Bild 3: Vergleichsspannungszustand σv (von Mises) auf Basis eines Prüflastversuchs nach DIN EN ISO 898-2 5. Links: Sechskantmutter, rechts: Leichtbaumutter, jeweils mit Flansch M 14 x 1,5. Legende 17.07.20 Nr Max MA Nm MG Step 1 Nm MK Step 1 Nm 17 468,36 106,07 305,46 433,24 131,99 0,31 0,15 0,44 - 18 426,29 109,55 310,27 420,87 125,56 0,33 0,16 0,47 - 19 453,69 124,80 290,80 436,16 125,37 0,33 0,19 0,44 - 20 493,51 122,52 335,06 472,16 124,69 0,37 0,19 0,51 - 21 485,19 103,63 303,59 485,19 126,74 0,32 0,15 0,46 - 22 466,74 112,15 294,54 466,74 128,23 0,32 0,16 0,44 - 23 495,88 108,38 277,14 495,88 124,36 0,31 0,16 0,42 - 24 468,75 119,26 277,13 468,75 130,98 0,30 0,17 0,40 - 25 484,53 123,29 301,71 472,11 126,69 0,34 0,19 0,45 - 26 506,00 128,38 337,45 469,76 124,83 0,38 0,20 0,51 - 52 SchmiedeJOURNAL März 2014 Es wird offensichtlich, dass die Berechnung der erforderlichen Mutternhöhe von Annahmen wie den Festigkeitsminderungsfaktoren C1, C2 beziehungsweise C3 abhängig ist, wodurch im Allgemeinen eine Überdimensionierung der Mutternkörper und somit eine Gewichtserhöhung notwendig wird. Nachfolgend sind die Ergebnisse der ortsaufgelösten numerischen Auslegung einer M14 x 1,5-Sechskantmutter mit Flansch anhand eines Prüflastversuchs nach 5 beispielhaft dargestellt (Bild 3). Die Festigkeitseigenschaften des Mutternkörpers basieren auf ortsaufgelösten Ergebnissen der Umformsimulation, welche auf die Fertigteilgeometrie übertragen wurden. Für den Bolzen wurde ein bilinearisotropes Materialmodell auf Basis der vorgegebenen Härtewerte (HärteBolzen = 320 HV30 – 380 HV30) definiert 14. Die Gegenlage wurde bei allen Simulationen als „quasi starr“ definiert. Werden die Ergebnisse der strukturmechanischen Simulationen für die Referenzgeometrie mit den Ergebnissen für die Leichtbaugeometrie verglichen, zeigen sich sowohl unter Betrachtung des Vergleichsspannungszustandes (von Mises) als auch der plastischen Vergleichsdehnung analoge Ergebnisse. Neben der Einbeziehung von Ergebnissen aus ergänzenden numerischen Parametervariationen auf Basis stofflicher, geometrischer und/oder Systemparameter (Reibwert) wurden umfassende Versuchsreihen durchgeführt, welche nicht nur die strukturmechanischen Randbedingungen im verbauten Zustand, sondern ebenfalls Randbedingungen innerhalb des Verschraubprozesses berücksichtigten. So wurden beispielsweise unter Kenntnis des analytischen Ansatzes zur Beanspruchung und Haltbarkeit von Kraftangriffsflächen und Montagewerkzeugen 15 umfangreiche Versuche mit unterschiedlichsten Werkzeugen für den Montage- und Servicefall durchgeführt, um das Konstruktionsprinzip von Schraubverbindungen „Bruch im freien belasteten Gewinde des Bolzens“ einzuhalten. Auf Basis der analytischen und numerischen Auslegung konnte unter Einbeziehung der durchgeführten Versuche mit statischen und dynamischen Belastungszuständen aufgezeigt werden, dass es möglich ist, unter Einhaltung gegebener strukturmechanischer Randbedingungen eine Massenminimierung durch definierte Reduktion von Teilvolumina, die nicht unmittelbar zur Tragfähigkeit beitragen, zu vollziehen. Fazit Durch die Entwicklung einer patentierten Leichtbaumutter (Bild 6) konnten nachfolgende Ziele erreicht werden: • signifikante Massenreduktion von bis zu 20 Prozent gegenüber konventionellen Norm- Muttern 16, 17, 18, 19, Spektrum Bild 4: Plastische Vergleichsdehnung εpl auf Basis eines Prüflastversuchs nach DIN EN ISO 898-2 5. Links: Sechskantmutter, rechts: Leichtbaumutter, jeweils mit Flansch M 15 x 1,5. Mittl. Kopfdurchmesser: 10,5 mm Max MA Step 1 Nm FV Step 1 kN mges Step 1 mG Step 1 mK Step 1 Max Fv kN Bild 5: Vorspannkraftverlauf bis zum Versagensfall „Bruch im freien belasteten Gewinde des Bolzens“ unter Verwendung eines sog. „Surface Driven“- Werkzeugs.
2014-03-Schmiede-Journal
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