DE102018000287A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung hochfester Durchsteck-Schraubverbindungen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum exakten Vorspannen von Durchsteck-Schraubverbindungen durch das gezielte Einleiten von thermischer Energie in eine zur Schraubenachse konzentrischen Schaftbohrung. Durch die Wärmeenergie dehnt sich das Schraubenelement vorrangig in deren Längsrichtung aus. Eine von Hand bis zum Bauteilanschlag aufgeschraubte Mutter verhindert das Zurückschrumpfen des Schraubenschaftes nach der thermischen Entlastung und erzeugt die erforderliche Vorspannungskraft in der Schraube. Unter Berücksichtigung der geometrischen und werkstoffspezifischen Parameter der Schraube und der Bauteile, kann die benötigte Energiemenge zum Erzielen der geforderten Montagevorspannkraft analytisch berechnet und mittels Thermoelement in die Schaftbohrung eingebracht werden. Die Erfindung kann für Durchsteck-Schraubverbindungen mit Durchmesser ab Größe M 16 zur Anwendung kommen und bietet Vorteile in Bezug auf die Anschaffungskosten, die Handhabung durch die Monteure, die Zugänglichkeit der Verbindungen und der Anziehdauer.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung hochfester Durchsteck-Schraubverbindungen.
• Hochfeste Durchsteck-Schraubverbindungen (DSV) werden in vielen Technikbereichen wie z. B. im Stahlbau, Anlagenbau, allgemeinem Maschinenbau, Sondermaschinenbau, Baumaschinentechnik, der Kraftfahrzeug- sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik angewendet, um zwei oder mehr Teile dauerhaft, sicher und bei Bedarf lösbar zu verbinden. Das Erfordernis einer derartigen Verbindung leitet sich aus funktionellen und/oder sicherheitstechnischen Gründen bei der Nutzung eines technischen Gebildes ab.
• Das Funktionsprinzip einer derartigen kraftschlüssigen Schraubverbindung basiert auf der Erzeugung einer hinreichend großen Reibkraft zwischen zwei oder mehr Verbindungspartner. Nach dem Coulombschen Reibgesetz, besteht ein direktproportionaler Zusammenhang zwischen dem Reibkoeffizienten, der durch die Schraube aufgebrachten Normalkraft und der daraus resultierenden Reibkraft. Um das Klaffen zwischen den Flanschflächen der zu verspannenden Bauteile zu verhindern, muss die Reibkraft größer als die Resultierende aller wirkenden Betriebskräfte sein.
• Um mindestens zwei Platten bzw. Bauteile mit einer Durchsteckverbindung hinreichend fest gegen ein wirkendes Lastkollektiv miteinander zu verklemmen, muss der Schraubendurchmesser der Schraube im Vorhinein entsprechend dimensioniert werden. Diese Entwurfsrechnung erfolgt oft auf analytischen Weg unter Verwendung von allgemeingültigen, technisch anspruchsvollen Regelwerken wie der VDI 2230 Blatt 1. Die erforderliche Mindestvorspannkraft, welche in das Schraubenelement eingeleitet werden muss, wird derzeit mit unterschiedlichen Anziehwerkzeugen und Anziehverfahren aufgebracht. Nach aktuellem Stand der Technik existieren Anziehverfahren nach folgender Arbeitsweise:
• - drehmomentbegrenzt (z.B. Schlagschrauber)
• - drehmomentgesteuert (z.B. Drehmomentenschlüssel)
• - drehwinkelgesteuert (z.B. Drehwinkelschlüssel)
• - streckgrenzgesteuert (z.B. Drehschrauber mit Messtechnik).
• Aus konstruktiver und wirtschaftlicher Sicht ist es stets erstrebenswert die errechnete Mindestvorspannkraft mit einer möglichst geringen Abweichung vom berechneten Sollwert und einem definierten Sicherheitsfaktor in die Schraube einzuleiten. Auf diese Weise kann der Schraubendurchmesser so groß wie nötig, aber so klein wie möglich dimensioniert werden. Jedoch existieren aufgrund von stets unterschiedlichen Reibungszuständen in den Kontaktflächen, wie zum Beispiel den Gewindepaarungen, der Kopf- und Mutterauflageflächen, der Form der zu verspannenden Bauteile und der Festigkeitsanforderungen der gesamten Verbindung, je nach Anziehverfahren große Streuungen in der Montagevorspannkraft. Umso präziser das Anziehverfahren, desto kleiner ist das Streuungsband zwischen minimaler und maximaler Montagevorspannkraft. Nach den aktuellen Regelwerken wird der Anziehfaktor α_A als Quotient von maximaler und minimaler Schraubenvorspannkraft definiert und gibt somit die Qualität des Anziehverfahrens wieder, wobei α_A = 1,000 dem Optimum entspricht. In vielen technischen Entwicklungen und Konstruktionen ist die Reduzierung von Bauteilmassen ein sehr wichtiger Aspekt. Können nun Durchsteck-Schraubverbindungen durch ein präzises und prozesssicheres sowie günstiges Anziehwerkzeug exakter dimensioniert werden, können neben der Reduzierung der Gesamtmasse vor allem Kosten eingespart werden.
• Das streckgrenzgesteuerte Anziehverfahren ist derzeit das gängigste Verfahren um große Drehmomente mit einem Anziehfaktor α_A von ca. 1,1 bis 1,2 in eine Schraubenverbindung einzuleiten. Es gilt somit als direktes Konkurrenzverfahren. Ein Hydraulikaggregat mit bis zu 700 bar stellt die benötigte mechanische Leistung zur Verfügung. Am hydraulischen Schrauber werden das Drehmoment und der Drehwinkel zu jedem Zeitpunkt erfasst und mittels Software in ein Diagramm dargestellt und ausgewertet. Knickt die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve innerhalb eines Toleranzbereiches ab, so ist die Streckgrenze erreicht. Das Anziehen wird automatisch gestoppt und die Schraube ist bis an das Ende der elastischen Materialgrenze vorgespannt. Das Verfahren ist in der Industrie anerkannt, jedoch weist es auch folgende Nachteile auf:
• - schweres und unhandliches Hydraulikaggregat und Drehschrauber
• - Zugänglichkeitseinschränkung durch massiven Hydraulikschrauber
• - sehr hohe Abstützmomente während des Anziehvorganges müssen in die Konstruktion oder den benachbarten Schraubenkopf eingeleitet werden, dies erzeugt eine zusätzliche Strukturbelastung
• - filigrane und somit sensible Messtechnik in Form des Drehwinkelsensors am Schrauber
• - sehr hohe Kosten für Anschaffung, Wartung und Kalibrierung
• - hoher Wartungsaufwand durch hohe hydraulische Drücke
• - sehr hohe Torsionsspannungen in der Schraube durch sehr hohe Drehmomente
• - Abhängigkeit vom meist nur geschätzten Reibungszustand.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges, sicheres und industriesowie werkstatttaugliches Verfahren zur Herstellung hochfester Durchsteck-Schraubverbindungen entsprechend den anerkannten Regeln der Verschraubungstechnik bereitzustellen. Die Zielsetzungen lassen sich wie folgt formulieren:
• - Verbesserung in der Durchführung
• - sicher und genauer in der Umsetzung und Reproduzierbarkeit
• - preiswerte Werkzeuge und Vorrichtungsteile bei der Anwendung
• - anwendbar auch bei schwer zugänglichen Schraubverbindungen
• - Anziehfaktor kleiner als 1,2
• Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren erfüllt.
• Die Erfindung und insbesondere das neue Verfahren macht sich das physikalische Gesetz der thermischen Längsausdehnung zu Nutze. Erwärmt sich ein starrer Körper, z.B. eine Schraube mit einer Ausgangslänge I₀ und einem Längsausdehnungskoeffizient α_T um eine bestimmte Temperaturdifferenz ΔT, dann dehnt sich dieser Körper um einen bestimmten Betrag Δl aus: $$\Delta l={\alpha }_T\left(\text{T}\right)\cdot \Delta T\cdot l_0$$

  
• Dabei ist auf das nichtlineare Verhalten des Längsausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit der Temperaturänderung zu achten. Dieser Prozess ist reversibel. Bringt man Gleichung 1 in Verbindung mit den Zusammenhängen aus der Schraubenlehre (VDI 2230 Blatt 1), so lässt sich die Temperatur durch Gleichung 2 ermitteln, welche benötigt wird um eine definierte DSV mit einer vorgegebenen Vorspannkraft zu beaufschlagen. $$\Delta T=\frac{l_{Schaft}\cdot F_V}{E_S\cdot A_{Schaft}\cdot {\alpha }_T\left(T\right)\cdot l_0}$$

  
• Diese in die Schraube einzuleitende Temperatur ist abhängig von den geometrischen und werkstoffspezifischen Größen der zu verspannenden Schraubverbindung. Umso exakter diese Werte bekannt sind, desto präziser kann die thermische Last errechnet und aufgebracht werden.
• Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen die in 1 abgebildeten Komponenten. Das Verfahren wird wie folgt beschrieben.
  Um mindestens zwei Bauteile (5 und 6) hinreichend fest miteinander zu verklemmen, muss im Vorfeld eine Mindestvorspannkraft ermittelt werden. Der Wert dieser Vorspannkraft wird in das elektronische Leistungs- und Regelungsgerät (3) eingegeben. Unter Berücksichtigung der verwendeten Schraubengeometrie (Schaftlänge und Durchmesser) und Bauteilplattendicke, sowie der verwendeten Werkstoffe, wird die benötigte thermische Energiemenge berechnet. Die Erfindung kann für Durchsteck-Schraubverbindungen mit Durchmesser ab Größe M 16 zur Anwendung kommen.
• Die Schraube (2) besitzt eine konzentrische Schraubenschaftbohrung (10) beginnend auf der Seite des Schraubenkopfes mit entsprechender Tiefe. Die thermische Leistung wird über das Stromversorgungskabel (8) und das Griffstück (7) in das Thermoelement (1) übertragen, welches in die Schaftbohrung der Schraube (2) eingeführt wird. Das Thermoelement (1) hat einen definiert kleineren Querschnitt als die Schaftbohrung (10), um das Herausziehen nach dem Erreichen der maximalen thermischen Last zu ermöglichen. Der Schraubenschaft (9) erwärmt sich und dehnt sich vorrangig in Schraubenlängsrichtung aus. Dieser Vorgang kann definiert geregelt werden und ist möglichst rasch abzuschließen um das erwärmen der Bauteile (5, 6) zu vermeiden. Sobald die Erwärmungs- bzw. Ausdehnungsphase abgeschlossen ist, ertönt ein akustisches Signal und die bereits auf das Schraubengewinde aufgedrehte Mutter (4) wird bis zum Kontakt mit dem Bauteil (5) aufgedreht. Insbesondere kann die Mutter komfortabel und ohne zusätzliches Werkzeug bis zum Anschlag aufgeschraubt werden. Das spezielle Thermoelement (1) wird nun wieder aus der konzentrischen Schraubenschaftbohrung (10) herausgenommen. Während des Abkühlens verhindert die Mutter (4) das Zurückschrumpfen des Schraubenschaftes (9) in die ursprüngliche Ausgangslänge. Auf diese Weise können sehr große Kräfte präzise und prozesssicher in Durchsteck-Schraubverbindungen eingeleitet werden.
• Es ist außerdem sehr wichtig, einen möglichst raschen Wärmeübergang vom Thermoelement (1) in den Schraubenschaft (9) zu erzielen. Dabei muss das Verklemmen des Thermoelements (1) in der konzentrischen Schraubenschaftbohrung (10) durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien verhindert werden. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Wärmeleitpasten, welche den notwendigen Ringspalt bzw. Luftspalt (11) schließen, denkbar. Um das Ausdehnen der zu verbindenden Bauteile während des Schraubenaufheizprozesses zu verhindern, sind Isolierlacksystemen anzuwenden. Geeigneter Weise wird dafür ein Mittel zum Wärmeschutz (12), wie z.B. Thermolack oder Thermospray verwendet.
• Um die Zugänglichkeit auch zu schwer erreichbaren DSV zu ermöglichen, sind das Leistungs- und Regelungsgerät (3) sowie das Thermoelement (1) in Bezug auf die Masse leicht ausgeführt. Das Verfahren erreicht mindestens einen Anziehfaktor, wie der des streckgrenzgesteuerten Anziehverfahrens. Die Vorteile insbesondere gegenüber dem streckgrenzgesteuerten Anziehverfahren (äquivalenter Stand der Technik) liegen hauptsächlich in folgenden Aspekten:
• - Vorrichtung ist gut transportabel, hat leichtes Gewicht, da kompakte Ausführung
• - zeitlich effektiver, es können in gleicher Zeit mehr Schrauben angezogen werden
• - keine Torsionsspannungen in der Schraube, da kein Drehmoment erforderlich
• - unabhängig vom Reibungszustand im Gewinde und der Kopf- und Mutterauflageflächen
• - kein Schmieren oder Einfetten nötig
• - vereinfachte Schrauben- und Muttergeometrie möglich, da keine Schlüsselflächen erforderlich
• - geringere Werkzeuganschaffungskosten (schätzbares Verhältnis 1:2)
• Der Temperaturverlauf wird während der Lasteintragung gemessen und in dem elektronischen Leistungs- und Regelungsgerät (3) ausgewertet. Die benötigte Wärmemenge und Zeitdauer der Lasteintragung kann in Abhängigkeit von Werkstoff- und Geometriegrößen, sowie der Größe der einzuleitenden Vorspannungskraft durch eine in dem elektronischen Leistungs- und Regelungsgerät (3) befindliche Regelungssoftware berechnet werden.
• Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Darstellungen näher erläutert. Die Darstellung in 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Lösung. In der schematischen Detailansicht gemäß 2 ist der Schraubenbereich um das eingeschobene Thermoelement dargestellt. Um das Aufheizen der zu verspannenden Bauteile (5, 6) möglichst gering zu halten, wird ein Wärmeschutz (12) auf den Schraubenschaft aufgetragen.
• Bezugszeichenliste

1

Thermoelement

2

Schraube

3

elektronisches Leistungs- und Regelungsgerät

4

Mutter

5

Bauteil 1

6

Bauteil 2

7

Griffstück für Thermoelement

8

Stromversorgungskabel

9

Schraubenschaft

10

konzentrische Schraubenschaftbohrung

11

Luftspalt

12

Wärmeschutz

Claims (4)

1. Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten einer Vorspannkraft in eine Durchsteck-Schraubverbindung zur Herstellung hochfester Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (2) eine konzentrische Schraubenschaftbohrung (10) aufweist, in die ein Thermoelement (1) geschoben wird, so dass sich bedingt durch das Eintragen der thermischen Last der Schraubenschaft (9) ausdehnt und die Mutter (4) nach dem Ausdehnungsvorgang bis zum Anschlag des Bauteils (5) aufgeschraubt wird, wobei die Wärmeenergie in der Schaftbohrung definiert freigesetzt wird, und die Größe der eingeleiteten Vorspannkraft berechnet wird.
2. Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten einer Vorspannkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (2) eine konzentrische Sacklochbohrung in Längsachse, beginnend auf der Seite des Schraubenkopfes mit entsprechender Tiefe aufweist, und das Thermoelement (1) zum Einleiten der Wärmeenergie in die Durchsteck-Schraubverbindung einen definiert kleineren Querschnitt aufweist, als die konzentrische Schraubenschaftbohrung (10) der Schraube.
3. Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten einer Vorspannkraft nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der sich ergebende Luftspalt (11) zwischen Thermoelement (1) und konzentrischer Schraubenschaftbohrung (10) für einen gezielten Wärmeübergang geschlossen wird, indem die Aufheizung der zu verschraubenden Bauteile (5, 6) durch Wärmeabstrahlung des Schraubenschaftes (9) mit Hilfe eines Wärmeschutz (12) eingeschränkt wird.
4. Vorrichtung und Verfahren zum Einleiten einer Vorspannkraft nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf während der thermischen Lasteintragung gemessen und in dem elektronischen Leistungs- und Regelungsgerät (3) ausgewertet wird.

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