STMS: Skalenübergreifende tribologische Modelle des Reibkontakts in tangential-schlagend angezogenen Schraubenverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albert Albers; Professor Dr.-Ing. Sven Matthiesen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511570411

Beim Anziehen von Schraubenverbindungen werden ca. 80 % des Anziehmomentes für die Überwindung des vorliegenden Reibungswiderstands benötigt. Dies bedeutet, dass bereits eine kleine Streuung der Reibungszahl zu einer großen Streuung der resultierenden Vorspannkraft führt. Bei den vor allem industriell weit verbreiteten Tangential-Schlagschraubern ist dieser Effekt besonders groß, da sich die Streuung meist über die Anzahl an Schlägen aufaddiert und sich somit Abweichungen kumulieren. Trotz der Abweichungen bei der Vorspannkraft sind die Tangential-Schlagschrauber beliebt, da sie beispielsweise den Anwender mechanisch entkoppeln. Aufgrund der starken Streuungen werden solche Schraubenverbindungen jedoch häufig überdimensioniert, wodurch der Ressourcenbedarf bei Konstruktionen mit Schraubensystemen steigt. Durch Anpassungen der Schraubenverbindungen können weitere Gewichtseinsparpotenziale realisiert werden. Dies ist insbesondere im Bereich des Leichtbaus interessant. Tangential-schlagende Anziehverfahren werden auch in Zukunft eine wichtige Rolle in Montageprozessen einnehmen. Durch die Analyse und exakte Modellierung der Reibungsmechanismen können die Montage- und Schraubsysteme durch die bessere Vorhersagbarkeit der Vorspannkraft angepasst werden. Es fehlen Reibmodelle auf Makroebene, welche zur Beschreibung des Reibungszustands im Gewindekontakt von Schraubverbindungen und zur Vorhersage der Vorspannkraft beim tangential-schlagenden Anziehprozesses eingesetzt werden können. Daher ist das Ziel des Vorhabens die Untersuchung des tangential-schlagenden Anziehprozesses durch die Entwicklung einer skalenübergreifenden Methode zur Bestimmung der Reibungszahl in Durchschraubverbindungen und deren Berücksichtigung beim Anziehen von Schraubenverbindungen. Die Untersuchung der Mechanismen erfordert einen skalenübergreifenden Ansatz, da sowohl Einflussgrößen auf Mikro- als auch auf Makroebene das Anzugsmoment beeinflussen. Aufgrund der großen Anzahl unterschiedlicher Schraubenverbindungen, die üblicherweise in Konstruktionen eingesetzt werden, ist ein skalierbares Modell für verschiedene Schraubengrößen zielführend. Dazu wird basierend auf den realen Topographien von Gewindeflächen ein Reibungsmodell auf der Mikroebene mittels der Finite Elemente (FE) Methode erstellt, das auf Makroebene in einem Mehrkörpersimulationsmodell integriert wird. Sowohl die FE-Simulation, als auch das Mehrkörpersimulationsmodell des gesamten Schraubsystems werden durch physische Experimente am Schrauben-Tribologie-Prüfstand (STP) validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen