Vorspannkraftrelaxation von Kunststoff-Direktverschraubungen

Axel Tome

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.

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Matthias Lindbüchl (M.Sc.)