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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Schraubprozesskurve.
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Die
DE 10 2016 208 852 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehler-Typs eines bei einem Schraubprozess aufgetretenen Fehlers. Bei dem Verfahren wird eine Schraubprozesskurve für den Schraubprozess ermittelt, wobei die Schraubprozesskurve ein Anzugsmoment als Funktion eines Drehwinkels während des Schraubprozesses anzeigt. Außerdem wird der Fehler-Typ des Fehlers des Schraubprozesses mittels eines Algorithmus zur Mustererkennung bestimmt, der eingerichtet ist, auf Basis einer Schraubprozesskurve ein Muster für einen bestimmten Fehler-Typ aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen zu erkennen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem eine Schraubprozesskurve für eine Schraubverbindung wenigstens zweier Bauelemente besonders präzise ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Schraubprozesskurve für eine Schraubverbindung wenigstens zweier Bauelemente. Dies bedeutet, dass die Schraubprozesskurve die Schraubverbindung, durch welche oder in deren Rahmen die Bauelemente miteinander verbunden sind, charakterisiert. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt charakterisiert beispielsweise die Schraubprozesskurve einen Schraubprozess, durch welchen die Schraubverbindung hergestellt, das heißt die Bauelemente miteinander verschraubt werden. Insbesondere charakterisiert die Schraubprozesskurve einen, beispielsweise zeitlichen, Verlauf eines Drehmoments, welches auf ein beispielsweise als Schraube ausgebildetes Schraubelement auszuüben ist, um das Schraubelement relativ zu den Bauelementen zu drehen und dadurch mittels des Schraubelements unter Herstellung der Schraubverbindung der Bauelemente die Bauelemente miteinander zu verschrauben. Beispielsweise wird das Schraubelement mit einem der Bauelemente verschraubt, oder das Schraubelement wird mit einem weiteren, zusätzlich zu dem Schraubelement und zusätzlich zu den Bauelementen vorgesehenen Schraubelement verschraubt. Ist das erste Schraubelement beispielsweise eine Schraube, so ist das weitere Schraubelement beispielsweise eine Mutter, in welche die Schraube eingeschraubt wird beziehungsweise einzuschrauben ist, um die Schraubverbindung herzustellen und somit die Bauelemente miteinander zu verschrauben, das heißt mittels der Schraubverbindung miteinander zu verbinden.
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Bei dem Verfahren wird mittels einer beispielsweise auch als Rechner oder Recheneinheit bezeichneten, elektronischen Recheneinrichtung anhand eines Simulationsmodells eine Simulation des Herstellens der Schraubverbindung durchgeführt. Das Simulationsmodell ist beispielsweise in der elektronischen Recheneinrichtung, insbesondere in einer Speichereinrichtung der elektronischen Recheneinrichtung, gespeichert. Beispielsweise ist das Simulationsmodell ein Mehrkörpersystem-Simulationsmodell.
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Durch die Simulation wird der Verlauf des Drehmoments zum Herstellen der Schraubverbindung, das heißt zum Verschrauben der Bauelemente, berechnet, wodurch die Schraubprozesskurve ermittelt wird. Die Schraubprozesskurve setzt das Drehmoment beispielsweise in Verhältnis zu einer Zeit oder Zeitspanne, während welcher die Schraubverbindung hergestellt wird. Ferner ist es denkbar, dass die Schraubprozesskurve das Drehmoment, welches auch als Anzugsmoment bezeichnet wird, in Verhältnis oder Bezug zu einer Drehstellung oder einem Drehwinkel, das heißt zu einer Drehung des Schraubelements, setzt, da das Schraubelement beispielsweise dadurch, dass es in der Simulation relativ zu den Bauelementen gedreht wird, in der Simulation in mehrere Drehstellungen beziehungsweise Drehwinkel gedreht wird. Insbesondere kann die Schraubprozesskurve mehrere Werte des Drehmoments umfassen, welches die Werte durch das in der Simulation stattfindende Herstellen der Schraubverbindung annimmt, sodass die Werte durch die Simulation berechnet werden. Demzufolge ist es beispielsweise denkbar, dass die Drehstellung beziehungsweise der Drehwinkel ebenfalls jeweilige Werte annimmt, zu denen die Werte des Drehmoments in Bezug gesetzt werden, wobei die Werte der Drehstellung beziehungsweise des Drehwinkels durch die Simulation ebenfalls berechnet werden können. Wird beispielsweise das berechnete Drehmoment über der Zeit beziehungsweise über dem Drehwinkel aufgetragen, so ergibt sich beispielsweise ein Verlauf des Drehmoments über der Drehstellung, wobei der Verlauf die zuvor genannte Schraubprozesskurve sein kann.
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Um nun die Schraubprozesskurve besonders präzise ermitteln zu können, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass in der Simulation anhand des Simulationsmodells eine vorzugsweise gegenüber 1 größere Anzahl an mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen der Bauelemente und ein Einfluss der Verschraubungen auf die Schraubverbindung berücksichtigt werden. Unter der Anzahl an mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen der Bauelemente ist eine Häufigkeit zu verstehen, mit der die Bauelemente mittels des Schraubelements miteinander verschraubt wurden beziehungsweise werden. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt wird beispielsweise in der Simulation anhand des Simulationsmodells ein die Anzahl der Verschraubung charakterisierender Häufigkeitswert berücksichtigt, wobei der Häufigkeitswert charakterisiert, wie oft beziehungsweise wie viele Male die Bauelemente mittels des, insbesondere desselben, Schraubelements miteinander verschraubt wurden beziehungsweise werden.
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Der Erfindung liegen insbesondere die Erkenntnisse zugrunde, dass die Anzahl an mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen der Bauelemente einen Einfluss auf die Schraubverbindung, insbesondere auf das Schraubelement und ganz insbesondere auf dessen Steifigkeit, haben kann, wobei diese Anzahl an Verschraubungen durch herkömmliche Berechnungen, durch welche eine Schraubverbindung nachgewiesen, das heißt auf ihre Festigkeit beziehungsweise Stabilität berechnet oder überprüft werden kann, die Anzahl an Verschraubungen nicht berücksichtigt wird. Insbesondere wurde gefunden, dass herkömmliche Schraubenberechnungen, beispielsweise nach VDI 2230, insbesondere im Hinblick auf die Steifigkeit des Schraubelements nicht die Erstverschraubung, sondern beispielsweise eine Dritt- oder Viertverschraubung abbilden. Demgegenüber ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Schraubverbindung zu berechnen beziehungsweise zu überprüfen und somit nachzuweisen, und zwar beispielsweise als eine Erstverschraubung der Bauelemente mittels des Schraubelements.
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Um die Schraubprozesskurve besonders präzisen ermitteln und in der Folge die Schraubverbindung besonders präzise überprüfen zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass durch das Simulationsmodell beziehungsweise in dem Simulationsmodell das jeweilige Bauelement modelliert ist.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn durch das Simulationsmodell ein jeweiliger Werkstoff, aus welchem das jeweilige Bauelement in dem Simulationsmodell gebildet ist, modelliert ist. Hierdurch kann beispielsweise ein Verhalten des Werkstoffs bei mehreren Verschraubungen berücksichtigt werden, sodass die Schraubprozesskurve besonders präzise ermittelt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Modellierung zumindest eines der Werkstoffe den auch als Elastizitätsmodul bezeichneten E-Modul des zumindest einen Werkstoffes umfasst. Dadurch können beispielsweise Einflüsse von mehreren, mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen auf den Werkstoff und somit auf die Schraubverbindung besonders vorteilhaft berücksichtigt werden.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Elastizitätsmodul mit zunehmender Anzahl der Verschraubungen zunimmt. Dies bedeutet beispielsweise, dass in dem Simulationsmodell das Schraubelement desto härter beziehungsweise weniger weich wird, je größer die Anzahl der mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen der Bauelemente miteinander ist. Hierdurch kann die Schraubprozesskurve besonders vorteilhaft ermittelt werden.
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Insgesamt ist erkennbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Methode zur Berücksichtigung eines abweichenden Steifigkeitseinflusses bei der Simulation zum Ermitteln der Schraubprozesskurve ist, wobei die Erfindung im Gegensatz zu herkömmlichen Berechnungsmethoden von anderen, realitätsnäheren Steifigkeitseinflüssen beziehungsweise -verhalten ausgeht. Aufgrund dessen kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Schraubverbindung wesentlich realitätsnäher berechnet und somit überprüft beziehungsweise ausgelegt werden.
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Insbesondere basiert die Erfindung auf den folgenden Erkenntnissen: Im Rahmen von Forschungstätigkeiten wurden mithilfe detaillierter Modelle zur Darstellung von Schraubprozessen die mittels der Schraubenberechnung nach VDI 2230 ermittelbaren Kraft- und Verspannungszustände abgebildet, und es wurde ein Modellabgleich mithilfe von gemessenen Schraubprozessdaten durchgeführt. Die abgestimmten Modelle bildeten die Grundlage zur Untersuchung von Einflüssen der Kombination aus Schraubverbindung und Schraubwerkzeug auf das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems.
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Ausgegangen wurde davon, dass die Schraubenberechnung nach der Richtlinie VDI 2230, insbesondere in ihrer im November 2019 gültigen Fassung, das Standardwerk zum rechnerischen Nachweis, insbesondere hochfester, Schraubverbindungen ist beziehungsweise war. Mithilfe dieses Berechnungsverfahrens können zentrisch und exzentrisch verspannte Schraubverbindungen ausgelegt und nachgerechnet werden. In dieser Richtlinie werden die vorliegenden Zusammenhänge zwischen Kraft, Drehmoment und resultierender Verformung dargestellt, und die Methodik durch entsprechende Formeln beschrieben. Ein wichtiger Faktor bei der Berechnung von Schrauben beziehungsweise Schraubverbindungen ist die Wechselwirkung zwischen Schraubensteifigkeit und Nachgiebigkeit der zu verspannenden Bauelemente. Die Überlagerung der Schraubenlänge und Stauchung der verspannten Bauelemente führt zu unterschiedlichen Belastungszuständen in der Schraube und den Bauelementen und beeinflusst die Schraubenvorspannkraft. Zur Ermittlung der Steifigkeiten stehen Berechnungsvorschriften zur Verfügung. Der Vergleich zwischen analytisch berechneten Steifigkeiten und mittels Finite-Elemente-Modellen ermittelten Werten kann eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse belegen.
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Der Modellabgleich mit an einem Prüfstand gewonnenen Messwerten verdeutlichte, dass die nach der Norm beziehungsweise der Richtlinie VDI 2230 berechneten Steifigkeiten deutlich von den realen Steifigkeiten abweichen. Weiterführende experimentelle und theoretische Betrachtungen führten zu den neugewonnenen Erkenntnissen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert. Das im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommende Simulationsmodell ermöglicht die Abbildung des An- beziehungsweise Festziehens und/oder Einschraubens des beispielsweise als Schraube ausgebildeten Schraubelements zum Fügen der zwei auch als Bauteile bezeichneten Bauelemente, insbesondere derart, dass das Schraubelement, insbesondere dessen Außengewinde, in ein Innengewinde, beispielsweise einer Mutter, eingeschraubt wird. Beispielsweise werden die Steifigkeiten der einzelnen Abschnitte der Schraube sowie der verspannten Bauelemente, welche einfach auch als Teile bezeichnet werden, mithilfe der Schraubenberechnung nach VDI 2230 ermittelt und im einfach auch als Modell bezeichneten Simulationsmodell hinterlegt. Gemessene Schraubprozessverläufe dienen zur Modellabstimmung. Die unterschiedlichen Ergebnisse von Messung und Simulation können auf die im Modell hinterlegten Steifigkeiten zurückgeführt werden, die zum Erreichen der Messwerte zu hoch angesetzt sind. Vergleichende Berechnungen mithilfe von FE-Modellen (Finite-Elemente-Modelle) weisen jedoch eine Übereinstimmung zwischen der Richtlinie nach VDI 2230 und der FE-Berechnungen nach. Die zugrundeliegende Abhängigkeit der zu berechnenden Steifigkeit von geometrischen Größen und dem Elastizitätsmodul führte letztendlich zu der Erkenntnis, dass ein nicht berücksichtigter, werkstoffseitiger Einfluss auf die Bauteilsteifigkeit vorliegen muss.
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Das beispielsweise als Mehrkörpersystem-Simulationsmodell ausgebildete Simulationsmodell der Erfindung bildet die Grundlage zur Nachbildung der gemessenen Schraubversuche mit der Zielstellung einer Übereinstimmung der zeitlichen Verläufe. Dazu erfolgt beispielsweise eine iterative Anpassung der nicht-linearen, dehnungsabhängigen Schraubensteifigkeit im Modell, bis eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erreicht werden kann. Die resultierende, dehnungsabhängige Schraubensteifigkeit zeigt ein hochgradig nicht-lineares Verhalten mit einer deutlich geringeren Steifigkeit. Die Steifigkeiten der verspannten Teile werden dabei mit den nach Richtlinie berechneten Werten beschrieben.
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Die weiterführenden Messungen an der Schraube und den verspannten Teilen belegen ein unterschiedliches Verhalten beim Vergleich von Einfach- und Mehrfachbelastung. Während die Kraft-Dehnungsverläufe beim Zugversuch an der Schraube eine gute Wiederholbarkeit mit verhältnismäßig geringer Streuung belegen, zeigen die Druckversuche an den verspannten Teilen eine geringere Steifigkeit beim ersten Verspannen im Vergleich zu den nachfolgenden Verspann-Versuchen. Diese Charakteristik kann mit unterschiedlich starker Ausprägung auch an anderen Werkstoffen nachgewiesen werden. In jedem Versuch werden beim erstmaligen Zusammenpressen der Bauteile größere Verformungen als bei nachfolgenden Versuchen beziehungsweise Verschraubungen erreicht. Ab dem zweiten Zusammenpressen beziehungsweise ab der zweiten Verschraubung sind die Kraft-Weg-Messungen nahezu identisch.
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In der Werkstofftechnik wird eine Änderung der Materialeigenschaft unter Last als Kaltverfestigung bezeichnet. Durch plastische Deformation werden Versetzungen im auch als Material bezeichneten Werkstoff erzeugt, die zu einer Behinderung von Verformungen im Material führen. Damit können beispielsweise durch Walzen oder Ziehen von Stählen die Dehngrenze und Festigkeit erhöht werden. Bisherige Berechnungen berücksichtigen nicht Auswirkungen einer Verfestigung auf den Elastizitätsmodul. Das erfindungsgemäße Verfahren jedoch ermöglicht die Entwicklung eines exakteren Verständnisses für vorliegende Abweichungen zwischen gemessenen und simulierten Schraubprozessen und bietet die Grundlage zur Entwicklung neuer Werkstoffmodelle unter Ermittlung steifigkeitsrelevanter Kenngrößen.
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Beispielsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, um wenigstens eine Schraubverbindung eines Fahrzeugs nachzuweisen beziehungsweise zu überprüfen oder zu berechnen. Die Verschraubung von Bauteilen am Fahrzeug erfolgt zur Sicherstellung der Tragfähigkeit der Verbindung und der Schraube unter definierten und kontrollierten Bedingungen im Montageprozess. Die zu erreichende Vorspannkraft wird im Auslegungsprozess in die erforderlichen Werkzeugkenngrößen umgerechnet. Dabei erfolgen in den meisten Fällen eine einmalige Verschraubung und damit Verspannung der Teile. Mit den vorliegenden Erkenntnissen ist davon auszugehen, dass nach mehrmaliger Belastung der Schraubverbindung unter Last die Steifigkeit der verspannten Teile ansteigen wird und damit auch eine höhere Dehnung der Schraube zu erwarten ist. Die bisherige Dimensionierung der Schraubverbindungen wäre entsprechend der Erkenntnisse anzupassen und die auftretenden Änderungen der Bauteilnachgiebigkeit mit weiterführenden experimentellen Untersuchungen zu belegen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit der zugehörigen Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Fig. ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Schraubprozesskurve für eine Schraubverbindung.
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Anhand der einzigen Fig. wird im Folgenden ein Verfahren zum Ermitteln einer Schraubprozesskurve für eine Schraubverbindung wenigstens oder genau zweier Bauelemente, insbesondere für ein Fahrzeug, beschrieben. Zum Herstellen der Schraubverbindung wird beispielsweise, insbesondere mittels eines Schraubwerkzeugs, ein Drehmoment auf ein beispielsweise als Schraube ausgebildetes Schraubelement aufgebracht, wodurch das Schraubelement relativ zu den auch als Teile bezeichneten Bauelementen gedreht wird. Hierdurch wird beispielsweise das Schraubelement anbeziehungsweise festgezogen, wodurch die Schraubverbindung hergestellt und hierdurch die Bauelemente miteinander gefügt, insbesondere miteinander verspannt, werden. Die Schraubprozesskurve charakterisiert dabei einen beispielsweise zeitlichen Verlauf des Drehmoments, welches auf das Schraubelement auszuüben ist beziehungsweise ausgeübt wird, um das Schraubelement relativ zu den Bauelementen zu drehen und dadurch mittels des Schraubelements unter Herstellen der Schraubverbindung der Bauelemente die Bauelemente miteinander zu verschrauben, das heißt miteinander zu fügen.
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Das Verfahren wird mittels einer elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung anhand eines Simulationsmodells eine Simulation des Herstellens der Schraubverbindung durchgeführt. Mit anderen Worten wird das Herstellen der Schraubverbindung simuliert, beispielsweise derart, dass in dem Simulationsmodell das Drehmoment auf das Schraubelement aufgebracht wird, wodurch das Schraubelement relativ zu den Bauelementen gedreht und insbesondere an- oder festgezogen wird, wobei hierdurch die Bauelemente miteinander verschraubt und dadurch miteinander gefügt werden.
Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird durch die Simulation der Verlauf des Drehmoments zum Herstellen der Schraubverbindung berechnet, wobei die Schraubprozesskurve ermittelt wird. Dabei wird in der Simulation anhand des Simulationsmodells eine Anzahl an mittels des Schraubelements bewirkten Verschraubungen der Bauelemente und ein Einfluss dieser Verschraubungen auf die Schraubverbindung berücksichtigt. Hintergrund ist, dass die Anzahl der Verschraubungen einen Einfluss auf die Steifigkeit des Schraubelements und somit auf den Elastizitätsmodul eines Werkstoffs haben kann, aus welchem das Schraubelement gebildet ist. Durch Berücksichtigung der Anzahl der Verschraubungen und durch Berücksichtigung des Einflusses der Verschraubungen auf die Schraubverbindung kann in der Simulation eine gegenüber herkömmlichen Ansatzweisen beziehungsweise Berechnungsmethoden realitätsnähere Steifigkeit des Schraubelements angenommen werden, insbesondere bei einer Erstverschraubung des Schraubelements. Dies bedeutet, dass herkömmliche Berechnungsmethoden von einer gegenüber der Realität geringeren Steifigkeit des Schraubelements ausgehen, was durch das anhand der Fig. beschriebene Verfahren vermieden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016208852 A1 [0002]
