Vorgespannte Verbindungen an endbeschichteten Bauteilen für Anwendungen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau

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Schienenfahrzeugbau


Kernthesen

  • Nach derzeitigem Stand der Technik ist eine rechnerische Berücksichtigung der erhöhten Vorspannkraftverluste an beschichteten Bauteilen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau nicht möglich.
  • Die fehlende Berechnungsgrundlage erfordert zeit- und kostenintensive Gegenmaßnahmen wie das Maskieren von Oberflächen, das nachträgliche Wiederaufbringen von Beschichtungen oder regelmäßiges Nachspannen.
  • Die zuverlässige experimentelle Ermittlung des Beschichtungseinflusses für die relevanten Abmessungen setzt eine präzise messtechnische Vorspannkraftbestimmung sowie eine Validierung an praktischen Anwendungsfällen voraus.

Zusammenfassung

Für das Fügen beschichteter Bauteile kommen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau zunehmend lösbare, hochfest vorspannbare Verbindungen mit Schrauben, Schließringbolzen oder Funktionselementen zum Einsatz. Für beschichtete Bauteile ist im Vergleich zu stahlgepaarten blanken Oberflächen jedoch mit einem erhöhten Vorspannkraftverlust zu rechnen.

Etablierte Regelwerke wie die VDI Richtlinie 2230 (Blatt 1) erlauben nach derzeitigem Stand der Technik die Abschätzung dieser höheren Verluste allerdings nicht. Diesem Umstand wird häufig mit einem zeit- und kostenintensiven Mehraufwand bei der Vorbereitung der Bauteile begegnet.

Ziel des öffentlich geförderten Aif/IGF-Projekts 21618BR „Vorgespannte Verbindungen an endbeschichteten Bauteilen für Anwendungen im Maschinen- und Schienenfahrzeugbau" ist deshalb die Erweiterung der bestehenden Berechnungsgrundlagen auf beschichtete Bauteile. Zu diesem Zweck werden Vorspannkraftverluste durch Setzen sowie durch zyklische Belastungen in Laborversuchen an beschichteten und gestrahlten Oberflächen untersucht.

Der Einfluss der Beschichtung wird durch einen systematischen Vergleich der Ergebnisse ermittelt. Zur Identifikation der wesentlichen Einflussgrößen werden verschiedene Beschichtungssysteme, Anschlusskonfigurationen, Belastungsszenarien und Verbindungsmittel betrachtet. Um die praktische Anwendbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, werden zusätzlich Vorspannkraftverluste an Schraubenverbindungen im Schienenfahrzeugbetrieb gemessen und mit den Laborversuchen verglichen.

Hierzu wurde ein Triebwagen mit Sensorik zur Vorspannkraftmessung, Erfassung der äußeren Belastungen sowie der bestehenden Umwelteinflüsse ausgestattet.


Darstellung des Nutzens für KMU

Ohne die Kenntnis einer geschlossenen Nachweisführung und den sich daraus ergebenden Tragfähigkeiten von Verbindungen mit endbeschichteten Bauteilen wird ein Technologietransfer in die Produktion und damit der Verzicht auf umfangreiche Vor-, Nach- und Wartungsarbeiten ausbleiben. Eine wesentliche Kosteneinsparung und der resultierende Wettbewerbsvorteil der KMU bleibt somit ungenutzt.

Im Vorhaben wird deshalb umfassendes Grundlagenwissen zu den zu erwartenden Setzbeträgen auf endbeschichteten Bauteilen geschaffen, so dass potenziellen Anwendern bzw. insbesondere KMU, welche nicht über ausreichend eigene Untersuchungen/Erfahrungen verfügen, erstmalig eine Methode geboten wird, vorgespannte Verbindungen auf endbeschichteten Bauteilen wirtschaftlich zu bemessen. Diese Erweiterung des Know-hows dient als Multiplikator für alle mit diesen Produkten betrauten KMU.

Der Anwenderkreis ist dabei vorwiegend durch kleine und mittelständische Unternehmen geprägt und umfasst Zulieferunternehmen für die Automobilindustrie, den Schienenfahrzeugbau, den Sondermaschinen- und Anlagenbau sowie die Luftfahrtindustrie. Mechanisch vorgespannte Verbindungen endbeschichteter Bauteile bilden eine relevante Schlüsseltechnologie zur Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen.

Die Kenntnisse über die zu erwartenden Vorspannkraftverluste auf Basis der angestrebten Forschungsergebnisse legen nahe, dass vorgespannte Verbindungen anschließend direkt mit beschichteten Bauteilen ausgeführt werden dürfen. Die Einsparung von Fertigungsschritten ist auch im Sinne der Digitalisierung und der Umsetzung im Sinne der Industrie 4.0 gefragt.


Projekt

IGF 21618BR - EFB 40/218 - Laufzeit 01.02.2021 – 31.01.2024

Referent: M. Sc. Fritz Wegener, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP Rostock

 


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