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Bewertung von Einflussfaktoren auf das Montage- und Ermüdungsverhalten gewindefurchender und metrischer Schraubenverbindungen

Kraemer, Fabian (2020):
Bewertung von Einflussfaktoren auf das Montage- und Ermüdungsverhalten gewindefurchender und metrischer Schraubenverbindungen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011315,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bewertung von Einflussfaktoren auf das Montage- und Ermüdungsverhalten gewindefurchender und metrischer Schraubenverbindungen
Language: German
Abstract:

Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Schraubenverbindungen hängen von vielen Einflussfaktoren ab. Die Direktverschraubung mittels gewindefurchender Schrauben stellt ein Fügeverfahren dar, das gegenüber konventionellen Verfahren mit einer signifikanten Prozesskostenreduzierung verbunden ist und gleichzeitig verbesserte mechanische Eigenschaften mit höherer Beanspruchbarkeit aufweist. Für die umformende Gewindefertigung und die große Produktvielfalt gewindefurchender Schrauben besteht aktuell großer Forschungsbedarf, um die relevanten Einflussfaktoren auf das Montage- und Betriebsverhalten zu identifizieren und zu bewerten. In Form einer systematischen Untersuchung des Gewindefurchens werden in dieser Arbeit das Einschraubverhalten praxistypischer Gewindegeometrien und Oberflächensysteme untersucht und das gefurchte Mutterngewinde charakterisiert. Die methodische Vorgehensweise stützt sich zunächst auf ein Screening repräsentativer Schraubentypen, um speziell den Einfluss der Furchspitzengeometrie als formgebendes Werkzeug zu bewerten. Die separierte Betrachtung des tribologischen Einflusses erfolgt durch Variation anwendungstypischer Oberflächenbeschichtungen und Gleitmittelsysteme. Das Einschraubverhalten wird nach DIN 267-30 bewertet und anhand des Drehmoment-Drehwinkelverlaufs systematisch in zwei Bereiche unterteilt, die charakteristisch dem Umformvorgang und den Reibverhältnissen beim Einschrauben zugeordnet werden können. Die Bewertung der Gewindeausformung wird metallografisch und mithilfe der Computertomografie vorgenommen. Das kaltverfestigte Mutterngewinde kennzeichnet ein Härtegradient, ausgehend vom maximal verformten Randbereich, der mittels Nano-Indentation bestimmt wird. Anwendungsorientiert wird der Einfluss der Montagedrehzahl und die Größe des Vorlochdurchmessers für die praxisrelevante Einschraubtiefe tE = 2,5xd untersucht. Vorspannkraftmessungen sowie Überdreh- und Auszugsversuche führen zu einer Bewertung der quasi-statischen Beanspruchbarkeit. Für die Berechnung der Mindesteinschraubtiefe wird ein analytischer Berechnungsansatz hergeleitet. Das experimentell untersuchte Ermüdungsverhalten von Schraubenverbindungen mit gefurchtem Gewinde zeigt vergleichend zu geschnittenem Mutterngewinde höhere Beanspruchbarkeiten. Eine systematische Analyse zur Bestimmung des Einflusses der sich einstellenden Lastverteilung erfolgt durch Versuche mit geschnittenen Mutterngewinden aus Stahl und Aluminium für unterschiedliche Einschraubtiefen. Die Mittellastabhängig-keit wird durch Versuche im elastischen Vorspannkraftbereich von 0,2·F0,2 ≤ Fm ≤ 0,8·F0,2 und an zuvor über-elastisch vorbelasteten Varianten untersucht. Letztere zeigen Verbesserungen der Lebensdauer infolge einer geänderten Lastverteilung und vorlastinduzierter Druckeigenspannungen bis max. 111 % bei gleicher Mittellast. Zur Analyse der Kontakt- und Lasteinleitungsbedingungen sowie zur Bewertung des Oberflächen- und Gewindereibungseinflusses werden systematische Prüfungen mit unterschiedlicher Lastaufbringung durchgeführt. Die numerische Simulation wird als unterstützende Methode eingesetzt, um aus experimentellen Ergebnissen bereits abgeleitete Hypothesen zu validieren und vertiefend zu interpretieren. Für die geprüften Schraube-Mutter-Konfigurationen wird die resultierende Lastverteilung auf Basis elastischen und elastisch-plastischen Materialverhaltens bestimmt. Die elastische Berechnung dient der Bestimmung der für die Schraubenverbindung kräftegebundenen Kerbformzahlen und der resultierenden Stützwirkung infolge der inhomogenen Spannungsverteilung über den Schraubenquerschnitt. Die Bestimmung der örtlichen Beanspruchungen wird für elastisch verspannte und überelastisch vorbelastete Schraubenverbindungen vorgenommen und anhand lokaler Spannungs-Dehnungs-Hysteresen vergleichend bewertet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The reliability of bolted joints is determined by a large number of influencing factors. Self-tapping screws lead to both a reducement of process costs and an improvement of the static and cyclic strength of the connection. A large variety of thread forming screws denotes great need for research in the field of directly threaded screw connections. In terms of a systematic investigation of thread forming the installation behavior as well as the characterization of the formed nut thread will be investigated for different thread styles and surface systems. The methodological approach is based on a screening of representative thread forming screws particularly in order to evaluate the influence of the shaping point. The separated consideration of the tribological influence is investigated by varying application-typical coatings and lubricant systems for one chosen thread geometry. The torque-rotation angle curve is evaluated based on the torque gradient. There will be a systematic classification into two sections, which are characteristic for the forming process on the one hand and for the friction conditions while screwing in on the other hand. The formed nut thread shape is investigated by metallographic microsec-tions as well as by means of computed tomography (CT). Further characterization is made by the evaluation of the strain hardening effect of the formed nut thread. By means of nano-indentations hardness profiles, starting from the area of maximum deformation, are determined. With regard to practical demands, screw-in depths up to tE = 2.5xd as well as the influence of the installation speed and the size of the pre-drilled pilot hole are inves-tigated as characteristic parameters. The quasi-static load capacity is evaluated by means of pre-load measurements, stripping torque by over-driving tests and pull out tests for different depths of engagement. For the calculation of the minimum depth of engagement an analytical approach will be derived under consideration of the formed thread shape determined by the size of the pre-drilled pilot hole. The fatigue behavior is investigated comparing formed and cut threads. A systematic analysis of the influence of the load distribution on the fatigue strength is done by experimental tests with cut nut threads made from steel and aluminum for different nut heights. Due to the requirement of high reliability screw connections are increasingly installed beyond yield strength. The assessment of the pre-load level as an influence on the fatigue strength both elastically as well as over-elastically pre-loaded connections are tested in the range of 0.2 to 0.8·F0,2 as constant controlled mid-load. When an over-elastic pre-load is applied, the fatigue strength was increased up to max. 111 % . This investigation is based on an improved load distribution and compressive residual stresses, deriving from an inhomogeneous stress distribution (notch effect). In detail, further analyses are performed to evaluate the influence of the contact area and load transmitting conditions as well as for the evaluation of the surface and thread friction influence. A systematic testing by means of different ways of load application lead to an assessment of the main influencing effects on the fatigue strength. Numerical simulations on the load distribution for the tested configurations of different nut styles and materials are executed in order to validate the hypotheses derived from the experimental results and in order to expand the understanding and interpretation of their influences on the fatigue strength. Both elastic as well as elastic-plastic material behavior were mainly considered to determine notch factors and the resulting strains determined by the load distribution. The comparison of local stress-strain hysteresis for elastically stressed and over-elastically pre-loaded connections lead to an assessment of the fatigue behavior and the evaluation of the mid-load dependency of bolted connections.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW)
16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Bauteilfestigkeit
Zentrale Einrichtungen > State Materials Testing Institute (MPA)
Date Deposited: 14 Jan 2020 15:07
Last Modified: 09 Jul 2020 06:23
DOI: 10.25534/tuprints-00011315
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113154
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias and Groche, Prof. Dr. Peter
Refereed: 17 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11315
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