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EFB-Forschungsbericht Nr. 261

Dichtsysteme für mechanische Fügeelemente mit Vorlochoperation

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Wirt. Ing. Marcus Delin, Lehrstuhl für Fertigungstechnik der Universität Rostock, Prof. Dr.-Ing. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Dipl.-Ing. Steffen Six, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

106 Seiten (sw 46, teils farbige Abb., 35 Tab)

ISBN: 978-3-86776-222-9

Preis (Digital) EUR 56,00

Preis (Print) EUR 63,10

Zusammenfassung

Bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen von Schließringbolzen, Blindnieten und Funktionselementen ist die Dichtigkeit der Verbindung funktionelle Grundvoraussetzung für den Einsatz. Aufgrund der speziellen Anwendungsfälle und der Komplexität der möglichen Einflussfaktoren existiert zum Problem der Dichtigkeitsbeurteilung mechanisch gefügter Verbindungen keine einheitliche Prüfsystematik. Dies hat zur Folge, dass aufgrund des Mangels an Kennwerten in der Praxis häufig die Problemlösungen für den jeweiligen Anwendungsfall aufwändig empirisch ermittelt werden müssen.

Es existiert eine Vielzahl von Randbedingungen und Verbindungsparametern, die das Dichtverhalten einer Verbindung beeinflussen. Hierzu zählen die grundsätzlichen Dichteigenschaften der Verbindungselemente, die geometrischen Verhältnisse von Verbindungsdurchmesser und Verbindungsstärke sowie der Probenwerkstoff mit den entsprechenden Oberflächen. Ziel des durchgeführten Forschungsvorhabens war die Untersuchung der aufgezählten Einflussparameter mit dem Zweck der Entwicklung einer Auslegungsmethodik für mechanisch gefügte Verbindungen auf Dichtigkeit. Untersucht wurden diese Zusammenhänge an verschiedenen praxisrelevanten Werkstoff-Oberflächen-Verbinder-Kombinationen. Es wurden dazu sechs verschiedene Blindnietverbinder, zwei Schließringbolzensysteme und eine Blindnietmutter ausgewählt und mit zwei Aluminium-, einem Stahl- und einem Edelstahlwerkstoff in verschiedenen Oberflächenvorbereitungen kombiniert. Die untersuchten Oberflächen waren dabei unbehandelt, gestrahlt, grundiert und definiert geritzt, bzw. beschädigt.

Für die notwendigen Untersuchungen wurden verschiedene Prüfstände zur Dichtigkeitsprüfung entwickelt und aufgebaut. Diese bauen hinsichtlich ihres Einsatzbereiches sequentiell aufeinander auf. Jeder Prüfstand hat einen Kernanwendungsbereich für den er besonders geeignet ist. Je nach Anforderung der Untersuchung kann hier das jeweilige Prüfsystem gewählt werden. Das Spektrum der möglichen Untersuchungen deckt den gesamten Bereich von der qualitativen Mehr-Element-Prüfung gegenüber flüssigen Prüfmedien, bis hin zur hochgenauen quantitativen Ein-Element-Prüfung mit Aussagen zur Gasdichtigkeit ab.

Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen konnte eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zum Dichtverhalten mechanisch gefügter Verbindungen erarbeitet werden.

Es gibt zahlreiche Fügeelemente, die bereits ohne Dichtstoff eine gute Basis-Dichtfunktion besitzen. Diese Dichtfunktion kann je nach Einsatzfall durch ein zusätzliches Dichtsystem ergänzt werden. Der nachträgliche Aufwand der Dichtung von kritisch bewerteten Fügeelementen ist erheblich und sollte vermieden werden.

Die Möglichkeit der Realisierung einer dichten BN-/SRB-Fügeverbindung sind vielfältig. Die jeweiligen Systemhäuser besitzen u.a. vorkonfektionierte Verbinder, die ohne externen Dichtstoffauftrag verarbeitet werden und eine gute Effizienz und Optik bei den Fügungen erreichen. Die große Variantenvielfalt der manuellen Adaption eines Dichtsystems für nicht vorkonfektionierte Verbindungselemente bietet ebenfalls viele Möglichkeiten zur Realisierung guter Dichteigenschaften. Dies kann beispielsweise durch ein sowohl verbinder- als auch werkstückseitig adhesiv haftendes elastischen Dichtstoffsystem erreicht werden. Weiterhin lassen sich mit dem Einsatz einer Dichtfolie oder eines Dichtrings ebenfalls gute Dichtergebnisse erzielen.

Die im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte Auslegungsmethodik unterstützt den Anwender unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse bei der Realisierung seiner Dichtaufgabe und gibt dabei wichtige Entscheidungshilfen.

Das Forschungsvorhaben „Dichtsysteme für mechanische Fügeelemente mit Vorlochoperation“ wurde unter der Fördernummer AiF 13880BR 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. 261 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

In a multiplicity of industrial applications of lock bolts, blind rivets and function elements is impermeability a functional basic requirement for the application. Because of the special applications and the complexity of possible influence parameters, there is no consistent test systematic for the impermeability evaluations of mechanical connect joints. The result is due to the deficits of characteristics in practise often the problem solutions must be costly, empirical solved for each application.

There are a lot of boundary conditions and joining parameters which influence the impermeability behaviour of the joints. Hereunto belong the basic seal character of the joining elements, the geometric ratio of the joining diameter and the joining thickness as well as the specimen material and the special surfaces. The target of the accomplished research project was the analysis of the numerated influence parameters to develop a design method for leak-proof mechanical joints. These coherences were investigated at different material-surface-connector-combination, which are relevant in practise. Therefore six different blind rivet elements, two lock bolt systems and one blind rivet nut were selected and combined with two aluminium materials, one steel and one stainless steel material with different surfaces. The investigated surfaces were untreated, sandblasted, primed and defined scratched, respectively damaged.

For the necessary investigations different test stands were developed and built for the impermeability test. Every test stand is particularly suitable for a special range of use. Depending on the investigation requirements the particular test bench can be chosen. The spectrum of the possible tests range from a qualitative multi-element-test against test liquids up to very exact one-element-test with information of gas impermeability.

On the basis of the carried out investigations a lot of new findings about the tightness behaviour of mechanical joints were found.

There are numerous joining elements with a good basic tightness function without a sealing system. Dependent on the case of operation the tightness function can be complemented with an additional sealing system. The additional expenditure to seal critical evaluated joining elements is considerable and should be avoided.

There are diverse possibilities to realise tight blind rivet and lock bolt joints. The respective system providers have prepared joining elements without a need to apply an external sealing system, with a good joining efficiency and joints optic. The large version diversity of manual adaptations for the sealing system provides many opportunities to realise good seal properties. For example this can be realised by application adhesive bond elastic both on the fastener side and on the component side. Furthermore it is possible to achieve a good seal result with a seal foil or seal ring.

The design method developed in the research project supports the user realising the seal application considering the new technical expertise and gives in this case important decision guidance.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problembeschreibung
1.2 Aktueller Stand der Dichttechnologie
1.3 Zielstellung
1.4 Inhalte des Abschlussberichts
2 Versuchsbedingungen
2.1 Material und Verbindungselemente
2.1.1 Verbindungselemente
2.1.2 Werkstoffe
2.1.3 Oberflächen
2.1.4 Probenfertigung
2.2 Prüfstandentwicklung
2.2.1 Prüfstand für Dichtigkeitsschnelltest
2.2.2 Prüfstand für Druckabfallmessung
2.2.3 Prüfstand für Druckanstiegsmessung
2.2.4 Prüfstand für Helium-Lecktest-Messung
2.2.5 Zusammenfassung/Übersicht zur Prüfstandentwicklung
3 Theoretische Untersuchung Dichtigkeit beeinflussender Faktoren
3.1 Einfluss des Prüfmediums
3.1.1 Erläuterung wichtiger Begriffe
3.1.2 Praktische Versuche an möglichen Prüfmedien
3.2 Einfluss des Werkstoffs und der Werkstoffoberfläche
3.3 Einfluss des Verbindungselements
3.3.1 Allgemeine Betrachtung der Leckagewege
3.3.2 Bestimmung der Leckagewege der eingesetzten Verbindungselemente .
4 Dichtigkeitsversuche
4.1 Prüfsystematik der Dichtigkeitsversuche
4.2 Dichtigkeitsschnelltest
4.2.1 Ergebnisse des Dichtigkeitsschnelltests
4.2.2 Allgemeine Aussagen des Dichtigkeitsschnelltests
4.2.2 Zusammenfassung der Ergebnisse des Dichtigkeitsschnelltests
4.3 Druckabfalltest
4.3.1 Allgemeine Aussagen des Druckabfalltest
4.3.2 Ergebnisse des Druckabfalltests
4.4 Druckanstiegstest
4.4.1 Allgemeine Aussagen des Druckanstiegstests
4.4.2 Ergebnisse des Druckanstiegstests
4.4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse
4.5 Zusammenfassung
5 Auswahl und Adaption geeigneter Dichtsysteme
5.1 Anforderungen an die Dichtsysteme
5.2. Applikation direkt vor dem Setzen der Verbindungselemente
5.3 Vorkonfektionierte Verbindungselemente
5.4 Dichtigkeitsuntersuchungen an gedichteten Proben
5.5 Zusammenfassung
6 Erweiterung der Untersuchungsparameter
6.1 Einfluss von mechanischer Belastung auf die Dichtfunktion
6.1.1 Prüfungsbedingungen
6.1.2 Ergebnisse der Untersuchung nach mechanischer Belastung
6.2 Einfluss von thermischer Belastung auf die Dichtfunktion
6.3 Spezielle Untersuchungen
6.3.1 Bestimmung von Leckageursachen
6.3.3 Einfluss des Vorlochdurchmessers
6.3.2 Einfluss der Oberflächenprofilierung
7 Zusammenfassung und Ausblick
7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
7.2 Auslegungsmethodik
7.2.1 Allgemeines zur Verbindungsauslegung
7.2.2 Systematische Verbindungsauslegung
7.3 Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
A1 – Leckagewerte der Druckabfalltests