A136

Probenvereinheitlichung im Dünnblechbereich für Schwing-Festigkeitsversuche an Verbindungen und Bewertung bisheriger Kennwerte

(A136 S 24/07/1998)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1999 – 30. Juni 2000

Zur Gewährleistung der Funktion eines Bauteils sind je nach Anwendung das statische und dynamische Tragverhalten der Struktur maßgebend. Das Tragverhalten gefügter Strukturen unter schwingender Beanspruchung wird dabei im wesentlichen durch bestimmte Schwingfestigkeitskennwerte charakterisiert. Da die Fügestellen häufig die Schwachstellen des Gesamtverbundes darstellen, werden in den strategisch entscheidenden Bereichen Vorentwicklung, Berechnung, Verfahrensplanung und Konstruktion Schwingfestigkeitskennwerte u. a. als Entscheidungsgrundlage für das einzusetzende Fügeverfahren und den Ort sowie die Anzahl der notwendigen Verbindungen benötigt. Nach dem heutigen Stand der Technik ist es nicht möglich, die Schwingfestigkeitskennwerte von gefügten Dünnblechstrukturen mit hinreichender Genauigkeit zu berechnen. Daher ist es notwendig, die Schwingfestigkeitskennwerte von gefügten Dünnblechstrukturen hinsichtlich des Werkstoffes, des Fügeverfahrens und der konstruktiven Gestaltung experimentell zu ermitteln.

Bei gleichen Grundwerkstoffen und gleichen Verbindungen wird die Prüflast bei verschiedener Struktur der Dünnblechproben unterschiedlich in die Fügestelle eingeleitet, was zu verschiedenen örtlichen Beanspruchungen und Dehnungen und damit zu unterschiedlichen Schwingfestigkeitskennwerten führen kann. Je nach angestrebter Verwendung der Prüfungsergebnisse werden bisher in den Unternehmen und Forschungsstellen verschiedene Proben zur Ermittlung der Schwingfestigkeitskennwerte verwendet. Diese Proben  unterscheiden sich, außer durch die Anzahl und Anordnung der eingebrachten Verbindungselemente, vor allem durch den in der Fügeebene erzeugten Beanspruchungszustand. Die vielfältigen Ergebnisse lassen sich daher nicht miteinander vergleichen und in ein Gesamtsystem einordnen.  

Zur Probenvereinheitlichung wurden vom Arbeitskreis AK-25 der Forschungsvereinigung der Automobiltechnik e. V. (FAT) vier Probentypen zur Untersuchung und Standardisierung ausgewählt. Die vier Probentypen unterscheiden sich durch ihre Form und Abmessungen sowie ihre Beanspruchungsart voneinander. Als primäre Aufgabe des vorliegenden Projekts wurden durch Literaturauswertung und Vergleich der bisher vorliegenden Ergebnisse die Eignungen der vier Probentypen für Schwingfestigkeitsversuche bewertet und Anwendungsbereiche sowie Aussagekraft der Prüfergebnisse abgegrenzt. Die Bewertung erfolgte nach Kriterien, die aus der Sicht der Prüf- und Berechnungsingenieure für die Steifigkeits- und Festigkeitsberechnung erfüllt werden müssen.

Die wichtigsten Geltungsbereiche und -grenzen der einzelnen Proben sind im folgenden kurz zusammengefasst:

Mit der Flachprobe unter freiem Scherzug lässt sich die Beanspruchung der Verbindung bei Schwingfestigkeitsversuchen nicht genau definieren. Die Verhältnisse der Mischbeanspruchung Scherung/Kopfzug unter verschiedenen Lasthöhen können voneinander abweichen, so dass für die ermittelten Wöhlerlinien keine definierbare Beanspruchung angegeben werden kann. Dies gilt auch für die bereits genormte Einpunktprobe.  Daher ist die Flachprobe für die Ermittlung von Schwingfestigkeitskennwerten nicht geeignet. Wegen der Einfachheit kann die Flachprobe unter bestimmten Bedingungen jedoch als Massenprobe für Orientierungsversuche zur Abschätzung der Lebensdauer einer Verbindung hinsichtlich des Einflusses von Fügeparametern, Werkstoff und Blechdicken eingesetzt werden.

Der Vorteil der KS-II-Probe besteht darin, dass die Schwingfestigkeitskennwerte unter gezielter Kombination von Scher- und Kopfzugbelastung  ermittelt werden können. Mit der Probe lässt sich zwar der Einfluss der Fügeverfahren mit punktförmiger und flächiger Verbindung, des Werkstoffs und der Blechdicke sowie der Flanschbreite untersuchen, andererseits weist die Probe jedoch keine Bauteileffekte wie Stützwirkung und Lastumlagerung auf. Daher ist die Probe eingeschränkt für Untersuchungen der Bauteilgeometrie. Der tatsächliche Belastungswinkel kann abhängig von der Einspannvorrichtung und der Probensteifigkeit vom Ausgangswinkel abweichen.

Mit der H-Probe können Schwingfestigkeitskennwerte unter der Grundbeanspruchung Schälen oder Scherung quer zur Naht ermittelt werden. Die ermittelte Schwingfestigkeit lässt sich aufgrund der homogenen Beanspruchung entlang der Naht auf einzelne Fügeelemente oder  pro mm Naht umrechnen, so dass das Tragverhalten pro Verbindungseinheit mit Bauteileffekten wie Stützwirkung und Lastumlagerung ermittelt werden kann, was für ingenieurmäßige Berechnungen und die Verifizierung von FE-Berechnungen maßgebend ist. Die Möglichkeit zur Untersuchung der Werkstoff- und Blechdickenkombination ist wegen unsymmetrischer Beanspruchung an der Verbindung eingeschränkt.

Die Doppelhutprobe unter Torsion, auch kombiniert mit Innendruck, liefert das Ermüdungsverhalten des gesamten Profils. Die einzelnen Fügeelemente in Nahtrichtung sind nicht gleichmäßig belastet und die Scherbeanspruchung liegt in Nahtrichtung nicht in reiner Form vor. Auch der Ort der höchsten Beanspruchung ist von der Proben- und Verbindungsgeometrie abhängig. Das  Tragverhalten der einzelnen Verbindungen ist daher nicht direkt vergleichbar. Die Probe ist jedoch für Bauteiluntersuchungen geeignet.
Bei einer Doppelhutprobe unter Vierpunktbiegung mit einem konstanten Biegemoment entlang der untersuchten Probenlänge tritt keine Schubspannung auf der Verbindungsebene auf.

Um Schwingfestigkeitsversuche unter vergleichbaren Randbedingungen durchführen zu können, wurde als zweite Aufgabe des Projektes ein Lastenheft (Prüfrichtlinien) für die vier Probentypen erarbeitet, in dem die Prüfrandbedingungen wie Probenabmessungen, die Herstellung der Proben, die Prüfbedingungen (Einspannvorrichtung und Versagenskriterium) sowie die Auswerteverfahren der Versuchsdaten festgelegt sind.

Forschungsstelle 1:
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
www.bam.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. H.-J. Krause (vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF