Ein numerischer Ansatz zur Bestimmung von Kontaktdruck- und Reibungszahlkennfeldern für die Mehrkörpersimulation von tangential-schlagend angezogenen Schraubenverbindungen

Tangential-schlagende Anziehprozesse erlauben eine schnelle und einhändige Montage von Schraubenverbindungen bei großen Drehmomenten. Ein zentrales Problem ist jedoch die große Streuung der Vorspannkraft, die auf den hohen Einfluss der Reibung zurückzuführen ist. Die Reibung ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, sodass eine Betrachtung der Effekte auf mehreren Skalen notwendig ist. In diesem Beitrag wird daher eine skalenübergreifende Methode zur Simulation von tangential-schlagend angezogenen Schraubenverbindungen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt auf der numerischen Bestimmung von Kontaktdrücken und Reibungszahlen, welche Eingangsgrößen für eine Mehrkörpersimulation darstellen. ... mehrDie unter dem Schraubenkopf und am Gewinde herrschenden Kontaktdrücke werden in Abhängigkeit der aktuellen Vorspannkraft und des Radius mithilfe eines FE-Modells auf Makroebene bestimmt. Mithilfe von Weißlichtinterferometrie werden Oberflächentopografien gemessen und für die Anwendung in einer Reibsimulation digitalisiert. Aus einem FE-Modell auf der Mikroebene werden Reibungszahlkennfelder in Abhängigkeit des Anpressdrucks, der Gleitgeschwindigkeit und der Oberflächentopografie bestimmt. Ein höherer Kontaktdruck führt dabei zu einer geringeren Reibungszahl. Für die Gleitgeschwindigkeit kann der Zusammenhang nicht quantifiziert werden. Die abgeleiteten Kennfelder können durch die dargestellten Methoden effizient durch weitere Stützstellen erweitert werden und ermöglichen die Berücksichtigung von sich während des Anziehprozesses variierenden Kontaktdrücken sowie Reibungszahlen in der Mehrkörpersimulation.

Impact tightening processes enable fast, one-handed assembly of bolted joints with high torques. However, a key problem is the high degree of variation in preload force, which is due to the significant influence of friction. The friction depends on various factors, making it necessary to consider the effects on multiple scales. This contribution therefore presents a multi-scale method for simulating impact-tightened bolted joints. Particular focus is placed on the numerical determination of contact pressures and friction coefficients, which are input variables for a multibody simulation. ... mehrThe contact pressures under the bolt head and at the thread are determined at the macro level using an FE model, depending on the current preload force and the radius. Surface topographies are measured using white light interferometry and then digitized for implementation in a friction simulation. Friction coefficient maps are determined from an FE model at the micro level as a function of contact pressure, sliding speed, and surface topography. Higher contact pressure results in a lower coefficient of friction. The relationship cannot be quantified for the sliding speed. The derived characteristic maps can be efficiently expanded by additional support points using the methods described, enabling varying contact pressures and friction coefficients during the tightening process to be taken into account in the multibody simulation.