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EFB-Forschungsbericht Nr. 380

Einfluss der Mittelspannung auf die Schwingfestigkeit mechanisch gefügter Verbindungen

efb380

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Wirt.-Ing. Frederik Bröckling, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

108 Seiten (sw, 85 teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-423-0

Preis (Digital) EUR 54,40

Preis (Print) EUR 68,00

Zusammenfassung

Im Fahrzeugbau werden gefügte Bauteile im Betrieb in der Regel einer periodisch wiederkehrenden Last in Kombination mit einer statischen Last ausgesetzt. Dabei genügt im Sinne der Auslegung nicht die getrennte Betrachtung der statischen Festigkeit und der Schwingfestigkeit. Der allgemeine Zusammenhang zwischen der statischen Mittellast und der ertragbaren Lastamplitude kann zum Beispiel durch ein Haigh-Diagramm angegeben werden.

Bei Verbindungen ist jedoch nicht allein das Werkstoffverhalten bei unterschiedlichen Mittelspannungen auf die Festigkeit von Verbindungen unter entsprechender Belastung übertragbar. Die Art des Schlusses (Kraft-, Form- oder Stoffschluss), das Werkstoffverhalten und die vorliegenden Eigenspannungen bestimmen vielmehr die Eigenschaften des Verbundes.

In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Forschungsprojekte zur Schwingfestigkeit von mechanisch gefügten Verbindungen/Bauteilen durchgeführt. Hierbei wurden jedoch ausschließlich Werte für die zyklische Festigkeit im Zugschwellbereich (R = 0,1) ermittelt.
Die Berücksichtigung einer Zug-Druck-Belastung (R = -1) sowie der Festigkeit bei erhöhter statischer Mittellast (z.B. R = 0,5) ist im Sinne einer Auslegung mit Berücksichtigung der Mittelspannungsempfindlichkeit von Verbindungen von großem Interesse, da in der Praxis aus verschiedenen Gründen unterschiedliche Verhältnisse von statischer zu zyklischer Last vorliegen.

Zu dieser Thematik liegen jedoch nur wenige Daten z.B. von Widerstandspunktschweißverbindungen oder Stichprobenversuchen an Stanznietverbindungen vor. Die Mittelspannung ist als ein wichtiger Einflussfaktor bei der Auslegung von mechanisch gefügten Bauteilen einzuschätzen, für die in der Literatur keine ausreichende Datenbasis zu finden ist.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die Mittelspannungsempfindlichkeit mechanisch gefügter Verbindungen im Hinblick auf die konstruktive Auslegung charakterisiert. Bestandteil dieses Vorhabens war die Bestimmung der Mittelspannungsempfindlichkeit für Halbhohlstanzniet- und Blindnietverbindungen und die Ermittlung des Einflusses der Verbindungsschlussart. Die Ergebnisse wurden im Folgenden den Werten der Grundwerkstoffe gegenübergestellt und systematisch Zusammenhänge ermittelt. Ebenso wurden unterschiedliche Ansätze zur funktionalen Beschreibung des Zusammenhangs von statischer Mittelspannung und zyklischer Spannungsamplitude verwendet und auf ihre Anwendbarkeit bei mechanisch gefügten Verbindungen überprüft.

Hierbei konnten teils Zusammenhänge zwischen dem mittelspannungsabhängigen Schwingfestigkeitsverhalten des Grundwerkstoffs und der Fügeverfahren ermittelt sowie Hinweise zur Konstruktion und Auslegung zyklisch belasteter, mechanisch gefügter Verbindungen gegeben werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Einfluss der Mittelspannung auf die Schwingfestigkeit mechanisch gefügter Verbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16527N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 380 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In the vehicle construction joined components when they are used are exposed as a general rule to a periodic recurrent load in combination with a static load. In the sense of interpretation, the separate consideration of the static strength and the fatigue strength is not adequate. The general correlation between the static mean load and the sustainable load amplitude can be stated for example in a Haigh-diagram.

In particular, the behaviors of the material of connections with various mean stresses are not transferable to the strength of connections under corresponding load. The different type of fits (form-fit, force fit, material closure), the behavior of the material and the existing residual stresses determine the strength of the composite.

Through trials in the past, it has been recognized that different research projects fatigue the strength of mechanical joined connections/components. In these trials, exclusive values were determined for the pulsating range (R= 0,1) [e.g. HaHe08, HaKuJe99, HaMeCh03, Hah02, Meh04]. With the consideration of the compressive and the tensile load (R= -1) as well as the strength with increased static mean load, it is in the sense of interpretation under the consideration of mean stress susceptibility from connections of high interests. In practice, due to various reasons there exist different conditions of static to cyclic load.

With this there is only little data available for example resistance spot welding connections or trials for samples on riveted joints. [NiDiWo03, SoWaEi03, HanHa0][SoWaEi03]. The mean stress has to rate high as an important factor of influence at the design of the mechanical joined connections, for which there is no adequate data available in literature.

This research project is characterized by the mean stress susceptibility of mechanical joined connections with a focus on structural design. The determination of the mean stress susceptibility for self-piercing rivet and blind rivet connections and the analysis on the impact of fitting-types are also part of the project. The results in the following were compared to the values of the basic materials and coherences were methodically determined.

In addition, different techniques were used to determine the functional description of coherences from static mean stress and cyclic stress amplitude and were checked on their applicability with mechanical joined connections. With these tests coherences could be determined between mean stress addicted fatigue strength behavior of the basic material and the bonding techniques, as well as indicating the construction and interpretation from cyclic loaded mechanical joined connections.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen und Abkürzungen
1    Zusammenfassung
2    Einleitung
3    Zielsetzung
4    Stand der Technik
4.1    Schwingfestigkeit von Verbindungen
4.2    Einfluss der Mittelspannung auf Werkstoffe und Verbindungen
4.3    Auslegungsverfahren
4.3.1    Eurocode
4.3.2    FKM-Richtlinie
5    Fügeverfahren, Fügeteile und Prüfeinrichtungen
5.1    Fügeteilwerkstoffe
5.1.1    DX51D+Z 275NA
5.1.2    EN AW-6181A T4
5.2    Fügeverfahren
5.2.1    Halbhohlstanznieten
5.2.2    Blindnieten
5.2.3    Widerstandspunktschweißen
5.3    Verwendete Probengeometrien
5.3.1    Flachschulterprobe
5.3.2    Einfach überlappte Scherzugprobe
5.3.3    LWF-KS-2-Probe
5.4    Prüfeinrichtungen
5.4.1    Quasistatisch-zügige Untersuchungen
5.4.2    Schwingfestigkeitsuntersuchungen
6    Versuchsergebnisse
6.1    Versuche unter quasistatisch-zügiger Beanspruchung
6.1.1    Quasistatisch-zügige Versuche an Flachschulterproben der Versuchswerkstoffe
6.1.2    Quasistatisch-zügige Versuche an artgleich gefügten Proben aus DX51D+Z 275NA   
6.1.3    Quasistatisch-zügige Versuche an artgleich gefügten Proben aus EN AW 6181A T4   
6.2    Versuche unter zyklischer Beanspruchung
6.2.1    Zyklische Versuche an Flachschulterproben
6.2.2    Zyklische Versuche an gefügten Flachproben
6.2.3    Zyklische Versuche an gefügten LWF-KS-2-Proben
6.3    Vergleich und Diskussion der Versuchsergebnisse
7    Darstellung des Mittelspannungseinflusses
7.1    Haigh-Diagramme zu den Versuchsergebnissen
7.1.1    Haigh-Diagramme zu den Versuchswerkstoffen
7.1.2    Haigh-Diagramme zu gefügten Proben aus DX51D+Z 275NA
7.1.3    Haigh-Diagramme zu gefügten Proben aus EN AW-6181A T4
7.2    Vergleich und Diskussion der Ergebnisse
8    Konstruktionshinweise
9    Ergebnisse
10    Abbildungsverzeichnis
11    Tabellenverzeichnis
12    Literaturverzeichnis