DE10030744B4 - Verbindungsbolzen für wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus - Google Patents

Verbindungsbolzen für wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus Download PDF

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Abstract

Verbindungsbolzen, der für ein wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus bestimmt ist, bestehend aus
– einem Bolzenkopf (2),
– einem mit einem Gewinde (6) versehenen Bolzenschaft (5) und
– axial voneinander beabstandeten Markierungen (9; 10) zum Anzeigen einer bleibenden Drehverformung des Verbindungsbolzens, wobei
– eine Markierung als Indikationsmarke (9) mit der Bolzenachse (q-q) eine erste Längsebene (α) definiert,
– eine andere Markierung als Indikationszeichen (10) mit der Bolzenachse (q-q) eine zweite Längsebene (γ) definiert, die mit der ersten Längsebene (α) einen Winkel (ΘH) einschließt, und
– eine bleibende Änderung (ΔΘH) des Winkels (ΘH) ein Maß für eine bleibende Drehverformung darstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Indikationsmarke (9) am Bolzenkopf (2) und das Indikationszeichen (10) am freien Ende des Bolzenschafts (5) an dessen Stirnseite außerhalb seines Gewindes (6) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbolzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der für ein wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus bestimmt ist und der eine Identifikation des Ausmaßes des Schadens durch bleibende Formänderungen, die ein Kriterium für seine Wiederverwendbarkeit sind, ermöglicht.
  • Bislang werden Verbindungsbolzen bis zur Streckgrenze mit einem minimalen Risiko der Beschädigung sehr schonend, aber auf aufwendige Weise elektronisch durch Anwendung des Gradientenverfahrens nachgezogen. Diese Bolzen sind dann zwar wieder verwendbar, können aber mit Sicherheit nur einmal verwendet werden, weil dieses Verfahren meistens nur in der Erstmontage beim Hersteller zur Verfügung steht.
  • Es sind weitere Verfahren zum Nachziehen der Verbindungsbolzen bis zur Streckgrenze bekannt, die den Verdrehungswinkel bzw. die Anzahl der Impulse der Anziehungsspindel berücksichtigen. Diese haben allerdings den Nachteil, daß die Ergebnisse streuen und das Risiko besteht, die Mehrheit der Bolzen über die Streckgrenze hinaus zu verdrehen, wodurch bleibende Formänderungen entstehen können.
  • Beide erwähnte Verfahren zum Anziehen der Verbindungsbolzen haben den Vorteil der 100%igen Ausnutzung der Festigkeit beim Anziehen und des Erreichens der maximalen Vorspannkraft mit einer geringen Streuung. Sie haben aber einen prinzipiellen wirtschaftlichen Nachteil. Dieser besteht darin, daß keine Informationen über Teilschäden an den Bolzen durch Anziehen der Bolzen über die Streckgrenze hinaus verfügbar sind und die Bolzen somit aufgrund der hohen Qualitätsansprüchen nach jeder Demontage vorsichtshalber ausgetauscht werden müssen. Dadurch können die Verbindungsbolzen nur einmal verwendet werden, weshalb Reparaturen, eine erneute Montage der auseinandergenommenen Produkte und der Kundendienst beträchtlich verteuert werden. Die einmalige Verwendbarkeit der Bolzen stellt ein Hindernis für die weitere Verbreitung des beschriebenen progressiven Anziehungsverfahren in der Praxis dar.
  • Weiterhin ist z.B. aus der EP 0 459 365 A ein Verfahren der Schadensauswertung der Verbindungsbolzen bekannt, wobei als ein Kriterium für die plastische Formänderung die gesamte bleibende Verlängerung der Verbindungsbolzen verwendet wird. Hier besteht aber das Problem der Mehrdeutigkeit dieses Wertes und der Notwendigkeit der Aufzeichnung der ursprünglichen Länge jedes einzelnen Bolzens, was in der Praxis undurchführbar ist. Deshalb ist dieses Verfahren nur für eine grobe optische Auswahl der offensichtlich verlängerten Bolzen mit einer sichtbaren Kontraktion des kritischen Querschnitts geeignet. Ähnliche und noch größere Nachteile weist auch das bekannte Verfahren der Auswertung nur der Längenausdehnung des Gewindeteils des Bolzenschafts auf.
  • Aufgrund der vorrangigen hohen Qualitätsanforderungen werden in der Praxis wegen der oben beschriebenen Prozeßunsicherheit schon beim bloßen Verdacht auf eine Überschreitung der Streckgrenze alle demontierten, aber ansonsten hochwertigen Verbindungsbolzen bevorzugt ausgesondert, obwohl sie technisch meistens noch gut einsetzbar sind. Dadurch kam es bisher zu beträchtlichen wirtschaftlichen Verlusten, die aber technisch gesehen nicht nötig sind.
  • Aus der US 4 338 054 sind gattungsgemäße Verbindungsbolzen in Form von technisch aufwendigen Dehnschrauben mit genau definierter Streckgrenze und verbesserter Dehnung oberhalb der Streckgrenze bekannt, die einen gewindefreien Schaftabschnitt und einen endseitigen Gewindeabschnitt aufweisen. Der gewindefreie Abschnitt hat ein durch Kaltumformung erzeugtes Querschnittsprofil mit Längsrippen und ist hinsichtlich seiner Verformungseigenschaften so ausgelegt, daß beim Anziehen der Dehnschraube nur der gewindelose Abschnitt bleibend drehverformt wird. Um den Grad der bleibenden Drehverformung dieses gewindefreien Schaftabschnitts einer ausgebauten Dehnschraube zu bestimmen, sind auf seiner Umfangsfläche endseitige Markierungen ausgebildet, deren gegenseitige Winkelpo sition ein Maß für die bleibende Drehverformung des profilierten Schaftabschnitts darstellt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Verbindungsbolzen mit einem aussagekräftigen Kennzeichnungssystems zu schaffen, das eine zuverlässige Indikation des Ausmaßes der bleibenden Formänderungen der Bolzenschäfte ermöglicht und ein Aussondern von noch brauchbaren Verbindungsbolzen verhindern kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Die oben genannten Nachteile werden im beträchtlichen Maße durch Verbindungsbolzen für wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus beseitigt, die aus einem Bolzenkopf und einem mit einem Gewinde versehenen Bolzenschaft bestehen und die erfindungsgemäß am Bolzenkopf mindestens eine Indikationsmarke und mindestens ein am freien Ende des Bolzenschafts geformtes Indikationszeichen haben, wobei die durch die Indikationsmarke und die Rotationsachse des Bolzens gebildete Ebene und die durch das Indikationszeichen und die Rotationsachse gebildete Ebene einen definierten Winkel einschließen.
  • Die Indikationsmarke und das Indikationszeichen sind zweckmäßigerweise durch mindestens eine dreidimensionale ungeteilte oder diskontinuierliche Nut oder Vorsprung gebildet, die im Material des Verbindungsbolzens geformt sind.
  • Die aus den jeweiligen Schwerpunkten der Indikationsmarken und -zeichen auf die Rotationsachse q-q des Verbindungsbolzens gefällten Senkrechten bilden die Bezugsachsen a-a oder c-c des entsprechenden Indikationssystems, die gemeinsam mit der Rotationsachse q-q des Verbindungsbolzens den momentanen Winkel zwischen der durch die Achsen a-a und q-q definierten Bezugsebene α des Bolzenkopfes und der durch die Achsen c-c und q-q definierten Bezugsebene γ des freien Endes des Bolzenschafts definieren. Soweit angesichts einer speziellen Konfiguration der Indikationsmarken oder -zeichen der Schwerpunkt der Indikationsmarken oder -zeichen direkt auf die Rotationsachse q-q des Bolzens fallen sollte, kann in vorteilhafter Weise eine zur Bolzenachse q-q senkrecht liegende Symmetrieachse im System der Indikationsmarken und -zeichen als Bezugsachse gewählt werden. Bei der Ausführung des Verbindungsbolzens mit einer Führungsspitze wird das Indikations zichen des freien Endes des Bolzenschafts durch mindestens eine Abflachung oder eine konkave Fläche gebildet, die auf der Führungsnase in radialer Richtung zur Achse q-q des Verbindungsbolzens gebildet ist. Bei einer Ausführung mit einer kurzen zylinder- oder kegelförmigen Nase ist das Indikationszeichen auf dem freien Ende des Bolzenschafts stirnseitig als volle oder unterbrochene Aussparung oder Vorsprung ausgebildet.
  • Das Indikationszeichen und die Indikationsmarke, die durch Veränderung der gegenseitigen Winkellage mittels Veränderung des Winkels θH zwischen den Bezugsebenen α und γ nach einem Anziehen über die Streckgrenze hinaus den Winkel der bleibenden Verdrillung ΔθH des Bolzenschafts des Verbindungsbolzens bestimmen und seine Sichtbarmachung und Meßbarkeit ermöglichen, werden schon bei der Herstellung des Verbindungsbolzens angebracht und ebenso wie die übrigen Teile des Verbindungsbolzens auf der Oberfläche mit einer Schutzschicht versehen. Die Indikationsmarken und -zeichen dienen entweder direkt zum Kontakt mit einer Apparatur zum Ablesen der momentanen gegenseitigen Lage des Systems der Indikationsmarken am Bolzenkopf und des Systems der Indikationszeichen am freien Ende des Bolzenschafts oder in einer Kombination mit den Angriffsflächen des Bolzenkopfes oder mit den Abflachungen des Führungsendes als optische Orientierungsmarken, die eine richtige Ablesung der Größe des entsprechend definierten Winkels θH zwischen den Ebenen α und γ im gewünschten Bereich ermöglichen. Wenn der ganze theoretisch mögliche Bereich des Winkels θH von 0° bis 360° genutzt werden soll, kann eine asymmetrische Anordnung der Formen der Indikationsmarken und -zeichen gewählt werden.
  • Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsbolzens mit Blick auf den Bolzenkopf,
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsbolzens vom freien Ende des Bolzenschafts, und
  • 3 und 4 perspektivische Darstellungen anderer Ausführungsformen des freien Endes des Bolzenschafts.
  • Ein für ein wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus verwendbarer Verbindungsbolzen 1 besteht aus einem Bolzenkopf 2 mit einem Angriffsmittel 7 und mit einer integrierten Scheibe 3 mit einer Kontaktfläche 4 und aus einem Bolzenschaft 5 mit einem Gewinde 6.
  • Über der Kontaktfläche 4 des Bolzenkopfs 2 ist an einer Seitenfläche 8 oder eventuell auf der Oberfläche des Bolzenkopfs 2 an einer nicht belasteten Stelle des Angriffsmittels 7, wie zum Beispiel einem äußeren sechskantigen Prisma, gegebenenfalls auch auf der integrierten Scheibe 3, mindestens eine dreidimensionale konkave oder konvexe Indikationsmarke 9 ausgebildet. Auf der Oberfläche des Endes des Bolzenschafts 5 an der Stelle einer stumpfen Führungsnase 11 des Bolzens 1 ist mindestens ein dreidimensionales Indikationszeichen 10, vorzugsweise außerhalb des Gewindes 6, ausgebildet. Dieses Indikationszeichen 10 am Ende des Bolzenschafts 5 ist in diesem Fall ähnlich wie die Indikationsmarke 9 am Bolzenkopf 2 oder an der integrierten Scheibe 3 durch eine ungeteilte oder geteilte lange symmetrische Nut oder einen Vorsprung gebildet. Das Indikationszeichenpaar 9 ist hier vorzugsweise so angeordnet, daß die aus den Schwerpunkten beider Teile auf den Fußpunkt der Achse q-q des Bolzens 1 gefällten Senkrechten in einer Geraden zusammenfallen, die die Bezugsachse a-a des Indikationszeichensystems bildet. Auf der anderen Seite fällt der direkt auf der Rotationsachse q-q des Bolzens 1 liegende Schwerpunkt des ungeteilten Indikationszeichens 10 bereits mit dem Punkt Y zusammen, der in der allgemeinen Konfiguration des Indikationszeichens als Fußpunkt der entsprechenden Senkrechten abgeleitet wird. Hier wird dann vorzugsweise als Bezugsachse des Indikationszeichensystems eine Symmetrieachse des Systems gewählt, die in der zur Bolzenachse q-q senkrechten Ebene liegt, wie zum Beispiel die Gerade c-c. Unter dem Begriff des Schwerpunkts des Indikationszeichens oder der Indikationsmarke versteht man dabei die Körperschwerpunkte des konvexen, über dem Niveau der ursprünglichen Form zugegebenen, gegebenenfalls des konkaven, unter dem Niveau der ursprünglichen Form des Bolzens entfernten Materials. Für eine richtige Ablesung des bleibenden Verdrehwinkels ΔθH des Bolzenschafts 5 im vollen Bereich bis zu dem möglichen Wert 360° kann das Indikationssystem auch asymmetrisch angeordnet werden.
  • Bei einem Bolzen 1 mit einer Führungsspitze 12 am freien Ende des Bolzenschafts 5 des Verbindungsbolzens 1 kann zum Beispiel auch eine außerhalb des Gewindes 6 gebildete winkelorientierte Abflachung 13 als Indikationszeichen dienen. Die Indikationsmarke 9 und das Indikationszeichen 10 auf dem Bolzen 1 dienen zur Ablesung des momentanen Winkels θH zwischen den Bezugsebenen α und γ, die die gegenseitige Verdrehung der Kontaktfläche 4 des Bolzenkopfs 2 und der Stirnebene des freien Endes des Bolzenschafts 5 um die Rotationsachse q-q des Bolzens kennzeichnen. Dieser Winkel θH zwischen den Bezugsebenen α und γ, die sich in der Achse q-q des Bolzens schneiden, ist geometrisch auf bekannte Weise als der Winkel der nichtparallelen Linien a-a und c'-c' mit einem Schnittpunkt im Punkt X oder der nichtparallelen Geraden a'-a' und c-c mit einem Schnittpunkt im Punkt Y definiert, wobei die Hilfsgeraden a'-a' und c'-c' die entsprechenden parallelen Linien zu den Bezugsachsen des gegenüberliegenden Indikationssystems sind.
  • In der technischen Begleitdokumentation, z.B. in einer Anleitung, ist ein Ausgangswinkel θHO, am besten, wenn es technologisch möglich ist, als Nullwinkel und ein Maximalwinkel θH MAX , der für die gegebene Verbindung zulässig ist, für den Winkel θH zu definieren, wobei die Überschreitung des Maximalwinkels ein Zeichen für die Notwendigkeit des Austausches des Bolzens durch einen neuen ist. Der Bolzen der beschriebenen Konstruktion wird vorschriftsmäßig angezogen. Nach seiner Demontage wird über seine Wiederverwendbarkeit aufgrund des aktuell gemessenen Winkels θH des Indikationssystems und der daraus abgeleiteten aktuellen bleibenden Verdrillung ΔθH = θH – θHO entschieden. Der Bolzen kann wiederholt unter den ursprünglichen vorschriftsmäßigen Bedingungen für das Anziehen benutzt werden, soweit die in der Montageanleitung angeführte maximal zulässige bleibende Verdrillung des Bolzenschafts nicht überschritten wird.
  • Das Wesen der Erfindung beruht auf den Erkenntnissen über die Art der Beanspruchung eines Bolzens in der Praxis. Es ist bekannt, daß beim Anziehen des Bolzens 1 in der Richtung φ der kritische Teil des Bolzenschafts im Bereich unterhalb der Kontaktfläche 4 des Bolzenkopfs 2 und oberhalb des eingeschraubten Teils des Bolzenschafts 5 sowohl durch den Zug mit der Achsenvorspannkraft F, die durch den Keileffekt des Gewindes entsteht, als auch durch die Verdrillung durch das Anziehmoment MA, das um das Reibungsmoment MKA gemindert ist, beansprucht wird. Beim Anziehen des Bolzens geht es also um eine graduell wachsende, kombinierte Beanspruchung des Bolzenschafts durch Zug und Verdrillung, die die entsprechende Deformation des Bolzenschafts hervorruft, d.h. seine Verlängerung und Verdrehung. Beim Anziehen sind diese Formänderungen bis zur Streckgrenze elastisch bzw. reversibel und nach dem Lösen nicht feststellbar. Bei einer Anziehung über die Streckgrenze hinaus sind die Zuwächse beider Formänderungen jedoch bereits plastisch und bleibend. Ein Merkmal dafür, daß während des Anziehens des Bolzens die Streckgrenze des Materials überschritten wurde, stellen also sowohl eine bleibende Verlängerung als auch eine bleibenden Verdrehung des Bolzenschafts dar. Diese Veränderungen sind an dem Bolzen nach seinem Herausnehmen meßbar und können sowohl qualitativ als auch quantitativ als objektives Kriterium für ein Anziehen über die Streckgrenze hinaus dienen.
  • Das erfindungsgemäße System ist aus folgenden Gründen vorteilhaft:
    • – Der Bolzen trägt seit der Herstellung und während der ganzen Benutzungsdauer eine objektive und zuverlässige Information darüber, ob er über die Streckgrenze hinaus angezogen wurde oder nicht.
    • – Eine erfindungsgemäße Anzeige der Beschädigung mit Hilfe der einfach feststellbaren bleibenden Verdrillung des Bolzens signalisiert, wie wesentlich die momentane plastische Beschädigung des Bolzens ist und ob der Bolzen noch weiter verwendbar ist.
    • – Die Anzahl der möglichen wiederholten Montagen des erfindungsgemäßen Bolzens ist nicht fest vorgegeben, sondern abhängig von den individuellen Bedingungen der konkreten Verbindung.
    • – Dadurch wird die weitere Verwendbarkeit eines solchen über die Streckgrenze hinaus angezogenen Bolzens gewährleistet, und zwar ohne jegliche Qualitätseinbußen. Aufgrund der ständigen Kontrollierbarkeit der Bolzenbeschädigung ist es möglich, die Qualität der Verbindung zu erhöhen.
    • – Das Indikationssystem ist absolut zuverlässig, da es automatisch ohne Risiko menschlichen Versagens arbeitet und seine Beschädigung selbst bis zum vollständigen Ende seiner Lebensdauer anzeigt.
    • – Das System ermöglicht die mehrmalige 100%ige Ausnutzung der Bolzen, was einen großen wirtschaftlichen Vorteil bringt, der in der wiederholten und maximal möglichen häufigsten Verwendung des Bolzenmaterials beim Anziehen über die Streckgrenze hinaus und in der Ausnutzung weiterer individueller Reserven jeglicher Art, die durch Streuung verschiedener Anziehungsparameter, Dimensionstoleranzen und Materialeigenschaften gegeben sind, besteht.
    • – Das Markierungssystem ist während der gesamten Anwendungszeit des Bolzens dauerhaft, kann nicht abgewischt werden und beschädigt die individuelle Oberflächenbehandlung weder chemisch noch mechanisch.
    • – Eine Erhöhung der Masse oder des Preises muß nicht erfolgen. Die erfindungsgemäße Markierung kann im Rahmen der derzeitigen Taktung der Formmaschinen gefertigt werden, so daß nur Kosten für die notwendigen periodischen Abänderungen der Werkzeuge in der Produktion und die Kosten für die Meßgeräte anfallen, die im Rahmen einer Massenproduktion vergleichsweise minimal sind.
    • – Eine Verwechslung mit einer Herstellungsmarkierung der angezogenen Bolzen ist nicht möglich.
    • – Die Möglichkeiten der üblichen und notwendigen Operationen aus Sicht der Qualitätsleitung der Produktion bleiben ebenso wie die verwendeten Werkzeuge und Geräte einschließlich der Gültigkeit des vorgeschriebenen Anziehverfahrens unberührt.
    • – Die Beschädigungsanzeige ermöglicht ohne Risiko der Zerstörung eine erneute Verwendbarkeit der Bolzen, die bisher nur aufgrund des bloßen Verdachts der Überschreitung der Streckgrenze und der möglichen Einschränkung der Funktionsfähigkeit durch bleibende Deformationen ausgetauscht wurden und belastet damit die Umwelt weniger. Außerdem verbraucht das umweltfreundliche erfindungsgemäße Indikationssystem keine weitere Energie und benötigt keine Farben und Verdünner.
    • – Es können kostengünstigere Produkte konstruiert werden.
    • – Die Indikationsmarken und -zeichen auf den Bolzen erleichtern es auch wesentlich, die Bolzenverbindungen in der Vorproduktionsphase, in der Qualitätssteuerung während der Produktion und auch nach Unfällen zu beurteilen und können zu einem schnellen Auffinden der Ursachen und Zusammenhänge beitragen.
  • Das erfindungsgemäße System ist bei allen klassischen Bolzenverbindungen anwendbar, bei denen der Bolzen das schwächste Glied ist. Es findet also z.B. keine Anwendung bei Schrauben für Holz, Kunststoffen oder bei einer nicht ausgewogenen Kombination der Materialien der Schrauben und der Muttern. Eine selbstverständliche Voraussetzung ist, daß es sich um einen Bolzen handelt, der konzeptio nell, d.h. durch eine hinreichend große nicht eingeschraubte Länge für die Technologie des Anziehens über die Streckgrenze hinaus geeignet ist.

Claims (7)

  1. Verbindungsbolzen, der für ein wiederholtes Spannen über die Streckgrenze hinaus bestimmt ist, bestehend aus – einem Bolzenkopf (2), – einem mit einem Gewinde (6) versehenen Bolzenschaft (5) und – axial voneinander beabstandeten Markierungen (9; 10) zum Anzeigen einer bleibenden Drehverformung des Verbindungsbolzens, wobei – eine Markierung als Indikationsmarke (9) mit der Bolzenachse (q-q) eine erste Längsebene (α) definiert, – eine andere Markierung als Indikationszeichen (10) mit der Bolzenachse (q-q) eine zweite Längsebene (γ) definiert, die mit der ersten Längsebene (α) einen Winkel (ΘH) einschließt, und – eine bleibende Änderung (ΔΘH) des Winkels (ΘH) ein Maß für eine bleibende Drehverformung darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Indikationsmarke (9) am Bolzenkopf (2) und das Indikationszeichen (10) am freien Ende des Bolzenschafts (5) an dessen Stirnseite außerhalb seines Gewindes (6) angeordnet sind.
  2. Verbindungsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikationsmarke (9) sowie das Indikationszeichen (10) dreidimensional als Nut oder Vorsprung im Material des Verbindungsbolzens (1) geformt sind.
  3. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenschaft (5) an seinem freien Ende eine Führungsspitze (12) aufweist, an welcher das Indikationszeichen (10) ausgebildet ist.
  4. Verbindungsbolzen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenschaft (5) an seinem freien Ende eine Nase (14) aufweist, an der das Indikationszeichen (10) ausgebildet ist.
  5. Verbindungsbolzen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikationsmarke (9) und das Indikationszeichen (10) bei der Herstellung des Verbindungsbolzens (1) gefertigt und ebenso wie seine übrigen Teile mit einer Schutzschicht versehen sind.
  6. Verbindungsbolzen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Indikationsmarke (9) eine definierte Winkellage zu einer Seitenfläche (8) des Bolzenkopfes (2) hat.
  7. Verbindungsbolzen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopf (2) und dem Bolzenschaft (5) eine integrierte Scheibe (3) vorgesehen ist, an der eine Indikationsmarke (9) ausgebildet ist.
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