Vorspannkraftrelaxation von Kunststoff-Direktverschraubungen

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Axel Tome

Kurzfassung

Direktverschraubungen sind im Vergleich zu anderen lösbaren Fügeverfahren sehr wirtschaftlich. Wegen des viskoelastischen Verformungsverhalten der Kunststoffe nimmt jedoch die Vorspannkraft der Bauteilverbindung zeit- und temperaturabhängig ab. In den ersten Stunden nach der Montage tritt der größte Abfall der Vorspannkraft auf. Abschließend nimmt die Relaxationgeschwindigkeit mit der Zeit ab, wobei sich der Verlust der Vorspannkraft jedoch sehr lange fortsetzen kann.
Kunststoff-Direktverschraubungen weisen temperaturabhängig irreversible Vorspannkraftrelaxationen auf. Der Ausprägung der Vorspannkraftrelaxation sind immer, aufgrund Wärmedehnungsunterschiede der Fügepartner, thermisch induzierte reversible sowie teilweise reversible Vorspannkraftänderungen aufgrund Volumenänderungen durch Schrumpf oder Austrocknung überlagert. Abhängig vom Einzustand/Lasteinleitung führt dies zu einem charakteristischen Vorspannkraftverlauf bei zyklischer Temperaturbeanspruchung, wobei die wesentlichen Relaxationseffekte bei der ersten Aufheizung der Bauteilverbindung ablaufen. Trotz erhöhter plastischer Deformation im Bereich des Flankeneingriffs ist die Vorspannkraftrelaxation im untersuchten Lastbereich proportional zur Vorspannkrafthöhe.
Für ein hohes Restvorspannkraftniveau haben sich für die Verbindungsauslegung - bei Verwendung gewindeformender Metallschrauben mit Flankenwinkel von 30° - die konstruktiven Parameter Stirnfläche und Tubushöhe sowie die temperaturabhängige Materialsteifigkeit (Glasfasergehalt, Konditionierungszustand) als wesentlich erwiesen. Abhängig vom Einbauzustand/Lasteinleitung weisen auch Insertverbindungen aus Messing deutliche Vorspannkraftrelaxationen auf.

Abstract

Compared to other dismantable joining processes, selftapping screw joints in plastic are very economical. However, because of the polymers viscoelastic deformation, the prestressing force decreases as a function of time and temperature. The great decrease in prestressing force occurs in the first hours. The relaxation rate then decreases with time. However, the loss of prestressing force may continue for a very long time.
Superimposed on timedependent materialspecific effects are differences in thermal expansion of plastic component and metal screw/metal attachment as well as volume reducing effects (cooling, drying out of the polyamide, postcrystallisation/shrinkage). Under cyclic temperatures these effects lead to a characteristic progress of the prestress force. However, mainly relaxation effects occur during the first heating up of the joint. In spite of irreversible deformation in the region of the flank engagement the residual prestress force is proportional to the initial prestress force.
Essential for residual prestress forces on a high level are the joint design (boss upper surface area and boss height) and the material stiffness in dependence of temperature (fiber reinforcement, conditioning of polyamide). In joints with metallic inserts prestress force relaxation also occurs for load transfer via the boss cross-section (tensile load).

132 Seiten
ISBN 3-931864-15-4

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Lydia Lanzl, M.Sc.