Aluminium ist im E-Antrieb allgegenwärtig: Gehäuse, E-Motor-Strukturen, Busbars. Das Material spart Gewicht, leitet Wärme gut ab - und stellt die Schraubtechnik vor Herausforderungen, die mit einem einfachen Drehmomentschlüssel nicht zu beherrschen sind. Wer das ignoriert, riskiert schleichenden Klemmkraftverlust, erhöhten Übergangswiderstand und im schlimmsten Fall Verbindungsversagen unter Betriebslast.
Dieser Beitrag zeigt, welche physikalischen Effekte bei Aluminium- und Mischverbindungen zusammenwirken - und warum die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse der einzige Weg ist, den tatsächlichen Verbindungszustand zuverlässig zu beurteilen.
Die vier kritischen Effekte bei Aluminium-Schraubverbindungen
1. Setzverhalten: Mehr Setzbetrag, weniger Klemmkraft
Unter Setzen versteht man eine plastische Längenänderung der Schraube und der verspannten Teile an den Kontaktflächen. Rauheitsspitzen ebnen sich ein, Gewinde und Auflageflächen glätten sich - das ist bei jeder Schraubverbindung unvermeidlich. Bei Aluminium fällt dieser Effekt jedoch deutlich stärker aus als bei Stahl.
Der Grund: Aluminium hat eine deutlich niedrigere Streckgrenze als Stahl. Bei Schraubverbindungen gilt es die geringe Festigkeit und Fließneigung und die damit geringe zulässige Flächenpressung des reinen Aluminiums zu berücksichtigen - es besteht Gefahr des Verbiegens und der Verformung von Bauteilen bei der Montage. Wird die zulässige Flächenpressung überschritten, setzt das Material unter dem Schraubenkopf oder in der Gewindeaufnahme nach - und die Klemmkraft fällt ab.
Setzerscheinungen von 5-25 % Vorspannkraftverlust nach der Montage sind normal - bei kritischen Verbindungen muss nachgezogen werden. Bei Aluminium-Bauteilen liegt man dabei eher am oberen Ende dieser Spanne.
2. Oxidschicht: Das unsichtbare Isolierproblem
Aluminium bildet an Luft innerhalb von Sekunden eine dichte Aluminiumoxidschicht. Durch die extrem hohe Affinität zum Sauerstoff bildet Aluminium eine sehr dichte und isolierende Oxidschicht aus. Die vorhandene Oxidschicht erschwert oder unterdrückt die elektrische Kontaktierung zwischen zwei Aluminiumteilen oder Aluminium und einem weiteren Leitungsmetall.
Für Busbars und Stromschienen im Hochvoltbereich ist das direkt sicherheitsrelevant: Wird die Oxidschicht nicht entfernt, steigt der Übergangswiderstand - die Klemme erhitzt sich, das Brandrisiko nimmt deutlich zu. Aluminium neigt unter Druck zum sogenannten Langzeitfließen. Schraubverbindungen können sich dadurch mit der Zeit lösen.
Das bedeutet: Selbst eine korrekt angezogene Busbar-Verbindung kann durch Relaxation und Oxidschichtaufbau über die Betriebszeit an Klemmkraft verlieren - mit direkten Auswirkungen auf den elektrischen Übergangswiderstand.
3. Unterschiedliche Wärmeausdehnung bei Mischverbindungen
Im E-Antrieb treffen regelmäßig verschiedene Werkstoffe aufeinander: Aluminium-Gehäuse mit Stahlschrauben, Kupfer-Busbars in Aluminium-Aufnahmen, Stahl-Lager in Aluminium-Motorgehäusen. Aluminium hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 23 × 10⁻⁶ K⁻¹, Stahl liegt bei ca. 12 × 10⁻⁶ K⁻¹ - also nahezu doppelt so hoch.
Die unterschiedliche Wärmeausdehnung der zu verbindenden Materialien wirkt sich nachteilig auf Schraubverbindungen aus, denn dies kann zu Vorspannungsverlusten und Kontaktkorrosionen führen. Bei jedem Temperaturzyklus - und E-Antriebe durchlaufen täglich viele davon - dehnt sich das Aluminium-Bauteil stärker aus als die Stahlschraube. Kühlt sich das Bauteil ab, ändert sich dessen Dicke thermisch bedingt stärker als die Länge der Stahlschraube. Deshalb kann beim Einsatz der herkömmlichen Stahlschraube die Verbindung versagen.
Mit Stahlschrauben ergab sich eine Rest-Vorspannkraft in Aluminium von 50 %, bei Magnesium-Bauteilen sogar nur von 10 %. Diese Zahlen verdeutlichen, wie dramatisch der Klemmkraftverlust durch Materialmix ausfallen kann.
4. Relaxation: Der schleichende Klemmkraftverlust
Relaxation ist der Vorspannkraftverlust durch Plastifizierung der Werkstoffe. Sie wird oft erst durch Klappern, Undichtigkeit oder Versagen einer Verbindung erkannt. Bei Aluminium setzt dieser Prozess früher ein als bei Stahl, weil die Kriechneigung des Werkstoffs höher ist - besonders bei erhöhten Betriebstemperaturen.
In Leichtmetall-Bauteilen halten Stahlschrauben ihre Vorspannkräfte wesentlich schlechter aufrecht als erwartet - durch Relaxationseffekte lassen sie schon nach kurzer Zeit stark nach. Im E-Antrieb, wo Temperaturen zwischen -30 °C und über 120 °C auftreten können, ist dieser Effekt besonders ausgeprägt.
Warum reine Drehmomentkontrolle hier versagt
Das drehmomentgesteuerte Anziehen ist das am weitesten verbreitete Anzugsverfahren - weil es technisch einfach umzusetzen ist. Doch es hat einen fundamentalen Schwachpunkt: Es misst Reibung, nicht Klemmkraft.
Etwa 90 % des aufgebrachten Anzugsdrehmoments werden durch Reibung im Gewinde und unter dem Schraubenkopf aufgezehrt - nur rund 10 % werden in axiale Vorspannkraft umgesetzt. Die Reibungszahl variiert mit Werkstoff, Oberflächengüte, Beschichtung und Schmierstoff erheblich - Schwankungen von 30 bis 50 % bei der resultierenden Vorspannkraft sind bei unkontrollierten Bedingungen möglich.
Bei Aluminium-Verbindungen kommen weitere Unsicherheiten hinzu:
- Oxidschicht auf der Auflagefläche verändert den Reibwert unvorhersehbar
- Unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen (z. B. kathodische Tauchlackierungen) wirken elektrisch isolierend und beeinflussen die Reibung
- Kriechverhalten des Aluminiums unter dem Schraubenkopf führt dazu, dass das Anzugsmoment korrekt war - die Klemmkraft aber nach Stunden oder Tagen bereits deutlich abgefallen ist
Drehmomentgesteuertes Anziehen erzeugt Vorspannkraft-Streuungen von ±50 % - nur drehwinkel- oder streckgrenzgesteuertes Anziehen reduziert das. Ein Drehmoment-Sollwert, der auf Stahl-Stahl-Reibwerten basiert, ist bei Aluminium-Mischverbindungen schlicht nicht aussagekräftig.
Achtung bei Busbar-Verbindungen: Oberflächenbeschichtungen wie kathodische Tauchlackierungen wirken elektrisch isolierend. Wird das Anzugsmoment auf Basis dieser Beschichtung eingestellt, kann die tatsächliche Klemmkraft weit unter dem Sollwert liegen – mit direkten Auswirkungen auf den elektrischen Übergangswiderstand und die thermische Belastung der Verbindung.
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse: Den Verbindungszustand sichtbar machen
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse kombiniert beide Messgrößen zu einem vollständigen Bild des Schraubvorgangs. Eine neue Methode zur Prüfung der Verschraubungssicherheit ist die Ermittlung des Drehmoment-Drehwinkel-"Abdrucks" einer Schraubverbindung. Dieses Verfahren liefert eine sehr einfache, praktische und aussagekräftige Technik, um die aktuelle Vorspannkraft, welche durch den Schraubprozess auf eine Verbindung aufgebracht wurde, zu beurteilen.
Eine typische Drehmoment-Drehwinkel-Anzugskurve besteht zuerst aus einer nichtlinearen Zone, in der sich die Komponenten ausrichten. Danach erscheint der lineare, elastische Bereich, in dem die Vorspannkraft aufgebracht wird, während gleichzeitig die Teile zusammengezogen werden und die Verbindung sich stabilisiert.
Genau diese Kurvenform ist bei Aluminium-Verbindungen hochinformativ:
- Flache Steigung im linearen Bereich -> Setzverhalten oder Kriechverhalten des Aluminiums unter dem Schraubenkopf
- Frühzeitiger Knick -> Streckgrenze des Aluminium-Bauteils wird erreicht, bevor die Ziel-Klemmkraft aufgebaut ist
- Unregelmäßigkeiten im Anzugsverlauf -> Oxidschicht bricht auf, Reibwert ändert sich sprunghaft
- Abweichung zwischen Wiederholmessungen -> Relaxation oder Setzverhalten bereits eingetreten
Ab dem Beginn der eigentlichen Drehwinkelverschraubung wird reibungsunabhängig angezogen. Die Gesamtvorspannkraft-Streuung ist demzufolge geringer als beim rein drehmomentgesteuerten Schraubverfahren.
QUANTEC MCS®: Das kompakte Schraublabor für die Praxis
Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug von GWK macht genau diese Analyse im Feld möglich - ohne Festpunkt, ohne aufwändige Vorrichtung. Die festpunktlose Drehwinkelmessung erfasst den Drehwinkel direkt am Werkzeug, unabhängig von externen Referenzpunkten. Das ist entscheidend, wenn Verbindungen in beengten Einbausituationen analysiert werden müssen - wie sie im E-Antrieb die Regel sind.
Die wichtigsten technischen Merkmale des QUANTEC MCS® für Aluminium-Anwendungen im Überblick:
| Merkmal | Spezifikation | Relevanz für Alu-Verbindungen |
|---|---|---|
| Messgenauigkeit | ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereichs | Erkennt auch kleine Abweichungen im Anzugsverlauf |
| Drehwinkelmessung | Festpunktlos, direkt am Werkzeug | Keine Vorrichtung nötig – auch in beengten E-Antrieb-Einbausituationen |
| Konstruktion | Robuste Alu-Titan-Konstruktion | Langzeitstabil auch bei Temperaturwechseln in der Fertigung |
| Datenübertragung | WLAN, kompatibel mit QuanLabPro, Ceus, QS-Torque | Direkte Archivierung der Schraubkurven für Rückverfolgbarkeit |
| Einsatzbereich | Entwicklung, Prozessabsicherung, Qualitätssicherung | Vom Prototyp bis zur Serienvalidierung |
Konkrete Anwendungsfälle im E-Antrieb
Gehäuseverschraubungen (Aluminium-Druckguss): Hier ist die Streckgrenze des Gehäusewerkstoffs oft der limitierende Faktor. Die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve zeigt, ob der Anzug im elastischen Bereich des Bauteils bleibt oder ob bereits Kriechverformung einsetzt - ein Effekt, der mit reiner Drehmomentkontrolle unsichtbar bleibt.
E-Motor-Verschraubungen (Stahl-Schrauben in Aluminium-Stator): Thermische Zyklen zwischen Kaltstart und Volllast erzeugen wiederkehrende Klemmkraftschwankungen. Die Analyse der Anzugskurve über mehrere Zyklen zeigt, ob die Verbindung stabil bleibt oder ob Nachziehen erforderlich ist.
Busbar-Verbindungen (Kupfer/Aluminium): Aufgrund der zunehmenden isolierenden Zwischenschicht fällt mehr Verlustleistung an. Dies hat wiederum eine Erhöhung der Wärmeentwicklung zur Folge. Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse erkennt, ob die Oxidschicht beim Anzug aufgebrochen wurde - erkennbar an einem charakteristischen Knick in der Kurve - und ob die erforderliche Kontaktkraft tatsächlich aufgebaut wurde.
Prozesssicherheit in der Serienfertigung
Die Analyse mit dem QUANTEC MCS® ist nicht nur ein Entwicklungswerkzeug. Sie liefert die Datenbasis für die Auslegung des Serienprozesses:
Aufnahme der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve an realen Bauteilen unter Serienbedingungen – mit allen Einflüssen aus Beschichtung, Oberflächenrauheit und Werkstoffpaarung.
Mehrfachmessungen zeigen die tatsächliche Streuung der Verbindung. Auf dieser Basis werden Toleranzfenster für den Serienprozess definiert – nicht auf Basis von Tabellenwerten.
Aus der Kurvenanalyse werden Anzugsmoment, Drehwinkelüberwachung und ggf. Nachziehintervalle abgeleitet. Bei Aluminium-Verbindungen ist die Drehwinkelüberwachung als zweite Steuergröße in der Regel unverzichtbar.
Alle Schraubkurven werden über QuanLabPro archiviert. Bei Feldauffälligkeiten lässt sich der Verbindungszustand zum Montagezeitpunkt lückenlos rekonstruieren.
Für Teams, die das QUANTEC MCS® zunächst projektbezogen einsetzen möchten, bietet GWK das GWK ToolRent® Mietsystem an - kalibrierte Geräte auf Abruf, wochen-, monats- oder jahresweise, mit weltweitem Versand.
Fazit
Aluminium-Schraubverbindungen im E-Antrieb sind kein Standardfall. Setzverhalten, Oxidschicht, niedrige Streckgrenze, unterschiedliche Wärmeausdehnung und Relaxation wirken zusammen - und keiner dieser Effekte ist mit einem Drehmomentschlüssel allein zu erfassen.
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse macht den Verbindungszustand sichtbar: Sie zeigt, ob die Klemmkraft tatsächlich aufgebaut wurde, ob das Bauteil im elastischen Bereich bleibt und ob die Verbindung über Temperaturzyklen stabil ist. Das QUANTEC MCS® mit festpunktloser Drehwinkelmessung bringt diese Analysefähigkeit direkt in die Entwicklung und Qualitätssicherung - kompakt, präzise und ohne Festpunkt.
Accuracy by GWK.
Warum ist das Setzverhalten bei Aluminium stärker ausgeprägt als bei Stahl?
Aluminium hat eine deutlich niedrigere Streckgrenze und höhere Kriechneigung als Stahl. Unter der Flächenpressung des Schraubenkopfes oder in der Gewindeaufnahme verformt sich das Material plastisch – die Kontaktflächen glätten sich stärker als bei Stahl, was zu einem höheren Vorspannkraftverlust führt.
Wie beeinflusst die Aluminium-Oxidschicht die Busbar-Verbindung?
Aluminium bildet innerhalb von Sekunden eine harte, elektrisch isolierende Oxidschicht. Wird diese beim Anzug nicht aufgebrochen, steigt der elektrische Übergangswiderstand – die Verbindung erhitzt sich unter Last. Die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve zeigt, ob die Oxidschicht beim Anzug durchbrochen wurde.
Was ist festpunktlose Drehwinkelmessung und warum ist sie im E-Antrieb relevant?
Bei der festpunktlosen Drehwinkelmessung wird der Drehwinkel direkt am Werkzeug erfasst – ohne externe Referenzpunkte oder Vorrichtungen. Im E-Antrieb sind viele Verbindungen in beengten Einbausituationen zugänglich, wo klassische Drehwinkelmessung mit Festpunkt nicht praktikabel ist.
Ab wann ist die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse gegenüber reiner Drehmomentkontrolle notwendig?
Immer dann, wenn Aluminium-Bauteile verschraubt werden, Mischverbindungen (z. B. Stahl/Aluminium oder Kupfer/Aluminium) vorliegen, Temperaturschwankungen von mehr als 50 °C im Betrieb auftreten oder die Verbindung sicherheitsrelevant ist (z. B. Hochvolt-Busbars). In diesen Fällen ist die Drehmomentkontrolle allein nicht ausreichend.
Kann das QUANTEC MCS® auch für die Serienvalidierung eingesetzt werden?
Ja. Das QUANTEC MCS® ist sowohl für die Entwicklung als auch für die Prozessabsicherung und Qualitätssicherung ausgelegt. Alle Schraubkurven werden über QuanLabPro archiviert und sind rückverfolgbar. Für projektbezogene Einsätze steht das GWK ToolRent® Mietsystem zur Verfügung.
