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Andreas Kempf
Bewertung der zeit- und temperaturabhängigen Vorspannkraftrelaxation in Schraubenverbindungen
Eine hohe Vorspannkraftrelaxation in thermisch beanspruchten Schraubenverbindungen ist im Rahmen der Auslegung zu vermeiden. Bisher gibt es in gängigen Auslegungswerken für metrische Schraubenverbindungen maschinenbaulicher Anwendung keinen universellen Ansatz zur analytischen Berechnung der Restvorspannkraft unter Berücksichtigung relevanter Einflussparameter.
In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, welches die Relaxation einer Einschraubverbindung, aufgeteilt auf die Teilsysteme „Schraube-Mutter“ und „Platte“ nach Richtlinie VDI 2230 Blatt 1, beschreibt. Gewählte Auslegungswerte für Geometrie und Beanspruchung stellen Eingaben dar. Zur Beschreibung der Werkstoffabhängigkeit der Relaxation wird das zeit- und das zeitunabhängige Verhalten der metallischen Komponenten hinterlegt. Als Ausgabegröße ergibt sich für den Anwender die Restvorspannkraft.
Es werden zylindrische Modellverbindungen, bestehend aus einer Stahlschraube mit innentragender ebener Kopfauflagefläche und Stahl- oder Aluminiumbauteilen, mittels ultraschallbasierter Vorspannkraftermittlung untersucht. Durch lokale Betrachtungen zum Kopfauflagenkontakt unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode wird ein analytisches Berechnungsmodell für die effektiv belastete Fläche und die gemittelte Druckbeanspruchung in Abhängigkeit vom Schirmungswinkel, von der Montagevorspannkraft und von Bauteilwerkstoffkennwerten entwickelt.
Das entwickelte Relaxationsmodell beinhaltet für die untersuchten Werkstoffkombinationen und Parameterbereiche optimierte Deskriptoren, deren Robustheit untersucht wird. Die Modellvorhersage wird mit dem zugrundeliegenden experimentellen Ergebnis verglichen. Durch unabhängige Versuche wird die Prognosefähigkeit des Modells in Hinblick auf eine Erweiterung des Parameterbereiches bewertet.
In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, welches die Relaxation einer Einschraubverbindung, aufgeteilt auf die Teilsysteme „Schraube-Mutter“ und „Platte“ nach Richtlinie VDI 2230 Blatt 1, beschreibt. Gewählte Auslegungswerte für Geometrie und Beanspruchung stellen Eingaben dar. Zur Beschreibung der Werkstoffabhängigkeit der Relaxation wird das zeit- und das zeitunabhängige Verhalten der metallischen Komponenten hinterlegt. Als Ausgabegröße ergibt sich für den Anwender die Restvorspannkraft.
Es werden zylindrische Modellverbindungen, bestehend aus einer Stahlschraube mit innentragender ebener Kopfauflagefläche und Stahl- oder Aluminiumbauteilen, mittels ultraschallbasierter Vorspannkraftermittlung untersucht. Durch lokale Betrachtungen zum Kopfauflagenkontakt unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode wird ein analytisches Berechnungsmodell für die effektiv belastete Fläche und die gemittelte Druckbeanspruchung in Abhängigkeit vom Schirmungswinkel, von der Montagevorspannkraft und von Bauteilwerkstoffkennwerten entwickelt.
Das entwickelte Relaxationsmodell beinhaltet für die untersuchten Werkstoffkombinationen und Parameterbereiche optimierte Deskriptoren, deren Robustheit untersucht wird. Die Modellvorhersage wird mit dem zugrundeliegenden experimentellen Ergebnis verglichen. Durch unabhängige Versuche wird die Prognosefähigkeit des Modells in Hinblick auf eine Erweiterung des Parameterbereiches bewertet.
Schlagwörter: Vorspannkraftverlust; Restvorspannkraft; analytisches Modell; metallische Einschraubverbindung; Leichtbau; Grenzflächenpressung
Schriftenreihe des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe (MPA + IfW): "Werkstofftechnologie"
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner, Darmstadt
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