Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analytische Auslegung der Schwingfestigkeit geclinchter Verbindungen

Im Fahrzeugbau sowie in anderen Industriezweigen werden gefügte Bauteile in ihrer

Betriebsphase in der Regel einer periodisch wiederkehrenden Last in Kombination mit einer statischen Last ausgesetzt. Für die rechnerische Auslegung derartig belasteter Strukturen genügt es nicht, getrennt ermittelte Kennwerte aus quasistatischen und zyklischen Versuchen für die Berechnung heranzuziehen, da das Tragverhalten bei unterschiedlich hohen Mittelspannungen nicht allein auf die Festigkeit der Verbindungen unter entsprechender statischer Belastung übertragbar ist. Das Werkstoffverhalten, die Kerbwirkung der Fügezone und die vorliegenden Eigenspannungen bestimmen vielmehr die Eigenschaften des Verbundes. Daher muss das Tragverhalten unter entsprechend kombinierter Beanspruchung ermittelt werden. Insbesondere KMU haben bislang keine Möglichkeiten der kostengünstigen und effektiven Auslegung von geclinchten Verbindungen im Bereich der Schwingfestigkeit.

Der Zusammenhang zwischen der statischen Mittellast und der ertragbaren Lastamplitude kann durch Haigh-Diagramme angegeben werden. Die auf experimentell ermittelten Wöhlerlinien basierenden Diagramme ermöglichen eine sichere und im Sinne des Leichtbaus ökonomische Auslegung entsprechender Strukturen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll, ausgehend von den Erkenntnissen beim Blind- und Halbhohlstanznieten, das Tragverhalten geclinchter Verbindungen unter schwingender Beanspruchung unter Variation der Mittelspannung systematisch untersucht werden. Ziel ist es, im Hinblick auf die konstruktive Auslegung von Clinch-Verbindungen die Schwingfestigkeit und insb. die Mittelspannungsempfindlichkeit zu charakterisieren. Mit Hilfe der Untersuchungen soll eine analytische Berechnung der Ermüdungsfestigkeit von Clinch-Verbindungen entwickelt werden, so dass diese in Richtlinien zur Auslegung eingehen kann. Hierbei dienen die Methoden der FKM-Richtlinie für Maschinenbauteile als KMU orientierte Zielsetzung und Vorlage.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Mittelspannungsempfindlichkeit von geclinchten Verbindungen experimentell charakterisiert. Dabei wurden unterschiedliche Materialkombinationen für das Rundpunktclinchen ohne Schneidanteil sowohl mit starrer als auch geteilter Matrize betrachtet. Im Zuge von experimentellen Untersuchungen wurde dazu die Verbindungstragfähigkeit unter quasistatischer und unter zyklischer Lasteinleitung bestimmt. Darüber hinaus wurde der Einfluss variierender Beölungszustände zwischen den

Fügeteilen auf das Tragverhalten von geclinchten Verbindungen ebenfalls unter quasistatischer und zyklischer Lasteinleitung untersucht. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit unterschiedlicher Ansätze zur funktionalen Beschreibung des Zusammenhangs von statischer Mittelspannung und zyklischer Spannungsamplitude für die Abschätzung der Dauerfestigkeit geclinchter Verbindungen nachgewiesen. Weiterhin wurde in Anlehnung an

die Methoden der FKM-Richtlinie für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Bauteilen die Grundlage für eine Methodik zur rechnerischen Auslegung der Schwingfestigkeit von Clinchverbindungen erarbeitet. Zu diesem Zweck wurden Fügeprozesssimulationen und Belastungssimulationen für die untersuchten Verbindungen durchgeführt, um örtliche Beanspruchungen in den Verbindungen abzuschätzen. Durch die Ergebnisse aus diesem Projekt kann die Schwingfestigkeit geclinchter Verbindungen durch den Anwender anhand bestehender Ansätze abgeschätzt werden. Weiterhin bietet die erarbeitete Berechnungsmethodik einen analytischen Ansatz zur Verbindungsauslegung. Dadurch können Versuchsaufwände und somit Kosten für den Anwender reduziert und die

Ressourceneffizienzbei der Bauteilentwicklung gesteigert werden.