraum übertragen. Es gibt zahlreiche Beispiele für den Einsatz der gewindefurchenden Powertite. Im Fokus der Powertite-Anwendungen steht insbesondere die Elektromobilität. Angefangen vom 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. So wurde beispielsweise bei einer Getriebegehäuseverschraubung 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. Dadurch, dass keine Einpressmutter benötigt wird, fallen nun auch keine Kosten für das Element und den Setzprozess an.

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Berechnung der Gewichts- und CO2-Einsparungen

Die gewindefurchende Powertite ist eine grundsätzliche Weiterentwicklung der Gewindefurchtechnologie. Durch die Substitution von konventionellen gewindefurchenden Schrauben der Dimension M8 x 40 (Nenndurchmesser x Länge) mit M7 x 40-Schrauben der Serie Powertite kann CO2 eingespart werden, wie folgende zwei Beispiele zeigen:

So wird in einem Lastverteilergetriebe, welches derzeit noch in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, seit Juni 2022 die Powertite M7 x 40 eingesetzt. Pro Getriebe wird ein Gewicht von zirka 42 g eingespart und CO2 von zirka 72 g pro Getriebe. Bei 13 Schrauben pro Getriebe und einem Bedarf von zirka 6 Millionen 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 Millionen 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.  (jup)

* *Freie Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik

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