Klemm-Krafteinleitung in biegebelastete Faserverbund-Strukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den durchgeführten Arbeiten wurden Dimensionierungs- und Gestaltungshinweise für Klemm-Krafteinleitungen in hoch, primär biegebelastete Faserverbund-Strukturen experimentell und mittels Finite-Element-Berechnungen erarbeitet, Es wurde ein analytisches Berechnungsmodell zur Vorauslegung der Klemm-Krafteinleitung entwickelt. Ermüdungsprüfungen unter schiefer Biegung zeigten drei Versagensarten, Biegeversagen auf Faserbruch, Schub- und Querzugversagen. Durch die Untersuchungen des Einflusses verschiedener Querschnittsformen sowie nichtprismatischer Geometrien mit angepasster Faserorientierung konnten Richtlinien zur konstruktiven Gestaltung bereit gestellt werden. Die Querzugfestigkeiten liegen bei Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sehr niedrig, weshalb diese speziell unter Berücksichtung der realen Einspannungsverhältnisse mit FESimulationen untersucht wurden. Daraus ergab sich der konstruktive Hinweis bei hoher Belastung eine seitliche Klemmung zu verwenden. Für hohe Zugkräfte eignet sich der Keilanschluss auf Grund seines Formschlusses besser als eine reine Klemm-Krafteinleitung, Durch große Keilwinkel, einer Kreisgeometrie als Übergang vom Balken in den Keil und das Einfüttern eines Kerns in den Keil kann die Anschlüssgüte des Keil-Formschlusses wesentlich verbessert werden. Zur Berechnung der wichtigen Querkraft-Schubanteile bei der Klemm-Krafteinleitung wurde ein analytisches Modell erstellt. Die Genauigkeit dieser Berechnungsgleichungen sowie der FE-Ergebnisse konnte experimentell bestätigt werden. Bei großen Balkenabsenkungen treten an der Vorderkante der Einspannung lokal hohe Beanspruchungen der Druckseite auf. Untersuchungen ergaben, dass die Belastungsspitzen gesenkt werden können, wenn die Vorderkantengeometrie der Klemmung an den Krümmungsradius des Balkens in diesem Bereich angepasst wird. Bei der Zweipunkt-Klemm-Krafteinleitung werden Fasern auf der Längsdruckseite des Balkens durch eine hohe Auflagerdruckkraft belastet. Dadurch besteht die Gefahr eines Druckbruch- Versagens. Als Ergebnis der Untersuchung lässt sich festhalten, dass ein großer Abrundungsradius und ein niedriger E-Modul der Einspannelemente die Kontaktzone vergrößern und die lokalen Spannungsmaxima verringern. Deshalb sollte das Belastungsniveau bei derZweipunkt-Klemm-Krafteinleitung niedrig gehalten werden. Um den Reibverschleiß bei schwingender Belastung zu reduzieren, wurden Versuche mit losen, nicht geklebten Zwischenlagen zwischen Probekörper und Einspannelement unternommen. Es konnten keine nennenswerten Einflüsse auf die ertragbare Schwingspielzahl nachgewiesen werden. Das Verständnis für die Tagmechanismen einer Klemmkrafteinleitung konnte mit der vorliegenden Forschungsarbeit stark erweitert werden. Erfahrungsgemäß generiert jedoch der vertiefte Einstieg in ein Problem eine Fülle neuer, offener Fragen. Um ein konkretes Problem zu benennen: Es gibt eine Vielzahl von Einsatzfällen, bei denen die Schubbeanspruchbarkeit unterhalb des Klemmbereichs nicht ausreicht. Es sind aber Konzepte bekannt, die eine deutliche Verbesserung versprechen. Diese Themen sollen in zukünftigen Forschungsthemen angegangen werden. Die bisherigen Ergebnisse konnten bei Blattfederentwicklungen unmittelbar und vollständig angewendet werden. Dies gilt auch für eine Vielzahl zukünftiger Federprojekte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Franke, Schürmann (2005): Federlenker aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund. ETRprojekt
- Franke, Schürmann (2006): Blattfedern aus Faser-Kunststoff-Verbunden für Transporter. In: Federn - unverzichtbare Bauteile der Technik. Tagung in Fulda, 7.-8.11.
- Franke, Schürmann (2006): Blattfedern aus Faser-Kunststoff-Verbunden für Transporter. In: Federn - unverzichtbare Bauteile der Technik. VDl-Berichte Nr.1972
- Franke, Schürmann (2007): Der Sprung in die Großserie für ein hochbeanspruchtes FKVBauteil - eine GFK-Blattfeder für eine neue Transportergeneration. 10. internationale AVK-Tagung, Stuttgart
- Schürmann (2007): Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. 2. Auflage, Springer
