Leichtes noch sicherer verbunden

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Robert Ruthenberg, freier Journalist / Karl-Ullrich Höltkemeier

Der Einsatz von Aluminiumschrauben speziell in der Fahrzeugindustrie setzt sich immer mehr durch. Alu-Schrauben tragen nicht nur zur Gewichtsminderung bei, Leichtmetall- oder Kunststoffprodukte lassen sich damit auch sehr viel sicherer und dauerhafter verbinden. Doch Alu-Schraube ist nicht gleich Alu-Schraube. Mindere Qualitäten schaffen mehr Probleme als sie lösen.

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Der Einsatz von Alu-Schrauben in Leichtbauprodukten aus Magnesium, Aluminium und Kunststoff sorgt dafür, dass eine derartige Schraubverbindung im Vergleich zu Stahlschrauben sehr viel sicherer und dauerhaft haltbar ist. Auf Grund sehr ähnlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten fallen die Vorspannkraftverluste beim Alu-Mg-Schraubfall sehr viel geringer aus.

Relaxationseffekte, also ein Vorspannkraftverlust durch eine Plastifizierung der Werkstoffe verursacht, werden dabei deutlich reduziert. Nicht zuletzt lässt sich die gefürchtete Kontaktkorrosion durch den Einsatz von Alu-Schrauben nahezu komplett vermeiden.

Die Ingenieure bei Richard Bergner Verbindungstechnik in Schwabach - besser bekannt unter dem Markennamen RIBE - haben den Trend zum Leichtbau sowie die Vorteile der Alu-Schraubverbindung frühzeitig erkannt und entwickelten die sogenannten „Aluform®-Schrauben“ zur Serienreife. Inzwischen ist diese Schraubverbindungsart aus dem Alltag der Fahrzeugindustrie nicht mehr wegzudenken, wie folgende Anwendungsbeispiele belegen.

Aluminiumschrauben im Serieneinsatz

Als einer der ersten Automobilzulieferer setzte der Getriebehersteller ZF Friedrichshafen AG die Aluform-Schrauben in einem kompakten Automatikgetriebe ein. Abgesehen von der technischen Überlegenheit hinsichtlich hoher Restvorspannkräfte, geringer Kontaktkorrosion, niedriger erforderlicher Einschraubtiefe, besserem Sicherheitsverhalten unter Querlast überzeugten die Getriebeingenieure die hohen Gewichtseinsparungen.

Nachdem sich die Alu-Schrauben bei diesem stufenlosen Pkw-Automatikgetriebe durchgesetzt hatten, werden seit mehreren Jahren die Sechsgang-Schaltgetriebe sowie halbautomatische Getriebe damit ausgerüstet. Diese werden unter anderem an die BMW AG geliefert und kommen dann bei den 4- und 6-Zylindermodellen dieses Automobilherstellers in großen Stückzahlen zum Einsatz. Ein weiterer Abnehmer ist Jaguar sowie Landrover.

BMW setzt bei seinen Leichtmetallmotoren der Baureihe NG6 nicht nur bei den Getrieben auf die Aluform®-Schrauben. Nahezu die komplette Verbindungstechnik des Aluminium-Magnesium-Leichtmetallmotors besteht aus knapp 200 Alu-Schrauben, welche überwiegend von diesem fränkischen Verbindungselementhersteller geliefert werden.

Darüber hinaus liefern die Franken noch verschiedene andere Alu-Kaltformteile zu, welche die Kunststoff- sowie die Magnesium-Motorabdeckungen sicher fixieren. Die innovative Nockenwellenverstellung „Valvetronic“ der Münchener wird ebenfalls mit diesen Alu-Schrauben bestückt. So gehen letztendlich pro Jahr einige Millionen dieser Aluform®-Schrauben allein an diesen bayerischen Autobauer.

Auch VW setzt auf die Aluform-Schraube

Vergleichbar hohe Stückzahlen kommen auch bei dem Großserienhersteller VW zum Einsatz. Das aktuelle Magnesium-Schaltgetriebe der Norddeutschen, welches unter anderem in beinahe jedem Golf mit manuellem Getriebe steckt, dessen Komponenten werden mit den Aluform-Schrauben sicher miteinander verbunden.

Die Konzerntochter Audi nutzt ebenfalls diese speziellen Verbindungselemente schon heute. In Kürze wird dieser Autobauer mit weiteren Alu-Schrauben-Anwendungen auf dem Markt kommen, die ebenfalls im großen Stückzahlenbereich liegen dürften, wenn der große Verkaufserfolg der Ingolstädter weiter anhalten sollte.

DaimlerChrysler wiederum wählte für das weltweit erste serienmäßige Siebengang-Automatikgetriebe für Personenwagen ebenfalls die Aluform-Schrauben der fränkischen Verbindungsspezialisten aus. Das Getriebegehäuse des selbstentwickelten 7G-TRONIC-Getriebes besteht komplett aus Magnesium.

Durch Einsatz der Leichtmetallschrauben lässt sich bei diesem Leichtmetall die Mindesteinschraubtiefe um bis zu 50 % reduzieren. Bei niedrigfesten Magnesiumbauteilen beispielsweise beträgt die Mindesteinschraubtiefe einer Stahlschraube mit der Festigkeitsklasse 8.8 mindestens 3 x Schraubendurchmesser, also bei M10 etwa 30 mm. Aluform-Schrauben mit einer Festigkeit von 400 MPa müssen dagegen nur 1,5 x Schraubendurchmesser, also lediglich 15 mm tief eingeschraubt werden. Extreme Materialanhäufungen im Bereich der Schraubverbindung sind daher nicht erforderlich. Gewicht sowie Kosten, vor allem beim teuren Magnesium, lassen sich dadurch reduzieren.

Ein großes Entwicklungsziel bei den Alu-Schrauben

.... stellt der Wunsch der Kunden nach einer Ausführung dar, die vergleichbar mit einer 8.8-Stahlschraube ist. Um dieses Ziel zu erreichen, beschreiten die Entwicklungsingenieure aus Schwabach derzeit parallel verschiedene Wege: Durch eine innovative Prozessführung lassen sich die Festigkeitswerte der aktuellen Aluform-Schrauben um rund 20 % auf bis zu 540 Mpa erhöhen. Einen noch deutlicheren Schritt hin zu einer 8.8-Schraube aus Aluminium tut sich mit der Verwendung anderer Legierungsgruppen auf.

Mit Schrauben aus der 7000er-Legierungsgruppe lassen sich nach ersten Versuchen Festigkeitswerte von immerhin 700 MPa erzielen. Damit ist man dem erwähnten Ziel schon sehr nahe. Schließlich lässt sich dann jede herkömmliche Stahlschraube einfach durch eine 8.8-Schraube aus Aluminium ohne jegliche Umkonstruktion austauschen.

RIBE-Richard Bergner Verbindungstechnik

Tel. +49(0)9122 87 1570

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