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EFB-Forschungsbericht Nr. 168

Festigkeitseigenschaften von Schließringbolzenverbindungen bei statischer und dynamischer Beanspruchung unter Verwendung verschiedener Bauteilwerkstoffe

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Herbert Zorn, Dipl.-Ing. Peter Herzog, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Ing. Osama Al Raheb, Institut für Fertigungstechnik und Logistik der Universität Rostock

100 Seiten (sw, 64 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-071-3

Preis (Digital) EUR 40,00

Preis (Print) EUR 44,90

Zusammenfassung

Schließringbolzensysteme (SRB) sind je nach Bohrlochvorbereitung kraft- oder formschlüssige Verbindungen, die hinsichtlich ihrer Anwendung und Klassifizierung zwischen den Vollniet- und den Schraubenverbindungen eingeordnet werden können. In vielen Branchen des Fahrzeug- und Flugzeugbaus sowie des Stahl- und Behälterbaus sind sie für hoch beanspruchte Fügungen etabliert. Allerdings sind insbesondere für fundierte Dimensionierungen bei SRB-Anwendungen im Dünnblechbereich die entsprechenden Hilfsmittel nur sehr eingeschränkt verfügbar.

Das wesentliche Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Grundlagen für die Berechnung und Auslegung von Schließringbolzensystemen zu erweitern. Wichtige Erkenntnisse in dieser Richtung liefern die Untersuchungen zur Klemmkraftbestimmung, zur statischen Beanspruchbarkeit (Ermittlung von Versagensgrenzlinien) und zur dynamischen Beanspruchbarkeit (Ermittlung von Wöhlerlinien). 

Die Ergebnisse der experimentellen und rechnerischen Untersuchungen belegen, dass eine Vielzahl von geometrischen, materialtechnischen und verfahrenstechnischen Parametern die Festigkeit von Schließringbolzenverbindungen bedingen. 

Die durchgeführten Klemmkraft- Versuche zeigen, dass die Größe der nach dem Setzprozess in der Verbindung verbleibenden Klemmkraft von mehreren Faktoren bzw . Einflussparametern abhängt. Es sind dies die Schließringbolzen- und die Schließringart, die Festigkeit des Bolzenmaterials und die Festigkeits- und Verformungseigenschaften des Bauteilmaterials. Die Klemmstärke der zu fügenden Bauteile hat insgesamt auf die Abriss- und Klemmkräfte nur einen geringen Einfluss. 

Die Ergebnisse der einzelnen Scherzugversuche können in Versagensgrenzlinien als statische Mindestbeanspruchbarkeit der Verbindung zusammengefasst werden. Die Lage und Charakteristik der Versagensgrenzlinien wird entscheidend von der Versagensart (Bauteil-/ Lochleibungs- Versagen oder V erbinder- Versagen) beeinflusst. Die Beanspruchbarkeit im Bereich des Lochleibungsversagens (etwa bis 2x2 mm Blechdicke) wird im wesentlichen durch die Grundmaterial-Eigenschaften und auch die Schließringform bestimmt. Die Beanspruchbarkeit im Bereich des Verbinderversagens (etwa ab 2x3 mm Blechdicke) hängt im wesentlichen von der Festigkeit des Bolzenmaterials, aber auch von den Grundmaterial-Eigenschaften ab. Die für Schließringbolzen-Proben ermittelten Versagensgrenzlinien haben qualitativ einen vergleichbaren Verlauf wie für Voll- und Blindnieten, liegen aber quantitativ deutlich darüber. 

Die Wöhlerlinien für KSII-Proben aus Stahl (2x3 mm) zeigen einen sehr flachen Verlauf mit einer Neigung der Zeitfestigkeitsgeraden von k~20 verglichen z.B. mit gleichartigen Flachscherzug-Proben mit einer Neigung von k~4. Die Wöhlerlinien für KSII-Proben aus Aluminium (2x4 mm) zeigen eine stärkere Neigung im Vergleich zu entsprechenden Stahlproben. Die Neigung der Wöhlerlinien, d.h. die "Empfindlichkeit" gegenüber dynamischer Beanspruchung, ist bei Schließringbolzenverbindungen und hochfesten Blindnieten ungefähr gleich. Die Beanspruchbarkeit insgesamt gegenüber dynamischer Beanspruchung ist allerdings bei SRB- Verbindungen wesentlich höher als bei vergleichbaren Verbindungen mit hochfesten Blindnieten. 

Für potentielle Anwender von Schließringbolzenverbindungen wird im Ergebnis dieses Forschungsvorhabens die Einführung der Schließringbolzentechnologie durch systematische Untersuchungen zu Berechnung und Auslegung erleichtert. Gleichzeitig ermöglicht die Umsetzung der ermittelten Ergebnisse in den Unternehmen, die bereits Schließringbolzensysteme einsetzen, eine Reduzierung des bisherigen Aufwandes für die Einsatzvorbereitung.

Das Forschungsvorhaben „Festigkeitseigenschaften von Schließringbolzenverbindungen bei statischer und dynamischer Beanspruchung unter Verwendung verschiedener Bauteilwerkstoffe“ wurde unter der Fördernummer AiF 12085B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 168 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Problemstellung
2 Stand der Technik und Forschung
2.1 Arten und Ausführungen von Schließringbolzen-Verbindungen
2.2 Berechnung und Auslegung
3 Projektsstruktur
3.1 Untersuchungskomplexe, -bauteile und -materialien
3.2 Verbinder
3.2.1 Standard-S eh ließring bolzen
3.2.2 Mehrberei chs- Schließring bolzen
3.2.3 Schließringbolzen ohne Abrißteil
3.2.4 Zusammenstellung der untersuchten Verbinder
3.2.5 Materialeigenschaften der Verbinder
3.3 Bauteile
4 Klemmkraftuntersuchungen
4.1 Allgemeines
4.2 Versuchstechnik und -programm
4.3 Ergebnisse der Klemmkraftuntersuchungen
4.3.1 Standard-Schließringbolzen in Stahl und Aluminium
4.3.2 Mehrbereichs-Schließringbolzen in Stahl und Aluminium
4.3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse
5 Festigkeitseigenschaften bei quasistatischer Beanspruchung
5.1 Versuchstechnik und -programm
5.2 Ergebnisse der Scherzugversuche
5 .2.1 Auswertungsmodus
5.2.2 Einfluß Schließringbolzen
5.2.3 Einfluß Schließring
5.2.4 Einfluß Bauteilmaterial
5.2.5 Ergänzende Untersuchungen- Schließringbolzen ohne Abrißteil
5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse und Vergleiche mit Blindnietverbindungen
6 Festigkeitseigenschaften bei dynamischer Beanspruchung
6.1 Versuchsprogramm
6.2 Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche
6.2.1 Vorversuche mit Flachscherzugproben und Vergleich mit BN
6.2.2 Hauptversuche mit KSII-Proben
6.2.3 Zusammenfassung der Ergebnisse
7 Ergänzende Finite-Elemente-Berechnungen
7.1 Ziel der FE-Berechnungen
7.2 Ermittlungen von Spannungen und Deformationen bei ausgewählten SRB-Setz- und Scherzugvorgängen
8 Zusammenfassung
 Literatur- und Quellenverzeichnis
 Anhang Al - A20