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EFB-Forschungsbericht Nr. 237

Erarbeitung von Grundlagen für einen rechnerischen Festigkeitsnachweis von Clinchverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus-Jürgen Matthes, Dr.-Ing. Frank Riedel, Dipl.-Ing. Heiko Lang - Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz

172 Seiten (sw 90 Abb., 47 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-195-6

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 78,10

Zusammenfassung

Aufgrund zahlreicher vorteilhafter fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Verfahrensmerkmale wächst die Bedeutung mechanisch gefügter, punktförmiger Verbindungen in der Feinblech verarbeitenden Industrie. Vor allem in der Automobilindustrie haben sich mechanisch gefügte, punktförmige Verbindungen etabliert. Eines der dominierenden und vielfältig angewandten Verfahren der mechanischen Fügetechnik ist das Clinchen.

Ein wesentlicher Nachteil mechanisch gefügter, punktförmiger Verbindungen ist die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften ausschließlich mittels Höchstkräften, z. B. der Höchstscherzugkraft, die auf eine einzelne Verbindungsstelle, nicht jedoch in Form von Spannungen auf die gesamte Verbindungsnaht bezogen werden. Im Gegensatz zu Grundwerkstoffen oder geschweißten Bauteilen ist es dem Konstrukteur, dem numerische Simulationen (FEM) nicht zur Verfügung stehen, bisher nicht möglich, die Festigkeit von Nähten aus mechanisch gefügten, punktförmigen Verbindungen rechnerisch nachzuweisen.

Der Abschlussbericht beschreibt eine allgemein anwendbare Methode auf analytischer Basis, d. h. ohne Notwendigkeit numerischer Berechnungen, um Clinchverbindungen mittels mechanischer Spannungen zu berechnen. Diese neuartige Methode fasst die einzelnen, punktförmigen und mechanisch belasteten Verbindungen als Verbindungsnaht auf, wie dies für Schweißverbindungen der Fall ist. Es wurden Überlapp-Proben aus unterschiedlichen Aluminiumwerkstoffen (AlMg3 W19, Einzel-Blechdicke t = 1,2 mm, AlMgSi1F28, t = 3,0 mm) und Stahlwerkstoffen (DC04, t = 1,0 mm; ZStE3 40, t = 1,5 mm, and S355J2G3C, t = 2,5 mm) mit jeweils 1 bis 4 Clinchverbindungen gefertigt. Weiterhin wurden die Überlapplänge und die Verbindungsabstände sowie die Clinch-Systeme (TOX ® , Böllhoff RIVCLINCH ® , and BTM Tog-L-Loc ® ) variiert. Die Höchstscherzugkräfte als Ausgangspunkt zur Bestimmung der zugehörigen Spannungen wurden experimentell im quasistatischen Scherzugversuch ermittelt.

Die Beanspruchung einer einzelnen Clinchverbindungen kann durch eine Spannung, die die Beanspruchbarkeit des zugehörigen Nahtabschnittes repräsentiert, ersetzt werden. Diese Beanspruchung wird als Grenznahtfestigkeit bezeichnet. Die Grenznahtfestigkeit kann in sog. Grenznahtkurven in Anhängigkeit von dem Verbindungsabstand aufgetragen werden, wobei der Kurvenverlauf besonders von der Werkstoffklasse (Aluminium oder Stahl) abhängt. Die einzelnen Schritte des Festigkeitsnachweises unter Verwendung von Grenznahtkurven werden dargestellt, wodurch dem Konstrukteur eine einfache und praktikable Möglichkeit gegeben wird, mechanisch gefügte, punktförmige Verbindungen zu berechnen. Die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Verbindungen werden erweitert. Die Nachweismethode kann bisher für Stahl- und Aluminiumkonstruktionen genutzt werden.

Weiterhin kann der Verbindungsabstand innerhalb der Naht entsprechend der lokalen Verteilung der Beanspruchungen optimiert, d. h. beanspruchungsgerecht bestimmt, werden. Erste Untersuchungen zur Prüfung des Festigkeitsnachweises erfolgten an bauteilähnlichen Proben. Es wurden sowohl Proben mit konstanten Verbindungsabständen als auch Proben mit gemäß des Festigkeitsnachweises optimierten und damit beanspruchungsgerechten Verbindungsabständen mit Clinchverbindungen der Systeme TOX ® sowie Böllhoff RIVCLINCH ® gefertigt. Die zu erwartenden, ertragbaren Belastungen wurden berechnet. Die Clinchverbindungen wurden durch aufgebrachte Belastungen auf Scherzug beansprucht. Die errechneten als auch die im Bauteiltest maximal erreichten Belastungen der Proben mit optimierten Verbindungsabständen übertrafen die entsprechenden Ergebnisse der Proben mit konstanten Verbindungsabständen.

Für die Anwendung des Festigkeitsnachweises bestehen ausgedehnte Möglichkeiten, z. B. für den Bau von Regalsystemen und Transportbehälter, die Bauindustrie, den Metall- und Anlagenbau, die Haushaltgeräteindustrie sowie die Lüftungs-, Klima- und Heizungstechnik.

Das Forschungsvorhaben "Erarbeitung von Grundlagen für einen rechnerischen Festigkeitsnachweis von Clinchverbindungen" wurde unter der Fördernummer AiF 13176BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. Der Abschlußbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 237 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Überblick zum Stand der Technik
2.1 Allgemeines
2.2 Festigkeitsnachweis von metallischen Grundwerkstoffen
2.3 Festigkeitsnachweis von Verbindungen
2.3.1 Allgemeines
2.3.1.1 Klassifizierung von Verbindungen mittels geometrischer Erstreckung
2.3.1.2 Nicht punktförmige Verbindungen am Beispiel linienförmiger
Schmelzschweißverbindungen
2.3.1.3 Punktförmige Verbindungen
2.4 Bewertung von Nachweisverfahren
3 Zielstellung des Forschungsvorhabens
4 Experimentelle Ermittlung der Scherzugfestigkeit an Flachproben
4.1 Versuchsplanung
4.1.1 Allgemeines
4.1.2 Grundwerkstoffe
4.1.3 Probengeometrie
4.1.4 Clinchsystem und Probenfertigung
4.2 Versuchsdurchführung
4.3 Ergebnisse
4.3.1 Grundwerkstoffproben
4.3.2 Flachproben, geclincht
5 Grenznahtfestigkeiten
5.1 Allgemeines
5.2 Abbildung von Grenznahtfestigkeiten
5.3 Grenznahtfestigkeiten von Clinchverbindungen
5.4 Nominelle Grenznahtkurven
5.4.1 Grundlagen
5.4.2 Ansätze zur Bestimmung der nominellen Grenznahtkurve
5.4.3 Nominelle Grenznahtkurven realer Clinchverbindungen
6 Beispiel für Anwendung des Festigkeitsnachweises
6.1 Eingangsinformationen und prinzipieller Ablauf
6.2 Beispielhafte Anwendung
7 Bemessung und Festigkeitsnachweis an bauteilähnlichen Proben
7.1 Allgemeines
7.2 Voruntersuchungen
7.2.1 Flachproben mit erhöhter Anzahl der Verbindungen
7.2.2 Proben mit nicht konstantem Spannungsverlauf über die Nahtlänge
7.3 Rechnerische Bemessung
7.3.1 Untersuchungsgegenstand
7.3.2 Konventioneller Berechungsansatz
7.3.3 Optimierter Berechnungsansatz mittels rechnerischen Festigkeitsnachweises
7.3.4 Vergleich der Berechnungsansätze
7.4 Experimentelle Untersuchung
7.5 Bewertung des rechnerischen Festigkeitsnachweises
8 Anwendungsgebiete und Anwendungsgrenzen des Festigkeitsnachweises
8.1 Randbedingungen und Einflusskriterien
8.2 Nahtförmiger Charakter der Verbindungsanordnung
8.3 Kombination unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Blechdicken
8.4 Prädestinierte Anwendungsgebiete
8.5 Anwendungsbedingungen
8.6 Übertragung auf andere punktförmige Verbindungen
9 Zusammenfassung
10 Literatur
Anhang A1 Umschlüsselung von Werkstoffbezeichnungen
Anhang A2 Höchstscherzugkräfte von Flachproben
Anhang A3 Nominelle Grenznahtkurven
Anhang A4 Eingangsgrößen und Ergebnisse der Berechnung punktförmiger Verbindungen nach dem Ip-Verfahren (Anordnung von Verbindungen mit gleichmäßigem Verbindungsabstand)
Anhang A5 Eingangsgrößen und Ergebnisse der Berechnung punktförmiger Verbindungen nach dem im Forschungsvorhaben entwickelten Festigkeitsnachweis
Anhang A6 Zeichnungen zu bauteilähnlichen Proben