DE102006020325A1

DE102006020325A1 - Vorrichtung zur Ermittlung einer Kennlinie eines Druckaufnehmers

Info

Publication number: DE102006020325A1
Application number: DE200610020325
Authority: DE
Inventors: Oskar Brandl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-04
Also published as: DE102006020325B4

Abstract

Vorrichtung (1) zur Ermittlung einer Kennlinie eines Druckaufnehmers (2) zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung, bei der in einem Gehäuse (3) ortsfest ein Kraftaufnehmer (4) mit einem axial beweglichen und drehgesicherten Messarm (4') angeordnet ist, in den eine Schraube (5) axial einschraubbar ist, wobei das Gehäuse (3) in einer axialen Verlängerung des Messarms (4') eine Öffnung (3') aufweist, durch die die Schraube (5) in das Gehäuse (3) einführbar ist, zum Einschrauben der Schraube (5) in den Messarm (4'), wobei ein Innendurchmesser der Öffnung (3') so bemessen ist, dass ein Schraubenkopf (5') der Schraube (5) nach einem Einschrauben in den Messarm (4') auf einer Außenseite des Gehäuses (3) aufliegt und zwischen dem Schraubenkopf (5') und dem Gehäuse (3) der Druckaufnehmer (2) anordenbar ist.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung können Kennlinien eines Druckaufnehmers zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung für unterschiedliche Verschraubungen ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kennlinie eines Druckaufnehmers zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung.
Die Ermittlung des Spannungszustandes, der sich in einem Verbindungselement am Einsatzort einstellt, stellt ein aktuelles Problem von großer Bedeutung dar. Die Bedeutung liegt vor allem auf dem Gebiet der Sicherheit. Es darf aber auch der wirtschaftliche Aspekt dieses Problems nicht unterschätzt werden. Von besonderer Bedeutung ist die Ermittlung des in einer Schraubverbindung vorliegenden Spannungsverhältnisses. Wenn Teile miteinander lösbar verbunden werden müssen, geschieht dies in der Regel mit Schraubverbindungen. So sind beispielsweise in einem Automobil etwa 2.000 bis 3.000 Schraubverbindungen vorhanden. Von diesen sind rund 300 kritisch für die Sicherheit der Fahrzeuginsassen. Diese Schrauben müssen daher besonders sorgfältig angezogen werden, d. h. weder zu lose noch zu stark.
Beim Anziehen einer Schraube kommt es letztlich auf die erzielte Spannkraft an. Einzig die Spannkraft entscheidet darüber, wie fest die lösbar miteinander zu verbindenden Teile miteinander verklemmt werden. Zur Kontrolle dieser Spannkraft stehen derzeit keine direkten Messmethoden zur Verfügung, sondern lediglich Indizien oder Hilfsgrößen, nämlich das Drehmoment und der Drehwinkel oder die Kombination der beiden. Als Hilfsgröße kann in gewissem Sinn noch die Streckgrenze, beispielsweise bei der Verwendung von Dehnschrauben in Betracht gezogen werden.
Beim drehmomentgesteuerten Anziehen einer Schraube ist zu berücksichtigen, dass ca. 60 bis 90 % des Drehmoments als Reibung unter dem Schraubenkopf an dem Gewinde benötigt werden. Allein die verbleibenden 10 bis 40 % des Drehmoments bewirken eine Dehnung der Schraube. Lediglich aus dieser Dehnung der Schraube resultiert jedoch die erwünschte Spannkraft. Bei unterschiedlichen Reibungsverhältnissen kann die Spannkraft bei konstantem Anziehmoment im Extremfall bis zu 100 % variieren. Als Kontrolle der Spannkraft einer Schraubverbindung bleibt somit die Erfassung des Drehmoments, eine bloße messtechnische Krücke. Abweichungen von der geforderten Spannkraft bei Schraubverbindungen können durch ein Anziehverfahren vermindert werden, das durch das Drehmoment und den Drehwinkel gesteuert wird. Bei diesem Verfahren ist jedoch der Aufwand für die Steuer- und Messelektronik wesentlich höher als beim drehmomentgesteuerten Anziehen. Beim Anziehverfahren, das durch Drehmoment gesteuert wird, wird die Schraube bis zum Auftreten eines Fügemoments eingedreht und von da an um einen vorgegebenen Winkel angezogen. Weil aus dem Drehwinkel und der Gewindesteigung die Dehnung der Schraube ermittelt werden kann, lässt sich unter Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls des Schraubenwerkstoffes die Spannkraft der Schraube errechnen. Unabhängig von den Reibungsverhältnissen führt dieses streckgrenzengesteuerte Anziehverfahren für Schraubverbindungen zu den besten indirekten Aussagen über die Vorspannkraft einer Schraubverbindung.
Das drehmomentgesteuerte Verschrauben findet jedoch seine Grenzen, sobald die Schraubenkopfgeometrie und/oder die Topographie des zu verschraubenden Bauteiles variieren. Durch diese geometrischen Unterschiede verändert sich der Reibkoeffizient zwischen dem Schraubenkopf und dem zu verschraubenden Bauteil. Aufgrund dieser Veränderung ist nicht sichergestellt, ob die Schraube im realistischen Fall mit der korrekten Vorspannkraft eingeschraubt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie in einfacher Weise ein korrektes Anschraubmoment für eine Schraubverbindung mit unterschiedlichen Kopfgeometrien ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, in einfacher Weise eine Kennlinie eines Druckaufnehmers zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung zu ermitteln und aufzuzeichnen. Hierfür wird für eine definierte Schraubenkopfgeometrie bzw. Bauteilgeometrie ein Druckaufnehmer zwischen die zu verschraubenden Bauteile eingebracht und dessen Kennlinie schraubmomentabhängig ermittelt. Mit diesem derart kalibrierten Druckaufnehmer ist es nun möglich, in einer Großserie am Fertigungsort, beispielsweise am Fertigungsband für ein Automobil das korrekte Anzugsmoment zu ermitteln.
Um den Kraftaufnehmer beim Ermitteln der Kennlinie mit einem Werkzeug nicht zu beschädigen, ist gemäß Patentanspruch 2 ein Federpaket zwischen dem Werkzeug und der Vorrichtung vorgesehen.
In vorteilhafter Weise weist das Federpaket gemäß Patentanspruch 3 einen Federweg in Richtung der axialen Richtung des Messarmes auf, um die auf den Zugkraftaufnehmer einwirkenden Zugkraftspitzen zu minimieren.
Bevorzugte Druckaufnehmer gemäß Patentanspruch 4 sind Dehnungsmessstreifen oder Druckquarze.
Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Werkzeug.
In den 1 und 2, in denen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gezeigt ist, gelten für die gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen.
1 zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 3, in dem ortsfest ein Kraftaufnehmer 4 angeordnet ist. Der Kraftaufnehmer 4 ist ein hochpräziser Referenz-Zug-/druckkraftaufnehmer. Der Kraftaufnehmer 4 verfügt über einen Messarm 4', an den der eigentliche, nicht sichtbare Kraftaufnehmer im Inneren des Kraftaufnehmers 4 angeordnet ist. Radial um den Messarm 4', erstreckt sich ein Befestigungsteil 4'', welches mit einem Gewindeteil 4''' lösbar verbunden ist. Das Gewindeteil 4''' weist in axialer Richtung des Messarms 4' ein Gewinde zur Aufnahme einer Schraube 5 auf. Das Gewindeteil 4''' ist in axialer Richtung des Messarms 4' auf der dem Kraftaufnehmer 4 abgewandten Seite in einer Axialführung 9 geführt. Die Axialführung 9 ist auf der dem Kraftaufnehmer 4 gegenüberliegenden Innenseite des Gehäuses 3 lösbar befestigt. Darüber hinaus ist das Gewindeteil 4''' mit einer Verdrehsicherung 8 versehen, welche gegen die Axialführung 9 abgestützt ist. Das Gehäuse 3 weist in axialer Richtung des Messarms 4' eine Öffnung 3', im vorliegenden Fall eine Bohrung auf, deren Innendurchmesser mit einem Außendurchmesser einer Schraube eine Spielpassung bildet. Durch diese Öffnung 3' wird zur Ermittlung einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung die Schraube 5 in das Gewindeteil 4"' eingeschraubt. Zwischen Schraubenkopf 5' und dem Gehäuse 3 wird ein Druckaufnehmer 2 angeordnet, dessen Kennlinie in der Vorrichtung für eine definierte Schraubenpaarung ermittelt wird. Diese Kennlinie kann auch in Abhängigkeit von zusätzlich zwischen dem Schraubenkopf 3' und dem Druckaufnehmer 2 und/oder zwischen dem Gehäuse 3 und dem Druckaufnehmer 2 gelegten Scheiben 10 ermittelt werden.
Zur Ermittlung einer Kennlinie des Druckaufnehmers 2, zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung, wird zuerst die Schraube 5 durch die Öffnung 3' in das Verschraubungsteil 4''' eingeschraubt, wobei zwischen dem Schraubenkopf 5' und dem Gehäuse 3 ein Druckaufnehmer 2 angeordnet wird. Dies kann nur mit Scheiben 10 geschehen. Anschließend wird mit einem Werkzeug die Schraube 5 solange in das Schraubteil 4''' eingeschraubt, bis der Schraubenkopf 5 plan auf dem Druckaufnehmer (oder einer Scheibe 10) aufliegt. Anschließend wird mit weiter schreitendem Drehwinkel ein elektrisches Ausgangssignal 11 des Druckaufnehmers 2 und ein elektrisches Ausgangssignal 12 des Kraftaufnehmers 4 (Zug-/Druckkraft), in vorliegenden Fall die Zugkraft, aufgezeichnet. Somit erhält man eine Kalibrierkurve für die vorliegende Schraubverbindung für diesen Druckaufnehmer 2. Im Folgenden kann dieser für diese Schraubverbindung kalibrierte Druckaufnehmer 2, dessen Kalibrierkurve für die vorliegende Schraubverbindung nun bekannt ist, in die Fertigung gebracht werden, um dort schnell und in einfacher Weise die Vorspannkraft einer gattungsgemäßen Schraubverbindung zu ermitteln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Druckaufnehmer 2 um einen Dehnungsmessstreifen oder einen Druckquarz.
Verändert sich nun beispielsweise die Geometrie des Schraubenkopfes 5', bzw. die Bauteilgeometrie in der laufenden Serie, so kann – wie bereits beschrieben – für diese neue Schraubenkopfgeometrie oder Bauteilgeometrie in einfacher Weise die entsprechende Kennlinie des Druckaufnehmers 2 oder die Kennlinie für einen anderen Druckaufnehmer ermittelt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der vollständige Messarm 4' aus dem eigentlichen Messarm 4' des Kraftaufnehmers 4, dem Befestigungsteil 4'' und dem Gewindeteil 4'''. In anderen Ausführungsbeispielen kann dieser Messarm 4' jedoch auch einstückig hergestellt sein.
2 zeigt die Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Werkzeug 6. In der laufenden Fertigung, beispielsweise im Automobilbau, werden üblicherweise druckluftbetriebene Pulsschrauber als Werkzeug 6 zum Anziehen von Schraubverbindungen verwendet. Zwischen dem Schraubkopf des Werkzeugs 6 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 befindet sich in diesem Fall zusätzlich ein Federpaket 7, welches in axialer Richtung des Messarms 4' einen Federweg aufweist. Die Eigenresonanz des Federpaketes 7 ist abgestimmt auf die Impulse des Werkzeuges 6, um eine Zerstörung oder Beschädigung des Kraftaufnehmers 4, der wie bereits erläutert sehr empfindlich und präzise ist, durch starke Druckspitzen zu verhindern.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist nun in einer laufenden Fertigung eine einfache Vergleichbarkeit von Messergebnissen für gleiche Verschraubungen gewährleistet. Ferner entspricht die vorgeschlagene Methode dem Anwendungsfall. Darüber hinaus kann der Prüfaufbau für den jeweiligen Anwendungsfall abgeglichen werden, beispielsweise bei einer abweichenden Bauteilgeometrie kann diese neue Bauteilgeometrie in Form eines Einlegestückes in das Gehäuse 3 dargestellt werden. In diesem Fall wird der Druckaufnehmer 2 vom Schraubenkopf 5' gegen die bauteiltypische Topographie gedrückt. Die bauteiltypische Topographie wird sinnvollerweise als Einlegebauteil ausgelegt, so dass dieses jederzeit schnell, einfach und kostengünstig ausgetauscht werden kann.

1: Vorrichtung
2: Druckaufnehmer
3: Gehäuse
3': Öffnung
4: Kraftaufnehmer
4': Messarm
4'': Befestigungsteil
4''': Gewindeteil
5: Schraube
5': Schraubenkopf
6: Werkzeug
7: Federpaket
8: Verdrehsicherung
9: Axialführung
10: Scheibe
11: elektrisches Ausgangssignal Druckaufnehmer
12: elektrisches Ausgangssignal Kraftaufnehmer

Claims

Vorrichtung (1) zur Ermittlung einer Kennlinie eines Druckaufnehmers (2) zur Messung einer Vorspannkraft einer Verschraubung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (3) ortsfest ein Kraftaufnehmer (4) mit einem axialbeweglichen und drehgesicherten Messarm (4') angeordnet ist, in den eine Schraube (5) axial einschraubbar ist, wobei das Gehäuse (3) in einer axialen Verlängerung des Messarms (4') eine Öffnung (3') aufweist, durch die die Schraube (5) in das Gehäuse (3) einführbar ist, zum Einschrauben der Schraube (5) in den Messarm (3'), wobei ein Innendurchmesser der Öffnung (3') so bemessen ist, dass ein Schraubenkopf (5') der Schraube (5) nach einem Einschrauben in den Messarm (3') auf einer Außenseite des Gehäuses (3) aufliegt und zwischen dem Schraubenkopf (5') und dem Gehäuse (3) der Druckaufnehmer (2) anordenbar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei ein Werkzeug (6) zum Einschrauben der Schraube (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkzeug (6) und dem Schraubenkopf (5') ein Federpaket (7) angeordnet ist, das derart ausgeformt ist, dass einerseits mit dem Schraubenkopf (5') und andererseits mit dem Werkzeug (6) ein Formschluss bildbar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federpaket (7) einen Federweg in der axialen Richtung des Messarms (4') aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (2) ein Dehnungsmessstreifen oder ein Druckquarz ist.