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Ausgewählte Ausgabe: 10-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen im Maschinenbau Teil 1: Schließringbolzentechnologie und -tragverhalten

Calculation of Connections with Lockbolts in Mechanical Engineering Part 1: Lockbolt Technology and Structural Behaviour


Inhalt: Schließringbolzen (SRB) gewinnen immer mehr an Bedeutung im modernen Maschinenbau. Aufgrund der günstigeren Kerbwirkung durch eine entsprechende Schließrillengeometrie, des größeren Spannungsquerschnitts bei gleichem Nenndurchmesser und geringeren Streuungen der Montagevorspannkraft besteht beim Einsatz in mechanischen Fügeverbindungen das Potential der Tragfähigkeitssteigerung im Vergleich zu klassischen Schraubenverbindungen. Damit verbunden sind Kosteneinsparungen durch konstruktive Anpassungen im Maschinenbau. Dazu zählen eine Verringerung der erforderlichen Nenndurchmesser und die damit einhergehende Reduzierung der Bauteilabmessungen. Darüber hinaus sind Einsparungen in der Fertigung und Montage sowie Kostenreduzierungen für Wartung und Unterhaltung von Konstruktionen möglich. Für die Berechnung von Verbindungen mit Schließringbolzen im Maschinenbau steht seit kurzem das DVS-EFB-Merkblatt 3435-2 [1] den Konstruktions- und Berechnungsingenieuren zur Verfügung. Die Rechenschritte erfolgen in Anlehnung an die VDI 2230 – Blatt 1 [2]. Der vorliegende Beitrag stellt Verbindungen mit Schließring- bolzen im Maschinenbau vor. Dabei wird zunächst auf die Schließringbolzentechnologie und die Montagevorspannkraft bei Schließringbolzenverbindungen eingegangen. Weiterführend wird das Tragverhalten von Schließring- bolzenverbindungen bei zügiger und schwingender Beanspruchung betrachtet.
Abstract: Lockbolts become increasingly important for modern mechanical engineering. The advantageous notch effect in consequence of a softer groove geometry, the larger stress cross section for the same nominal diameter and a lower scattering of preload results in the potential for increasing the load capacity of lockbolt systems in mechanical joints in comparison to conventional bolted connections. Consequently cost can be reduced with structural adjustments in mechanical engineering. These include the reduction of the required nominal diameter and consequently the reduction of component dimensions. Furthermore savings in manufacturing and assembly as well as cost reduction for maintenance are possible. For the calculation of lockbolt systems in mechanical joints the Technical Bulletin DVS-EFB 3435–2 [3] is available now for design and calculation engineers. The Technical Bulletin allows to calculate connections with lockbolt systems according to VDI 2230 – Part 1 [4]. This paper presents connections with lockbolts in mechanical engineering. At first, the lockbolt technology and the assembly preload of the lockbolts will be introduced. After that the structural behaviour of connections with lockbolts under static and alternating stress will be presented.

1 Problemstellung und Lösungsansatz

Deutschlandweit werden 68 % aller lösbaren Verbindungen mit Befestigungsschrauben für den Bereich des Maschinen- und Fahrzeugbaus so ausgelegt, dass die Berechnung nach der VDI 2230 – Blatt1 [2] erfolgt [5]. Die VDI 2230 gilt seit 40 Jahren weltweit als Standardwerk zur Berechnung von Schraubenverbindungen (SV). Sie zeigt die allgemeingültigen theoretischen Zusammenhänge zwischen Kräften, Momenten und Verformungen auf und leitet die entsprechenden Berechnungsbeziehungen ab. Die Richtlinie besitzt ihre Gültigkeit für Stahlschrauben der Abmessungen M4 bis M39 mit den Festigkeitsklassen der DIN EN ISO 898-1 [6] in hochbeanspruchten und hochfesten SV [7]. Für Verbindungen mit Schließringbolzen existierte bisher keine adäquate Berechnungsgrundlage. Ausgehend von der Charakteristik des Tragverhaltens und der Bemessung von Schrauben soll im Rahmen dieses Beitrags die Lücke zur Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen unter Einwirkung einer zentrischen Axialkraft FA und/oder einer Querkraft FQ geschlossen werden.
Eine SV im allgemeinen Maschinenbau und Schienenfahrzeugbau ist nach [8] wie folgt definiert: „Eine SV nach der VDI 2230 hat die Aufgabe, Bauteile so miteinander zu verbinden, dass das Auftreten von Schlupf oder das Auseinanderklaffen verhindert wird.“ Als Berechnungsmodell für SV werden die Einschraubenverbindung und das sog. Verspannungsschaubild aus [3] (vgl. Bild 1) vereinbart. Ausgehend von den vorab bekannten Belastungsverhältnissen wird ein Vorspannkraftverlust durch Setzvorgänge FZ und durch Temperaturänderungen ΔFVth berücksichtigt. Die in vorgespannten SV wirkenden Betriebskräfte quer (FQ) oder in Richtung der Schraubenachse (FA) werden über die verspannten Bauteile in die Verbindung eingeleitet. Die Schraube wird hierbei nur axial durch ihre Vorspannung und durch eine Zusatzkraft (FSA) bei Vorhandensein von FA beansprucht. Die einwirkende Axialkraft (FA > 0, Zugkraft) bewirkt eine Abnahme der Montagevorspannkraft um den Anteil der die Platten entlastenden Kraft FPA [9]. Weiterhin wird gefordert, dass für die Dichtfunktion (FKP), für das Verhindern des einseitigen Klaffens in den Trennfugen (FKA) oder zur reibschlüssigen Übertragung der Querkraft (FKQ) eine Mindestklemmkraft FKR in der SV vorhanden ist. Die erforderliche Mindestklemmkraft FKerf ergibt sich durch die folgende Gleichung:

FKerf ≥ max (FKQ ;FKP + FKA) (Gl. 1)

Bei Festlegung der Reibungsverhältnisse und dem gewählten Anziehverfahren ergibt sich die um den Anziehfaktor αA erhöhte, maximale Montagevorspannkraft FMmax nach der sog. Hauptdimensionierungsformel der VDI 2230 – Blatt 1:

FMmax = αA . FMmin =
= α . (FKerf + (1–ø) . FA + FZ + ΔFVth)   (Gl. 2)

Bild 1 Hauptdimensionsgrößen im Verspannungsdiagramm der Schraube (ohne thermische Zusatzkraft ΔFVth) in Anlehnung an VDI 2230 – Blatt 1 [2]

Bild 1
Hauptdimensionsgrößen im Verspannungsdiagramm der Schraube (ohne thermische Zusatzkraft ΔFVth) in Anlehnung an VDI 2230 – Blatt 1 [2]

Schließringbolzen sind aufgrund ihrer Eignung zum hochfesten Vorspannen in ihrer Wirkungsweise mit Maschinenbauschrauben vergleichbar. Dementsprechend weist die Schließringbolzentechnologie aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften gegenüber Schrauben als alternatives Verbindungselement erfreuliches Potential auf. Im Zuge mehrerer abgeschlossener Forschungsvorhaben an der Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP [10; 11] wurden die Eingangsgrößen für die Berechnung zentrisch beanspruchter und verspannter Verbindungen mit Schließringbolzen erarbeitet und für die Rechenschritte nach dem Merkblatt DVS-EFB 3435–2 [1] aufbereitet.

2 Die Schließringbolzentechnologie

Schließringbolzensysteme sind nach dem DVS-EFB – Merkblatt 3435 – 1 [12] zweiteilige Verbindungselemente, die eine zweiseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle voraussetzen. Sie bestehen aus einem Schließringbolzen (SRB) und einem Schließring (SR). Die SRB sind entweder mit planparallelen oder mit wendelförmigen Rillen versehen. Der Schließringwerkstoff wird beim Montagevorgang mittels eines Verarbeitungswerkzeuges in die Rillen des SRB plastisch eingeformt. Daraus resultiert im montierten Zustand eine kraft- und formschlüssige, hochfest vorgespannte mechanische Fügeverbindung mit einem hohen Vorspannkraftniveau [12].

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Autoren

 Mathias Schwarz

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik
Albert-Einstein-Str. 30
18059 Rostock
Tel.: 03 81/4 96 82-64
www.hro.ipa.fraunhofer.de

Dr. Ralf  Glienke

Teamleiter Mechanische Fügetechnik
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik
Albert-Einstein-Str. 30
18059 Rostock
Tel.: 03 81/4 96 82-64
www.hro.ipa.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Filip Wegener

Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
Albert-Einstein-Str. 30, 18059 Rostock
Tel.: 03 81/4 96 82-193
www.igp.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. Carsten Bye

PHWT Private Hochschule für Wirtschaft und Technik
Schlesierstraße 13a, 49356 Diepholz
Tel.: 0 54 41/992-204
E-Mail: bye@phwt.de, www.phwt.de

Dr.-Ing. Hans-Albert Städler

Arconic Fastening Systems & Rings Limited
Telford Operations Unit C
Stafford Park 7, Telford, Shropshire
TF3 3BQ United Kingdom
www.arconic.com

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