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EFB-Forschungsbericht Nr. 060

Gestaltung und Dimensionierung von Nietverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Boshidar Metschkow, Dr.-Ing. Klaus Dehlke, Institut für Fertigungstechnik der Universität Rostock

130 Seiten (Sw 59, teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-035-5

Preis (Digital) EUR 54,00

Preis (Print) EUR 61,00

Schlagwörter: Nietverbindung, Fertigungseinflüss

Zusammenfassung

Im Forschungsvorhaben "Gestaltung und Dimensionierung von Nietverbindungen" war die Aussagekraft der im Schrifttum existenten Gestaltungs- und Dimensionierungsrichtlinien für einschnittige Blindnietverbindungen mit Ausnahme des Luftfahrtbereiches zu untersuchen. An Proben mit magazinierten Hohlnieten sowie hochfesten Dornbruchblindnieten wurden dazu Verbindungseigenschaften ermittelt.

Die Entwicklung auf dem Blindnietmarkt widerspiegelt sich nur unzureichend im Normen- bzw. Regelwerk. Außer wenigen exemplarischen Bestrebungen sind Dimensionierungs- und Gestaltungsrichtlinien für die Blindnietunq auch in den Fachpublikationen nicht genügend präsent. Nach wie vor muß auf die Empfehlungen für kaltgeschlagene Vollniete zurückgegriffen werden. Die Dimensionierung erfolgt dabei vorwiegend nach rein statischen Gesichtspunkten in der Regel ohne Berücksichtigung der Blindnietspezifik.

Blindniete sind für eine Vielzahl unterschiedlichster Fügeaufgaben entwickelt worden. Sie prägen spezifische Eigenschaften an den Verbindungsstellen aus. Eine blindnietgerechte Gestaltung und Dimensionierung kann dementsprechend auch nur blindnietartspezifisch erfolgen. Die Voraussetzungen dazu sind gegenwärtig nicht gegeben.

Selbst eine Auslegung nach den konventionellen Dimensionierungsempfehlungen unter dem Aspekt des Leichtbaus erfordert für Blindnietverbindungen häufig Bauteilversuche. Ein Hauptproblem sind meist nicht verfügbare zulässige Blindnietbelastungswerte.

Von den Herstellern werden zwar Bruchlastangaben für den reinen Kopf- und Scherzugfall zur Verfügung gestellt, sie gelten jedoch nur für diese Belastungsfälle.
Bei kombinierten Beanspruchungen an der Verbindungsstelle ist das Tragverhalten im Versuch zu ermitteln.

Voraussetzung für eine blindnietgerechte Gestaltung und Dimensionierung ist zunächst die Offenlegung grundlegender Zusammenhänge zwischen Kraft- und Formschluß und Tragverhaltenseigenschaften, der Versagensmechanismen und setzprozeßbedingter Eigenschaftsausprägungen an den Verbindungsstellen unter Berücksichtigung fertigungsbedingter Randbedingungen.

Untersuchungen zur statischen Festigkeit an Scherzugproben mit dem Dornbruchblindniet HEMLOK zeigten, daß sowohl Bohrgrat, Bohrlochdurchmesserunterschiede (im herstellerseitig vorgegebenen Toleranzbereich) als auch statische Vorbelastungen keinen prägnanten Einfluß auf die Bruchlasten der Scherzugproben haben. Selbst Vorermüdungen mit Zugschwellasten weit über der zulässigen Lochleibung und 300.000 bzw. 1.000.000 Lastwechseln führten bei der Mehrzahl der untersuchten Proben zu keinen markanten Bruchlastminderungen. An einer Reihe von Proben waren sogar Bruchlaststeigerungen zu verzeichnen. Feindehnungsmessungen und die Ermittlung der kraftschlußbedingten Reibkraft bei Scherzugversuchen weisen auf die Dominanz des Formschlusses auf die Tragverhaltenseigenschaften bei statischer Belastung hin.

Untersuchungen zum Eigenspannungseinfluß auf die Scherzugfestigkeit der HEMLOK-Proben zeigen, daß Eigenspannungen vorwiegend den Bereich plastischen Probenverhaltens beeinflussen.
Teilweise erhebliche Bruchlaststeigerungen könnten an eigenspannungsarmen Proben durch den Abbau vorspannungsbedingter Eigenspannungen in der Niethülse erreicht worden sein. Demgegenüber scheint die Bohrlochfüllung im Zuge des Setzprozesses hier keinen prägnant festigkeitsbeeinflussenden Eigenspannungszustand zu bewirken.

Die Tragverhaltenseigenschaften der Scherzugproben unter statischer und dynamischer Belastung weisen Analogien zum Festigkeitsverhalten von Kompositwerkstoffen auf. Hierin wird ein Ansatzpunkt für die Ableitung von Gestaltungs- und Dimensionierungsempfehlungen für Blindnietverbindungen gesehen.

Die klemmlängenabhängige Eigenschaftsausprägung an den Verbindungen erschwert jedoch die Durchdringung grundlegender Zusammenhänge.
Die Notwendigkeit blindnietartspezifischer Gestaltungs- und Dimensionierungsrichtlinien bzw. -empfehlungen unterstreichen die Untersuchungen von Verbindungen mit dem magazinierten Hohlniet RIVSCREW. Dieser lösbare Blindniet soll im gesetzten Zustand die Funktionen einer Schraube erfüllen und wäre dementsprechend auszulegen.

Seine Formgebung während des Setzprozesses und der Setzprozeß selbst bedingen jedoch wesentliche Unterschiede zu den konventionellen Schrauben, so daß eine einfache Übertragbarkeit der Richtlinien für Schraubverbindungen auf die Auslegung von RIVSCREW-Verbindungen nicht gegeben ist.

Die Erarbeitung spezifischer Dimensionierungsempfehlungen erscheint aus der gegenwärtigen Sicht für die Schraubenfunktion nicht sinnvoll. Vielmehr könnte die Bereitstellung wesentlicher, mit den Schraubverbindungen vergleichbarer Angaben, die Verbindungseigenschaften beim Anwender transparenter werden lassen. Die vorliegenden Untersuchungen zur Klemmkraftausbildung an RIVSCREW-Verbindungen von Bauteilen auf PCB- bzw. FR4- und A1Mg3W19-Trägermaterial zeigen die prinzipielle Möglichkeit der vorgeschlagenen Vorgehensweise.

Sie bedürfen jedoch der Bezugnahme auf entsprechende Drehmomentangaben.
Gestaltungs- und Dimensionierungsempfehlungen, die für das Setzen des Blindnietes RIVSCREW erforderlich sind, sollten nach wie vor Herstellervorgaben bleiben.

Das Forschungsvorhaben „Gestaltung und Dimensionierung von Nietverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF. 391D 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. 60 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältl

Inhalt

0 Einleitung
1 Problemstellung und Lösungsweg
2 Stand der Technik
3 Verbindungseigenschaften des Dornbruchblindnietes HEMLOK
3.1 Setzprozeß
3.2 Einschnittige Einzelnietverbindungen
3.2.1 Probengeometrie und Versuchsumfang
3.2.2 Versuchsaufbau und -durchführung
3.2.3 Ergebnisse der Scherzugversuche
3.2.3.1 Bauteilwerkstoffeinfluß
3.2.3.2 Fertigungseinflüsse
3.2.3.3 Einfluß der Vorermüdung
3.2.3.4 Eigenspannungseinfluß
3.2.5 Vergleich der Versuchsergebnisse mit Normenwerten / Berechnungsempfehlungen
3.2.6 Versagensgrenzkurve
3.3 Einschnittige Einzelnietverbindungen / Schwingfestigkeitsversuche
3.3.1 Zielstellung
3.3.2 Versuchsaufbau und -durchführung
3.3.3 Versuchsergebnisse
3.4 Einschnittige Mehrnietverbindungen
3.4.1 Zielstellung
3.4.2 Probenform
3.4.3 Ergebnisse der Scherzugversuche
3.4.4 Kraftschlußbedingter Tragverhaltensanteil
4 Berechnung der Einzelnietverbindung mittels FEM
4.1 Vorbemerkungen
4.2 Berechnungsmodell
4.3 Ermittlung der Verformungen
4.4 Berechnung der Vergleichsspannungen
4.5 Berechnung der Normalspannungen
4.6 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
5 Spannungsoptische Untersuchungen an Blindnietverbindungen
5.1 Zielstellung
5.2 Versuchsprogramm und -durchführung
5.3 Auswertung und Ergebnisse
5.4 Kritische Bemerkungen zu den spannungsoptischen Versuchen
6 Verbindungseigenschaften des Schraubnietes RIVSCREW
6.1 Funktion und Setzprozeß
6.2 Versuchsumfang und Probengeometrie
6.3 Versuchsdurchführunq und -auswertung
6.3.1 Geometrieuntersuchungen
6.3.2 Scherbruchfestigkeit
6.3.3 Montage- und Demontageverhalten
7 Zusammenfassung
8 Literatur