DE19819301C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen der Vorspannkraft von Schraubverbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Schraubverbindungen und kann bevorzugt bei Montageprozessen in der industriellen Produktion, im Werkstattbetrieb und zur Überwachung in der Anlagentechnik beim Vorliegen hoher Sicherheitserfordernisse eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Spezialschraube zur Durchführung der Verfahren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannkraft beim Prüfen durch Messung der aktuellen Länge und der Ausgangslänge der Schraube bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen einer Schraubverbindungen und kann bevorzugt zur Kontrolle einer Schraubver­ bindung in der industriellen Produktion, im Werkstattbetrieb und zur Über­ wachung in der Anlagentechnik beim Vorliegen hoher Sicherheitserforder­ nisse eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin Spezialschrauben zur Durchführung des Verfahrens.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß in der industriellen Produktion immer häufiger elektronisch gesteuerte Schraubsysteme eingesetzt werden, die mit einem vorbestimmten Einschraubmoment die Schrauben anziehen um die zu verschraubenden Bauteile mit einer vorbestimmten Kraft anein­ ander zu pressen. Diese Kraft wird als Vorspannkraft bezeichnet und ent­ steht durch die Längenänderung des Schraubenschaftes, die nachfolgend als Längung bezeichnet wird.

In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, die Vorspannkraft auch nach der Herstellung der Verbindung mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen. Damit kann z. B. beim Kundendienst die Güte der Verbindung geprüft wer­ den, ohne daß die Verbindung gelöst und erneut hergestellt werden muß.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Prüfung der Vorspannkraft einer Schraubverbindung indirekt über die Messung des Lösemoment oder des Weiterdrehmoments zu prüfen. Diese Verfahren sind jedoch aufgrund der Reibschwankungen im Schraubengewinde und unter dem Schrauben­ kopf sowie dem Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung sehr ungenau und zudem wird die Vorspannkraft während des Prüfvorgangs verändert.

Um den Einfluß der Reibung bei der Prüfung zu verringern sind Verfahren, welche die Vorspannkraft der Schraubenverbindung durch Messung der Länge der Schraube ermitteln bekannt. Um aus der Länge der Schraube die Vorspannkraft zu ermitteln, muß die genaue Ausgangslänge der unge­ spannten Schraube bekannt sein. Dies ist jedoch in der Praxis aufgrund der groben Schraubentoleranzen nicht oder nur mit sehr großem Aufwand in der Serienmontage möglich.

Eine weitere Möglichkeit zur Prüfung der Vorspannkraft besteht darin, Ul­ traschall in die Schraube einzuleiten und die Laufzeit des Schalls in der Schraube zu messen. Durch die Einleitung von Longitudinal und Transver­ salwellen ist es möglich die Vorspannkraft der Schraube zu bestimmen, ohne daß die Ausgangslänge bekannt ist. Bei dem Verfahren sind jedoch große technisch Schwierigkeiten zu überwinden. So funktioniert das Ver­ fahren nur mit Schrauben einer bestimmten Geometrie, das Einleiten der Transversalwelle ist äußerst schwierig, und die Genauigkeit des Prüfverfah­ rens zur Bestimmung der Vorspannkraft ist geringer als bei den Verfahren, die bei der Herstellung der Schraubenverbindung zum Einsatz kommen.

Hinweise zum Stand der Technik sind aus DE 40 30 720 A1, DE 38 05 301 C1 und EP 0 087 507 A2 zu entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Prüfung der Qualität von Schraubverbindungen zu verbessern, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu überwinden.

Die Aufgabe wird mit einem

• - Prüfverfahren nach Patentanspruch 1, mit einer
• - Prüfvorrichtung nach Patentanspruch 5 und einer
• - Schraube nach Patentanspruch 10 gelöst.

Das Prüfverfahren für Schraubverbindungen nach Patentanspruch 1 weist folgende Verfahrensschritte auf:

• - Bestimmen der ursprünglichen Länge der Spezialschraube durch Messen der Länge des Kerns des Kernlochs,
• - Bestimmen der Länge der Spezialschraube im gespannten Zustand durch Messen des Abstandes vom Schraubenkopf zum Bohrungsgrund,
• - Vergleichen der erfaßten Längenmeßwerte mit vorbestimmten Daten, wo­ bei nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob die Vorspannkraft aus­ reicht oder ob die Schraube nachgezogen werden muß.

Der Hauptvorteil des Verfahrens besteht darin, daß die ursprünglichen Län­ ge der Spezialschraube durch Messen der Länge des Kerns des Kernlochs bestimmt werden kann, da sich der Kern beim Anziehen der Schraube nicht dehnt. Da bei der Herstellung der Kernlochbohrung die Kernlänge und die Bohrungstiefe immer genau gleich groß sind, ist es lediglich notwendig, die Länge der Bohrung der gedehnten Schraube mit der Länge des ungedehn­ ten Kerns zu vergleichen. Die Differenz der zwei Meßergebnisse ist die Längung des Schraubenschaftes unter Vorspannung, aus der nunmehr nach dem Fachmann bekannten Beziehungen die Vorspannkraft errechnet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind aus den Ansprüchen 2 bis 4 entnehmbar.

Zur Messung der Tiefe der Kernlochbohrung und der Länge des Kerns kön­ nen aus dem Stand der Technik bekannte Meßverfahren eingesetzt werden. Insbesondere ist es auch möglich, für die Messung der Tiefe und der Länge unterschiedliche Meßverfahren einzusetzen. Entscheidend ist lediglich, daß die Meßverfahren die Bedingungen hinsichtlich Genauigkeit und Zuverläs­ sigkeit erfüllen.

Die Prüfvorrichtung für Schraubverbindungen nach Patentanspruch 5 weist folgende Merkmale auf: Eine Längenmeßvorrichtung, die den Abstand der Grundfläche der Kernlochbohrung zum Schraubenkopf und den Abstand der Stirnfläche des Kerns der Kernbohrung zum Schraubenkopf bestimmt.

Die Vorteile der Prüfvorrichtung liegen darin, daß die im Stand der Technik verfügbaren Längenmeßvorrichtung alle hier gestellten Anforderungen weitgehend erfüllen können und kostengünstig zu erwerben sind, so daß je nach Anforderung eine optimale Konfiguration gleicher oder unterschiedli­ cher Meßsysteme zusammengestellt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind aus den Ansprüchen 6 bis 9 entnehmbar.

Nach Anspruch 6 stellen die Längenmeßvorrichtungen elektrische Meßda­ ten bereit, die einer Datenverarbeitungseinheit zugeführt werden, wobei die Meßdaten mit gespeicherten Daten verglichen werden und entschieden wird, ob die Vorspannkraft ausreichend ist, oder ob die Schraube nachge­ zogen werden muß. Das Nachziehen der Schraube kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Techniken erfolgen, also auch von Hand oder an einem anderen Arbeitsplatz.

Nach Anspruch 7 ist zusätzlich eine Anzieh-Vorrichtung vorgesehen, die bei einer Nachzieh-Entscheidung der Datenverarbeitungseinheit die Schrau­ be so weit nachzieht, bis die vorgesehene Vorspannung erreicht ist. An­ schließend kann bei erhöhter Genauigkeitsanforderung die Schraubverbin­ dung erneut überprüft werden.

Die Schraube nach Anspruch 10 weist einen Ringspalt auf, der mit einem geeigneten Material abgedeckt oder verfüllt ist. Dazu sind z. B. elastische Massen oder auch Fette geeignet.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnung, wobei sich die Erfindung auf alle daraus entnehmbaren neuen Merkmale oder Merkmalskombinationen rich­ tet, auch wenn diese nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angeführt sind.

Fig. 1 zeigt eine optische Ausführungsform der Vorrichtung auf einer Kernlochschraube.

Die Vorrichtung 1 sitzt auf dem Kopf 3 der Schraube 2, die eine Kernloch­ borung mit einem Bohrungskern 4 und einem Ringspalt 5 aufweist. In der Vorrichtung 1 ist ein optische Längenmeßeinrichtung (nicht gezeigt) ange­ ordnet, die Meßlichtstrahlen 6 auf eine definierte Oberfläche 7 am Schrau­ benkopf 3 aussendet. Die Meßlichtstrahlen 6 werden von der Oberfläche 7 reflektiert als Reflexionsstrahl 6' von der Längenmeßeinrichtung empfan­ gen. Ebenso werden Meßlichtstrahlen 8 vom Boden des Ringspaltes als Reflexionsstrahlen 8' reflektiert und von von der Längenmeßeinrichtung empfangen. Weiterhin werden Meßlichtstrahlen 9 von der Stirnfläche des Bohrungskerns 4 als Reflexionsstrahlen 9' reflektiert und von von der Län­ genmeßeinrichtung empfangen.

Vor dem Anziehen der Schraube waren der Bohrungskern 4 und der Rings­ palt 5 gleich lang. Beim Anziehen der Schraube längt sich der Schrauben­ schaft, wodurch sich die Länge des Ringspaltes 5 bezogen auf die Fläche 7 vergrößert, während die Länge des Bohrungskerns 4 unverändert bleibt. Aus diesem Effekt ergibt sich die Möglichkeit, die ursprüngliche Länge des Ringspaltes 5 nach folgender Gleichung zu bestimmen:

Ursprüngliche Länge des Ringspaltes = aktuelle Länge der Ringspaltes (bezogen auf die Oberfläche 7) minus der Höhendifferenz zwischen der Oberfläche 7 und der Stirnfläche des Bohrungskerns 4.

Da nunmehr die ursprüngliche absolute Länge bzw. Tiefe und die aktuelle Länge bzw. Tiefe der Kernbohrung bekannt sind, kann der Fachmann mit den bekannten Berechnungsverfahren der Festigkeitsmechanik in Verbin­ dung mit den bekannten Abmaßen der Schraube und deren E-Modul die Vorspannkraft berechnen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Prüfen der Vorspannkraft einer Schraubverbindung mit einer Spezialschraube, die zwei Bauteile mit der Vorspannkraft aneinander­ preßt, wobei die Spezialschraube im Schraubenschaft ein einstückiges Kernloch hat und das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

• 1. Bestimmen der ursprünglichen Länge der Spezialschraube durch Messen der Länge des Kerns des Kernlochs,
• 2. Bestimmen der Länge der Spezialschraube im gespannten Zustand durch Messen des Abstandes vom Schraubenkopf zum Bohrungsgrund,
• 3. Vergleichen der erfaßten Längenmeßwerte mit vor bestimmten Daten, wo­ bei nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob die Vorspannkraft aus­ reicht oder ob die Schraube nachgezogen werden muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kerns des Kernlochs und die Länge der Kernlochbohrung durch mechani­ sche oder optische Meßverfahren oder durch Ultraschallmeßverfahren ge­ messen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je nach An­ forderung unterschiedliche Meßverfahren kombiniert werden, wobei die Abstände zur Kernoberfläche oder zum Schraubenkopf mit anderen Meß­ verfahren bestimmbar sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur in der Nähe der Schraubverbindung gemes­ sen wird und temperaturbedingte Meßfehler kompensiert werden.

5. Vorrichtung zum Prüfen der Vorspannkraft einer Schraubverbindung mit einer Spezialschraube, die zwei Bauteile mit der Vorspannkraft aneinander­ preßt, wobei die Spezialschraube im Schraubenschaft ein einstückiges Kernloch aufweist, und wobei eine Längenmeßvorrichtung den Abstand der Grundfläche der Kernlochbohrung zum Schraubenkopf und den Abstand der Stirnfläche des Kerns der Kernbohrung zum Schrau­ benkopf bestimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Län­ genmeßvorrichtung elektrische Meßdaten bereitstellt, die einer Daten­ verarbeitungseinheit zugeführt werden, wobei die Meßdaten mit gespei­ cherten Daten verglichen werden und entschieden wird, ob die Vorspann­ kraft ausreichend ist oder ob die Schraube nachgezogen werden muß.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Anzieh-Vorrichtung vorgesehen ist, die bei einer Nachzieh- Entscheidung der Datenverarbeitungseinheit die Schraube so weit nach­ zieht, bis die vorgesehene Vorspannung erreicht wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Längenmeßvorrichtung je nach Anforderung optische, me­ chanische, induktive oder kapazitive Meßsysteme aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß je nach An­ forderung unterschiedliche Meßsysteme kombiniert werden.

10. Spezialschraube zum Prüfen der Vorspannkraft einer Schraubverbindung mit einer Kernlochbohrung, wobei der Ringspalt der Kernlochbohrung mit einem Material ausgefüllt ist, welches das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit verhindert und nahezu kei­ nen Einfluß auf die Schraubendehnung hat.