DE19742310A1

DE19742310A1 - Befestigungssystem für Schrauben

Info

Publication number: DE19742310A1
Application number: DE1997142310
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Tenberge; Joachim Dr Ing Godau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungssystem für Schrauben, bestehend aus einer Schraube mit einem Schraubenkopf, einer Montagevorrichtung mit einer Aufnahme für den Schraubenkopf und einem Meßsystem.

Die bekannten Befestigungssysteme für Schrauben werden ausführlich in "Die automatisierte Montage mit Schrauben" von P. Scharf, H. Großberndt u. 6 Mit autoren - G.M. Bauer, expert Verlag, beschrieben. Das gemeinsame Ziel all dieser Befestigungssysteme ist, eine Schraube mit einer möglichst genau einstellbaren Vorspannkraft nahe an der Streckgrenze der Schraube anzuziehen.

Das am weitesten verbreitete Befestigungssystem besteht aus der Schraube mit Schraubenkopf und einem Drehmomentschlüssel mit einer Montagevorrichtung mit einer Aufnahme für den Schraubenkopf, über die das Anzugsdrehmoment auf die Schraube übertragen wird, und einem Meßsystem für das aufgebrachte Drehmoment. Beim drehmomentgesteuerten Anziehverfahren wird das beim Anziehen in die Schraube eingebrachte Drehmoment über geometrische Zusammenhänge der Gewindeform und die Reibung zur Bestimmung der Vorspannkraft verwendet. Das Ergebnis ist aufgrund der hohen Streuung der Reibung sehr ungenau.

Beim hydraulischen Befestigungssystem wird die Schraube mittels einer Hydraulikeinrichtung mit der gewünschten Vorspannkraft vorgespannt, so daß die Mutter drehmomentfrei angezogen werden kann. Die Mutter dient als Sperre gegen die Rückverformung der Schraube, die nach Entlastung der Hydraulikeinrichtung die Vorspannkraft behält. Dieses System und das zugehörige Verfahren sind genau, aber sehr aufwendig und für eine Massenanwendung nicht geeignet.

Beim thermischen Anziehen wird die Schraube im erwärmten Zustand in die Verbindung eingebaut. Beim Abkühlen zieht sich die Schraube zusammen und die Vorspannung entsteht. Die Genauigkeit dieses Systems hängt von der genauen Messung und Einhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen Schraube und zu verschraubenden Teilen im Moment des Einschraubens ab. Auch dieses System und Verfahren ist ungenau und aufwendig.

Beim drehwinkelgesteuerten Anziehverfahren wird die Schraube bis in den Streckgrenzbereich hinein gedehnt. Der dazu erforderliche Verdrehwinkel an einem Drehmomentschlüssel wird rechnerisch oder experimentell bestimmt. Dieses Verfahren nimmt eine überelastische Verformung der Schraube in Kauf und streut mit der Steckgrenze des Materials und der Genauigkeit der Messung des Verdrehwinkels oder des Drehmomentes. Das Verfahren ist ungenau und kann die Schrauben bereits beim Anziehen überdehnen.

Auch beim streckgrenzengesteuerten Anziehverfahren wird die Schraube bis in den Streckgrenzbereich hinein gedehnt. Um ein Überdehnen zu vermeiden, wird während des Anziehens mit dem Meßsystem ständig die Änderung des Anziehmomentes über dem Verdrehwinkel beobachtet. Im elastischen Bereich ist dieser Gradient nahezu konstant. Verringert er sich um einen festgelegten Betrag, wird dies als Erreichen der Streckgrenze interpretiert und der Anziehvorgang wird beendet. Obwohl auch dieses Befestigungssystem und sein Verfahren relativ ungenau ist, ist es im praktischen Einsatz relativ weit verbreitet.

Genauere Befestigungssysteme und Anziehverfahren haben das Ziel, während der Montage direkt die Schraubenkraft zu messen. Diese kann z. B. durch einen Kraftmeßring unter dem Schraubenkopf bestimmt werden. Nachteilig hierbei ist, daß der Kraftmeßring nach der Montage unter dem Schraubenkopf verbleibt. Somit ist dieses System gerade in der Massenanwendung zu teuer.

Die Messung der Schraubenkraft über eine Stauchscheibe verfolgt das gleiche Ziel. Dabei werden zwei ineinander gelegte Ringe unter den Schraubenkopf gelegt. Der innere der beiden Ringe ist um den der Vorspannkraft entsprechenden Stauchungsbetrag dicker als der äußere Ring. Die gewünschte Vorspannkraft ist erreicht, wenn sich beim Anziehen der äußere Ring gerade nicht mehr gegenüber dem inneren verdrehen läßt. Dieses Verfahren erfordert eine sorgfältige Kalibrierung der Ringe sowie die genau Überwachung der Verdrehbarkeit des äußeren Ringes zur Bestimmung des Bremspunktes, an dem der äußere Ring gerade nicht mehr verdrehbar ist.

Weitere Befestigungssysteme für Schrauben verfolgen das Ziel der Bestimmung der Schraubenkraft über die Dehnung der gesamten Schraube. Dies kann u. a. durch Ultraschall erfolgen. Abgesehen von den Schwierigkeiten der Ultraschallein- und -auskopplung und des Reflexionsverhaltens am Schraubenende haben alle diese Verfahren die Unsicherheit der ungleichmäßigen Spannungs- und Dehnungs verteilung in der Schraube, insbesondere in dem tragenden Gewindebereich und am Übergang in den Schraubenkopf. Mit diesen Verfahren wird nur eine mittlere Dehnung und damit eine zu kleine Schraubenkraft bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungssystem für Schrauben der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Schraubenkraft ohne Einfluß von Reibungskräften, ohne in der Verbindung verbleibende Meß- und Hilfselemente und ohne Überlastung der Schraube über die Streckgrenze hinaus während des Anziehens bestimmt werden kann. Darüber hinaus soll das Befestigungssystem für alle nach den heute üblichen Technologien hergestellte Schrauben mit Schraubköpfen geeignet sein. Außerdem soll es auch für eine Überwachung und eventuell Nachstellung der Schraubenkraft während des Einsatzes der Schraubenverbindung eingesetzt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß das Meßsystem einen Meßkopf mit mindestens einem Meßfühler beinhaltet, der den Schraubenkopf berührend oder berührungslos antastet. Unter der Zugbeanspruchung in der Schraube verformt sich der Schraubenkopf. Die Mitte des Schraubenkopfes wird gegenüber dem Rand zum Gewinde hin gezogen. Auch wenn diese Verformung klein ist, läßt sie sich mit heute verfügbaren Meßmethoden sehr genau messen. Bei der heutigen Genauigkeit in der Schraubenherstellung streut die Schraubenkopfverformung über eine große Menge gleicher Schrauben nur wenig.

Die Schraubenkopfdeformation ist unabhängig von der Gewindereibung und nahezu unabhängig von einem gleichzeitigen Anziehdrehmoment am Schrauben kopf. Darüber hinaus ist sie von außen detektierbar, so daß keine Meßelemente in der Schraubverbindung verbleiben müssen. Dieses System ist grundsätzlich für alle Schrauben mit Schraubenköpfen einsetzbar. Es sind keine Veränderungen an der Schraube erforderlich, obwohl diese, wie unten beschrieben, das Meßsignal erhöhen und die Schraubenverbindung dauerfester machen können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Meßkopf des Meßsystems eine Vorrichtung auf, mit der der Meßkopf mit dem Schraubenkopf verbindbar ist. Dadurch kann die Verbindung Meßkopf - Schraubenkopf als eine Referenzstelle zur Messung der Schraubenkopfdeformation genutzt werden, so daß nur noch ein weiterer Meßfühler nötig ist.

Nach Anspruch 3 weist diese Vorrichtung für die lösbare Verbindung Meßkopf - Schraubenkopf einen Magneten auf, der nach den Ansprüchen 4 und 5 ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet ist. Da die meisten Schrauben aus Eisenwerkstoffen bestehen, sind die magnetische Ankopplung wie auch die Abkopplung besonders einfach zu realisieren.

Zur Ankopplung des Meßkopfes an den Schraubenkopf weist dieser nach Anspruch 6 eine Stützfläche auf, die mit der Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise dem Magneten in dieser Verbindungsvorrichtung, des Meßkopfes verbindbar ist.

Des weiteren hat der Schraubenkopf nach Anspruch 7 ein Montageprofil, über das der Schraubenkopf mit der Montagevorrichtung über dessen Aufnahme zur Einleitung eines Drehmomentes verbindbar ist, und nach Anspruch 8 ein Tastprofil, in das die Meßfühler des Meßkopfes hineinragen und dessen Oberfläche die Meßfühler berührend oder berührungslos antasten. Das Tastprofil ist vorzugsweise der Oberflächenabschnitt des Schraubenkopfes, der sich bei Belastung gegenüber der Stützfläche an meisten deformiert.

Durch besondere Gestaltung des Stützprofiles und des Tastprofiles kann das Meßsignal stark vergrößert werden, ohne daß die Festigkeit der Schrauben verbindung abnimmt. Durch eine größere Elastizität des Schraubenkopfes kann sogar die Dauerfestigkeit der Verbindung steigen, die Schraube wird leichter und aufgrund der Materialersparnis preiswerter. Zur weiteren Verstärkung der Schraubenkopfdeformation hat der Schraubenkopf nach Anspruch 9 ein Unterprofil, vorzugsweise in Form eines Kragens.

Für das Meßsystem sind alle Meßverfahren geeignet, die die Schraubenkopf deformation mit hoher Genauigkeit ermitteln können. Nach den Ansprüchen 10 bis 14 sollen die Meßfühler des Meßkopfes mindestens zum Teil optische, mechanische, induktive, kapazitive Meßfühler oder Luftschall-Meßfühler sein. Auch Kombinationen verschiedener Meßverfahren, wie z. B. die Kombination einer mechanischen Tastspitze mit einem optischen Fühler, sind geeignet.

Bei einer Schraube unter Zugbeanspruchung ist die Verformung der Schrauben kopfmitte zum Schraubenkopfrand eine vorteilhafte Meßgröße. Deshalb soll nach Anspruch 15 ein Meßfühler des Meßkopfes den Schraubenkopf in Schraubenmitte antasten. Der Schraubenrand soll dabei die Stützfläche sein.

Der Einsatz mehrerer Meßfühler erhöht die Meßgenauigkeit oder macht die Messung unabhängig von einem Bezug zu der Stützfläche. Wegen der größten Schraubenkopfdeformation in Schraubenmitte sollen nach Anspruch 16 die Meßfühler des Meßkopfes den Schraubenkopf auf einer oder mehreren Schnittlinien durch die Schraubenmitte antasten.

Vorzugsweise wird das oben beschriebene Meßsystem in eine Montagevorrichtung integriert. Da diese in aller Regel gegenüber dem Schraubenkopf beweglich ist, soll nach Anspruch 17 die Montagevorrichtung eine Führung aufweisen, in der das Meßsystem axial beweglich zur Montagevorrichtung geführt wird.

Um nach dem Ende des Anschraubvorganges den Meßkopf von der Schraube abziehen zu können, weist nach Anspruch 18 diese Führung einen Anschlag auf, der die axiale Beweglichkeit des Meßsystems zur Montagevorrichtung begrenzt.

Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchs merkmale und Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Befestigungssystem für Schrauben mit einer Schraube 1 mit Schraubenkopf 2, einer Montageeinrichtung 3 mit der Aufnahme 4 für den Schraubenkopf 2 und einem Meßsystem 5.

Das Meßsystem 5 besteht aus dem Meßkopf 6, der in der Montagevorrichtung 3 steckt und in dieser längs der Führung 14 axial beweglich ist. Über die Meßkopffeder 18 wird der Meßkopf gegen den Schraubenkopf 2 gedrückt. Der Meßkopf hat eine Vorrichtung 8 mit einem Dauermagneten 9, der die Verbindung zwischen Schraubenkopf 2 und Meßkopf 6 herstellt.

Im Meßkopf 6 sitzt ein mechanisch-optischer Meßfühler 7. Dieser besteht aus der mechanischen Tastspitze 20, die in der Tasterführung 21 axial beweglich gegenüber dem Meßkopf 6 angeordnet ist, der Tastfeder 19, die die Tastspitze 20 mit einer definierten Kraft gegen den Schraubenkopf 2 drückt, und der Faseroptik 17, die die Lage der Tastspitze 20 im Meßkopf 6 mißt. Dazu weist die Tastspitze 20 am oberen Ende eine Meßfläche 16 mit definiertem Reflexionsverhalten auf.

Der Schraubenkopf 2 weist ein Montageprofil 11 auf, über das die Montage vorrichtung 3 mit ihrer Aufnahme 4 ein Drehmoment auf den Schraubenkopf einleiten kann. Nach oben ist der Schraubenkopf durch die Stützfläche 10 begrenzt, auf der sich die Magnethalterung der Meßkopfes 6 ab stützt. Besonders gekennzeichnet ist der Schraubenkopf durch sein vorzugsweise tellerförmiges Tastprofil 12, in das der Meßfühler 7 hineinragt und das die mechanische Tastspitze des Meßfühlers antastet. Zusätzlich weist der Schraubenkopf noch ein Unterprofil 13 in Form eines Kragens auf, das eine definierte Kontaktfläche zu den verschraubten Teilen herstellt und das die Elastizität des Schraubenkopfes weiter erhöht.

Wenn nach dem Schraubvorgang die Montagevorrichtung von dem Schraubenkopf 2 entfernt wird, zieht ein Anschlag 15, der mit der Montagevorrichtung 3 verbunden ist, den Meßkopf von der Schraube ab. Der Anschlag 15 begrenzt die axiale Beweglichkeit des Meßkopfes in der Montagevorrichtung.

Bezugszeichenliste

1

Schraube

2

Schraubenkopf

3

Montagevorrichtung

4

Aufnahme für Schraubenkopf

5

Meßsystem

6

Meßkopf

7

Meßfühler

8

Vorrichtung zur Verbindung Meßkopf - Schraubenkopf

9

Magnet

10

Stützfläche

11

Montageprofil

12

Tastprofil

13

Unterprofil

14

Führung

15

Anschlag

16

Meßfläche

17

Faseroptik

18

Meßkopffeder

19

Tastfeder

20

Tastspitze

21

Tasterführung

Claims

1. Befestigungssystem für Schrauben, bestehend aus einer Schraube (1) mit einem Schraubenkopf (2), einer Montagevorrichtung (3) mit einer Aufnahme (4) für den Schraubenkopf (2) und einem Meßsystem (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem (5) einen Meßkopf (6) mit mindestens einem Meßfühler (7) beinhaltet, der den Schraubenkopf (2) berührend oder berührungslos antastet.

2. Befestigungssystem für Schrauben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (6) des Meßsystems (5) eine Vorrichtung (8) aufweist, mit der der Meßkopf (6) mit dem Schraubenkopf (2) verbindbar ist.

3. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8) einen Magnet (9) aufweist, mit dem der Meßkopf (6) mit dem Schraubenkopf (2) verbindbar ist.

4. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9) im Meßkopf (6) des Meßsystems (5) ein Dauermagnet ist.

5. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (9) im Meßkopf (6) des Meßsystems (5) ein Elektromagnet ist.

6. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (2) eine Stützfläche (10) aufweist, die mit der Verbindungsvorrichtung (8), vorzugsweise dem Magneten (9) in dieser Verbindungsvorrichtung, des Meßkopfes (6) verbindbar ist.

7. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (2) ein Montageprofil (11) aufweist, über das der Schraubenkopf (2) mit der Montagevorrichtung (3) über dessen Aufnahme (4) verbindbar ist.

8. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (2) ein Tastprofil (12) aufweist, in das die Meßfühler (7) des Meßkopfes (6) hineinragen und dessen Oberfläche die Meßfühler (7) berührend oder berührungslos antasten.

9. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (2) ein Unterprofil (13), vorzugsweise in Form eines Kragens, aufweist.

10. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes mindestens zum Teil optische Meßfühler sind.

11. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes mindestens zum Teil mechanische Meßfühler sind.

12. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes mindestens zum Teil induktive Meßfühler sind.

13. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes mindestens zum Teil kapazitive Meßfühler sind.

14. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes mindestens zum Teil Luftschall-Meßfühler sind.

15. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßfühler (7) des Meßkopfes den Schraubenkopf (2) in Schraubenmitte antastet.

16. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler (7) des Meßkopfes (6) den Schraubenkopf (2) auf einer oder mehreren Schnittlinien durch die Schraubenmitte antasten.

17. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagevorrichtung eine Führung (14) aufweist, in der das Meßsystem (5) axial beweglich zur Montagevorrichtung geführt wird.

18. Befestigungssystem für Schrauben nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (14) einen Anschlag (15) aufweist, der die axiale Beweglichkeit des Meßsystems (5) zur Montagevorrichtung begrenzt.