DD147642A1

DD147642A1 - Verfahren und vorrichtung zur indirekten messung der schraubenvorspannung

Info

Publication number: DD147642A1
Application number: DD79217601A
Authority: DD
Inventors: Detlev Heinrich; Walter Prestel; Manfred Weiss
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1978-12-14
Filing date: 1979-12-12
Publication date: 1981-04-15
Also published as: NL7908910A; DE2853988A1; RO81473A; GB2037430A; AU5380279A; SE7910209L; DK532079A; RO81473B; FR2444267A1; FR2444267B3; ZA796758B; JPS5582935A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die indirekte Messung der Schraubenvorspannung mit dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren beim Verbinden von Maschinenelementen. Ziel ist eine schnelle und praezise Ermittlung der Vorspannung. Dazu sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen der Meszvorgang indirekt und unter Vermeidung mechanischer Mittel erfolgt. Die Vorspannung wird durch die relative Laengenaenderung nach dem Hookschen Gesetz errechnet,wobei die Laengenaenderung aus der Laufzeitdifferenz eines Ultraschallimpulses mit Rechner ermittelt und mit der Laengenaenderung einer Probeschraube mit bekannter Vorspannung verglichen wird.Entsprechende Vorrichtungen mit Ultraschallgeraeten sind dargestellt.Die Erfindung wird beispielsweise angewendet bei der Montage von Verbrennungsmotoren.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur indirekten Messung der Scliraubenvorsρannung

Die Erfindung bezieht sich auf die indirekte Messung der Schraubenvorspannung mit dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren beim Verbinden von Maschinenelemente!-!»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Schraubenvorspannung, z, B, bei Zylinderkopfachrauben, wird üblicherweise auf direktem Weg über die Messung des Anzugsmoment es mit mechanischen Mitteln bestimmt. Dabei muß man allerdings einen Streubereich von Hh 25 % hinnehmen, der hauptsächlich durch die Abhängigkeit des Reibkoeffizienten von äußeren Bedingungen (Rost, Schmierung etc.) an der Oberfläche der Schraube abhängt. Dies muß für die Serienfertigung als unbefriedigender Zustand angesehen werden.

.Ziel .„der., ,^.f j-^^u.ⁿ/j.

Um diesem Wißstand zu begegnen, hat die Erfindung das Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnelleren und wesentlich präziseren Ermittlung der Scliraubenvorspamiung zu entwickeln.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren'und eine Vorrichtung zur indirekten Messung der Schraubenvorspannung, mit dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren zu schaffen, bei denen der Meßvorgang indirekt und unter Vermeidung mechanischer Mittel erfolgt.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch, gelöst, daß die Länge einer Prüfschraube jeweils vor und nach dem Aufbringen einer bestimmten Vorspannung durch eine Zugmaschine gemessen wird· Die Längen entsprechen jeweils einer bestimmten Laufzeit der Ultraschallimpulse« Aus der Differenz der Längen ergibt sich die relative Längenänderung der Schraube. Die Vorspannkraft der Einbauschraube, sie ist gleichen Typs wie die Prüfschraube, wird durch Anziehen so weit gesteigert, bis die relative Längenänderung, angezeigt durch die Laufzeit von Ultraschallimpulsen, identisch ist mit der der Prüfschraube. Zur Durchführung des Verfalirens ist das verwendete Ultraschallgerät auf die Schallgeschwindigkeit des Materials in der unbelasteten Schraube geeicht.

Durch dieses Verfahren wurde es möglich, die Abweichungen der tatsächlichen Vorspannung von der gewünschten Vorspannung auf einen Wert von ± 5 % an Stelle von ± 25 % nach den herkömmlichen Verfahren einzuengen. Dies ist möglich durch Loslösung des Verfalirens von Unsicherheitsfaktoren wie dem Reibkoeffizienten, v/elcher stark in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit der Schraube schwankt« Die Abhängigkeit des er-~ findungsgemäßen Verfahrens von der Schallgeschwindigkeit des Schraubenmaterials wird durch Eichung des Ultraschallgerätes auf die Schallgeschwindigkeit der Schraube im unbelasteten Zustand umgangen· Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Anwendung normaler Vollschaftschrauben an Stelle von teueren Dehnschrauben, da man über die erreichte Vorspannung genau im Bilde ist und man daher kein Lösen der Schrauben durch Wechselbelastung zu fürchten braucht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfalirens zeichnet sich dadurch aus, daß in eine zwischen einen Schraubenkopf und' eine Ratsche eingeschaltete Schraubennuß und zu dieser konzentrisch ein Ultraschallprüfkopf eingebaut ist, daß dieser Ultraschallprüfkopf über eine Feder unter Zwischenschaltung eines Kopp-

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lungsmediums an den Schraubenkopf anpreßbar ist, und daß dieser Prüfkopf über ein Ultraschallgerät mit einem Rechner verbunden ist.

Durch eine solche Vorrichtung kann man zuverlässig und ohne zusätzlichen Zeitaufwand Schrauben so anziehen, daß sie eine vorbestimmte Vorspannung besitzen. Erreicht wird dies durch eine Messung der LaufZeitunterschiede von Schallimpulsen aus dem Prüfkopf, welche einem Rechner nach vorheriger Verstärkung in einem Ultraschallgerät zugeführt werden, wobei der Rechner die Längung, der Schraube errechnet, aus v/elcher die Vorspannung resultiert. Es braucht vom Bedienungspersonal also nur vor dem Aufsetzen der Schraubennuß etwas Kopplungsmedium auf den Schraubenkopf gestrichen und die Schraube so weit angezogen zu werden, bis der Rechner eine bestimmte Dehnung der Schraube anzeigte

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Vorrichtung, wenn in die zwischen dem Schraubenkopf und der Ratsche angeordnete Schraubennuß und zu dieser konzentrisch eine 'elektrodynamische Sonde eingebaut ist, wobei zwischen Sonde und Schraubenkopf ein Luftspalt vorgesehen ist. Die Sonde ist über ein Ultraschallgerät mit dem Rechner verbunden·

Diese Art der Vorrichtung ist von einem Kupplungsmedium unabhängig, bietet aber die gleichen Vorteile wie die vorherbeschriebene Vorrichtung. Als zusätzlichen Vorteil bietet sie aber eine Anwendbarkeit bei höheren Temperaturen (über 330 K), da an Stelle des wärmeempfindlichen Kopplungsmediums nur ein kleiner Luftspalt zur Ankopplung erforderlich ist.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 : den Schnitt durch eine auf einen Schraubenkopf aufgesetzte Schraubennuß mit Prüfkopf;

Fig. 2: ein Eichdiagramm zur Ermittlung der Schraubenvorspannkraft.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus folgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritten zu Bestimmen der Länge einer Prüfscheibe mittels Ultraschallimpuls, danach Aufbringen einer festgelegten Vorspannung auf die Prüfschraube mittels einer Zugmaschine, Dadurch erfolgt eine relative Längenänderung der Schraube₆ Darauf erfolgt ein Messen der Länge der vorgespannten Prüfschraube mittels Ultraschallimpuls» Die Differenz der Ultraschallimpulse entspricht der Längenänderungβ Bei der Montage wird die Vorspannkraft der Einbauschraube, die gleichen Typs wie die Prüfschraube ist, solange gesteigert, bis durch die Laufzeit der Ultraschallimpulse eine relative Längenänderung angezeigt wird, die mit der relativen Längenänderung der Prüfschraube identisch ist.

Zur Durchführung des Verfahrens muß das verwendete Ultraschallgerät auf die Schallgeschwindigkeit des Materials in der unbelasteten Schraube geeicht sein©

Das Verfahren beruht auf der Tatsache, daß beim Vorspannen einer Schraube eine Dehnung auftritt _% welche nach dem Hookschen Gesetzt der Vorspannung proportional ist. Zur Messung dieser Dehnung "bedient man sich des Ultraschalls, welcher am Schraubenkopf eingeleitet wird, die Schraube durchläuft und an ihrem Ende reflektiert wird« Aus der Laufzeit kann die

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Länge der Schraube ermittelt werden, wobei noch zu beachten ist, daß die Schallgeschwindigkeit YQ* eine Punktion der Spannung ist. Ist V die Schallgeschwindigkeit im unbelasteten Zustand, so ergibt sich Vg* zu:

V₀* = V₀ (1 + a . ff) (1)

Hierin ist a ebenfalls eine Materialkonstante. Wird nun eine Schraube der Länge 1 ·durch die Spannung ff um einen Betrag gedehnt, so ergibt s'ich ein Laufzeitunterschied Δ t zu:

2 (1 + Al) ² ' ¹O

At= 2 - — (o).

V₀ (1 + a ·ο) ο

Mit dem Hookschen Gesetz, welches umgeformt lautet:

(2.1),

ergibt sich mit a . ö 4.^.1 und Ό ^ ^ E die N öhr ungs formel:

f&ls—AJL·. (i _ a . E) (3)o

Die in dieser Formel auftretenden JYjaterialkonstanten ν , Ε sind bekannt oder leicht bestimmbar, nicht aber a₀ Die Ursachen für die Änderung der Schallgeschwindigkeit, die von dem Ε-Modul, der Dichte und dem Poissonschen Querkontraktionskoeffizienten abhängt, sind schwer zu erfassen, um daraus a zu errechnen. Daher ist es besser, den direkten Zusammenhang zwischen & t und Δ 1 durch Versuch zu bestimmen. In Hinblick auf die übliche Technik wird dabei nicht & t, sondern die auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes zu beobachtende Verschiebung

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A s des Echos in Bezug auf den Impuls, der ausgesendet wurde ο Diese Verschiebung Δ s ist A t proportional.

s ^ I^-Ai . b (1 - a . E) (4). ο

Der Paktor b ist eine Gerätekonstante des Ultraschallgerätes und ist die Abtastgeschwindigkeit des Elektronenstrahls auf den Zeilen des Bildschirmes,

Der in den Formeln 2, 3, 4 auftauchende Faktor 2 wird üblicherweise weggelassen, da die für Ultraschallprüfung verwendeten Geräte so eingerichtet sind, daß der Faktor 2 resultierend aus dem doppelten Weg, den der Schall bei Reflexion zurückzulegen hat, bereits ins Gerät eingearbeitet ist β Zum besseren Verständnis der tatsächlich auftretenden Größen wurde Faktor 2 in die Formel eingearbeitet.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des. Verfahrens wird über eine Ratsche 1 unter Zwischenschaltung einer Schraubennuß 2 eine Schraube 3 angezogene Im Inneren der Schraubennuß 2 befindet sich ein Prüfkopf 4 (im dargestellten Fall ein Ultraschallprüfkopf 5), welcher mittels einer Feder 6 an einen Schraubenkopf 7 angepreßt wird« Im Falle des Ultraschallprüfkopfes ist der Schraubenkopf vor dem Aufsetzen der Schraubennuß mit einem Ankopplungsmedium bestrichen worden· Der Prüfkopf 4 ist über ein Ultraschallgerät 8 mit einem Rechner verbunden, welcher bei Serienfertigung die Steuerung der Schraubennuß übernimmt und ein weiteres Anziehen der Schraube 3 verhindert, wenn der eingespeicherte Werte erreicht ist β

Für einfachere Fälle genügt ein Ultraschallgerät, in dem die Längung der Schraube 3 angezeigt wird, und man durch Vergleich mit der Laugung einer Schraube gleichen Typs in einer Zugmaschine weiß, wann die gewünschte Vorspannkraft erreicht ist«

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An Stelle des Ultraschallprüfkopfes 5 kann auch eine nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeitende elektrodynamische Sonde Anwendung finden; diese wird nicht mit Kopplungsmedium, sondern über einen Luftspalt angekoppelt; die übrige Anlage bleibt unveränderte

Pig, 2 zeigt ein Eichdiagramm, bei dem die Längenänderung ^ 1 der Prüfschraube über der von einer Zugmaschine aufgebrachten Kraft P aufgetragen ist. Die Eichung wird so vorgenommen, daß man eine Probeschraube, welche den in Serie einzubauenden Schrauben gleicht und mit der gleichen Einspannlänge wie im eingebauten Zustand in eine Zugmaschine eingespannt und belastet. Nun wird mit einem Ultraschallprüfkopf und einem Ultraschallprüfgerät die Längenänderung Δ 1 der Schraube als Punktion der Kraft P ermittelt» Die für den Einbau vorgesehene Schraube gleichen Typs braucht also nur um die aus dem Eichdiagramm entnehmbare und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung meßbare Länge Δ 1 beim Anziehen gestreckt zu werden, um eine bestimmte Vorspannkraft zu erreichen.

Claims

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Erfindung sanspruch

· Verfahren zur indirekten Messung der Schraubenvorspannung mit dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge einer Prüfschraube vor und nach dem Aufbringen einer bestimmten Vorspannung mittels einer Zugmaschine durch die Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmt wird, daß durch Differenzbildung beider Längen die Längenänderung bestimmt wird, und daß die Vorspannkraft einer zum Einbau bestimmten Schraube (3) gleichen Typs v/ie die Prüfschraube durch Anziehen so weit gesteigert wird, bis die ebenfalls mit Ultraschallimpuls aus der Laufzeit ermittelte relative Längenänderung mit der in der Zugmaschine ermittelten relativen Längenänderung der Prüfschraube indentisch ist, wobei ein dazu verwendetes Ultraschallgerät (8) auf die Schallgeschwindigkeit des Materials in der unbelasteten Schraube geeicht ist_c
2» Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in eine zwischen einen Schraubenkopf (7) und eine Ratsche (1) eingeschaltete Schraubennuß (2) und zu dieser konzentrisch ein Ultraschallprüfkopf (5) eingebaut ist, daß dieser Ultraschallprüfkopf (5) über eine Feder (6) unter Zwischenschaltung eines Kopplungsmediums an den Schraubenkopf (7) anpreßbar ist, und daß dieser Prüfkopf (4) über ein Ultraschallgerät (8) mit einem Rechner (9) verbunden ist«

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3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in die zwischen dem Schraubenkopf (7) und der Ratsche (1) eingeschaltete Schraubennuß (2) und zu dieser konzentrisch an Stelle des Ultraschallprüfkopfes (5) eine elektrodynamische Sonde eingebaut ist, und daß zwischen dieser Sonde und dem Schraubenkopf (7) ein Luftspalt vorgesehen ist, und daß diese Sonde über das Ultraschallgerät (8) mit dem Rechner (9) verbunden ist»

Hierzu 1 Seite Zeichnung