Reibflächendynamik in Schraubenverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Hoffmann; Professor Dr.-Ing. Josef Schlattmann
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282970347

Schraubenverbindungen gehören zu den wichtigsten und am häufigsten verwendeten Verbindungen im Maschinenbau und im Bauingenieurwesen. Trotzdem treten während des Anziehvorgangs sowie des Betriebs immer noch Ausfälle auf. Während des Anziehvorgangs sind Ausfälle häufig das Resultat von Stick-Slip-Erscheinungen. Im Betrieb können sich Schraubenverbindungen lösen, wenn sie dynamischen Lasten in Form von Stößen, Schwingungen oder zyklischen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. In beiden Fällen werden die Ausfälle durch Mikroschlupf und damit den Übergang von Haften zu Gleiten ausgelöst. Jüngere Erkenntnisse zur Reibung in Grenzflächen, gewonnen vor allem in der Physik und in den Geowissenschaften, haben gezeigt, dass dabei Wellen- und Bruchprozesse eine entscheidende Rolle spielen. Vor diesem Hintergrund kann statische Reibung nicht mehr mit einem Materialparameter allein beschrieben werden. In der Tat betrachten erste Modellierungsansätze statische Reibung als einen dynamischen Prozess. Insbesondere wird der Beginn (Mikroschlupf) des Haft-Gleit-Übergangs sowie dessen gesamter Verlauf (Totalversagen) der Kontaktfläche durch die Spannungsverteilung in dieser bestimmt. Diese Erkenntnisse sollen in diesem Projekt auf die Auslegung, das Anziehen und das Betriebsverhalten von Schraubenverbindungen übertragen werden. Durch die Entwicklung geeigneter Modelle, die die Reibdynamik in der Wirkfläche abbilden, sollen Erkenntnisse über die Mechanik des Mikroschlupfs und des Totalversagens von Schraubenverbindungen gewonnen werden. Zur Validierung der Modelle beinhaltet die Arbeit vier experimentelle Teile. Im ersten Teil wird der Einfluss von Asymmetrien auf die Spannungsverteilung in der Grenzfläche an einem Scheibe-auf-Scheibe-System untersucht. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Einfluss der Kopfform auf die Spannungsverteilung in der Grenzfläche und damit das Stick-Slip-Verhalten beim Anziehen von Schraubenverbindungen. Im dritten Teil sollen die vielversprechendsten Prinzipien aus den ersten beiden Teilen miteinander kombiniert und daraus eine Stick-Slip reduzierende Schraube konzipiert werden. Im vierten und letzten Teil wird der Einfluss von Schwingungen auf das selbsttätige Lösen von Schraubenverbindungen während ihres Betriebs untersucht. Als Konsequenz der theoretischen und experimentellen Arbeit sollen erste Richtlinien für die Konstruktion von Schraubenverbindungen entwickelt werden, welche sowohl robust gegenüber Stick-Slip während des Anziehens als auch gegenüber einem Ausfall während des Betriebs sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen