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Die
Erfindung betrifft eine Spannhülse
für einen
Schraubverband, ein Verfahren zum Bestimmen der Axialkraft in einer
Spannhülse
eines Schraubverbands, ein Verfahren zum Bestimmen der Tordierung in
einer Spannhülse
eines Schraubverbands und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung
des Verschraubens eines Schraubverbands.
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Bei
Einspritzdüsen
für Dieselmotoren,
insbesondere bei Common Rail-Injektoren
kommen Hochdruckdichtverbände.
bzw. Plattendichtverbände
zum Einsatz, die mit axialer Last zusammengepresst werden. Diese
axiale Last wird über
eine dünnwandige Spannmutter
oder Spannhülse
eingeleitet, die ein Bestandteil des Injektors ist und verschraubt
wird. Die Spannmutter hält
die Einzelteile des Injektors zusammen und bringt die Düse mit Zwischenbauteilen auf
den Injektor.
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Eine
Bestimmung der Axialkraft und der Torsion erfolgt derzeit über winkelgesteuerte
Anzugsverfahren mit einer Überwachung
des Momentfensters sowie über
momentgesteuerte Anzugsverfahren. Bei diesen Verfahren haben die
auftretenden Reibungsverluste einen erheblichen Einfluss, so dass
die dadurch gemessenen Werte für
die Axialkraft und die Torsion ungenau sind.
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Es
ist weiterhin die Messung der Axialkraft über Dehnmessstreifen aufgrund
der Widerstandsänderung
bekannt. Dieses Verfahren ist jedoch aufwändig, da der Dehnmessstreifen
innerhalb des Injektors appliziert werden muss und der Dehnmessstreifen
vor Auslieferung des Injektors an den Kunden zu entfernen ist. Beim
Einsatz von Messstreifen sind zudem der zusätzlich erforderliche Bauraum
sowie die erforderlichen Kabelführungen
durch die Bauteile und innerhalb des Einbauraums von Nachteil.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannhülse sowie
einen Schraubverband damit anzugeben, bei dem die wirkende Axialkraft und
der Torsionsversatz einfach und präzise bestimmt werden können. Des
Weiteren sollen entsprechende Verfahren zum Bestimmen der Axialkraft
in einer Spannhülse
eines Schraubverbands und der Tordierung in einer Spannhülse eines
Schraubverbands sowie Verfahren zur Steuerung oder Regelung des
Verschraubens eines Schraubverbands angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Spannhülse für einen
Schraubverband umfasst wenigstens zwei Markierungen, von denen jede
an einer bekannten Position der Mantelfläche angeordnet ist, wobei bei
einer Verschraubung die Tordierung und/oder die Axialkraft durch
eine Änderung
der Positionen der Markierungen bestimmbar ist/sind.
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Diese
Markierungen liegen auf Bereichen der Mantelfläche der Spannhülse, an
denen von einer konstanten Längenänderung
ausgegangen werden kann.
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Beim
Einschrauben einer Spannhülse
oder Spannmutter eines Schraubverbands, eines gebördelten
Verbands oder eines vorgespannten Verbands erfährt diese Spannhülse eine
auch als Längung
bezeichnete Längenänderung,
die im Wesentlichen abhängig
von ihrer Wandstärke
und ihrem Material ist.
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Erfindungsgemäß sind die
Positionen der Markierungen vor dem Verschrauben der Spannhülse, bspw.
durch eine optische Vermessung bekannt. Die Positionen der Markierungen
werden nach dem Verschrauben des Schraubverbands gemessen, und durch
die Längenänderung
der Positionen der Markierung zueinander kann die wirkende Axialkraft
auf einfache Weise und gleichzeitig sehr genau bestimmt werden.
Die höhere
Genauigkeit der Axial kraftmessung gegenüber dem drehwinkelgesteuerten
und drehmomentgesteuerten Anzugsverfahren resultiert vor allem daraus,
dass die erfindungsgemäß bestimmte
Axialkraft unabhängig
vom Kopfmoment und vom Gewindemoment des Schraubverbands und somit
unabhängig
von den jeweiligen Reibbeiwerten ist. Das Gesamtmontagemoment Mges entspricht der Summe aus dem Gewindedrehmoment
MG und dem Kopfmoment MK:
Mges = MG + MK. Dies ist dem Fachmann bekannt und braucht
hier nicht näher
erläutert zu
werden.
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Die
Verschraubung des Schraubverbands kann ohne zusätzlichen Aufwand und ohne weitere Beeinflussung
des Schraubverbands beurteilt werden, eine Lösedrehmomentermittlung und
eine Weiterdrehmomentermittlung entfallen.
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Ebenso
kann durch die erfindungsgemäße Spannhülse die
Tordierung bzw. das wirkende Torsionsmoment auf den Schraubverband
genau und einfach bestimmt werden, indem bei parallel zur Längsachse
verlaufenden Markierungen ein Vergleich von deren Positionen vor
und nach der Verschraubung erfolgt. Dadurch kann die Belastung auf
einzelne Platten im Plattendichtverband, die üblicherweise mit Stiften ausgerichtet
sind, ermittelt werden, und der Torsionsversatz kann bestimmt werden.
Das Torsionsmoment kann durch optische Messungen der Tordierung/Torsionsverformung
ermittelt werden.
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Falls
die Markierungen sowohl axial zueinander beabstandet als auch parallel
zur Längsachse verlaufend
ausgeführt
sind, können
durch eine Bestimmung der Positionen der Markierung vor und nach
der Verschraubung sowohl die Axialkraft als auch die Tordierung
bestimmt werden, und es ist eine Aufteilung in Moment- und Axialkraftwerte
möglich.
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Die
Ausgestaltung der Markierungen als umlaufende äquidistante Ringe ist besonders
gut für
die erfindungsgemäße Steuerung
und Regelung des Verschraubens eines Schraubverbands geeignet, da diese
Markierungen besonders gut beobachtet werden können.
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Durch
das Vorsehen von 2 × n
Markierungen, also von zwei Gruppen von jeweils äquidistant angeordneten Markierungen,
kann eine besonders gute optische Erfassung gewährleistet werden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Bestimmen der Axialkraft in einer Spannhülse eines Schraubverbands wird
zunächst
ein Schraubverband mit einer erfindungsgemäßen Spannhülse bereitgestellt, und dieser
wird verschraubt. Dann werden die Positionen der Markierungen optisch
erfasst, und die Axialkraft in der Spannhülse wird aufgrund des vergrößerten Abstands
zwischen den axial zueinander beabstandeten Markierungen bei bekanntem
Querschnitt und bei bekanntem Material der Spannhülse bestimmt.
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Gemäß der Erfindung
können
die im Schraubverband herrschenden Axialkräfte auch bei einem bereits
verschraubten Injektor bestimmt werden, indem bei einem verschraubten
Schraubverband mit einer erfindungsgemäßen Spannhülse zunächst die Positionen der Markierungen
der Spannhülse
im verschraubten Zustand optisch erfasst werden, der Schraubverband
danach gelöst
wird und die Positionen der Markierung im gelösten Zustand erneut optisch
erfasst werden. Dann kann die Axialkraft in der Spannhülse, die
im verschraubten Zustand gewirkt hat, aufgrund des verringerten
Abstands zwischen den axial zueinander beabstandeten Markierungen,
also aufgrund Rückgangs
der Längung,
bei bekanntem Querschnitt und bei bekanntem Material der Spannhülse bestimmt
werden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Bestimmen der Tordierung in einer Spannhülse eines Schraubverbands wird
zunächst
ein Schraubverband mit einer erfindungsgemäßen Spannhülse bereitgestellt und verschraubt,
dann werden die Positionen der Markierungen optisch erfasst, und
die Tordierung in der Spannhülse
wird aufgrund des veränderten
Abstands zwischen den parallel zur Längsachse verlaufenden Markierungen
bei bekanntem Querschnitt und bei bekanntem Material der Spannhülse bestimmt.
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Gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung oder Regelung des Verschraubens eines Schraubverbands
wird zunächst
ein Schraubverband mit einer erfindungsgemäßen Spannhülse bereitgestellt und unter
kontinuierlichem optischen Erfassen der Positionen der Markierungen verschraubt.
Das Verschrauben wird dann beendet, wenn der Abstand zwischen den
axial zueinander beabstandeten Markierungen der Spannhülse ein
Maximalwert erreicht, wobei der Querschnitt und das Material der
Spannhülse
bekannt sind. Aus diesem Abstand zwischen den axial zueinander beabstandeten Markierungen
kann die entsprechende maximal zulässige Axialkraft bei bekanntem
Querschnitt und bei bekanntem Material der Spannhülse bestimmt
werden.
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Die
Schraubkräfte
während
des Schraubvorgangs und am montierten Schraubverband können einfach,
präzise
und kostengünstig
ermittelt werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind in der Praxis ohne
Kompromisse einsetzbar, sie benötigen
keinen zusätzlichen
Bauraum, und außer
des Vorhandenseins optischer Erfassungsgeräte wie Kameras keine zusätzlichen
Bauteile, welche die Dichtheit des Schraubverbands negativ beeinflussen
könnten
und welche vor Auslieferung an den Kunden wieder ausgebaut werden
müssten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beiliegende Figur näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer ersten Düsenspannmutter in unverschraubtem
Zustand mit kreuzförmigen
Lasermarkierungen auf ihrer Mantelfläche;
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer zweiten Düsenspannmutter in unverschraubtem
Zustand mit kreuzförmigen
Lasermarkierungen auf ihrer Mantelfläche;
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer dritten Düsenspannmutter in unverschraubtem
Zustand mit ringförmigen
Lasermarkierungen auf ihrer Mantelfläche;
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4 zeigt
eine Seitenansicht einer vierten Düsenspannmutter in unverschraubtem
Zustand mit ringförmigen
Lasermarkierungen auf ihrer Mantelfläche; und
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5 zeigt
eine Seitenansicht einer fünften Düsenspannmutter
in unverschraubtem Zustand mit einer rechteckigen dünnen Kunststoff-
oder Metallfolie auf ihrer Mantelfläche.
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Sämtliche
nachfolgenden Positions- und Abstandsangaben sowie Abmessungen der
Lasermarkierungen sind beispielhaft und nicht einschränkend zu
verstehen. Es ist erfindungsgemäß selbstverständlich möglich, die
Lasermarkierungen auch anders als gezeigt anzuordnen und auszubilden.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer ersten Düsenspannmutter 2 in
unverschraubtem Zustand.
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Die
erste Düsenspannmutter 2 befestigt
im Betrieb bspw. einen darin angeordneten Düsenkörper einer Einspritzdüse, indem
diese in ein Gewinde in einer Einbaubohrung im Zylinderkopf eingeschraubt
wird, was dem Fachmann bekannt und hier nicht näher ausgeführt ist.
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Die
erste Düsenspannmutter 2 sowie
die in den nachfolgenden Figuren dargestellten Düsenspannmuttern umfassen, in
den Figuren von rechts nach links gesehen, einen Mantelbereich 8,
ein etwas schmaleres Halsstück 6 und
eine exemplarisch als Sechskant-Antriebsgeometrie dargestellte Antriebsgeometrie 4.
Auf der Mantelfläche
des Mantelbereichs 8 sind vertikal mittig eine erste Lasermarkierung 10 und
eine zweite Lasermarkierung 12 dargestellt, wobei die erste
Lasermarkierung 10 nahe dem Übergang zum Halsstück 6 und
die zweite Lasermarkierung 12 etwa auf einer Position von
70% der a xialen Länge
des Mantelbereichs 8 angeordnet sind. Die Lasermarkierung 10 und 12 sind
jeweils kreuzförmig ausgebildet
und haben eine Breite b, in Umfangsrichtung gesehen, und eine Länge l, in
Axialrichtung gesehen, die jeweils übereinstimmen und jeweils einem Achtel
des Durchmessers des Mantelbereichs 8 entsprechen.
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Der
axiale Abstand zwischen den beiden Lasermarkierungen 10 und 12 ist
in 1 mittels des Bezugszeichens A dargestellt und
er entspricht etwa 60% der axialen Erstreckung des Mantelbereichs 8.
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer zweiten Düsenspannmutter 14,
deren konstruktiver Aufbau demjenigen der ersten Düsenspannmutter 2 entspricht.
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Im
Unterschied zu der ersten Düsenspannmutter 2 weist
die zweite Düsenspannmutter 14 jeweils
vier erste Lasermarkierungen 16 und vier zweite Lasermarkierungen 18 auf,
wobei die ersten Lasermarkierungen 16 in Axialrichtung
gesehen äquidistant
zueinander in einem Bereich nahe der Verjüngung zu dem Halsstück 6 angeordnet
sind und wobei die zweiten Lasermarkierungen 18 in Axialrichtung gesehen äquidistant
zueinander in einem mittleren bis hinteren Bereich der Mantelfläche 8,
insbesondere in einem Bereich zwischen der Mitte und zwei Dritteln
der axialen Erstreckung der Mantelfläche 8 angeordnet sind.
Die vier ersten und die vier zweiten Lasermarkierungen 16 und 18 sind
in der Darstellung gemäß 2 jeweils
vertikal mittig auf der Mantelfläche 8 angeordnet.
Der Abstand zwischen der vordersten ersten Lasermarkierung 16 und
der hintersten zweiten Lasermarkierung 18 ist mit A gekennzeichnet
und entspricht dem Abstand A gemäß 1.
Der axiale Abstand x zwischen jeweils benachbarten Lasermarkierungen 16 und 18 entspricht in
der 2 etwa einem Sechstel des Durchmessers des Mantelbereichs 8.
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Mittels
der Lasermarkierungen 10, 12 und 16, 18 können sowohl
die Axialkraft als auch die Tordierung der Düsenspannmutter 2, 14 bestimmt
werden.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer dritten Düsenspannmutter 20 mit
vier, in Axialrichtung gesehen, äquidistanten
ringförmigen
ersten Lasermarkierungen 22 und mit vier, in Axialrichtung
gesehen, äquidistanten
ringförmigen
zweiten Lasermarkierungen 24. Die ersten ringförmigen Lasermarkierungen 22 sind
in einem vorderen Bereich der Mantelfläche 8, insbesondere
in einem Bereich zwischen 5 und 25% der axialen Erstreckung der
Mantelfläche 8 angeordnet.
Die zweiten ringförmigen
Lasermarkierungen 24 sind in einem mittleren bis hinteren
Bereich der axialen Erstreckung der Mantelfläche 8, insbesondere
in einem Bereich zwischen der Hälfte
und zwei Dritteln der axialen Erstreckung der Mantelfläche 8 angeordnet.
Der Abstand zwischen jeweils benachbarten äquidistanten Lasermarkierungen 22 und 24 ist
mit x und der Abstand zwischen der vordersten ringförmigen ersten
Lasermarkierung 22 und der hintersten ringförmigen zweiten
Lasermarkierung 24 ist mit A bezeichnet. Der Abstand x
und der Abstand A entsprechen jeweils den Abständen x und A bei der zweiten
Düsenspannmutter 14 aus 2.
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4 zeigt
eine Seitenansicht einer vierten Düsenspannmutter 26.
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Die
vierte Düsenspannmutter 26 umfasst
auf einem vorderen Bereich ihrer Mantelfläche 8, insbesondere
in einem Bereich zwischen 5 und 20% ihrer axialen Erstreckung fünf ringförmige erste
Lasermarkierungen 28 und in einem mittleren bis hinteren
Bereich ihrer Mantelfläche 8,
insbesondere in einem Bereich zwischen 50 und 70% ihrer axialen
Erstreckung, fünf
ringförmige
zweite Lasermarkierungen 30. Der Abstand A zwischen der
vordersten ersten Lasermarkierung 28 und der hintersten
zweiten Lasermarkierung 30 entspricht jeweils den Abständen A bei
den Düsenspannmuttern 2, 14 und 20.
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Die
Abstände
zwischen den jeweils benachbarten Lasermarkierungen sind nicht äquidistant, sondern
sie nehmen zu der Mantelposition, die durch A/2 bestimmt ist, also
zur Mitte zwischen der vordersten ersten Lasermarkierung 28 und
der hintersten zweiten Lasermarkierung 30 zu. Der Abstand
zwischen der vordersten und der zweiten Lasermarkierung 28 ist
x1, der Abstand zwi schen der zweiten und dritten
Lasermarkierung 28 ist x2, der
Abstand zwischen der dritten und vierten Lasermarkierung 28 ist x3, und der Abstand zwischen der vierten und
fünften Lasermarkierung 28 ist
x4, wobei x1 < x2 < x3 < x4.
Dieselben Abstandverhältnisse
gelten sinngemäß gespiegelt
für die
Lasermarkierungen 30.
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Mit
den Lasermarkierungen 22, 24 und 28, 30 der
Düsenspannmuttern 20 und 26,
die als umlaufende äquidistante
Ringe ausgebildet sind, lässt
sich deren axialer Abstand und dessen Änderung nach einem Schraubprozess
oder während
eines Schraubprozesses ermitteln und daraus die Axialkraft, die
in dem Schraubverband und somit in der Düsenspannmutter 20, 26 wirkt
oder gewirkt hat, genau bestimmen. Bei der vierten Düsenspannmutter 26,
bei welcher der Abstand zwischen den jeweils benachbart angeordneten
Lasermarkierungen 28 und 30 variiert, kann die
Messgenauigkeit bei der optischen Erfassung noch weiter erhöht werden.
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5 zeigt
eine Seitenansicht einer fünften Düsenspannmutter 32,
auf deren Mantelfläche 8 eine rechteckige
dünne Kunststoff-
oder Metallfolie 34 aufgeklebt ist.
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Die
Folie 34 erstreckt sich von einem vorderen Bereich der
Mantelfläche 8 bis
zu einem mittleren bis hinteren Bereich derselben und hat eine Höhe von etwa
1,5 mal dem Außenradius
der Düsenspannmutter 32 im
Bereich der Mantelfläche 8.
Die rechteckige Folie 34 weist in ihrem vorderen Bereich
vier äquidistante
erste Linienmarkierungen 36 und in ihrem hinteren Bereich
vier äquidistante
zweite Linienmarkierungen 38 auf. Der Abstand A zwischen
der vordersten ersten Linienmarkierung 36 und der hintersten
zweiten Linienmarkierung 38 stimmt mit dem Abstand A bei
den Düsenspannmuttern 2, 14, 20 und 26 überein.
Der Abstand jeweils benachbarter Linienmarkierungen 36 und 38 beträgt x und
stimmt mit dem Abstand x bei den Düsenspannmuttern 14 und 20 überein.
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Bei
der fünften
Düsenspannmutter 32 sind die
Linienmarkierungen 36 und 38 auf der rechteckigen
Kunststoff- oder Metallfolie 34 aufgedruckt. Alternativ
dazu können
entsprechende Linienmarkierungen als Skala direkt auf die Düsenspannmutter
aufgedruckt werden.
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Prinzipiell
können
die erfindungsgemäßen Markierungen
je nach Einsatzzweck durch unterschiedliche Verfahren an- oder aufgebracht
werden, insbesondere als Lasermarkierungen oder Elektrogravierungen
direkt auf der Spannhülse,
als auf der Spannhülse
aufgeklebte dehnbare Markierungen, als mit Anreißwerkzeug direkt auf der Spannhülse aufgebrachte
Markierungen oder als aufgedruckte Markierungen. Es ist ebenso möglich, die
verschiedenen Markierungen und die eingesetzten Verfahren miteinander
zu kombinieren.
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Bei
allen Düsenspannmuttern 2, 14, 20, 26 und 32 kann
die Axialkraft zuverlässig
und einfach bestimmt werden, indem der Schraubverband mit der Düsenspannmutter 2, 14, 20, 26 und 32 verschraubt wird
und dann die Positionen der Markierungen 10, 12 bzw. 16, 18 bzw. 22, 24 bzw. 28, 30 bzw. 36, 38 optisch
erfasst werden. Da der Querschnitt der Düsenspannmutter 2, 14, 20, 26 und 32 im
Mantelbereich 8 konstant ist und das Material der Spannhülse ebenfalls
bekannt ist, kann aufgrund des vergrößerten Abstands zwischen diesen
axial zueinander beabstandeten Markierungen die in der Spannhülse wirkende
Axialkraft genau bestimmt werden, unabhängig von den wirkenden Kopf-
und Gewindemomenten und den dort wirkenden Reibbeiwerten.
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Diese
Axialkraft kann auch bei einem bereits verschraubten Schraubverband
bestimmt werden, indem zunächst
die Positionen der Markierungen 10, 12 bzw. 16, 18 bzw. 22, 24 bzw. 28, 30 bzw. 36, 38 im verschraubten
Zustand optisch erfasst werden, dann der Schraubverband gelöst wird
und anschließend die
Positionen der Markierungen im gelösten Zustand erneut optisch
erfasst werden. Aufgrund des verringerten Abstands zwischen den
axial zueinander beabstandeten Markierungen kann die Axialkraft, die
in der Düsen spannmutter
im verschraubten Zustand gewirkt hat, zuverlässig bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist auch
die Steuerung und Regelung des Verschraubens eines Schraubverbands
mit einer Düsenspannmutter 2, 14, 20, 26 und 32 möglich, indem
das Verschrauben unter kontinuierlichem optischen Erfassen der Position
der Markierungen 10, 12 bzw. 16, 18 bzw. 22, 24 bzw. 28, 30 bzw. 36, 38 erfolgt
und dann beendet wird, wenn der Abstand zwischen jeweils axial zueinander
beabstandeten Markierungen einen Maximalwert erreicht.
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Bei
den Düsenspannmuttern 2 und 14 kann zusätzlich oder
anstelle der Bestimmung der Axialkraft auch die Tordierung in der
Spannhülse
bestimmt werden, indem der Schraubverband verschraubt wird und nach
dem Verschrauben die Positionen der Markierungen 10, 12 bzw. 16, 18 erfasst
werden. Durch den veränderten
Abstand zwischen den parallel zur Längsachse verlaufenden Lasermarkierungen 10, 12 bzw. 16, 18 kann
bei bekanntem Querschnitt und bei bekanntem Material der Spannhülse 2, 14 die
Tordierung der Spannhülse
zuverlässig
bestimmt werden.
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Die
Bestimmung der Tordierung in einer Spannhülse setzt wenigstens zwei parallel
zur Längsachse
verlaufende Markierungen der Spannhülse voraus.
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Grundsätzlich sind
die erfindungsgemäßen Markierungen
auf einem Bereich der Spannhülse
anzubringen, in dem eine konstante Längenänderung und Tordierung stattfindet,
bspw. in einem vorderen bis mittleren/hinteren Bereich der Spannhülse.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
gehen davon aus, dass die anfänglichen
Positionen der Markierungen bspw. durch eine optische Vermessung
der Spannhülse
bekannt sind, so dass durch Vergleich der geänderten Positionen der Markierungen
mit den anfänglichen
Positionen bei Betrachtung der axial voneinander beabstandeten Markierungen die
axiale Abstandsänderung und
daraus die Axialkraft ermittelt werden können und dass bei Betrachtung
der parallel zur Längsachse
verlaufenden Markierungen entsprechend die stattgefundene Tordierung
bestimmt werden kann.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
sind vielfältig
einsetzbar zur Ermittlung von Axialkräften und Tordierungen in Schraubverbänden, gebördelten Verbänden und
vorgespannten Verbänden,
die mittels magnetumgeformter Hülsen
fixiert werden, etc.