Förderinstitution: IGF/AIF-Vorhaben
Projektnummer: 20821
Projektzeitraum: 01.10.2019 – 31.12.2023

Schrauben sind die am weitesten verbreiteten lösbaren Verbindungselemente. Zur langfristigen Gewährleistung ihrer Funktion ist es notwendig, dass Schrauben gegen auftretende Belastungen betriebsfest sind. Neben reiner Zugbeanspruchungen können im Betrieb durch asymmetrische Fügepartnergeometrien oder Lasteinleitungen auch Biegebeanspruchungen an Schraubenverbindungen auftreten. Bestehende Untersuchungen zeigen, dass zyklisch belastete Schrauben unter Biegebeanspruchung höheren Nennspannungsamplituden standhalten als unter reiner Zugbeanspruchung. Dies wird auf Stützeffekte zurückgeführt, die die Kerbwirkung unter Biegung mindern. Ziel dieses Forschungsprojekt war es, die Ursache für diesen Effekt wissenschaftlich zu ermitteln und eine Auslegungsvorschrift abzuleiten.

Es wurden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführt. Auf experimenteller Seite wurde zunächst eine umfassende werkstoffanalytische Analyse des Prüfguts vorgenommen und die Proben entsprechend der Bauteilanforderungen qualifiziert. In einem gestuften Versuchsplan wurden zunächst gekerbte Rundproben mit gewindeähnlicher Kerbgeometrie unter zyklischer Belastung untersucht und mit ungekerbten Rundproben verglichen. Auf diese Weise wurde die Kerbwirkung isoliert ermittelt. Im Weiteren Vorgehen wurden Kerbproben rein axial zugschwellend beansprucht sowie zyklischer reiner Biegebeanspuchung ausgesetzt. Im Rahmen dessen wurden spezielle Prüfvorrichtungen für die verschiedenen Beanspruchungsfälle entwickelt. Abschließend wurden ganze Schrauben unter verschiedenen Beanspruchungsfällen darunter auch kombinierter Beanspruchung zyklisch untersucht. Auf numerischer Seite wurde das Werkstoffverhalten auf Basis der experimentellen Untersuchungen modelliert und sämtliche experimentellen Versuchsaufbauten in Finite-Elemente-Modellen nachgebildet. Ein besonderes Augenmerk lag hier auf der Modellierung des Schraubengewindes, welches durch eine separierte Helix im Gewindegrunde definiert regelmäßig vernetzt werden konnte. Die Untersuchungen der Kerbproben erlaubten es die Belastungs- und Belastbarkeitsseite der Kerbwirkung isoliert analysieren zu können. Abschließend wurden auf Basis verschiedener Umsetzungen des Kerbdehnungskonzepts die zyklische Belastbarkeit von Schraubenverbindungen in verschiedenen Beanspruchungsfällen bewertet.

Es konnte ermittelt werden, dass die elastische Kerbspannungsüberhöhung unter Biegung geringer ausfällt als unter Zug. Gleichzeitig wird vor allem durch das geringere höchstbeanspruchte Bauteilvolumen unter Biegung die Belastbarkeit durch Stützwirkung erhöht. Die Nutzung des Nennspannungskonzepts liefert demnach konservative Ergebnisse für die Auslegung von Schraubenverbindungen. Jedoch wird das Potential der Schrauben unter Biegung nicht ausgenutzt. In den numerischen Untersuchungen führte vor allem die Anwendung der „FKM-Richtlinie Nichtlinear“ zu realitätsnahen Vorhersagen für die Schwingfestigkeit. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.