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EFB-Forschungsbericht Nr. 327

Flanschtragverhalten von Blindniet- und Schließringbolzenverbindungen bei Dichtstoffeinsatz

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Ing. Ralf Glienke, Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Blunk, Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl Fertigungstechnik, Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Dipl.-Ing. Christian Denkert Technische Universität Dresden, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik, Professur Fügetechnik und Montage

314 Seiten (sw, 134 teils farbige Abb., 72 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-364-6

Preis (Digital) EUR 79,00

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Aufgrund von Wettbewerbs- und Kostendruck sehen sich viele Industriebereiche, insbesondere im Fahrzeugbau, gezwungen, innovative Produkte und Produktionsprozesse zu entwickeln und zur Serienreife zu bringen, um auch zukünftig am Markt erfolgreich zu sein. Durch diese Entwicklung erlangt die mechanische Fügetechnik besonders im Bereich der nicht lösbaren Verbindungselemente (Nieten, Schließringbolzen) wieder zunehmend Bedeutung.

Gerade in Anwendungsfällen, in denen endbeschichtete Bauteile oder unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden sollen, stellen alternative Verfahren, wie beispielsweise das Nieten, eine viel versprechende Lösung dar, während derartige Anforderungen insbesondere für thermische Fügetechnologien oft eine unüberwindbare Hürde darstellen.

Neue Verfahren bringen jedoch neue Herausforderungen mit sich. So ist das Trag- und Dichtigkeitsverhalten mechanisch gefügter Verbindungen unzureichend erforscht. Es existieren zur Dimensionierung von Blindniet- und Schließringbolzenverbindungen derzeit keine Normen oder Regelwerke, so dass der Einsatz derartiger Verbinder oft auf empirisch ermittelten Kenntnissen beruht.

Ziel des Forschungsvorhabens war die systematische Untersuchung des Tragverhaltens sowie der Dichtigkeitseigenschaften mechanisch gefügter, geklebter sowie hybrid gefügter Verbindungen. Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Fragestellung, inwiefern der Einsatz von Kleb- und Dichtstoffen im Fügespalt die Tragverhaltenseigenschaften beeinflusst bzw. ob durch eine gezielte Auswahl und Kombination der Fügeverfahren Kleben und Nieten ein positiver Einfluss auf das Tragverhalten erzielt werden kann. Der Einsatz von Kleb- und Dichtstoffen ist notwendig, um aufgrund von Fertigungstoleranzen auftretende Spalte zwischen den Fügeteilen zu überbrücken und eine dichte Verbindung zu gewährleisten.

Dazu wurden zunächst verschiedene Kleb- und Dichtstoffe auf ihre Eignung hin untersucht und eine engere Auswahl getroffen. Als Grundmaterial wurden Stahl- und Aluminiumwerkstoffe ausgewählt, wie sie derzeit im Schienenfahrzeugbau Anwendung finden. Anschließend wurden Tragfähigkeitsversuche an elementar gefügten Einelementproben durchgeführt und mit den Ergebnissen der hybrid gefügten Varianten verglichen. Aufbauend auf den Erkenntnissen wurde weitergehend die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Mehrelementproben untersucht. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung von Versuchsergebnissen und analytisch nach DIN 18800-1 bestimmten Kennwerten festgestellt werden.

Neben der Ermittlung der Tragfähigkeit wurde zudem ein Prüfstand entwickelt, der die quantitative Dichtigkeitsmessung an einschnittig überlappten Mehrelementproben bei statischer und zyklischer Belastung ermöglicht. Ziel war die Herausarbeitung von Zusammenhängen zwischen den Tragfähigkeitskennwerten und der Dichtigkeit im Flanschbereich. Bei der Kombination von hochfestem Strukturklebstoff mit vorgespannten Schließringbolzen konnten darüber hinaus positive Auswirkungen auf die Tragfähigkeit beobachtet werden.

Durch eine gezielte Erweiterung der Untersuchungsparameter wurde die Klemmkraft als ursächlich für diesen Effekt identifiziert. Weiterhin wurden die Alterungs- und Korrosionseigenschaften ausgewählter Verbindungen betrachtet und bewertet. Als Ergebnis der Forschungstätigkeit wurden abschließend Konstruktionsempfehlungen zusammen gestellt, die dem potentiellen Anwender als Orientierung zur Auswahl geeigneter Kleb-/Dichtstoff- und Fügeelementkombinationen zur Herstellung von dichten und tragfähigen Verbindungen dienen.

Das IGF-Vorhaben „Flanschtragverhalten von Blindniet- und Schließringbolzenverbindungen bei Dichtstoffeinsatz“ wurde unter der Fördernummer AiF 281ZBR 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. 327 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problembeschreibung
1.2 Aktueller Stand bei der Gestaltung dichter Flanschverbindungen
1.3 Zielstellung des Forschungsvorhabens
1.4 Inhalt des Abschlussberichts
2 Versuchsbedingungen
2.1 Verbindungselemente
2.2 Kleb-/Dichtstoffe
2.3 Fügeteilwerkstoffe
3 Theoretische Grundlagen/Stand der Technik
3.1 Allgemeine Betrachtung typischer Flanschverbindungen in der Praxis
3.1.1 Mechanisch gefügte Flanschverbindungen
3.1.2 Klebverbindungen
3.2 Gestaltung und Dimensionierung typischer Flanschverbindungen mit elementaren Fügeverfahren
3.2.1 Klebung
3.2.2 Mechanische Fügeverbindungen
3.2.3 Hybridfügeverbindungen
3.3 Prüfung von Flanschverbindungen
3.3.1 Prüfung von mechanisch und kombiniert mittels Kleben gefügter Verbindungen
3.3.2 Prüfung von Klebverbindungen
3.3.3 Prüfung der Flanschdichtigkeit in Anlehnung an DIN EN 1779
3.3.4 Prüfung der Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit
4 Experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung des Tragverhaltens elementarer Fügeverbindungen
4.1 Tragverhalten der Kleb-/Dichtstoffe
4.1.1 Beschichtungscharakteristik
4.1.2 Auswahl der Versuchsdichtstoffe
4.1.3 Tragverhalten der Dichtstoffe bei Scherzugbeanspruchung
4.1.4 Dichtstoffauftrag und -verdrängung
4.1.5 Rheologische Untersuchungen an Dichtstoffen
4.1.6 Feuchtigkeitsvernetzende Dichtstoffe
4.1.7 Physikalisch abbindende Dichtstoffe
4.2 Mechanische Fügeverbindung
4.2.1 Ermittlung der Restklemmkraft nach dem Setzprozess
4.2.2 Ermittlung des Tragverhaltens von Einelementproben
5 Experimentelle Ermittlung des Tragverhaltens von Hybridverbindungen
5.1 Einelementverbindungen
5.1.1 Versuchsprogramm und -durchführung
5.1.2 Ergebnisse der Scherzugversuche mit Stahlwerkstoff
5.1.3 Ergebnisse der Scherzugversuche mit Aluminiumwerkstoff
5.1.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
5.2 Mehrelementverbindungen
5.2.1 Versuchsprogramm und -durchführung
5.2.2 Ergebnisse der Tragversuche an Hybridverbindung 1 (BN)
5.2.3 Ergebnisse der Tragversuche an Hybridverbindung 2 (SRB)
5.2.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
6 Experimentelle Ermittlung der Dichtigkeitseigenschaften an ausgewählten Flanschverbindungen
6.1 Entwicklung eines Prüfstandes zur Dichtigkeitsmessung
6.1.1 Grundlagen
6.1.2 Entwicklung eines geeigneten Messaufbaus
6.2 Dichtigkeitsversuche an Einelementproben
6.3 Dichtigkeitsversuche an Mehrelementproben
6.3.1 Versuchsaufbau und -durchführung
6.3.2 Einfluss des Lochabstands bei mechanischen Fügeverbindungen
6.3.3 Einfluss des Dichtsystems auf die Flanschdichtigkeit
6.3.4 Einfluss der Belastung auf die Flanschdichtigkeit
6.3.5 Bewertung der Versuchsergebnisse
7 Klemmkraftuntersuchungen unter Einfluss des Dichtsystems
7.1 Quantitative Klemmkraftermittlung mittels piezoelektronischem Messsystem
7.1.1 Probenform
7.1.2 Versuchsprogramm und -durchführung
7.1.3 Ergebnisse der Klemmkraftermittlung mit Dichtsystem
7.1.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
7.1.5 Einschränkung der piezoelektrischen Messmethode
7.2 Qualitative Bestimmung der Klemmkraftverteilung mittels Foliensensoren
7.2.1 Probenform
7.2.2 Versuchsprogramm und -durchführung
7.2.3 Ergebnisse der Klemmkraftverteilung
7.2.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
7.3 Gleitlastversuche zur Bestimmung des zeitlichen Einflusses auf die Klemmkraft
7.3.1 Probenform
7.3.2 Versuchsprogramm und -durchführung
7.3.3 Ergebnisse der Gleitlastversuche
7.3.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
8 Untersuchung der Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit
8.1 Klimawechseltest nach VDA 621-415
8.2 Raupenschältest nach DIN 54457: 2007- 09
8.3 Kriechversuch bei Raumtemperatur
9 Erweiterung der Untersuchungsparameter
9.1 Einfluss der Klemmkraft auf die Tragfähigkeit ausgewählter Hybridverbindungen
9.1.1 Ziel der Untersuchungen
9.1.2 Versuchsprogramm und -durchführung
9.1.3 Versuchsergebnisse
9.1.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
9.2 Einfluss der dynamischen Belastung
9.2.1 Ziel der Untersuchungen
9.2.2 Versuchsprogramm und -durchführung
9.2.3 Versuchsergebnisse
9.2.4 Bewertung der Versuchsergebnisse
10 Schlussbetrachtungen
10.1 Konstruktionsempfehlung für dichte Flanschverbindungen
10.1.1 Blindnietverbindungen ohne Dichtsystem
10.1.2 Blindnietverbindungen mit Dichtstoff
10.1.3 Blindnietverbindungen mit Strukturklebstoff
10.1.4 Blind-/Schließringbolzen ohne Dichtsystem
10.1.5 Blind-/Schließringbolzen mit Dichtstoff
10.1.6 Blind-/Schließringbolzen mit Strukturklebstoff
10.2 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
Anhangverzeichnis
Abbildungsverzeichnis Anhang