Experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen ohne Bauteileinfluss
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Wirt. Ing. Christoph Blunk, Dr.-Ing. Ralf Glienke, Fraunhofer Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
162 Seiten - 72,00 EUR (sw, 88 teils farbige Abb., 68 Tab.)
ISBN 978-3-86776-456-8
Zusammenfassung
Zur Beschreibung des Tragverhaltens von Verbindungen mit Blindnieten und Schließringbolzen unter schwingender Schubbeanspruchung wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erstmalig Untersuchungen zur Feststellung von Einflüssen auf die Schwingfestigkeit von Blindnieten und Schließringbolzen ohne Bauteileinfluss durchgeführt. Ausgehend von den umfassenden Auslegungsrichtlinien für Standardschraubenverbindungen aus dem Stahl- und Maschinenbau und unter Berücksichtigung des in DIN 50100 genormten Dauerschwingversuchs wurde ein Konzept zur Durchführung und Bewertung von Versuchen zur Ermittlung charakteristischer Schwingfestigkeiten entwickelt. Der rechnerische Nachweis für die Schwingfestigkeit erfolgt auf Basis des EC 3 (DIN EN 1993-1-9) getrennt für Bauteil und Verbindungselement.
Zur Bewertung der Versuchsergebnisse wurde mit statistischen Verfahren das Streuband der Überlebens- bzw. Ausfallwahrscheinlichkeiten in Form von Regressionsfunktionen für den Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich gebildet. Anhand dieser Auswertung konnte eine Aussage zu den Einflüssen des Spannungsverhältnisses, der Fügerichtung aber auch des Größeneinflusses auf die Schwingfestigkeit getroffen werden. Ebenfalls ein maßgeblicher Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit kommt der Art des verwendeten Verbindungselements zu.
Während die Schließringbolzen über einen vollen Querschnitt verfügen und die Bolzen in Festigkeitsklassen unterteilt werden, obliegt es bei Blindnieten ganz dem Hersteller, geeignete Vergütungsverfahren oder Werkstofffestigkeiten zu wählen.
Neben den werkstofflichen Einflüssen trat besonders der geometrische Einfluss in den Vordergrund. So zeigen Blindniete ohne Nietdorn in der Scherebene eine deutlich geringere Ermüdungsfestigkeit als Blindniete mit beidseitiger Nietdornverriegelung. Die höchste Ermüdungsfestigkeit erreichen Blindniete mit Hülsenfaltung und beidseitiger Nietdornverriegelung, da diese im Vergleich zu den hülsenweitenden Blindnieten über einen mittragenden Nietdorn mit Vollquerschnitt verfügen.
Untersuchungen zeigen auch, dass der Lochdurchmesser bzw. das Lochspiel bei Blindnieten eine untergeordnete Rolle spielt. Dies hängt vor allem mit dem Vorlochfüllvermögen der Blindniete zusammen, das sich aus dem Aufweiten der Hülse durch den Nietdorn während des Setzprozesses ergibt.
Die Untersuchungen zeigen, dass ein größeres Vorloch sich sogar positiv auf die Ermüdungsfestigkeit auswirken kann, da die Stauchung der Niethülse geringer ausfällt und somit an der Niethülse eine geringere Kerbwirkung auftritt.
Unter der Beachtung der vorgenannten Einflussfaktoren erfolgte die Einordnung in den Kerbfallkatalog des EC 3. Die Tabellen haben dabei einen identischen Aufbau, um dem Anwender ein schnellen Überblick zu geben. Auf dieser Basis wird ihm ein Werkzeug zum bauteilunabhängigen Nachweis für periodische und nicht periodische Beanspruchung nach dem Nennspannungskonzept gegeben.
Die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse wurde dem interessierten Leser durch eine Beispielrechnung nahegebracht. Analog zum Stahlbau mit den ertragbaren Schubspannungsschwingbreiten kann mit den erlangten Erkenntnissen die Auslegung im Maschinenbau mithilfe der ertragbaren Ausschlagspannung erfolgen.
Der im Forschungsvorhaben erlangte Erkenntnisgewinn wird im Rahmen der AGMF3 in ein Merkblatt überführt, so dass die Versuchsergebnisse einer möglichst breiten Öffentlichkeit zur Verfügung stehen.
Aufgrund der begrenzten Laufzeit des Forschungsvorhabens konnten nicht alle Einflüsse, die sich auf die Ermüdungsfestigkeit auswirken untersucht werden. Nach Meinung der Verfasser besteht insbesondere beim Einfluss des Herstellverfahrens der Verbindungselemente auf die Ermüdungsfestigkeit noch unzureichende Kenntnis. Ebenso wurden die Einflüsse der Oberflächenbeschichtungen vernachlässigt. Zudem ist nicht geklärt, ob die Lochherstellungsverfahren (z. B. Stanzen, Lasern) und die damit einhergehende Randschichtaufärtung einen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit haben.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen ohne Bauteileinfluss" wurde unter der Fördernummer AiF 16455BR 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 410 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung
1.2 Vorgehensweise und Aufbau des Forschungsberichts
2 Stand der Technik und Forschung
2.1 Einführung
2.1.1 Grundlagen
2.1.2 Ursachen der Ermüdung
2.1.3 Einflüsse auf die Schwingfestigkeit
2.1.4 Ermüdungsfestigkeitskurve nach EUROCODE 3
2.1.5 Dauerfestigkeit und Betriebsfestigkeit
2.1.6 Ermüdungsfestigkeit und Lebensdauerlinie
2.2 Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach DIN EN 1993-1-9
2.2.1 Anwendungsbereich
2.2.2 Begriffe und Formelzeichen
2.2.3 Ermüdungsfestigkeitskurve nach EUROCODE 3
2.2.4 Kerbfälle
2.2.5 Vorgehensweise beim Nachweis der Ermüdungsfestigkeit
2.3 Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nach DIN 25201 in Verbindung mit der VDI 2230
2.4 Ermüdungsfestigkeitsnachweis für scherbeanspruchte Verbindungen
2.4.1 Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Blindnietverbindungen
2.4.2 Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Schließringbolzenverbindungen
3 Konzept zur Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit
3.1 Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit auf Basis von Versuchen
3.1.1 WÖHLER-Versuch
3.1.2 Dauerfestigkeitsbestimmung
3.2 Einflussfaktoren auf die Ermüdungsfestigkeit
3.3 Auswertung der Versuchsergebnisse
3.4 Versuchsumfang
4 Versuchsbedingungen
4.1 Auswahl der Verbindungselemente und Prüfkörper
4.1.1 Schließringbolzen
4.1.2 Blindniete
4.1.3 Prüfkörper
4.2 Versuchseinrichtung und -durchführung
5 Experimenteller Befund
5.1 Schließringbolzen
5.1.1 AVDELOK Ø 6,4 mm
5.1.2 AVDELOK Ø 8,0 mm
5.1.3 AVDELOK Ø 9,6 mm
5.1.4 Standard SRB Ø 9,6 mm
5.2 Blindniete
5.2.1 MAGNA-LOK Ø 6,4 mm
5.2.2 MAGNA-LOK Ø 9,5 mm
5.2.3 MAGNA-LOK Ø 12,7 mm
5.2.4 MAGNA-BULB Ø 6,4 mm
5.2.5 HEMLOK Ø 6,4 mm
5.2.6 MONOBOLT Ø 6,4 mm
5.2.7 MONOBOLT Ø 9,5 mm
5.2.8 MEGA GRIP Ø 6,4 mm
5.2.9 POLYGRIP Ø 6,4 mm
6 Bewertung der Schwingfestigkeitsergebnisse
6.1 Prinzip der normierten WÖHLER Linien
6.2 Kerbfall für Blindniete
6.3 Kerbfall für Schließringbolzen
7 Anwendung der Forschungsergebnisse
7.1 Festlegungen für den Stahlbau
7.2 Festlegungen für den Maschinenbau
7.3 Berechnungsbeispiel nach DIN EN 1993-1-9
8 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
