Festigkeitsverhalten einer Klebverbindung

Blechverbindung

Werden zwei dünne Bleche überlappend verklebt, ist die Kraftverteilung über die Länge der Klebverbindung zu betrachten. Die Bleche dehnen sich durch die Krafteinwirkung. Dort, wo die Überlappung, bzw. die Klebverbindung beginnt, wird ein Teil der Zugkraft durch die Klebverbindung auf das andere Blech übertragen. Jetzt wirkt auf das Ende nur noch ein Teil der Gesamtzugkraft.
Weil an dieser Stelle auf dem Kraft einleitenden Blech eine wesentlich größere Kraft wirkt, als auf dem gegenüberliegenden Abschnitt entsteht durch die unterschiedliche Dehnung eine Spannung in der Klebfuge, die die Längendifferenz ausgleichen muss. Die Schubspannung ist, über die Länge betrachtet, an den Enden der Klebverbindung am größten.


Schubspannung bei einer überlappenden Klebverbindung
Spannungsverlauf in der Blechverbindung

Die maximale Größe der Spannung hängt von den Eigenschaften des Klebstoffs ab, der die Längenunterschiede ausgleichen muss. Bei einem spröden Klebstoff ist die Spannung an den Krafteinleitenden Enden sehr groß, da der Klebstoff einen großen Teil der Zugkraft auf das angrenzende Blech überträgt. Bei einem elastischen Klebstoff, kleines Schubmodul, wird die Kraft "weicher" übertragen.


Klebverbindung bei verschiedenen Schubmodulen
Spannungsverlauf Kleber mit unterschiedlichem Schubmodul

Es kann sein, dass an den Enden der Klebfläche die maximal zulässige Schubspannung bereits überschritten wurde, während der Rest der Klebverbindung noch weit davon entfernt ist. Die Klebverbindung fängt an sich von den Seiten zu lösen. Nun wandert der überlastete Bereich weiter zur Mitte bis auch hier die Verbindung reißt bis schließlich die komplette Klebverbindung die Haltbarkeit verliert. Wenn man die Klebverbindung nach der Formel
Formel für Schubspannung nachrechnet, wäre herausgekommen, dass die vorhandene Schubspannung kleiner als die zulässige Spannung ist und die Klebverbindung hätte halten müssen und die Dimensionierung richtig gewesen ist.

Mögliche Lösungen für das Problem sind entweder ein in sich elastischer Klebstoff mit einem geeigneten Schubmodul oder die Schäftung der Blechenden, die eine sanftere Krafteinleitung ermöglichen. Weitere Lösungen finden sie auf der Seite Kleben → Konstruktion. Duktile Klebstoffe sind am geeignetsten für das Verkleben von dünnen Blechen und haben ein Schubmodul zwischen 300 und 600 MPa.

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großer Spannungssprung von Blech zu Blech
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Schäftung reduziert Spannungssprung

Welle Nabe Verbindung

Bei einer Welle-Nabe Verbindung die auf Torsion beansprucht wird, besteht ebenfalls das Problem der Spannungsspitzen im Übergangsbereich wie oben bei der Blechverbindung beschrieben. Eine auf Torsion beanspruchte Welle unterliegt immer einer Verdrehung. Die Nabe ist meist sehr steif ausgelegt, sodass auch hier ein unterschiedlicher Verdrehwinkel, von der Drehmoment einleitenden Seite der Nabe bis zur anderen Seite der Nabe, zwischen Welle und Nabe durch den Klebstoff ausgeglichen werden muss.

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großer Spannungssprung von Welle zu Nabe
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konischer Ansatz reduziert Spannungssprung

Durch eine konische Gestaltung der Nabe wird der Übergangsbereich am Anfang der Nabe weicher, da auch sie hier einer größeren Torsion unterliegt. Die Nabe muss sich auf der krafteinleitende Seite der Welle befinden.

Autor: Uwe Koerbitz


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