Mechanische Zuverlässigkeit

Experimentelle und numerische Untersuchung des selbsttätigen Losdrehens von Schraubenverbindungen mit konstanten und variablen Amplituden und Entwicklung einer Bewertungsmethode

Motivation

Unter den typischen Versagensformen von Schraubenverbindungen hat das selbsttätige Losdrehen den größten Anteil. Beim Losdrehen kann die Vorspannkraft durch Relativbewegungen mit Überwindung der Trennfugenreibung oder auch durch Temperatureinfluss teilweise oder komplett abfallen. Dies führt letztendlich zum Funktionsverlust der Schraubverbindung und ist meist mit erheblichen Schäden verbunden, wenn es nicht in einem Validierungsversuch vorzeitig nachgewiesen werden kann. Ein Bemessungskonzept zum Nachweis der Losdrehsicherheit findet sich in keinem aktuellen Regelwerk. Aber eine Einschätzung der Gefahr des selbststätigen Losdrehens bereits in einer frühen Entwicklungsphase würde zur Vermeidung von Schäden und den damit verbundenen Kosten führen.

Bild: Fachgebiet SAM

Zielsetzung

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, eine Modellierungsmethode zur Abbildung des nichtlinearen Kraft-Verschiebungs-Verhaltens von Schraubenverbindungen unter Einwirkung einer Querkraft sowie eine Methodik zur Bewertung des selbsttätigen Losdrehverhaltens auf Basis von experimentell und numerisch ermittelten Relativverschiebungen zu entwickeln.

Lösungsweg

Die Schrauben werden zunächst an einem Anziehprüfstand untersucht, um die Reibungszahlen der Verbindungen zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse in Form von Grenzkurven (Relativverschiebung über Schwingspielzahl) liefern Korrelation zwischen Losdrehschwingspielzahl und relevanten Einflussgrößen (Reibung, Vorspannkraft, Klemmlänge, Belastungshöhe, usw.). Mittels Finiten-Element-Analysen werden die Relativverschiebungen in den betrachteten Schraubenverbindungen numerisch ermittelt und der Einfluss unterschiedlicher Modellierungsmöglichkeiten analysiert. Dabei werden zuerst komplexe 3D-Modelle aufgebaut und unterschiedliche Kontaktalgorithmen und Reibungsdefinitionen benutzt, um deren Einfluss auf die numerischen Relativverschiebungsvorgänge in einer Schraubenverbindung zu betrachten. Der Abgleich der numerischen Modellierung erfolgt auf Basis einer Dehnungsanalyse. Es erfolgt außerdem eine vereinfachte Modellierung der Schraubenverbindungen anhand von Schalenmodellierung mit geeigneten Verbindungselementen auf Basis der numerischen Ergebnisse aus dem komplexen Volumenmodell.

Informationen zur Förderung

Beteiligte Institute:

  • Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA) und Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW)
  • Technische Universität Darmstadt, Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

AVIF-Vorhaben; Laufzeit: 2 Jahre
Forschungsvereinigung Automobiltechnik FAT e.V.

Kontakt

M.Sc. Elena De Tomaso
Tel: +49 6151 705 8458
Email: elena.de.tomaso@sam.tu-darmstadt.de