Bewertung verschiedener Designs einer Schraubenverbindung
Branche: Fahrzeugbau(KFZ/LKW)Fachgebiet: StrukturmechanikDas Fahrwerk eines Streuers in der Landwirtschaft muss mit hoher Nutzlast unter herausfordernder topografischer Bedingungen betrieben werden können. Eine optimale Auslegung der Schraubenverbindung der Achse erhöht die Lebensdauer der Verbindung und die Sicherheit des Streuers im Betrieb.
Zusammenfassung
Aufgabe
Ein Fahrwerk soll unter maximaler Achsbelastung und unter Bedingungen einer 30° abfallenden Hanglage untersucht werden. Nebst einer Festigkeitsuntersuchung der Struktur soll auch ein Nachweis der Schraubenverbindung nach der VDI Richtlinie 2230 geführt werden.
Lösung
Mittels Anwendung der CADFEM Ansys Extension Bolt Assessment inside Ansys wurde für jede Schraube die Nachweisrechnung geführt. Die Extension ermittelt die Sicherheit der Verbindung und gibt Auskunft über die Belastung in der Schraube und in der Trennfuge. In verschiedenen Design Iterationen wurden potentielle Lösungen miteinander verglichen.
Kundennutzen
Durch den Vergleich von verschiedenen Designlösungen konnte eine passende Gestaltung der Schraubenverbindung bestimmt werden. Dank der Anpassungen an der umliegenden Struktur wird die Belastung günstig auf Schrauben und verspannte Bauteile aufgeteilt.
Die Firma Gafner Maschinenbau AG stellt Streuer her, welche in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Sie ermöglichen den Transport von mehreren Tonnen Streugut unter herausfordernder topographischer Verhältnisse. Im Rahmen einer Festigkeitsanalyse des Fahrwerks bei maximaler Beladung wurde festgestellt, dass die Schraubenverbindung zwischen Achse und Fahrwerk überlastet ist. Die gewählte Verbindung führt zu einer relativ hohen Nachgiebigkeit der verspannten Platten, was die Herausforderung an eine passende Auslegung der Verschraubung erhöht. In der Verschraubung der Achse entsteht ein komplexer Zustand aus Vorspannung, Querkraft und Biegemomenten in verschiedene Richtungen. Die Schraubenverbindung soll Anhand der VDI Richtlinie 2230 bewertet werden. Es sollen verschiedene Verschraubungskonzepte untersucht werden und daraus das für diese Anwendung geeignete ermittelt werden.
Mit den Berechnungen wurden verschiedene Lösungen in der Gestaltung der Schraubverbindung untersucht. Die Ergebnisse wurden verwendet, um Entscheidungen für die optimale Gestaltung der Verbindung zu treffen. Durch die Erkenntnisse im Bezug auf das komplexe Zusammenspiel zwischen Schraubentyp, Nennmaße, Vorspannung und Gestaltung der verspannten Bauteile kann nun ein Design gewählt werden, bei dem die Belastungen besser auf die Schrauben und Bauteile verteilt werden. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Verbindung und die Sicherheit des Fahrwerks im Betrieb. Nebst der Reduktion der Belastung in der Schraube kann sichergestellt werden, dass die Schraubenverbindung die Kräfte und Momente über Reibschluss in der Trennfuge überträgt.
In verschiedenen Design Iterationen wurde nicht nur die Belastung im Fahrwerk-Rahmen verbessert, sondern auch verschiedene Lösungen für die Verschraubung untersucht. Dabei wurden folgende Aspekte der Schrauben und der verspannten Bauteile berücksichtigt:
- Unterschiedliche Festigkeitsklassen der Schrauben
- Verwendung von biegeweicheren Schrauben (Schraubendurchmesser und – länge)
- Erhöhung der Biegesteifigkeit der verspannten Platten (Plattendicke)
- Verwendung von Unterlegscheiben bzw. Hülsen
Mittels Bolt Assessment inside Ansys wurde für die unterschiedlichen Designvarianten jeweils ein automatisierter und richtlinienkonformer Nachweis der Schraubenbeanspruchung gemäss VDI2230 geführt. Zusätzlich wurden die Kontaktverhältnisse in der Trennfuge ausgewertet.
