Vorgespannte Verbindungen an endbeschichteten Bauteilen für Anwendungen im Maschinen-
und Schienenfahrzeugbau
Verfasser:
M.Sc. Fritz Wegener, Dr.-Ing. Maik Dörre, Prof. Dr.-Ing. Ralf Glienke, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge,
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik (IGP) aus Rostock
Seiten - (Print, sw, teils farbige Abb., Tab.) (Digital, durchgehend farbig)
ISBN 978-3-86776-691-3
Zusammenfassung
Das Forschungsthema zielte darauf ab, den Einfluss von Beschichtungen im Kraftfluss hochfest vorgespannter Schraubenverbindungen auf die sich einstellenden Vorspannkraftverluste zu untersuchen. Gegenüber metallisch blanken Oberflächen ist bei (end-)beschichteten Bauteilen stets von einem erhöhten Vorspannkraftverlust FZ auszugehen. Dieser kann derzeit im rechnerischen Sicherheitsnachweis nach VDI-Richtlinie 2230-1 [1] und der sich hieran anlehnenden DIN EN 25201 [2] nicht berücksichtigt werden, da die benötigten Setzbeträge fZ nur für stahlgepaarte blanke Oberflächen verfügbar sind.
Um zukünftig auch einen Nachweis für beschichtete Bauteile zu ermöglichen, sind vertiefte Kenntnisse zum Einfluss von Beschichtungen auf die Vorspannkraftverluste erforderlich. Zu diesem Zweck wurde im Forschungsthema der Beschichtungseinfluss auf drei Systemebenen untersucht. Im Rahmen eines Vorspannkraftmonitorings an einem Schienenfahrzeug im Betrieb konnten erstmals Daten zum Vorspannkraft-Zeit-Verhalten schienenfahrzeugtypischer Schraubenverbindungen beschichteter Bauteile unter realen Betriebslasten und über einen weiten Zeitraum gewonnen werden. Anhand von Laborversuchen an praxisnahen Schraubfällen konnten relevante Tendenzen hinsichtlich des Beschichtungseinflusses abgeleitet werden. Abschließend wurde ein Verfahren abgeleitet, welches die separate Betrachtung des Einflusses beschichteter Trennfugen auf die sich einstellenden Setzbeträge erlaubt.
Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine wertvolle Hilfestellung u.a. für Ingenieurbüros (KMU) sowohl hinsichtlich der Nachweisführung als auch hinsichtlich der versuchstechnischen Charakterisierung anwendungsspezifischer Beschichtungen dar.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Vorgespannte Verbindungen an endbeschichteten Bauteilen für Anwendungen im Maschinen-
und Schienenfahrzeugbau" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer EFB/IGF 01IF21618N 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. 622 erschienen und im EFB-Shop https://shop.efb.de und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The research topic aimed to investigate the influence of coatings in high strength preloaded bolted connections on the preload losses. Compared to uncoated surfaces, an increased preload loss FZ can be assumed for coated parts. This cannot currently be considered in safety verification according to VDI Guideline 2230-1 and DIN EN 25201, as the required amounts of embedding fZ are only available for steel surfaces.
To enable safety verification for coated parts in the future, in-depth knowledge of the influence of coatings on preload losses is required. To this end, the research topic investigated the influence of coatings on three system levels. As part of a preload monitoring on a rail vehicle in operation, data on the preload-time behavior of typical rail vehicle bolted connections of coated components under real operating loads and over a long period of time was obtained for the first time. Relevant trends regarding the influence of the coating could be derived based on laboratory tests on test specimens derived based on typical practical applications. Finally, a method was derived which allows the separate determination of the influence of coated interfaces on the resulting embedding amounts.
The knowledge gained represents a valuable aid for engineering offices (SMEs), among others, both in terms of verification and with regard to the experimental characterization of application-specific coatings
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Motivation und Zielsetzung
2 Stand der Technik
3 Versuchsprogramm
4 Fallstudie Schienenfahrzeug
4.1 Beschreibung des Anwendungsfalls
4.2 Beschreibung des Messaufbaus
4.2.1 Übersicht
4.2.2 Vorspannkraftmessung
4.2.3 Beschleunigungsmessung
4.2.4 Dehnungsmessung
4.2.5 Temperaturmessung
4.3 Messergebnisse
4.3.1 Vorversuche während der Fahrzeuginstandsetzung
4.3.2 Messungen im Regelbetrieb
4.3.3 Vorspannkraftverluste nach Nachspannen
4.4 Zusammenfassung des Kapitels
5 Vorspannkraftverluste an praxisnahen Schraubfällen
5.1 Versuchsprogramm
5.2 Prüfkörper
5.2.1 Setzkraftversuche
5.2.2 Schwingversuch
5.3 Oberflächencharakterisierung
5.3.1 Rauheitsmessungen
5.3.2 Schichtdickenmessung
5.4 Versuchseinrichtung und -durchführung
8 Wegener – Dörre – Glienke – Flügge
5.4.1 Setzkraftversuche
5.4.2 Schwingversuch
5.5 Versuchsergebnisse
5.5.1 Setzkraftversuche
5.5.2 Schwingversuch
5.6 Einfluss des verwendeten Messverfahrens
5.7 Zusammenfassung
6 Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung von Setzbeträgen an beschichteten
Trennfugen
6.1 Übersicht
6.2 Messverfahren
6.2.1 Längenänderungsmessung mittels LVDT
6.2.2 Prüfvorrichtung
6.3 Prüfkörper
6.3.1 Hülsenprüfkörper zur Ermittlung von Setzbeträgen
6.3.2 Prüfkörper zur Abschätzung von Vorspannkraftverlusten infolge
schwingender Querkraftbelastung
6.4 Nachgiebigkeitsermittlung mit FEM
6.4.1 Ermittlung der Schraubennachgiebigkeit
6.4.2 Ermittlung der Plattennachgiebigkeit
6.5 Versuchsdurchführung
6.5.1 Ermittlung von Setzbeträgen
6.5.2 Vorspannkraftverluste infolge schwingender Belastung
6.6 Versuchsergebnisse
6.6.1 Setzbeträge
6.6.2 Vorspannkraftverluste infolge schwingender Belastung
6.7 Zusammenfassung der Versuche
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literatur
Anhang
