DE1773582A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der Belastungsspannung bei Schraubenverbindungen - Google Patents

Description

Anmelder: Edwin Garl Eisner, Ployd Griffith Hahn, Hugh Watson Littlebury und Max Carlyle Fink 2077 LaPaloma Hoad, Tajunga; 1154-5 Vanport Street, Lakeview Terrance, 4715 N. Burgundy Hoad, Woodland Hills; und 9*777 Wilshire Blvd., Beverly Hills, California, V. St. A.

Vorrichtung zur Ermittlung der Belastungsspannung bei Schraubenverbindungen.

Die Erfindung betrifft eine Kontroll- und Messvorrichtung, insbesondere für eine mit Mutterschlüssel anzubringende Schraubverbindung mit Gewindestiften, Gewindespindeln, Gewindebolzen od.dgl. und Muttern, die automatisch die Restbelastungsspannung in der Spindel oder dem Bolzen kontrolliert und anzeigt.

109831/0833

In vielen Betriebsanlagen, Vorrichtungen und zusammengesetzten Bauteilen werden immer mehr Befestigungen mit Mutterschrauben vorgenommen. Damit jedoch solche Schraubbefestigungen innerhalb der zulässigen Konstruktionsgren-φ zen ohne Störung und Schaden richtig und wirksam funktionieren, muss vor allen Dingen die auf die Befestigungeteile aufgebrachte Restbelastungsspannung kontrolliert und genau festgestellt werden können. Es handelt sich hier beispielsweise um die Hestspannung die in einem Gewindeglied, wie einem Schraubenbolzen durch eine Mutter od.dgl., erzeugt worden ist.

Bisher ist es üblich, die Spannung bis zu gewünschten Werten mit Drehmomentmessgeräten zu kontrollieren. Hierzu ™ dient beispielsweise ein Drehmomentschlüssel zum Hessen des Torsions- oder Verdrehungsmoments, das beim Anziehen einer Hitter an einem Stift oder einem Bolzen ausgeübt wird.

Drehmomentschlüssel sind verhältnismässig teuer· Ausserdem sind sie so ausgebildet, dass sie zwar relativ genaue Messungen des auftretenden Drehmomentes ergeben können, bei ihrer Verwendung an mit Gewinde versehenen Befestigungen

109831/0833 _eA0

treten jedoch häufig Fehler und Ungenauigkeiten auf. Obwohl zwischen Drehmoment und Spannung eine Beziehung besteht, wurde gefunden, dass diese Beziehung über einen weiten Bereich variieren kann und durch das für das Gewinde verwendete Schmiermittel durch die Plattierung, durch das Material der Schraube und Mutter, die Art der benutzten Dichtungs- bzw. Unterlagscheiben, durch Grad und Fertigung der Gewinde sowie durch zahlreiche andere Faktoren sehr wesentlich beeinflusst wird. Aufgrund der Änderungen der Beziehung zwischen Drehmoment und Spannung ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, eine genaue Wechselwirkung zwischen diesen beiden Grossen festzulegen, die für alle Bedingungen geeignet ist. So bildet jede Anwendung ein getrenntes Problem, bei dem die verschiedenen Faktoren in Betracht gezogen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist, die Unzulänglichkeiten und Nachteile der bekannten Drehmomentschlüssel bei der Bestimmung der Restspannung in Schrauben-Mutter-Befestigungen auszuschalten und eine verhältnismässig einfache und billige Vorrichtung zu schaffen, mit der die Hest-oder Belastungsspannungen zuverlässig und genau kontrolliert und wahrgenommen werden können, wobei keine Abhängigkeit von dem zum

109831 /0833

Anziehen der Mutter am Gewindebolzen oder Gewindestift benötigten Drehkräften gegeben ist.

Das erfindüngsgemäss verwendete Befestigungsmittel besteht aus einem Gewindeglied und einer mit einem Mutterschlüssel zu bedienenden Mutter, wobei durch das Drehen der Mutter die erforderlichen Eestspannungen auftreten und unabhängig von den und ungeachtet der zum Bewegen der Mutter benötigten tatsächlichen Drehkraft wahrgenommen werden können.. Zusammen mit der Schraube und Mutter werden Mittel verwendet} die auf die der Schraube mitgeteilten Spannungekräfte in einer vorbestimmt bekannten Weise physikalisch ansprechen. Durch die physikalischen Änderungen wird eine empfindliche Anzeige geliefert.

Das Aufbringen und Bestimmen der RestSpannungsbelastung auf Schrauben-Befestigungsmittel erfolgt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer erheblich verbesserten und einfacheren Weise als bisher.

Erfindungsgemäss ist ein neuartiger Anzeiger vorgesehen» der anspricht, wenn die Restspannungebelastung in der Schraubverbindung einen vorbestimmten Wert erreicht hat.

109831/0833

Zu den wesentlichen Merkmalen der Erfindung gehören zwei Unter lagscheihen, die unter der !fritter des Befestigungsmittels übereinander gelegt werden können. Sine dieser Unterlagscheiben ist an der der anderen Scheibe zugekehrten fläche mit einem konzentrischen, kreisförmigen Keilvorsprung versehen, der in die Gegenflache der anderen Unterlagscheibe eingedrückt wird, Auf diese Weise wird durch die am Umfangerand der Scheibe erzeugte Bingspannung eine radiale Ausdehnung bewirkt·

Biese Ausdehnung ist auf die EestSpannungskräfte im Schraubenbolzen oder in der Matter der Befestigung abgestimmt. Durch Abtasten dieser Ausdehnung mittels einer geeichten Mess- oder Schublehre erfolgt eine Anzeige und Messung, die i ein Anziehen der Schraubenbefestigung gestattet, bis die erforderlichen Spannungen erreicht sind.

BIe Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.

VIg. 1 ist ein vergrösserter Aufriss, teilweise im Schnitt,

der erflndungsgemässen Befestigung und Abtastvorrichtung, wobei die Seile der Schraubbefestigung zusammengesetzt und zum Anziehen bereit sind;

10 9 8 31/0833 °^R'^Q'^NAL

Pig. 2 ist eine !Peilansicht, die die Beziehung der samiaenwirkenden Seile der Sehraubbefestigjmgf und der Abtaetvorrichtung zeigt, nachdem das Aliziehen oder Pestlegen teilweise durchgerührt worden ist|

Pig. 3 ist eine ünteranaicht des Fassringes, wie er in der erfindungagemässen Abtastvorrichtung verwendet wirdj

Fig. 4- ist eine Draufsicht auf diet radial, ausdehnbare üh— terlagscheibe des auf die Spannung ansprechenden Bauelementes ·, und

Pig. 5 ist einer Draufsicht auf den Ringjreil., der·- aaxt dialen Dehnung der in Mg, 4 geaeigten Unfee scheibe dient}

Zur Erläuterung ist ein Werkstück 10 dargestellt, daa entweder aus einem einzigen Teil oder, wie gezeigt,, au& einer Vielzahl von Platten 10a, 10b od.dgl« besteht, die durcheine Schraubanordnung aus Schraubenbolzen, und Mateter be>festigt werden sollen· Eine übliche Schraubverbindung Bolzen und Kutter soll gegen eine Auflagefläche 11 des Werkstückes angesogen werden·

Der Gewindebolzen oder Gewindestift 12 steckt im Werkstück, derart, dass ein Endabschnitt senkrecht über die Auflagefläche 11 ragt.

1 0 ä 8 3 1 / 0 8 3 3 original inspected

Die auf den Gewindebolzen aufzuschraubende Mutter 13 ist mit einem Mehrkantteil 14 versehen, der von einem entsprechenden Mutterschlüssel gefasst wird, um die Mutter in die Endbefestigungsanlage zu drehen. In dieser Lage wird die Anschlagfläche der Mutter mit der Auflagefläche 11 des Werkstückes in engen Kontakt gebracht. Wenn die Mutter angezogen wird, ist der Gewindebolzen Spannungskräften unterworfen. Sobald die Mutter vollkommen festsitzt, tritt am Bolzen eine Rest- oder Belastungsspannung auf. Dieses ist die übliche bekannte Anordnung. Durch den Einfluss verschiedener Paktoren, wie verwendete Materialien, Schmierung u.dgl. gibt es keine Möglichkeit festzustellen, ob die Schraubverbindung mit den Teilen unter- oder überbelastet sind.

Damit aber die Befestigung dieser Art einwandfrei und wirksam funktioniert, ist es erforderlich, irgendwelche Mittel vorzusehen, mit denen die Bestbelastungsspannung am Bolzen genau bestimmt oder ermittelt werden kann. Bisher wurden Drehmomentschlüssel irgendeiner bekannten Bauart verwendet, wobei die Hestbelastungsspannung im Gewindebolzen als ein Ergebnis der zwischen den beim Anziehen der Mutter ausgeübten Drehmomentkräften und den entsprechenden im Bolzen auftretenden Spannungskräften bestehenden Beziehung ermittelt

109831/0833

wurde. Ein solches Verfahren ist aber wegen des breiten Variationsbereiches überhaupt nicht zufriedenstellen, da die damit erzielten Ergebnisse, wie bereits auegeführt, durch die verschiedenen genannten Faktoren beeinflusst werden.

Es wurde gefunden, dass durch ringförmige Körper, die allgemein mit 15 bezeichnet sind, alle Unzulänglichkeiten der bisherigen Messmethoden ausgeschaltet werden können. Die Hinganordnung wird zwischen die Inschlagflache 16 der Mutter und die Auflagefläche 11 am Werkstück gelegt. Sie ist mit zusammenwirkenden Teilen versehen, die unter den während des Anziehens der Mutter auftretenden Belastungsspannungen die Binganordnung radial ausdehnen. Durch Abtasten dieser Badialausdehnung ist es möglich, leicht und gejjau festzustellen, wann die Belastungsspannung den vorbestimmten gewünschten Vert erreicht hat.

Die Binganordnung 15 (Fig. 1) besteht aus einer ringförmigen Unterlagscheibe 17« die auf einer zweiten ringförmigen

Unterlagscheibe 18 liegt. Beide Ringscheiben befinden sieh zwischen der Anschlagfläche 16 der Mutter und der Auflagefläche 11 am Werkstück 10. Die Unteriagioheib· 1^ let gleiohmässig dick und weist parallele Endflächen auf. Ihr Auesen-

109831/0833

durchmesser ist etwas grosser als derjenige der Unterlagscheibe 18. Die untere Endfläche der Unterlagscheibe 18 ist glatt, während die andere der Unterlagscheibe 17 zugekehrte Fläche mit einer konzentrischen Erhebung 19 versehen ist, die einen kreisförmigen Keil bildet. Der Abstand dieses Keiles kann zwischen dem Innen- und Aussendurchmesser der Unterlagscheibe 18 variiert werden. Im Ausführungsbeispiel ist er etwas nach innen von der Mittelumfangslinie der Unterlagscheibe dargestellt.

Venn die Mutter 13 angezogen wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, werden die Unterlagscheiben 17 und 19 zwischen der Anschlagfläche 16 und der Auflagefläche 11 unter dem zunehmenden Druck zusammengepresst und die auftretenden Spannungskräfte in der Schraube oder Mutter 12 werden entsprechend erhöht. Der kreisförmig verlaufende Keil 19 wird in die ihm zugekehrte Fläche der Unterlagscheibe 17 gedrückt. So wie die ausgeübte Kraft ansteigt, setzt der Keil den äusseren Umfangerand der Unterlagscheibe 17 unter "Ringspannungskräfte ", die eine Radialausdehnung dieser Unterlagscheibe 17 bewirken. Dadurch wird insbesondere der Umfangsrand der Unterlagscheibe 17 vergrössert, der über die äussere Umfangskante der Fläche 16 der Mutter hinausragt.

109831/0833

Diese Vergrösserung des Durchmessers wird als Mass der dem Gewindebolzen oder Gewindestift 12 mitgeteilten Spannungen ausgenützt. Die Erweiterung des Durchmessers der Unterlagscheibe kann von jedem Werkzeug oder jeder Vorrichtung abgetastet werden, die für kleinste Messungen geeignet ist.

Erfindungsgemäss wird die ümfangsänderung der Unterlagscheibe 17 durch einen Messring 20 abgetastet. Dieses weist eine Mittelöffnung auf, die von einer zylindrischen Wand 21 begrenzt ist. Diese Wand, die die Hinganordnung 15 umgibt, ist an ihren Enden leicht abgeschrägt, wie bei 21a und 21b gezeigt ist, um die Bewegung der Messlehre in die und von der Arbeitsstellung (Fig. 2) zu erleichtern. Der Innendurchmesser der zylindrischen Wand 21 ist etwas grosser als der Aussendurchmesser der Unterlagscheibe 17. Bevor die Mutter angezogen wird, besteht zwischen der äusseren Umfangskante der Unterlagscheibe 17 und der Wand 21 ein Zwischen- oder Spielraum. In diesem Zustand kann der Messring 20 leicht gedreht werden. Wenn die Matter 15 angezogen wird und die Spannungekräfte vergrössert werden, wird der Durchmesser der Unterlagscheibe 17 grosser, derart, dass der Ring durch Reibungsberührung der Aussenkante der •Scheibe mit der Wand 21 in einer freien Drehung gehemmt wird·

109831/0833

Wenn nun der Durchmesser der zylindrischen Wand 21 in Bezug auf den Durchmesser der Unterlagscheibe 1? entsprechend dimensioniert und seine Abmessung auf den Zeitpunkt abgestimmt ist, an dem die Spannung die vorbestimmte gewünschte obere Grenze erreicht hat, ist es einfach zu ermitteln, ^ wann die Mutter 13 ausreichend festgezogen ist, um die erforderliche und gewünschte Belastungsspannung in der Schraube zu erzeugen. Nachdem die !bitter 13 entsprechend angezogen ist, kann der Hessring 20 abgenommen werden, um bei einer anderen Schraubverbindung angesetzt zu werden.

Die aus den Unterlagscheiben bestehende Einganordnung 15 sowie der Messring sind für die besondere Grosse der Gewindebolzen und für die verwendeten Materialien entsprechend ausgebildet und dimensioniert, um die richtige ™ Spannungsbelastung in jedem Fall sicherzustellen.

Als Beispiel sollen hierfür die folgenden Zahlenangaben dienen. Es wurde eine 12,7 mm (1/2 inch) Schraube verwen-

det, deren Material eine Entspannung von 1120 kg/cm (16000 psi) aufwies. Die Bauteile waren so angeordnet, dass eine Spannung von 60% oder mehr (bis zu 1050 kg/cm ) erhalten wurde. In diesem Fall bestand die Unterlagscheibe 17 aus einem Weichstahl (mild steel) SAE No. 1010 mit einem

109831 /0833

Aussendurehmesser von 22,22 mm, einem Innendurchmesser von etwa 13,50 mm (..531^M) und einer Dicke von 1,65 mm (.065*).

Die Unterlagscheibe 18 bestand aus einem 4130 Stahl von

38-42 Rockwell und einer Zugfestigkeit von 12 320 kg/cm bis 14 000 kg/cm . In diesem Pail betrug der Aussendurchmesser 21,60 mm, der Innendurchmesser etwa 13»50 mm und die Dicke 1,65 mm. Die den kreisförmigen Keil bildende Erhöhung hatte eine Höhe von etwa 0,41 mm. Die Schräge der Keilwände war symmetrisch, wobei die Neigung der Innen- und Aussenflache 60° aufweis. Die Keilkante war vom Aussenumfang des Innendurchmessers der Unterlagscheibe nach ausaen in einem Abstand von 1,78 mm angeordnet.

Der Innendurchmesser der zylindrischen Wand 21 dts Messringes war etwa 0,25 mm grosser als der normale Aussendurchmesser der Unterlage 17, bevor diese gedehnt war·

Die erfindungsgemässe Anordnung ermöglicht eine genaue und einfache Überprüfung und Ermittlung vorbestimmter Spannungen bei Befestigungen durch Schrauben und Äittern, ohne dass ein Drehmomentschlüssel verwendet werden muss. Die Messung ist unabhängig von Drehkraftverlusten aufgrund von

109831 /0833

Eeibung in den Gewinden, Heibung sswischen Auflage flächen der Mutter und des Werkstückes sowie anderer variabler Faktoren, die bei den bekannten Vorrichtungen eine Genauigkeit der Kontrolle nicht gewährleisten.

109831/0833

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Kontrolle und zum Hessen der Belastungsspannung, die beim Anziehen der Mutter Bei solchen Schraub— ^ verbindungen auftreten, bei denen ein Gewindebolzen oder Gewindestift mit einer Mutter verwendet wird und. die Anschlagfläche der Mutter verwendet wird und die Anschlagfläche der Mutter eine Auflagefläche eines Werkstückes berührt» dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringanordnung (15) vorgesehen ist, die zwischen der Jmschlagfläche (16) der Matter (13) und de* A»«a#e£läeii« CW eines Werkstückes (10) axial angeordnet ist, die Binganordnung aus einer ersten Unterlegscheibe (17) aus verhältnismässig weichem Material und aus einer zweitem ringförmigen Unterlagscheibe (18) aus härterem Material als die erstgenannte besteht, die Unterlagscheiben (17, 18) aufeinander liegen, die zweite Unterlagscheibe (18) mit einer gegen die erste Unterlegscheibe (17) gerichteten ring- uad keilförmigen Erhöhung (19) versehen ist, und das· ein abtastender Messkörper (20) vorgesehen ist, deeaen Innend»rchiBee»er grosser ist als der normale, nicht gedehnte AuasendMrchmesser der ersten Unterlagscheibe (17)·

109831 /0833

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastmesskörper (20) aus einem Ring (20) besteht, der mit Spiel um die Unterlagscheiben (17ι 18) gelegt und um diese frei drehbar ist, jedoch die erste Unterlegscheibe (17) berührt, wenn diese in vorbestimmter Weise radial
ausgedehnt ist.

109831/0833

Leerseite