Bauraumoptimierung und Leistungsverdichtung durch gewindefurchende Schrauben

Bei Leichtmetallverschraubungen stehen neben der Zuverlässigkeit der Verbindung die Bauraumoptimierung sowie die Leistungsverdichtung und Kostenoptimierung im Fokus. Ein wichtiger Punkt ist vor diesem Hintergrund die Tragfähigkeitsoptimierung der Verbindung.

Bei Leichtmetallverschraubungen stehen die Bauraumoptimierung sowie die Leistungsverdichtung und Kostenoptimierung im Fokus.

Genau für diese Einsatzfälle hat die Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG die Powertite entwickelt − eine runde gewindefurchende Schraube mit einer Trilobular-Furchzone. Das heißt: Dort wo die Umformarbeit geleistet wird, verfügt die Schraube über einen leicht dreieckigen Querschnitt (mit abgerundeten Ecken) zur Reduktion der Furchmomente. Die Furchzonenlänge ist mit einer Länge von 3 x p (p = Gewindesteigung) Bauraum optimiert und ermöglicht eine Verteilung der Umformarbeit beim Gewindefurchprozess auf mehrere Gewindegänge sowie ein optimales Ansetzen und Zentrieren der Schraube. 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 ermöglicht. Durch die Kombination von Trilobularquerschnitt in der Furchzone und Rundquerschnitt im Tragbereich wird eine signifikante Optimierung von gewindefurchenden Schraubenverbindungen erreicht, weil einerseits die Furchmomente niedrig sind und andererseits die Überdrehmomente und die Tragfähigkeit des gefurchten Mutterngewindes erheblich gesteigert werden.

Eine rechnerische Vorauslegung für den konkreten Anwendungsfall ist mit dem Arnold-Tool Fast Designer Metals möglich. Voraus geht dem immer eine Empfehlung von Arnold Umformtechnik für eine geeignete Kernlochauslegung.




Große Einsparpotenziale sind möglich
Es gibt zahlreiche Beispiele für den Einsatz der gewindefurchenden Powertite. Dies sind beispielsweise Anwendungen, bei denen höchste Vorspannkräfte durch eine überelastische Montage realisiert werden müssen. Auch für Baugruppen, bei denen nur wenig Einschraubtiefe realisiert werden kann und hohe Lochtoleranzen erforderlich sind, eignet sich die Powertite. Zudem kann in vielen Fällen eine Gewichtsreduzierung durch die Reduzierung der Schraubenlängen und gewichtsoptimierte Schraubenköpfe erreicht werden.

Dass selbst eine kleine Schraube mit Blick auf ein konkretes Produkt ein Klimaschützer sein kann, belegen zwei konkrete Beispiele. So wird in einem Lastverteilergetriebe, welches derzeit noch in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, seit Juni 2022 die Powertite M7x40 eingesetzt. 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. 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.



Die Powertite-Schraube ist eine runde gewindefurchende Schraube mit einer polygonalen Furchspitze und einer Trilobular-Furchzone. Der runde Tragquerschnitt hat ein definiertes Übermaß.

Weiterentwicklung der Gewindefurchtechnologie
Mit der gewindefurchenden Powertite wird laut Arnold Umformtechnik 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 und die Möglichkeit größerer Kernlochtoleranzen zur Optimierung von Gießprozessen von Leichtmetallen. Dazu kommen eine hohe Montagesicherheit und die Anwendbarkeit in Stahl sowie Aluminium und sonstigen Leichtmetallen. Außerdem sind Wiederhohlverschraubungen möglich und im Servicefall ein Ersatz durch metrische Schrauben.

Im Fokus der Powertite-Anwendungen steht die Elektromobilität. Dies gilt insbesondere für Leichtmetallverschraubungen aber auch bei der Kombination mit Gussbauteilen.

Im Oktober soll das Produkt, das bereits patentiert ist, nun in den Markt eingeführt werden.

Potenzielle Kunden können dann in gewohnter Weise auf das komplexe Produktwissen des Forchtenberger Verbindungselemente-Herstellers zurückgreifen, ebenso auf ein umfassendes Verständnis zur Performance des Produktes in den verschiedenen Anwendungen und Anwendungsbereichen. Ergänzt wird dies durch die entsprechenden Berechnungstools sowie weitreichendes fertigungstechnisches Know-how. Eigens für die Powertite hat Arnold Umformtechnik im Dialog mit Entwicklungspartnern aus dem Bereich der Werkzeugherstellung ein komplett neues Fertigungsverfahren entwickelt.

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