Schraubverbindungen Vormontierte Gurtschlossbefestigungen erhöhen die Sicherheit im Fahrzeug

Autor / Redakteur: Dr. Ing. W. Scheiding, Dr. Gunther Hartmann * / Karl-Ullrich Höltkemeier

Obwohl Schrauben zu den am besten eingeführten Maschinenelementen gehören geht die Annahme, dass es sich hier um eine althergebrachte Technologie ohne Entwicklungspotential handelt, an der Realität vorbei. Besonders im Bereich der Erfassung der Vorspannkraft konnte in den letzten Jahren bedeutende Schritte vollzogen werden. Die Weiterentwicklung des Produkts und die Integration von Funktionen wird am Beispiel der Entwicklung einer vormontierbaren Gurtschlossbefestigung bei KAMAX dargestellt.

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1 Fertigung für den Einsatz: (a) Die vormontierte Komponente Schraube + Clip als Schraubverbindung für mehr Sicherheit; (b) Montage mit Fehlermöglichkeiten. Bilder: Kamax
1 Fertigung für den Einsatz: (a) Die vormontierte Komponente Schraube + Clip als Schraubverbindung für mehr Sicherheit; (b) Montage mit Fehlermöglichkeiten. Bilder: Kamax
( Archiv: Vogel Business Media )

Als global führender Anbieter im Bereich der hochfesten Verbindungselemente haben die KAMAX Werke den Entwicklungsprozess einer neuen Fahrzeugplattform bei einem französischen OEM begleitet, welche dabei unter anderem die nachstehend beschriebene Verbindung entwickelt, welche einen erheblichen Sicherheitsgewinn und eine Reduzierung der Teilevielfalt gegenüber der Ausgangssituation kombiniert.

Problem: Montagefehler stellen Gefahren für Leib und Seele dar

In vielen Fahrzeugen wird das Gurtschloss am unteren Ende der B bzw. C-Säule mittels einer Schraube und verschiedener Varianten von Scheiben und Abstandshaltern befestigt. Die besondere Eigenschaft dieser Verbindungsstelle besteht darin, dass einerseits das Gurtschloss frei drehbar auf dem Befestigungselement sein und andererseits eine ausreichende Vorspannkraft aufgebracht und erhalten werden muss. Dies wird in der Regel durch ein abgesetztes Befestigungselement und Beilage von federnden Wellscheiben bzw. Kunststoffscheiben erzielt. Die Montage einer solchen Gurtschlossbefestigung folgt prinzipiell dem Ablauf:

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1. Aufstecken der ersten Scheibe auf die Schraube

2. Auffädeln des Gurtschlosses

3. Aufstecken der zweiten und dritten Scheibe

4. Evtl. Aufstecken einer Abstandshülse

5. Eindrehen der Einheit in die B / C-Säule des Fahrzeuges

6. Aufstecken/Aufclipsen einer Abdeckkappe

Bei den in dieser Form ausgeführten Varianten entsteht also ein erheblicher Aufwand zur Vormontage der Komponente Gurtschlossbefestigung am Band selbst, zumal die Montage an zum Teil relativ schwer zugänglichen Stellen des Fahrzeugs erfolgt.

Dadurch ergeben sich weiterhin auch Fehlermöglichkeiten welche zu einem Versagen der Verbindung führen können. Insbesondere die potentiellen Fehler des Weglassens einer Scheibe und das Aufsetzen des Schraubenabsatzes auf der Scheibe anstatt der gewünschten Anlagefläche können eine erhebliche Gefahr für Leib und Leben der beförderten Personen darstellen.

Lösung: Integrierte, vormontierte Baugruppen optimieren den Montageprozess

Da beide potentiellen Fehler in der Montage am Band begründet sind, kann der Ansatz zur Verbesserung nur darin bestehen, durch Änderung des Design eine einteilige bzw. bereits gefügte Lösung direkt an das Montageband anzuliefern. Wahlweise kann eine solche Lösung auch bereits vormontiert am Gurtschloss mitgeliefert werden.

Das Grundprinzip einer solchen Lösung ist die Integration der Funktion des Haltens des Gurtschloss unter Beibehaltung seiner Beweglichkeit in Form eines auf der Schraube unverlierbar vormontierten Elements. Dafür wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma A. Raymond ein Metallclip konstruiert, der mittels eines Hinterschnitts auf dem Schaftansatz gehalten wird.

Voraussetzung für die wirtschaftliche Fertigung eines solchen Verbindungs-elements ist die Verwendung und Beherrschung der Schließmatrizentechnologie, ohne die sich ein Hinterschnitt an einer Schraube nicht kaltformtechnisch herstellen lässt. Die Montage des Clip auf der Schraube erfolgt durch KAMAX, in der Endmontage des Fahrzeugs wird dann lediglich das Gurtschloss über die vormontierte Komponente Schraube + Clip geschoben, so dass sich eine geschlossene, fehlerfreie Baugruppe ergibt.

Durch die Verwendung moderner Fertigungstechnologie wurden also die Voraussetzungen geschaffen Funktionen in eine vormontierte Baugruppe zu integrieren und damit den Montageprozess zu optimieren. Zusammengefasst bietet die KAMAX - Lösung einen deutlich verringerten Montageaufwand an der Linie bei gleichzeitiger Verringerung der Teileanzahl.

Das Risiko einzelne Teile zu vergessen wird ebenso eliminiert wie das Risiko von Montagefehlern durch das Aufsetzen auf einer Scheibe anstelle der Anlagefläche. Dies führt neben der Vereinfachung der Montage letztendlich zu einem erheblichen Sicherheitsgewinn.

Qualitätssicherung mit Ultraschallmesstechnik

Ein wesentliches Merkmal für die Sicherheit einer Schraubenverbindung allgemein ist das prozesssichere Einbringen und das Aufrechterhalten der aufgrund der gegebenen Beanspruchungen notwendigen minimalen Vorspannkraft im Schraubenverband. Im Entwicklungsprozess bedeutet dies zunächst die Notwendigkeit für den Konstrukteur sich insbesondere bei kritischen, dynamisch belasteten Verbindungen Informationen über die tatsächliche Höhe der Vorspannkraft zu beschaffen. Dies gilt sowohl für den Montagezustand, als auch für die verbleibende Vorspannkraft nach durchgeführten Tests.

Die Ultraschallmesstechnik im Hause KAMAX ist ein Verfahren zur Bestimmung dieser Vorspannkraft und der Verifizierung von Verschraubungen während der Entwicklung und des Tests neuer Komponenten. Sie bietet den Vorteil einer Erfassung der Vorspannkraft ohne einen Eingriff in den Schraubenverband durch z.B. das Einbringen von Kraftmessdosen, welche in jedem Fall die Steifigkeit des Verbands verändern werden und in manchen Fällen konstruktiv gar nicht einsetzbar sind.

Beim Ultraschallmessverfahren muss dagegen lediglich der Anspruch erfüllt werden, dass die Schraube ausreichend glatte und ebene Reflexionsflächen an beiden Enden aufweist, dies lässt sich im Standardfertigungsprozess integrieren. Basis des Verfahrens ist die Laufzeitänderung des Signals zwischen den Reflexionsflächen, die sich belastungsabhängig aufgrund der elastischen Längung der Schraube und der Spannungen verändert, ferner liegt ein Temperatureinfluss vor, der kompensiert werden muss.

Ultraschallmessverfahren für alle Schlüsselangriffsformen

Besonderheit des Verfahrens im Hause KAMAX ist die Nutzbarkeit für alle Schlüsselangriffsformen (auch Innenschlüsselangriffe) sowie für kleine Klemmlängen, z.B. Radverschraubungen mit Stahlfelgen. Dies wird u.a. durch eine anwendungsspezifische Kalibrierung erreicht.

Durch das gleichzeitige Nutzen von Transversal- und Longitudinalwellen (handelsübliche Geräte nutzen nur letztere Wellenform) kann mit verminderter Genauigkeit (+.5%) im überelastischen Bereich eine Messung der Restvorspannkraft auch ohne Rückkalibrieren durchgeführt werden, d.h. ohne Demontage der Verbindung.

Zusammen mit der Fähigkeit des Systems zur Echtzeitmessung und den entsprechenden fest applizierten Sensoren ergibt dies ein weites Anwendungsspektrum sowohl für Laboruntersuchungen intern und beim Kunden als auch bei Versuchsfahrten, wie wir Sie mit unseren Kunden z.B. im Rahmen von Radschraubenentwicklungen durchführen. Bei entsprechenden Randbedingungen kann die Ultraschallmesstechnik außerdem ausgezeichnet zur Überwachung kritischer Verschraubungen eingesetzt werden. Es wird hier also ein Vorteil für den Entwicklungsprozess selbst und auch die spätere Anwendung geschaffen.

* Dr. Ing. W. Scheiding, Bereichsleiter Anwendungstechnik, Dr. Gunther Hartmann, Leiter FuE, KAMAX Werke

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