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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klemmkraftermittlung
an einer wenigstens zwei Komponenten verbindenden mechanischen Fügeverbindung
mittels Schallwelleneinkopplung in die Fügeverbindung.
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Mechanische
Fügeverbindungen zeichnen sich durch einen Kraft- und/oder
Formschluss aus und ermöglichen eine feste nicht lösbare
oder wieder lösbare Verbindung zwischen wenigstens zwei
Bauteilkomponenten. Neben den bekannten Schraubverbindungen, die
lösbare Fügungen ermöglichen, stellen
vor allem Nietverbindungen in ihren unterschiedlichsten Ausführungsformen,
beispielsweise in Form von Blindnieten, die zum Fügen wenigstens
einen einseitigen Zugang zur Verbindungsstelle erfordern, oder Voll-,
Hohl- oder Schließringbolzen, die einen beidseitigen Zugang
zur Verbindungsstelle erfordern, mechanische nicht lös-
oder trennbare Fügeverbindungen dar. Die mechanischen Eigenschaften
derartiger Fügeverbindungen werden maßgeblich
durch die Ausprägung des sich beim Fügen einstellenden Kraft-
und/oder Formschlusses bestimmt, der wiederum durch die im Wege
des Fügevorgangs einstellende Vorspann- bzw. Klemmkraft
charakterisierbar ist. So entspricht Vorspann- bzw. Klemmkraft derjenigen Kraft,
die das jeweilige Hilfsfügeteil bspw. in Form einer Schraube
oder eines Nietes nach Herstellung der Fügeverbindung in
Schrauben- bzw. Nietlängsrichtung für den Zusammenhalt
der Komponenten aufbringt. Eine Bestimmung eben dieser Vorspann-
bzw. Klemmkraft ist zur Qualitätsüberprüfung,
beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten erforderlich und derzeit
nur für Schraubverbindungen möglich.
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Stand der Technik
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Eine
zerstörungsfreie Bestimmung der Vorspann- bzw. Klemmkraft,
die in einer Schraubverbindung vorherrscht, wird mit den bisher
zur Verfügung stehenden Mitteln entweder mit Hilfe einer
mechanischen Längenmessung oder mit Hilfe der Ultraschalltechnik
durchgeführt.
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Im
Wege der mechanischen Längenmessung wird im einfachsten
Fall mittels einer Schublehre die Länge der Schraube im
gefügten Zustand erfasst und mit einer entsprechenden Referenzlänge verglichen,
der eine bekannte Vorspann- bzw. Klemmkraft zugeordnet ist. Diese
Ermittlungsweise setzt allerdings eine freie Zugänglichkeit
beider Schraubenenden voraus, eine Forderung, die in den meisten
Fällen aufgrund von zum Teil hoher Bauteilkomplexität
nicht entsprochen werden kann.
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Die
andere bekannte Möglichkeit zur Klemmkraftermittlung nutz
den Einsatz von Ultraschallwellen und die Möglichkeit einer
Laufzeitmessung sowie einer damit verbundenen Längenmessung,
mit der Längenänderungen von im Wege des Fügevorganges
gedehnten bzw. gestreckten Schrauben erfasst werden können.
So ist es möglich, mittels eines Ultraschallgerätes
vor und nach dem Anziehen der Schraube die Laufzeit einer sich durch
die Schraubenlängen ausbreitenden Longitudinalwelle zu
messen. Daraus lassen sich unter Berücksichtigung des akustoelastischen
Effektes die Schraubendehnung und daraus die Vorspannung berechnen.
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Aus
der
DE 102 37 728
A1 ist eine derartige Vorrichtung zur Längenmessung
von Schrauben zu entnehmen, die einen, in einem auf den Schraubenkopf
aufsetzbaren Prüfkopf integrierten Ultraschallwandler umfasst.
Zur Laufzeitmessung und damit verbunden zur Längenmessung
der Schraube wird das Impulsechoverfahren eingesetzt. Um Fehlmessungen
zu vermeiden gilt es darauf zu achten, dass die Schrauben eine plane
Fläche sowohl am Schraubenkopf als auch am Schraubenende
vorsehen. Darüber hinaus können Messfehler auftreten,
wenn die zu untersuchende Schraubverbindung zumindest mit ihrem
unteren Schraubenende in innigen körperlichen Kontakt zu
weiteren Komponenten steht, so dass schallakustische Kopplungen
zu angrenzenden Bauteilkomponenten auftreten, die das Messergebnis
beeinträchtigen.
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Eine
vergleichbare Vorrichtung ist der
DE 100 16 468 C2 zu entnehmen, die unter
Ausnutzung des magnetoelastischen Effektes einen Schallwellenimpuls
in eine zu untersuchende Schraubverbindung einkoppelt und gleichsam
auf der Grundlage des Impulsechoverfahrens die Laufzeit des Schallimpulses
und somit die Länge der Schraube ermittelt. Hierbei wird
die Laufzeit eine Schallimpulses zunächst im Rahmen einer
ersten Messung an einem unbelasteten Werkstück und anschließend
in einer zweiten Messung an einem belasteten Werkstück
gemessen.
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Praktische
Erfahrungen zeigen, dass die sich derartige Ultraschall-Laufzeitmessungen
lediglich auf Schraubverbindungen anwenden lassen, deren Schraubendurchmesser
wenigstens der Maßeinheit M8 und deren Mindestklemmlänge
19 mm entsprechen.
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Eine
zur Untersuchung von Schraubverbindungen vergleichbare Vorgehensweise
für die Ermittlung der Vorspann- bzw. Klemmkraft an Nietverbindungen
ist bislang nicht bekannt, vielmehr werden nach dem derzeitigen
Kenntnisstand charakteristische Vorspannungskennwerte bei Nietverbindungen im
Wege zerstörender Prüfverfahren ermittelt.
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Eine
zerstörungsfreie Messmethode zur Ermittlung von Kraftverläufen
bei Nieteverbindungen in dünnwandigen Bauteile ist hingegen
der
DE 44 01 155 C2 zu
entnehmen. Hierbei sind zur Erfassung der in die Nietverbindung
investierten Fügekraft und der damit durch die Nietverbindung
erzeugbaren Klemmkraft zusätzliche Sensoren zwischen den
miteinander zu fügenden Bauteilen im unmittelbar an die Nietverbindung
angrenzenden Bauteilbereiche vorzusehen. Dies jedoch bedeutet einen
zusätzlichen Kostenaufwand, der in den meisten Fällen
nicht akzeptiert wird.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorspann-
bzw. Klemmkraftermittlung an einer wenigstens zwei Komponenten verbindenden
mechanischen Fügeverbindung mittels Schallwelleneinkopplung
in die Fügeverbindung derart anzugeben, dass es vor allem
möglich wird mit möglichst geringem Aufwand die
Klemmkraft von Nietverbindungen zerstörungsfrei zu erfassen.
Auch gilt es die Klemmkraft von mechanischen Fügeverbindungen
genauer zu ermitteln als es bisher möglich ist.
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Das
lösungsgemäße Verfahren ist im Anspruch
1 angegeben. Das Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildende
Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren
Beschreibung unter Bezugnahme auf das illustrierte Ausführungsbeispiel
zu entnehmen.
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In
Abkehr zur bisherigen Methode, die bislang nur an Schraubverbindungen
zur Ermittlung der Vorspann- bzw. Klemmkraft eingesetzt werden kann und
bei der ausschließlich die in eine zu untersuchende Schraubverbindung
eingekoppelten Ultraschallwellen, die am Schraubenboden reflektiert
und untersucht werden, basiert das lösungsgemäße
Verfahren auf einem anderen schallakustischen Wirkmechanismus. So
wird lösungsgemäß die zu untersuchende
mechanische Fügeverbindung unter Einsatz eines akustischen
Messsystems zur Ausführung von Schwingungen angeregt, vorzugsweise
derart, dass die Fügeverbindung zumindest kurzzeitig in
eine Schwingungsresonanz verfällt. Eine derartige Anregung
kann entweder mit Hilfe eines impulsförmigen Ereignisses,
im einfachsten Fall durch einen einmaligen Schlag mit einem geeignet
ausgebildeten Werkzeug, beispielsweise Hammer, erfolgen oder im
Rahmen einer kontinuierlichen Einkopplung von Schwingungsenergie,
beispielsweise unter Verwendung eines Schwingers, der an die zu
untersuchende Fügeverbindung schallakustisch angekoppelt
wird.
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In
einem weiteren Schritt werden die von der Fügeverbindung
ausgeführten Schwingungen erfasst und im Weiteren ausgewertet.
Hierbei weicht die lösungsgemäße Vorgehensweise
entscheidend von der bisher bekannten Klemmkraft-Ermittlungspraxis ab,
indem anstelle der innerhalb der Fügeverbindung reflektierten
Ultraschallwellen, die als solche auch nach der Reflexion in Form
der gleichen Ultraschallwellen, zumindest in Bezug auf die Frequenz,
vorliegen, das von der Form und Ausbildung der jeweils untersuchten
Fügeverbindung charakteristische Antwortsignal, die als
fügelementspezifische schallakustische Übertragungsfunktion
verstanden werden kann, erfasst und untersucht wird.
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Das
von der Fügeverbindung nach entsprechender Schwingungsanregung
in charakteristischer Weise abgegebene und messtechnisch erfassbare Schwingungsmuster
wird unter Zugrundelegung von in einem Referenzdatensatz abgelegten
Referenzschwingungsmustern, denen jeweils eine bekannte, in der
zu untersuchenden Fügeverbindung vorherrschenden Klemmkraft
zugeordnet ist, verglichen, um letztlich dem von der Fügeverbindung
abgegebenen Antwortsignal eine quantitative Größe
für die innerhalb der Fügeverbindung aktuell vorherrschenden Vorspann-
bzw. Klemmkraft zuzuordnen.
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Die
lösungsgemäße Untersuchung einer Fügeverbindung
ermöglicht darüber hinaus im einfachsten Fall
eine rein qualitative Beurteilung einer Fügeverbindung,
indem die Fügeverbindung mehrfach nacheinander in Schwingungen
versetzt wird und die sich dabei jeweils ergebenden Schwingungsmuster miteinander
verglichen werden, sei es rein akustisch oder messtechnisch. Für
den Fall, dass die Fügeverbindung unter Vorspannung steht,
so kann davon ausgegangen werden, dass die sich jeweils einstellenden
Resonanzsignale miteinander vergleichbar bzw. identisch sind. Treten
hingegen nennenswerte Abweichungen in den Antwortsignalen auf, so
ist davon auszugehen, dass die Fügeverbindung fehlerhaft ist.
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Als
besonders geeignet zur Schwingungsanregung der jeweils zu untersuchenden
Fügeverbindung haben sich Schwingungen im hörbaren
Schallwellenbereich, d. h. zwischen 16 Hz und 20 kHz herausgestellt.
So konnten erfolgreiche Untersuchungen sowohl an Schraubverbindungen
als auch an Nietverbindungen wie beispielsweise Blindnieten oder Schließringbolzen
durchgeführt werden, die zur Ausbildung von Schwingungsresonanzen
führten, die im hörbaren Frequenzbereich liegen.
Selbstverständlich ist es möglich, unter Einsatz
entsprechender Ultraschallwellentechniken das auf dem vorstehend
beschriebenen Messverfahren beruhende lösungsgemäße
Verfahren auch im Schallwellenspektrum jenseits des hörbaren
Bereiches einzusetzen, d. h. in Bereichen von 20 kHz und höheren
Frequenzen.
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Zur
Erstellung eines für die Klemmkraftbestimmung erforderlichen
Referenzdatensatzes gilt es im Rahmen entsprechender Vorversuche
für jede einzelne zu untersuchende Fügeverbindung,
beispielsweise Schließringbolzen mit entsprechendem Bolzendurchmesser
und einer entsprechenden Bolzenlänge, das fügelementspezifische
Schwingungsmuster zu untersuchen und einer absoluten Klemmkraftgröße
zuzuordnen, die mit konventionellen Messmethoden ermittelt wird,
bspw. mit einem Drehmomentschlüssel, der beim Anziehen
einer Schraubverbindung eingesetzt wird, oder mit die Klemmkraft skalierenden
Nietsetzwerkzeugen.
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Zur
weiteren Auswertung der sensorisch, vorzugsweise mit Hilfe einer
Aktor-Sensor-Kombination, die eine kombinierte Anregung und Messung
ermöglicht, bspw. in Form eines Beschleunigungssensors
und eines Mikrofons, erfassten Systemschwingungen, die die Fügeverbindung
ausführt, werden die dabei sensorisch gewonnenen Messsignale,
in Form analoger Zeitsignale in den Frequenzbereich transformiert,
vorzugsweise mit Hilfe einer geeignet gewählten Fast-Fourier-Transformation.
Die im Frequenzbereich vorliegenden Messsignale werden hinsichtlich
ihrer Frequenz sowie Amplitudengröße untersucht,
um als Messgröße die Resonanzfrequenz zu ermitteln,
die der weiteren Vorspann- bzw. Klemmkraftzuordnung zugrunde gelegt
wird. Für die Ermittlung der Resonanzfrequenz können
in vorteilhafter Weise die im Frequenzbereich transformierten Messsignale
mit einer Gewichtungsfunktion belegt werden, um die Ausbildung eines
Resonanzfrequenzmaximums leichter und exakter bestimmen zu können. Auch
unterstützt die Suche nach dem Resonanzmaximum die künstliche
Datenerweiterung durch Ergänzung der im Frequenzbereich
transformierten Messsignale durch einen Nullvektor.
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Das
Erfassen der exakten Frequenzlage einer sich innerhalb der zu untersuchenden
Fügeverbindung ausbildenden Schwingungsresonanz hat sich
als eine charakteristische und aussagekräftige Kenngröße
für die Ermittlung der in der Fügeverbindung vorherrschenden
Vorspann- bzw. Klemmkraft herausgestellt, zumal sich zeigt, dass
sich bei stark beanspruchten Fügeverbindungen sowohl die
Lage der Resonanzfrequenz als auch die Amplitudenhöhe im
resonanten Schwingungsfall ändern.
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Die
mit dem lösungsgemäßen Verfahren verbundenen
Vorteile sind darin zu sehen, dass mit Hilfe der vorstehend beschriebenen
akustischen Signalanalyse im Hörschallbereich eine zerstörungsfreie
Bestimmung von Vorspann- bzw. Klemmkräften sowohl von Schrauben-
als auch von Nietverbindungen, wie beispielsweise Blindniet- und
Schließringbolzenverbindungen, ermöglicht wird.
Damit ist ein Verfahren zur Fertigungskontrolle sowie für
Wartungsarbeiten an gefügten Verbindungselementen verfügbar,
d. h. das lösungsgemäße Verfahren ermöglicht den
Einsatz dieser Fügetechnologien auch in überwachungspflichtigen
Bereichen, in denen bislang beispielsweise Nietverbindungen nicht
einsetzbar waren.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisiertes
Flussdiagramm zur Illustration des lösungsgemäßen
Verfahrens, sowie
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2 Darstellung
experimentell gewonnener Messdaten zur Veranschaulichung der Abhängigkeit
zwischen längs einer Schraubverbindung unterschiedlich
stark wirkenden Vorspannkräften und den dazu jeweils messtechnisch
erfassten Resonanzfrequenzen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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1 ist
ein das lösungsgemäße Verfahren veranschaulichendes
Flussdiagramm zu entnehmen. In einem ersten Schritt wird eine Zweikomponenten K1,
K2 zusammenhaltende Fügeverbindung FV mittels einer impulsförmigen
Anregung 1, beispielsweise mit Hilfe eines Impulshammers
in Schwingungen versetzt. Anstelle einer impulsförmigen
Anregung kann auch eine kontinuierliche Anregung mittels eines Schwingers
die zu untersuchende Fügeverbindung in Schwingungen versetzt
werden. Die von der Fügeverbindung FV messtechnisch erfassbare
Schwingungsantwort wird mit Hilfe eines geeigneten Sensorsystems 2 in
Form von im Zeitbereich vorliegenden Messsignalen erfasst. Die Messsignale
werden im Weiteren vorzugsweise im Rahmen einer Fast-Fourier-Transformation 3 in
den Frequenzbereich überführt. Im Wege einer Auswertung 4 der
in den Frequenzbereich transformierten Messsignale werden fügeelementspezifische
Resonanzfrequenzen, vorzugsweise im Hörschallbereich (16
Hz bis 20 kHz) bestimmt.
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Schließlich
gilt es auf der Grundlage der erfassten Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen
die den entsprechenden Vorversuchen und im Rahmen von Referenzdaten
abgelegten Vorspann- bzw. Klemmkraftwerte, die tatsächlich
in der Fügeverbindung vorherrschen, zu ermitteln und anzugeben
(Schritt 5).
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In 2 ist
eine Diagrammdarstellung gezeigt, anhand der die Frequenzabhängigkeit
der sich innerhalb einer Fügeverbindung ausbildenden Resonanzfrequenz
von der innerhalb der Fügeverbindung herrschenden Vorspannkraft
zu ersehen ist.
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Als
Fügeverbindung ist eine Schraubverbindung mit einem Durchmesser
M36 und einer Klemmlänge von 150 mm untersucht worden.
Die Schraubverbindung ist mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels mit
unterschiedlich starken Anzugsdrehmomenten befestigt worden, nämlich
mit 2577 Nm, 2984 Nm, 1594 Nm sowie 1099 Nm. In dem jeweiligen Befestigungszustand
wurde die Schraubverbindung zur Erfassung von jeweils fünf
Messsignalen jeweils mit fünf hintereinander ausgeführten
Impulseinträgen mit Hilfe eines Impulshammers beaufschlagt.
Nach jedem einzelnen Impulseintrag wurde das Schwingungsverhalten
der Schraubverbindung durch Erfassen der jeweiligen Resonanzfrequenz
ermittelt. Es zeigt sich, dass bei zunehmenden Drehmomentwerten
F, die mit jeweils zunehmenden Klemmkraftwerten korrelieren, die
Lage der sich jeweils ausbildenden Resonanzfrequenz zu höheren
Frequenzen verschiebt. Umgekehrt lässt sich schlussfolgern,
dass eine messtechnische Ermittlung einer zu geringeren Frequenzen
verschobene Resonanzfrequenz gleichbedeutend ist mit einer in der
Fügeverbindung vorherrschenden verminderten Vorspann- bzw.
Klemmkraft.
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Bezugszeichenliste
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- K1, K2
- Klemmkörper
- FV
- Fügeverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10237728
A1 [0006]
- - DE 10016468 C2 [0007]
- - DE 4401155 C2 [0010]
