Einfluss von werkstofflichen und geometrischen Parametern auf das Trageverhalten einer Schließringbolzenverbindung

Schließringbolzensysteme haben sich bereits in vielen Branchen des Flugzeug- und Fahrzeugbaus sowie in vielen anderen Industrieanwendungen bewährt. Besonders bei hoch beanspruchten Bauteilen oder Konstruktionsgruppen werden gegenwärtig immer häufiger Schließringbolzen in verschiedenen Arten und Modifikationen eingesetzt.

Allerdings halten systematische Untersuchungen sowie Auslegungs- und Berechnungsrichtlinien mit dieser Entwicklung nicht Schritt. Forschungsprojekte über die Tragverhaltens- und Versagenseigenschaften von SRB im Dünnblechbereich und beim Einsatz in Mischverbindungen unter thermischer Beanspruchung sind bereits erfolgreich abgeschlossen worden. Die gewonnenen Erfahrungen und Kenntnisse belegen, dass eine Vielzahl von geometrischen, werkstofflichen und verfahrenstechnischen Parametern die Beanspruchbarkeit von Schließringbolzenverbindungen beeinflussen.

Ein aus der Praxis bekanntes Problem ist das mechanische Fügen vorbeschichteter Bauteile. Während bei Schraubverbindungen ein vorzeitiges Lösen der Mutter bzw. ein Ablösen der Bauteilbeschichtung durch Torsionsreibung auftreten kann und andere Fügeverfahren zum Teil oder gänzlich ungeeignet sind, lassen sich SRB für diesen Einsatzfall erfolgreich einsetzen. Weitgehend unbekannt ist jedoch, welche Auswirkungen Beschichtungsart und -dicke auf Tragverhaltenseigenschaften und Beanspruchbarkeit von SRB-Verbindungen haben.

Diese werkstofflichen und geometrischen Einflussgrößen sind im vorliegenden Forschungsthema anhand von Klemmkraftuntersuchungen sowie statischen und dynamischen Versuchskomplexen eingehender untersucht worden. Dabei kamen typische Stahlbeschichtungen wie KTL- und Zinkbeschichtung sowie Stahl- und Aluminiumbeschichtungen wie ein dreilagiges PUR-Lack-System zum Einsatz. Die Geometrie der Verbindungselemente wurde durch Verwendung dreier verschiedener Schließringbolzenarten mit unterschiedlichen Schließrillenformen variiert.

Im Versuchskomplex Klemmkraftuntersuchungen wurden sowohl Setzprozess- als auch Langzeitvorgänge untersucht. Bei den ermittelten Maximal- und Klemmkraftwerten im Kurzzeitbereich ergaben sich keine signifikanten Einflüsse der Beschichtungsarten und der Bauteilwerkstoffe. Über einen Zeitbereich von 12h traten demgegenüber maximale Klemmkraftverluste von etwa 10 bis 20% bei Verwendung des PUR-Lacksystems und bei den dünneren Beschichtungen zwischen 2 und 4% auf.

Ein signifikanter Einfluss der Bauteilbeschichtungen wurde auch bei den quasistatischen und dynamischen Scherzugversuchen festgestellt. Hier ergaben sich auch qualitative Unterschiede zwischen Stahl- und Aluminiumproben. Bezüglich des Kennwertes Streckkraft-Äquivalent, der nach einem im Forschungsinstitut entwickelten Berechnungsalgorithmus bestimmt wurde, traten Abminderungsraten bei Verwendung der PUR-Lack-Beschichtung von etwa 7% bei Stahlproben und 10% bei Aluminiumproben auf. Im Versuchskomplex Schwingfestigkeitsversuche, in dem Wöhlergeraden an KSII-Proben ermittelt wurden, ergaben sich bei den beschichteten Stahlproben im gesamten Zeitfestigkeitsbereich niedrigere Lebensdauerwerte als bei den unbeschichteten Referenzproben. Bei den untersuchten Aluminiumproben trat bei beschichteten Bauteilen eine Abminderung der dynamischen Beanspruchbarkeit nur bei höheren Kräften, also im Kurzzeitfestigkeitsbereich auf.