Bewertung des Vorspannkraftverlustes in Schraubenverbindungen unter kombinierter mechanischer und thermischer Beanspruchung

Es sind zahlreiche Untersuchungen zur Vorspannkraftstabilität von Schraubenverbindungen unter kombinierter statischer und thermischer Beanspruchung vorhanden, zum Vorspannkraftabbau unter kombinierter zyklischer und thermischer Beanspruchung hingegen existieren erhebliche Wissenslücken. In vergleichenden Relaxations- und Schwingrelaxationsversuchen mit kleinen Schwingkraftamplituden konnte durch Beelich [74] gezeigt werden, dass sich ähnlich hohe Restklemmkräften an Schraube-Mutter- Verbindungen (34Cr4-10.9/Cq35) bei Temperaturen bis 450°C einstellen. Es bleibt jedoch offen, in welcher Höhe eine dauerhaft ertragbare zyklische Beanspruchung das Vorspannkraftverhalten eines verspannten Schraubensystems unter erhöhten Temperaturen beeinflusst. Insbesondere in Bezug auf moderne Leichtmetallverschraubungen liegen keine gesicherten Erkenntnisse vor. Primäres Ziel der Arbeit ist daher die Erarbeitung einer Vorgehensweise zur Bewertung des Vorspannkraftverhaltens von Schraubenverbindungen unter statischer und zyklischer Beanspruchung bei erhöhten Temperaturen am Beispiel zweier gängiger Werkstoffkombinationen (42CrMo4/23MnB4-8.8 und AlSi9Cu3/EN AW-6056 T6). Das Vorspannkraftverhalten wurde an zentrisch verspannten Einschraubverbindungen (Modellverbindungen) in Relaxations- und Schwingrelaxationsversuchen mittels Ultraschall-Messtechnik untersucht. Als Ergänzung zu den Versuchen an der Modellverbindung werden Zeitstand- und Schwingzeitstandversuche an Schrauben sowie statische und zyklische Druckversuche an Bauteilen durchgeführt und dadurch eine getrennte Bewertung des zeit-, last- und temperaturabhängigen Werkstoffverhaltens von Schraube und Bauteil ermöglicht. In diesem Zusammenhang sollen auch die Angaben zu Grenzflächenpressungen und Setzbeträgen in der VDI Richtlinie 2230 [1] kritisch hinterfragt werden, da sich die Richtwerte in den Regelwerken vor allem auf eine ruhende Beanspruchung bei Raumtemperatur beziehen. Die Kennwerte werden in quasi-statischen Versuchen ermittelt und decken weder ein zeitabhängiges Werkstoffverhalten, noch das Verhalten unter einer zyklischen Beanspruchung ab. Der Verwendung dieser Kennwerte liegt daher eine relativ große Unsicherheit zu Grunde. In diesem Zusammenhang soll das am Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt entwickelte Verfahren zur Ermittlung von Grenzflächenpressungen modifiziert und damit Kennwerte unter thermischer und zyklischer Beanspruchung ermittelt werden. Die Prüftechnik soll in Kombination mit Vorspannkraftmessungen an realen Schraubenverbindungen ein einfaches und praxisrelevantes Werkzeug zur Abschätzung der Relaxationsneigung einzelner Verbindungspartner einer Schraubenverbindung darstellen.