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Pressemeldungen

Dynamische Untersuchungen von Schraubverbindungen mit Niet- und Schweißmuttern

Dauerfest bei doppelter Belastung

Bild 1: Resonanzprüfmaschine für die dynamischen Untersuchungen

Dynamische Untersuchungen von Schraubverbindungen mit Niet- und Schweißmuttern zeigen eine klare Überlegenheit der mechanisch gefügten Befestigungselemente. Bei dynamischer Scherzugbelastung ist die mögliche Anzahl von Lastwechseln bei gleicher Belastung bzw. die ertragbare Belastungshöhe bei vorgegebener Lastwechselzahl bei der Nietmutter um Zehnerpotenzen höher als bei der Schweißmutter. Mit Nietmuttern lassen sich dauerfeste Verbindungen (mindestens 2 Mio. Lastspiele) bei doppelt so hohen Spitzenkräften wie mit Schweißmuttern erreichen.

Mechanisch gefügte Befestigungselemente sind seit über 30 Jahren vor allem in der Automobilindustrie erfolgreich im Einsatz. Verfügbar sind heute eine große Anzahl Muttern und Bolzen für die unterschiedlichsten Anwendungszwecke. Sie können in die Bleche gestanzt, genietet oder eingepresst werden. Obwohl diese Elemente gegenüber schweißtechnisch angebrachten Befestigungselementen gravierende Vorzüge aufweisen, gibt es teilweise immer noch – oft aus Unkenntnis – Vorbehalte gegen ihre Verwendung. Ein für den Anwender wichtiger Faktor ist unter anderem die Festigkeit, mit der das Element im Blech gefügt ist. In Zusammenarbeit mit einem süddeutschen Automobilhersteller hat die Profil Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Friedrichsdorf, Untersuchungen vorgenommen, um die mechanischen Festigkeitseigenschaften von Niet- und Schweißmuttern unter praxisbezogenen Testkriterien miteinander zu vergleichen.

Dynamisches Scherzugverhalten im Vergleich

Untersucht wurde dabei das dynamische Scherzugverhalten von Schraubverbindungen mit Nietund Schweißmuttern der Größe M8. Die Untersuchungen fanden auf einer sogenannten "Resonanzprüfmaschine" 100 HFP 5000 der Roell + Korthaus, Amsler Prüfmaschinen AG statt (Bild 1). Für den Versuch wurde die Probe zwischen einem feststehenden Tisch und einer großen, schwingenden Masse eingespannt. Während eine Gewindespindel für die notwendige Vorspannung sorgte, wurden die dynamischen Kräfte durch Schwingung der Masse in Eigenfrequenz aufgebracht. Die Anregung erfolgte über Magnetkräfte.

Bild 2: Versuchsblech mit Mutter

Es wurden jeweils Proben mit Blechen der Abmessungen 80 mm x 120 mm x 1,6 mm vorbereitet (Bild 2). In diese Bleche wurde mit einem Randabstand von 40 bzw. 25 mm jeweils eine Schweiß- oder Nietmutter eingebracht. Die Proben wurden über eine Flanschschraube M8, Seite 2 von 6 Klasse 8.8, mit einem Gegenblech der Größe 80 mm x 120 mm x 5 mm verbunden (Anzugsmoment 24 Nm) und mit entsprechenden Beilagen zentrisch in die Einspannvorrichtung der Maschine eingespannt (Bild 1). Bei den untersuchten Elementen handelt es sich um eine Nietmutter des Typs RND 08 von Profil sowie eine vergleichbare Rundschweißmutter M8, die einer internen Norm des Automobilherstellers entspricht.

Die speziell für hohe Durchzugskräfte konzipierte runde RND-Nietmutter eignet sich für ein breites Spektrum von dynamischen, statischen und schlagartigen Lastfällen. Solche mechanisch gefügten Befestigungselemente nutzt der Automobilhersteller schon seit vielen Jahren vor allem im Karosseriebereich. Die guten Erfahrungen damit führten zu Überlegungen, sie auch im Chassis- bzw. Fahrwerksbereich sowie im Antriebssektor einzusetzen. Für eine konkret angedachte Verwendung im Antriebsstrang sollte die dynamische Belastungsfähigkeit der Nietverbindung untersucht werden.

Die Proben wurden jeweils in die Maschine eingespannt und mit einer statischen Kraft belastet. Dieser statischen Kraft wurde eine dynamische überlagert, so dass sich eine sinusförmige Belastung im Zugbereich ergab. Das Verhältnis von unterer und oberer Schwellkraft wurde durchgehend mit R=0,1 eingestellt. Damit betrug die Spitzenkraft etwa das Zweifache der statischen Kraft. Die untere Kraft lag bei 10 % der Spitzenkraft im Zugbereich. Die einzelnen Proben wurden unterschiedlichen Belastungen unterworfen, wobei die Anzahl der Lastspiele bis zum Versagen der Schraubverbindung gezählt wurde. Versuchsende war ein Steifigkeitsverlust der gesamten Verbindung von 10 %.

Zur Darstellung der Versuchsergebnisse wurden die Anzahl der Hübe sowie die Spitzenkraft als X- und Y- Wert in ein logarithmisches Diagramm eingetragen. Verbindet man die Einzelergebnisse eines Verbindungselementes bei unterschiedlichen Belastungen, ergibt sich in dieser Darstellung in der Regel eine abfallende Gerade, die sich durch eine logarithmische Kurvenanpassung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmen lässt. Diese Kurven geben damit die 50 %-Überlebenswahrscheinlichkeit für die ausgewiesene Krafthöhe und Belastungszyklen an.

Differenzen beim Standzeit- und Dauerfestigkeitsverhalten

Bild 3: Ergebnisse der Vergleiche zwischen der Nietmutter und Schweißmutter M8

In Bild 3 sind die Ergebnisse der Untersuchung für Proben mit Niet- und Schweißmuttern dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass die Ausgleichsgeraden für die Schweiß- und Nietmutter unterschiedliche Verläufe haben. Insbesondere ist die Steigung der Schweißmutterkurve mit einem Faktor von 2,37 je Dekade deutlich steiler als die der Nietmutter mit einem Faktor von 1,31. Dies bedeutet, dass insbesondere bei Belastungen im mittleren Bereich die Lebensdauer der Schraubverbindung mit einer Nietmutter ein Vielfaches derjenigen der Schweißmutter beträgt. So beträgt die 50 %-Überlebenswahrscheinlichkeit der Seite 3 von 6 Schweißmutter bei einer Belastung von 17 kN etwa 120.000 Lastzyklen, während die einer Nietmutter bei 1,89 Mio. Zyklen liegt. Die Streuungen bei der Schweißmutter sind außerdem größer.

Bei Lastspielzahlen von über 2 Mio. wird Dauerfestigkeit vorausgesetzt. Proben, bei denen höhere Lastspielzahlen auftreten, werden als Durchläufer bezeichnet. Die Versuche wurden bei Überschreiten von 2 Mio. Lastwechseln abgebrochen. Im Bild 3 sind solche Versuche mit einem nicht ausgefüllten Symbol gekennzeichnet. Die Geraden der Kurvenanpassung verlaufen aus diesem Grunde in diesem Bereich parallel zur X-Achse. Eine Wertung der Elemente untereinander ergibt sich demnach aus der Höhe der ertragbaren Dauerbelastung. Diese beträgt für die Nietmutter 16,9 kN und für die Schweißmutter 8,7 kN.

Der Schnittpunkt der beiden Geraden liegt theoretisch bei einer Lastspielzahl von 3.000 und einer Belastungshöhe von 40.000 N. Dieser Wert kann in der Realität jedoch nicht erreicht werden, weil er für beide Wöhlerkurven bereits im Bereich der Kurzzeitfestigkeit liegt. Ein Vorteil der Schweißmutter bei hohen Belastungen ist deshalb auch rein theoretisch.

Unterschiedliche Bruchmechanismen

Bild 4: Bruchmechanismus bei der Schweißmutter, Kraftrichtung nach oben
Bild 5: Bruchmechanismen bei der Nietmutter, Kraftrichtung nach oben

Ein Versagen ist bei allen Versuchen ausschließlich an dem das Verbindungselement tragenden Blechteil zu beobachten. Bei den Schweißmuttern war als Versagensart lediglich eine Rissbildung, ausgehend von einem Schweißpunkt (Bild 4), zu beobachten. Bei den Nietmuttern traten drei unterschiedliche Versagensarten auf (Bild 5):

  • Rissbildung am Blech im Bereich der Zone, in der der Niet ausläuft
  • Rissbildung im Bereich der unteren Einspannung
  • Steifigkeitsverlust der Probe ohne sichtbare Rissbildung

Proben mit der Versagensart "Rissbildung im Bereich der Einspannung" wurden wie Durchläufer betrachtet, d. h. nicht in die Berechnung der Geradengleichung aufgenommen. Das Versagen der Schweißmutterproben ist auf das infolge der Wärmeeinbringung geschädigte Gefüge zurückzuführen: Beim Schweißen wird der Blechwerkstoff im Fügebereich härter und spröder, wodurch sich von den Schweißpunkten ausgehende Risse bilden. Bei der Nietmutter wird beim Umformen dagegen weder die Festigkeit noch die Zähigkeit des Blechwerkstoffes wesentlich beeinträchtigt.

Eindeutige Vorteile für die Nietmutter

Bei dynamischer Scherzugbelastung weist die Nietmutter RND 08 deutliche Vorteile gegenüber einer entsprechenden Schweißmutter auf. Diese Vorteile zeigen sich sowohl im Zeitstand- als auch im Dauerfestigkeitsbereich. Die ertragbare Anzahl von Lastwechseln bei gleicher Belastung Seite 4 von 6 bzw. die ertragbare Belastungshöhe bei vorgegebener Lastwechselzahl ist bei der Nietmutter im Bereich von Zehnerpotenzen höher als bei der Schweißmutter: Bei einer Belastung mit Spitzenkräften von 17 kN kommt es bei einer Schweißmutter bereits bei rund 120.000 Lastspielen zum Versagen. Mit Nietmuttern lassen sich dauerfeste Verbindungen, also 2 Mio. Lastspiele, indessen selbst bei solch hohen Spitzenkräften erzielen. Schweißmuttern erreichen die Dauerfestigkeit dagegen nur bei Belastungen mit Spitzenkräften von maximal 8,7 kN.

Anzumerken ist, dass die genannten Ergebnisse sich nicht auf den untersuchten Bereich von Nietmuttern und Schweißmuttern der Größe M8 beschränken, sondern durchaus Allgemeingültigkeit aufweisen, d. h. die Aussagen gelten generell für alle Nietverbindungen von Profil. Den Automobilhersteller haben die Versuche jedenfalls dermaßen überzeugt, dass er statt der bisher verwendeten Schweißmutter-Befestigungen zukünftig RND-Nietmuttern verwenden wird. Zum Einsatz werden 14 Nietmuttern M8 im Bereich des sogenannten Konsole- Getriebeträgers sowie zwei Nietmuttern M8 beim Konsole-Gelenkwellenträger in den neuen Kompakt- und Mittelklasse-Fahrzeuggenerationen des Premiumherstellers kommen.

Autoren: Dr.-Ing. Richard Humpert, Leiter Technische Entwicklung, Profil Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Friedrichsdorf.

Originalartikel der Zeitschrift Blechnet
Originalartikel der Zeitschrift Blechnet (PDF)

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