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Strukturelles Kleben

Dr.-Ing. Wolfgang Fleischmann Henkel AG & Co. KGaA

28. April 2010

1 Einfhrung Der Begriff Strukturklebstoff wird im allgemeinen Sprachgebrauch fr hoch belastete

Klebstoffe verwendet, die dauerhafte Klebeverbindungen gewhrleisten mssen und im

Versagensfall erhebliche Schden an Personen, Sachwerten oder Umwelt verursachen knnen.

Die Anforderungen an eine Strukturklebung werden in der Regel durch technische

Spezifikationen vorgeschrieben. Diese enthalten neben einer detaillierten Charakterisierung

des Klebstoffes auch Angaben zur geforderten Festigkeit unter Betriebsbedingungen, wie

beispielsweise Belastungsart und Belastungsgeschwindigkeit, Betriebstemperaturen und

Umgebungsmedien, Lebensdauer der Verbindung, sowie Angaben zu den gewnschten

Verarbeitungs- und Prozessbedingungen. Zur Sicherstellung der geforderten Funktionalitt

erfolgt eine Auslegung der Verbindung nach ingenieurtechnischen Prinzipien, die Berechnung

und experimentelle Validierung beinhalten. Qualittssicherungsmanahmen begleiten den

Herstellungsprozess um eine einwandfreie Fertigung der Verbindung sicherzustellen.

2 Strukturklebstoffe Eine bersicht Chemisch reagierende Polymersysteme bilden die Basis fr Strukturklebstoffe. Die

Aushrtereaktion kann durch Zufuhr von Wrme, Vermischen von Harz und Hrter,

Luftfeuchtigkeit oder UV-Strahlung erfolgen. Bei anaeroben Klebstoffen wird die

Abbindereaktion durch Metallionen und Sauerstoffausschluss erzeugt.

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Die wichtigsten Strukturklebstoffe sind:

Epoxidharze Anaerobe Klebstoffe Phenolharze Cyanacrylate Methlymethacrylate Polyurethane Silikone

In diesem Beitrag sollen nur die Epoxidharze und anaeroben Klebstoffe nher betrachtet

werden.

2.1 Epoxidharzklebstoffe Epoxidharzklebstoffe besitzen sehr hohe Festigkeiten. Sie gehren zu den am meisten

verbreiteten Klebstoffen fr strukturelle Klebungen. Ob im Fahrzeug- oder Flugzeugbau

sowie im Bausektor, Epoxidharzklebstoffe trifft man berall. Ihr groer Vorteil liegt darin,

dass sie sich fr Metallklebung eignen und darber hinaus auch auf vielen Kunststoffen eine

gute Haftung aufweisen. Sie besitzen eine sehr gute Bestndigkeit gegen physikalische und

chemische Einflsse, zeigen allerdings im Allgemeinen vergleichsweise geringe Flexibilitt.

Fr schlagbelastete Verbindungen wurden deshalb zh-elastische Varianten entwickelt. Dabei

werden gummielastische Polymere in den Klebstoff eingebracht, die bei der Aushrtung

Kgelchen im m-Bereich bilden. Das Versagen einer Klebeverbindung erfolgt durch das

stetige Wachsen von Rissen in der Klebstoffmatrix und die Gummipartikel wirken als

Rissstopper. Als Duromere zeigen Epoxide nur eine geringe Neigung zum Kriechen und

zeichnen sich durch eine hohe Langzeitbestndigkeit aus. Je nach Typ halten sie einer

Temperaturbelastung zwischen 100 C und max. 200 C auf Dauer stand.. Ein weiterer

Vorteil von Epoxiden ist der geringe Hrtungsschrumpf. Damit erzielt man geringe

Eigenspannungen im Klebstoff, wie auch die Unterdrckung von Durchschlagseffekten, die

insbesondere bei der Verklebung von dnnwandigen Blechen auf Sttzkonstruktionen

bedeutsam ist. Epoxidharzklebstoffe sind als warmhrtende 1- komponentige, kalthrtende 2-

komponentige oder reaktive Hotmelt Systeme verfgbar.

Bei 1-K Epoxidharzklebstoffen handelt es sich um Systeme, bei denen schon bei der

Herstellung Harz- und Hrterkomponente im korrekten Verhltnis miteinander vermischt

werden und die erst nach Temperaturerhhung reagieren. Diese Systeme werden als

einkomponentige, reaktionsfhige Prepolymersysteme geliefert. Die Aushrtung bei

Raumtemperatur wird entweder durch ein erst bei hherer Temperatur wirksames

Katalysatorsystem oder durch Auswahl einer erst bei hherer Temperatur reaktionsfhigen

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zweiten Amin-Komponente verhindert. Die Temperaturschwelle fr die Initiierung der

Reaktion kann anwendungsspezifisch formuliert werden und beginnt bei etwa 80 C.

Sonderprodukte fr die Elektronikindustrie reagieren schon bei niedrigeren Temperaturen,

erfordern jedoch bis zur unmittelbaren Verarbeitung die Einhaltung einer durchgngigen

Tiefkhlkette mit Lagertemperaturen von -40 C. Im Karosseriebau hingegen liegt die

Reaktionstemperatur der Klebstoffe im Bereich von 140 180 C, da hier die

Klebstoffaushrtung mit der KTL Lacktrocknung kombiniert wird.

Die kalthrtenden 2-K-Epoxidharzsysteme bestehen aus einer Harz Komponente und einer

Hrter Komponente. Als Epoxidharz werden Polymerbausteine verwendet, die an den

Moleklenden sogenannte Epoxidgruppen tragen. Meist werden dazu die Reaktionsprodukte

aus Bisphenol-A und Epichlorhydrin eingesetzt, die nach dem Vermischen mit dem Hrter,

der Amino- oder Mercaptogruppen enthlt, einen stabilen Duroplasten bilden. Diese Systeme

hrten je nach Formulierung der Klebstoffkomponenten ber einige Minuten bis hin zu

einigen Tagen bei Raumtemperatur aus. Beim Festlegen der Ansatzmenge muss, wie

bei allen 2-k-Sytemen beachtet werden, dass die chemische Aushrtungsreaktion sofort

nach dem Zusammengeben und dem Vermischen der Komponenten beginnt. Mengen

die nicht innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden knnen, mssen entsorgt werden.

Eine Anhebung der Temperaturen bewirkt auch bei 2-komponentigen Systemen zum einen

eine Erhhung der Reaktionsgeschwindigkeit, zum anderen kann eine weitere Vernetzung der

Epoxidgruppen erfolgen, was zu einer Steigerung von Festigkeit und Bestndigkeit der

Klebung fhrt.

Epoxidharz-Schmelzklebstoffe sind reaktive Schmelzklebstoffe und werden direkt vor der

Verarbeitung in der jeweilig bentigten Menge aufgeschmolzen und bei Temperaturen

zwischen 60 und 80 C aufgetragen. Bereits whrend der Abkhlung der Klebstoffe

verfestigten sich diese und machen eine Handhabung mglich. Nach dem Abbinden bilden

sich Duromere, und damit ein nicht wieder schmelzbares Polymernetzwerk. Sie besitzen im

Vergleich zu den thermoplastischen Schmelzklebstoffen eine wesentlich hhere innere

Festigkeit. Einsatz finden diese Systeme vorwiegend im Automobilbau.

2.2 Anaerobe Klebstoffe Anaerobe Klebstoffe basieren auf modifizierten Acrylsure-Estern, z. B. TEGMA

(Tetraethylenglykoldimethacrylat). Es handelt sich um 1- komponentige Klebstoffe, die nicht

gemischt werden mssen, ebenso sind keine Topfzeit zu beachten. Sie hrten unter Aus-

schluss von Sauerstoff und Anwesenheit von Metallionen aus. Die Vernetzung luft nach dem

Mechanismus einer radikalischen Polymerisation ab. Solange Sauerstoff vorhanden ist, wird

diese Reaktion inhibiert, indem die Radikale durch Sauerstoff abgefangen werden und so nur

reaktionstrge Peroxid-Radikale gebildet werden. In diesem Zustand liegt der Klebstoff im

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Anlieferungszustand vor. Um nicht vorzeitig auszuhrten, muss der Klebstoff bis zum

Gebrauch in seiner Verpackung Kontakt mit Sauerstoff haben. Hierzu bedient man sich

luftdurchlssiger Kunststoffflaschen, die nur halb gefllt werden.

Wird der Klebstoff in eine enge Klebfuge zwischen zwei Substraten eingebracht, so wird er

durch die Geometrie der Fgeteile von der Umgebungsluft abgeschlossen. Damit liegen

sauerstofffreie Verhltnisse vor und die Reaktion kann beginnen. Fr einen raschen

Reaktionsverlauf ist es jedoch ferner notwendig, dass Metallionen, vorzugweise Kupfer oder

Eisen, vorhanden sind. Diese Metallionen knnen entweder direkt aus den zu verbindenden

metallischen Oberflchen der Substrate stammen oder bei kupfer- und eisenfreien Fgeteilen

von einem flssigen Aktivator, mit dem gelste Metallsalze vor dem Fgen auf die

Oberflchen aufgebracht werden. Die Vernetzung anaerober Klebstoffe luft in einem

komplexen Kreisprozess, bestehend aus Metallkomplexbildung, Metallionenreduktion und

Radikalbildung ab, der sich sehr rasch selbst regeneriert und damit eine effektive und

vollstndige Aushrtung der Klebefuge gewhrleistet.

Anaerob ausgehrtete Klebstoffe sind Duromere und knnen hohe Festigkeiten und groe

Temperaturbestndigkeit erzielen. Die mit besonders hochfesten, anaerob hrtenden

Klebstoffen verbundenen Fgepartner lassen sich erst bei Temperaturen von 300 bis 400C

wieder lsen. Allerdings sind diese Klebverbindungen sehr sprde, so dass sie nicht fr

flexible Fgeteile geeignet sind. Die Aushrtung erfolgt ausschlielich im gefgten Bereich,

wobei nur eine geringe Spaltbreitenberbrckung erzielt werden kann. Eine sinnvolle

Obergrenze fr die Spaltbreite liegt im Bereich 0,25 mm. Anaerobe Klebstoffe sind hufig

relativ dnnflssig. Durch Kapillarwirkung dringen sie deshalb bis in die kleinsten

Zwischenrume und Rautiefen ein und erzeugen damit einen hundertprozentigen Stoffschluss

mit einer entsprechend hohen Lasttragfhigkeit.

Anaerob hrtende Klebstoffe werden neben ihrer fgenden Funktion als Klebstoff

gleichzeitig oft als Dichtstoff verwendet, da sie sehr bestndig gegen le, Lsungsmittel und

Feuchtigkeit sind. Auf Grund all dieser Eigenschaften werden anaerobe Klebstoffe bei

Klebungen im Motorenbereich im Fahrzeugbau eingesetzt. Weitere typische

Anwendungsgebiete sind im allgemeinen Maschinenbau das Kleben von rotations-

symmetrischen Fgeteilen wie Wellen- und Zahnradklebungen an Elektromotoren,

Flanschklebungen, sowie ihr Einsatz zur Schraubensicherung.

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3 Konstruktionsbetrachtungen bei strukturellen Klebeverbindungen

Festigkeit und Langzeitbestndigkeit von strukturellen Klebeverbindungen werden vorrangig

durch folgende Parameter beeinflusst:

Klebstoff Werkstoff Einsatzbedingungen Klebfugengeometrie Belastung

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Klebstoffs bestimmen

Adhsionsvermgen und die innere Festigkeit einer Klebverbindung. Die Werkstoffe, deren

Oberflche sowie die Einsatzbedingungen beeinflussen die Klebstoffauswahl unmittelbar.

Ebenso hngt die Langzeitbestndigkeit direkt stark von diesen Kriterien ab.

Die Klebfugengestaltung wird als wichtigster Parameter fr den optimalen Einsatz eines

ausgewhlten Klebstoffs angesehen. Die Gestaltung muss den Limitationen des Klebstoffs

(z.B. Durchhrtetiefe, Spaltfllung) angepasst und dahingehend optimiert werden, die

ungnstigsten Belastungen fr Klebeverbindungen (Spalt- und Schlbelastungen) zu

vermeiden.

3.1 Konstruieren von Klebeverbindungen Der Konstruktionsprozess fr eine Klebeverbindung hat 2 Hauptziele:

Eine kontrollierte Materialbeanspruchung Eine montagegerechte Konstruktion

Bei der Kontrolle der Materialbeanspruchung wird auf die spezifischen Eigenschaften der

Klebstoffe Rcksicht genommen um ein Optimum an Verbindungsqualitt zu erzeugen.

Wesentlicher Unterschied zu allen anderen Fgetechniken ist, da das Kleben ein flchiger

Verbindungsprozess ist und unter Scherung oder Druck die besten Leistungen entfaltet.

Neben festigkeitsbezogenen berlegungen sind auch Klebstoffspezifika hinsichtlich des

Montage- und Verarbeitungsprozesses zu beachten. Hierzu zhlen die Verarbeitung des

flssigen oder pastsen Klebstoffs. Eine saubere und definierte Auftragung trgt nicht nur zu

Qualitt der Verbindung bei, sondern ist auch ein wesentlicher Bestandteil der

Arbeitsplatzhygiene und untersttzt damit die generelle Akzeptanz des Verfahrens.

Fgeprozess und Klebstoffaushrtung sind ebenfalls wichtige Auswahlkriterien. Typische

Fragen hierbei sind: Ist die Fgeflche fr den Klebstoffauftrag leicht zugnglich? In welcher

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Lage befindet sich dabei das Werkstck? Besteht die Gefahr des Ablaufens des Klebstoffes

vor dem Fgen? Kann der Fgeprozess innerhalb der Offenzeit des Klebstoffs vollzogen

werden? Nach welcher Zeit mu eine Handfestigkeit zur schadlosen Weiterverarbeitung des

Werkstcks gegeben sein? Welche maximalen Temperaturen sind bei der Aushrtung zulssig?

Kann das Werkstck berhaupt erwrmt werden?

Die auf Klebeverbindungen einwirkenden Krfte fhren abhngig von der Wirkrichtung zu

unterschiedlichen Arten von Spannungen. Die Belastungen knnen auf die drei Grundlasten

Zug, Druck und Scherung zurckgefhrt werden. Schl- und Spaltbelastungen knnen als

Kombination dieser Grundlasten betrachtet werden. In Falle reiner Zug- und reiner

Druckbelastung ist die Spannungsverteilung in der Klebefuge sehr gleichmig. Somit wirkt

auf jeden Teil der Klebeflche dieselbe Belastung und zur Berechnung der Spannungen wird

die Kraft einfach durch die Flche geteilt. In der Realitt treten reine Zug- und

Druckbeanspruchungen nur sehr selten auf, meist trifft man Scher-, Schl- der

Spaltbelastungen an. Die hierbei auftretenden Spannungen sind ungleichmig im Klebespalt

verteilt und schwieriger zu berechnen als bei der einfachen Zug- und Druckbelastung. Bei

einer auf Scherung belasteten Klebeverbindung bauen sich an den Enden der Klebefuge

Spannungsspitzen auf, whrend im mittleren Bereich der Klebstoff weniger belastet wird.

Besonders hohe, linienfrmig konzentrierte Lastspitzen formieren sich bei Schlbelastungen

und sind insbesondere bei Dnnschichtklebungen mit hochfesten Klebstoffen und geringer

Verformungsfhigkeit zu vermeiden. Ist diese Belastung aus konstruktiven Grnden

unumgnglich, ist zu prfen, ob alternativ eine elastische Dickschicht-Klebung mglich ist,

die durch ihr Verformungsvermgen in der Lage ist Spannungsspitzen in betrchtlichem

Mae abzubauen.

3.2 Gestaltung ebener Klebeverbindungen Eine optimale Klebfugengestaltung zeichnet sich durch eine gleichfrmige

Spannungsverteilung aus. Aus diesem Grund mssen Konstrukteure gute Kenntnisse darber

besitzen, wie in Klebfugen die Spannungsverteilung bei Einwirken von Krften erfolgt. Bild 1

zeigt die Spannungsverteilung bei verschiedenen Lastarten. Beim Konstruieren von

Klebeverbindungen sind einige Leitlinien zu beachten.

Die Spalt- und Schlbeanspruchung ist auf ein Mindestma zu reduzieren

Die Spannungsverteilung in Bild 1 lt erkennen, da Schl- und Spaltbeanspruchungen nach

Mglichkeit auszuschlieen sind. Bild 2 zeigt einige Vorschlge, wie Schl- oder

Spaltbelastungen in gnstigere Belastungen umgewandelt werden knnen.

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Zug

Scherung

Druck

Schlung

Spalt

Belastungsarten und ihre Spannungsverteilungin der Klebefuge

Bild 1: Die hufigsten Belastungsarten und ihre Spannungsverteilung in der Klebfuge

Schlecht > < Lsungsoption

Schlbeanspruchung und konstruktiveGegenmanahmen

Bild 2: Schlbeanspruchungen und konstruktive Gegenmanahmen

Die Klebeflche ist bis zum Hchstma zu vergrern

Ein weitere einfache, aber sehr wichtige Mglichkeit, Klebfugen zu verbessern oder eine

Konstruktion so zu verndern, da sie sich fr das Kleben eignet, ist, die Klebeflche zu

vergrern. Hufig ist die Klebeflche so klein, da eine zu hohe Schl- oder Spaltbelastung

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aufgebracht wird. Die Steifigkeit der Bauteile und des Klebstoffs beeinflut die Bruchlast von

Klebeverbindungen. Im allgemeinen gilt: Je steifer ein Bauteil, desto geringer der Einflu der

Klebfugengeometrie auf die Festigkeit der Klebung.

schlecht: lange, schmale berlappung

gut: breite, kurze berlappung

Manahmen zur Vergrerung derKlebeflche (1)

Bild 3: Vergrerung der Klebeflche: Die Bruchlast erhht sich proportional mit der Vergrerung der Klebfugenbreite. Eine Erhhung der berlappungslnge fhrt zu einer unterproportionalen Erhhung der Bruchlast

Bild 3 zeigt, da mit Erhhung der berlappungslnge der Durchschnittswert der

Schubspannung verringert wird, und dies fhrt zu einer unterproportionalen Erhhung der

Bruchlast. Sind grere Klebeflchen erforderlich, um die Belastung zu tragen, ist es

sinnvoller, die Breite der Klebfuge zu vergrern als deren berlappungslnge.

Mit grerer Klebstoffschichtstrke knnen Klebeverbindungen gegenber

Scherbeanspruchungen besser elastisch nachgeben. Die zustzliche Dicke verteilt die

Scherbelastung ber einen greren Bereich. Dies fhrt zu einer geringeren spezifischen

Verformung des Klebstoffs und folglich zu einer Verringerung von Spannungsspitzen. Dies

ist mit der Verwendung eines Klebstoffs mit geringerem E-Modul vergleichbar; in beiden

Fllen entsteht eine strker elastisch nachgebende Klebeverbindung.

Optimierung berlappter Klebefugen

Exzentrische Krafteinleitungen sind zu vermeiden: Eine einfach berlappte Klebeverbindung

zeigt aus verschiedenen Grnden keine gleichmige Schubspannungsverteilung. Ein Grund

sind die exzentrisch angreifenden Krfte, die bei einer solchen Verbindung ein Biegemoment

verursachen. Dieses Biegemoment ruft zustzliche Zugspannungen hervor, insbesondere an

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den Endpunkten der Klebung. Wie Bild 5 zeigt, lassen sich die negativen Auswirkungen des

Biegemoments auf unterschiedliche Weise verringern.

Manahmen zur Vergrerung derKlebeflche (2)

Schlecht > < Lsungsoption

Bild 4: Gnstige und weniger gnstige Beanspruchungen von Klebeverbindungen

Einfache berlappung= gut

Doppelte Laschung= sehr gut

einfache Laschung= gut

30 Schftung= sehr gut

Doppelte berlappung= gut

Vermeidung exzentrisch wirkender Krfte

Bild 5: Deformation einer einfach berlappten Verbindung durch exzentrisch wirkende Krfte sowie verschiedene Mglichkeiten zur Beseitigung von Problemen aufgrund exzentrisch wirkender Krfte

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Die Schubspannungsverteilung wird durch die Verbreiterung der Klebefuge nicht verndert.

Dies bedeutet, da die Bruchlast von berlappten Klebeverbindungen proportional mit der

Klebfugenbreite zunimmt, d.h. eine doppelte Klebfugenbreite fhrt zur Verdoppelung der

Bruchlast. Eine Optimierung der Fugenberlappung bedeutet nicht einfach, die Klebefuge auf

ein Hchstma zu verlngern, da sich die Bruchlast nicht proportional mit der

Klebefugenlnge oder der Klebeflche erhht. Aus der Verteilungskurve der

Scherbeanspruchung ist ersichtlich, da die Enden einer Klebung einer hheren

Beanspruchung standhalten als die Mitte der Klebefuge. Wird die berlappungslnge deutlich

erhht, so hat dies nur geringe oder gar keine Auswirkungen in Bezug auf die Bruchlast. Dies

ist darauf zurckzufhren, da die Klebefuge an der Spannungsspitze am Endpunkt der

berlappung, dort wo die Adhsions- oder Kohsionsfestigkeit des Klebstoffs berschritten

wird, zu brechen beginnt.

3.3 Gestaltung zylindrischer Fgeverbindungen Bei diesen Verbindungen werden zylindrische Teile durch Ineinanderschieben gefgt. Ein

typisches Beispiel stellen Lager in Elektromotorgehusen dar.

Die American Standards Association (ASA) begann 1920 damit, Verfahren fr

Preverbindungen zu standardisieren. Der ASA-Standard B4.1 Preferred Limits and Fits For

Cylindrical Parts" (Empfohlene Grenzen und Passungen fr Wellen und Naben) wurde jedoch

erst 1955 verffentlicht. Das Verfahren beschrnkte sich auf massive Teile, die die

Spannungen aufnehmen knnen, welche von Prepassungen hervorgerufen werden. Die

ersten Anwendungen fr Fgeklebstoffe wurden 1963 in der Lagerindustrie bekannt. Die

Kufer neuer Lager konnten dank der Fgeklebstoffe eingelaufene Lagersitze retten - ein

Segen fr Benutzer von Elektromotoren, da sie ihre Gehuse nicht mehr verschrotten muten.

Es gibt vier Verbindungsarten, die Drehmomente, Radial- und Axialkrfte, von der Welle auf

die Nabe (oder umgekehrt) bertragen:

Formschlu (z.B. Pafedern) Reibschlu (z.B. Presitz) Schweien und Lten Kleben

Bei geklebten Welle-Nabe-Verbindungen werden zwei Arten unterschieden:

Geklebte Spielpassungen Die Teile werden mit Spiel gefertigt. Der ausgehrtete Klebstoff bertrgt die gesamte Last.

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Geklebte Schrumpf- oder Prepassungen Die Last wird gemeinsam vom ausgehrteten Klebstoff und der Reibung zwischen den Teilen aufgrund der

bermapassung bertragen.

In beiden Fllen wird der Klebstoff im flssigen Zustand aufgetragen und fllt die Klebefuge

vollstndig aus. Der Klebstoff hrtet zu einem festen Duroplast aus und stellt so eine

Verbindung zwischen den Oberflchen her.

Bei der klebegerechten Gestaltung von Welle-Nabeverbindungen ist es vorteilhaft einige

Grundprinzipien der Kraftbertragung und Materialbeanspruchung zu beachten. Wie fr alle

Klebeverbindungen gilt auch hier, da Druck- und Schubspannungsbelastungen generell von

Vorteil sind. Die an der Kraftbertragung beteiligten Werkstcke sollten die geringstmgliche

Deformation erfahren. Die Werkstcke sind so zu gestalten, da scharfe Lastbergnge

vermieden werden und die Steifigkeit der Teile aneinander angepasst ist.

Hinweise zur Konstruktion und Fgetechnik Die Klebetechnologie vereinfacht die Konstruktion, Fertigung und Montage von Teilen. Beim

Montieren von Lagern kann der Klebstoff beispielsweise bis zu einem gewissen Grad

Zentrierungsfehler ausgleichen. Dadurch kann der Einbau von Wellen und Lagern

spannungsfrei erfolgen, was die Lebensdauer erhht und die Verwendung der Teile nach

einem einfachen Reinigungsvorgang wieder ermglicht. Im Vergleich zu klassischen

Fgemethoden mit bermapassung erlaubt Klebstoff den Einsatz von dnnwandigeren

Bauteilen.

Konstruktive Verbesserungen bei Welle-Nabe Verbindungen

Umwandlung von Zug- in ScherspannungVermeide lange berlappung, vergrere Durchmesser

Bild 6: Konstruktive Verbesserungen bei Welle-Nabe Verbindungen

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Es ist uerst wichtig, die Lastbedingungen zu bercksichtigen, um die Konstruktion einer

Klebeverbindung zu optimieren. Die meisten Verbindungen bertragen eine Kombination von

Axial- und Radialkrften und Dreh- und Biegemomenten. Belastungen knnen statisch sein

oder dynamisch wirken.

In einer Welle-Nabe-Verbindung sollten im Betrieb nach Mglichkeit Schl- und

Spaltbelastungen auf ein Minimum reduziert werden, whrend dafr die Druck- und

Scherbelastungen, die auf den Klebstoff wirken, maximiert werden sollten. Bereits

geringfgige nderungen der Teilegeometrie knnen zu deutlichen Verbesserungen der

Festigkeit fhren.

In der Praxis sind die Spannungen in einer Welle-Nabe-Verbindung nicht gleichmig ber

die Fgelnge verteilt. Am Beginn des Fgebereiches treten Spannungsspitzen auf, was

bedeutet, dass eine Verlngerung der Klebefuge nicht zu einer proportional festeren

Verbindung fhrt. Der Konstrukteur hat aber die Mglichkeit, durch eine geeignete

Teilegeometrie solchen Spannungsspitzen entgegenzuwirken.

Abbau von Spannungsspitzen durchNabengestaltung

Anpassung der TeilesteifigkeitVermeide scharfe Lastbergnge

Bild 7: Abbau von Spannungsspitzen durch Nabengestaltung

Werden in Welle-Nabe-Verbindungen Werkstoffe mit unterschiedlichen Wrme-

ausdehnungskoeffizienten verwendet kann dies zu unerwnscht hohen Zugbelastungen fr die

Klebeschicht fhren.

Es knnen drei Verfahren angewendet werden, die gewhrleisten, dass die Klebeverbindung

der Wrmeausdehnung standhlt:

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Zustzliches Kleben bei bermapassungen

Klebstoffe knnen zur Untersttzung von bermapassungen verwendet werden. Sofern ein

geringfgiges berma im gesamten Betriebstemperaturbereich erhalten bleibt, ist eine

funktionsfhige Verbindung gegeben.

Spielpassung mit groem Klebespalt

Die relativ niedrigen E-Moduli, sowie der relativ hohe Ausdehnungskoeffizient der

Fgeprodukte ermglichen eine Reduzierung bzw. Eliminierung der Zugspannung in der

Klebefuge, indem Toleranzen so festgelegt werden, da bestimmte Strken des Klebstoffs

gewhrleistet sind.

Schrumpfgeklebte Spielpassung

Eine schrumpfgeklebte Spielpassung ist vorzunehmen (ca. 0,05 mm Spiel bei einem

Durchmesser von 50,0 mm), wenn das Auenteil einen greren

Wrmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das Innenteil, wie z.B. eine Stahlwelle (oder

Lager) in eine Riemenscheibe (oder Gehuse) aus Aluminium. Der Klebstoff wird auf das

Innenteil aufgetragen und das Auenteil wird erwrmt. Dann werden beide Teile

zusammengefgt (blich ist eine Temperaturdifferenz von 100C).

Durch diese Fgemethode werden Druckspannungen in der Klebstoffschicht erzeugt. Fhrt

die unterschiedliche Temperaturausdehnung whrend des Betriebs zu einer Vergrerung des

Klebespalts, dann verringern sich die im Klebstoff wirkende Druckspannungen. Dies

ermglicht eine betrchtliche Wrmeausdehnung, bevor eine nicht mehr tolerierbare

Zugbelastung auf den Klebstoff einwirkt.

Werden Klebeverbindungen hohen dynamischen (zyklischen) Belastungen ausgesetzt, mu

die Dauerfestigkeit der Verbindung bercksichtigt werden. In umfangreichen Versuchsreihen

wurden Whlerkurven ermittelt, die die Torsionsfestigkeitswerte wiedergeben.

Die in Bild 7 gegebenen Hinweise zu Nabengestaltung bedrfen einer intensiveren

Erluterung um im Einzelfall erfolgreich angewandt werden zu knnen. Bild 8 vergleicht die

Scherspannungsverlufe einer geraden und einer angeschrgten Nabe. Die Anschrgung

bewirkt ganz eindeutig eine Reduzierung der Scherspannungsspitze am Nabenende. Bild 9

zeigt fr die gleichen Geometrien den Verlauf der Radialspannung. Durch das weichere

Nabenende wird die Radialspannung und damit auch das durch Kraftschluss bertragbare

Drehmoment reduziert. Bild 10 vergleicht die beiden Geometrien hinsichtlich ihrer Fhigkeit

zu Lastbertragung. Es zeigt sich da fr einen geklebten Schiebsitz die Variante mit der

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angeschrgten Nabe 40% mehr Drehmoment bertragen kann, whrend bei einer

bermapassung (Schrumpf- oder Presssitz) der Vollnabe eindeutig der Vorzug zugeben ist.

BC

BBA

A

B

A

C

B

A

B

CB

C

BBBCDEFGFEABDA

BCDEEDCB

BCC

DC

BBBB

B

CC

DDE

CD

FGHEF

D

AEGHI

X

Y Z

A =0 B =5 C =10 D =15 E =20 F =25 G =30 H =35 I =40 J =45 K =50

B

DCDEC

DBB

BA

B

C

CB

A

CEFDECACDDDB

BBCCC

B

B

CCDEDFEGHFG A

BB

EF

X

Y Z

1 2

Shear stress r [N/mm]

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30berlappungslnge [mm]S

cher

span

nung

[N/m

m]

21

Anschrgen bewirkt bessere Lastverteilung

Einflu der Nabengeometrie auf dieScherspannung

Bild 8: Scherspannungsverlauf bei 2 verschiedenen Nabengeometrien

Anschrgen bewirkt geringere Radialspannung

A =-150 B =-140 C =-130 D =-120 E =-110 F =-100 G = -90 H =-80 I =-70 J = -60 K =-50 L =-40 M = -30 N =-20 O = -10 P =0

P

GMO

HKLP

J

N

I

MN

O

P

LM

N

O

K

P

M PO

N

P

EGHIJK

OPPP

FIJJLMON

FGHK JLN

DEFIHK

IJ

ML

GFH

K

GHI

JK

IJ

L

KL

IJ

K

I

L

JK

LM

J

M

KL

J

M

JHKL

OLPMKJ PNOLMNO

I

X

Y Z

P

LM

N

O

PO

NOP

P

KMNP

JO

G

P

MN

O

P

DEFHIKL

OPPPEGHI

JLNO

PP

FGJKM

P

CHFIE

KJHIL

GFG

HIJKL

IJK

JK

LM

KL

LMM

N

LMNNNOONO OMNI

JPO

PKLNM

O

N

HM

X

Y Z

1 2

-15 0

-12 5

-10 0

-75

-50

-25

00 5 10 15 20 25 30

Overlap distance [mm]

Radia

l stre

ss r

[N/m

m]

1

2

Radial stress r [N/mm]

Einflu der Nabengeometrie auf dieRadialspannung

Bild 9: Radialspannungsverlauf bei 2 verschiedenen Nabengeometrien

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Wirkung der Anschrgung hngt vom Verbindungstyp ab

12

1

1.39

0

0.5

1

1.5

12

1

0.47

0

0.5

1

1.5

after Muschard

d=40 mmClearance ~ 3%0 d

after Berg

d=80 mmInterference ~ 0,2%0 d

Schiebesitz berma-Passung

d

l = d

1 2

PhD Thesis 1983 LBF-Report 189, 1990

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ive st

reng

th

Relat

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reng

th

Auswahl der geeigneten Nabengeometrie

Bild 10: Auswahl der Nabengeometrie

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4 Berechnung von Klebverbindungen Die grundstzlichen Ziele bei der Auslegung und Berechnung von Klebeverbindungen

sind die Schaffung einer technisch und wirtschaftlich optimierten Konstruktion, der

quantitativen Verifikation von Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit, sowie die Minimierung

des Aufwandes fr physische Tests. Bild 11 gibt einen berblick der derzeitigen

Festigkeitsberechnungs-methoden fr Klebeverbindungen. Eine einfache

Vergleichsspannungsrechnung mit empirischen Korrekturfaktoren erlaubt eine schnelle,

wenn auch nicht sonderlich genaue Abschtzung der Belastungsfhigkeit einer

Klebeverbindung. Darber hinaus stehen analytische und numerische Methoden zur

Verfgung. Die dazu erforderlichen Werkstoffkennwerte sind jedoch nur teilweise

ffentlich zugnglich und werden oft anwendungsspezifisch ermittelt.

Grundprinzip:# wirkende Kraft/Klebeflche = Ist-Spannung# Ist-Spannung mu kleiner zulssige Spannung sein

Ermittlung der zulssigen Spannung:Empirische Methoden

# Bruchfestigkeit X empirische Korrekturfaktoren

Analytische Methoden# Bruchfestigkeit X Faktoren aus Werkstoffkennwerten

Numerische Methoden# Finite Elemente Berechnungen = Bruchfestigkeit X Faktoren aus Werkstoffkennwerten auf Differential-Ebene

Abschtzung der Festigkeit derVerbindung

Bild 11: berblick Methoden zur Festigkeitsberechnung

Da Klebstoffe etwa 1 2 Grenordnungen kleinere Materialfestigkeiten aufweisen als

Metalle muss zur Erzielung einer wirtschaftlichen Werkstoffnutzung eine Kompensation

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ber die Klebeflche erfolgen. Als gnstige Klebegeometrie sind deshalb flache

berlappklebungen anzustreben, wobei die Orientierung der Last zur Teilegeometrie von

Einfluss ist. Eine Besonderheit bei Klebeverbindungen ist, dass es sich hierbei nicht um

homogene Werkstoffe handelt, sondern um Verbundsysteme, deren Eigenschaften sich

aus denen der Fgeteile, des Klebstoffs sowie den Grenzflcheneigenschaften

zusammensetzen.

Bild 12: Einflussparameter auf die Festigkeit einer Klebung

Die auf den Verbund wirkenden Krfte erzeugen Spannungen in der Klebung. Je nach

Wirkrichtung der Krfte relativ zur Fgeteilgeometrie werden diese als Zug-, Druck-,

Schub-, oder Scherspannungen bezeichnet. Biege- und Schlspannungen sind

berlagerungen von Zug- und Scherspannungen.

Fr die weitere Betrachtung ist es sinnvoll zwischen dnnen, steifen Klebschichten und

dicken, elastischen Klebschichten zu unterscheiden. Dnne Klebschichten weisen eine

inhomogene Spannungsverteilung auf, mit erheblichen Spannungsspitzen an den Enden

der Klebung. Dicke Klebschichten knnen durch elastische Verformung diese

Spannungsspitzen weitgehend abbauen.

Geometrische Gestaltung

Beanspruchung

Fgeteil-werkstoff

Klebstoff

Festigkeit

Klebung

Klebgerechte Konstruktion

Grenznahe Klebschicht Oberflche

- 19 -

Bild 13: Geometrische Klassen von Klebfugen

Ursache der Nichtlinearitt der Spannungsverteilung in dnnen Klebschichten ist die

elastische Deformation der Fgeteilpartner durch die einwirkenden Krfte. Eine grobe

Abschtzung ob eine Klebschicht als dnn/steif oder dick/elastisch zu betrachten ist,

kann mit Hilfe des Steifigkeitsfaktors nach Volkersen durchgefhrt werden. Dieser

berechnet sich mit = (G/E) * (l/(s*d). Dabei sind G = Schubmodul des Klebstoffes, E = Elastizittsmodul der Fgepartner, l = berlappungslnge, s = Dicke der Fgeteile, d =

Dicke der Klebschicht. Zur Erzielung eines mglichst homogenen Spannungsfeldes in

der Klebschicht soll der Steifigkeitsfaktor mglichst klein sein. Fr Werte < 0,01 kann von einer elastischen Klebschicht ausgegangen werden. Da die Formel die mechanischen

Werkstoffparameter des Verbundes wie auch dessen Geometrie beschreibt, lassen sich

damit auch die grundlegenden Einflussparameter auf die Homogenitt der

Spannungsverteilung erkennen. Fr eine gleichmige Belastung der Klebschicht ist ein

mglichst kleines Verhltnis von G/E anzustreben. Dies bedeutet eine Kombination eines

mglichst weichen, elastischen Klebstoffes mit mglichst steifen Fgepartnern. Groe

berlappungslngen erhhen und fhren damit zu Spannungsspitzen, whrend groe Fgeteilstrken und dicke Klebschichten verkleinern und zur Vergleichmssigung des Spannungsfeldes beitragen.

Flache Klebfugen

Runde Klebfugen

Dnne(steife)

Klebschicht

Dicke(weiche)

Klebschicht

Nichtlinear Spannungsspitzen

Elastische Verformung Abbau von Spannungs-spitzen

Dnne(steife)

Klebschicht

Nichtlinear Spannungsspitzen Zustzlich Tangential- spannungen

- 20 -

Die Anpassung der erzielbaren Festigkeiten an spezifische Randbedingungen erfolgt mit

Abminderungsfaktoren. Bei mehreren Faktoren kommt das Multiplikationsverfahren zum

Einsatz.

4.1 Flache Flanschflchen

Analytische Anstze

Der einfachste Rechenansatz berechnet die auftretende Zug-, bzw. Schubspannungen aus

dem Quotienten der einwirkenden Kraft und der Klebflche.

Bild 14: Einfachste, idealisierte Rechenanstze fr Belastung bei Zug und Schub

z < b Betriebszugspannung < Zugspannung bei Bruch Fist/A < Fmax/A mit Fmax = Fbruch

b bei Klebstoffen Rm bei Metallen unter Vernachlssigung der Querkontraktion

< b Betriebsschubspannung < Schubspannung bei Bruch Fist/A < Fmax/A mit Fmax = Fbruch

fgesamt = *fn = f1*f2*f3.....

max = fgesamt* b max = fgesamt* b

- 21 -

Diese Vorgehensweise geht aber von idealisierten Voraussetzungen wie z.B.

momentenfreie Belastung und unendlich starren Fgeteilen aus, die in der Praxis so nicht

anzutreffen sind. Bei dnnen, steifen Klebschichten ist fr eine realistische Betrachtung

immer von elastischen Fgeteilen, einer elastisch-plastischen Klebschichtverformung und

dem Auftreten von Biegemomenten auszugehen. Wird beispielsweise die oben gezeigte

einfache auf Zug belastete Verbindung durch exzentrische Krafteinleitung am Rande der

Klebschicht zustzlich mit einem Biegemoment beaufschlagt so verringert sich die

bertragbare Last auf 25% der ursprnglichen Bruchlast. hnliche Verhltnisse werden

auch bei schubbelasteten Klebeverbindungen gefunden.

Erste Berechnungsanstze fr schubbelastete Verbindungen gehen auf Volkersen zurck

mit den vereinfachenden Annahmen einer linear-elastischen Klebschicht (Realitt ist

elasto-plastisch), einem homogenen Werkstoff, gleicher Geometrie und reiner

Schubbeanspruchung ohne Biegemoment. Goland und Reissner ergnzten das Volkersen-

Modell um den Einfluss eines Biegemoments und Hart-Smith fgten Anisotropie und

Klebschichteinfluss auf die Biegung hinzu. Heutiger Stand der Technik sind die

Lsungen von Bigwood und Crocombe die das nicht-lineare Verhalten der Klebschicht

mit plastischer Deformation von Fgeteilen und Klebstoff bercksichtigen. Wesentliche

vereinfachende Annahmen des Bigwood-Crocombe Modells sind dass die

Schubspannung in der Klebschicht nicht das Biegeverhalten der Substrate beeinflusst,

sowie dass Querspannungen in der Klebschicht vernachlssigt werden. Die Gleichungen

des Bigwood-Crocombe Modells knnen fr verschiedene Geometrieflle noch

analytisch gelst und mit Tabellenkalkulationsprogrammen berechnet werden. Einige

Musterlsungen sind bei ESDU verfgbar, z.B. #92041 fr einfach berlappte

Verbindungen, #78042 und #80011 fr doppelt berlappte Verbindungen und #79016

und #80039 fr gestufte Geometrien. Henkel hat fr eine Auswahl gngiger Loctite

Hysol Strukturklebstoffe auf Basis des Bigwood-Crocombe Modells das Programm

JointCalc entwickelt, das auf einfache Weise eine erste Eignungsauswahl der Klebstoffe

und eine Festigkeitsabschtzung fr verschiedene Anwendungsgeometrien und

Einsatztemperaturen ermglicht.

- 22 -

Wolfgang Fleischmann / TAW 26Mrz 2010

JointCalc - Beispiel

Gemeinsamer Nachteil der analytischen Lsungen ist die Erfassung der

Werkstoffparameter fr Fgeteile, Klebstoffe und Geometrien in zum Teil gemeinsamen

Berechnungskoeffizienten. Dies hat einen erheblichen Prfaufwand zur Ermittlung der

bentigten Datenstze zur Folge. Im Programm JointCalc sind beispielsweise mehr als

8000 Datenstze hinterlegt.

- 23 -

Finite Elemente Methoden

Die Finite Elemente Analyse (FEA) ist eine allgemeine numerische Methode zur

Beanspruchungsanalyse von Strukturen und kann auch fr Klebeverbindungen eingesetzt

werden. Das zu untersuchende Bauelement oder das Lsungsgebiet wird in kleine

Teilregionen, die Finite Elemente, aufgeteilt. Die FEA beruht auf dem Theorem das

besagt, dass belastete Strukturen sich so verformen, dass die potenzielle Energie des

Systems minimiert wird. Die Deformation wird durch Knoten an den Elementen, den

nodes, erfasst, die auch die Ankopplung an Nachbarelemente bernehmen. Zur

Erfassung des korrekten Deformationsverhaltens wurde fr die verschiedenen

Anwendungsflle eine Vielzahl von Grundelementtypen entwickelt. Es gibt

eindimensionale (Stbe, Balken), zweidimensionale (Dreiecke, Parallelogramme) und

dreidimensionale (Tetraeder, Quader) Elemente. Die eigentliche Deformationsantwort

auf eine Krafteinwirkung eines Elements wird durch Materialmodelle beschrieben. Fr

Klebverbindungen an Blechteilen haben sich beispielsweise fr das Stahlblech das Shell-

Element Type_6 und das Materialmodell MAT_3 und fr den Klebstoff das Solid-

Element Type_20 und das Materialmodell MAT_138 als gut geeignet erwiesen.

Ergnzend wird in nchster Zeit das Materialmodell MAT_240, verfgbar sein, ein tri-

lineares Modell, das eine verbesserte Beschreibung der Dehnratenabhngigkeit der

Klebstoffmoduli und des Klebstoffversagens bis zur vollstndigen Trennung der

Fgepartner ermglicht.

Die wesentlichen Programme am Markt sind ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA,

NASTRAN, PAMCRASH. Wichtiges Auswahlkriterium ist die Fhigkeit hochgradig

nichtlineare Gleichungssysteme lsen zu knnen. Dies ist bei FEA Add-Ons, die in

letzter Zeit als Ergnzung zu groen CAD Programmen angeboten werden hufig nicht

der Fall.

Als Eingabedaten bentigen die Materialmodelle mglichst eindeutige und universell

einsetzbare Kennwerte fr das Klebstoffverhalten. In Gegensatz zu den analytischen

Methoden werden bei der FEA die Werkstoffeigenschaften der Fgeteile und der

Klebstoffes getrennt bearbeitet. Der gngige Zugscherversuch mit dnnen Substraten

nach DIN EN 1465, DIN 53283, ASTM D-1002 ist damit nicht zur Kennwertermittlung

fr die Scherfestigkeit geeignet, da die eigentliche Scherspannung durch Biegemomente

- 24 -

und Bauteildehnungen berlagert wird. Ebenso ist die dicke Zugscherprobe nach DIN EN

14869-2 und DIN 54451 bei hochfesten Klebstoffen bereits kritisch zu bewerten, da auch

hier der Einfluss der Fgeteildehnung nicht vernachlssigt werden kann.

Derzeit am besten bewhrt haben sich folgende Methoden zur Eigenschaftsbestimmung

der Klebstoffe:

DMA-Sweep zur grundstzlichen Ermittlung des Temperaturverhaltens und der Dehnratenabhngigkeit durch Erstellung einer Masterkurve

Zugversuch nach ISO 527-2 mit optischem Extensometer zur Ermittlung der / Kurve, des Elastizittsmoduls E und der Querkontraktion

Scherversuch an einer Rohrprobe nach DIN EN 14869-1 zur Ermittlung - Kurve und des Schubmoduls G

Bruchmechanischer TDCB (Tapered Dual Cantilever Beam) Test zur Ermittlung der Energiefreisetzungsrate GIC unter Zugbelastung

Bruchmechanischer ENFS (Ended Notched Flexural Specimen) Test zur Ermittlung der Energiefreisetzungsrate GIIC unter in-plane Scherung unter 4-

Punkt Biegung

Bruchmechanischer MMFS (Mixed Mode Flexural Specimen) Test mit asymmetrischem Prfling zur Ermittelung der Energiefreisetzungsrate GI/IIC

unter 4-Punktbiegung

Diese Versuche sind unter Variation von Temperatur, Dehnrate und den zu erwartenden

Umweltbedingungen wie Feuchte oder Medien durchzufhren. Fr dynamisch langzeit

beanspruchte Konstruktionen sind zustzlich Dauerschwingversuche zur Absicherung der

Lebenserwartung mit Hilfe von Whlerkurven anzusetzen.

Die Nutzung der FEA Methode erlaubt die Modellierung geklebter Verbindungen in

einem Umfang, der mit den herkmmlichen analytischen Methoden nicht zugnglich ist.

Einige der Vorteile sind die Erfassung komplexer Geometrien bis hin zur Fahrzeug-

Gesamtkarosse, die Bercksichtigung komplexen Materialverhaltens, die Einbeziehung

gekoppelter Multi-Physik Probleme, die Erkennung von Problemzonen mit Stress-

Singularitten, die intuitiv nicht erkennbar sind, sowie die Simulation hoch-dynamischer

Vorgnge wie z.B. Crash-Situationen.

- 25 -

Eine verlssliche Durchfhrung einer FEA-Berechnung erfordert jedoch speziell

geschultes Personal und viel praktische Erfahrung in der Modellierung. Fr den

Einsteiger in die Welt der FEA-Berechnung sind entsprechende Trainingskurse

unabdingbar. Einige der vorgenannten Anbieter von FEA Programmen bieten

mittlerweile auch Vertiefungskurse zur Klebschichtmodellierung an. Einige

Forschungsinstitute und Ingenieurbros bieten FEA, sowie die zugehrige

Kennwertermittlung als Dienstleistung an. Ebenso wird von den groen Herstellern von

strukturellen Klebstoffen Untersttzung bei der Berechnung und

Materialcharakterisierung gegeben.

4.2 Welle-Nabe Verbindungen Einfache zylindrische Verbindungen knnen axiale Lasten oder Drehmomente durch

bermapassungen, geklebte Spielpassungen oder geklebte bermapassungen

bertragen. Mit einigen wenigen Parametern knnen die zulssigen Lasten fr diese

Verbindungen berechnet werden.

Die statische Scherkraft, die fr jedes Fgeprodukt angegeben wird, ist ein typischer

Wert, der aus Testergebnissen an Stahlprfkrpern der Standardgre (12.5mm

Durchmesser und 11mm Fgelnge) stammt. Mit diesem Wert kann man die Bruchlast

der Verbindung bestimmen. Diese Bruchlast ist proportional zur Klebeflche, wird aber

auerdem noch von anderen Faktoren beeinflusst, wie z.B. der Konstruktion der

Verbindung und den Nutzungsbedingungen.

Geklebte Spielpassung

Die axiale Bruchlast der Verbindung kann wie folgt beschrieben werden:

F = A x B2 x fc mit F = Auspresskraft; A = Fgeflche; B2 = Druckscherfestigkeit des Klebstoffs fc = Produkt der Korrekturfaktoren

fc ist das Produkt aus einer Reihe von Faktoren, die festigkeitsbeeinflussende Parameter

beschreiben. Die wichtigsten sind:

- Art der zu fgenden Werkstoffe

- Art der Verbindung

- 26 -

- Gre des Spiels/bermaes

- Einsatztemperatur

- Geometrie

Weitere Details zur Abschtzung dieser Faktoren finden Sie in den Tabellen auf den

folgenden Seiten.

Die Fgeflche berechnet sich aus:

D = Durchmesser

L = berlappungslnge

Somit wird die axiale Auspresskraft:

Das Torsionsmoment errechnet sich mit r = D/2 aus:

Geklebte bermapassung Wird ein Fgeklebstoff in Verbindung mit einer bermapassung eingesetzt, dann kann

die Berechnungsformel so erweitert werden, da sie die Reibungskrfte, die durch den

radialen Fugendruck erzeugt werden, beinhaltet.

Die axiale Auspresskraft wird somit:

Und das Drehmoment

T = F x r

mit P = radialer Kontaktdruck zwischen den Teilen; = effektiver Reibungskoeffizient .

c2B fLDF =

[ ])P()f(LDF c2B +=

rFT =

LDA =

- 27 -

P kann mit der klassischen Formel zur Berechnung von Presitzen bestimmt werden.

ist nur schwerlich genau bestimmbar, jedoch ergibt die Annahme eines Wertes von 0.2 fr Stahl/Stahl Paarungen meist eine realistische Abschtzung der Festigkeit.

Werden Klebstoffe bei einer bermapassung angewandt, verndern sich die

Korrekturwerte nicht mit Ausnahme des Montagefaktors f7.

Ein Wert f7 = 1.2 ist typisch fr Schrumpfverbindungen und f7 = 0.5 fr Prepassungen.

Hinweis: Diese Formeln sind eine Abschtzung der Festigkeit der Verbindung. Ein

experimenteller Nachweis an der Originalverbindung erbrigt sich dadurch nicht.

Dynamische Belastung: Ermdungsfaktor

Die Bruchkrfte, die mit diesen Formeln errechnet werden, reprsentieren die maximal

mgliche, statische Belastung der Verbindung. Wie bei den meistern Materialien und

Baugruppen, kann eine dynamische Belastung bei viel niedrigeren Werten zum Versagen

der Verbindung fhren. Umfassende Tests haben gezeigt, da folgende

Abminderungsfaktoren als Minimum anzusetzen sind:

- 30% des statischen Wertes bei geklebter Spielpassung unter Torsionslast.

- 60% des statischen Wertes bei geklebter bermapassung unter Torsionslast

- 10-15% fr axial belastete Verbindungen.

Die unten stehende Grafik zeigt die typische Verbesserung, die mit geklebten Welle-

Nabe Verbindungen erreicht werden kann.

- 28 -

Bild 15: Scherfestigkeitsvergleich fr statische Lasten

Korrektur Faktoren

Die angegebenen Scherfestigkeiten stammen von Testergebnissen mit Standard Wellen

und Naben Prfkrpern gem Mil Spec. R46082A. Wo die Fgeteilgestaltung von

diesen Bedingungen abweicht, sollten Korrekturen vorgenommen werden.

Faktor f1: Werkstoff

Werkstoff Korrekturfaktor

Flustahl 1

Stahllegierung 0.8 bis 1

Aluminium * 0.3 bis 0.8

Gueisen 0.,8 bis 1

Kupfer und

Kupferlegierungen

0.4 bis 0.7

Rostfreier Stahl 0.4 to 0.7

Zn or Cd Auflagen 0.3 bis 0.6 *handelsbliche Aluminiumlegierungen weisen ein sehr breites Spektrum in Bezug auf die chemischen und mechanischen

Eigenschaften auf.

Scherfestigkeit [N/mm]

50

40

30

20

10

0 50 403020100 -50 -40 -30

Spalt [m] berma [m]

( Schiebe sitz)

(geklebter Schrumpfsitz)

nichtgeklebter mit Reibungsk. =

(geklebterPresitz

nichtgeklPresit

= 0,07

- 29 -

Faktor f2: Durchmesserspiel

Die beste Leistung wird bei einem Spiel zwischen 0,02 und 0,07mm erreicht. Bei

grerem Spiel wird die Festigkeit reduziert. Vorzugsweise sollten die

Konstruktionswerte der Spalte nicht die Spaltempfehlungen in den Datenblttern der

Klebstoffe berschreiten. Sehr groe oder kleine Spiele bentigen eine wesentlich hhere

Sorgfalt bei der Montage.

- 30 -

Faktor f3: Geometrie

Groe Flchen und stark unterschiedliche Fgelngen/Durchmesser Verhltnisse

verstrken eine ungleiche Belastungsverteilung und mindern somit die effektive

Festigkeit des Klebstoffs. Mit oben stehendem Diagramm knnen Korrekturfaktoren fr

eine Spanne von Konfigurationen und Oberflchengren abgeschtzt werden.

Faktor f4: Betriebstemperatur

Die Scherfestigkeit des Klebstoffes ist bei hheren Temperaturen reduziert. Die Grafik

zeigt Korrekturfaktoren fr verschiedene Klebstofftypen. Der Betrieb der Verbindung bei

erhhter Temperatur ber lngere Zeit fhrt zu Alterung und Festigkeitsverlust.(siehe f5.)

Die einzelnen Klebstoffe sollten nicht bei hheren Temperaturen als in der Grafik

angezeigt, eingesetzt werden.

- 31 -

Faktor f5: Wrmealterung

Die prozentual erhaltene Festigkeit nach kontinuierlichem Betrieb bei hheren

Temperaturen ist fr verschiedene Loctite Produkte als Korrekturfaktor in der folgenden

Grafik dargestellt

- 32 -

Faktor f6: Medien

Folgende Tabelle zeigt den Prozentsatz beibehaltener Festigkeit als Faktor nach 30 Tagen

Medieneinlagerung bei 87C und anschlieendem Test bei 22C

Produkt 601

603

638

662

641 648

661

Medium

Luftreferenz 1.0 1.0 1.0 1.0

Toluol 0.7 0.9 0.7 1.0

JP-4-Jet Fuel 1.0 1.0 1.0 1.0

Alkohol 0.95 0.95 0.65 1.0

Glycol & Wasser 0.5 0.6 0.6 0.8

Minerall 1.0 1.0 1.0 1.0

Wasser 0.7 0.6 0.7 0.8

Faktor f7: Montage

Montageart Spielpassung Prepassung Schrumpfpassung

Montagefaktor 1.0 0.5 1.2

Bei Spielpassung Klebstoff fllt Klebestelle voll

Bei Prepassung Etwas Klebstoff wird whrend der Montage abgestreift

Bei Schrumpfpassung Klebstoff fllt die Klebestelle und steht unter Druck- Belastung

Die manuelle Berechnung unter Bercksichtigung all dieser Faktoren ist ausserordentlich

zeitaufwendig, insbesondere wenn durch Parameter-Variation ein Optimum gesucht wird. Von

Henkel Loctite ist deshalb das Rechenprogramm RetCalc entwickelt worden. Es frgt

systematisch mit Hilfe strukturierter Eingabemasken die erforderlichen Betriebsparameter ab,

bestimmt dann selbststndig die richtigen Korrekturfaktoren und berechnet die zu erwartenden

Festigkeiten und Sicherheitsfaktoren.

Ein umfangreicher Literaturvergleich von gemessenen Werten und Berechnungsergebnissen zeigt

eine sehr gute bereinstimmung.

- 33 -

Bild 16: Verifizierung der Berechnungsergebnisse fr geklebte Welle-Nabe Verbindungen

Bild 17: Berechnungsprogramm Retcalc fr Welle-Nabe Verbindungen

Henkel Loctite bietet einen Berechnungsservice mit diesem Programm seinen Kunden an.

- 34 -

Beispiele von Belastungsberechnungen

(a) Zahnrad auf Kupplungstrger Bei der Montage eines Zahnrades auf einen Kupplungstrger, wurden bei der

ursprnglichen Methode drei Stifte auf die Trennlinie zwischen den beiden verbindenden

Oberflchen zentriert gesetzt.

Die Stifte hatten eine Reihe von Nachteilen:

- Schwierig anzufertigende Bohrungen zwischen den Kontaktflchen, oft Ausschu.

- Verformung der Teile wegen leichter Prepassung und der Stifte

- nach Montage Nachbohren notwendig

Der Durchmesser der verklebten Oberflchen zwischen dem Stahlzahnrad und dem

gusseisernen Kegel betrgt 32 mm und die Lnge der Verbindung 15 mm. Wegen des

relativ dnnen Schnitts der Teile konnte keine andere Mglichkeit als eine Verklebung

zum Ersatz fr die Stifte gesehen werden. Man dachte auch an Passfedern, aber die

Wandstrke des Kegels war zu dnn.

Es wurde ein Fgeprodukt mit einer Scherfestigkeit von B2 = 25N/mm ausgewhlt. Das bertragbare Drehmoment errechnet sich mit:

Korrekturfaktoren:

f1 = 0,8 (Stahl auf Gusseisen)

f2 = 1 (Spiel 0.025 bis 0.075)

)xf(x2

xLxDT c2B2

=

- 35 -

f3 0.71 (A = 1507mm. L/D = 0.47)

fc f1 x f2 x f3 = 0.57

Einsetzen dieser Werte in die Formel ergibt:

Um die Berechnung zu berprfen wurden Festigkeitstests durchgefhrt. Die Verbindung

versagte bei 430 Nm, was auf einen guter Sicherheitsfaktor der Berechnung hinweist. Da

die in der Praxis auftretende Belastung dynamisch ist, sollte das Drehmoment nicht das

0.30-fache des berechneten (oder gemessenen) Wertes bersteigen. In diesem Fall

entspricht dies einem Rechenwert von 103 Nm, bzw. 126 Nm auf Basis des

Messergebnisses. Diese Werte liegen deutlich ber dem bentigten Drehmoment von 18

Nm.

(b) Zahnkranz auf Differentialgetriebetrger Bei der ursprnglichen Montage eines Zahnkranzes auf ein Differentialgetriebegehuse

wurde eine Halterungsplatte mit Schrauben eingesetzt.

Die Konstrukteure wollten das Gewicht und Kosten reduzieren. Das Design wurde dahin

gehend gendert indem man den Zahnkranz an den Differentialtrger mit einem 0.25mm

berma aufpresste. Damit erzielte man jedoch nicht die bentigte dynamische

Drehmomentenfestigkeit von 3420Nm. Eine Erhhung der bermapassung htte die

Materialfestigkeit des Zahnkranzes berfordert.

Die Konstrukteure entschieden sich deswegen fr eine leichte Schrumpfpassung mit

0.004-0.12mm berma in Kombination mit einem Fgeklebstoff um die bentigte

Festigkeit zu erreichen.

Die Berechnung ergibt:

Nm343)57,0x25(1000x2

15x32x14,3T2

==

)fP(2

LDT c2B2

+=

- 36 -

Korrekturfaktoren:

f1 = 0,8 (Stahl auf Gueisen)

f2 = 1.2 (Schrumpfpassung)

f3 = 0,6

f4 = 0,9 (Temperatur 120C)

fc = f1 x f2 x f3 x f4 = 0.52

B2 fr Fgeprodukt = 25 N/mm Klebstofffestigkeit = 25x0,52 = 13 N/mm

Mechanische Festigkeit = P x = 2.3 N/mm

Bei Einsetzen dieser Werte in die Formel ergibt sich als statisches Drehmoment:

Dynamische Abminderung = 0,35

Geschtzte dynamische Dauerfestigkeit = 11,3000x0,35 = 3955 Nm

Tatschlich bentigt = 3420 Nm

Nm11300)52,0253,2(10002

2414014,3T2

=+=

- 37 -

5 Anwendungsbeispiele

5.1 Flache Flanschflchen

In nahezu allen Industriebereichen werden heute strukturelle Klebstoffe zur Herstellung

konstruktiver Verbindungen eingesetzt. Insbesondere im Leichtbau ist die Klebetechnik

nicht mehr weg zu denken. Historisch betrachtet war es der Flugzeugbau bei dem die

ersten Strukturklebstoffe eingesetzt wurden. Heute ist der Fahrzeugbau der

Innovationstreiber dieser Technologie. Hufig wird das Kleben auch mit anderen

Fgeverfahren wie dem Punktschweissen, dem Stanznieten oder dem Clinchen

kombiniert um die Vorteile der jeweiligen Methoden optimal zunutzen. Man spricht in

diesem Fall von Hybridfgeverfahren.

Aus der Flle der Anwendungen knnen hier nur einige Beispiele exemplarisch

dargestellt werden.

Automobilbau

Strukturklebungen an der Rohkarosse von Blechteilen wie z.B. Hutprofilen und

Verstrkungsblechen mit dem Ziel einer erhhten Struktursteifigkeit oder einer

verbesserten Crashfestigkeit. Untersuchungen zeigen, dass geklebte oder hybridgefgte

Verbindungen im Vergleich zu den nur punktgeschweissten Pendants eine hhere

Dauerfestigkeit und einen besseren Steifigkeitserhalt aufweisen und damit zum

dauerhaften Fahrkomfort beitragen. Auch konnte nachgewiesen werden, dass geklebte

Strukturen im Crashfall eine hhere Energieaufnahme und Verformungsfhigkeit

besitzen als herkmmlich gefgte Bauteile. Die Weiterentwicklung im Leichtbau fhrt

auch im Automobil zum vermehrten Einsatz von faserverstrkten Kunststoffbauteilen

deren Integration in die Fahrzeugstruktur ohne Klebstoffe nicht denkbar wre.

Luft- und Raumfahrt

Hier werden technologisch an die Klebstoffe, die Vorbehandlung der

Werkstoffoberflchen und die Prozessfhrung die hchsten Anforderungen gestellt. Das

- 38 -

Ergebnis sind hchstbelastbare und ausserordentlich dauerhafte Verbindungen, die auch

nach Jahrzehnten Betriebsdauer keinerlei Schden und Nachlassen der Festigkeit

aufweisen. Typische Anwendungen sind Verbindungen von Teilen aus hochfesten

Aluminium-Leichtmetalllegierungen oder Titan am Flugzeugrumpf wie auch an Flgeln

und Leitwerken. In letzter Zeit haben auch CFK-Klebungen in diesem Bereich stark an

Bedeutung gewonnen. Beispielsweise werden die Versteifungs-Stringer am

Seitenleitwerk des Airbus A380 mit Epoxidharz geklebt.

Windkraftanlagen

Hier werden die Flgelschalen der Rotorbltter an die tragende Unterstruktur geklebt.

Zum Einsatz kommen thixotropierte 2k-Epoxidharz oder auch PUR Klebstoffe mit

langer Offenzeit. Bei den Substraten handelt es sich um GKF- oder GFK/CFK-

Komposites. Die Betriebstemperaturen liegen im Bereich -40C bis +80C. Klebstoffe

fr dieses Einsatzgebiet bedrfen der Zulassung durch den Germanischen Lloyd.

Allgemeiner Maschinenbau

Das Einkleben der Endringe von Druckwalzen ermglichte im Vergleich zum bisherigen

Ltverfahren eine erhebliche Kosteneinsparung durch Wegfall von nachtrglicher

Richtarbeit sowie eine lngere Standzeit der Walzen durch die hohe dynamische

Belastbarkeit der Klebeverbindung.

Sportartikel

Bei Golfschlgern werden die metallischen Schlgerkpfe in Schfte aus Metall oder

faserverstrktem Kunststoff eingeklebt. Der verwendete Epoxidharz-Klebstoff mu eine

ausserordentlich hohe Schlagbestndigkeit besitzen um Aufschlagsgeschwindigkeiten

von bis zu 50 m/s standzuhalten.

- 39 -

5.2 Welle-Nabe Verbindungen

Lager

Die typischen Vorteile von Klebstoffen zur Montage von Lagern sind folgende:

- Sicherungsringe und Schleifarbeiten entfallen.

- gestufte Wellen werden vermieden und identische Lager knnen auf Wellen mit

konstantem Durchmesser montiert werden.

- Eine verbesserte Lagerausrichtung kann erreicht werden

- Die montierten Teile sind abgedichtet und somit entfallen Probleme im Hinblick auf

Reibkorrosion oder elektrolytische Korrosion.

- Durch die verbesserte Lastverteilung werden Spannungsspitzen abgebaut

- Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung

Schleiringe, Liner, selbstschmierende Buchsen, Einstze, Rohre

Schleiringe, Belge in jeder Strke, Einstze und Stopfen knnen mit Fgeklebstoffen

dauerhaft befestigt werden.

l-imprgnierte gesinterte Buchsen

l-imprgnierte gesinterte Buchsen knnen mit Spielpassungen besser montiert werden

als mit Presspassungen. Die Haltefestigkeit ist 1,5 mal besser als die mit Presspassung.

Das Verengen der Buchsenbohrung wird vermieden und somit ist das Wellenspiel etwas

genauer. Das bedeutet, dass das nachtrgliche Aufreiben der Bohrungen nach der

Buchsenmontage entfllt. Aufreiben verstopft die Sinterporen und reduziert damit die

Wellenschmierung. Buchsen knnen mit einer Spielpassung ohne Hilfe einer Presse

genau positioniert werden.

Dnnwandige Komponenten

Herkmmlich werden Liner mit Pressen montiert, jedoch sind wegen der elastischen

Verformung der Teile oft Nacharbeiten erforderlich. Bei Einsatz von Rohrstutzen oder

anderen dnnwandigen Teilen ist ein Einpressen wegen der Empfindlichkeit der Teile

schwierig. In diesen Fllen werden Klebstoffe angewandt, wie z.B. bei Vergasern,

Kompressoren, Motoren, usw.

- 40 -

Getriebe, Nockenwellen und Antriebsscheiben

Wo Getriebe, Nockenwellen oder Antriebsscheiben mit Wellen verbunden werden,

finden Passfeder- oder Keilwellenverbindungen ihre Anwendung. Typische Probleme bei

solchen Verbindungen sind Spiel/Ausschlagen bei Reversierbetrieb und Spannungs-

spitzen in den Keilnuten.

Nichtmetallische Teile

Komponenten wie Handrder, Kontrollknpfe, Buchsen, Zahnrder, Kommutatoren, usw.

sind oft aus wirtschaftlichen Grnden, des Aussehens, der Elastizitt oder der

Abriebsfestigkeit wegen, aus nicht-metallischen Werkstoffen gefertigt. Mit anaeroben

Klebstoffen knnen viele davon mit Metallteilen verklebt werden.

Da normalerweise anaerobe Klebstoffe nur bei Luftabschluss und dem katalytischen

Effekt von Metall aushrten knnen, sollte fr die Verklebung von nichtmetallischen

Teilen der Aushrteprozess durch den Gebrauch von einem Aktivator beschleunigt

werden.

Spielbeseitigung und Minderung von Keilnutbelastungen

Dort wo Passfedern oder Keilwellen fr Torsionsbelastung ohne Gleiten in Lngsrichtung

angewandt werden, kann eine Passverbindung mit Klebstoff die Lebensdauer sehr

erhhen.

Beispiel: Eine eng passende Scheibenfeder in einer 25mm Welle wurde mit einer

verklebten Scheibenfeder verglichen. Die Federn der Gre 6.25mm x 34.375mm

wurden entsprechend dem SAE J502 Standard montiert, der bis zu 0,02mm Spiel zult.

Fr diesen Test wurden die Teile jedoch mit einem geringem berma ausgewhlt.

Nach 12 Millionen Lastwechseln mit 200Nm (entsprechend 40% der maximalen

Torsionsfestigkeit der Welle) auf einer Dauerprfmaschine, hatte sich die nicht geklebte

Scheibenfeder ca. 0,05mm gelockert und wies erheblichen Passungsrost und

Wellenermdungsbrche in der Federnut auf. Die Feder mit dem Klebstoff zeigte weder

Spiel noch irgendwelche Brche.

- 41 -

Fgeklebstoffe verhalten sich wie eine Kunststoffschicht, die die Spalten zwischen Nabe

und Welle oder Federn ausfllt. Diese verteilen die Belastung ber die gesamte

Fgeflche und somit werden Spannungsspitzen (z. B. an Ecken von Keilnuten)

vermieden.

Unterschiedliche Wrmeausdehnung

In vielen Fllen, werden ungleiche Materialien mit unterschiedlichen Werten fr die

Wrmeausdehnung eingesetzt. Das kann zu Zugbelastungen in der Klebung fhren, wenn

die Baugruppe ihre Betriebstemperatur erreicht. Fgeprodukte knnen groe

Druckbelastungen (> 300 N/mm) aushalten jedoch keine groen Zugbelastungen. Es gibt

drei Techniken, die angewandt werden knnen, um den Effekt von Wrmeausdehnungen

zu kompensieren.

1. Erwrmen der Nabe

Die Nabe sollte auf Betriebstemperatur aufgewrmt, der Klebstoff auf die khle

einzufhrende Komponente aufgetragen und dann die Teile zusammengefgt werden.

Damit wird sichergestellt, da im gesamten Betriebstemperaturbereich der Klebstoff

unter Druckspannung steht. Dies gewhrleistet eine dauerhafte Verbindung.

2. bermapassung mit Klebstoff

Eine bermapassung sollte mit Klebstoff untersttzt werden. Solange ein kleines

berma innerhalb des gesamten Betriebstemperaturbereiches gewhrleistet ist, wird

die Klebeverbindung erfolgreich sein.

3. Spezifizierung der Toleranzen

Der Wrmeausdehnungskoeffizient von Fgeklebstoffen liegt bei 10 x 10-5 1/K ( zum

Vergleich Aluminium = 2.2 x 10-5). Damit knnen die zulssigen Toleranzen

abgeleitet werden, um die auf den Klebstoff wirkenden Zugbelastungen zu minimieren.

Bemerkung zur Wrmebertragung

Wie schon an anderer Stelle erlutert, weisen ungeklebte Presspassungen nur ca. 20 bis

30% Metall-Metall Kontakt zwischen den Fgepartnern auf. Eingeschlossene Lufttaschen

sind eine gute Isolierung mit einem Wrmeleitkoeffizient von 0.027 W/m/C.

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Im Gegensatz hierzu, besitzt eine geklebte Passung 100% Flchenkontakt, der durch den

ausgehrteten Klebstoff gebildet wird. Die Leitfhigkeit des Polymers liegt bei 0.144

W/m/C und ist etwa fnfmal hher als die von Luft.

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6 Literatur

G. Habenicht: Kleben, Grundlagen Technologie Anwendungen, Springer Verlag

R.D. Adams (editor): Adhesive bonding, Science, technology and applications, Woodhead Publishing Limited

ESDU - Engineering Data Handling Unit, www.esdu.com W. Brockmann, P.L. Gei, J.Klingen, B.Schrder: Klebtechnik, Klebstoffe,

Anwendungen und verfahren, Wiley-VCH

G. Habenicht: Kleben erfolgreich und fehlwerfrei, Vieweg + Teubner E.W. Petrie: Handbook of Adhesives and Sealants, McGraw-Hill Fosta-Forschungsberichte P 229, P 259, P 332, P 340, P 477, P 508, P 513, P 676

bei www.stahl-online.de