Besonders im Hochvolt-Bordnetz moderner Elektrofahrzeuge gewinnt das Thema Potentialausgleich an Bedeutung. Werden elektrische Ströme nicht korrekt geführt, besteht im Schadensfall die Gefahr von lebensgefährlichen Fehlerströmen, die durch ungewollte Berührung von Hochvoltkomponenten mit der Fahrzeugkarosserie entstehen können. Eine zuverlässige Auslegung dieser Verbindungen ist daher essenziell für die Sicherheit von Fahrzeuginsassen und Servicetechnikern.

Schraubenverbindungen als integrale Lösung

Um die Anzahl separater Potentialausgleichsverbindungen wie Massekabel zu reduzieren, wird verstärkt auf bestehende Schraubenverbindungen zur Übertragung elektrischer Ströme gesetzt. Während Schrauben bisher hauptsächlich mechanische Aufgaben erfüllten, müssen sie nun zusätzlich elektrische Leitfähigkeit gewährleisten. Dies stellt hohe Anforderungen an die Beschichtung der Schrauben, da diese einerseits vor Korrosion schützen und Montageeigenschaften wie optimale Reibungsverhältnisse oder Mehrfachmontierbarkeit erfüllen muss, andererseits aber den elektrischen Widerstand minimieren soll.

Die Herausforderung liegt in der Balance zwischen diesen gegensätzlichen Anforderungen. Konventionelle Beschichtungen wurden primär auf Langlebigkeit und Schutz vor Umweltfaktoren ausgelegt, wodurch sie oftmals hohe elektrische Widerstände aufweisen. Um diesem Problem zu begegnen, hat ABC Umformtechnik die „CORROLUBE Electrify“ entwickelt. Dieses innovative Beschichtungssystem verbindet mechanische Stabilität mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und erfüllt damit alle relevanten Anforderungen.

Sicherstellung der elektrischen Leitfähigkeit

Neben der Beschichtung spielt auch die Schraubengeometrie eine entscheidende Rolle. Moderne Schrauben für den Einsatz im Potentialausgleich sind oft mit speziellen Funktionen ausgestattet, um elektrische Kontakte zwischen Bauteilen sicherzustellen.

• Selbstfurchende Gewindegeometrien: Diese ermöglichen das eigenständige Formen des Gewindes in der Gegenseite und verbessern den elektrischen Kontakt im Vergleich zu rein metrischen Schrauben-Mutter-Verbindungen ohne weitere kontaktierenden Features. Weiterhin entfällt zudem die Notwendigkeit eines Gewindeschneidens im Bauteil, wodurch der Herstellprozess vereinfacht wird, jedoch sind enge Toleranzen der Vorlochgeometrie einzuhalten.

• Dichtmittelanwendungen: Verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit und verbessern die Langzeitstabilität der Verbindung. Besonders in Anwendungen mit hohen Temperaturschwankungen, wie der Batterieumgebung.

• Durchbrechen von Isolationsschichten: In der Automobilbranche werden Karosseriekomponenten oft mit kathodischer Tauchlackierung (KTL) vor Korrosion geschützt. Diese Beschichtung wirkt elektrisch isolierend und kann den Stromfluss verhindern. Um die elektrische Leitfähigkeit dennoch sicherzustellen, werden Schrauben mit speziellen kontaktierenden Features im metrischen Gewinde (z. B. ABC ECTF), unter dem Schraubenkopf (z. B. ABC ECHF) oder an einer evtl. vorhandenen Unterlegscheibe (z.B. ABC ECWF) ausgestattet. Diese durchbrechen die Lackschicht bei der Montage und stellen eine leitfähige Verbindung her.

Hauseigene Prüfmethodik

Um sowohl die Verschraubungseigenschaften als auch die elektrischen Übergangswiderstände solch innovativer Verbindungslösungen effizient erfassen zu können, hat die ABC Umformtechnik einen eigenen Prüfstand entwickelt, den „ABC PERT“ (Preload Electrical Resistance Testbench). Mit dessen Hilfe können Parameter wie das Montagedrehmoment, die erreichte Vorspannkraft, die Reibwerte und alle lokalen Übergangswiderstände sowie den gesamten Verbindungswiderstand in einem Prüfaufbau ermittelt werden. Die Messung kommt dabei ohne jegliche Präparation der zu prüfenden Schrauben aus, was die Entwicklungsarbeit beschleunigt und serienbegleitende Prüfungen effizient ermöglicht.

Vorteile für Automobilhersteller und Zulieferer

Der Einsatz leitfähiger Schraubenverbindungen bietet mehrere Vorteile:

1. Gewichts- und Kosteneinsparung: Durch den Verzicht auf separate Massekabel werden Material- und Montagekosten gesenkt. Zudem reduziert sich das Fahrzeuggewicht, was sich positiv auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen auswirkt.

2. Optimierter Montageprozess: Die Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte in der Produktion wird reduziert, was die Taktzeit in der Fertigung verkürzt und die Effizienz steigert.

3. Erhöhte Nachhaltigkeit: Weniger Bauteile bedeuten weniger Ressourcenverbrauch und eine geringere Umweltbelastung. Die Reduzierung von Produktionsschritten und Materialien trägt direkt zur Senkung des CO2-Fußabdrucks bei.

4. Erhöhte Zuverlässigkeit: Da die elektrische Verbindung in die mechanische Schraubenverbindung integriert ist, entfällt das Risiko loser oder fehlerhaft montierter Massekabel. Dies erhöht die Langzeitstabilität der elektrischen Systeme.

Schlüsselfaktor für die Zukunft der E-Mobilität

Die Elektrifizierung der Mobilität bringt neue Herausforderungen mit sich, die innovative Lösungen erfordern. Schraubenverbindungen mit optimierter Leitfähigkeit leisten einen wesentlichen Beitrag zur funktionalen und wirtschaftlichen Gestaltung von Hochvolt-Bordnetzen. Sie verbessern nicht nur die Sicherheit, sondern tragen auch zur Effizienzsteigerung und Nachhaltigkeit bei. In einer Zeit, in der Fahrzeughersteller strenge Umweltvorgaben erfüllen müssen, können diese innovativen Verbindungselemente einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bieten.

Die Autoren

Lennart Köhler, F&E ABC Umformtechnik: Ansprechpartner bei der ABC Umformtechnik für alle Themen rund um elektrisch leitende Schraubenverbindungen. Aktuelle Themen beinhalten die Weiterentwicklung der CORROLUBE Electrify Beschichtung, Betrachtung der Alterung von elektr. leitenden Schraubenverbindungen sowie die Definition von Prüfvorschriften zur Sicherstellung serienreifer Anwendungen.

Dr. Daniel Koch, Leiter F&E ABC Umformtechnik: Die F&E Abteilung teilt sich auf in die Fachbereiche Oberflächenentwicklung, Betriebsfestigkeit und -sicherheit sowie Prüftechnik und -methoden rund um dynamisch belastete Schraubenverbindung.