Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 4

Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen im Maschinenbau Teil 2: Rechenschritte in Anlehnung an VDI 2230 – Blatt 1

Calculation of Connections with Lockbolts in Mechanical Engineering Part 2: Calculation Steps according to VDI 2230 – Part 1


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 Konstruk- tions- und Berechnungsingenieuren zur Verfügung. Die Rechenschritte erfolgen in Anlehnung an die VDI 2230 – Blatt 1 [2]. Der vorliegende Beitrag stellt die Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen im Maschinenbau nach diesem Merkblatt vor. Dabei werden die modifizierten Rechenschritte in Analogie zur Berechnung von Schraubenverbindungen nach der VDI 2230 – Blatt 1 [2] dargestellt.
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 the calculation of connections with lockbolts in mechanical engineering with this Technical Bulletin. The modified calculation steps according to the VDI 2230 – Part 1 [4] will be demonstrated.

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 im Maschinenbau soll im Rahmen des vorliegenden Beitrags die Lücke zur Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen unter Einwirkung einer zentrischen Axialkraft FA 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 wird die Einschraubenverbindung und das sog. Verspannungsschaubild aus [2] (vgl. Bild 1) vereinbart.

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]

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 =

= αA . (FKerf + (1–Φ) . FA + FZ + ΔFVth)   (Gl. 2)

Schließringbolzen sind aufgrund ihrer Eignung zum hochfesten Vorspannen in ihrer Wirkungsweise mit Maschinenbauschrauben vergleichbar [10, 11]. Dementsprechend weist die Schließringbolzentechnologie aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften gegenüber Schrauben als alternatives Verbindungselement erfreuliches Potential auf. Im Zuge mehrerer abgeschlossener Forschungsvorhaben in der Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP [12, 13] wurden die Eingangs- größen für die Berechnung zentrisch beanspruchter und verspannter Verbindungen mit Schließringbolzen er-arbeitet und für die Rechenschritte nach dem Merkblatt DVS-EFB 3435–2 [1] aufbereitet.

2 Berechnung von Schließringbolzenverbindungen

Die Bemessung und Berechnung von Verbindungen mit SRB-Systemen richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzgebiet. So stellt das DVS-EFB Merkblatt 3435–2 [1] Bemessungsgrundlagen für den Maschinenbau aber auch für den Stahlbau nach der Normenreihe EN 1993 (Eurocode 3) bereit.
Das DVS-EFB Merkblatt 3435–2 wurde im Rahmen der DVS-EFB – Arbeitsgruppe Mechanisches Fügen AGMF3/V10.3 „Blindnieten und Schließringbolzen“ erarbeitet und berücksichtigt eine Vielzahl angestrengter Forschungsarbeiten zwischen 2008 und 2015 [12; 13; 14; 15; 16]. Im Maschinenbau, insbesondere im Fahrzeug- und Schienenfahrzeugbau sind die Bemessungsregeln an die VDI-Richtlinie 2230 – Blatt 1 [2] für die Bemessung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen bei zentrischer Verspannung und zentrischer Belastung angelehnt. Im Anhang des Merkblattes sind Rechenbeispiele für den Anwender bereitgestellt.

Seite des Artikels
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

Verwandte Artikel

Bemessung von Verbindungen mit Schließringbolzen im Maschinenbau Teil 1: Schließringbolzentechnologie und -tragverhalten

Sichere Dünnblechverbindungen mit Vorloch

Leichtbau stellt Automatisierung vor Herausforderungen

Direktverschraubung in Langlöchern ohne Gegenhalt optimiert die Montage

Vorgespannte Schraubverbindungen mit Blindnietmuttern im Schienenfahrzeugbau