Direktverschrauben in Aluminium für den Schienenfahrzeug-, Anlagen- und Maschinenbau

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DV-Schiene


Kernthesen

  • Mittels FLS sind reproduzierbar Scher-/Lochleibungsverbindungen in Aluminiumwerkstoffen ausführbar.
  • Die ermittelten statischen Traglasten aus den experimentellen Untersuchungen erweisen sich bezogen auf die Festigkeit der verwendeten Aluminiumwerkstoffe als vielversprechend hoch.
  • Die formschlüssige Tragwirkung kann für den Festigkeitsnachweis ausgenutzt werden.

Zusammenfassung

Geschraubte Verbindungen in Strangpressprofilen aus Aluminiumwerkstoffen, wie sie im Schienenfahrzeugbau Anwendung finden, stellen eine konstruktive Herausforderung dar. Erfordernisse wie eine einseitige Zugänglichkeit, die flexible Positionierbarkeit der Fügestellen oder die Anforderungen an den Korrosionsschutz beeinflussen maßgeblich die Wahl des eingesetzten Fügeverfahrens.

Für profilintensive Konstruktionen bietet das fließlochformende Schrauben (FLS) deutliche Vorteile im Vergleich zu den bisher verwendeten vorgespannten reibschlüssigen Schraubenverbindungen. Im Forschungsvorhaben werden mittels FLS reproduzierbar Scher-/Lochleibungsverbindungen in Aluminiumwerkstoffen ausgeführt.

Dafür ist das Klemmteil mit einem Vorloch eines bestimmten Durchmessers versehen. Der beim Fließlochformen des Einschraubteils verdrängte Aluminiumwerkstoff wird als oberer Durchzug genutzt, um das Lochspiel zwischen Schraube und Vorloch im Klemmteil spielfrei auszufüllen und so den für die Tragwirkung erforderlichen Formschluss sicherzustellen. Der Zielkonflikt bei der Ausführung von Scher-/Lochleibungsverbindungen mittels FLS besteht dann je nach Blechdickenkonfiguration zwischen dem für den Formschluss notwendigen Füllgrad und der sich einstellenden Spaltbildung zwischen den Bauteilen.

Beabsichtigt wird eine spaltfreie Verbindung bei gleichzeitig höchstmöglichem Füllgrad des Lochspiels. Untersucht wird auch das Tragverhalten unter Querkraft- und unter Axialkraftbeanspruchung für ausgewählte Blechdickenkombinationen und FLS der Abmessung M5 in Scherzugversuchen und Axialzugversuchen. Ausgehend von den Ergebnissen in Form der Kraft-Verschiebungs-Kurven sowie der Versagensarten, wird ein erster Ansatz für einen Bemessungsvorschlag im Sinne eines Tragsicherheitsnachweises unterbreitet.


Darstellung des Nutzens für KMU

Die Untersuchungsergebnisse demonstrieren erstmals die Möglichkeit, das FLS für Anwendungen im Schienenfahrzeugbau einzusetzen. Als Novum werden Scher-/Lochleibungsverbindungen mittels FLS reproduzierbar umgesetzt und deren formschlüssige Tragwirkung ausgenutzt. Die ermittelten statischen Traglasten aus den Scherzugversuchen erweisen sich bezogen auf die Festigkeit der untersuchten Aluminiumwerkstoffe als vielversprechend hoch. Auch der rechnerische statische Sicherheitsnachweis kann anhand der ermittelten effektiven Lochleibungsbeiwerte und der charakteristischen Versagensarten geführt werden.
Durch die Ausnutzung der Scher-/Lochleibungstragwirkung ist zudem die Verwendung wesentlich kleinerer Schraubenabmessungen möglich. Des Weiteren wird ein Vorloch im Einschraubteil bzw. Anbauteil überflüssig, sodass gesonderte Maßnahmen zum Ausgleich von Positions- und Lagetoleranzen entfallen. Zur Übertragung von Betriebskräften ist durch den Formschluss keine Vorspannkraft in der Schraubenverbindung erforderlich.

Somit müssen Vorspannkraftverluste nicht berücksichtigt werden und auch zeit- und kostenintensive Oberflächenvor- und Nachbehandlungen im Sinne des Korrosionsschutzes entfallen. Mit den Ergebnissen werden der Schienenfahrzeugbau und seine Zulieferer direkt adressiert. Auch für die Systemhäuser sind die Ergebnisse von Relevanz, um bestehende Anwendungsfelder für Ihre Kunden zu erweitern.


Projekt

IGF 21200BR - EFB 02/219 - Laufzeit 01.10.2020-30.09.2023

Referent: M. Sc. Jörg Ganschow, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

 


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