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Michael Niedermeier Hochschule Ravensburg-Weingarten2. Dezember 2015
Vorlesung 151-3207-00L Leichtbau, HS 2015
Krafteinleitung & Verbindungstechnik
18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 1
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Bauweisen & Definitionen
Punktuelle Verbindungen: Niettechnologien
Linienförmige Verbindungen: ausgewählte Schweisstechnologien
Flächenförmige Verbindungen: Kleben
Leitfaden
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Integralbauweise
Minimierung von Einzelteilen => Einstückigkeit => Kraftfluss Vorteil: Funktionsintegration (z.B. Aluminiumstrangpressprofile) Vorteil: Vermeidung Verbindungstechnologie => Kosten! Vorderung: „safe life design“ => Spannungen müssen
unter den Wert der Dauerfestigkeit gesenkt werden,z.B. durch Aufdickungen
Nachteil: Gewicht Nachteil: unter Umständen katastrophales Schädigungsverhalten
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Bauweisen und Definitionen
[Flügelholm Dassault]
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Integralbauweise
[Prof. Dr. H.-G. Haldenwanger, AUDI AG, 2003]
Stoffleichtbau
Formleichtbau
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Differentialbauweise
Einzelteile werden additiv verbunden => Verbindungstechnologiez.B. Rahmenbauweise (space frame) Vorteil: Mischbauweise Faserbunde / Metalle Vorteil: Modularisierung => Reparatur Vorteil: „fail safe design“
=> Strukturunterteilung mit höhere Schadenstoleranzund Ausfallsicherheit
Nachteil: Gewicht
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Bauweisen und Definitionen
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Differentialbauweise
[Zeppelin NT, Privataufnahmen M. Wiedmann]
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Differentialbauweise
[Zeppelin Fachwerkdetails, Privataufnahmen M. Wiedmann]
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Integrierende Differentialbauweise? => Hybridbauweise
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Bauweisen und Definitionen
[BMW i3: Bildnachweis auto motor sport.de, Zugriff November 2013]
Wärmeausdehnungskoeffizienten
abgestimmte Steifigkeiten
Korrosion
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Übersicht Leichtbauwerkstoffe (unvollständig)
Thermoplast-FVK• GF-PP• GF- / CF-PA• GF-PBT / PET• CF-PEI• CF-PEEK• …
Duromer-FVK• GF-UP• GF- / CF-VE• GF- / AF- / CF-EP• GF- / CF-PF• CF- BMI• …
Stahl• DC04• E295• 1.4301• 1.4404• … HSLA• … UHS
Mg-Leg.• AM50• AZ31• AZ91• …
Al-Leg.• EN-AW 2017• EN-AW 5754• EN-AW 6061• EN-AW 7075• EN-AW 8090• …
Ti-Leg.• TiAl6V4• TiV13Cr11Al3• …
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Stoff-leichtbau
[Bildnachweis: Porsche]Verbindungstechnologien?
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Fügen[F.J. Lange,Fügetechnik fürden Leichtbau,DVS 2012]
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Hybridbauweisen => Verbindungstechnologien
[Michael Niedermeier, Multi Material Project: „Kunststoff- / Schweissverbinder“, Alusuisse 2001]
CFK (HT/EP RTM)
EingebetteteAramidschlaufe
GFK Deckschicht(Crash, Korrosion,therm. Ausdehnung)
Al-Karosserieblech „AC 120“
Al-Strangpress.AlMgSi0,7
LASER-MIGNaht
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Bauweisen & Definitionen
Punktuelle Verbindungen: ausgewählte Niettechnologien
Linienförmige Verbindungen: ausgewählte Schweisstechnologien
Flächenförmige Verbindungen: Kleben
Leitfaden
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Nieten: Bauformen
[Bildnachweis: LWF / Uni Paderborn]
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Beanspruchung Nietverbindung
[Niemann/Winter/Höhn, Maschinenelemente 1, Springer 2005]
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Nietverbindungsarten und Schnittigkeit
[Roloff/Matek, Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
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Nietverbindungsarten und Schnittigkeit
[Roloff/Matek, Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
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Verteilung der Nietkräfte: Modellvorstellungen
[Niemann/Winter/Höhn, Maschinenelemente 1,Springer 2005]
Mehrreihige Nietverbindung
F
FGummibandmodell: Kraftverteilung
[Roloff/Matek, Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
F
tatsächliche KraftverteilungF
F
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Berechnung: Nietabmessungen
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Beanspruchung Nietverbindung
[Niemann/Winter/Höhn, Maschinenelemente 1, Springer 2005]
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Berechnung: Tragfähigkeit Niet [Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]
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Berechnung: Tragfähigkeit Niet
=> Tabellen!
[Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]
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Berechnung: [Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]
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Entwurfsberechnung: Anzahl der Niete [Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]
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Lochleibungsfestigkeit Stahl und Titan-Leg. sLzul => sLB bzw. sLF
[Bernd Klein,Leichtbaukonstruktion,Vieweg 2009]
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Lochleibungsfestigkeit Aluminium-Leg. sLzul => sLB bzw. sLF
[Bernd Klein,Leichtbaukonstruktion,Vieweg 2009,siehe DIN EN 5673-3]
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Kriterien Nietgeometrie / Nietwerkstoff
Korrosion Flächenpressung Kopfbereiche Festigkeit
=> gleichartige Niet-Legierung entsprechendmetallischen Grundwerkstoffen beiMonomaterialverbindungen
=> bei Multimaterialverbindungen:ideal Titanlegierungen!
[Bildnachweis: Roloff/Matek,Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
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Blindniet
[Bildnachweis: www.afsrhuck.net/de/uberblick, 18.11.15]
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Übersicht BlindnieteDurchzugsniet
Blindniet mit Spreizdorn
Blindniet offene Niethülse
Blindniet geschlossene Niethülse
Blindniet gespreizte Niethülse
Blindniet Laschen - Niethülse
Planbruch-Blindniet, ND-Sicherung
Planbruch-Blindniet, ND-Sicherung
Aufspreiz-Blindniet, ND-Sicherung
hochfester Blindniet, ND-Sicherung
1
2
1
2
3
4
1
2
3
1
A
B
C
D
geringe Festigkeitsklasse
mittlere Festigkeitsklasse
hohe Festigkeitsklasse
hoch feste Klasse
Fahr
zeug
bau
[Grandt, Blindniettechnik, VMI 1994]
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Schliessringbolzen (bzw. Schraub-/ Passniet)
[Bildnachweis: www.afsrhuck.net/de/uberblick, 18.11.15]
Erhöhung der Dauerfestigkeit:
Einpassung mit Übermass Hohe Klemmkraft => Vorspannung
[Bildnachweis: Avdel]
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Vergleich Blindniet / Schliessringbolzen
Blindniet:
+ einseitige Zugänglichkeit
+ Bohrlochfüllung
Schliessringbolzen:
+ gezielte Vorspannung
+ Reparaturfreundlichkeit
[Bildnachweis: LWF,Uni Paderborn]
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Gestaltung Bolzen- / Nietanschlüsse
Bolzenverbindungen für Zugübertragung.Elastischer Spannungsspitzenfaktor [ALCOA]
Lebensdauer bei Schwingbeanspruchung.
[Wiedemann, LeichtbauElemente und Konstruktion,Springer 2007]
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Stanznieten
[Budde/Pilgrim, Stanznieten und Durchsetzfügen, vmi 1995]
2,5 mm
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Stanznietverbindungen Pkw-Leichtbau
[Bildnachweis: Stanznieten AUDI TT, F.J. Lange, Fügetechnik für den Leichtbau, DVS 2012]
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Stanznieten & Industrieroboter
[Bildnachweis: Böllhoff Stanznieten Porsche Panamera, F.J. Lange, Fügetechnik für den Leichtbau, DVS 2012]
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Stanznieten CFK / Al Ac120
[Michael Niedermeier, Multi Material Project, Alusuisse 2001]
Draufsicht
Rückseite
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Clinchen (Durchsetzfügen)
[Budde/Pilgrim, Stanznieten und Durchsetzfügen, vmi 1995]
[Lange, DVS 2012, AUDI TT]
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Clinchen (Durchsetzfügen)
[Bildnachweis: TOX Pressotechnik Weingarten]
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Clinchen Al Ac120 in CFK (vorgebohrt)
[Michael Niedermeier, Multi Material Project, Alusuisse 2001]
Draufsicht
Rückseite
CFK (HT / EP) vorgebohrt
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Vergleich Clinchen / Stanznieten / WiderstandspunktschweissenSchwingende Scherzugbelastung
Forschungsbericht P283 derStudiengesellschaft für Stahlanwendung,Düsseldorf
[Sekundärquelle: Roloff/Matek,Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
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Bauweisen & Definitionen
Punktuelle Verbindungen: Niettechnologien
Linienförmige Verbindungen: ausgewählte Schweisstechnologien
Flächenförmige Verbindungen: Kleben
Leitfaden
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Schweissen von Leichtbaustrukturen: geringer Wärmeeintrag!
Widerstandspunktschweissen RSP
Wolfram-Inertgas-Schweissen WIG (TIG)
Laserstrahlschweissen / Laserhybridschweissen
Elektronenstrahlschweissen
Rührreibschweissen FSW
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Schweisstechnologien
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Laserstrahlschweissen Karosserieleichtbau
[Bildnachweis: Audi 1998]
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Stahllegierungen: CO2-Laser
Aluminiumlegierungen: Nd:YAG-Laser
Thermoplastische Kunststoffe: Diodenlaser (Wellenlängenbereiche 800 bis 1100 nm)
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Laserstrahlschweissen
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Absorptionsrate
[Bildnachweis: Berkmanns, Faerber, FactsAbout Lasert., Linde AG]
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Laserstrahlschweissen: Nahtanordnungen
[DVS]
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Laserstrahlschweissen
[Bildnachweis: Alusuisse / ALCAN 1998 – 2002]
Al-Sandwichdeckschichtenmit Al-Strangpressprofil
⇒ Festkörperlaser Nd:YAG
kleine Wärmeeinflusszone WEZ (HAZ)
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Detail Dachkonstruktion
PEI-Schaumstoff
AA5754 (1mm)
AA6106 (3mm)
AA6106 (2mm)
Laserschweissnähte
hochfester Blindniet
EP-Verklebung
[Bildnachweis: Stefan Kempa, Alusuisse 1998]
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Wagenkasten Transrapid
[Bildnachweis: Alusuisse 1998]
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Bauweisen & Definitionen
Punktuelle Verbindungen: Niettechnologien
Linienförmige Verbindungen: ausgewählte Schweisstechnologien
Flächenförmige Verbindungen: Kleben
Leitfaden
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KlebenKriterien
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KlebenKleben
[Endlich, Fertigungstechnik mit Kleb ..., Vieweg 1995]
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Klebstoffe
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Beanspruchung Klebstoff
Zug
Scherung => Schub
Druck
Schäl„peel“
Schäl„cleavage“
+
++
+
-
-
[Bildnachweis: Loctite]
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Auslegung Klebeverbindung
[Roloff/Matek, Maschinenelemente, Springer Vieweg 2009]
Besser:bauteilnahe Schwingfestigkeits-untersuchungen
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Abminderungsfaktoren
[Kleben, Gerd Habenicht,Springer Verlag 1997]
Unterschied Labor- / Produktionsqualität: fQ = 0.8
Schwankungen der Werkstoffeigenschaften: fW = 0.66
Korrekturfaktor aus Wöhlerdiagramm fD =
Temperatureinfluss fT =
Alterung fA = 0.3
τB dyn = τKB fQ fW fD fT fA
Faustformel: τB dyn = 0.1 τB
τschwD
τKBτTemp
τKB
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KlebenSpannungsverteilung
s =
t 1s =
t 2lü
Zugspannungsverlaufin den Fügeteilen
Schubspannungsverlaufin der Klebschicht
[Bildnachweis:VDI/VDE 2251,Beuth Verlag 2007]
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Schubspannungsverlauf in der Klebschicht [Volkersen 1938]
2E d t1 2E d t1
τKB entspricht τmSpannungs-spitzenfaktor
fester / steifer /VerformungsarmerKlebstoff
hyperelastischerKlebstoff
τm
[VDI/VDE 2251,Beuth Verlag 2007]
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Klebschicht: Aspekt Steifigkeiten => Spannungsverteilung
∆ =𝐺𝐺𝐸𝐸�𝑙𝑙2
𝑑𝑑 � 𝑡𝑡1Steifigkeitsfaktornach Volkersen
Ziel: homogene Spannungsverteilung in der Klebschicht=> ∆ so klein als möglich
Empfehlungen: kleines Verhältnis G/E anstreben möglichst „weicher“ elastischer Klebstoff Fügepartner mit grossen Steifigkeiten wählen
grosse E-Moduln der Fügepartner grosse Bauteildicken
G: Schubmodul Klebstoffd: KlebschichtdickeE: E-Modul Fügetepartnert1: Dicke „dünnerer“ Fügepartnerl: Überlappungslänge
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Minimierung Spannungsspitzen
[Bildnachweis: Loctite]
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Minimierung Spannungsspitzen
optimale Überlappungslänge?maximal übertragbare stat. Last:
Fügeteil: FBF = Rm b tKlebstoff: FBK = τKB b lümit FBF = FBK
folgt: lüopt = Rm t / τKB
bei duktilen metallischen Werkstoffen: lüopt = Rp0.2 t / τKB
lü
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Klebschichtdicke: Dünnschicht-Strukturverklebung
[Bildnachweis: Vorlesung Prof. Habenicht]
Empfehlung Dünnschicht
Klebschichtdicke dentspricht ca. Rauhtiefeder Fügeteile
Ausnahme Dickschicht!!!
|| 18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 63
Spannungsspitzen minimieren
Bei Mischverbindungen Faserverbundkunststoff / Metall: Fügepartner mit der höheren Steifigkeit schäften!
|| 18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 64
Minimierung Spannungsspitzen
Werkstoff 1: AlMgSi-Leg. Ecodal t=2mmWerkstoff 2: CFK quasiisotrop (HT/EP) t=2mmKlebstoff: EP Betamate 1496Klebschicht d: 0,2mm
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Kleben Karosseriebau
Klebstoff Lieferant Menge Typus E-Modul Fügeteile
XD4600 DOW auto 3,9 l 1K EP 3000 MPa Alu / Alu
E2700 DOW auto 9,3 l 2K PU 3 MPa GFK / GFK
7770 Ashland 1,5 l 2K PU 500 MPa CFK / Al-Guss
[Dr. J. Hill, Aston Martin Lagonda Bad Nauheim 2002]OberflächenvorbhandlungAluminiumkomponenten: schwefelsäure-anodisiertCFK / GFK: entfettet
|| 18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 66
Kleben: Abminderung Spannungsspitzen
|| 18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 67
Vereinfachter Festigkeitsnachweis Verklebung
Sicherheitsfaktor S = ?: Bedingungsleichtbau! Überlastfaktor KA
[Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]
|| 18.11.2015M. NIEDERMEIER - 151-3207-K5-Krafteinleitung und Verbindungstechnik 68
Abklärung Spannungsspitze
2E d t1 2E d t1
τKB entspricht τmVolkersen:
„= 1“ (Vereinfachung)
𝜏𝜏𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝜏𝜏𝐾𝐾𝐾𝐾𝐺𝐺 � 𝑙𝑙2
2𝐸𝐸 � 𝑑𝑑 � 𝑡𝑡1
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Leichtbau: Verbindungstechnologien
punktuell:hochfester Blindniet
Dickschicht-KlebenSandwich-Cockpit / Wagenkasten
linienförmig:LaserstrahlschweissenAl-Blech / Al-Sandwich
[Bildnachweis: Alusuisse / ALCAN, 1998 – 2002]]