Leitfaden für die Konstruktion von Automobil-Sensorgehäusen: Werkstoffe, Wandstärken und Toleranzen

Nahezu jedes in der Serienfertigung befindliche Automobilsensor-Gehäuse ist eine tiefgezogene Edelstahlhülse. Dieser Leitfaden erläutert, was das für das Tiefziehen bedeutet: welche Güte für welchen Sensor geeignet ist, wie dünn eine gezogene Wand sein kann, welche Toleranzen darüber entscheiden, ob das Bauteil montierbar ist, und welche Konstruktionspunkte die meisten Ausschussfälle bei Sensor-Gehäusen verursachen. Er richtet sich an den Konstrukteur oder Einkäufer, der eine Gehäusezeichnung freigeben muss, und entspricht der Prüfung, die Balford im Rahmen des DFM durchführt.

Wenn Sie bereits eine Zeichnung haben,zur DFM-Prüfung weiterleitenund wir melden uns mit dem Material, der Ziehfolge und den Merkmalen, die überwacht werden müssen, zurück.

1. Was ein Sensor-Gehäuse leisten muss

Ein Sensorgehäuse ist kein Kosmetikteil. Seine Aufgabe ist mechanischer Natur und es wird an vier Kriterien gemessen:

Positionieren Sie das Sensorelement.Das Element muss bei jedem Teil über Millionen von Stückzahlen hinweg stets eine bekannte Position relativ zum Montagegewinde oder Ansatz einnehmen.
Abdichtung gegenüber dem Medium.Kühlmittel, Öl, Kraftstoff oder Abgas dürfen weder das Element erreichen noch am Gehäuse vorbei austreten.
Der Umgebung standhalten.Streusalz, Bremsstaub, Steinschlag, Glykol-Kühlmittel, Kraftstoffgemische, thermische Wechselbelastung und Vibrationen – über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
Realisieren Sie es mit einer Wandstärke, mit der der Sensorhersteller arbeiten kann.Dünne Wandstärken sind die Voraussetzung für einen leichten, schnell reagierenden Sensor – und zugleich das, was das Tiefziehen des Bauteils so anspruchsvoll macht.

2. Warum etwa 99 % der Automobil-Sensorgehäuse aus Edelstahl bestehen

Die Zahl ist nahezu universell, weil die Alternative auf vorhersehbare Weise versagt. Ein Gehäuse aus Kohlenstoffstahl muss beschichtet werden, um Kühlmittel und Streusalz zu überstehen; die Beschichtung hat eine Dickentoleranz, die sich zur Wandtoleranz addiert; die Beschichtung ist genau dort am dünnsten, wo es darauf ankommt – an Schnittkanten und Gewinden; und das Beschichten eines hochfesten Teils birgt das Risiko der Wasserstoffversprödung. Edelstahl ist über seinen gesamten Querschnitt korrosionsbeständig, sodass keines dieser Probleme auftritt.

Anforderung	Beschichteter Kohlenstoffstahl	Edelstahl
Korrosionsbeständigkeit	Nur bei intakter Beschichtung	Über den gesamten Wandquerschnitt
Dickentoleranz	Wandstärke + Beschichtung, zwei Toleranzen einzuhalten	Nur Wandstärke
Schnittkanten und Gewinde	Beschichtung am dünnsten, korrodiert zuerst	Unbeeinflusst
Wasserstoffversprödung	Risiko bei hochfesten Teilen nach der Beschichtung	Nicht zutreffend
Zusätzlicher Prozessschritt	Galvanische Beschichtung, zzgl. Fracht und Eingangsprüfung	Nur Passivierung
Einsatz bei Hochtemperaturabgas	Nicht geeignet	304 / 310S für Abgastemperaturen ausgelegt

3. Welche Edelstahlsorte für welchen Sensor

Bauart Sensor	Güteklasse	Grund
Sauerstoff / Lambda, vorgeschaltet	304, 310S	Bis zu 900 °C Abgastemperatur und Thermoschock beim Startvorgang
NOx	304, 310S	Hohe Temperaturen kombiniert mit saurem Kondensat
Abgastemperatur (EGT)	304, 316L, 310S	Dauerhafte Hochtemperaturbelastung bei Vibration
ABS / Raddrehzahl	304, 316L	Streusalz, Bremsstaub und Steinschlag; nicht magnetisch, um das Zielsignal nicht zu beeinträchtigen
Kühlmittel-/Wassertemperatur	Messing(C3604, C3771) oder Edelstahl 304 / 316L	Messing leitet Wärme etwa 10× schneller als Edelstahl, wodurch die Thermotasche schneller anspricht – sieheMessing-Gehäuse für TemperatursensorenEdelstahl übernimmt dort, wo Chloride oder aggressive Kühlmittel Messing ausschließen
Öl-/Kraftstoffdruck und Raildruck	304, 316L	Kraftstoff-, Öl- und Additivverträglichkeit unter Druck
Position, Geschwindigkeit, Nocken oder Kurbel (Magnetkreis)	430 / 1.4016	Ferritischer Edelstahl ist magnetisch und kann den Rückweg bilden

Magnetisch oder nichtmagnetisch ist eine Konstruktionsentscheidung, keine Kostenentscheidung.304 und 316L sind praktisch nichtmagnetisch und die richtige Wahl, wenn das Gehäuse ein Magnetfeld nicht beeinträchtigen darf. Wo das GehäuseistTeil des Magnetkreises, 430 ferritischer Edelstahl ist das Material – und dann muss die Zeichnung sowohl die magnetischen Eigenschaften als auch die Abmessungen berücksichtigen.

4. Grenzen für Wandstärke und Ziehverhältnis

Die meisten Automobilsensor-Gehäuse werden mit einer Wandstärke zwischen etwa0,3 mm und 1,0 mm, abhängig von Durchmesser, Güte und davon, ob die Wandstärke beim Tiefziehen gezielt reduziert wird.

Ausgangsblechdickewird durch die Festigkeit bestimmt, die das Gehäuse benötigt, nicht durch das Tiefziehen. Ein dünnerer Zuschnitt lässt sich leichter Tiefziehen, hält jedoch möglicherweise nicht das Gewinde oder die Dichtfläche.
Wandungsausdünnung
Das (Nachziehen) wird eingesetzt, wenn die Zeichnung eine dünnere Wandstärke als die des Rohlings verlangt. Fordern Sie es ausdrücklich an – ist es nicht spezifiziert, belässt ein Lieferant die Wandstärke in der Regel auf Rohlingdicke, und das Teil wird schwerer als in der Zeichnung vorgesehen.
Ziehverhältnisbestimmt die Anzahl der Ziehstufen. Edelstahl neigt zu schneller Kaltverfestigung, weshalb der erste Ziehzug in der Regel konservativer ausgelegt wird als bei Tiefziehen-Stahl, während die nachfolgenden Stufen geringere Umformgrade aufweisen.
Zwischenglühenist erforderlich, wenn die Sequenz den Enddurchmesser nicht erreichen kann, ohne dass das Material seine Umformgrenze überschreitet. Es handelt sich um einen Prozesskostenfaktor, der eingeplant werden sollte, anstatt erst beim Tryout entdeckt zu werden.
Der Radius ist wichtiger als die Tonnage.Ein enger Ziehradius konzentriert die Dehnung und führt zu Rissen in der geraden Wand; ein zu offener Radius verursacht Falten im Flansch. Das nutzbare Prozessfenster verengt sich, je stärker die Güte kaltverfestigt.

5. Toleranzen, die darüber entscheiden, ob das Gehäuse montierbar ist

Allgemeintoleranzen richten sich nach der Zeichnung. Wo die Zeichnung keine Angaben macht, arbeiten wir nach ISO 2768-m und kennzeichnen die Merkmale, die im DFM-Stadium eine engere Tolerierung erfordern. In der Praxis entscheiden fünf Merkmale darüber, ob ein Sensor-Gehäuse funktioniert:

Merkmal	Warum das wichtig ist	Wie es geprüft wird
Wandstärke	Festigkeit, Gewindetiefe, Gewicht und magnetische Eigenschaften	Außen- und Dreipunkt-Innenmessschrauben
Konzentrizität / Rundlauf	Das Element sitzt außeraxial, wenn Bohrung und Außendurchmesser nicht koaxial sind.	Konzentrizitätslehre
Gewindesteigung und Gewindeprüfung	Das Gehäuse muss in den Ansatz eingeschraubt werden und abdichten.	Gut-/Schlecht-Lehrdorne für Gewinde
Oberflächengüte der Dichtfläche	Die Dichtheit hängt von der Oberflächenbeschaffenheit ab, nicht nur von den Abmessungen.	Tragbares Oberflächenrauheitsmessgerät (Ra)
Längen und Stufentiefen	Legt fest, wie weit das Element in das Medium eintaucht	Digitale Tiefen- und Höhenmessgeräte

6. Konstruktionsmerkmale, die den meisten Ausschuss bei Sensor-Gehäusen verursachen

Ein Radius, der enger gezogen ist, als es die Güteklasse zulässt.Die mit Abstand häufigste Ursache für gerissene gerade Wände. Den Ziehradius vergrößern oder eine Stufe hinzufügen.
Eine Wandstärke, die angegeben wird, ohne zu sagen, wie sie erreicht wird.Wenn die Zeichnung eine Wandstärke von 0,4 mm aus einem 0,8 mm Rondenmaterial verlangt, muss „abgestreckt" (ironed) spezifiziert werden – andernfalls kommt das Teil mit 0,8 mm an.
Ein Gewinde, das an einer gezogenen Wand spezifiziert ist, die dafür zu dünn ist.Gewindeeingriff benötigt Material. Entweder die Wand lokal verdicken oder das Gewinde an ein spanend bearbeitetes Merkmal verlegen.
Eine Dichtfläche, wie gezeichnet belassen.Eine tiefgezogene Oberfläche ist in der Regel zu rau, um abzudichten; geben Sie die Oberflächengüte vor und lassen Sie den Fertigungsplan einen Bearbeitungs- oder Prägegang vorsehen.
Magnetische Anforderungen, die nach der Werkzeugherstellung auftreten.Wenn das Gehäuse Teil eines Magnetkreises ist, gehören die Werkstoffsorte und der Glühprozess zur Auslegung – sie sind keine nachträgliche Anpassung nach der Werkzeugerstellung.
Sauberkeits- und Gratgrenzen bleiben ungenannt.Sensorelemente reagieren empfindlich auf lose Partikel; geben Sie die Reinheitsanforderung in der Zeichnung an.

7. Was in der Zeichnung anzugeben ist

Werkstoffgüte sowie die Anforderung, ob das Gehäuse unmagnetisch oder magnetisch sein muss
Ausgangsblechdicke, finale Wandstärke und ob die Wand durch Kaltfließpressen (Ironing) verdünnt wird
Konzentrizität oder Rundlauf zwischen der Bohrung und dem Außendurchmesser
Gewindespezifikation und die verwendete Lehre
Oberflächengüte der Dichtfläche (Ra) und der abzudichtenden Oberfläche
Anforderungen an Sauberkeit und Gratfreiheit
Jegliche Anforderungen an Wärmebehandlung, Glühen oder Passivierung
Jahresvolumen und erwartete Losgröße – dies entscheidet, ob das Werkzeug als Folgeverbund-, Transfer- oder Einzeloperation-Werkzeug ausgelegt wird

Senden Sie die Zeichnung mit diesen Punkten, und die DFM-Prüfung kann spezifisch statt allgemein ausfallen. Balford verfügt über Presskapazitäten von 25 t bis 350 t, zieht bis zu Ø250 mm und fertigt seine Werkzeuge selbst, sodass die Rückmeldung eine Presse, ein Werkzeugkonzept und eine Stufenfolge enthält statt einer Fragenliste.

Häufig gestellte Fragen

Werden alle Sensorgehäuse aus Edelstahl gefertigt?

Rund 99 % der Automobil-Sensorgehäuse bestehen aus Edelstahl. Ausnahmen sind in der Regel Gehäuse, die keinem korrosiven Medium ausgesetzt sind, oder Messinggehäuse für Kühlmitteltemperatursensoren, bei denen das thermische und galvanische Verhalten akzeptabel ist. Aluminium wird für einige Drucksensorkörper verwendet, bei denen das Gewicht wichtiger ist als die Korrosionsreserve.

Kann ein Sensorgehäuse aus Edelstahl Tiefziehen statt spanend gefertigt werden?

Ja, und Tiefziehen ist bei hohen Stückzahlen in der Regel deutlich kostengünstiger. Ein tiefgezogenes Gehäuse bildet die Hülle in einem Stück – ohne Späne und ohne spanende Bearbeitung des Außenprofils; die Zerspanung beschränkt sich dann auf die Dichtfläche, das Gewinde oder eine Bohrung, die mit engerer Toleranz gehalten werden muss, als es die Umformung erreichen kann. Die Entscheidung hängt in der Regel vom Jahresvolumen und davon ab, wie eng die kritischen Durchmesser toleriert sind.

Wie dünn kann eine tiefgezogene Edelstahlwand sein?

Sensor-Gehäuse liegen üblicherweise bei einer Wandstärke von 0,3 mm bis 1,0 mm. Unterhalb von etwa 0,3 mm sind die limitierenden Faktoren die Handhabung, die Gewindeeingriffslänge und das Risiko, dass sich die Wand bei der Montage verformt, und nicht der Tiefziehprozess selbst.

Worin liegt der Unterschied zwischen 304 und 316L für ein Sensor-Gehäuse?

Beide sind austenitisch und nicht magnetisch. 316L enthält zusätzlich Molybdän, was die Beständigkeit gegen Chloride und einige Prozessmedien verbessert. Daher wird es bevorzugt, wenn das Gehäuse Streusalz, Salzsprühnebel oder aggressiver Kühlmittelchemie ausgesetzt ist. 304 ist für die meisten Kühlmittel- und Temperaturanwendungen ausreichend und kostengünstiger. Bei 316L erschwert der höhere Legierungsanteil zudem die Umformung etwas, was die Anzahl der Ziehstufen verändern kann.

Muss ein Sensorgehäuse aus Edelstahl passiviert werden?

Ja, wenn das Teil mit Werkzeugen aus Kohlenstoffstahl bearbeitet, geschliffen oder gehandhabt wurde. Die Passivierung entfernt freies Eisen von der Oberfläche, damit sich die Chromoxidschicht neu bilden kann, und sie ist es, die verhindert, dass aus einer kleinen Kontaminationsstelle ein Korrosionsloch wird.