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Michael Niedermeier Hochschule Ravensburg-Weingarten2. Dezember 2015

Vorlesung 151-3207-00L Leichtbau, HS 2015

Krafteinleitung & Verbindungstechnik

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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!!!

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Spannungsspitzen minimieren

Bei Mischverbindungen Faserverbundkunststoff / Metall: Fügepartner mit der höheren Steifigkeit schäften!

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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

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Kleben: Abminderung Spannungsspitzen

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Vereinfachter Festigkeitsnachweis Verklebung

Sicherheitsfaktor S = ?: Bedingungsleichtbau! Überlastfaktor KA

[Roloff/Matek, Maschinenelemente,Springer Vieweg 2009]

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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]]