DE102009016448A1

DE102009016448A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Festziehen einer Schraubenverbindung

Info

Publication number: DE102009016448A1
Application number: DE200910016448
Authority: DE
Inventors: Hubertus Von Chappuis
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-04-04
Filing date: 2009-04-04
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Festziehen einer Schraubenverbindung, wobei das Drehmoment (M) und der Drehwinkel (φ) während des Festziehens gemessen werden, daraus die Steigung (dM/dφ) des Drehmomentes gegen den Drehwinkel ermittelt wird, daraus das Anzugsmoment der Schraubenverbindung ermittelt wird und dann die Schraubenverbindung mit dem ermittelten Anzugsmoment angezogen wird. Gemäß der Erfindung wird das Anzugsmoment allein aus der Steigung des Drehmomentes gegen den Drehwinkel, der gewünschten Vorspannkraft der Schraubenverbindung sowie Konstruktionsparametern der Schraubenverbindung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Festziehen einer Schraubenverbindung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der EP 0 559 937 A1 bekannt. Bei einer derartigen gradientengesteuerten Schraubenmontage wird das Anzugsmoment (d. h. das End-Anzugsmoment) der Schraubenverbindung aus der konstanten Steigung des Drehmomentes gegen den Drehwinkel multipliziert mit einem vorgegebenen Sollwinkel ermittelt. Dadurch kann eine von der Reibung der Schraubenverbindung weitgehend unabhängige Klemmkraft erzielt werden. Der vorgegebene Sollwinkel stellt einen Referenzverdrehwinkel dar, welcher z. B. durch Referenzmessungen ermittelt werden kann.
Ein gradientengesteuertes Schraubenmontageverfahren ist auch aus der EP 1 064 121 B1 bekannt. Hier wird der erfasste Verlauf des Anzugsmomentes einer Schraubenverbindung mit einem Referenzverlauf verglichen, welcher durch Probeläufe an mehreren Schraubverbindungen ermittelt wird. Als Alternative wird vorgeschlagen, den Referenzverlauf anhand bekannter Werkstoff-Parameter und/oder der Geometrie der Schraubenverbindung zu berechnen. Auf Basis des Vergleichs mit dem Referenzverlauf wird die Schraube um einen Referenzverdrehwinkel, also drehwinkelgesteuert, weitergedreht.
Ein ähnliches Schraubenmontageverfahren ist auch aus der DE 197 55 253 A1 bekannt. Nach gradientengesteuertem Schraubenanzug wird ein Nachspannwinkel eingestellt, wodurch die Vorspannkraft in den inelastischen Bereich der Schraubenverbindung (den Bereich beginnender plastischer Verformung) gebracht wird. Während des Schraubvorganges wird die Lage eines gewählten Toleranzbereiches des Anzugsmoments in Abhängigkeit vom Reibwert der Schraubenverbindung bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gradientengesteuertes Schraubenmontageverfahren anzugeben, das ohne Rückgriff auf irgendwelche Referenzmessungen oder Referenzverläufe schnell, zuverlässig und genau arbeitet.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren und einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Gemäß der Erfindung werden die Verschraubungsdaten nicht gemessen, sondern vollständig als Systemparameter sowie die gewünschte Vorspannkraft eingegeben. Dadurch sind keine Referenzmessungen notwendig, sondern es kann für jede Verschraubung automatisch die gewünschte Vorspannkraft eingestellt werden, indem das jeweilige individuelle Anzugsmoment einer jeden einzelnen Schraube neu berechnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet besonders genau, wenn das Anzugsmoment im elastischen Bereich der Schraubenverbindung liegt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 zwei Kurven des Drehmoments gegen den Drehwinkel für unterschiedliche Reibwerte einer Schraubenverbindung;
2 eine Skizze der Verformungsanteile einer Schraube und des damit verspannten Körpers bei einem differentiellen Kraftanstieg, und
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels zur Durchführung einer Schraubenmontage.
Der Sinn jedes Montageprozesses für Schraubenverbindungen ist es, eine Klemmkraft auf die verschraubten Komponenten auszuüben. Voraussetzung für den Aufbau der Klemmkraft ist die durch Montage hervorgerufene Dehnung der verspannten Körper. Der bei der Montage erzwungenen Relativbewegung im Gewinde und unter einem Schraubenkopf wirkt ein Reibwiderstand entgegen, der im Allgemeinen einer breiten Streuung unterliegt. Dadurch ergibt sich für ein definiertes Anzugsmoment eine Varianz im erreichten Endwinkel und damit auch der Vorspannkraft.
Dies ist aus 1 ersichtlich, die zwei Kurven des Drehmoments M gegen den Drehwinkel φ für einen kleinen (μ_min) und einen großen Reibwert (μ_max) zeigt, wobei das gewünschte Anzugsmoment M_e bei unterschiedlichen Drehwinkeln φ erreicht wird. Die Varianz im erreichten Endwinkel wird im Wesentlichen durch die Reibung verursacht, da die Geometrie der Bauteile im Allgemeinen nur geringe Abweichungen aufweist. Die bei einem drehmomentgesteuerten Anzugsverfahren erreichte Klemmkraft ist daher mit einer breiten Streuung behaftet.
Bei drehmomentgesteuerter Montage wird ein Wert für das Anzugsmoment als Abschaltbedingung spezifiziert, d. h. bei Erreichen dieses Wertes wird der Montageprozess beendet. Die dabei erreichte Montagevorspannkraft ist von dem während der Verschraubung wirkenden Reibwert abhängig und unterliegt der oben erwähnten großen Varianz. Um ein Einschnüren der Schraube auszuschließen, ist das Anzugsmoment so zu wählen, dass die erreichte Klemmkraft auch bei niedrigster Reibung auf den elastischen Bereich der Bauteile beschränkt bleibt.
Fortgeschrittenere Anzugsverfahren (z. B. winkelgesteuerte Montage) erreichen stets die maximal mögliche Klemmkraft, weil die Schraube bei der Montage über ihren elastischen Bereich hinaus gedehnt wird (überelastisches Anziehen). Zielsetzung ist dabei, dass die Schraube eine spezifizierte plastische Dehnung (bleibende Längung) erfährt. Die Dehnung soll mindestens die Proportionalitätsgrenze Rp02 erreichen und ist nach oben durch die Zugfestigkeit Rm beschränkt (Beginn der Einschnürung bei duktilen Werkstoffen). Voraussetzung für einen derartigen überelastischen Anzug ist die konstruktive Möglichkeit der plastischen Verformung der Schraube oder des verspannten Bauteils.
Bei speziellen Anwendungen, wie z. B. Radlagern, ist die Möglichkeit zur plastischen Verformung nicht gegeben, weshalb ein winkelgesteuertes Verfahren innerhalb der Streckgrenze für solche Systeme nicht anwendbar ist. Die Lebensdauer von Radlagern hängt jedoch entscheidend von der nach Montage eingestellten Vorspannkraft am Lagersitz innerhalb eines engen Toleranzbereiches ab.
Für derartige Fälle ist das nachfolgend näher beschriebene gradientengesteuerte Montageverfahren geeignet. Dieses ermöglicht es, eine vorbestimmte Klemmkraft auch im elastischen Bereich der Schraube einzustellen. Dies erfolgt durch zeitgleiche Analyse der aufgenommenen Drehmoment-Drehwinkel-Kurve bereits während des Verschraubungsvorganges.
Das Prinzip beruht auf der Analyse des aufgenommenen Verlaufs des Montagemomentes M über den Montagedrehwinkel φ wie in 1 dargestellt. Aus dem Kurvenverlauf lässt sich der individuell erreichte Gesamtreibwert während der Verschraubung berechnen, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Danach wird in Verbindung mit weiteren Konstruktionsparametern der Schraubenverbindung (z. B. Steifigkeit) das für die gewünschte Klemmkraft individuell erforderliche Anzugsmoment berechnet. Bei Erreichen dieses während der Montage berechneten Anzugsmomentes wird der Montageprozess beendet. Das Prinzip basiert auf der gesicherten Erkenntnis, dass sich der Reibkoeffizient einer konventionellen Schraubenverbindung während der Montage nicht signifikant verändert.
Die für das Verfahren relevanten Gleichungen werden wie folgt hergeleitet:
Der allgemeine Zusammenhang zwischen dem für die Montage erforderlichen Drehmoment M und der im System auftretenden Vorspannkraft F_V ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Darin sind:

M: = Montagemoment
F_V: = Vorspannkraft
p: = Gewindesteigung
d₂: = Flankendurchmesser
d_R: = wirksamer Reibdurchmesser
μ_G: = Gewindereibung
μ_K: = Kopfreibung

Das aufzuwendende Montagemoment hängt von der wirkenden Vorspannkraft F_V, der Gewindesteigung p, dem Flankendurchmesser d₂ und dem Reibungszustand im Gewinde und der Kopfauflage ab.
Unter der Voraussetzung, dass sich Reibwert und Geometrie während des Montagevorganges nicht ändern, bewirkt ein differentiell kleiner Kraftanstieg dF_V eine differentielle Änderung im Montagemoment dM um
Dies zieht eine differentielle Verformung der Schraube (Längung dl_S) und des verspannten Körpers (Stauchung dl_P) nach sich, wie in 2 veranschaulicht.
Die differentiellen Verformungsanteile für Schraube und verspannte Struktur dl_S und dl_P können durch die Nachgiebigkeiten δ_P und δ_S bestimmt werden: dlS = dFV·δS dlP = dFV·δP
Die Gesamtverformung dl stellt die Summe beider Anteile dar, wie auch in 2 dargestellt: dl = dlS + dlP = dFV·(δS + δP) (3)
Die Gesamtverformung entspricht dem durch den Montagedrehwinkel φ über die Gewindesteigung p aufgebrachten Weg:
Mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) lässt sich der differentielle Kraftanstieg dF_V als Funktion des Montagedrehwinkels φ ausdrücken:
Gleichung (5) in (2) eingesetzt ergibt das Montagemoment dM als Funktion des Montagedrehwinkels φ:
Die Steigung des Montagemomentes dM gegen den Montagedrehwinkel φ ist damit:
Die im Gewinde und unter Kopf wirkenden Reibwerte μ_G und μ_K werden zu einem im System wirksamen Gesamtreibwert μ_ges zusammengefasst, damit ergibt sich gemäß (7):
Die im System wirksame Gesamtreibung μ_ges ergibt sich daraus als:
Gleichung (9) enthält neben der aus dem Kurvenverlauf des Montagemomentes M über den Montagedrehwinkel φ zu messenden Steigung dM/dφ nur noch konstante Konstruktionsparameter der Schraubenverbindung, nämlich die Nachgiebigkeiten δ_S und δ_P sowie geometrische Größen (Gewindesteigung p, Flankendurchmesser d₂ sowie Reibdurchmesser d_R). Da die Dimensionierung der Bauteile im Allgemeinen mit einer hohen Genauigkeit ausgeführt ist, unterliegen die Geometrieparameter im Gegensatz zur Gesamtreibung in der Produktion keiner großen Schwankungsbreite. Sie können durch Messung oder durch Berechnung bestimmt werden.
Der Zusammenhang zwischen Anzugsmoment
Vorspannkraft F_V und Gesamtreibwert μ_ges ergibt sich aus Gleichung (1) zu
Gleichung (9) ermöglicht die Berechnung des Gesamtreibwertes μ_ges aus der gemessenen Steigung dM/dφ der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve und den Konstruktionsparametern der Schraubenverbindung. Eingesetzt in Gleichung (10) ergibt sich das für die gewünschte Vorspannkraft F_V erforderliche Anzugsmoment
Unter Bezugnahme auf 3 wird nachfolgend ein beispielhafter Ablauf des gradientengesteuerten Verfahrens erläutert, welches in der elektronischen Recheneinheit eines Schraubers durchgeführt wird, der Sensoren für das aktuelle Montage-Drehmoment M und den aktuellen Montage-Drehwinkel φ aufweist.
In einem Schritt S1 werden die Konstruktionsparameter δ_S und δ_P, d₂, d_R, p, ein geeignet gewähltes Bezugsmoment M₁ als Ausgangspunkt für die Gradientenbestimmung, eine geeignet gewählte Bezugswinkeldifferenz Δφ zur Gradientenbestimmung und die gewünschte Vorspannkraft F_V eingegeben.
In einem Schritt S2 wird der Schrauber gestartet, und in den Schritten S3 bis S9 wird die Drehmoment/Drehwinkel-Kurve in Form von inkrementellen Werten M_i, φ_i für Drehmoment und Winkel aufgenommen (i ist eine positive ganze Zahl; die Winkelauflösung beträgt beispielsweise 1 Grad).
Dabei wird in Schritt S4 geprüft, ob das Bezugsmoment M₁ erreicht ist. Wenn nein, wird der Index i inkrementiert und es wird mit der Aufnahme von M_i, φ_i in Schritt S3 fortgefahren, und wenn ja, wird in Schritt S5 φ_i als ein erster Bezugswinkel φ₁ abgespeichert. Im Schritt S6 wird zur Gradientenbestimmung ein zweiter Bezugswinkel φ₂ als φ₁ + Δφ gesetzt. Danach wird in Schritt S7 die Erfassung von Drehmoment und Winkel fortgesetzt, und in Schritt S8 wird geprüft, ob φ_i den zweiten Bezugswinkel φ₂ überschreitet. Wenn nein, wird der Index i inkrementiert und es wird mit der Aufnahme von M_i, φ_i im Schritt S7 fortgefahren, und wenn ja, wird im Schritt S9 der aktuelle Wert von M_i als ein zweites Bezugsmoment M₂ zur Gradientenbestimmung gesetzt.
In Schritt S10 wird dann die Steigung dM/dφ numerisch als der Differenzenquotient (M₂ – M₁)/(φ₂ – φ₁) berechnet. In Schritt S11 wird dann gemäß Gleichung (9) der Gesamtreibwert μ_ges der Schraubenverbindung berechnet, und daraus wird in einem Schritt S12 nach Gleichung (10) das zur Erzielung der gewünschten Vorspannkraft F_V erforderliche Anzugsmoment
Abschaltmoment bzw. End-Montagemoment) berechnet.
Danach wird in Schritt S13 die Erfassung von Drehmoment und Winkel fortgesetzt. In Schritt S14 wird geprüft, ob M das Abschaltmoment
erreicht hat. Wenn nein, wird der Index i inkrementiert und es wird mit der Aufnahme von M_i, φ_i in Schritt S13 fortgefahren. Wenn ja, wird in Schritt S15 der Schrauber gestoppt. Außerdem werden in Schritt S16 die Daten der aktuellen Verschraubung gespeichert, um sie z. B. im Rahmen einer Qualitätskontrolle verwenden zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0559937 A1 [0002]
- EP 1064121 B1 [0003]
- DE 19755253 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Festziehen einer Schraubenverbindung, bei dem das Drehmoment (M) und der Drehwinkel (φ) während des Festziehens gemessen werden, daraus die Steigung (dM/dφ) des Drehmomentes gegen den Drehwinkel ermittelt wird, daraus das Anzugsmoment
der Schraubenverbindung ermittelt wird und dann die Schraubenverbindung mit dem ermittelten Anzugsmoment angezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzugsmoment
allein aus der Steigung (dM/dφ) des Drehmomentes gegen den Drehwinkel, der gewünschten Vorspannkraft (F_V) der Schraubenverbindung sowie Konstruktionsparametern (δ_S, δ_P, d₂, d_R, p) der Schraubenverbindung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktionsparameter wenigstens die Nachgiebigkeiten der Schraube (δ_S) und der damit verspannten Struktur (δ_P) sowie geometrische Größen der Schraubenverbindung sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Größen der Schraubenverbindung die Gewindesteigung (p), der Flankendurchmesser (d₂) und der wirksame Reibdurchmesser (d_R) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzugsmoment (M_(Fv)) wie folgt ermittelt wird:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: 1) Einlesen der Konstruktionsparameter (δ_S, δ_P, d₂, d_R, p), 2) Einlesen eines Bezugsmomentes (M₁), 3) Einlesen einer Bezugswinkeldifferenz (Δφ), 4) Einlesen der gewünschten Vorspannkraft (F_V), 5) Starten des Schraubers und Aufzeichnen der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve, 6) Ermitteln der Steigung (dM/dφ) der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve als Differenzenquotient ((M₂ – M₁)/(φ₂ – φ₁)), 7) Berechnen des Gesamtreibwertes (μ_ges) der Schraubenverbindung, 8) Berechnen des zur Erzielung der gewünschten Vorspannkraft (F_V) erforderlichen Anzugsmomentes
und 9) Stoppen des Schraubers beim Erreichen des erforderlichen Anzugsmomentes
und/oder 10) Speichern der Daten der Verschraubung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft (F_V) im elastischen Bereich der Schraubenverbindung liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenverbindung eine Radlager-Schraubenverbindung ist.
Vorrichtung zum Festziehen einer Schraubenverbindung, mit einem Schrauber, Sensoren für das aktuelle Montage-Drehmoment und den aktuellen Montage-Drehwinkel sowie einer Recheneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.