Schraubenrutschen unter dynamischer Belastung und Berechnung der effektiven Schnittigkeit einer querkraftbelasteten Schraubenverbindung

Abstract

Das Phänomen Schraubenrutschen ist seit langem Gegenstand von Problemen an verschraubten Strukturen. Wenn man hochbeanspruchte Schraubenverbindungen nach klassischen Ansätzen berechnet, werden derzeit die zulässigen Querkräfte, vor allem bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten (also einer hohen dynamischen Belastung), unterschätzt. Grund für aktuelle Abweichungen sind nicht ausreichend definierte bzw. bekannte Reibwerte, Setzverhalten, neue Schraubenformen, Anziehverfahren, usw. Wenn man Schraubenverbindungen auf Sicherheit gegen Rutschen auslegt, errechnet sich die zulässige Querkraft aus dem Produkt aus dem Haftreibungskoeffizienten, der Vorspannkraft und der Anzahl kraftübertragender Trennfugen. Da der Haftreibungskoeffzient nur experimentell ermittelt werden kann, wurde im ersten Teil der Arbeit ein Reibprüfstand entwickelt. Spezielles Augenmerk wurde bei den Reibungsmessungen auf die Abhängigkeit des Haftreibungskoeffizienten von der Flächenpressung und der Tangentialkraftsteigerungsrate gelegt. Bei einschnittigen Schraubenverbindungen, welche auf Querkraft belastet werden, wird bei konservativer Betrachtung ein Faktor von 1 für die Anzahl kraftübertragender Trennfugen eingesetzt. Dies trifft bei großen Klemmlängen auch zu, jedoch kann bei kleinen Klemmlängen mehr Querkraft übertragen werden, bevor es zum Rutschen der Verbindung kommt, wodurch sich die rechnerische Anzahl kraftübertragender Trennfugen (auch effektive Schnittigkeit genannt) bis zu einem Faktor von 2 erhöht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein analytisches und ein Finite Elemente (FE) Modell entwickelt um die effektive Schnittigkeit von einschnittigen Einschraubverbindungen zu ermitteln. Des Weiteren wurde anhand des FE-Modells untersucht, welche Parameter die effektive Schnittigkeit maßgeblich beeinflussen. Am Schluss der Arbeit wurden noch die Ergebnisse der numerischen und der analytischen Ergebnisse miteinander verglichen.

The phenomenon of sliding of bolt joints has long been a source of problems in bolted structures. When calculating highly stressed bolted joints using conventional approaches, allowable transverse forces are currently underestimated, especially in the presence on high loading rates (i.e. in environments of high dynamic loads). Reason for actual variances include insufficiently defined or unknown coefficients of friction, embedment effects, new bolt shapes, tightening techniques and the like. When designing bolted joints in such a way that they are secure against sliding, the allowable transverse force is calculated as the product of coefficient of static friction, preload and the number of force-transmitting interfaces. Since the coefficient of static friction can only be determined experimentally, a friction testing machine was developed in the first part of the thesis. During the friction measurements, special attention was placed on the dependence of the coefficient of static friction on surface pressure and rate of increase of the transverse force. For single-shear tapped-thread joints which are loaded transversally, a factor of 1 is used for the number of force-transmitting interfaces under conservative assumptions. This also applies for high clamp lengths. However, small clamp lengths permit higher transverse forces to be transmitted before a sliding of a bolt joint occurs, leading to an increase in the theoretical number of force-transmitting interfaces (also referred to as effective number of interfaces) up to a factor of 2. In the second part of the thesis, an analytic model and a finite elements model were developed in order to determine the effective number of interfaces of single-shear tapped-thread joints. In addition, the finite elements model aided to examine which parameters have significant influence on the effective number of interfaces. To conclude the thesis, a comparison between the numeric and analytic outcomes was conducted.