Im klassischen Verbrennerfahrzeug übernehmen Verbindungselemente vor allem die Funktion des strukturellen Zusammenbaus. Im Elektrofahrzeug hingegen rücken die Drei-Elektrik-Systeme die Verbindungselemente in die Position von Sicherheitsbauteilen: Das Batteriepack muss wasser- und staubdicht sein, die E-Maschine dauerhaft bei hohen Temperaturen laufen, die Steuerung permanenter Schwingung und Spannungsspitzen standhalten. Diese Betriebsverhältnisse stellen an Festigkeitsklasse, Korrosionsbeständigkeit, Losdrehsicherung und Drehmomentkonstanz der Schrauben weit höhere Anforderungen als an gewöhnliche Karosserieteile. Fahrzeughersteller binden Zulieferer generell in das Automobil-Qualitätsmanagementsystem IATF 16949 ein und legen in den technischen Teilspezifikationen für kritische Verbindungspunkte gesonderte Werte für Drehmoment, Losdrehsicherung und Salznebelprüfung fest.

Warum die Drei-Elektrik-Systeme Verbindungselemente anders behandeln

Der wesentliche Unterschied zwischen Drei-Elektrik-Verbindungen und gewöhnlichen Karosserieverbindungen liegt in der Vervielfachung der Versagensfolgen. Eine gelöste Innenraumschraube erzeugt allenfalls Nebengeräusch; eine gelöste Hochspannungsverbindung im Batteriepack hingegen kann Lichtbögen ziehen, Überhitzung verursachen und sogar einen thermischen Durchgang auslösen. Daher müssen Drei-Elektrik-Schrauben bereits in der Entwurfsphase drei Fragen beantworten: Löst sich die Verbindung innerhalb der Lebensdauer, hält der Korrosionsschutz 15 Jahre Fahrzeugeinsatz, und bleibt das Drehmoment in der Serienfertigung konstant. Aus diesem Grund werden für kritische Drei-Elektrik-Schrauben generell legierte Stähle der Klasse 10.9 bis 12.9 gewählt und mit Losdreh- und Korrosionsschutzverfahren kombiniert – statt einfache Normteile der Klasse 8.8 zu verwenden.

Hinzu kommt die Dichtheitsanforderung: Das gesamte Hochvoltnetz muss vor Feuchtigkeit, Straßenspritzwasser und Kondenswasser geschützt bleiben. Bereits eine undichte Deckelverschraubung kann entlang des Schraubschafts Feuchtigkeit in das Packinnere tragen und dort Kriechströme oder Korrosion an blanken Kupferschienen auslösen. Deshalb werden Dichtverschraubungen und abgedichtete Befestigungspunkte dort, wo die Schutzart IP67 oder höher gelten soll, von vornherein in die Zeichnung eingeplant.

Batteriesystem: Das Szenario mit der höchsten Sicherheitsreserve

Das Batteriepack ist die Baugruppe der Drei-Elektrik mit den strengsten Anforderungen an Verbindungselemente. Gemäß GB 38031-2020 „Sicherheitsanforderungen an Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge“ und GB/T 31467.3 muss das Batteriepack eine Reihe von Sicherheitstests wie Schwingung, Schock sowie Temperatur-Feuchte-Wechsel durchlaufen. Im Wesentlichen prüfen diese Tests die Langzeitzuverlässigkeit des gesamten Verbindungssystems. In der Praxis wird mit dreifacher Redundanz gearbeitet: Man wählt Schrauben mit integrierter Losdrehsicherung oder Sicherungsscheiben, zieht an Hochspannungspunkten das vorgeschriebene Drehmoment auf und setzt Markierlinien, sowie man realisiert bei Deckel und Gehäuse eine kombinierte Dicht- und Korrosionsschutzbauweise.

Bei Sammelschienenverbindungen muss zudem der Übergangswiderstand beherrscht werden: Zu wenig Drehmoment erhöht den Übergangswiderstand und die Erwärmung; zu viel Drehmoment beschädigt flexible Strombrücken. Das Drehmomentfenster muss daher in der Teilezeichnung fest verankert werden. Gerade an Kupfer-Aluminium-Verbindungen treten durch die unterschiedliche elektrochemische Potentiallage und Temperaturwechsel Mikrobewegungen auf, die ohne Losdrehsicherung binnen weniger tausend Betriebsstunden zu einem deutlichen Drehmomentabfall führen können.

E-Maschine und Steuerung: Befestigen unter Hitze und Schwingung

Die Antriebsmaschine erreicht unter hoher Last an Wicklung und Gehäuse Temperaturen von über 120 °C. Die Schrauben von Lagerschild und Stator müssen in diesem Temperaturbereich die Klemmkraft halten, ohne dass es zu Spannungsrelaxation kommt. In der Praxis wählt man legierte Stähle mit guter Warmfestigkeit und verifiziert den Klemmkrafterhalt durch Wärmealternversuche. Gleichzeitig werden die Gewindepaarungen mit Fressschutzbeschichtungen versehen, um Kaltverschweißen zwischen Edelstahl- oder verzinkt-buntchromatierten Schrauben bei wiederholtem Ein- und Ausbau zu vermeiden.

Das Steuerungsgehäuse hingegen steht permanent unter Fahrbahnschwingung der gesamten Baugruppe. Die Schraubverbindung braucht hier wirksame Losdrehsicherung und muss die durchgehende Erdung des Gehäuses gewährleisten, damit die Schirmschicht durch Schwingung keine veränderlichen Übergangswiderstände aufbaut. Ein hoher und schwankender Erdungsübergangswiderstand stört die EMV-Verhalten und kann sich als sehr schwer auffindbare Störung in der gesamten Ansteuerung auswirken.

Werkstoff und Korrosionsschutz: Zink-Nickel, Kontaktkorrosion und Wasserstoffversprödung

Drei-Elektrik-Gehäuse bestehen überwiegend aus Aluminium-Druckguss und Aluminium-Abdeckplatten. Verwendet man unmittelbar kohlenstoffstahlverzinkte Schrauben, liegt zwischen Stahl und Aluminium ein deutliches Potentialgefälle vor, und es entsteht in feucht-warmem Klima leicht Kontaktkorrosion. Der branchenübliche Weg besteht in der Zink-Nickel-Legierungsbeschichtung für hochfeste Schrauben; der Überzug erreicht im neutralen Salznebel mehrere hundert Stunden und wird durch eine Nachversiegelung weiter verbessert. An Stellen, die mit Magnesiumlegierung in Berührung kommen, bevorzugt man Aluminiumschrauben oder isolierende Trennlösungen, um die Kontaktkorrosion auf Ebene der Potentialanpassung von vornherein auszuschließen.

Besondere Vorsicht gilt bei hochfesten Stählen ab Klasse 10.9: Während des Galvanikprozesses besteht das Risiko der wasserstoffinduzierten verzögerten Rissbildung. Die Schrauben müssen daher prozessgerecht bei erhöhter Temperatur vom Wasserstoff getrieben werden, und sowohl Schichtdicke als auch Wasserstoffversprödungsprüfung sind zu verifizieren. Wird dieser Schritt ausgelassen, kann eine hochfeste Schraube scheinbar ohne Vorwarnung brechen – ein Fehler, der in der Sicherheitsprozesskette eines Elektrofahrzeugs nicht tolerierbar ist.

Anziehen und Prozesssteuerung: Drehmoment-, Drehwinkelverfahren und K-Faktor

Dasselbe Drehmoment kann auf Schrauben mit unterschiedlichen Reibbeiwerten eine Vorspannung erzeugen, die sich um das Doppelte unterscheidet. Kritische Drei-Elektrik-Verbindungen verwenden deshalb überwiegend das Drehwinkel- oder das Streckgrenzen-Verfahren und nicht das reine Drehmomentverfahren. Durch Chargenverwaltung des Drehmomentbeiwerts K wird die Streuung des Reibbeiwerts im Entwurfsbereich gehalten. Vor Serienanlauf ist ein Drehmoment-Klemmkraft-Versuch durchzuführen, um zu bestätigen, dass die Vorspannung im vorgeschriebenen Drehmomentband innerhalb des Auslegungsfensters liegt; auf der Linie werden die Anzugswerkzeuge turnusmäßig kalibriert. Dieser Schritt erscheint aufwändig, ist aber der entscheidende Hebel, um die „Konstruktionsvorspannung“ tatsächlich am Produkt abzubilden.

Auswahlempfehlungen und Abnahmekriterien

Die Auswahl der Drei-Elektrik-Verbindungselemente lässt sich in prüfbare Kontrollpunkte fassen:

• Festigkeitsklasse: Für Hochspannungsverbindungen des Packs und Lagerschilde der E-Maschine Klasse 10.9 oder höher; für gewöhnliche Deckel und Halterungen reicht 8.8.
• Korrosionsschutz: Außenbereiche und Drei-Elektrik-Gehäuse bevorzugt Zink-Nickel + Versiegelung; an Magnesiumkontakten auf Aluminiumschrauben oder isolierende Trennung wechseln.
• Losdrehsicherung: An Schwingungspunkten Sicherungsscheiben wirksamer Art oder selbstsichernde Muttern einsetzen und den Drehmomentabfall nach dem Schwingversuch prüfen.
• Prozess: Kritische Schrauben im Drehwinkelverfahren anziehen, Drehmomentkurve speichern, K-Wert chargenweise verwalten und Drehmoment-Klemmkraft-Versuch durchführen.
• Verifikation: Nach GB 38031 und GB/T 31467.3 Schwingung sowie Temperatur-Feuchte-Wechsel durchführen und danach Drehmoment sowie Aussehen erneut prüfen.