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EFB-Forschungsbericht Nr. 543

Gewindeeinsätze für Leichmetallverschraubungen

efb-543

Verfasser:
Dr.-Ing. Christian Denkert, M.Sc. Jörg Ganschow, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock

272 Seiten (sw, 63 teils farbige Abb., 66 Tab., Anhang)

ISBN: 978-3-86776-600-5

Preis (Digital) EUR 93,00

Preis (Print) EUR 117,00

Zusammenfassung

Das vorliegende Forschungsvorhaben behandelt die systematische experimentelle Ermittlung axialer Tragfähigkeiten für selbstschneidende Gewindeeinsätze (SSG) in den Abmessungen M20 und M24 für den Einsatz in Leichtmetallen.

Die Tragfähigkeiten werden darüber hinaus mit Untersuchungen für Drahtgewindeeinsätze gleicher Abmessung ergänzt. Aus den Ergebnissen wird der Einfluss der Konstruktionsparameter wie Randabstand, Einschraubtiefe, Durchgangslochdurchmesser sowie der Werkstofffestigkeit abgeleitet. Als Zielstellung soll das Konstruktionsprinzip der abgestimmten Tragfähigkeiten auch für SSG gewährleistet sein.

Gleichwohl wird die numerische Simulation für axial belastete Gewindeeinsätze erfolgreich anhand der experimentellen Werte validiert. Damit liegt einerseits die Auszugtragfähigkeit für verschiedene Kombinationen an Konstruktionsparametern und andererseits die Lastverteilungen über die tragenden Gewindegänge als Ergebnis vor. Die Auszugtragfähigkeit wird praxisnah anhand eines Tangentenkriteriums aus der numerischen Simulation bestimmt.

Dabei konnte gezeigt werden, dass die hierdurch ermittelten Traglasten in der Simulation kein Bruchkriterium bedürfen, womit auf eine zusätzlich umfangreiche Parametrisierung der Bruchkriterien verzichtet werden kann. Vergleichende Berechnungen zur Einschraubtiefe der SSG verdeutlichen eine hinreichend genaue analytische Ermittlung der axialen Tragfähigkeiten.

Um die Anwendungsmöglichkeiten der SSG auf den Einsatz in Aluminiumlegierungen auszudehnen, werden ergänzende experimentelle Untersuchungen zum Vorspannkraftverlust durchgeführt.

Im Vergleich zu Verschraubungen in geschnittenen metrischen ISO-Gewinden konnten hierbei keine signifikanten Vorspannkraftverluste oder -änderungen infolge Setzen oder Relaxation für die SSG beobachtet werden. Zusätzlich wird die Mehrfachverschraubung mit SSG für Reparatur und Instandhaltung betrachtet.

Hierfür liegen praxisgerechte Erkenntnisse zum Mit- oder Herausdrehen der SSG im Sinne aktueller Regelwerke beim Anziehen vor

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Gewindeeinsätze für Leichmetallverschraubungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18610BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 543 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The present research project deals with the systematic experimental investigation of the axial load capacity for selftapping thread inserts (SSG). Therefor the SSG in dimensions M20 und M24 are applied in light weight metal.

The investigations of the load capacity are supplemented with wire thread inserts of the same dimensions. The influence of design parameters like edge distance, thread engage-ment, hole clearance as well as the material strength is derived from the results.

The aim is to ensure the constriction principle of aligned load capacities for SSG. At the same time numerical studies are validated by the experimental values. On the one hand the axial bearing capacities for various construction parameters are determined, on the other hand the load distribution inside of the thread can be displayed. The load bearing capacity is practically determined by a tangent criterion from the numerical simulation.

Thus it could be demonstrated that no failure criterion becomes necessary whereby exten-sive parameterisation can be abandoned. Comparative analytical computations on the thread depth indicate a sufficient conformity in comparison to the experimental values.

In addition, experimental investigations regarding the loss of preload were realized to expand the possible applications for aluminium alloys. No significant diviations in the loss of pre-load were observed for SSG in comparison to bolted joints with cutted metric ISO-threads in aluminium alloy.
Additionally, the multi-thightened joint with SSG is considered for the case of repair as well as maintenance. For this purpose, practical knowledge to the rotating of SSG is is provided in accordance to current guidelines and standards.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Bildverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen
Griechische Formelzeichen
Lateinische Formelzeichen
1 Einleitung
2 Problemstellung
3 Zielstellung und Aufbau
4 Stand der Kenntnisse
4.1 Gewindeeinsätze
4.2 Prinzip der abgestimmten Tragfähigkeiten
4.3 Theorie der Scherzylinder
5 Werkstoffcharakterisierung
5.1 Zugversuche
5.2 Zylinderstauchversuch
5.3 Fließkurven
6 Experimentelle Untersuchungen
6.1 Härtemessungen
6.1.1 Versuchsplan
6.1.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.1.3 Versuchsergebnisse
6.2 Vermessung und Eindrehuntersuchungen
6.2.1 Versuchsplan
6.2.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.2.3 Versuchsergebnisse
6.3 Auszugversuche mit geschnittenem Gewinde
6.3.1 Versuchsplan
6.3.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.3.3 Versuchsergebnisse
6.4 Auszugversuche mit SSG
6.4.1 Versuchsplan
6.4.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.4.3 Versuchsergebnisse
6.5 Auszugversuche mit DGE
6.5.1 Versuchsplan
6.5.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.5.3 Versuchsergebnisse
6.6 Prüfkraftversuche
6.6.1 Versuchsplan
6.6.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.6.3 Versuchsergebnisse
6.7 Vorspannkraftverluste
6.7.1 Versuchsplan
6.7.2 Versuchsaufbau und -ablauf
6.7.3 Versuchsergebnisse
6.8 Mehrfachverschraubung
6.8.1 Versuchsplan
6.8.2 Vorbereitung der Prüfkörper
6.8.3 Versuchsaufbau und -ablauf
6.8.4 Versuchsergebnisse der Mehrfachanzüge
7 Numerische Simulation
7.1 Aufbau des Simulationsmodells
7.2 Ergebnisse der numerischen Simulation
7.2.1 Validierung der Tragfähigkeit
7.2.2 Validierung des Last-Verformungs-Verhaltens
8 Auswertung
8.1 Traglasten für geschnittene Gewinde
8.2 Traglasten für SSG
8.2.1 Modell der Scherzylinder
8.2.2 Flächenpressung
8.2.3 Vergleich mit der Literatur
8.3 Traglasten für DGE
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Ergebnisse
9.2 Ausblick
9.3 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
11.1 Abbildungsverzeichnis
12 Werkstoffcharakterisierung
12.1 Zugversuche
12.2 Zylinderstauchversuch
12.3 Fließkurven
13 Experimentelle Untersuchungen
13.1 Härtemessungen
13.2 Vermessung und Eindrehuntersuchungen
13.2.1 Drehmomentverläufe der Eindrehmomente der SSG
13.3 Auszugversuche mit geschnittenem Gewinde
13.3.1 Fotos der Prüfkörper
13.4 Auszugversuche mit SSG
13.4.1 Fotos der Prüfkörper
13.5 Auszugversuche mit DGE
13.5.1 Fotos der Prüfkörper
13.6 Prüfkraftversuche190
13.6.1 Fotos der Prüfkörper
13.7 Vorspannkraftverluste
13.7.1 Fotos der Prüfkörper
13.8 Mehrfachverschraubungen