Festigkeitseigenschaften von Schließringbolzenverbindungen bei statischer und dynamischer Beanspruchung unter Verwendung verschiedener Bauteilwerkstoffe
Osama Al-Raheb, Knuth-Michael Henkel, Peter Herzog, Martin-Christoph Wanner, Herbert Zorn
Schließringbolzensysteme (SRB) sind je nach Bohrlochvorbereitung kraft- oder formschlüssige Verbindungen, die hinsichtlich ihrer Anwendung und Klassifizierung zwischen den Vollniet- und den Schraubenverbindungen eingeordnet werden können. In vielen Branchen des Fahrzeug- und Flugzeugbaus sowie des Stahl- und Behälterbaus sind sie für hoch beanspruchte Fügungen etabliert. Allerdings sind insbesondere für fundierte Dimensionierungen bei SRB-Anwendungen im Dünnblechbereich die entsprechenden Hilfsmittel nur sehr eingeschränkt verfügbar.
Das wesentliche Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Grundlagen für die Berechnung und Auslegung von Schließringbolzensystemen zu erweitern. Wichtige Erkenntnisse in dieser Richtung liefern die Untersuchungen zur Klemmkraftbestimmung, zur statischen Beanspruchbarkeit (Ermittlung von Versagensgrenzlinien) und zur dynamischen Beanspruchbarkeit (Ermittlung von Wöhlerlinien).
Die Ergebnisse der experimentellen und rechnerischen Untersuchungen belegen, dass eine Vielzahl von geometrischen, materialtechnischen und verfahrenstechnischen Parametern die Festigkeit von Schließringbolzenverbindungen bedingen.
Die durchgeführten Klemmkraft- Versuche zeigen, dass die Größe der nach dem Setzprozess in der Verbindung verbleibenden Klemmkraft von mehreren Faktoren bzw . Einflussparametern abhängt. Es sind dies die Schließringbolzen- und die Schließringart, die Festigkeit des Bolzenmaterials und die Festigkeits- und Verformungseigenschaften des Bauteilmaterials. Die Klemmstärke der zu fügenden Bauteile hat insgesamt auf die Abriss- und Klemmkräfte nur einen geringen Einfluss.
Die Ergebnisse der einzelnen Scherzugversuche können in Versagensgrenzlinien als statische Mindestbeanspruchbarkeit der Verbindung zusammengefasst werden. Die Lage und Charakteristik der Versagensgrenzlinien wird entscheidend von der Versagensart (Bauteil-/ Lochleibungs- Versagen oder V erbinder- Versagen) beeinflusst. Die Beanspruchbarkeit im Bereich des Lochleibungsversagens (etwa bis 2×2 mm Blechdicke) wird im wesentlichen durch die Grundmaterial-Eigenschaften und auch die Schließringform bestimmt. Die Beanspruchbarkeit im Bereich des Verbinderversagens (etwa ab 2×3 mm Blechdicke) hängt im wesentlichen von der Festigkeit des Bolzenmaterials, aber auch von den Grundmaterial-Eigenschaften ab. Die für Schließringbolzen-Proben ermittelten Versagensgrenzlinien haben qualitativ einen vergleichbaren Verlauf wie für Voll- und Blindnieten, liegen aber quantitativ deutlich darüber.
Die Wöhlerlinien für KSII-Proben aus Stahl (2×3 mm) zeigen einen sehr flachen Verlauf mit einer Neigung der Zeitfestigkeitsgeraden von k~20 verglichen z.B. mit gleichartigen Flachscherzug-Proben mit einer Neigung von k~4. Die Wöhlerlinien für KSII-Proben aus Aluminium (2×4 mm) zeigen eine stärkere Neigung im Vergleich zu entsprechenden Stahlproben. Die Neigung der Wöhlerlinien, d.h. die „Empfindlichkeit“ gegenüber dynamischer Beanspruchung, ist bei Schließringbolzenverbindungen und hochfesten Blindnieten ungefähr gleich. Die Beanspruchbarkeit insgesamt gegenüber dynamischer Beanspruchung ist allerdings bei SRB- Verbindungen wesentlich höher als bei vergleichbaren Verbindungen mit hochfesten Blindnieten.
Für potentielle Anwender von Schließringbolzenverbindungen wird im Ergebnis dieses Forschungsvorhabens die Einführung der Schließringbolzentechnologie durch systematische Untersuchungen zu Berechnung und Auslegung erleichtert. Gleichzeitig ermöglicht die Umsetzung der ermittelten Ergebnisse in den Unternehmen, die bereits Schließringbolzensysteme einsetzen, eine Reduzierung des bisherigen Aufwandes für die Einsatzvorbereitung.
