Lebensdauerberechnungsmodell für Bleche im Bereich von kraftschlüssigen Verbindungen

• Antragsteller: Dr. Robert Szlosarek
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525498704

Das Vorhaben beschäftigt sich mit der Ermüdungsrissbildung in Blechen im Bereich von kraftschlüssigen Verbindungen. Dies kann zum Beispiel bei zyklisch belasteten Schraubverbindungen beobachtet werden. Infolge der Rissbildung wird die Lebensdauer bzw. die Nutzungsdauer der Konstruktion limitiert. Ein praktisches Beispiel dafür sind Ermüdungsrisse im Bereich der Verschraubung in Nutzfahrzeugfelgen. In eigenen Voruntersuchungen und anderen Veröffentlichungen wurde für verschiedene Blechwerkstoffe und Schraubengrößen eine Abhängigkeit zwischen der Lastwechselzahl bis zum Auftreten eines Ermüdungsrisses und der Schraubenvorspannkraft ermittelt. Zudem ist dokumentiert, dass der Ermüdungsriss bei geringen Vorspannkräften direkt an der Durchgangsbohrung und bei hohen Vorspannkräften im Kontaktbereich zwischen Mutter und Blech startet. Aus dieser Beobachtung ergibt sich die Herausforderung der gleichzeitigen spannungsmechanischen und tribologischen Beanspruchung des Bauteils infolge der Kontaktpressung und Relativbewegung zwischen Blech und Schraube. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es eine modellhafte, allgemeine Beschreibung dieser Beanspruchung zu erreichen, welche eine Vorhersage über den Ort der Ermüdungsrissbildung sowie die zu erwartenden Lastwechsel ermöglicht. Um dies zu erreichen, werden in einem ersten Schritt die Lebensdauereigenschaften eines repräsentativ verwendeten Blechwerkstoffes und verschiedener Schraubverbindungen experimentell ermittelt. In einem weiteren Schritt erfolgen tribologische Untersuchungen, um experimentell die tribologisch bedingte Ermüdungsrissbildung in Abhängigkeit von Reibwert, Kontaktpressung und Relativbewegung zu ermitteln. Dabei wird angestrebt, die Kontaktpressungsverteilung im Bereich zwischen Schraube und Blech mittels Druckmessfolien zu messen und mit numerischen Modellen zu vergleichen. Basierend auf einer Spannungsanalyse mittels eines Finite-Elemente Modells erfolgt die Entwicklung des Lebensdauerberechnungsmodells für die kombinierte spannungsmechanische und tribologische Beanspruchung. Dabei werden zuerst bestehende Modelle für die spannungsmechanische Ermüdungsrissbildung implementiert. Hier ist eine methodische Verbesserung des Ansatzes der kritischen Ebene (critical plane approach) durch die Anwendung des Newton-Verfahrens vorgesehen. Die modellhafte Beschreibung der tribologisch induzierten Ermüdungsrissbildung erfolgt auf Basis der erzielten Versuchsdaten. Abschließend werden die Lebensdauermodelle miteinander kombiniert. Es erfolgt eine Validierung anhand der erzielten Versuchsdaten sowie der Anwendung des Modells auf weitere kraftschlüssige Verbindungen, wie zum Beispiel Pressverbindungen. Im Rahmen dieses Vorhabens wird angestrebt, die in der Forschungsgruppe vorhandenen Schwerpunkte der Tribologie und Betriebsfestigkeit enger miteinander zu verknüpfen und das Themengebiet der kombinierten tribologischen und spannungsmechanischen Materialermüdung zu vertiefen und zu verstetigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen