WO2002059573A1 - Prüfverfahren und prüfanordnung zur ermittlung von elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbeanspruchten verbindung - Google Patents

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WO2002059573A1 PCT/EP2002/000662 EP0200662W WO02059573A1 WO 2002059573 A1 WO2002059573 A1 WO 2002059573A1 EP 0200662 W EP0200662 W EP 0200662W WO 02059573 A1 WO02059573 A1 WO 02059573A1
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Peter Buchwald
Hartmut Carstensen
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Bombardier Transportation Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a test method and a test arrangement for determining the elastic properties of an overlapping shear stressed connection.
  • the invention is suitable for - but not limited to - overlapping rivet connections, in particular for the body shell of rail vehicles.
  • Previous methods for experimentally determining stiffness are heavily dependent on the sample geometry. It has so far not been possible to decouple the stiffness of the point connection from the geometry of the sample and the elasticity of the base material in the area that is not influenced by the joint connection. This means that you can make qualitative comparisons of different joining elements. True stiffness values are required for FEM models, which have not previously been determined by such methods.
  • a wide variety of test specimen shapes and test methods are used for testing punctiform sheet metal connections or the like. Two specimen shapes are standardized for the resistance spot welding element in DBSf 50124 and D1N 50164. These consist of two rectangular pieces of sheet metal, which partially overlap and are connected to one another at a point in the overlap area.
  • the sheets are placed crosswise on top of each other, connected in the middle and then pulled apart in the testing machine parallel to the connection point, ie perpendicular to the plane of extension of the sheets. Furthermore, the peeling tensile test is known, in which the ends of the sheets are folded and the bent ends are laid flat in front of one another and connected to one another. In the testing machine, the sample is pulled apart parallel to its longitudinal extent perpendicular to the merged, folded surfaces.
  • DE 32 15 789 AI discloses a method and a device for measuring the tensile stresses in riveted joints. To measure the mechanical tension of a rivet to which at least two adjacent workpieces are connected, one of the two workpieces is supported on a stop element.
  • a pressure element opposite the stop element is placed on the other workpiece in such a way that the pressure element and the stop element are approachable.
  • the stop element and the pressure element move towards each other.
  • the two workpieces are pressed against one another with a predetermined force such that they deform elastically.
  • the compressive stress generated leads to a change in the length of the rivet, which is measured.
  • DE 197 44 104 AI discloses a device for detecting an elongation, in particular of small samples. This comprises two sample holders, between which a sample to be examined is clamped and fastened and subjected to a tensile force via the sample holder.
  • the sample holders each have a pair of spaced pins for holding the sample.
  • the pins are each arranged on a line at right angles to the direction of pull, with two tips of a displacement transducer which can be connected to the sample engaging on imaginary pressure points which are located essentially in the middle on an imaginary line.
  • DE 37 14 185 AI contains a method and a device for measuring the axial elongation on a test bar clamped in a testing machine.
  • the longitudinal expansion of the test rod, measured at two reference points, is measured and registered by a displacement sensor via a combined rotational-translational movement of a measuring device.
  • DE 43 38 005 AI discloses an extensometer and a bearing for an extensometer.
  • the extensometer has a base body and at least two tapping legs for frictional pressing against a sample body.
  • the tap legs are attached to the base body so as to be movable relative to one another.
  • the extensometer contains a signal transmitter which is mechanically coupled to at least one tap leg and which represents a measure of a relative movement of the tap leg Output signal delivers.
  • the extensometer also includes a storage device for attaching the base body and pressing the handle from against the specimen.
  • the bearing position device is designed in such a way that the base body is arranged so that it can move freely.
  • a disadvantage of all the devices and methods shown is that the structure, in particular the attachment of sensors to the specimen or the measuring methods, is complicated and therefore complex. Furthermore, some of the devices and methods are used to test material samples, i. H. Base material and are therefore not intended for the determination of the elastic properties of connections. Further disadvantages result from influences of the test devices on the measurements, influences from outside measuring systems and falsifications of the measurements due to base material strains.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art described and, in particular, to propose a test method and a test arrangement for determining the elastic properties of an overlapping shear-stressed connection which are simple, easy to handle and associated with low costs and with which high-quality results are obtained at the same time are achievable.
  • elasticity properties of an overlapping shear tension-stressed connection are determined by applying at least two joining partners, which overlap and are joined to one another with at least two joints, parallel to their overlap area and with a load which generates a shear tension stress, for example a tensile or compressive stress, and the Relative movement of at least two marks, which are fixed on the two joining partners between the connection points, measured to one another and from such determined force and displacement data, which only reflect the deformation process in the shear stressed joints, the elastic properties are calculated for a single joint.
  • the test arrangement according to the invention consists of two overlapping joining partners which are joined together in the overlapping area by at least two connections.
  • the at least two connection points are arranged in the line of the acting test force and spaced so far apart that they cannot influence one another.
  • the position of the two marks is chosen so that an expansion of the two joining partners in the area between the connection points does not affect the position of the two marks relative to one another.
  • a relative movement of the marks is then caused exclusively by the deformation in the connection points, an expansion of a joining partner in the area between the connections is compensated for by an analog expansion of the other joining partner, every expansion of the joining partners outside of the connection locations, every expansion and every play in the test specimen clamping and in the measuring machine remains without influence.
  • the location and type of the brands is selected so that their relative movement to one another can be detected using technical means.
  • a round wire is clamped between the two joining partners, which follows a relative movement of the surfaces facing one another by rotation and whose angle of rotation can be detected in a manner known per se and can be converted into the associated linear movement.
  • the diameter of the round wire is chosen to be as small as possible and its material is such that its surface and roundness are not damaged by the pressure exerted between the two joining partners perpendicular to the overlap area.
  • the relative movement of the at least two marks relative to one another can also be detected using other technical means.
  • Visually perceptible marks are, for example, visual, e.g. B. traceable by light microscope; the movement of reflective brands is with
  • the joining partners can be, for example, metal sheets, cast parts or extruded profiles.
  • the connections can be, for example, riveted connections, spot welded connections, hole welded connections, fillet welded connections, screwed connections or similar, overlapping parts joining connections.
  • FIG. 1 shows a test arrangement in plan view
  • FIG. 2 shows the test arrangement in side view with enlarged detail
  • Fig. 4 shows a second test arrangement.
  • the test arrangement consists of two right-angled, overlapping, plane-parallel sheets 1, 2 of the same basic material and of the same thickness.
  • two rivet connections 4, 5 are symmetrically arranged on the longitudinal axis of the sheets 1, 2, which connect the sheets 1, 2 to one another.
  • the rivet connections 4, 5 each consist of a rivet and bores made in both sheets. The direction of joining of the two rivet connections 4, 5 is opposite by 180 ° so that the symmetry is maintained.
  • the sheets 1, 2 can be clamped in a device and subjected to a tensile stress.
  • the tensile stress acts in the direction of the longitudinal axis 6 of the Sheets 1, 2.
  • a wire 7 This is arranged orthogonally to the longitudinal axis 6 of the sheets 1, 2 and parallel to the overlap plane or to the sheets 1, 2 .
  • a display device 8 (angle of rotation measuring apparatus) is attached to the wire 7 and is used to determine the angle of rotation of the wire 7.
  • the wire 7 is rotated by a certain angle of rotation depending on the amount of shear tensile stress on the rivet connections 4, 5.
  • the detection of the rotation of the wire 7 takes place via a highly precise rotary encoder with a maximum measurement deviation of 0.07 ° (corresponds to an error of 0.0006 mm for a 1 mm wire diameter).
  • the rotary encoder must run in the same direction at half the test speed during the test in order to avoid stressing the wire 7 by bending forces and resulting errors. From the diameter of the wire 7 and the angle of rotation, the path can be determined - which the sheets 1, 2 have traveled relative to each other. From the distance covered and the shear stress, z. B. determine the stiffness depending on the shear stress.
  • the unrolling of the wire 7 for calculating the local deformations is shown in FIG. 3.
  • the displacement ⁇ s of the two sheets 1, 2 at the location of the wire 7 can be derived from simple geometric relationships, where d, the wire diameter, ⁇ the angle of rotation of the wire and F the tensile force:
  • stiffnesses can be calculated in the quasilinear areas of the force-displacement curve using linear regression. Most of the test arrangements showed two typical quasilinear areas of the force-displacement curve. The reason for this is to be seen in the fact that the connection at the start of loading by the existing one Bears friction, but uses holes reveal at correspondingly higher loads. The regression lines consistently have a correlation coefficient of R> 0.9. The different support mechanisms then lead to different stiffnesses of the connection.
  • the relative movement of the sheets 1, 2 in the immediate vicinity of the wire 7 is caused exclusively by deformations at the joining points. All elastic and plastic deformations in the base material of both sheets 1, 2 occur due to the symmetry of the test arrangement on both sides of the wire 7 and therefore cancel each other out.
  • the aluminum in the case of the aluminum / steel connection, the aluminum must be three times thicker than the steel sheet, since the E Modulus of aluminum is only a third of the modulus of elasticity of steel) or through a symmetry of the elastic properties of the base materials (e.g. when connecting steel / steel with unequal wall thicknesses, the thicker wall thickness in the area of the joint is one-sided to the one to be measured thinner wall thickness reduced e.g. by face milling).
  • a uniform force distribution can also be achieved if the load introduction is not introduced at the end of the sample but as a line load over two legs, see FIG. 4.
  • U-profile webs 9 for linear load application with holes 10 for a rigid device and a U-profile joining plane 11 with two joints 12 and (not shown wire) shown in the middle.
  • the sheets corresponding to the sheets 1, 2 in the first exemplary embodiment were widened and bent into a U-profile, the load is introduced via the resulting U-profile webs 9 as a linear load. This ensures an even load distribution even with different materials.
  • a uniform force distribution can also be achieved if two disks are connected to each other, which are loaded by a torsional moment. This corresponds to a linear load transfer.
  • test arrangement it is also possible to design the symmetrical part of the test arrangement as a test device
  • the test device has two at the connection points "Large” holes that are "filled” with joints to be tested (e.g. two washers are fitted and pressed into the through hole).
  • this effect c) can also be taken into account in the determination of the elastic properties by measuring the rivet tilt and thus z. B. for two-section connections can be eliminated.
  • the rivet detection is measured, for example, by means of a reflector attached to the rivet, which reflects a laser beam directed at it.
  • the rivet tilt can be measured by measuring the angle of incidence or the exit angle of the laser beam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbeanspruchten Verbindung. Die Erfindung ist geeignet für - aber nicht beschränkt auf - überlappende Nietverbindungen, insbesondere für den Wagenkastenrohbau von Schienenfahrzeugen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappender scherzugbelasteter Verbindung vorzuschlagen, welche einfach, leicht handhabbar und mit geringen Kosten verbunden sind und mit denen gleichzeitig qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielbar sind. Erfindungsgemäß werden Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbelasteten Verbindung ermittelt, indem mindestens zwei Fügepartner, die überlappt und mit mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind, parallel zu ihrer Überlappungsfläche und mit einer eine Scherzugbeanspruchung erzeugenden Last, beispielsweise einer Zug- oder Druckspannung, beaufschlagt werden und die Relativbewegung mindestens zweier, auf den beiden Fügepartnern zwischen den Verbindungsstellen festgelegter Marken zueinander gemessen und aus den dergestalt ermittelten Kraft- und Wegdaten, die nur den Verformungsprozess in den scherzugbelasteten Verbindungsstellen widerspiegeln, die Elastizitätseigenschaften für eine einzelne Verbindungsstelle errechnet werden.

Description

Prüfverfahren und Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbeanspruchten Verbindung
Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbeanspruchten Verbindung. Die Erfindung ist geeignet für - aber nicht beschränkt auf - überlappende Nietverbindungen, insbesondere für den Wagenkastenrohbau von Schienenfahrzeugen. Bisherige Verfahren zur experimentellen Ermittlung der Steifigkeit sind stark von der Probengeometrie abhängig. Es ist bisher nicht möglich, die Steifigkeit der Punktverbindung von der Geometrie der Probe und der Elastizität des Grundwerkstoffes im Bereich, der nicht von der Fügeverbindung beeinflusst wird zu entkoppeln. Das bedeutet, dass man maximal qualitative Vergleiche verschiedener Fügeelemente anstellen kann. Für FEM- odelle werden wahre Steifigkeitswerte benötigt, die bisher nicht durch derartige Verfahren ermittelbar sind. Für die Prüfung von punktförmigen Blechverbindungen oder dergleichen werden die unterschiedlichsten Prüfkörperformen und Prüfverfahren verwendet. Für das Widerstandspunktschweißelement sind in der DBSf 50124 und der D1N 50164 zwei Prüfkörperformen genormt. Diese bestehen aus zwei rechteckigen Blechstücken, welche teilweise überlappen und an einem Punkt im Überlappungsbereich miteinander verbunden sind.
Bei der Scherzugprobe werden zwei Bleche jeweils einendig übereinandergelegt und dort miteinander verbunden. Sie werden dann in einer Zugprüfmaschine senkrecht zu ihrer Verbindungsstelle, d. h. parallel zur Erstreckungsebene der Bleche, wieder auseinandergezogen.
Bei der Kopfzugprobe werden die Bleche kreuzweise übereinandergelegt, in der Mitte miteinander verbunden und anschließend in der Prüfmaschine parallel zur Verbindungsstelle, d. h. senkrecht zur Ersteckungsebene der Bleche, auseinandergezogen. Weiterhin ist die Schälzugprobe bekannt, bei der die Enden der Bleche abgekantet und die abgekanteten Enden flächig voreinander gelegt und miteinander verbunden werden. In der Prüfmaschine wird die Probe parallel zu ihrer Längserstreckung senkrecht zu den zusammengeführten, abgekanteten Flächen auseinandergezogen. Aus der DE 32 15 789 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Zugspannungen in Nietverbindungen bekannt. Dabei wird zur Messung der mechanischen Spannung eines Niets, mit dem wenigstens zwei benachbarte Werkstücke verbunden sind, eines der beiden Werkstücke an einem Anschlagelement abgestützt. Ein dem Anschlagelement gegenüberliegendes Druckelement wird am anderen Werkstück derart angelegt, dass das Druckelement und das Anschlagelement annäherbar sind. Das Anschlagelement und das Druckelement bewegen sich aufeinander zu. Dabei werden die beiden Werkstücke mit einer vorgegebenen Kraft derart gegeneinander gepresst, dass sie sich elastisch verformen. Durch die erzeugte Druckspannung kommt es zu einer Längenänderung des Niets, die gemessen wird. Die DE 197 44 104 AI offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung einer Dehnung insbesondere kleiner Proben. Diese umfasst zwei Probenhalter, zwischen denen eine zu untersuchende Probe aufgespannt und befestigt über den Probenhalter einer Zugkraft unterworfen wird. Die Probenhalter weisen jeweils ein Paar voneinander beabstandete Stifte zur haltenden Aufnahme der Probe auf. Die Stifte sind jeweils auf einer Linie rechtwinklig zur Zugrichtung angeordnet, wobei zwei Spitzen eines mit der Probe verbindbaren Wegaufnehmers auf jeweils auf einer gedachten Linie im wesentlichen mittig sich befindenden gedachten Andruckpunkten greifen.
Die DE 37 14 185 AI beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der axialen Dehnung an einem in einer Prüfmaschine eingespannten Probestab. Dabei wird die an zwei Referenzpunkten abgegriffene Längendehnung des Probestabes über eine kombinierte rotatorisch-translatorische Bewegung einer Messeinrichtung von einem Wegaufnehmer gemessen und registriert.
In der DE 43 38 005 AI sind ein Extensometer und eine Lagerung für ein Extensometer offenbart. Das Extensometer weist einen Grundkörper und mindestens zwei Abgriffschenkel zum reibschlüssigen Andrücken gegen einen Probenkörper auf. Die Abgriffschenkel sind relativ zueinander bewegbar am Grundkörper angebracht. Weiterhin beinhaltet das Extensometer einen Signalgeber, der mit mindestens einem Abgriffschenkel mechanisch gekoppelt ist und ein Maß einer Relativbewegung der Abgriffschenkel repräsentierendes Ausgangssignal liefert. Zum Extensometer gehört auch eine Lagerungsvorrichtung zum Befestigen des Grundkörpers und Andrücken der Ab griff Schenkel gegen den Probenkörper. Die Lagerangsvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass der Grundkörper frei beweglich schwimmend angeordnet ist.
Nachteilig bei allen aufgezeigten Vorrichtungen und Verfahren ist, dass der Aufbau, insbesondere die Anbringung von Messfühlern an die Probenkörper bzw. die Messmethoden kompliziert und daher aufwendig sind. Weiterhin dienen einige der Vorrichtungen und Verfahren zum Prüfen von Werkstoffproben, d. h. Grundmaterial und sind daher zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften von Verbindungen nicht vorgesehen. Weitere Nachteile ergeben sich durch Einflüsse der Prüfvorrichtungen auf die Messungen, Einflüsse durch von außen wirkende Messsysteme sowie Verfälschungen der Messungen durch Grundmaterialdehnungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappender scherzugbelasteter Verbindung vorzuschlagen, welche einfach, leicht handhabbar und mit geringen Kosten verbunden sind und mit denen gleichzeitig qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbelasteten Verbindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Prüfanordnung zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbelasteten Verbindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Prüfverfahren werden Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbelasteten Verbindung ermittelt, indem mindestens zwei Fügepartner, die überlappt und mit mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind, parallel zu ihrer Überlappungsfläche und mit einer eine Scherzugbeanspruchung erzeugenden Last, beispielsweise einer Zug- oder Druckspannung, beaufschlagt werden und die Relativbewegung mindestens zweier, auf den beiden Fügepartnem zwischen den Verbindungsstellen festgelegter Marken zueinander gemessen und aus den dergestalt ermittelten Kraft- und Wegdaten, die nur den Verformungsprozess in den scherzugbelasteten Verbindungsstellen widerspiegeln, die Elastizitätseigenschaften für eine einzelne Verbindungsstelle errechnet werden.
Die erfindungsgemäße Prüfanordnung besteht aus zwei sich überlappenden Fügepartnern, die im Überlappungsbereich durch mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind. Die mindestens beiden Verbindungsstellen sind in der Linie der angreifenden Prüfkraft angeordnet und so weit voneinander beabstandet, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen können. Die Lage der beiden Marken ist dabei so gewählt, dass eine Dehnung der beiden Fügepartner im Bereich zwischen den Verbindungsstellen sich nicht auf die Lage der beiden Marken relativ zueinander auswirkt, also z. B. bei einer in Geometrie und Material symmetrisch aufgebauten Prüfanordnung in der Mitte zwischen den mindestens beiden Verbindungsstellen. Eine Relativbewegung der Marken ist dann ausschließlich durch die Verformung in den Verbindungsstellen verursacht, eine Dehnung eines Fügepartners im Bereich zwischen den Verbindungen wird durch eine analoge Dehnung des anderen Fügepartners kompensiert, jede Dehnung der Fügepartner außerhalb der Verbindungsstellen, jede Dehnung und jedes Spiel in der Prüfkörpereinspannung und in der Messmaschine bleibt ohne Einfluss. Die Lage und Art der Marken ist so gewählt, dass ihre Relativbewegung zueinander mit technischen Mitteln erfassbar ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erfassung der Relativbewegung der mindestens beiden Marken, die auf den einander zugewandten Überlappungsflächen der beiden Fügepartner und anfangs einander gegenüberliegend festgelegt sind, ein Runddraht zwischen die beiden Fügepartner eingespannt, der einer Relativbewegung der zueinander gewandten Oberflächen durch Drehung folgt und dessen Drehwinkel in an sich bekannter Weise erfassbar und in die zugehörige lineare Bewegung umxechenbar ist. In bevorzugter
Weise wird der Durchmesser des Runddrahtes möglichst klein gewählt und sein Material derart, dass seine Oberfläche und Rundheit durch den zwischen beiden Fügepartnern senkrecht zur Überlappungsfläche ausgeübten Druck nicht geschädigt wird. Die Relativbewegung der mindestens beiden Marken zueinander ist jedoch auch mit anderen technischen Mitteln erfassbar: Optisch wahrnehmbare Marken sind beispielsweise visuell, z. B. mittels Lichtmikroskop verfolgbar; die Bewegung reflektierender Marken ist mit
Reflexionstechniken auswertbar.
Die Fügepartner können beispielsweise Bleche, ein Gussteile oder Strangpressprofile sein. Die Verbindungen können beispielsweise Nietverbindungen, Punktschweißverbindungen, Lochschweißverbindungen, Kehlnahtschweißverbindungen, Schraubverbindungen oder ähnliche, überlappende Teile miteinander fügende Verbindungen sein. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Bestimmung der Elastizitätseigenschaften bei geringem Aufwand sehr genau ist und Verfälschungen weitgehend vermieden werden. Weiterhin werden Einflüsse durch Prüfvorrichtung und Einspannung eliminiert. Bei symmetrischer Beanspruchung der Verbindungen wird der Einfluss der Grundmaterialdehnungen aufgehoben. Es werden die von der Höhe der Scherzugbeanspruchung abhängigen Elastizitäten aufgezeigt.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
Fig. 1 eine Prüfanordnung in Draufsicht, Fig. 2 die Prüfanordnung in Seitenansicht mit Ausschnittvergrößerung,
Fig. 3 eine Ausschnittvergrößerung der Prüfanordnung und
Fig. 4 eine zweite Prüfanordnung.
Beispiel 1:
Die Einflüsse durch den Grundwerkstoff in der Prüfanordnung zwischen den Fügepunkten einerseits und zwischen den Fügepunkten und der Einspannung andererseits werden ausgeschlossen, in dem eine vollständige Symmetrie um 180° um einen Sensordrehpunkt realisiert wird. Die Prüfanordnung besteht in diesem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 aus zwei rechtwinkligen, sich überlappenden, planparallelen Blechen 1, 2 gleichen Grundmaterials und gleicher Dicke. Im Überlappungsbereich 3 sind auf der Längsachse der Bleche 1, 2 symmetrisch zwei Nietverbindungen 4, 5 angeordnet, die die Bleche 1, 2 miteinander verbinden. Die Nietverbindungen 4, 5 bestehen aus je einem Niet und in beiden Blechen eingebrachten Bohrungen. Die Fügerichtung der beiden Nietverbindungen 4, 5 ist um 180° entgegengesetzt, damit die Symmetrie eingehalten wird. An den Enden der Bleche 1, 2 können die Bleche 1, 2 in eine Vorrichtung eingespannt und mit einer Zugspannung beaufschlagt werden. Die Zugspannung wirkt dabei in Richtung der Längsachse 6 der Bleche 1, 2. Zwischen den Blechen 1, 2 und mittig zwischen den beiden Nietverbindungen 4, 5 befindet sich ein Draht 7. Dieser ist orthogonal zur Längsachse 6 der Bleche 1, 2 und parallel zur Überlappungsebene bzw. zu den Blechen 1, 2 angeordnet. Am Draht 7 ist eine Anzeigevorrichtung 8 (Drehwinkelmessapparatur) angebracht, die zur Ermittlung des Drehwinkels des Drahtes 7 dient.
Beim Beaufschlagen der Bleche 1, 2 mit einer Zugspannung wird der Draht 7, abhängig von der Höhe der Scherzugbeanspruchung der Nietverbindungen 4, 5 um einen bestimmten Drehwinkel gedreht. Die Erfassung der Drehung des Drahtes 7 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über einen hochgenauen Drehgeber mit einer maximalen Messabweichung von 0.07° (entspricht bei 1 mm Drahtdurchmesser einem Fehler von 0.0006 mm). Der Drehgeber muss während des Versuches mit halber Prüfgeschwindigkeit in gleicher Richtung mitlaufen, um eine Belastung des Drahtes 7 durch Biegekräfte und daraus resultierende Fehler zu vermeiden. Aus dem Durchmesser des Drahtes 7 und dem Drehwinkel lässt sich der Weg bestimmen,- den die Bleche 1, 2 relativ zueinander zurückgelegt haben. Aus dem zurückgelegten Weg und der Scherzugbeanspruchung lässt sich z. B. die Steifigkeit in Abhängigkeit von der Scherzugbeanspruchung ermitteln.
Das Abrollen des Drahtes 7 zur Berechnung der örtlichen Deformationen ist in Fig. 3 dargestellt. Die Verschiebung Δs der beiden Bleche 1, 2 am Ort des Drahtes 7 kann über einfache geometrische Beziehungen hergeleitet werden, wobei d, den Drahtdurchmesser, Δφ den Drehwinkel des Drahtes und F die Zugkraft bezeichnet:
τι * d
Δs = φ .
360°
Die Steifigkeit c pro Punkt ergibt sich dann zu
Figure imgf000008_0001
Zur Auswertung der Versuche können in den quasilinearen Bereichen der Kraft- Weg-Kurve über lineare Regression Steifigkeiten berechnet werden. Bei den meisten der Prüfanordnungen waren zwei typische quasilineare Bereiche der Kraft- Weg-Kurve zu beobachten. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, das die Verbindung bei Belastungsbeginn durch den vorhandenen Reibschluss trägt, bei entsprechend höheren Belastungen jedoch Lochlaibung einsetzt. Die Regressionsgeraden haben durchgängig einen Korrelationskoeffizienten von R >0.9. Die unterschiedlichen Tragmechanismen führen dann zu verschiedenen Steifigkeiten der Verbindung.
Bei derartigen Scherzugbeanspruchung kommt es zu mehreren Effekten. Dies sind im wesentlichen: a) eine elastische und/oder plastische Verformung des Niets, b) eine elastische und/oder plastische Verformung der Bohrung, z. B. Lochlaibung c) eine Nietkippung, d) eine Grundmaterialverformung, e) Effekte, verursacht durch die Messapparatur, f) Effekte, verursacht durch die Art der Einspannung der Bleche, g) Dehnung durch äußere Einflüsse, z. B. Temperatur und h) Effekte, verursacht durch eine Bypassdehnung.
Durch die Messung der Drehung des Drahtes 7 und die symmetrische Anordnung der Bleche 1, 2 im Überlappungsbereich 3, der Nietverbindungen 4, 5 und des Drahtes 7 werden die auf die Messung der Elastizitätseigenschaften, insbesondere der Steifigkeit der Nietverbindungen 4, 5 negativ beeinflussenden Effekte d) bis h) eliminiert. Dies erhöht wesentlich die Genauigkeit der Messung, so dass eine Ermittlung der Steifigkeit in Abhängigkeit von der Scherzugbeanspruchung ermöglicht wird.
Die Relativbewegung der Bleche 1, 2 in der unmittelbaren Umgebung des Drahtes 7 wird ausschließlich durch Deformationen an den Fügepunkten verursacht. Sämtliche elastischen und plastischen Verformungen im Grundwerkstoff beider Bleche 1, 2 treten aufgrund der Symmetrie der Prüfanordnung jeweils beidseitig des Drahtes 7 auf und heben sich deshalb auf.
Die Effekte beim Überwinden des Reibschlusses zwischen den Blechen 1, 2 und der Kompensation des Spieles zwischen Bolzen und Lochlaibung werden mit erfasst.
Selbst bei nicht symmetrisch aufgebauter Prüfanordnung, beispielsweise bei unterschiedlichen Materialien der Bleche 1, 2 oder durch unterschiedliche Blechdicken, werden die sich auf das Messergebnis negativ auswirkenden Effekte d) bis h) verringert. Bei nicht symmetrisch aufgebauten Proben (keine 50/50 Aufteilung auf die Verbindungen) werden nur e) und f) eliminiert, die Effekte d), g) und h) können nicht vollständig herausgefiltert werden. Entscheidend ist, die Kraftverteilung zwischen den mindestens zwei Verbindungen gleichmäßig zu verteilen. Für eine korrekte Messung ist also nicht unbedingt eine vollständige Symmetrie, sondern die gleichmäßige Kraftverteilung in den Verbindungen erforderlich. Diese kann beispielsweise erreicht werden durch eine vollständige Symmetrie (wie in diesem Ausführungsbeispiel, aber auch durch eine Symmetrie der Elastizitätseigenschaften der Grundmaterialien (z. B. bei der Verbindung Aluminium/Stahl muss das Aluminium dreimal dicker sein als das Stahl-Blech, da der E-Modul des Aluminiums nur ein Drittel dem E-Modul von Stahl beträgt) oder durch eine Symmetrie der Elastizitätseigenschaften der Grundmaterialien (z. B. bei der Verbindung Stahl/Stahl mit ungleichen Wandstärken wird die dickere Wandstärke im Bereich der Fügung einseitig auf die zu messende dünnere Wandstärke reduziert z. B. durch Stirnfräsen).
Beispiel 2:
Eine gleichmäßige Kraftverteilung kann auch erreicht werden, wenn die Lasteinleitung nicht am Ende der Probe sondern als Linienlast über zwei Schenkel eingebracht wird, siehe Fig. 4. In Fig. 4 sind U-Profilstege 9 zur linienförmigen Lasteinleistung mit Löchern 10 für eine steife Vorrichtung und eine U-Profil-Fügeebene 11 mit zwei Fügungen 12 und (nicht dargestelltem Draht) in der Mitte dargestellt. Die den Blechen 1, 2 im ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bleche wurden verbreitert und zu einem U-Profil gebogen, die Lasteinleitung erfolgt über die entstehenden U-Profilstege 9 als Linienlast. Damit ist eine gleichmäßige Lastverteilung auch bei unterschiedlichen Materialien gewährleistet.
Beispiel 3:
Eine gleichmäßige Kraftverteilung kann auch erreicht werden, wenn zwei Scheiben miteinander verbunden werden, die über ein Torsionsmoment belastet werden. Dies entspricht einer linienförmigen Lasteinleitung.
Beispiel 4:
Möglich ist auch, den symmetrischen Teil der Prüfanordnung als Prüfvorrichtung auszubilden
(z. B. zwei dicke Stahlbleche). An den Verbindungsstellen besitzt die- Prüf Vorrichtung zwei „große" Löcher, die mit zu prüfenden Fügungen „gefüllt" werden (z. B. zwei Unterlegscheiben gefügt und in das Durchgangsloch eingepresst).
Bei allen Ausführungen kann zusätzlich durch Messung der Nietkippung auch dieser Effekt c) bei der Bestimmung der Elastizitätseigenschaften berücksichtigt und somit z. B. für zweischnittige Verbindungen eliminiert werden. Die Messung der Nietldppung erfolgt beispielsweise mittels eines auf dem Niet angebrachten Reflektors, der einen auf ihn gerichteten Laserstrahl reflektiert. Durch die Messung des Einfalls- bzw. Ausfallwinkels des Laserstrahls lässt sich die Nietkippung messen.

Claims

Patentansprüche:
1. Prüfverfahren zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften einer überlappenden scherzugbelasteten Verbindung, bei dem mindestens zwei Fügepartner, die überlappt und mit mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind, parallel zu ihrer Überlappungsfläche und mit einer eine Scherzugbeanspruchung erzeugenden Last, beaufschlagt werden und die Relativbewegung mindestens zweier, auf den mindestens beiden Fügepartnern zwischen den Verbindungsstellen festgelegter Marken zueinander gemessen und aus den dergestalt ermittelten Kraft- und Wegdaten die Elastizitätseigenschaften für eine einzelne Verbindungsstelle errechnet werden.
2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Verbindungen gleichmäßig mit der Last beaufschlagt werden.
3. Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlappungsbereich (3) zwischen den Fügepartnern ein Stab, insbesondere ein Draht (7) unter Einwirkung der Scherzugbeanspruchung rotiert und dadurch die Relativbewegung der Fügepartner erfasst.
4. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (3) und die Verbindungen symmetrisch ausgebildet sind.
5. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner symmetrisch ausgebildet sind.
6. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung der beiden sich überlappenden Fügepartner in der Mitte des Überlappungsbereichs (3) erfasst wird.
7. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei punktförmige Verbindungen symmetrisch im Überlappungsbereich (3) angeordnet sind.
8. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung der beiden sich überlappenden Fügepartner zwischen, insbesondere mittig zwischen den Verbindungen erfasst wird.
9. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen Nietverbindungen (4, 5) sind.
10. Prüfverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der Lasteinwirkung auftretende Nietkippung gemessen und diese Messung bei der Ermittlung der Elastizitätseigenschaften berücksichtigt wird.
11. Prüfanordnung zur Durchführung des Prüfverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens zwei sich überlappende Fügepartnern, die im Überlappungsbereich (3) durch mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind, wobei die mindestens beiden Verbindungsstellen in der Linie der angreifenden Prüfkraft angeordnet und so weit voneinander beabstandet sind, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen können, und durch auf den- mindestens beiden Fügepartnern zwischen den Verbindungsstellen festgelegte Marken, wobei die Lage der Marken dabei so gewählt ist, dass eine Dehnung der mindestens beiden Fügepartner im Bereich zwischen den Verbindungsstellen sich nicht auf die Lage der Marken relativ zueinander auswirkt.
12. Prüfanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfanordnung so aufgebaut ist, dass eine gleichmäßige Lastverteilung auf die Verbindungen erfolgt.
13. Prüfanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (3) und die Verbindungen symmetrisch ausgebildet sind.
14. Prüfanordnung nach der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner symmetrisch ausgebildet sind.
15. Prüfanordnung nach der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei punktförmige Verbindungen symmetrisch im Überlappungsbereich (3) angeordnet sind.
16. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlappungsbereich (3) zwischen den Fügepartnern ein Stab, insbesondere ein Draht (7) angeordnet ist.
17. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab, insbesondere der Draht (7) symmetrisch, insbesondere mittig im Überlappungsbereich (3) angeordnet ist.
18. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab, insbesondere der Draht (7) symmetrisch, insbesondere mittig zwischen den Verbindungen angeordnet ist.
19. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen Nietverbindungen (4, 5), Punktschweißverbindungen, Lochschweißverbindungen, Kehlnahtschweißverbindungen, Schraub Verbindungen oder ähnliche, überlappende Teile miteinander fügende Verbindungen sind.
20. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fügepartner ein Blech (1, 2), ein Gussteil oder ein Strangpressprofil ist.
21. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Fügepartner ein U-Profilsteg (9) zur linienförmigen Lasteinleitung ist. Prüfanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Fügepartner eine Scheibe ist, die über ein Torsionsmoment belastet wird.
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