Entwicklung einer Methode zur Untersuchung des selbsttätigen Lösens von Radschraubenverbindungen - einer kombiniert belasteten, hochfesten Mehrschraubenverbindung = Development of a method for investigating selfloosening of wheel bolts – a combined stressed, high-tensile multi-screw bolted joint

Die zuverlässige Funktionserfüllung einer Schraubenverbindung steht vor allem bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen besonders im Fokus. Hochbeanspruchte Schraubenverbindungen können unterschiedlich versagen. Neben dem Dauerbruch existiert das selbsttätige Lösen, das im Rahmen der vorliegenden Arbeit näher untersucht wird. Zwar existieren Ansätze dieses rechnerisch und experimentell zu untersuchen, es bleibt allerdings besonders bei kombiniert belasteten Schraubenverbindungen herausfordernd das Wissen über die Ursache zu erweitern. Dieses ist notwendig, um Auslegungs- und Optimierungsansätze für die Entwicklung abzuleiten.
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Ziel der vorliegenden Arbeit ist es hochfeste und kombiniert belastete Mehrschraubenverbindungen, am Beispiel der Radschraubenverbindung von Kraftfahrzeugen (Einschraubverbindung), sicher gegen das selbsttätige Lösen auszulegen. Dies soll auf Basis von Untersuchungen der Radschraubenverbindung geschehen, die früh in der Produktentwicklung beginnen und sie begleiten. Neue Produktgenerationen können so auf Basis der Erkenntnisse eines Referenzsystems zielgerichteter ausgelegt werden.
Die Ausgangssituation ist ein Fahrzeugtest, mit dem das selbsttätige Lösen sicher bewertet werden kann. Der Erkenntnisgewinn über den Lösevorgang ist dort allerdings gering. Über die detaillierte Systemanalyse der Radschraubenverbindung kann die physikalische Modellbildung mit Hilfe des Contact and Channel Ansatzes nach ALBERS und MATTHIESEN abgeleitet und die Gestaltfunktionszusammenhänge dargestellt werden. Die Wechselwirkungen mit der Umwelt und weiteren Teilsystemen können an der definierten Systemgrenze abgebildet werden.
Die physikalische Modellbildung liefert zudem die Grundlage für die Entwicklung einer geeigneten Testumgebung zur Untersuchung des selbsttätigen Lösens. Ebenso können durch sie geeignete objektive Messgrößen zur Erfassung der Wechselwirkungen in den relevanten Gestaltfunktionselementen definiert werden. Es folgen Tests innerhalb dieser Testumgebung, in denen Parameter der Radschraubenverbindung variiert und hinsichtlich ihres Einflusses auf das selbsttätige Lösen untersucht werden. Zuvor werden ihre Eigenschaften über definierte Einzelmethoden ermittelt.
Mit Hilfe der objektiven Messgrößen und den ermittelten Eigenschaften können die Lösemechanismen dargestellt und Konstruktionszielgrößen für die Auslegung und Optimierung neuer Produktgenerationen abgeleitet werden.

The reliable function fulfillment of bolted joints is particularly in focus for safety-relevant bolts. Highly stressed bolted joints can fail in different ways. Besides fatigue fracture there is self-loosening, which will be investigated more closely within this research. Even though calculative and experimental approaches exist, it is still challenging in regard of bolted joints which are subjected to combined loads to gain and increase the knowledge about the reason of self-loosening. This is necessary to derive design- and optimization-approaches for development.
The goal for this approach is the secure design against self-loosening of high-tensile multi-screw bolted joints which are subjected to combined loads, on the example of motor vehicle wheel bolts (screw-in connection). ... mehrIt is based on investigation-results of a reference system of bolted wheel joints, which start early in the product development and follow it. New product generations can hereby be designed more target-oriented.
The initial situation is a vehicle test for a reliable evaluation of self-loosening. The knowledge gained about the loosening process is restricted. With a detailed system analysis of bolts wheel joints, it is possible to develop a physical model through the contact and channel approach by ALBERS and MATTHIESEN and describe the embodiment function relations. Interactions with the environment and other subsystems can be represented at the boundary of the system.
The physical model also sets the foundation for the development of a suitable test environment for the investigation of self-loosening. It is also possible to define objective measurement variables for determining interactions within the relevant embodiment function elements. It is followed by tests within the test environment, in which the parameters of the bolted wheel joint are varied, to assess their influence in regards of self-loosening. Before the tests are performed, their characteristics are determined through defined methods.
By means of the objective measurement variables and the determined characteristics it is possible to constitute the loosening mechanism and derive design notes for the design and optimization of new product generations.