DE3238069C2 - Verfahren für das Kontrollieren von Schraubenverbindungen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum rechnergesteuerten Kontrollieren von Schraubenverbindungen durch Messen des Drehmomenten- oder Drehwinkelverlaufs über der Zeit oder des Drehmomentenverlaufs über dem Drehwinkel über den Zeitpunkt des Aufbringens eines maximalen Anzugsdrehmoments hinaus und durch Ermitteln der Fläche, die unter dem entsprechenden Kurvenstück mit der Zeitachse oder Drehwinkelachse eingeschlossen ist. Die Größe dieser Fläche ist ein Maß für den ordnungsgemäßen Anzug einer Schraubenverbindung. Es ergeben sich große Werte, falls die Kopfschraubenauflagefläche und Werkstückoberfläche nicht kraftschlüssig verbunden sind, so daß sich infolge elastischer Torsion des Schraubenschafts ein daraus resultierendes rückstellendes Moment an der Schraubenspindel einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Kontrollieren von Schraubenverbindungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs 3, wie es beispielsweise aus der DE-OS 09 871 als bekannt hervorgeht.

Sichere Verbindungen von Maschinenteilen sind dann gegeben, wenn bei Verschraubungen ohne zusätzliche Sicherungsmaßnahmen eine auf Reibung beruhende kraftschlüssige Verbindung zwischen den Berührungsflächen der zu verschraubenden Teile und einer Schraube bei allen vorkommenden Betriebszuständen gewährleistet ist. Zu diesem Zweck werden möglichst hohe und genau einzuhaltende Vorspannkräfte vorgeschrieben, die eine Schraube auch bis über ihre Streckgrenze hinaus dehnen. Dabei muß der Schraubenanzug natürlich kontrolliert werden, um sicherzustellen, daß die vorgegebenen Vorspannkräfte auch tatsächlich eingehalten werden.

Fs ist bekannt, zu diesem Zweck, falls das freie Ende der Schraube zugänglich ist. die Dehnung der Schraube nach dem Anziehen zu messen. Diese Methode ist sehr aufwendig und nur in Einzelfällen anwendbar und zudem bei Kopfschrauben, die in einem Gewindesackloch eingeschraubt sind, nur mit besonderen Vorrichtungen und besonderem Aufwand möglich, was in jedem Fall die Überwachung einer Vielzahl derartiger Verschrau

bungen ausschließt.

Der meistverbreitete Weg, Schrauben mit einer bestimmten Vorspannkraft, so daß Reibkraftschluß zwischen Schraube und Verbindung gewährleistet ist. anzuziehen, ist, ein bestimmtes Drehmoment aufzubringen. Da das an einer Schraube mittels eines Drehmomentschlüssels aufgebrachte Drehmoment von der Geometrie der Schraube sowie Reibung und Steifigkeit der Verbindung abhängt, werden im allgemeinen durch

ίο Vergleichsversuche geeignete Drehmomente ermittelt, die einen bestimmten Zustand der Schraube darstellen. Aus der DE-PS 20 10 914 sind beispielsweise Drehmomentenschlüssel bekannt, mit denen Drehmoment und auch Drehwinkel meßbar sind, also auch die Drehmomentenerhöhung pro Winkelgrad und damit das Erreichen der Streckgrenze der Schraube registrierbar ist. In der DE-Z »DK 2/79, Seite 32-33. Rubrik Messeneuheit: »Computer läßt schrauben« sind mikroprozessorgesteuerte Schraubautomaten beschrieben, die es erlauben, unterschiedliche Schraubenanzugsverfahren anzuwenden. Dabei werden Drehmoment und Dreh winkel fortlaufend gemessen und zur Steuerung des Schraubenanzugs und Abschaltzeitpunkts des Schraubers ausgewertet. Durch Vergleich von Soll- und Istwerten von Drehmoment und Drehwinkel kann bei einer der dort gezeigten Möglichkeiten die Qualität einer Verschraubung geprüft werden. Bei einer ordnungsgemäßen Verschraubung muß beispielsweise der Endpunkt der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Während des Schraubenanzugs kann der Drehmomentenanstieg geprüft werden, der innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen muß. Späne, hohlliegende Werkstücke oder fehlerhafte Gewinde und Schraubenlängen würden Steifigkeitsänderungen im Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf bewirken und wären dadurch erkennbar.

In der eingangs erwähnten, gattungsbildenden DE-OS 30 09 871 ist ein Schraubwerkzeug mit einer Einrichtung zum Aufzeichnen und Auswerten von damit erzeugten und gemessenen Drehmomenten dargestellt. An einer schon zu einem früheren Zeitpunkt fertiggestellten Schraubverbindung wird zum Kontrollieren des ordnungsgemäßen Schraubenanzugs erneut ein Drehmoment aufgebracht und der Drehmomentenverlauf ausgewertet. Bis zu einem maximalen Wert, dem Drehmomentenabriß, findet keine Schraubbewegung statt. Vermutlich aufgrund unterschiedlicher Reibungsverhältnisse bei stillstehendem und bewegtem Schraubengewinde erfolgt daran anschließend ein Drehmomentenabfall bei bewegtem Schraubengewinde bis auf ein Minimum. Im Anschluß daran wiederum nimmt das Drehmoment zu, bis das Drehmoment am Drehmomentenerzeuger mehr oder weniger plötzlich zurückgenommen wird. Maßgeblich für die Beurteilung des An/ugsdrehmomentes sind die aufgezeigten maximalen und minimalen Drehmomentwerte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Verfahren zur Überprüfung des ordnungsgemäßen Anzugs von Schraubenverbindungen aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren entweder durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder die des Anspruchs 2 oder die des Anspruchs 3 gelöst. Danach wird der Drehmomentenoder Drehwinkelabfall über der Zeit bzw. der Drelimo-

h5 mcntcnabfall über dem Drehwinkeidann aufgenommen und ausgewertet, wenn das durch einen Schrauber an der Schraube aufgebrachte Drehmoment /unukge nommen wird, also beispielsweise ab dem Zeitpunkt, /u

dem der Schraubenanzug beendet ist und der Schrauber plötzlich abgestellt wurde. Die Größe der Arbeit oder Arbeitsleistung, die aufgrund elastischer Rückfederung von der Schraube am Schraubwerkzeug geleistet und gemessen wird, ist ein Maß für die Güte des Schraubenunzugs.

Die Erfindung wird mit Hilfe der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine unsachgemäße Verschraubung infolge einer zu langen in ein Sacklochgewinde eingedrehten Kopfschraube.

F i g. 2 den qualitativen Drehmomentenverlauf über der Zeit einer sachgemäß ausgeführten Verschraubung,

F i g. 3 den qualitativen Drehmomentenverlauf über der Zeit einer unsachgemäß ausgeführten Verschraubung.

F ■ g. 4 den qualitativen Drehwinkelverlauf über der Zeit und

F i g. 5 den qualitativen Momentenverlauf über dem Drehwinkel.

F i g. 1 zeigt eine Verschraubung 1 von einem Bauteil 2 mit einer durchgehenden Bohrung 3, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Schraube 4 ist, die hindurchgesteckt ist und mittels eines Gewindes 5 am Schraubenschaft 6 mit einem im Bauteil 7, das ein Sackloch 8 mit Gewinde 9 aufweist, verschraubt ist, wobei die zu lange Schraube 4 im Gewindegrund aufsitzt und deshalb der Schraubenkopf 10 mit seiner Anlagefläche 11 nicht zur Auflage auf der Bauteiloberfläche 13 kommt und der Schraubenschaft 6 über einer Länge \2 nicht eingespannt ist.

Fig. 2 zeigt den qualitativen Verlauf des Drehmoments über der Zeit für eine sachgemäße Verschraubung bis zu einem maximalen vorgegebenen Drehmoment im Zeitpunkt 20, zu dem auch das Eindrehen einer Schraube beendet ist. Daran anschließend fällt der Drehmomentenverlauf während einer Zeitspanne 21 auf den Wert Null im Zeitpunkt 22 ab. In der Zeitspanne 21 wird ein unter dem entsprechenden Kurvenstück des Drehmomentenverlaufs mit der Zeitachse eingeschlossenes Flächenstück 23 beschrieben.

F i g. 3 zeigt ein analoges Diagramm für eine unsachgemäße Verschraubung mit dem Drehmomentenmaximum zum Zeitpunkt 30 und der Zeitspanne 31, während der das Drehmoment auf den Wert Null zum Zeitpunkt 32 abnimmt. Während der Zeitspanne 31 schließt die Drehmomentenkurve mit der Zeitachse das Flächenstück 33 ein.

Fig. 4 zeigt den zum Drehmomentenverlauf analogen Dreh winkelverlauf über der Zeit.

tig. 5 zeigt denselben Verlauf wie Fig. 3 für den Drehmomentenverlauf, allerdings über dem Drehwinkel.

F i g. 1 zeigt am Beispiel einer in ein Sackloch 8 eingedrehten Schraube 4 mit einem zu langen Schraubenschaft 6. daß der Schraubenkopf 10 mit seiner Auflagefläche 11 nicht auf der Oberfläche 13 des Bauteils 2 zum Aufliegen kommt und damit eine auf Reibung beruhende kraftschlüssige Sicherung der Schraube 4 nicht herbeigeführt werden kann.

Dasselbe gilt für Schrauben mit korrekter Schaftlänge, die sich nicht vollständig eindrehen lassen, weil das Gewinde 8 von Sehraube 4 oder Gewindeloch zu kurz oder beschädigt ist und die Schraube klemmt oder aufgrund von Spänen oder Graten oder ähnlichem, die sich im Sackloch 8 befinden, aufsitzt.

Von dem Augenblick an. in dem die Schraube 4 aufgrund \on Mangeln festsitzt oder klemmt, geht die weitere Erhöhung des vom Schrauber eingeleiteten Drehmoments zum größten Teil als elastische Verdreharbeit des Schraubenschaftes 6 über der Länge 12 ein, soweit er ausreichend dimensioniert ist Die Größe des sich daraus ergebenden rückstellenden Moments hängt ab von der Geometrie sowie der frei verdrehbaren Länge 12 des Schraubenschafts 6 und der Größe des Drehmoments, das als elastische Verdreharbeit eingeleitet wird. Bei einer sachgemäßen Verschraubung nach F i g. 2, bei

to der die Auflagefläche 11 des Schraubenkopfes 10 infolge Reibung kraftschlüssig auf dem Bauteil 2 aufliegt, ergibt sich über der Zeit nach Erreichen des maximalen Drehmoments im Zeitpunkt 20 ein steiler Abfall des Drehmoments auf Null im Zeitpunkt 22, da nur eine sehr geringe elastische Rückfederung auftritt. Bei einer unsachgemäßen Verschraubung nach F i g. 3, bei der der Schraubenschaft 6 elastisch todiert wurde, fällt das rückstellende Moment während der Zeitspanne 33 wesentlich sanfter ab. Die Aufzeichnung der Meßwerte von Drehmoment oder auch Drehwinkel über der Zeit oder von Drehmoment über dem Drehwinkel, und die Auswertung der unter den Kurven während des Abfalls des Drehmoments vom Maximum bis auf den Wert ungefähr Null mit der Zeit- oder Drehwinkelachse eingeschlossenen Flächen mittels eines Mikroprozessorbausteins, der in eine bestehende Anlage zur Messung von Drehmoment und Drehwinkel eingefügt sein kann, erlaubt das Erkennen von fehlerhaften Verschraubungen, wobei die Größe der Flächen das Maß darstellt. Die Ermittlung der Flächen kann im Anschluß an eine bisher bei Erreichen des maximalen vorgegebenen Drehmoments abgebrochene Messung integriert sein oder als selbständiger Meßabschnitt ausgeführt werden. Mit Erkennen einer fehlerhaften Verschraubung 1 aufgrund einer über einem gewissen Schwellwert liegenden Fläche kann eine akustische oder optische Fehleranzeige erfolgen und zur Kontrolle eventuell eine direkt anschließende automatische Prüfwiederholung erfolgen, indem das maximale Drehmoment erneut aufgebaut wird und die besagte Fläche im Momentabfall wiederholt ermittelt wird. Erneut das Drehmoment aufbauen, entspricht gleichzeitig einem automatischen Nachknikken, bei dem eine eventuell klemmende Schraube noch angezogen werden kann.

Statt im Anschluß an den bisher üblichen Schraubvorgang im Momentenabfall zu messen, kann das Drehmoment auch im Anschluß an den Momentenabfall bis zum Maximalwert erneut aufgebaut werden und die Fläche unter der Kurve des Drehmomenten- oder Drehwinkelanstiegs zur Auswertung herangezogen werden, da sie gleich groß ist wie die entsprechende Fläche im Momentenabfall.

Als weiteres Prüfverfahren in bekannte Anlagen integriert, ist es sicherlich günstiger, den Drehmomentenverlauf über dem Drehwinkel nach Fig. 5 zur Ermittlung der Fläche heranzuziehen, da die Messung von Drehmoment und Drehwinkel üblich ist. Bei fehlerhaften Verschraubungen der dargestellten Art ließe sich dann in einem aufgezeichneten Diagramm ein Rückfedem des Schraubenkopfes erkennen. Grundsätzlich könnte auch die Größe des Winkels, um die der Schraubenkopf zurückfedert, als Beurteilungskriterium für die Güte ^^:ner Verschraubung dienen, dann aber könnten auch nichtlineare Rückfedereffekte das Meßergebnis

b5 verfälschen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren für das Kontrollieren von Schraubenverbindungen, bei dem die Schraubenverbindung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und die Drehmomente im Drehmomentenabfall über der Zeit gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentenabfall fortlaufend in einem Zeitintervall aufgenommen wird, in dem das Schraubengewinde stillsteht, und daß die Momentenfläche unter dem entsprechenden Kurvenstück ermittelt und mit einem Sollwert verglichen wird, und bei Überschreiten des Sollwertes ein Ausschußsignal ausgelöst wird.

2. Verfahren für das Kontrollieren von Schraubenverbindungen, bei dem die Schraubenverbindung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und die Drehmomente im Drehmomentenabfall gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentenabfall fortlaufend abhängig vom Drehwinkel in einem Bereich aufgenommen wird, in dem das Schraubengewinde stillsteht und daß die Momentenfläche unter dem entsprechenden Kurvenstück ermittelt und mit einem Sollwert verglichen wird, und bei Überschreiten des Sollwertes ein Ausschußsignal ausgelöst wird.

3. Verfahren für das Kontrollieren von Schraubenverbindungen, bei dem die Schraubenverbindung mit einem Drehmoment beaufschlagt wird und Reaktionen der Schraubverbindung im Drehmomentenabfall gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehmomentenabfall fortlaufend die Drehwinkel über der Zeit in einem Zeitintervall aufgenommen werden, in dem das Schraubengewinde stillsteht, und daß die Momentenfläche unter dem Drehwinkelverlauf ermittelt und mit einem Sollwert verglichen wird, und bei Überschreiten des Sollwertes ein Ausschußsignal ausgelöst wird.