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März 2013
Udo Petersen
Beitrag zum Übertragungsverhalten von rechteckförmigen Mehrschraubenverbindungen
Die Mehrschraubenverbindung (MV) ist die am häufigsten eingesetzte Verbindungsart bei den lösbaren Verbindungen im Maschinenbau. In den letzten 50 Jahren sind auf dem Gebiet der Schrauben zahlreiche Untersuchungen durchgeführt worden, wobei allerdings die Arbeiten zu den MV überschaubar sind. Zuletzt wurden hauptsächlich spezielle Anwendungsfälle, wie z.B. für Windkraftanlagen untersucht.
Mit dieser Arbeit wird zu einer allgemeingültigen Betrachtungsweise und Anwendbarkeit bezüglich MV zurückgekehrt. Es sind umfangreiche Messungen und FE-Berechnungen an rechteckförmigen Versuchskörpern mit unterschiedlichen Anschlusssteifigkeiten durchgeführt worden.
Es wurden Versuchskörper mit 28 Schrauben auf Grundlage eines neuen Konzepts einer Betriebskrafteinleitungsmatrix (BKEM) entwickelt, um die Betriebskrafteinleitung zu digitalisieren und damit hinsichtlich der Betriebskraft flexibel zu sein, ohne die Anschlusssteifigkeit des Versuchskörpers wesentlich zu beeinträchtigen. Umfangreiche Messungen wurden durchgeführt, die zeigen, dass bei rechteckförmigen MV die Schrauben nahe den Flanschecken unter bestimmten Bedingungen entfallen können und damit ein Optimierungspotential vorhanden ist.
Die entwickelten FE-Modelle weisen im Vergleich mit den Messungen eine sehr gute Übereinstimmung auf. Die Abstraktion der Schrauben mit Balkenelementen hat sich bei den MV und dem Fokus auf das Übertragungsverhalten bewährt. Sowohl die Messung wie auch die FEA zeigen schon bei niedrigen Betriebslasten nichtlineares Verhalten und ein Abheben in der Trennfuge.
Darauf aufbauend wird ein analytisches Berechnungsmodell für rechteckförmige Flanschverbindungen entwickelt. Durch die Aufteilung in zwei Teile, nämlich einem Plattenmodell für den Anschlusskörper und einem Rahmenmodell für das Schraubenfeld, können zukünftig leicht Verbesserungen und Erweiterungen integriert werden. Die phänomenologische Einarbeitung der Abweichungen an den Plattenecken in die traditionelle Kirchhoff´sche Theorie ergibt eine befriedigende Übereinstimmung mit dem realen Verhalten. Insgesamt zeigt die Validierung des analytischen Berechnungsmodells an einem komplexen Belastungsfall eine gute Übereinstimmung mit der FE-Analyse. Die Begrenzung des Modells liegt bei Belastungsfällen, die ein Abheben der Trennfuge über die Schraubenachse hinaus zur Folge haben. Die Berechnungsformeln sind in Form von Mathcad-Arbeitsblättern für das Platten- und Rahmensegmentmodell am Beispiel einer konkreten Berechnung zusammengefasst.
Die Untersuchungen wurden mit rein statischen Betriebskräften durchgeführt, Zusätzlich erfolgte eine Betrachtung mit der maximal ertragbaren dynamischen Schraubenzusatzkraft der Messschraube.
Mit der durchgeführten Arbeit wurde das Übertragungsverhalten von rechteckförmigen MV umfassend behandelt und wichtige Ansatzpunkte für zukünftige Untersuchungen gelegt. Die Ergebnisse sind für quadratische MV allgemeingültig und können auf rechteckförmige MV angewendet werden.
Mit dieser Arbeit wird zu einer allgemeingültigen Betrachtungsweise und Anwendbarkeit bezüglich MV zurückgekehrt. Es sind umfangreiche Messungen und FE-Berechnungen an rechteckförmigen Versuchskörpern mit unterschiedlichen Anschlusssteifigkeiten durchgeführt worden.
Es wurden Versuchskörper mit 28 Schrauben auf Grundlage eines neuen Konzepts einer Betriebskrafteinleitungsmatrix (BKEM) entwickelt, um die Betriebskrafteinleitung zu digitalisieren und damit hinsichtlich der Betriebskraft flexibel zu sein, ohne die Anschlusssteifigkeit des Versuchskörpers wesentlich zu beeinträchtigen. Umfangreiche Messungen wurden durchgeführt, die zeigen, dass bei rechteckförmigen MV die Schrauben nahe den Flanschecken unter bestimmten Bedingungen entfallen können und damit ein Optimierungspotential vorhanden ist.
Die entwickelten FE-Modelle weisen im Vergleich mit den Messungen eine sehr gute Übereinstimmung auf. Die Abstraktion der Schrauben mit Balkenelementen hat sich bei den MV und dem Fokus auf das Übertragungsverhalten bewährt. Sowohl die Messung wie auch die FEA zeigen schon bei niedrigen Betriebslasten nichtlineares Verhalten und ein Abheben in der Trennfuge.
Darauf aufbauend wird ein analytisches Berechnungsmodell für rechteckförmige Flanschverbindungen entwickelt. Durch die Aufteilung in zwei Teile, nämlich einem Plattenmodell für den Anschlusskörper und einem Rahmenmodell für das Schraubenfeld, können zukünftig leicht Verbesserungen und Erweiterungen integriert werden. Die phänomenologische Einarbeitung der Abweichungen an den Plattenecken in die traditionelle Kirchhoff´sche Theorie ergibt eine befriedigende Übereinstimmung mit dem realen Verhalten. Insgesamt zeigt die Validierung des analytischen Berechnungsmodells an einem komplexen Belastungsfall eine gute Übereinstimmung mit der FE-Analyse. Die Begrenzung des Modells liegt bei Belastungsfällen, die ein Abheben der Trennfuge über die Schraubenachse hinaus zur Folge haben. Die Berechnungsformeln sind in Form von Mathcad-Arbeitsblättern für das Platten- und Rahmensegmentmodell am Beispiel einer konkreten Berechnung zusammengefasst.
Die Untersuchungen wurden mit rein statischen Betriebskräften durchgeführt, Zusätzlich erfolgte eine Betrachtung mit der maximal ertragbaren dynamischen Schraubenzusatzkraft der Messschraube.
Mit der durchgeführten Arbeit wurde das Übertragungsverhalten von rechteckförmigen MV umfassend behandelt und wichtige Ansatzpunkte für zukünftige Untersuchungen gelegt. Die Ergebnisse sind für quadratische MV allgemeingültig und können auf rechteckförmige MV angewendet werden.
Schlagwörter: Mehrschraubenverbindungen; Platte; Rechteckflansch
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