DD207039A1 - DEVICE FOR MEASURING THE SCREW TENSION - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannung nach dem Ultraschall - Impuls - Echo -Verfahren.Ziel ist es,durch Mechanisierung des Anziehens von Zylinderkopfschrauben Arbeitskraefte einsparen bei gleichzeitiger Materialkostenreduzierung durch die Verwendung minderwertigeren Schraubenwerkstoffes. Die Aufgabe besteht darin,das Anziehen in der Massenfertigung mit geringer Abweichung von der gewuenschten Schraubenvorspannung zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess ist ein Pruefkopf in die sichdrehende Schraubennuss eingebaut,wobei die Uebertragung von auszureichenden Impulsen und empfangenen Messwerten vom Pruefkopf auf einen Rechner ueber eine die Schraubennuss umgehende und gegenueber dieser feststehenden Einrichtung erfolgt.Diese Einrichtung arbeitet beruehungsfrei nach dem induktiven Prinzip mit einer Stator - und Rotorspule.Alternativ dazu kann auch eine kapazitive Kopplung zur Anwendung kommen.Anwendung findet diese Einrichtung vornehmlich zumAnziehen von Zylinderkopfschrauben in der Serienfertigung,wo neben hoher Praezision ein reibungsloser Ablauf der Fertigung erforderlich ist,der mit Kabelverbindungeen zwischen rotierender Schraubennuss und Rechner nicht erreicht waere.The invention relates to a device for measuring the bolt preload after the ultrasonic pulse - echo method. The aim is to save by mechanizing the tightening of cylinder head bolts workers with simultaneous material cost reduction through the use of inferior screw material. The task is to allow the tightening in mass production with little deviation from the desired bolt preload. According to the invention, a test head is installed in the rotating nut, the transmission of pulses to be measured and received measured values from the test head to a computer via a nut surrounding the nut and against this stationary device. This device works without a pin according to the inductive principle with a stator and rotor coil .Alternatively, a capacitive coupling can be used. Application finds this device primarily for tightening cylinder head bolts in series production, where in addition to high precision a smooth production process is required, which would not be achieved with cable connections between rotating nut and computer.
Description
Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannunq Anwendungsgebiet der ErfindungDevice for measuring the screw preload. Field of application of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannung nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren, bei der eine Prüfsonde unmittelbar in eine Schraubennuß eingebaut ist und auf einen Schraubenkopf mit geringem Ankoppelspalt aufgesetzt ist, wobei der Prüfkopf elektrisch an ein Ultraschallgerät und einen Rechner angekoppelt ist»The invention relates to a device for measuring the screw bias according to the ultrasonic pulse-echo method in which a test probe is installed directly in a nut and is mounted on a screw head with a low coupling gap, wherein the test head electrically to an ultrasonic device and a Computer is docked »
Durch die DE-OS 2 853 988 ist ein Verfahren zur indirekten Messung der Schraubenvorspannung bekannt., bei dem ein Ultraschallimpuls zur Messung der Schraubenlänge vor und nach dem Anziehen herangezogen wird. Aus der ermittelten Längenänderung wird mit Hilfe eines Rechners die Vorspannkraft bestimmt. Zur Ermittlung der hierzu notwendigen Rechengröße wird eine Schraube gleichen Typs in einer Prüfmaschine vorgespannt und zur eingestellten Kraft die Längenänderung der Schraube ermittelt. Zum Anziehen der Schraube ist der Prüfkopf in eine Schraubennuß eingebaut und übermittelt die vom Schraubenende reflektierten Ultraschall-Impulse über eine Leitung an ein Ultraschallgerät mit Rechner. Durch den Einbau des Prüfkopfes in die Schraubennuß ist zwar eine Vorrichtung für das eingangs erwähnte Verfahren geschaffen worden* mit der während des Anziehvorganges die Vorspannkraft kontinuierlich-, ohne Absetzen des Prüfkopfes gemessen werden kann-,, jedoch ist diese Vorrichtung ungeeignet,, die Schraubenvorspannung in der SerienherstellungFrom DE-OS 2 853 988 a method for the indirect measurement of the helical prestressing is known, in which an ultrasonic pulse for measuring the screw length before and after tightening is used. From the determined change in length, the preload force is determined by means of a computer. In order to determine the required arithmetic quantity, a screw of the same type is pretensioned in a testing machine and the change in length of the screw is determined for the set force. To tighten the screw of the probe is installed in a nut and transmits the reflected from the end of the screw ultrasonic pulses via a line to an ultrasound device with computer. By installing the probe in the nut, although a device for the above-mentioned method has been created * with the during the tightening process, the biasing force continuously, without settling of the probe can be measured- ,, however, this device is unsuitable ,, the screw bias in serial production
2ÖJPR1982*OÜ4Ü272ÖJPR1982 * OÜ4Ü27
23 6 6 6 1 823 6 6 6 1 8
15. 4, 82 60 116 1615. 4, 82 60 116 16
aufzubringen» Sie ist nur für den manuellen Anziehvorgang von Schrauben anwendbar.It is only applicable for manual tightening of screws.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Mechanisierung des Anziehens von Zylinderkopf schrauben Arbeitskräfte einzusparen sowie die Materialkosten durch den Einsatz minderwertigeren Schraubenwerkstoffes zu reduzieren,The object of the invention is to save by mechanization of tightening cylinder head bolts manpower and to reduce the material costs by the use of inferior screw material,
Demgegenüber liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde* eine Vorrichtung für die Messung der Schraubenvorspannung zu entwickeln, welche geeignet ist» Schrauben mit geringer Abweichung vom Sollwert der Schraubenvorspannung in der Serienfertigung anzuziehen:, ohne den störenden Einfluß einer Kabelverbindung in Kauf zu nehmen.In contrast, the application is based on the object * to develop a device for measuring the Schraubenvorspannung, which is suitable »tighten screws with little deviation from the target value of the Schraubenvorspannung in mass production: without taking the disturbing influence of a cable connection in purchasing.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch,, daß die Ankopplung des Prüfkopfes an das Ultraschallgerät und den Rechner berührungsfrei über eine die Schraubennuß konzentrisch umgebende Einrichtung erfolgt, und daß die Schraubennuß an ihrem dem Schraubenkopf abgewandten Ende drehmomentschlüssig mit einer Antriebsspindel gekoppelt ist*This problem is solved by the fact that the coupling of the probe to the ultrasound machine and the computer takes place without contact via a device surrounding the screw concentrically, and that the nut is coupled at its end facing away from the screw head torque-locking manner with a drive spindle *
Durch die berührungsfreie Ankopplung wird die übertragung von Ultraschall-Impulsen vom Ultraschallgerät in den Schraubenschaft und die Rückführung der reflektierten Impulse zum Ultraschallgerät und zum Rechner möglich» ohne daß die Signale durch variable Öbergangswiderstände wie beispielsweise Schleifringe verfälscht werden,, und ohne daß eine für die Serienfertigung unbrauchbare Kabelverbindung notwendig wäre*The non-contact coupling, the transmission of ultrasonic pulses from the ultrasound device in the screw shaft and the return of the reflected pulses to the ultrasound device and the computer possible »without the signals are distorted by variable Öbergangswiderstände such as slip rings ,, and without one for mass production unusable cable connection would be necessary *
15. 4. 82 60 116 1615. 4. 82 60 116 16
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Einrichtung aus einer Rotor- und Statorspule gebildet wird, welche die Schraubennuß Q-ringförmig und konzentrisch mit Luftspalt umgeben, daß dabei die Rotorspule mechanisch drehfest mit der Schraubennuß und elektrisch fest mit dem Prüfkopf verbunden ist, und daß die Statorspule über ein Lager drehbar, aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß gelagert ist sowie die Statorspule elektrisch über eine Leitung an das Ultraschallgerät und den Rechner angekoppelt ist·An advantageous development of the invention is that the device is formed of a rotor and stator coil, which surrounds the nut Q-ring and concentric with air gap, that while the rotor coil is mechanically non-rotatably connected to the nut and electrically fixed to the probe, and that the stator coil is rotatably supported by a bearing, but non-displaceably in the axial direction on the nut and the stator coil is electrically coupled via a line to the ultrasound device and the computer.
Durch die induktive übertragung der Impulse werden Meßungenauigkeiten, wie sie durch variable Obergangswiderstände bei Schleifringen unvermeidbar sind:, vermieden. Dadurch, daß bei der induktiven Übertragung ein Kabel als feste Verbindung entfallen kann, wird die Meßvorrichtung freizügig verwendbar. Die Schraubennuß kann bei automatischer Fertigung ohne Einschränkung auf die Schrauben aufgesetzt werden und verbleibt dort bis der Schraubvorgang durch Erreichen der gewünschten Vorspannung abgeschlossen ist* Dies beinhaltet auch den Vorteil;-, daß die Ankopplung des Prüfkopfes an den Schraubenkopf stets gleich bleibt und nicht etwa dadurch verändert wird·, daß die Schraubennuß zum Messen aufgesetzt und später wieder abgesetzt werden muß.Due to the inductive transmission of the impulses, measuring inaccuracies, such as are unavoidable due to variable transient resistances in slip rings, are avoided. The fact that in the inductive transmission a cable can be omitted as a fixed connection, the measuring device is freely usable. The screw nut can be placed on the screws without restriction during automatic production and remains there until the screwing process is completed by reaching the desired preload * This also includes the advantage; - that the coupling of the test head to the screw head always remains the same and not thereby is changed · that the nut must be placed for measuring and later discontinued.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung zeichnet sich dadurch aus», daß die Einrichtung aus einer Rotor- und Statorelektrode gebildet wird, welche die Schraubennuß O-ringförmig und konzentrisch mit Luftspalt umgeben, daß dabei die Rotorelektrode mechanisch drehfest aber elektrisch isoliert mit der Schraubennuß verbunden ist, wobei die Rotorelektrode elektrisch mit dem Prüfkopf in Verbindung steht, und daßAnother feature of the invention is characterized by »that the device is formed of a rotor and stator electrode, which surrounds the nut O-ring and concentric with air gap, while the rotor electrode is mechanically non-rotatably but electrically isolated connected to the nut, wherein the rotor electrode is electrically connected to the test head, and in that
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die Statorelektrode über ein Lager drehbar aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß gelagert ist sowie die Statorelektrode elektrisch über eine Leitung an das Ultraschallgerät und den Rechner angekoppelt ist«the stator electrode is rotatably mounted on the screw nut via a bearing but is non-displaceably mounted in the axial direction and the stator electrode is electrically coupled to the ultrasound apparatus and the computer via a line.
Durch die kapazitive Ankoppelung kann ebenso wie bei der induktiven Ankoppelung auf eine nicht lösbare, störende Kabelverbindung verzichtet werden« Der freizügige Einsatz für die Serienfertigung ist somit gegeben«Due to the capacitive coupling, as with inductive coupling, it is possible to dispense with a non-detachable, disruptive cable connection. "The permissive use for series production is thus given"
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen Prüfkopf und Schraubenkopf ein Distanzring eingelegt ist, und daß dieser Distanzring durch eine Bohrung zentrisch gegenüber der Prüfsonde gehalten ist.Another feature of the invention is that between the probe and screw head, a spacer ring is inserted, and that this spacer ring is held by a bore centric to the test probe.
Durch das Einlegen eines kreisförmigen Distanzringes zwischen Prüfkopf und Schraubenkopf kann der Spalt zwischen beiden konstant gehalten werden und damit auch die Ankoppelung· Dies gilt sowohl für die Ankoppelung eines piezoelektrischen Ultraschallschvvingers mittels Koppelungsmedium-, als auch bei der Anwendung von Prüfköpfen, welche nach dem elektrodynamischen Prinzip über einen Luftspalt angekoppelt sind*By inserting a circular spacer ring between the probe and screw head, the gap between the two can be kept constant and thus the coupling · This applies both to the coupling of a piezoelectric Ultraschallschvvingers means Koppelungsmedium-, as well as in the application of probes, which according to the electrodynamic principle are coupled via an air gap *
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur Einhaltung des Ankoppelspaltes besteht darim, daß das Gehäuse des Prüfkopfes zum Schraubenkopf hin als Schneide zulaufend zur Einhaltung eines Ankoppelspaltes ausgebildet ist.A further advantageous embodiment for maintaining the Ankoppelspaltes is darim that the housing of the probe to the screw head is designed as a cutting edge tapered to maintain a Ankoppelspaltes.
15, 4, S2 60 115 1615, 4, S2 60 115 16
η h h O -5-η h h O -5-
W -w w wW -w w w
Ein AusfUhrungsbeispiel ist in Zeichnungen dargestellt* Es zeigen:An exemplary embodiment is shown in drawings * show:
Fig» 1: Schraubennuß mit eingebautem Prüfkopf und induktiver Ankoppelung auf Schraubenkopf aufgesetzt,Fig. 1: Nut with built-in probe and inductive coupling mounted on screw head,
Fig, 2: Schraubennuß mit eingebautem Prüfkopf und kapazitiver Ankoppelung,Fig. 2: nut with built-in probe and capacitive coupling,
Fig* 3: Prüfsonde im Detail mit Distanzring zur Definition der Ankoppelung«Fig. 3: Test Probe in Detail with Spacer Ring for Definition of Coupling «
In Fig. 1 ist eine auf einem Schraubenkopf 1 aufgesetzte Schraubennuß 2 dargestellt, wobei ein Prüfkopf 3 unmittelbar in die Schraubennuß 2 so eingebaut ist, daß der Prüf kopf 3 über eine Feder 4 konstant und zentrisch an den Schraubenkopf 1 angepreßt wird«. Zur übertragung von Ultraschall-Impulsen von einem Ultraschallgerät 5 an den Prüfkopf 3 und die Rückführung von reflektierten Ultraschall-Impulsen von dem Prüfkopf 3 an einen Rechner 6 ist eine Einrichtung 7 vorgesehen, welche im dargestellten Beispiel nach dem induktiven Prinzip arbeitet und eine berührungsfreie übertragung von dem Prüfkopf 3 über Leitung 8 an das Ultraschallgerät 5 und den Rechner 6 zur Auswertung zuläßt. Die induktiv arbeitende Einrichtung 7 besteht aus einer drehfest und konzentrisch auf der Schraubennuß 2 aufgesetzten Rotorspulte 9 und eine diese mit Luftspalt konzentrisch umgebende Statorspule 10, welche zur Aufrechterhaltung des konstanten Luftspaltes gegenüber der Rotorspule 9 in einem Lager 11 geführt ist«In Fig. 1 a patch on a screw head 1 nut 2 is shown, wherein a test head 3 is installed directly into the nut 2 so that the test head 3 is pressed by a spring 4 constant and centric to the screw head 1 «. For transmitting ultrasonic pulses from an ultrasound device 5 to the test head 3 and the return of reflected ultrasound pulses from the test head 3 to a computer 6, a device 7 is provided, which operates in the illustrated example, the inductive principle and a non-contact transmission of allows the test head 3 via line 8 to the ultrasound device 5 and the computer 6 for evaluation. The inductively operating device 7 consists of a rotatably and concentrically mounted on the nut 2 rotor 9 and a coil concentrically surrounding these with these stator coil 10, which is guided to maintain the constant air gap relative to the rotor coil 9 in a camp 11
15. 4. 82 60 116 1615. 4. 82 60 116 16
6 - 6 -6 - 6 -
Zum Antrieb der Schraubennuß 2 ist diese an ihrem oberen Ende mit einer Antriebsspindel 12 drehmomentschlüssig verbunden. Um genau definierte Ankoppelungswerte zu haben, ist zwischen Prüfkopf 3 und dem Schraubenkopf 1 ein kreisförmiger Distanzring 13 eingelegt» welcher die Einhaltung eines konstanten Ankoppelspaltes zwischen beiden gewährleistet« Beim eigentlichen Meßvorgang während des Anziehens einer Schraube 14 werden die Ultraschall-Impulse vom Ultraschallgerät 5 ausgehend über die Leitung 8 auf die Statorspule und von dieser induktiv über den Luftspalt auf die Rotorspule 9 und den damit starr verbundenen Prüfkopf 3 übertragen» Nach dem Durchlaufen der Schraube 14 werden die Ultraschall-Impulse an ihrem freien Ende reflektiert und gelangen auf dem selben Weg -wie sie gekommen sind, in das Ultraschallgerät 5 zurück und werden von dort zur Auswertung an den Rechner 6 geleitet, in dem die Dehnung der Schraube 14 und aus dieser wiederum ihre Vorspannung ermittelt wird«To drive the nut 2, this is connected at its upper end with a drive spindle 12 torque-locking. In order to have precisely defined Ankoppelungswerte, between the probe 3 and the screw head 1, a circular spacer ring 13 inserted »which ensures the maintenance of a constant Ankoppelspaltes between the two In the actual measuring operation while tightening a screw 14, the ultrasonic pulses from the ultrasound device 5 starting over the line 8 transmitted to the stator coil and from this inductively via the air gap to the rotor coil 9 and the rigidly connected probe 3 »After passing through the screw 14, the ultrasonic pulses are reflected at their free end and get on the same way-as they have come back into the ultrasound machine 5 and are sent from there for evaluation to the computer 6, in which the elongation of the screw 14 and from this in turn their bias is determined «
Alternativ zu der in Fig» 1 gezeigten induktiven Ankoppelung kann als berührungsfreie Einrichtung 7 nach Fig. 2 auch eine kapazitive Ankoppelung zur Anwendung kommen« Die Rotor- und Statorspulen 9; 10 sind lediglich durch Rotor- und Statorelektroden 9a; 10a zu ersetzen« Im Falle der kapazitiven Ankoppelung muß Vorsorge getroffen werden-, daß durch besondere Isolation eine leitende Verbindung von Rotor- und Statorelektroden 9a,· 10a über Lager 11 vermieden wird«As an alternative to the inductive coupling shown in FIG. 1, a non-contact device 7 according to FIG. 2 can also be used for capacitive coupling. The rotor and stator coils 9; 10 are only by rotor and stator electrodes 9a; 10a to be replaced "In the case of capacitive coupling, precaution must be taken - that a conductive connection of rotor and stator electrodes 9a, 10a via bearings 11 is avoided by special insulation."
Eine detaillierte Darstellung des Prüfkopfes 3 mit Schraubenkopf 1 und einem definierten Ankoppelspalt 15 ist in Fig* 3 dargestellt« Der Ankoppelspalt 15 wird im gezeigtenA detailed representation of the test head 3 with screw head 1 and a defined Ankoppelspalt 15 is shown in Fig * 3 «The Ankoppelspalt 15 is shown in the
15. 4. 8215. 4. 82
60 116 1660 116 16
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Beispiel nicht durch den Distanzring 13, sondern durch ein in eine Schneide 16 auflaufendes Gehäuse 17 des Prüfkopfes 3 eingestellt. Der Prüfkopf 3 beinhaltet einen piezoelektrischen Schwinger oder auch eine elektrodynamische Sonde.Example not adjusted by the spacer ring 13, but by an accruing in a blade 16 housing 17 of the probe 3. The probe 3 includes a piezoelectric transducer or an electrodynamic probe.
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