Direktverschrauben Aluminium im Schienenfahrzeug-, Anlagen- und Maschinenbau
Verfasser:
M. Sc. Jörg Ganschow, Dr.-Ing. Christian Denkert, Dr.-Ing. Maik Dörre, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Prof. Dr.-Ing.habil. Knuth-Michael Henkel, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock
218 Seiten - 93,00 EUR (sw, 66 teils farbige Abb., 39 Tab.)
ISBN 978-3-86776-682-4
Zusammenfassung
Das vorliegende Forschungsvorhaben behandelt die systematische experimentelle Ermittlung von Tragfähigkeiten für fließlochformende Verschraubungen in Aluminiumlegierungen. Die Untersuchungen werden an für den Schienenfahrzeugbau repräsentativen Aluminiumlegierungen durchgeführt. Als Verbindungselemente kommen fließlochformende Schrauben aus Kohlenstoffstahl der Abmessung M5 zum Einsatz.
Die Tragfähigkeiten werden unter Querkraft und unter Axialkraft sowohl für statische als auch für Schwingbeanspruchungen experimentell ermittelt.
Die entscheidende Neuerung des Untersuchungsgegenstandes liegt in der Ausführung der fließlochformenden Verschraubungen als Scher-/Lochleibungsverbindungen. Eine Vorspannkraft in den Verbindungen ist im Sinne des Tragmechanismus nicht mehr notwendig und auch die im Schienenfahrzeugbau bisweilen betriebenen Aufwände zum dauerhaften Erhalt der Vorspannkraft in gleitfest vorgespannten Verbindungen können entfallen.
Gleichsam muss bei der Ausführung als Scher-/Lochleibungsverbindung eine Bemessung als möglich sein.
Für die Ausführung als Scher-/Lochleibungsverbindung wird ein Vorloch im Klemmteil genutzt, dessen Lochspiel mit der Schraube durch den beim Fließlochprozess verdrängten Werkstoff in Form des oberen Durchzugs formschlüssig ausgefüllt wird. Ziel ist eine spielfreie, formschlüssige Verbindung, möglichst ohne Spalt zwischen Klemmteil und Einschraubteil.
Für ausgewählte Blechdicken- und Werkstoffstoffkombinationen werden anhand von Fügepunktanalysen der zuvor bemusterten Proben die optimalen Durchmesser der Vorlöcher in Abhängigkeit der verwendeten Blechdicken und Werkstoffe ermittelt.
Mit diesen Vorlochdurmessern werden dann Prüfkörper für die Ermittlung der Tragfähigkeiten unter statischer sowie unter schwingender Beanspruchung hergestellt. Ausgehend von den Ergebnissen wird ein Vorschlag zur Bemessung unterbreitet.
Abschließend werden die Ergebnisse anhand von praxisnahen Bauteilversuchen validiert.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Direktverschrauben Aluminium im Schienenfahrzeug-, Anlagen- und Maschinenbau" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21744N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 613 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The present research project is focused on the systematic experimental determination of load-bearing capacities for FDS joints in aluminum alloys. The investigations are based on materials that are representatively used in rail vehicle construction. Carbon steel Flow-Drilling Screws of the metric dimension M5 are used for the parametric studies.
The load-bearing capacities are experimentally determined under lateral and axial loads for both static and fatigue testing.
A decisive obstacle is to utilize the shear/hole load bearing capacity of the FDS joints. A preload, as required in slip-resistant connections, is no longer necessary. As well as the efforts that are currently mandatory in rail vehicle construction to sufficiently apply and maintain these preloads during the vehicle's life cycle.
At the same time, the utilization of the FDS joints' shear/hole bearing capacity is intended to provide a design approach. The aluminium material displaced by the screw during the FDS process is supposed to fill the initial hole clearance between the hole in the clamped part and the screw's outer thread to create a positive locking. Achieving a joint free of any clearances, preferably without a gap between both components, is the aim of the process.
For selected sheet thicknesses and material configurations, the optimum diameters for the holes in the clamped parts are determined. These optimum diameters are then used to prepare test specimens for testing under static and fatigue loads.
Based on the derived results, the design approach is suggested. In conclusion, the findings are validated within the scope of practical component tests.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Problemstellung
3 Lösungsansatz
4 Zielstellung, Aufbau und Inhalt des vorliegenden Berichts
5 Stand der Kenntnisse
5.1 Stand der Technik und Normung
5.2 Stand der Wissenschaft und Forschung
6 Werkstoffcharakterisierung der Aluminiumbleche
7 Experimentelle Untersuchungen
7.1 Bemusterungen
7.1.1 Versuchsplan
7.1.2 Versuchsaufbau- und Versuchsablauf
7.1.3 Versuchsergebnisse
7.2 Abschertragfähigkeiten der verwendeten Schrauben
7.2.1 Versuchsplan
7.2.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.2.3 Versuchsergebnisse
7.3 Statische Tragfähigkeitsuntersuchungen unter Querkraft
7.3.1 Versuchsplan
7.3.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.3.3 Versuchsergebnisse
7.4 Statische Tragfähigkeitsuntersuchungen unter Axialkraft
7.4.1 Versuchsplan
7.4.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.4.3 Versuchsergebnisse
7.5 Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Querkraft
7.5.1 Versuchsplan
7.5.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.5.3 Versuchsergebnisse
7.6 Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Axialkraft
7.6.1 Versuchsplan
7.6.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.6.3 Versuchsergebnisse
7.7 Bauteilversuche
7.7.1 Versuchsplan
7.7.2 Versuchsaufbau und -ablauf
7.7.3 Versuchsergebnisse
8 Bemessungsvorschlag
8.1 Statische Beanspruchbarkeit unter Querkraft
8.2 Statische Beanspruchbarkeit unter Axialkraft
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse insbesondere für KMU
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
11.1 Grundwerkstoffcharakterisierung
11.2 Experimentelle Untersuchungen: Bemusterungen
11.3 Statische Tragfähigkeitsuntersuchungen unter Axialkraft
11.4 Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Querkraft
11.5 Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Axialkraft
11.6 Bauteilversuche
