DE2735594A1 - Verfahren und vorrichtung zum anziehen von gewindebefestigungselementen mit einer vorbestimmten spannung - Google Patents

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BOEHMERT & BOEHMElU

ANWALTSSO/.IF.TAT

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Boehmcrl & Bochmcrt, Postfach 1071 27, D -2800 Bremen 1 PATEN !ANWALT I)K ING KAUI. HOEHMIKT (1931 ΙΡ7Λ)

PATl-:NTANWAI.T I)IPL ING Al.HURT IU)I- HMLKT. BKI MKN PATLNTANWALT I)K ING WALTKK IK)(JKMANN. HKKMFN PATENTANWALT I)IPL PIIVS I)K HKlNZ GODDAK. BKI.MI.N

Deutsches Patentanwalt dipl-ing Edmund feitner. München

Patentamt Rechtsanwalt Wilhelm j.h.stahlkkrg.bkemen

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Hinnen. l-'i-ldstraKc 2-1

3. August 1977

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, 600 Grant Street, Pittsburgh, Pennsylvania 15219, V.Ct.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Anziehen von Gewindebefestigungs· elementen mit einer vorbestimmten Spannung

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l'iistfiich IO 71 27, FeldstraKc 24 ©*ßrcmer Bank. Bremen Schlolthatier StraUc 3

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Telex : 2119SH hopald 1'SrfiA Hamhurf;

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BOEHMERT & UUEHMEKT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen mit einer vorbestimmten Spannung. Die Funktion von Gewindebefestigungselementen liegt natürlich darin, zwei oder mehr Teile zu einem typischen starren Teil zu vereinigen, wobei man üblicherweise von einer Verbindungsstelle spricht. Zur Vereinfachung soll der Begriff ein Paar von Befestigungselementen verwendet werden, um sowohl die positiven als auch die negativen Gewindeelemente zu bezeichnen, wie etwa eine Mutter und eine Schraube, eine Mutter und eine Gewindebohrung eines Verbindungsteils, ein Gewindebolzen und eine Mutter und ähnliches, Die an der Verbindungsstelle miteinander vereinigten Teile sollten so angezogen sein, daß sie während einer Vibration, statischer und/oder Belastung der Teile in Kontakt bleiben. In vielen Fällen, wo mehrere Gewindebefestigungselemente eingesetzt weden, kann es von großer Wichtigkeit sein, sicherzustellen, daß der Kontaktdruck zwischen den Teilen, der durch die Befestigungselemente erzeugt wird, gleichmäßig ist, da eine ungleichmäßige Verformung der Teile nicht akzeptable Bedingungen für die Verbindungsstelle schaffen kann. Bei einer ordnungsgemäßen Montage sollte ein gleichmäßiger Kontaktdruck von einer Verbindungsstelle zur anderen entsprechend den Konstruktionserfordernissen vorliegen. Dies kann nur durch Montageverfahren erzielt werden, die eine gleichmäßige Vorspannung oder Klemmspannung an der Verbindungsstelle erzeugen. Obwohl es einleuchtet, daß man die Vorspannung oder Klemmspannung an der Verbindungsstelle über den Druck der Mutter bestimmen kann, ist es praktischer, mit der Spannung des Bolzens zu arbeiten. Es gibt jedoch unglücklicherweise kein direktes Verfahren, um von außen die Bolzenspannung zu messen, ohne daß man den Bolzen mit Instrumenten versieht, oder eine Spannungsscheibe verwendet, die entweder unpraktisch oder unwirtschaftlich für die Herstellung im Montagegang sind^~Dem- ■ entsprechend gewinnen praktische Verfahren zur Steuerung der Bolzenspannung bei der Fabrikation an Bedeutung.

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IMERT &

Es gibt eine Anzahl bekannter Verfahren zum Anziehen von Gewindebefestigungsdementen, die auf der Information beruhen, die über äußere Instrumente verfügbar ist, wie Drehmoment und Winkelmesser im Gegensatz zu speziell ausgebildeten Befestigungselementen oder Unterlegscheiben. Diese Verfahren umfassen die Drehmomentsteuerung, die Mutternausschlagsmethode, das Streckgrenzenverfahren, akustische Messung, über Drehverfahren und Drehmomentschätzmethoden.

Eines der Verfahren, das gegenwärtig in großem Umfang eingesetzt wird, ist eine Drehmomentsteuerung, bei welcher ein konstantes Enddrehmoment auf die Befestigungselemente übertragen wird. Das Enddrehmoment wird normalerweise durch ein Grenzwertpreßluftwerkzeug erzeugt, wobei der Grad der Drehmomentsteuerung von dem gleichförmigen Luftdruck, der Motorfunktion und der Härte der Verbindungsstelle abhängt. Man strebt an, Spannungsstreuungen im Bereich von - 10 - 20 % um den Mittelwert zu erzielen. Die tatsächlichen Streuwertgrenzen können nur durch eine Instrumentierung des Bolzens in einem Labor bestimmt werden. Die Meinungen über die Spannungsstreuungen, die tatsächlich in einem großen Teil der durch Drehmomentsteuerungsverfahren angezogenen Befestigungselementen vorliegen, weichen voneinander ab. Es würde nicht überraschen, wenn sich herausstellt, daß die Gesamtspannungsstreuung bei der Produktion im Bereich von 100 % des Mittelwertes liegt, wobei alleine eine Streuung von - 41 % durch die Reibung allein hervorgerufen werden kann.

Das Drehmoment steht natürlich zur Spannung in Beziehung, wobei jedoch die Zwischenbeziehung erheblichen Ungewißheiten ausgesetzt ist, die sich aus einer Abhängigkeit erster Ordnung der Reibung zwischen Gewinde und Kopf ergeben. Bei eine"f sehr einfachen theoretischen Betrachtung beschreibt die folgende Gleichung die Beziehung zwischen Drehmoment und Spannung:

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Dabei bedeutet T das Drehmoment, f. der Reibungskoeffizient zwischen dem Kopf des Befestigungselementes und dem hieran anliegenden Teil, r. der effektive Radius der Kopfreibung, f.. der Reibungskoeffizient zwischen den Windungen des Befestigungselementes, r.. der effektive Radius der Windungsreibung und F die Bolzenspannung. Obwohl der Durchschnittswert der Reibungskoeffizienten durch Schmiermittel und Überzuge wesentlich verringert werden kann, wird hierdurch die relative Streuung um den Mittelwert nicht wesentlich beeinflußt. Faßt man die Reibungsungewißheiten mit den verschiedenen übertragenen Drehmomenten zusammen, so ist die Spannungskontrolle, die tatsächlich erreicht wird, in der Praxis sehr gering. Um dementsprechend Schaden an den Befestigungselementen während der Montage zu verringern, muß der Mittelwert des durchschnittlich übertragenen Drehmomentes unverhältnismäßig niedrig in bezug auf die Festigkeit des Bolzens gehalten werden. Auch bei unverhältnismäßig niedrigen Mittelwerten des übertragenen Drehmomentes ist ein beträchtlicher Teil der Befestigungselemente stark unterbelastet, während viele über die Elastizitätsgrenze hinaus belastet sind.

Den Stand der Technik betreffende Drehmomentsteuerverfahren zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen werden in den folgenden Veröffentlichungen diskutiert: Assembly Engineering, Okotber 1966, Seiten 24 bis 29; Hydrocarbon Processing, Januar 1973, Seiten 89 bis 91; Machine Design, 6. März 1975, Seiten 78 bis 82; The Engineer, London, 26. Mai 1967, Seiten 770 bis 71; The Iron Age, 24. Februar 1966, Seite 66; Machine Design, Februar 1964, Seiten 180 bis 185; Power Engineering, Oktober 1963, Seite 58 sowie die amerikanischen Patentschriften 3 555 938 und 3 851 386.

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bOEriMEKT ist

Ein anderes, in großem Umfang eingesetztes Verfahren zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen ist das sogenannte Mutternausschlagsverfahren, das sich sowohl das übertragene Drehmoment als auch den Gewindewinkelfortschrit zunutze macht. In seiner einfachsten Form werden nach dem Verfahren die Gewindeelemente angedreht, bis ein vorbestimmter Drehmomentwert erreicht wird, der beispielsweise dem Paßdrehmoment entspricht, worauf die Mutter noch zusätzlich um einen konstanten vorbestimmten Winkel weitergedreht wird. Das Konzept liegt darin, daß das Verhältnis der Drehung des Befestigungselementes zur Belastung des Bolzens den Einfluß der Reibung auf den angestrebten Endspannungswert eliminiert. Wenn die zusammengehaltenen Teile rein elastisch und der Kontakt dazwischen unmittelbar und vollständig wäre, könnte man erwarten, daß die Bolzenspannung linear mit dem Drehwinkel ansteigt, beginnend mit dem Wert 0 bei dem ersten Kontakt. Theoretisch würde die Spannungssteuerung so genau sein wie die Gleichförmigkeit des Spannungsverhältnisses der Verbindungsstelle, bei welchem es sich um die Steigung der Kurve handelt, die man erhält, wenn man die Spannung über den Drehwinkel aufträgt.

In der Praxis ist das Spannungsverhältnis weder genau konstant von einer Verbindungsstelle zur nächsten,noch ist es eine gleichförmige Winkelfunktion für eine einzelne Verbindungsstelle. Die Gründe hierfür hängen mit der Mikroplastizität zusammen, bei welcher es sich um ein Nachgeben der Oberflächenunregelmäßigkeiten, einen Schmiermittelquetschfilm und die Tatsache handelt, daß sich der Kontakt allmählich und nicht unmittelbar vollzieht. Das Mutternausschlagsverfahren wird üblicherweise als wesentlich besser betrachtet als die Drehmomentsteuerungstechnik, obwohl im Laufe der Untersuchungen im Rahmen dieser Erfindung Werte entwickelt wurden, die schließen lassen, daß dieses Verfahren erheblich überbewertet' wird, zumindest was die niedrigen bis mäßigen Spannungswerte angeht. Das Mutternausschlagsverfahren besitzt den Nachteil,

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daß es sich teilweise auf ein Drehmoment verläßt, welches in starkem Maße von den oben erwähnten Unsicherheiten abhängig ist. Die Auswahl des Vorlastdrehmomentes ist eine kritische Entscheidung. Wenn das Vorlastdrehmoment zu hoch ist, wird der theoretische Vorteil gegenüber der Drehmomentsteuerungsmethode wesentlich vermindert. Wenn das Vorlastdrehmoment zu gering ist, schwankt die Endspannung im Bolzen in starkem Maße von einer Verbindungsstelle zur nächsten, da bei niedrigen Drehmomentwerten sowohl die Drehmomentwinkelals auch die Sapnnungswinkelkurven eine sich verändernde Krümmung besitzen. Die Kombination einer ungewissen Spannung bei dem Vorlastdrehmoment und einem ungleichförmigen Spannungsverhältnis über einen großen Winkelbereich vermag den theoretisch erzielten Vorteil mehr als auszugleichen. Die Mutternausschlagsmethode, bei welcher das Anziehen im wesentlichen durch eine Belastung erfolgt, besitzt den Vorteil, daß während der Montage Bolzenschäden in beträchtlichem Maße vermindert werden, da das Bolzenmaterial in dem plastischen Bereich starken Belastungen ausgesetzt werden kann. Im Laufe der im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen stellte sich heraus, daß der Unterschied zwischen Befestigungselementen mit einem niedrigen Drehmomentverhältnis und Befestigungselementen mit einem hohen Drehmomentverhältnis von der gleichen Probe eine Streuung entwickeln kann, die von dem angestrebten Endspannungswert - 50 % ausmachen kann, bei Spannungswerten im Bereich von 1 360 kg für eine 8-mm-Schraube der Qualität 8 unter Einsatz des Mutternausschlagsverfahrens. Mit dem Ansteigen des Endspannungswertes vermindert sich die Streuung prozentual zur Endspannung.

Eine weitere Schwierigkeit bei dem Mutternausschlagsverfahren liegt darin, daß ein erneutes Eichen erforderlich ist, wenn der angestrebte Endspannungswert sich ändert. Im Gegenaatz dazu kann gemäß der Erfindung der angestrebte Endspannungswert willkürlich geändert werden, solange dieser Wert im Bereich des

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zweiten Spannungsverhätnisses liegt und hinreichend weit vom Bruch in der Spannungskurve liegt, so daß das Werkzeug infolge dessen Überdrehens nicht über den angestrebten Wert hinausläuft.

Mutternausschlagsverfahren zum Anziehen von Gewindebefestigungen werden in den folgenden Veröffentlichungen diskutiert: Hydrocarbon Processing, Januar 1973, Seiten 89 bis 91; Machine Designe, 6. März 1975, Seiten 78 bis 82; Journal of the Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, April 1966, Seiten 20 bis 40; Machine Design, 13. Februar 1964, Seiten 180 bis 185; und US-PS 3 851 386.

Wie im einzelnen in den amerikanischen Patentschriften 3 643 und 3 693 726 sowie in Design Engineering (London) Januar 1975, Seiten 21 bis 23, 25, 27 und 29 beschrieben ist, kennt man einen anderen Weg zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen als das Streckgrenzverfahren. Hierbei macht man den Versuch, während des Anziehens den Beginn der plastischen Verformung des Bolzens zu ermitteln und das Anziehen dementsprechend abzubrechen. Die Streckgrenze, bei welcher es sich um die Grenze zwischen elastischer und plastischer Verformung des Metalls in einem nicht-axialen Belastungsstatus handelt, ist jedoch sehr schwierig genau zu bestimmen. Dementsprechend definiert man die Streckgrenze üblicherweise als Belastungsstreckung, wobei normalerweise ein Wert von 1 bis 2 % willkürlich gewählt ist.

Es ist klar, daß aus den zusammengehaltenen Teilen, wie auch aus den Befestigungselementen ein einheitliches Teil gebildet wird. Die Ausbildung ist normalerweise derart, daß ein Strecken in den Bolzen eintritt, obwohl es natürlich auch in dem Bolzenkopf oder der Mutter eintreten könnte. Der Bolzen wird^äußerdem einer Scherbeiastung aufgrund der Torsion ausgesetzt, die

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IJOFHMFKT & UORHMIiKT

durch das Drehmoment erzeugt wird. Dementsprechend befindet sich der Bolzen in einem kombinierten Belastungsstatus. Dementsprechend beruht bei hohen Drehmomentwerten die Belastung innerhalb des Bolzens sowohl auf dem Drehmoment als auch der Zugspannung und kann die Zugfestigkeit des einzelnen Teiles wesentlich ändern. Wei tere Fehlerquel len können hinzutreten, wenn die Bolzenspannung gesteuert werden soll, die auf der

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natürliche Streuung der Materialstreckgrenze beruhen. Weitere Fehler bei dem Streckgrenzenverfahren sind das Ergebnis von Geräuschen und anderen Unsicherheitsfaktoren bei der Bestimmung der Streckgrenze. Der Haupteinwand gegen das Streckgrenzenverfahren ist der Einfluß auf die Ermüdungsfestigkeit und die Wiederverwendbarkeit des Bolzens. Obwohl die Sache in gewisser Beziehung kontrovers ist, scheint es klar, daß ein einmaliges Angreifen und Lösen einer äußeren Belastung ein Nachgeben innerhalb der Verbindungsstelle bewirkt, so daß dementsprechend die durch den Bolzen übertragenen Klemmkräfte vermindert werden und unterhalb der ursprünglichen Klemmkraft liegen. In extremen Fällen kann der Bolzen die gesamte Spannung verlieren und lose sein.

Eine Überdrehlösung, die eingesetzt werden kann, um klemmende Gewinde oder verklemmte Gewindeelemente zu ermitteln, wird in den amerikanischen Patentschriften 3 368 396 und 3 745 beschrieben. Bei dieser Technik wird ein Warnsignal erzeugt, wenn ein vorbestimmtes Drehmoment entwickelt wird, bevor eine vorgegebene Anzahl von Drehungen ausgeführt worden ist, wodurch ein Verklemmen der Gewindegänge angezeigt werden kann. Ein anderes Warnsignal wird erzeugt, wenn eine größere Zahl von Drehungen ausgeführt worden ist, bevor sich ein angestrebtes höheres Drehmoment entwickelt, wodurch ein Hinweis gegeben wird, daß das Gewinde beschädigt ist. Es leuchtet ein, daß diese Lösungswege zur Steuerung der Bolzenspannung_nicht geeignet sind.

Ein anderer Weg zur Steuerung der Bolzenspannung umfaßt akusti-

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BOFHMFRT % BORHMKKT

sehe Geräte, die versuchen, die durch die Spannung verursachte Bolzendehnung zu messen. Derartige Geräte werden in den amerikanischen Patentschriften 3 306 100, 3 307 393, 3 650 016, 3 759 090 und 3 822 587 erläutert und dargestellt.

Mit einer anderen Technik, die mit dem Streckgrenzenverfahren in Verbindung steht, befaßt sich die US-PS 3 939 920. Hierbei wird im Grunde ein Anziehparameter gemessen, wie beispielsweise das Drehmoment an der Streckgrenze, worauf bestimmte Berechnungen durchgeführt werden und die Mutter gelöst wird, bis die endgültige gewünschte axiale Spannung erzielt ist und der Anziehvorgang beendet wird. Dieses Verfahren ist mit einer Anzahl von Nachteilen verbunden: (1) Bei der Streckgrenze handelt es sich nicht um ein genau reproduzierbares Charakteristikum der meisten Befestigungselemente, (2) die Streckgrenze ist mittels des beschriebenen Verfahrens schwer genau zu bestimmen, (3) die Eigenschaften der Verbindungsstelle, d. h. das Spannungsverhältnis und das Drehmomentverhältnis sind nicht die gleichen.während der ersten Annäherung an die Streckgrenze und während der nachfolgenden Annäherung an die Streckgrenze und (4) die Eigenschaften des Befestigungselementenpaares,im besonderen angrenzend an die Gewindegänge, ändern sich fortlaufend an der Streckgrenze.

Eine andere Gruppe herkömmlicher Verfahren, die vorgeschlagen worden sind, befassen sich mit dem Verhältnis des Drehmomentanstiegs in bezug auf den Schraubwinkel, wie dies in Assembly Engineering, September 1974, Seiten 42 bis 45, Design Engineering (London), Januar 1975, Seiten 21 bis 23, 25, 27, 29, Iron Age, 28. April 1975, Seite 44 und Machine Design, Band 47, 23. Januar 1975, Seite 44 beschrieben ist. Diese Verfahren überwachen die Drehmomentwinkelkurve während des Anziehvorganges, um den Anziehvorgang aufgrund von Rückschlüssen⁷zu beenden, die aus der Drehmoment/Winkelbeziehung abgeleitet werden. Gemäß der Design Engineering-Veröffentlichung wird

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BOHHMBKT tk BOUHMKRT

der Anziehvorgang beendet, nachdem ein merkliches Nachlassen des Drehmomentverhältnisses ermittelt wird, das an der Streckgrenze auftritt. Nach den übrigen Artikeln wird der Anziehvorgang offensichtlich beendet, wenn ein vorbestimmter Drehmomentbereich erzielt wird innerhalb eines verhältnismäßig engen Winkelbereiches. Damit sind die hier beschriebenen Verfahren den oben erwähnten Überdrehverfahren ähnlich.

Das Ziel der Entwicklung von Anziehverfahren liegt nicht lediglich darin, eine vorbestimmte Klemmspannung durch einen Befestgungselementensatz zu erzielen, da dies leicht im Labor durch eine Instrumentierung des Bolzens durchgeführt werden kann. Das Ziel liegt vielmehr darin, gleichmäßige und reproduzierbare Klemmkräfte oder Endspannungswerte in einer großen Anzahl von Befestigungselementen bei niedrigen Kosten pro Befestigungselementensatz zu erzielen. Der Haupttrugschluß bei den herkömmlichen Anziehverfahren liegt darin, einen festen Anziehparameter auszuwählen, wie beispielsweise das Drehmoment oder den Winkel, wie bei dem Drehmomentsteuer- bzw. Mutternausschlagsverfahren, oder einen bestimmten Bereich eines besonderen Anziehparameters auszuwählen und den Anziehvorgang entsprechend der Erreichung eines festen Anziehparameters oder dessen Bereich zu beenden. Dieser breite herkömmliche Lösungsweg führt zu einer Anzahl von wesentlichen Schwierigkeiten.

Zunächst ist ein kritischer Punkt bei dem Anziehungsvorgang die Klemmkraft, wie sie durch die Endbolzenspannung gemessen werden kann. Mit der möglichen Ausnahme einiger akustischer Verfahren war es bislang nicht möglich, in Produktionsmengen die Endbolzenspannung zu bestimmen. Weiterhin wird,infolge der Auswahl einiger anderer Parameter als die Spannung, eine Anzahl variabler Faktoren, wie Reibungskoeffizient, geschwindigkeitsbezogene Verluste und ähnliches eingeführt, welche^rin einem starken Maße die Beziehung zwischen dem festen Anziehungsparameter oder dessen Bereich und dem einzig wichtigen

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Anziehungsergebnis beeinflussen, nämlich der Klemmkraft oder der Bolzenspannung,

In einer Hinsicht befaßt sich die Erfindung während des Anziehens mit der Bestimmung des Wertes eines Anziehparameters, der ausreicht, um jedes Befestigungselementenpaar auf den gewünschten Endspannungswert anzuziehen, wobei sich der Paramet· von einem Befestigungselementenpaar zum nächsten ändert. Das Anziehen des Befestigungselementenpaares wird entsprechend den variablen Wert des bestimmten Anziehungsparameters beendet. Durch diesen Lösungsweg wird die Veränderung der Reibung von einem Befestigungselementenpaar zum nächsten im wesentlichen eliminiert. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt normalerweise Spannungsstreuungen im Bereich von - 10 % bei Produktion mengen, wobei die Streuungen des Mutternausschlagsverfahrens mindestens zwei bis dreimal höher und die Streuungen der Drehmomentsteuerverfahren mindestens fünf bis sechsmal höher sind. Dementsprechend leuchtet es ein, daß sich durch die Erfindung wesentlich gleichmäßigere Ergebnisse erzielen lassen, als dies mit den ungenauen Verfahren nach dem Stand der Technik der FaIJ ist.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen zu schaffen, die zu wesentlich gleichmäßigeren Ergebnissen führen, als dies bislang der Fall war.

Dabei soll nach der Erfindung das Anziehen der Gewindebefestigungselemente,die Überwachung der Drehmomentwinkelkurve, die Berechnung der Spannung in dem anzuziehenden Befestigungselement und die Steuerung eines Werkzeuges zum Anziehen der Befestigungselemente auf den gewünschten Endspannungswert einschließen.

Weiter soll nach der Erfindung die Drehmoment/Winkelbeziehung überwacht, während des Anziehens die in den anzuziehenden Be-

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BOUI IMIiKT & BOEIIMEKT

festigungselementen auftretende Spannung berechnet und dem Schlüssel ein Signal zugeführt werden, den Anziehvorgang fortzusetzen, bis ein vorbestimmter Wert des Winkels oder des Dreh momentes erreicht ist, der dem gewünschten Endspannungswert entspricht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Kennzeichen des Hauptanspruches. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei ziegt bzw. zeigen im einzelnen:

Fig. 1 die Darstellung von typischen Drehmoment-Winkel- und Spannungs- Winkelkurven, die während des kontinuierlichen Anziehens eines Befestigungselementenpaares weit unterhalb der Elastizitätsgrenze erzeugt werden,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des unteren Endes einer typischen Drehmoment-Winkelkurve, wenn das Anziehen am oberen Ende zeitweilig unterbrochen wird,

Fig. 3 die Darstellung einer typischen Drehmoment- Geschwindigkeitsbeziehung eines preßluftgetriebenen Werkzeuges,

Fig. 4 die Darstellung einer Spannungs-Winkelkurve, welche die Entspannung einer typischen Verbindungsstelle bei der Beendigung des kontinuierlichen Anziehens zeigt, _~

Fig. 5 die Darstellung einer typischen Spannungs-Winkelkurve, die die Entspannung der Verbindungsstelle

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bei einer zwischenzeitlichen Unterbrechung während des Anziehens auf einen höheren Spannungswert zeigt,

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche grafische Darstellung zur Erläuterung anderer Aspekte der Erfindung,

Fig.7 eine vergrößerte Darstellung der Drehmoment- und Spannungskurven zur Erläuterung anderer Details der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Teils der in Fig. θ dargestellten Vorrichtung,

Fig. 1OA

und lOB Schaltbilder eines anderen Teils der in Fig. 8

dargestellten Anordnung,

Fig. 11 die Vorderansicht eines typischen Schaltpultes für die Bedienungsperson und

Fig. 12 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine typische Drehmoment-Winkelkurve 10 und die entsprechende Spannungs-Winkelkurve 12 dargestellt, die während des kontinuierlichen Anziehens eines Befestigungselementenpaares weit unterhalb der Elastizitätsgrenze des Bolzens entwickelt wurden, wie man sie in einem Labor durch eine entsprechende Ausrüstung messen kann. Bei der Drehmomentkurve 10 lie^g£. ein typischer Freilaufbereich 14 vor, in welchem nur ein geringes Drehmoment erforderlich ist, um die Mutter weiter zu drehen/ und keine merkliche Bolzenspannung vorliegt. Diesem folgt ein

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Eingriffsbereich 16, wo ein Kontakt zwischen den Oberflächen der Befestigungselemente und der eingeklemmten Teile hergestellt wird, während die Winkelgeschwindigkeit allmählich vermindert wird, entsprechend den Drehmoment/Geschwindigkeitscharakteristika des verwendeten Werkzeuges. Das Spannungsverhältnis FR^ im Bereich 16 ist geringer als das höchste Spannungsverhältnis FR-, aber es ist jedoch genau definiert. Der Eingriff sbereich 16 scheint ungefähr einen Spannungsbereich von etwa 10 % bis etwa 50 % der Elastizitätsgrenze des Bolzens zu überdecken. Oberhalb des Eingriffsbereiches schließt sich ein Endspannungsbereich 18 an, in welchem das erhöhte Spannungsverhältnis FR- vorliegt. Vorteilhafterweise sind FR.., FRp und der Ort des dazwischenliegenden Bogens gut definierte und reproduzierbare Eigenschaften der Verbindungsstelle und stehen in keiner Beziehung zur Reibung oder zu anderen veränderlichen Faktoren, die sich im Verlauf des Anziehens entwickeln können.

Das Drehmomentverhältnis TR ist ursprünglich ganz niedrig in dem Freilaufbereich 14 und beginnt in dem Eingriffsbereich wesentlich zu steigen. Aufgrund des Vorliegens von geschwindigkeitsabhängigen Verlusten, wie eines Schmiermittelquetschfilmes und der Mikroplastizitat der Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen den Befestigungelementen und den zusammengehaltenen Teilen, schneidet die lineare Annäherung TR der Drehmomentkurve 10 in dem Eingriffsbereich 16 nicht die Winkelachse im Ursprungspunkt der Spannungskurve 12. Es besteht eine Winkelabweichung </-> , die proportional zu derartigen geschwindigkeitsabhängigen Verlusten ist. Durch die Drehmoment-Geschwindigkeitskurve des verwendeten Werkzeuges kann gezeigt werden, daß cLi vom Drehmomentverhältnis abhängig ist, so daß die Drehmomentabweichung T die angemessene Verbindungsstelleneigenschaft und T das Produkt der Winkelabweichung oC

OS OS

und dem Drehmomentverhältnis TR ist. --^

Die Elastizitätsgrenze 20 liegt an einem Punkt, über welchen hinaus eine Erholung von der Streckung nach der Entlastung nicht

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eintritt, wobei der Punkt am oberen Ende des Endspannungsb« reiches 18 liegt, wie dies aus der klassischen Mechanik hin länglich bekannt ist. Irgendwo im Streckbereich 22 beginnt sich der Bolzen mehr plastisch zu verformen als elastisch. Wie bereits oben erwähnt, definiert man normalerweise die Streckgrenze im Bereich einer Streckung von 0,1 bis 0,2 %, wobei es sich um eine etwas willkürliche Festlegung handelt. Die Proportionalitätsgrenze tritt im wesentlichen unterhalb der Streckgrenze 20 ein und liegt dort vor, wo das Belastung Streckungsverhältnis nicht mehr konstant ist.

Zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zui Drehmomentsteuerung müssen FR.,, FR-, ^T s ^{und andere} Parameter bestimmt werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Dies wird zweckmäßigerweise durchgeführt, indem man eine relativ große Zahl von Probestücken der Befestigungselemente auswählt, die schließlich durch das erfindungsgemäße Verfahren an gezogen werden sollen, worauf man empirisch die Werte in dem Labor bestimmt. Es zeigt sich, daß normalerweise die Streuunge; für FR.. und entweder FRp oder r, dem Verhältnis von FR-/FR., recht klein ist. Bei neuen Schrauben ist FR- normalerweise 5 bis 15 % höher als FR,.. Bei Befestigungselementen, die bereits vorher angezogen worden sind, liegt FR^ normalerweise ganz in der Nähe von FR-. Hieraus kann man den Schluß ziehen, daß der Unterschied zwischen FR^ und FR- mit der Mikroplastizität der Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen den anliegenden Flächen der Verbindungsstelle in Zusammenhang steht. Wie bei allen Drehmomentmessungen sind die Streuungen für T wesentlich größer. Vorteilhafterweise ist die Korrektur der Drehmomentabweichung normalerweise sehr gering, so daß die fehlende Übereinstimmung eine geringe Auswirkung auf die Endspannungswerte besitzt. Eine Ausnahme liegt bei den Befestigungsele- " menten mit einer sogenannten "Kiemmutter" vor, bei welchen normalerweise der Bolzen oder die Mutter Gewindegänge besitzen, die aus verschiedenen Gründen bewußt deformiert sind.

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BOEHMI-RT Ä UOEHMEKT

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Eine andere Ausnahme liegt in dem Einsatz eines Bolzens oder einer Mutter vor, bei welchen die Gewindegänge ungewollt deformiert sind. In derartigen Situationen sollte der Normalwert von T um das gemessene "Freispiel"-Drehmoment erhöht werden.

Allgemein gesprochen, liegt die erfindungsgemäße Technik dari periodisch oder kontinuierlich das auf das Befestigungselemen paar übertragene Drehmoment und den Winkelvorschub entspreche dem ermittelten Drehmoment zu bestimmen, die Spannung zumindest in einem Punkt 24 zu ermitteln, einen Wert für einen Anziehparameter zu kalkulieren, der ausreicht, um den gewünschten Endspannungswert F_n zu erzielen und Signale auf ein Werkzeug zu übertragen, welches das Befestigungselementenpaar weiterdreht.bis der Anziehungsparameter erreicht ist.

Während der Untersuchungen der Drehmoment-Spannungs-Winkelbeziehungen wurde festgestellt, daß die Umkehr des Verhältnisses in bezug auf den Winkel des Logarithmus des Drehmomentes theoretisch ein Maß für die Spannung unabhängig von der Reibung der Verbindungsstelle ist. Man kann daher definieren

P - d LOG T (2)

F α —-—, (L>uC (3)

Dabei ist oC der Winkel, bei welchem ρ einen Maximalwert einnimmt und als Ausgangspunkt für das Mutternausschlagsverfahren dienen könnten, wobei der Einfluß der Reibung an der Verbindungsstelle vollständig eliminiert wird. In der Praxj.s ist" es schwierig, einen einzelnen sinnvollen Spitzenwert zu bestimmen, der als cC markiert werden kann, wegen des Geräusches in dem tatsächlichen Drehmoment-Winkelsignal. Obwohl

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UOIiHMEKT & UOEHMIiRT

das in der Gleichung (2) ausgedrückte Konzept gültig ist, muß ein anderes Verfahren zur Verarbeitung der Drehmoment-Winkelwerte eingesetzt werden, um eine praktische Lösung zu erzielen. Wie dem Fachmann einleuchtet, kann die Lösung eher analog als digital sein, wie nachfolgend noch beschrieben wird, Die theoretische Basis für die Gleichung (2) kann wie folgt von der Gleichung (1) abgeleitet werden:

^T - ⁽Vh^+fth^rth^{)F (1)}

die Differentialgleichung (1) nach dem Winkel

dT = (f. r. +f.. r.. ) dF

-T-r η η tn th -r-j _{t Λ Λ}

döC dc6 14/

dividiert man die Gleichung (4) durch die
Gleichung (1), so erhält man

dF/doO F (5)

da dT/T die Definition von d log T ist, gilt,

= d LOG T (6)

döö' ^{das Verbindun}9^ssteliensP^annun9^sver~
hältnis eine Konstante ist, gilt,

F=(d_F) (d LOG T)""¹ » FR/P (7)

dct dZ

die Gleichung (7) zeigt, daß die Konstante der Proportionalität in Gleichung (3) das Spannungsverhältnis FR ist.

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UOEHMEKT & BOEHIS'

Bei der obigen Ableitung sind verschiedene Annahmen gemacht worden:

1. Das Spannungsverhältnis ist eine Konstante. Dies trifft nicht genau über den gesamten Anziehungsbereich zu. Eine genauere Annahme würde sein, daß die Spannung bei jedem Vorschubwinkel nach dem ursprünglichen Winkel, bei welchem das Spannungsverhältnis beginnt, eine eindeutige Funktion der Verbindung ist, so daß dementsprechend das Spannungsverhältnis bei jedem Winkel nach dem ursprünglichen Winkel eine eindeutige Funktion der Verbindungsstelle ist.

2. Das Drehmoment ist keine Funktion der Drehgeschwindigkeit. Dies trifft nicht unbedingt zu und für eine genaue Anwendung sollte diesem Rechnung getragen werden.

3. Die Reibung an der Verbindungsstelle (f. f..) ist nicht für jedes Probenstück belastungsabhängig. Dies ist eine gute Annahme, ausgenommen die Verwendung nichtmetallischer Überzüge (Molybdän Disulfid, Teflon usw.). Doch auch im Fall nicht-metallischer Überzüge dürften Veränderungen in einem endlichen Spannungsbereich gering sein.

Zweckmäßigerweise kann die erfindungsgemäße Anziehtechnik als logarithmisches Beaufschlagungsverfahren bezeichnet werden.

Die Bedeutung der Gleichungen (5) und (7) soll anschließend gewürdigt werden. Im Labor wurde nachgewiesen, daß der Wert für das Spannungsverhältnis dF/dc6 eine Funktion der Verbindungsstelle ist, mit geringen Streuungen und unabhänig von der Reibung. Das Drehmomentverhältnis dT/ adb Rann aus Drehmoment- und Winkelmessungen bestimmt werden, die während des Anziehens eines jeden Befestigungselementenpaares mit geeigneten Drehmoment-

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BOKHMERT & ßOEHMEKT-

und Winkelmeßgeräten an dem Andehwerkzeug durchgeführt werden. Der Drehmomentwert T wird natürlich durch den gleichen Drehmomentmeßwertumsetzer bestimmt. Dementsprechend leuchtet ein, daß die von der Reibung abhängigen Parameter, d. h. das Drehmomentverhältnis und das Drehmoment für jedes Befestigungselement während des Anziehens bestimmt werden, welches hier definiert ist als Zeit, die mit dem Andrehen beginnt und mit dem Abschluß des Anziehens endet. Da das Spannungsverhältnis dF/dpo eine Funktion der Verbindungsstelle ist, die empirisch vor dem Anziehen der Befestigungselemente bestimmt wird, ist die Gleichung (5) für die Spannung leicht zu lösen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann angenommen werden, daß die Befestigungselemente miteinander verschraubt werden, wobei Messungen sowohl des Drehmomentes als auch des Winkels durchgeführt werden, wenn das Anziehen bis zum Punkt 24 erfolgt. Das durchschnittliche Drehmomentverhältnis TR wird berechnet, beispielsweise durch die Methode der kleinsten Quadrate. Da das Spannungsverhältnis FR.. aus den empirischen Messungen der fraglichen Verbindungsstelle bekannt ist, kann die Spannung in der Verbindungsstelle im Punkt 24 aus der Gleichung (5) bestimmt werden. Grafisch kann der Winkel, der erforderlich ist, um die Befestigungselemente von dem in Punkt 24 berechneten Spannungswert bis zum gewünschten Endspannungswert F_D zu drehen, leicht bestimmt werden, da das Spannungsverhältnis FR-in ähnlicher Weise empirisch bestimmt worden ist. Nach der Bestimmung des zusätzlichen Winkels ob ,. . kann ein Signal auf das Werkzeug übertragen werden, um die Befestigungselemente weiterzudrehen und hierbei den gewünschten Endspannungswert. F_D einzustellen. In einer ähnlichen Weise kann das zusätzliche Drehmoment ΛT oder das angestrebte Enddrehmoment T berechnet werden.

Es bestehen erhebliche Schwierigkeiten, diese Prinzipien auf den Produktionsbetrieb anzuwenden. Es leuchtet ein, daß die

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BOEHMEKT &

durchgeführten Berechnungen während des Anziehvorganges erfolgt sind. Es ist klar, daß die Zeitdauer des Anziehens so gering wie möglich gehalten werden sollte, soweit sich dies in der Praxis mit der Erzielung gleichmäßiger Ergebnisse vereinbaren läßt. In jedem Fall leuchtet ein, daß lange Anziehzeiten, z. B. zwei Minuten, diese Technik für viele Betriebe ungeeignet machen, obwohl für bestimmte Zwecke Einsatzmöglichkeiten verbleiben, wie beispielsweise bei der Herstellung von Reaktorbehältern, Flugzeugen und ähnlichem, wo die Präzision an erster Stelle steht. Es ist dementsprechend offensichtlich, daß der Einsatz elektronischer Berechnungstechniken zur Verarbeitung der Daten, die man von den während des Abziehens durchgeführten Messungen erhält, sehr erstrebenswert ist. Auch beim Einsatz elektronischer Berechnungstechniken ist es erstrebenswert, die Befestigungselemente zunächst in einem gewissen Maße anzuziehen, dann den Anziehvorgang kurzzeitig zu unterbrechen und schließlich das Anziehen bis zu dem gewünschten Spannungsendwert durchzuführen. Das kurzzeitige Einhalten gewährleistet einen hinreichenden Zeitraum, um die langen Berechnungen zu vervollständigen und führt zu dem weiteren Vorteil, daß die Verbindungstelle sich in diesem Punkt erholen kann, statt an dem erreichten Endspannungswert. Wie nachfolgend noch deutlicher wird, werden viele Berechnungen durchgeführt während das Werkzeug läuft, wie auch während das Werkzeug für einen kurzen Augenblick angehalten wird. Es leuchtet jedoch auch ein, daß vereinfachte Berechnungen eingesetzt werden können, womit die Notwendigkeit für eine kurzzeitige Pause innerhalb des Anziehvorganges sich erübrigt.

Im einzelnen können die folgenden Schritte unternommen werden, um eine gleichmäßige Bolzenspannung zu erzielen unter Verwendung eines beeinflußbaren Werkzeuges, ausgerüstet zur Messung der Information bezüglich des Drehmomentes und des_Je/inkels, nachdem bestimmte empirische Informationen aufgenommen worden sind:

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BOIiHMERT & UUEHMEHT.

1. Ergreifen der Befestigungselemente, Anfahren des Werkzeuges und Registrieren des Drehmomentes bei gleichem Winkelzuwachs.

2. Einhalten des Werkzeuges in einem Spannungsbereich von 0,4 bis 0,5 der Elastitzitätsgrenze. Ein Mutternausschlagsverfahren kann eingesetzt werden, um das Abschalten des Werkzeuges zu bestimmen, oder es kann auch hierfür ein vereinfachtes logarithmisches Beaufschlagungsverfahren Anwendung finden.

3. Kalkulieren des Drehmoment-Verhältnisses von den Drehmoment- und Winkelmessungen durch eine geeignete Glättungstechnik z. B. kleinste Quadrate. Berechnung des Drehmoments im Mittelpunkt des Bereiches, von welchem das Drehmomentverhältnis berechnet wurde, in dem der Durchschnitt des Drehmomentwertes über diesen Bereich gebildet wird. Dementsprechend wird die Überschneidung des durchschnittlichen Drehmomentverhältnisses mit der Winkelachse bestimmt. Da die Drehmomentverschiebung T im wesentlichen eine Funktion der Verbindungsstelle ist, wird die Überschneidung der Spannungskurve mit der Winkelachse ermittelt.

4. Die Spannungskurve ist dann eine gerade Linie,ausgehend von dem Ursprung oder der Überschneidung, wie sie oben unter 3 bestimmt wurde, mit der ursprünglichen Steigung FR^. Dies gilt bis etwa 0,5 der Elastizitätsgrenze, in welchem Punkt die Spannungskurve eine Steigung von FR_? besitzt. Die Stelle des Bogens in der Spannungs-Winkel- kurve wird empirisch bestimmt, wenn man die Werte für FR₁, FR₂ und T_qs ermittelt.

5. Bestimmung des Spannungswertes,der innerhalb der Be-_-

festigungselemente an einer bestimmten Stelle, beispielsweise dem Punkt 24 vorliegt. Nach Vorliegen des Spannungs-

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MOPHMERT & BOEHMERr

273559/Γ

wertes im Punkt 24 wird der zusätzliche Winkel ^c- ι oder die zusätzliche Drehmomentdifferenz Λ Τ berechnet, die erforderlich sind, um die Befestigungselemente bis zum angestrebten Endspannungswert F_D anzuziehen.

6. Übertragung von Signalen auf das Werkzeug zur Wiederaufnahme des Anziehvorganges, wobei die Befestigungselemente über den WinkeloO_f. ,, oder um das erhöhte Drehmoment Δί weiterbewegt werden.

Aus Diskussionsgründen kann die Arbeitsweise nach der erfingunsgemäßen Technik in vier Abschnitte unterteilt werden: (1) Bestimmung des Mittelhaltes, (2) Berechnung des Drehmomentverhältnisses und den Winkel der Ursprungsspannung, (3) Berechnung des Parameters für das endgültige Einhalten einschließlich einer Voraussage für ein Überdrehen des Werkzeuges und (4) Bestimmung des Eintretens einer Streckung und Berechnung des Endspannungswertes für den Fall, daß eine Streckung vor der Erreichung des Parameters für das endgütlige Einhalten erfolgt.

Der Zweck der Bestimmung des mittleren Haltepunktes für die anzuziehende Verbindungsstelle in bezug auf eine Winkelstellung, die dem Knick in der Spannungs-Winkelkurve entspricht, wird nachfolgend noch näher erläutert. Um den mittleren Haltepunkt zu erhalten, kann man ein Drehmomentverfahren, ein Mutternausschlagsverfahren, oder auch ein logarithmisches Beaufschlagungsverfahren einsetzen. Verwendet man zur Erläuterung das Mutternausschlagsverfahren, so liegt eine Technik zur Erreichung des mittleren Punktes darin, den durchschnittlichen Winkel unterhalb des Paßdrehmomentes zu bestimmen, bei welchem ein vorbestimmter Spannungswert, beispielsweise mindestens etwa 0,4 der Streckgrenze vorliegt. Beim Einsatz sollte-Üie Werkzeugüberdrehung in Betracht gezogen werden. Wenn beispielsweise die empirischen Bestimmungen zeigen, daß O, 4 der

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& ü()KHM«^;u'^r

ta

Streckfestigkeit eintritt, im Durchschnitt bei 45° nach 0,3 mkp und man ermittelt einen Durchschnitt von 8 Überdrehung, so sollte das Werkzeug bei 37 nach 0,3 mkp abgeschaltet werden, damit man an dem mittleren Punkt ankommt.

Die Bestimmung des mittleren Haltepunktes ist von einiger Bedeutung, wie sich aus einer Betrachtung der Fig. 1 ergibt. Wie bereits erwähnt wurde, soll das durchschnittliche Drehmomentverhäl tnis TR berechnet werden. Wenn der mittlere Haltepunkt beispielsweise im unteren Teil des Bereiches 16 liegt, wird das durchschnittliche Drehmomentverhältnis wesentlich zu niedrig sein. Wenn der mittlere Haltepunkt zu spät liegt und weit in den Bereich 18, treten zwei Schwierigkeiten auf: (1) Das berechnete durchschnittliche Drehmomentverhältnis TR kann wesentlich zu hoch sein, obwohl einige Berechnungen durchgeführt werden können, die einige der letzteren Werte außer Betracht lassen, um den Bereich zu wechseln, in welchem die Berechnungen des Drehmomentverhältnisses durchgeführt werden und (2) kann kein oder nur wenig zusätzlicher Raum verfügbar sein, um den Anziehvorgang bis zum angestrebten Endspannungswert durchzuführen, unter Inbetrachtziehung der Überdrehung des Werkzeuges.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird das Werkzeug am Punkt 30 abgeschaltet, der sich c6. Grad über dem Punkt 26 befindet, bei welchem der Drehmomentwert T^ zum erstenmal erreicht oder überschritten wurde. Wegen der Zeitverzögerung des Werkzeuges von dem Abschalten bis zumeigentlichen Einhalten, welches durch den Punkt 32 dargestellt wird, führt das Werkzeug eine Überrdrehung um einen Winkel <ζ< durch. Der mittlere Haltepunkt 32 fällt normalerweise in den Bereich von etwa 0,4 bis 0,6 der Elastizitätsgrenze. Für jeden Fall der Anwendung wird durch die empirisch bestimmten Werte der mittlere Haltepunkt 32 für · einen bestimmten Bruchteil der Elastizitätsgrenze festgelegt, der sich nicht ändert, bis neue empirische Daten entwickelt werden, wie beispielsweise dann, wenn ein anderes Befestigungs-

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IK)IiHMIiKT & IK)UHMl"¹

273559a"

element ausgewählt wird.

Um das durchschnittliche Drehmomentverhältnis TR zu berechnen, muß eine Entscheidung getroffen werden, welche Drehmoment- und Winkelmessungen Verwendung finden sollen. Es hat sich gezeigt, daß der Drehmomentwert am Haltepunkt 32 ingewisser Weise unverläßlich ist, infolge der geschwindigkeitsabhänqigen Variablen. Dementsprechend liegt der höchste Drehmomentwert, der in der Drehmomentverhältnisrechnung eingesetzt wird, an dem Punkt 34, welcher vom Punkt 32 um /ScL zurückliegt. Der Drehmomentwert im Punkt 34 ist T... Die Gesamtzahl der Werte, die in den Drehmomentverhältnisrechnungen verwendet werden und die allgemein mit η bezeichnet wird, kann in großem Maße schwanken und Kompromißgegenstand sein. Eine Gesamtzahl von vierzehn aufeinanderfolgenden Punkten mit dem Punkt 34 als höchstem Drehmomentwert hat sich als akzeptabel erwiesen. Das mittlere Drehmoment T und das durchschnittliche Dreh-

momentverhältnis TR werden dann unter Verwendung der folgenden Summengleichungen bestimmt, wobei i eine Bezeichnung für jeden Punkt ist, der für die Drehmomentverhältnisberechnungen ausgewählt wurde und T. den dort ermittelten Drehmomentwert darstellt:

Tm = 2 " ^Ti

TR = -6 " (n+l-2i)Ti

(ΔΛ) η (n + 1) (n-1)

(9)

Nach der Gleichung (B) werden lediglich die Drehmomentwerte, die an jedem der Punkte, die auftreten, addiert,und diese Summe durch die Gesamtzahl der Punkte η dividiert. Die Gleichung (9) erfüllt die kleinsten Quadrate für die Punkte i

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BOEHMLHT &

Es soll sichergestellt werden, daß das mittlere Drehmoment

T und das durchschnittliche Drehmomentverhältnis TR über m

den im wesentlichen gleichen Spannungsbereich genommen werden während des Anziehens eines jeden Befestigungselementenpaares. Dies kann durchgeführt werden, indem man überprüft, wie dicht die Winkelposition des Haltepunktes 32 an dem Knick der Spannungs-Winkelkurve 12 liegt. Die Winkelposition des durchschnittlichen Drehmomentes T entlang einer Abszisse T kann

m os

nach der folgenden Gleichung berechnet werden;

^F ^{= T}m ~ ¹OS . .. oC > O (10)

TR

Der Winkelabstand von dem Ausgangspun-kt der Spannungskurve zum Haltepunkt 32 kann von den effektiven Werten berechnet werden, die von dem anzuziehenden Befestigungselement abgeleitet werden, entsprechend der Gleichung:

^ . . = - ^α /\öC(n + l) -<<>_, dabei gilt ⁰^ . . /_ O (11) origin -~ *-*""* F ^y origin

Für Berechnungszwecke sollte <& . . negativ sein. Aus der empirisch bestimmten Information, die vor dem Anziehen der Produktionsbefestxgungselemente ermittelt wird, kann der Beginn des zweiten Spannungsbereiches nach der folgenden Gleichung berechnet werden:

" dabei gilt *_F >_{0 (12)}

dabei ist F_M der Spannungwert an der Knickstelle. Der Unterschied zwischen ⁰^ _oct « und <& kann über die folgende Gleichung erhalten werden: ■ ~~ '

origin F (13)

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IKU-HMURI'&

Wenn X /_ O, so bedeutet dies, daß der mittlere Haltepunkt 12 zu spät liegt und daß dementsprechend der größte Drehmomentwert T-, in den Drehmomentverhältnisberechnungen zu groß ist. Ohne daß der Wert für TR revidiert wird, wird TR zu hoch liegen, wie oben diskutiert wurde. Dementsprechend ist es erforderlich, den Dereich der Drehmomentverhältnisberechnungen auf der in Fig. 2 dargestellten Drehmoment-Winkelkurve nach unten zu legen. Somit gilt

n_H-

η._χ= η (15)

Von dem Haltepunkt 32 geht man abwärts entlang der Drehmoment-Winkelkurve, um n_H Winkelschritte von Δ oO , um einen neuen Punkt 35 als obere Grenze des Bereiches zu bestimmen, durch welchen das Drehmomentverhältnis berechnet wird. Das Symbol 4-bedeutet, daß jeder Bruchteilwert fallengelassen wird, so daß die verwendete Zahl die nächst-niedrige ganze Zahl von dem berechneten Wert ist. Die Gesamtzahl der Datenpunkte η bleibt die gleiche.

Wenn X^O,bedeutet dies, daß der Haltepunkt 32 zu früh eingetreten ist, was dazu neigt, daß der Wert für das Drehmomentverhältnis zu gering ist. Da man nicht auf der Drehmoment-Winkelkurve nach oben gehen kann, um einen zusätzlichen Bereich für die Messung zu erhalten, liegt die praktische Lösung darin, weniger Datenpunkte für die Drehmomentverhältnisberechnungen anzunehmen, wodurch praktisch das untere Knde des Bereiches abgeschnitten wird. Dementsprechend gilt

n_H1 =1 (16)

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Bi)IiHMHKT & IKJEHMIiK Γ

^ηι ■

Dabei zeigt n„ den Punkt oder die Stelle an, wo der größte Drehmomentwert, der in den Drehmomentverhältnisberechnungen verwendet wird, vorliegt, Da der größte Drehmomentwert der gleiche bleibt η = I, so daß das Drehmoment T-., das um /\oi von dem Haltepunkt 32 entfernt ist, der größte verwendete Ürehmomentwert ist. Der neue Wert für n.., bei welchem es sich um die Gesamtzahl der verwendeten Datenpunkte handelt, beruht auf der Annahme, daß das Spannungsverhältnis in dem ersten Bereich im wesentlichen linear oberhalb eines minimalen Spannungswertes F ist, welcher empirisch bestimmt ist, während die Spannung F in der Verbindungsstelle an dem Haltepunkt 32 in dem ersten Spannungsbereich liegt. Das Symbol /\ F ist dir. zusätzliche Spannung in dem Spannungsbereich pro Winkelzuwachs Δοί und kann mathematisch ausgedrückt werden durch:

AF = FK₁^Ot (18)

Die Spannung F in der Verbindungsstelle am Haltepunkt 32 ist

Es ist denkbar, daß n_T zu klein sein kann, z. ü. zwei oder drei Punkte, um zu guten Ergebnissen mit der Gleichung der kleinsten Quadrate (12) zu führen. Dementsprechend wird eine Feststellung getroffen, um zu bestimmen, ob η geringer ist als die Hälfte von n. In diesem Fall gilt

n,- +< ^Fo-^FL)

AF (2O)-

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wobei η_? als Gesamtzahl der Punkte eingesetzt wird.

Es wird dementsprechend eine neue Summierung für das mittlere

Drehmoment T und das Drehmomentverhältnis TR entsprechend m

den Gleichungen (8) und (9) durchgeführt unter Verwendung einer neuen Ausgangsstelle für den Fall, daß X >_ O, oder man beginnt mit dem gleichen höchsten Drehmomentwert, jedoch unter Verwendung einer geringeren Zahl von Punkten für den Fall, daß X<0.

Mit den revidierten Werten für das mittlere Drehmoment T und

das Drehmomentverhältnis TR kann man einen revidierten Wert für den Ausgangswinkel der Drehmoment-Winkelkurve unter Verwendung der Gleichung (10) erhalten und für den Ausgangspunkt der Spannungs-Winkelkurve kann man einen revidierten Wert durch die Gleichung (11) erhalten. Es wird wieder eine Berechnung durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Werkzeug den Knick in der Spannungskurve über- oder unterdreht hat, in Übereinstimmung mit den Gleichungen (12) und (13). Wenn X_> 0, kann die in der Verbindungsstelle im Haltepunkt 32 vorliegende Spannung kalkuliert werden:

F_o = FM + TFR₁ χ (21)

dabei ist F der empirisch bestimmte Spannungswert an der Knickstelle der Spannungskurve und r ist das Verhältnis von von FRp/FR^. Wenn X<0,erhält man die in der Verbindungsstelle am Haltepunkt 32 vorliegende Spannung nach der Gleichung (1.9).

Es leuchtet ein, daß die Werte für das mittlere Drehmoment T ,

das Drehmomentverhältnis TR, ⁰^₀ , oO . . und ähnliches so

F origin

oft revidiert werden können, wie dies erstrebenswert erscheint.

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BOEHMERT & LU)EHMERT

Einer der Nachteile der bislang beschriebenen Technik liegt in der Annahme, daß das empirisch bestimmte Spannungsverhältnis FR,, die elastischen Eigenschaften des Befestigungselementes, das gerade angezogen wird, genau beschreibt. Für Verbindungen guter Qualität verändert sich das Spannungsverhältnis FR^ nicht sehr stark. Es gibt jedoch eine Anzahl von verhältnismäßig häufigen Situationen, wie z. B. klemmende Gewindegänge, schlecht ausgerichtete Befestigungselemente* schlechte Kontaktflächen, Schmutz oder andere Fremdpartikel zwischen den Kontaktflächen und ähnliches, wo das tatsächliche Spannungsverhältnis der anzuziehenden Befestigungselemente wesentlich unterhalb des empirisch bestimmten Spannungsverhältnisses FR₁ liegt. Bei solchen Verbindungsstellen schlechter Qualität liegt der tatsächliche Endspannungswert beträchtlich unter dem angestrebten Spannungswert F_ß und beträchtlich unter dem berechneten Spannungsendwert F,. ..Um die Bedeutung derartiger Verbindungsstellen schlechter Qualität zu bestimmen, wurden zwei 8 mm-Schrauben und Muttern der SAE-Qualität 8 mit einer Abstandsscheibe abgezogen, die 0,38 mm dick war und von einem Ende aufgesteckt wurde, um einen schlechten Kontakt infolge mangelnder Ausrichtung zu simulieren. Der angestrebte Endspannungswert F_D war 2 494 kp. Der tatsächlich gemessene Endspannungswert lag bei 1 089 kp und 771 kp für die beiden Befestigungselemente, wodurch sich eine prozentuale Abweichung von -56 % und -69 % von dem gewünschten Wert ergab. Es leuchtet dementsprechend ein, daß das Auftreten von Verbindungsstellen mit einer derart schlechten Qualität einen wesentlichen Einf/luß auf die Streuung für die gemäß der erfindungsgemäßen Technik angezogenen Befestigungselemente besitzt. Es ist in gleicher Weise offensichtlich, bei näherer Betrachtung, daß Verbindungsstellen derart schlechter Qualität eine gleiche Auswirkung auf die Streuung für Befestigungselemente besitzen, die durch ein Mutternausschlagsverfajwren angezogen worden sind.

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Es hat sich gezeigt, daß Verbindungsstellen schlechter Qualität, die ein abnorm niedriges Spannungsverhältnis besitzen, leicht durch die Werte ermittelt werden können, die im Laufe des Anziehens eines Befestigungselementenpaares gemäß der Erfindung entwickelt worden sind. In derartigen Verbindungsstellen schlechter Qualität ist das Drehmomentverhältnis im oberen Teil des Bereiches 16 nicht konstant, wo das durchschnittliche Drehmomentverhältnis TR berechnet wird, im Gegensatz zu der Darstellung gemäß Fig. 2. Statt dessen ist die Drehmomentkurve gekrümmt und beim Auftrag nach oben konkav. Somit ist es eine verhältnismäßig einfache Angelegenheit, zunächst zu messen oder zu berechnen und dann die durchschnittlichen Drehmomentverhältnisse in dem oberen und unteren Teil des Bereiches zu vergleichen, in welchem das Drehmomentverhältnis TR berechnet ist. Z. B. würde in einer Situation, in welcher dreizehn Datenpunkte Verwendung finden, um TR zu berechnen, wobei der Punkt 34 den höchsten verwendeten Drehmomentwert besitzt, das Drehmomentverhältnis TR über einen Winkel

von sechs ΔοΟ Schritten zurück von dem Punkt 34 kalkuliert. Die Berechnungen können natürlich nach der Zweipunkte- oder dem kleinsten Quadratverfahren erfolgen. Als nächstes wird das Drehmomentverhältnis TR, über einen Winkel, beginnend mit sechsÄoCSchritten rückwärts von dem Punkt 34 und endend zwölf Schritte rückwärts von dem Punkt 34,mittels des Zwei-Punkteverfahrens oder nach der Technik der kleinsten Quadrate berechnet. Dann wird das Verhältnis von TR /TR. berechnet. Wenn das Verhältnis TR /TR. in der Nähe von 1, d. h. 1 - 0,10 liegt, schließt man, daß die Verbindungsstelle ein annehmbares Spannungsverhältnis besitzt. Wenn das Verhältnis von TR /TR beträchtlich von 1 abweicht, d. h. TR_a/TR_fa ;> 1,10, schließt man, daß die Verbindungsstelle ein abnorm niedriges Spannungsverhältnis FR.. besitzt und wenn ein Anziehen nach dem erfindungs gemäßen Verfahren oder nach dem Mutternausschlagsverfahoen erfolgt, sich eine Befestigung ergibt, die wesentlich unterhalb des gewünschten Spannungswertes F belastet ist. Ein entsprechen des Signal im Bereich der Bedienungsperson kann dies anzeigen,

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worauf die Verbindungsstelle verworfen wird und die Teile ersetzt werden.

Es leuchtet nun ein, daß die Stelle 32 der kalkulierten Spannung F innerhalb der Verbindungsstelle dem Punkt 24 entspricht, der in der etwas verallgemeinerten Darstellung der Fig. 1 gezeigt ist. Die einzige noch durchzuführende Bestimmung ist der zusätzliche Winkel ⁰^ _f · ■, oder das zusätzliche Drehmoment </\ T, das erforderlich ist, um den angestrebten Endspannungswert F_D zu erzielen. Verglichen mit den Verfahren, die eingesetzt werden, um fortlaufend verläßliche Werte für das Drehmomentverhältnis TR und den Winkel der ursprünglichen Spannung sicherzustellen, sind diese Berechnungen relativ einfach.

Ein Anziehparameter, der ausgewählt werden kann, um den angestrebten Endspannungswert F_ zu erreichen, ist der zusätzliche Winkel *C_final.

wenn χ > 0, <£*.„,, = D~

final _TFW— ₍₂₂₎

χ 0, *C_final = -x ₊-^ (F_D-F_M) (23)

_D-F_M

F , erhält man natürlich aus den Gleichungen (19) oder (21), während F„ der Spannungswert an dem Knick in der Spannungswinkelkurve ist, welcher empirisch bestimmt wird.

Es leuchtet ein, daß das Werkzeug um einen Winkel drehte, wenn es an dem Punkt 32 einhielt. Es leuchtet gleichermaßen ein, daß auch ein gewisses Überdrehen des Werkzeuges eintreten wird, wenn der angestrebte Endspannungswert F erreicht wird. Eine typische Drehmoment-Geschwindigkeitskur_ye für ein preßluftgetriebenes Werkzeug ist in Fig. 3 dargestellt. Da sich das Werkzeug im Laufe des Anziehvorgangs verlangsamt, ist klar, daß die Werkzeugüberdrehung beim Erreichen des ange-

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strebten Endpannungswertes F geringer ist als die Überdrehung bei Erreichung des Punktes 32. Definiert man

— T —T

CL — O 4 Q , /1ΛΝ

a - - <3oG (24)

TR

wobei T. der Drehmomentwert im Punkt 30 ist, in welchem der ursprüngliche Haltebefehl gegeben wurde, vor Erreichung des Haltepunktes 32 und T das Überlastungsdrehmoment des Werkzeuges, TR das berechnete Drehmomentverhältnis und ^q^ die qemessene Winkelüberdrehung bei Annäherung an den Punkt 32 darstellt. Die erwartete Werkzeugüberdrehung bei Erreichung des angestrebten Endspannungswertes F ist:

(1 - ) (25)

oca

Es hat sich gezeigt, d^ß eine typische Verbindungsstelle sich erholt, d. h. die Spannung vermindert sich, ohne daß die Befestigungselemente losgeschraubt werden, am mittleren Haltepunkt 32 und/oder am Ende des Anziehens. Wenn die Befestigungselemente kontinuierlich angezogen wurden, d. h. ohne einen mittleren Haltepunkt, kann die Erholung am Endpunkt des Anziehens beträchtlich sein, während bei einem mittleren Haltepunkt die Erholung am Endpunkt des Anziehens sehr gering ist. Bei einer Unterbrechung am mittleren Haltepunkt 32 tritt die wesentliche Verbindungsstellenentspannung vor der Wiederaufnahme des Anziehvorganges ein. Somit führt das Einhalten an dem mittleren Haltepunkt 32 zu einer größeren Gleichmäßigkeit der Endspannung, obwohl dieses Phänomen die Bestimmung des Endwink el abschaltparameters kompliziert.

Wenn sich die Verbindungsstelle an dem mittleren Haltepunkt 32 nicht erholen würde, würde auf das Werkzeug ein Signal übertragen, um einen zusätzlichen Winkel (O₁ . , - ύ<-ο über

finnl

den mittleren Haltepunkt 32 hinauszugehen, wo der endgültige

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BOEHMERT & IU)EHMERP

Haltebefehl gegeben wird. Wie in Fig. 1 dargestellt ist,

tritt der endgültige Haltebefehl etwa in dem Punkt 36 auf,

wodurch das Werkzeug zum Anziehen des Befestigungselementen-

paares um einen Winkel do6 überdreht, bis es an dem angestrebten Endspannungswert F anhält.

Das Phänomen der Verbindungsstellenerholung ist in Fig. 4 dargestellt, in welcher die Kurve 38 die Spannungs-Winkelbeziehung während des kontinuierlichen Anziehens bis zu einer Stelle 40 unterhalb der Elastizitätsgrenze des Befestigungselementes darstellt. Wenn der Anziehvorgang eingehalten wird, erholt sich die VerbindungsstelIe,wie durch das Absinken der Spannung entlang einer Linie konstanten Winkels 42 dargestellt ist. Die En'spannung innerhalb des Befestigungselementes liegt dementsprechend im Punkt 44.· Ein typischer Wert für die Verbindungsstellenerholung entlang der Linie 42 ist 7 % der Verbindungsstellenspannung innerhalb von 21 Stunden.

In Fig. 5 stellt die Kurve 46 die Spannungs-Winkelbeziehung während des Anziehens bis zum mittleren Haltepunkt 32 dar. Da die Verbindungsstelle sich erholt, sinkt die Spannung in den Befestigungselementen entlang einer Linie 48 mit konstantem Winkel auf einen Spannungswert im Punkt 50 ab.

Anstatt eines auf das Werkzeug übertragenen Befehls um einen zusätzlichen Winkel 06 _f. .- d<O von dem mittleren Haltepunkt 32 weiterzudrehen, erfolgt ein Befehl, die Befestigungselemente um einen zusätzlichen Winkel cC_{{ i} ,- cbo weiterzudrehen, nachdem das Drehmoment den Wert T erreicht oder überschreitet.

sp

Dabei ist

T_sp = T₃ + TR (£<*/) (26)_-

Es soll hier daran erinnert werden, daß der ürehmomentwert T,

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llOlil IMIiRT & HOE» IMIiKT

im Punkt 34 vorliegt, der um Λίύνοη dem mittleren Haltepunkt 32 zurückliegt. Indem man das Werkzeug weiterdreht, bis das Drehmoment T erreicht oder überschreitet, werden die Drehmoment- und Spannungswerte am mittleren Haltpunkt 32 im wesentlichen erzeugt, bevor die Erholung eintritt. Dies ist in Fig. angezeigt, wo mit dem Punkt 52 die Stelle bezeichnet ist, wo das Drehmoment gleich oder größer als T ist. Es wird dann

sp

ein korrektes Anziehen durchgeführt, unabhängig von der in dem Bolzen herrschenden Spannung zu der Zeit, wenn das Werkzeug das Anziehen wieder aufnimmt. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, tritt der endgültige Abschaltbefehl im Punkt 54 ein, wodurch das Werkzeug überdreht, um das Befestigungselementenpaar durch einen Winkel d zu drehen, bis zum Halt bei dem angestrebten Endspannungswert F . Um den wesentlichen Teil der Verbindungsstellenerholung von dem endgültigen Haltepunkt in den mittleren Haltepunkt 32 zu verschieben, liegt der mittlere Haltepunkt bei mindestens O,4 der Streckfestigkeit und zweckmäßigerweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 der Streckfestigkeit. Wenn der mittlere Haltepunkt 32 so angeordnet ist, liegt die typische Verbindungsstellenerholung im endgültigen Haltepunkt im Bereich von 1/2 bis 2 % der endgültigen Bolzenspannung innerhalb einer Stunde. Es sollte damit klar sein, daß diese Größenordnung der Verbindungsstellenerholung die Erholung einer Verbindungsstelle guter Qualität ist und nicht eine Verbindungsstelle, die unter schlecht ausgerichteten Teilen, zusammengedrückten Dichtungsscheiben und ähnlichem leidet.

Ein weiterer Anziehparameter,der ausgewählt werden kann, um den angestrebten Endspannungswert F_n zu erreichen, ist das zusätzliche Drehmoment oder das Enddrehmoment T (Fig. 1). Das endgültige Drehmoment T wird bevorzugt, da die Verbindungsstelle sich am mittleren Haltepunkt 32 erholen kann. Da die Anweisung an das Werkzeug ausgelegt ist, um einen absoluten Drehmomentwert T zu erzielen, wird jede Erholung der Verbindungsstelle selbsttätig berücksichtigt. Wenn man einen drehmomentgesteuerten Abschaltparameter verwendet, wird auch

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ein mögliches Anziehen der Verbindungsstelle am mittleren Haltepunkt ebenfalls automatisch ausgeglichen.

Bei der Verwendung eines drehmomentgesteuerten Abschal tens wurde ein interessantes Phänomen festgestellt, für welches keine einfache Erklärung möglich erscheint. Bei Betrachtung der Fi. 1 stellt man fest, daß, wie erwähnt, das Spannungsverhältnis FR- größer ist als das Spannungsverhältnis FR.» und zwar normalerweise um 5 bis 15 %, im wesentlichen abhängig von dem ausgewählten Wert für F . Hieraus könnte man annehmen, daß das Drehmomentverhältnis im Bereich 10 um einen ähnlichen Betrag größer ist als das Drehmomentverhältnis im Bereich 16. Laboruntersuchungen zeigen an, daß das Drehmomentverhältnis im Bereich 18 typischerweise einen etwas geringeren Anstieg gegenüber dem Drehmomentverhältnis im Bereichl6 zeigt. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Drehmomentverhältnisse in den Bereichen 16 und 18 zu dem Verhältnis der Spannungsverhältnisse FH. und FR„ nahezu konstant iiir einen einzelnen Befestigungselementenpaartyp. Bei den Berechnungen für einen endgültigen Drehmomentabschaltb<?ioh] wird dieser Faktor in Betracht gezogen.

¹MC - '¹OS ⁺ Ι£ FM (27)

₍₂₈₎

Dabei ist T „ ein berechneter Wert für das Drehmoment in dem Knick der Spannungskurve, R ist definiert als TR~/rTR, TR- ist das Drehmomentverhältnis im Bereich 18, TR ist das Drehmomentverhältnis im Bereich 16 und r ist das Verhältnis von FR-ZFR₁.

In dom Fall der winkel gesteuerten Endabschaltberechnunyen überdreht das Werkzeug, nachdem der Endabschaltbefehl gegeben ist. Man def iniert:

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UUEMMEKT & BOEl IMERT

6ο ^273559Α

T = TR (£οθ) (29)

Ta- To-T₄- T, dann ist (30)

dT = T ( ^To"^TD)

Ta (31)

Nachdem das Anziehen wieder aufgenommen worden ist, wird der endgültige Abschaltbefehl gegeben, wenn das Drehmoment T > T_D - dT ist. Wie die Fig. 1 zeigt, tritt der endgültige Abschaltbefehl ein etwa im Punkt 36, wodurch die Werkzeugüberdrehung sich fortsetzt, um das Befestigungselementenpaar um ein zusätzliches Drehmoment dT anzuziehen, bis ein Einhalten am angestrebten Endspannungswert F_n erfolgt.

Es leuchtet ein, daß ein Anziehen eines Befestigungsäementenpaares bestimmt werden kann, entsprechend der berechneten Spannung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren abgeleitet ist. Aufgrund einer Analyse leuchtet ein, daß das Abschließen des Anziehungsvorganges entsprechend der berechneten Spannung tatsächlich das gleiche ist, als ein Beenden des Anziehvorganges entsprechend entweder dem Winkel oder dem Drehmoment in Abhängigkeit davon, wie die Berechnungen der Spannung durchgeführt werden.

Es leuchtet ebenfalls ein, daß das Anziehen entsprechend einer Kombination von Drehmoment und Winkel abgeschlossen werden kann, beispielsweise einer linearen Kombination von Drehmoment und Winkel. Nimmt man an, daß jemand gleichmäßig den berechneten Vorschub von den Drehmoment-und Winkelberechnungen abwägen will, gilt die folgende Gleichung:

F_n = Fo + l/2rFR_a

— T

•i_flnal ♦ "P. VI (32)

— TR₂

Dabei ist F der berechnete Spannungswert im mittleren Haltepunkt 32, der nach den Gleichungen (19) oder (21) berechnet

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BOEUMIiRr &

: ob X / 0 oder X > O. T i:

werden kann, in Abhängigkeit ob X ^ O oder X > O. T ist das im mittleren Haltepunkt 32 berechnete Drehmoment, das nach der Gleichung(26) bestimmt werden kann. Die Berechnungen für eO , hängen davon ab, ob X > O oder X<0, wie in den Glei-

r ι nai —*

chungen (22) und (23) zum Ausruck kommt. Die Berechnungen für T_n werden unter Verwendung der Gleichungn (27) und (28) durchgeführt.

Wie bei der Verwendung anderer Anziehparameter ist es erstrebenswert, eine Überdrehkorrektur vorzusehen. Es leuchtet ein, daß die Winkelüberdrehkorrektur der Gleichung (25) als Überdrehvoraussage wie folgt einführen kann:

F_or = r(FR_a) deo (33)

dabei ist F der auf der Überdrehung beruhende Spannungsanstieg. Es kann auch erstrebenswert sein, eine gleichmäßig gewägte lineare Kombination von Drehmoment und Winkel zur Bestimmung der vorausgesagten Werkzeugüberdrehung heranzuziehen. Die in dem Bolzen während des Überdrehens erzeugte Spannung kann berechnet werden als

F_nr = l/2rFR (do6+ %±- ) (34)

or ι IKp

Es leuchtet ein, daß man dem Werkzeug nicht lediglich den Befehl geben kann, um einen zusätzlichen Winkel weiterzudrehen, oder bis ein angestrebtes Drehmomentniveau erreicht ist, um den Bolzen unter den angestrebten Spannungswert F_n zu setzen, wenn man einen gemischten Parameter aus Drehmoment und Winkel verwendet. Statt dessen kann man die Spannung berechnen, dia in jeder Winkelstellung 0C3 über den Punkt 32 hinaus auftritt.

wenn X > O,

wenn X<0,

FuC, =	Fo	+	l/2rFR.	cC +	T«3	- tsp
						TR2 J
FeC =	FM	+	l/2rFR,	X +	Tei3 - TMC
					TR2

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I)UEHMEKT & UOEHMEI!T

dabei ist ΊΌ6-, der ermittelte Drehmomentwert in der Winkelposition 06-,, T der berechnete Drehmomentwert am mittleren Haltepunkt 32 und T_M_ der berechnete Drehmomentwert an der Stelle von F entsprechend der Gleichung (27).

Der berechnete Spannungswert bei dem Abschaltpunkt ist:

^Fso - ^FD - ^For ⁽³⁷⁾

dabei ist F aus der Gleichung (32) und F aus den Gleichungen (33) oder (34) abgeleitet. Vergleicht man den Wert für FoC₃ bei Winkelschritten wieZloi, 1° oder ähnlich, mit F , wird, sobald Fo6o /> F ,der Abschaltbefehl gegeben. In dieser Weise kann das

ο —~ SO

Anziehen entsprechend einer linearen Kombination von Drehmoment und Winkel abgeschlossen werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 soll ein weiteres Merkmal der Erfindung erläutert werden. Wenn das Anziehen bis zum angestrebten Endspannungswert erfolgt, ist es höchst erstrebenswert, sicherzustellen, daß die Streckgrenze nicht erreicht oder zumindest nicht wesentlich überschritten wird. Dies kann grafisch, wie in Fig. 6 gezeigt, durchgeführt werden, indem man eine Linie 56 parallel zur Drehmomentkurve 10 im Bereich 18 oder parallel zur Spannungskurve 12 in einem Abstand um den Winkel oCy aufträgt. Der Wert von 06 y kann mit einer annehmbaren Belastungsgröße in dem Bolzen in Beziehung gesetzt werden, da der Betrag der Mutterndrehung in diesem Bereich der Drehmomentkurve in prozentuale Bolzenverlängerung umgerechnet werden kann, infolge des bekannten Anstiegs der Windungen. Wenn der Drehmomentwert T die Linie 56 im Punkt 58 überschneidet, wird dem Werkzeug ein Abschaltbefehl gegeben, womit dieses äußersten-falls wegen der Werkzeugüberdrehung im Punkt 6& zum Stillstand kommt. Um diese Technik durchzuführen, wird der durch das Werkzeug aufgenommene Drehmomentwert überwacht,

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BOEHMERT & UOEMMERT

nachdem das Werkzeug nach dem mittleren Haltepunkt 32 wieder eingeschaltet ist. Es erhebt sich eine Schwierigkeit, da das Anfangsdrehmoment,das auf das Befestigungselement übertragen wird, um den Anziehvorgang wieder aufzunehmen, typischerweise verhältnismäßig wesentlich größer ist als das laufende Drehmoment, unmittelbar vor dem mittleren Haltepunkt 32, was durch den Unterschied zwischen den statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten und komplizierten dynamischen Faktoren verursacht wird. Wenn der aufgenommene Wert des laufenden Drehmomentes T zuer.· den Wert von T erreicht oder überschreitet, wobei:

T_M = T₃ (AoL- x) (38)

wird diese Stelle markiert und zwei /\o6-Schritte über diese Stelle hinaus, bei welcher es sich um die Stelle 62 handelt, wird der laufende Drehmomentwert T aufgenommen und als T₅ gespeichert. T_M ist ein berechneter Drehmomentwert, der an der Stelle der Drehmomentwinkelkurve auftritt, die dem Knick in der Spannungskurve entspricht.

Wie sich aus Fig. 6 ergibt, werden die Berechnungen durchgeführt, um die Streckung oder nicht-lineare Belastung, die in dem Bereich 18 auftreten, zu ermitteln, wo der Wert für das Drehmomentverhältnis sich etwas von dem Wert für das im Bereich 16 berechnete Drehmoment unterscheidet. Das Drehmomentverhältnis im Bereich 18 kann ausgedrückt werden als

u 2 rR(TR) (39)

Da R als TR~/rTR definiert ist, leuchtet ein, daß die Gleichung (39) sich auf u = TR_ reduziert.

Berechnungen der Streckung.oder nicht-linearen Belastung^können periodisch während des Anziehens im Bereich 18 durchgeführt werden, so oft dieses für erstrebenswert gehalten wird. Obwohl

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Ut)IiHMURT & liOlil IMIiRl

die Berechnungen bei jedem Winkelschritt Z^dLdurchgef ührt werden

können, sind die Ergebnisse voll zufriedenstellend, wenn eine

Durchführung für jeden zweiten Winkelschritt ΔΑ> erfolgt. Dementsprechend gilt,

T₁ = 2u (Δ06) (40)

T = u&y (41)

dabei ist oüy der Winkel, der einem angestrebten Belastungsniveau entspricht, das elastisch, jedoch nicht linear oder plastisch ist. /[ T₁ ist das Anstiegsdrehmoment über den Anstiegswinkel 2Δ06 und /\T ist das Anstiegsdrehmoment über den Anstiegswinkel <?6y. Indem man kleine Werte für coy auswählt, neigt der Abschaltbefehl dazu, im elastischen, jedoch nicht linearen Bereich zu liegen. Wenn für oCy ein großer Wert ausgewählt wird, liegt der Abschaltpunkt im Streckbereich. Danach leuchtet ein, daß die Bestimmung der nicht-linearen Belastung sowohl die elastische als auch plastische Spannung umfaßt. Die einzige Schwierigkeit bei der Auswahl von kleinen Werten für oOy liegt darin, daß das Geräusch in der Drehmomentkurve 10 im Bereich 18 ein verfrühtes und falsches Strecksignal abgibt. In einem Punkt 64, welcher zwei 4<^Grade nach dem Auftreten von T₁. liegt, wird der Wert des laufenden Drehmomentes T verglichen mit

^Tyl ^{= T}5 ~^^Ty ⁺ ^^Tl ⁽⁴²⁾

Es leuchtet ein, daß T * der Drehmomentwert der Kurve 10 im Punkt 64 ist. Wenn T T .,, wird das Anziehen fortgesetzt. In einem Punkt 66, der zwei ^oGGrade hinter dem Punkt 64 liegt, wird der Wert für das laufende Drehmoment T verglichen mit

^Ty2 = ^Tyl ^{+ ΔΤ}1 ⁽⁴³⁾

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BüEHMERT & ÜÜEHMERI

2735534

= <^T5 ~Δ^Ί _ν +^T₁) +Z]T₁ (44)

Wenn T>T _?, wird das Anziehen fortgesetzt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, indem man einen zusätzlichen Drefrnomentwert

^ dem vorangehenden Wert von T bei Winkelschritten von zwei Δ ob hinzufügt. Für den Fall, daß T^T vor dem Eintreten des Abschaltbefehls abgeleitet von dem normalen Anziehparameter des Drehmomentes oder Winkels, wird ein Abschaltbefehl auf das Werkzeug übertragen. Es leuchtet ein, daß das eigentliche Abschaltsignal von der Ermittlung der nicht-linearen Spannung oder der tatsächlichen Ermittlung der nicht-linearen Spannung nicht genau im Punkt 58 eintritt, da Vergleiche nur jeweils alle zwei ^^durchgeführt werden. Dementsprechend wird die tatsächliche Streckermittlung wahrscheinlich später, d. h. dem in Fig. 6 dargestellten Punkt 68 erfolgen.

Somit wird das Anziehen normalerweise infolge eines drehmomentgesteuerten, eines winkelgesteuerten oder eines gemischten Abschaltsignals abgeschlossen, wobei jedoch im Fall der Streckermittlung ein verfrühtes Abschaltsignal gegeben wird. Hieraus wird deutlich, daß das obere Ende des Streubandes durch eine Sekundärstreckgrenzenabschaltung eliminiert wird. Somit kann die Gesamtstreuung vermindert werden. Es wird außerdem klar, daß die Gefahr eines Versagens des Bolzens während der Montage eliminiert wird. Darüber hinaus leuchtet ein, daß die Ermittlung nicht-linearer Spannung durchgeführt werden kann, wie dies in den amerikanischen Patentschriften 3 643 501 oder 3 693 702 durchgeführt werden kann, obwohl das hier beschriebene Verfahren bevorzugt wird.

Vorzugsweise ist die Auswahl von F niedrig genug, so daß das Abschalten aufgrund der Ermittlung nicht-linearer Spannung selten, d.h. 0,1 % ist. Für den Fall, daß der Prozentsatz nicht-Jtinear.er Spannungsermittlung wesentlich während des Produktionsbetriebs ansteigt, zeigt dieses an, daß die Befestigungselemente, d. h.

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die Bolzen und/oder mit Gewinde versehenen Teile nicht den Spezifikationen genügen. Somit ist ein hoher Prozentsatz nicht-linearer Spannungsermittlungen ein Signal, daß die verwendeten Befestigungselemente einer Qualitätskontrolluntersuchung unterworfen werden müssen. Wenn beispielsweise das normale Auftreten nicht-linearer Spannungen in der Größenordnung von 0,1 % liegt und der Durchschnitt nicht-linearer Spannungsermittlungen 10 % ausmacht, ist es wahrscheinlich, daß die verwendeten Befestigungselemente nicht den Spezifikationen genügen.

Bis hierhin wird eine laufende Zählung der Anzahl von angezogenen Verbindungsstellen aufrechterhalten,und die laufende Zahl der Anzahl von Verbindungen, die eine nicht-lineare Spannung zeigen, wird ermittelt. Es gilt

^CY

>_ A (45)

C,

wobei C die Anzahl der angezogenen Verbindungsstellen, C die Anzahl der gestreckten Verbindungsstellen und A ein für den Verwender annehmbarer Bruchteil ist. Nach vorliegenden Informationen scheint es, daß der Wert für A im Bereich von 0,10 bis 0,20 beispielsweise bei 0,15 liegen sollte. Das Verhältnis Cy/Cj ist vorzugsweise ein laufendes Verhältnis statt eines kumulativen Verhältnis, wie bei der Speicherung auf einer erst-herein - erst-heraus Basis, einer endlichen Anzahl angezogener Verbindungsstellen C_y z. B. 30, sowie einer jeden Ermittlung einer Streckung C_y. Wenn das laufende Verhältnis C /C einen vorbestimmten Wert A überschreitet, wird ein Signal abgegeben, das anzeigt, daß die Frequenz nicht-linearer Spannungen viel zu hoch ist. Die durchzuführenden Nachforschungen umfassen normalerweise die Analyse der Festigkeit und das Zusammensetzungsmaterial der Befestigungselemente, wobei es sich um

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eine hinlänglich bekannte Technik handelt.

Es ist sehr erstrebenswert, den Endspannungswert, der in ein Befestigungselement, das vorzeitig eingehalten worden ist, infolge der Ermittlung nicht-linearer Spannungen zu berechnen und zu speichern. Es kann sein, daß der erreichte Endspannungswert innerhalb eines annehmbaren Bereiches liegt. In diesem Fall würde es nachteilig sein, das Befestigungselementenpaar zu entfernen und durch ein neues Paar zu ersetzen, wenn die Probleme mit den geringfügig gestreckten Befestigungselementen nicht wesentlich sind und die Befestigungselemente hinreichend gespannt sind, um annehmbare Bedingungen für die Verbindungsstelle sicherzustellen.

Wenn man dementsprechend eine Winkelannäherung verwendet, kann der Endspannungswert wie folgt berechnet werden:

F,. . = F_n-TFR₁ (</, +0^y-OC₀) (46)

final D 1 final ^J Z

dabei ist #~ ^der Winkel von dem Haltepunkt 32 zu der Stelle, wo die Streckung ermittelt wurde. Es leuchtet ein, daß jeder berechnete Wert für F,. . in etwa eine Annäherung bedeutet, da das Spannungsverhältnis weit oberhalb der Proportionalgrenze unbekannt ist und mit Exaktheit nicht ermittelt werden kann. Die Fig. 7 erläutert diese Schwierigkeit grafisch. Wenn der Endspannungswert wie folgt berechnet würde:

^Ffinal - ^FD - ^rFRl ⁽^ final "*2> ⁽⁴⁷⁾ .

würde die tatsächlich berechnete Spannung im Punkt 70 liegen, der die gleiche Winkelentfernung oC _ von dem Haltepunkt 3_2 besitzt, wie der Punkt der Streckungsermittlung 68. Es leuchtet ein, daß der Unterschied der Spannungswerte zwischen den Punkten 68 und 70 unter manchen Umständen beträchtlich sein kann. Da es

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27 3 5 59 A

bekannt ist, daß das Spannungsverhältnis unmittelbar vor dem Punkt 58 wesentlich abfällt, ist es sicher, den Spannungswert im Punkt 72 zu berechnen, der in einem Abstand abwärts über die Steigung FRp um den Winkel tiüy angeordnet ist. Damit wird die Grundlage für die Gleichung (47) deutlich. Es ist klar, daß der eigentliche Spannungsendwert der Verbindungsstelle im Punkt 68 vorliegt, welcher sich von dem berechneten Spannungswert im Punkt 72 unterscheidet. Es ist jedoch zu sehen, daß der Spannungswert im Punkt 72 eine wesentlich besrere Schätzung des eigentlichen Spannungsendwertes ist, als wenn die Spannung im Punkt 70 berechnet würde. Dies gilt besonders, da das Spannungsverhältnis im Bereich 74 bekanntermaßen recht gering ist. Der Endspannungswert F_f. .^zusammen mit einer Aufzeichnung, daß der Bolzen sich gestreckt hat, kann im Bereich des Werkzeuges angezeigt, gedruckt oder in einer anderen Weise zur weiteren Verwendung oder Analyse aufgetragen werden.

Für den Fall, daß der drehmomentgesteuerte Endabschaltparameter Verwendung findet, wobei T_< T , wird eine nicht-lineare Spannung ermittelt und es wird ein Abschaltbefehl auf das Werkzeug übertragen. Der Endspannungswert kann über das Drehmoment wie folgt berechnet werden:

FR (T - T)
^Ffinal - ^FD - ⁽⁴⁸⁾

Dabei ist T_f der höchste aufgenommene Drehmomentwert innerhalb einem oder zwei AoU Schritten, bevor dem endgültigen Haltepunkt 60. Dies ist in ähnlicher Weise in Fig. 7 dargestellt. Die Ermittlung der Streckung tritt im Punkt 68 auf der Drehmomentkurve 10 ein, wobei der Punkt 60 der Endhaltepunkt ist. Das Drehmoment im Punkt 60 ist aus den gleichen Gründen unverläßlich, aus denen die Drehmomentablesung am mittleren Haltepunkt 32 unverläßlich ist. Dementsprechend wird der Drehmomentwert T, als Spitzenwert innerhalb von einem oder zwei ^oO Schritten rückwärts von dem Punkt 60, wie beispielsweise im Punkt 76 entnommen. Diese Wirkung ist grafisch durch die horizontale Linie

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BOEhMERT & BÜEHMEKT

78 dargestellt, die auf der Steigungs-kurve TR₂ im Punict 80 ausläuft und die vertikale Linie 82, die im Punkt 84 die Spannungssteigungskurve FR„ schneidet. Somit ist der Endspannungswert F,. . die im Punkt 84 berechnete Spannung.

Es ist außerdem erstrebenswert, den Endspannungswert zu berechnen und zu speichern, der innerhalb eines Befestigungselementes auftritt, dessen Anziehen in einer normalen Weise beendet ist, d. h. aufgrund des Drehmomentes und/oder der Winkelstellung statt einer Streckung. Wenn man das Drehmoment benutzt, gibt die Gleichung (48) den Wert für F_f. .,unabhängig, ob eine Streckung eingetreten ist oder nicht. Wenn man den Winkel benutzt, kann der erzielte Endspannungswert nach der folgenden Formel berechnet werden:

^Ffinal - ^FD - ^rFRl ⁽ ffinal " ^actual^{) (49)}

dabei ist (/L . , die tatsächliche Winkelvergrößerung zwischen dem mittleren Haltepunkt 32 und dem Endhaltepunkt.

Es kann außerdem erwünscht sein, den Endspannungswert zu berechnen und zu speichern, der innerhalb eines Befestigungselementes unter ungewöhnlichen Umständen vorliegt, wie bei einer Überlastung des Werkzeuges. Eine Werkzeugüberlastung kann vor dem mittleren Haltepunkt 32 oder nach dem mittleren Haltpunkt 32 auftreten. Vor dem mittleren Haltepunkt 32 gilt

^Ffinal - ^Fo ⁽⁵⁰⁾

nach dem mittleren Haltpunkt 32 kann der erzielte Spannungswert F,. , unter Verwendung des Drehmomentes wie folgt berechnet werden:

	FR1	(T,	- T )
final r	0	f	sp
	R(TR)

dabei ist T das berechnete Drehmoment im mittleren Haltepunkt sp

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BOIiMMERI & UUElJMEKT

durch die Gleichung (26).

Nach dem mittleren Haltepunkt 32 kann der angestrebte Endspannungswert F_f. , über den Winkel berechnet werden, wie z. B.:

^Ffinal - ^Fo ^{+ rFR}l * actual' ^X>° ⁽⁵²⁾

dabei ist cC . , der tatsächlich gemessene Winkel von dem ac tueι

mittleren Haltepunkt 32 bis zum Endhaltepunkt.

Wenn sich das Werkzeug weit über jeden vernünftigen Winkel hinaur dreht, zieht man den Schluß, daß das Werkzeug nicht an das Befestigungselement angeschlossen worden ist, oder daß der Bolzen Schaden genommen hat, ohne daß eine Streckung aufgetreten ist, was vor dem mittleren Haltepunkt 32 eintreten kann. Somit tritt keine merkliche Spannung in dem Bolzen auf und

F.. . = O (5 3)

final

Ein anderer Lösungsweg nach der Erfindung liegt darin, das Anziehen in einer normalen Weise abzuschließen, in Abhängigkeit von einem Parameter, beispielsweise dem Drehmoment, wobei/diesen Abschaltparameter gegen einen anderen Abschaltparameter, z. B. den Winkel,überprüft. Wenn die Ergebnisse nahe beieinander liegen, ist dies ein Anzeichen dafür, daß die gemachten Annahmen, die empirisch bestimmten Verbindungsstellenparameter und ähnliches hinreichend genau sind. Wenn die Vergleichswerte stark unterschiedlich sind, ist dies ein Anzeichen dafür, daß etwas nicht stimmt und der Vorgang unterbrochen, oder Nachforschungen durchgeführt werden sollten, um die Ursache zu ermitteln. Wenn das Drehmoment als Anziehparameter verwendet wird, setzt man F_n in die Gleichungen für den Endspannungswert T ein unter Verwendung der Gleichung (27) oder (28), je nachdem, ob Xxfi oder■ X<0. Für den berechneten Endspannungswert F,. . gilt unter Verwendung des Winkels bei einem Endhaltewinkel von

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Höhl IMLK Y & UUEHMEKT

^Ffinal ^{= F}D - ^rFRl ⁽ ^final " Actual > ⁽⁵⁴⁾

dabei ist oC der tatsächliche Winkelanstieg von dem mittleren Haltepunkt 32 bis zum Endhaltepunkt. Wenn der Unterschied zwischen F_n und F^. . gering ist, wie z. B. - 5 bis 10 %,

υ
leuchtet ein, daß ein wesentliches Vertrauen in diese Technik gesetzt werden kann. Wenn der Unterschied zwischen F_n. und F,. ^ D final

größer ist, d. h. - 2O %, zeigt dies, daß etwas fehlerhaft ist und daß der Anziehvorgang unterbrochen werden, oder Untersuchungen durchgeführt werden sollten, um die Ursache zu ermitteln.

In jedem Fall ist es in den Fällen, in denen F,. . berechnet worden ist, erstrebenswert, hiermit den gewünschten Endspannungswert F_n zu vergleichen. Hierfür gilt:

- B (55)

dabei ist B ein Bruchteil,der für den Verwender annehmbar erscheint, wobei ein entsprechendes Signal anzeigen kann, daß die berechnete Spannung wesentlich unterhalb der gewünschten Spannung liegt. Aus den gegenwärtigen Informationen ergibt sich, daß die Größenordnung von B größer sein sollte, als die erwartete Streuung nach der Erfindung und vorzugsweise etwa drei bis vier normale Abweichungen. Dementsprechend liegt ein beispielhafter Wert für B bei 0,17. Es leuchtet ein, daß^nur wenn B negativ ist, sich eine Schwierigkeit mit der Verbindungsstelle ergibt, da, wenn F,. . zu hoch ist und sich der Bolzen nicht gestreckt hat, offensichtlich mit der Verbindungsstelle unter normalen Umständen nichts falsch ist. Ein sehr nützlicher Vorteil dieser Technik liegt darin, verklemmte Befestigungselemente zu ermitteln.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der Verwendung der Voraussage der Werkzeuguberdrehung, um Funktionsfehler des Werkzeuges anzuzeigen. Obwohl die Werkzeuguberdrehung am Ende des

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BUEI-MIiKT & IiUEHMHKT

Anziehvorganges verwendet werden kann, um eine Fehlfunktion des Werkzeugs zu bestimmen, kann dieser Vorgang bequem und genau während eines Überdrehens im Bereich des mittleren Haltepunktes 32 überwacht werden. Es gilt

Y = T₁ + tfC- TR (56) _ _ o. ,C₇,

1 1 C. — Q (Xy V J / 1

_T 2 or

E - 100 _{% (58)}

Es ist klar, daß Y eine dimensionslose Zahl ist und im Grunde das Verhältnis T₄/T darstellt. Wie die Fig. 2 zeigt, ist T₄ der bestehende Drehmomentwert an der Stelle 30, an welcher der Abschaltbefehl für den mittleren Haltepunkt gegeben wird, während T das normale Überlastungsdrehmoment ist. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist Y eine umgekehrte Funktion der Werkzeuggeschwindigkeit. Wenn die zeitliche Verzögerung zwischen der Abgabe des Abschaltbefehls und dem Schließen des Ventils konstant bleibt, ist Y eine Voraussage für die Werkzeugüberdrehung. Da % oC die gemessene Werkzeugüberdrehung ist, leuchtet ein, daß Z eine Funktion der gemessenen Werkzeugüberdrehung ist, während ot die normale Winkelüberdrehung des Werkzeuges unter keinen Drehmomentbedingungen ist. E ist die prozentuale Änderung der Werkzeugfunktion und der Steuerung.

Wenn E niedrig ist, beispielsweise < - 10 %, ist dies ein Zeichen dafür, daß das tatsächliche Überlastungsdrehmoment · wesentlich abgesunken ist, wie beispielsweise von einem Verlust oder/einem Absinken des Luftdruckes, einer mangelnden Schmierung, abgenutzten oder gebrochenen Teilen oder ähnlichem. In einem solchen Fall kann ein Signal im Bereich des Weißzeuges anzeigen, daß das Werkzeug eine Inspektion, Wartungsarbeit, eine Reparatur oder Ersatz benötigt. Es ist vorstellbar, jedoch

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IiOEHMLIU & BOEIIMERI

unwahrscheinlich, daß eine bedeutende Abnahme von E durch eine Abnahme der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Abschaltbefehl und dem Schließen des Luftventiles verursacht wird.

Wenn E positiv ist, d. h. größer als O, treten Schwierigkeiten auf. Es scheint, daß Z, wobei es sich um eine Vereinfachung einer komplizierteren Gleichung handelt, an Genauigkeit verliert. Die kompliziertere Gleichung zeigt an, daß, wenn E positiv ist, Z neu berechnet werden sollte als

oC
or

(59)

Dementsprechend sollte E neu berechnet werden für eine größere

Genauigkeit im positiven Fall als

E₁ 100 fi^i _{% (60)}

1 - Y

Wenn E. hoch ist, beispielsweise £ 10 %, wird hieraus abgeleitet, daß die zeitliche Verzögerung zwischen dem Abschaltbefehl und dem Schließen des Luftventiles wesentlich größer geworden ist, oder daß der dem Werkzeug zugeführte Luftdruck angestiegen ist. Dies zeigt normalerweise an, daß der Ventilsteuermagnet zu kleben beginnt, oder daß der Luftdruck zu hoch ist. In einem solchen FaI kann im Bereich des Werkzeugs ein Signal anzeigen, daß das Luftsteuersystem eine Inspektion, Wartungsarbeit, eine Reparatur oder Ersatz erfordert. Es ist vorstellbar, jedoch unwahrscheinlich, daß ein merklicher Anstieg von E^ durch einen erhöhten Wirkungsgrad des Werkzeuges verursacht werden könnte.

Dem Fachmann leuchtet ein, daß eine Voraussage der Werkzeugüberdrehung gemäß der Gleichung (56) kein Maß der Überdrehung aufgrund der Trägheit ist, sondern allein auf der zeitlichen Verzögerung beruht. Wie bereits erwähnt, ist eine Überdrehung aufgrund der Trägheit bei Befestigungselementen, die mit mittlerem bis hohem Drehmoment angezogen werden, obwohl die Genauig-

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U(JIiI !MLI(I¹Si

keit für mit niedriger Spannung angezogene Befestigungselemente etwas verbessert werden kann. Falls es angestrebt wird, kann ein Maß für die Trägheitsüberdrehung durch eine der beiden Gleichungen (56) oder (57) in die Gleichung (58) hineingebracht werden.

Es leuchtet ein, daß eine einzige Anzeige der Mißfunktion des Werkzeuges wahrscheinlich nicht bedeutend ist, daß jedoch abnormale Häufigkeiten von Mißfunktionen des Werkzeuges von größerer Bedeutung sind. Dementsprechend ist ein Laufverhältnis

C_TL/_Cj > C (61)

aufrechterhalten, wobei C_T. die Anzahl bedeutet, für welche E < - 10 %, C die Anzahl der angezogenen Verbindungsstellen und C ein für den Verwender akzeptabler Bruchteil ist. Wie bei dem Verhältnis C^/C, der Gleichung (47),wird ein laufendes Verhältnis einem kumulativen Verhältnis bevorzugt. Entsprechend den gegenwärtigen Informationen, sollte C im Bereich von 0, 1 bis 0,2, beispielsweise bei 0,15 liegen.

In ähnlicher Weise wird ein laufendes Verhältnis von

C_TC/_Cj > D (62)

aufrechterhalten, wobei C die Anzahl ist, in welcher E _> +10 % und D ein für den Verwender akzeptabler Bruchteil, beispielsweise 0,15 ist.

Ein anderer Lösungsweg zur Voraussage der Werkzeuguberdrehung und damit eine Ermittlung der Mißfunktion des Werkzeuges wird angegeben durch:

Zl) *_{or (6},f

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!MLiU' & UUEI-IMUKT

Dabei ist ^ofy die vorausgesagte Werkzeugüberdrehung von dem Punkt 30 des Abschaltbefehls, wo der Drehmomentwert Ί\ vorliegt. Der gemessene Wert der Überdrehung von dem Punkt 30, der zuvor mit £ öC bezeichnet worden ist, kann, wie folgt, mit verglichen werden:

F<_JL£L_ > G (64)

Dabei sind F und G für den Verwender akzeptable Werte, wie 0,85 bzw. 1,15. Wenn die gemessene Überdrehung ^«6 ^zu gering ist, zeigt dies eine Mißfunktion des Motors an, während bei einem zu großen £> p£/ eine Mißfunktion des Steuersystems angezeigt wird.

Beim reihenweisen Anziehen einer Vielzahl von Befestigungselementen als Teil einer einzigen Verbindungsstelle unter Einsatz einer herkömmlichen Technik ist hinrächend bekannt, daß die zuerst angezogenen Befestigungselemente zumindest einen Teil der Spannung verloren haben, wenn die letzten Befestigungselemente angezogen sind. Dies steht natürlich im Zusammenhang mit der Verbindungsstellenerholung und der Ausrichtung der Verbindungsteile. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein angetriebenes und beeinflußbares Werkzeug, das nachstehend noch eingehender beschrieben werden soll, für jeweils ein Befestigungselement in der folgenden Weise eingesetzt werden.

Die Werkzeuge werden gleichzeitig eingeschaltet. Wenn alle ■ Werkzeuge am mittleren Haltepunkt 32 angehalten haben, werden alle Werkzeuge gleichzeitig wieder eingeschaltet, um bis zum endgültigen Vorrücken zu laufen. In dieser Weise tritt die Ausrichtung aller Befestigungselemente und die gesamte virbindungsstellenerholung am mittleren Haltepunkt 32 ein. Jedes Werkzeug gleicht dann die Erholung aus, die in dem Bereich des

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Büülliviiilü'a

jeweils nächstliegenden Befestigungselementes eingetreten ist. Es leuchtet ein, daß der Steuerungsmechanismus für die Werkzeuge elektronisch in einer solchen Weise angeschlossen ist, die dem Fachmann geläufig ist, nachdem das Werkzeug nachfolgend noch im einzelnen näher beschrieben ist.

In Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des Mechanismus 86 zur Durchführung der oben beschriebenen Technik gezeigt. Der Mechanismus 86 umfaßt ein luftgetriebenes Werkzeug 88, das an eine Druckluftzufuhr 90 angeschlossen ist. Außerdem ist ein Luftventil 92, ein Druckluftmotor 94 mit einem Ausgang 96 vorgesehen, der an das Paar Befestigungselemente als Teil der Verbindungsstelle 98 angeschlossen ist. Schließlich ist noch ein ürehmomentumsetzer 100 und ein Winkelumsetzer 102 vorgesehen. Der Drehmomentumsetzer 100 ist über eine elektrische Leitung 108 an die Signalvorbereitungsanlage 104 einer Datenverarbeitungsanlage 106 angeschlossen.

Die Signalvorbereitungsanordnung 104 nimmt die Signale von den Umsetzern 100 und 102 auf und modifiziert die Spannung und/oder die Stromstärke, worauf sie über eine Leitung 114 einem Analog-Digital-Wandler 112 zugeführt werden. Der Wandler 112 ändert die von der Signalvorbereitungsanordnung 104 aufgenommenen Signale in eine digitale Form, die über eine Leitung 118 einer logischen Koppeleinheit 116 zugeführt werden. Der Winkelumsetzer 102 ist über eine elektrische Leitung 110 an die logische Koppeleinheit 116 angeschlossen.

Die logische Koppeleinheit 116 umfaßt einen logischen Koppelbereich 120, der die Informationen zu verarbeiten vermag und über Leitungen 122 und 124 an eine Mikrodatenverarbeitungsanlage angeschlossen ist, welche wiederum eine Verbindung über die Leitungen 132, 134, 136 und 138 zu einem Datenspeicher sowie einem Signalspeicher und Programmeinheit 130 besitzt. Der logische Koppelbereich 120 vermag auch die Eingangsparameter,

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HOEHViÜRT & UOEHMEKT

273559A

wie T , FR₁* r, F_n und ähnliche aufzunehmen.

OS -I- L·)

Die logische Koppeleinheit 116 umfaßt auch einen Verstärker 140 zur Steuerung eines (nicht-dargestel1 ten) Elektromagneten innerhalb des Luftventiles 92 über eine elektrische Leitung 142. Der Verstärker 140 steuert außerdem eine Anzeigetafel 144 mit entsprechenden Signallampen über die Leitung 146, wie dies noch im einzelnen näher erläutert werden soll.

Das Preßluftwerkzeug 88 kann jede gewünschte Ausbildung besitzen, wobei es sich jedoch zweckmäßig um das Rockwell Modell 63W handelt, das so abgeändert ist, daß der Überdrehbetrag vermindert ist. Es hat sich überraschend gezeigt, daß der wesentliche Teil der Werkzeugüberdrehung zwischen der Zeit eintritt, in welcher der Abschaltbefehl über die elektrische Leitung 142 gegeben wird und der Zeit, in welcher die Druckluft abwärts von dem Ventil 92 durch den Motor 94 verbraucht ist, während der Überdrehbetrag, der auf der Trägheit des Preßluftwerkzeuges 88 beruht, bei hohen Drehmomentwerten nahezu unbedeutend ist, da die Werkzeuggeschwindigkeit gering ist.

Die Datenverarbeitungsanlage 106 ist in Fig. 9 näher dargestellt und umfaßt zweckmäßigerweise eine Rockwell Mikrodatenverarbeitung· anlage Modell PPS8. Bezüglich einer vollständigen Beschreibung der Datenverarbeitungsanlage 106 wird auf die Veröffentlichungen von Rockwell International Bezug genommen, die sich hiermit befassen.

Die Datenverarbeitungsanlage 106 umfaßt ein Chassis 147, mit einer Energiequelle 149, die zusammen mit der Signalvorbereitungsanlage 104 hierauf befestigt ist. Sie umfaßt außerdem den Signalspeicher und die Programmeinheit 130, die Datenspeichereinheit 128, die Mikrodatenverarbeitungsanlage 126, den-£ogisehen Koppelbereich 120, den Wandler 112 sowie den Iogischen Koppelverstärkungsbereich 140. Die Signal Vorbereitungsanlage 104,

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& IJOlSI IMEHT

der logische Koppelbereich 120, die Mikrodatenverarbeitunysanlage 126 sowie die Datenspeichereinheit 128 sind nicht modifiziert, so daß die Datenverarbeitungsanlage 106 die oben beschriebenen Rechnungen durchzuführen vermag.

Der Signalspeicher und die Programmeinheit 126 sind physikalisch ein Teil der Datenverarbeitungsanlage 106 und sind physikalisch so modifiziert, daß ein entsprechendes Programm hierin gespeichert ist. Das im Laufe der im Rahmen der Erfindung durchgeführten Nachforsahunqen entwickelte Maschinensprachenprogramm enthält über 7 000 Befehle und der herkömmliche Computerausdruck ist etwa 150 Seiten lang. Im Interesse der Kürze, der Einsparung und Klarheit ist das folgende Programm die FORTHAN Version des Maschinensprachenprogramms. Dieses FORTRAN-Programm wird von jedem Programmierer verstanden und kann entweder manuell oder durch ein Standardübersetzungsprogramm in die Maschinensprache übersetzt werden. Es gibt einige Eingangs-Ausgangs-Funktionen, die in der Mikrodatenverarbeitungsanlage 126 durchgeführt werden, die nicht in FORTRAN umgesetzt werden können. Diese Funktionen sind in Unterprogrammen angegeben mit Kommentaren, die beschreiben, was durch die Unterprogramme bewirkt und gesteuert werden soll. Das FORTRAN-Programm ist wie folgt angegeben:

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ι - ⁷⁹- ·. Leerseite

Claims (1)

1. Ansprüche

   Vorrichtung zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Gewindebefestigungselemente, im wesentlichen identischer Verbindungsstellen, mit zumindest einem Gewindebefestigungselementenpaar bis zu einer im wesentlichen gleichen vorbestimmten Endspannung, unterhalb der Streckgrenze der Komponenten, die mit der in den Befestigungselemente auftretenden Spannung in Beziehung setzbar ist, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeug (88), mittels welchem der Anziehvorgang entsprechend sich von einem Befestigungselementenpaar zum nächsten ändernder Instruktionen durchführbar ist,

   eine Anordnung zur Bestimmung eines Anziehparameterwertes im Laufe des Anziehens bis unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungsstellenteiles, der von einem Befstigungselementenpaar zum nächsten veränderlich ist, und zur Anziehung eines jeden Befestigungselementenpaares bis zum vorbestimmten Endspannungswert ausreicht, sowie eine Anordnung zur Steuerung des Werkzeuges (88), mittels welcher das Anziehen eines jeden Befestigungselementenpaares entsprechend dem ermittelten Anziehparameterwert durchführbar ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Bestimmung des Drehmomentwertes vorgesehen ist, der ausreicht, um jedes Befestigungselementenpaar bis zum vorbestimmten Endspannungswert anzuziehen, der sich aus der Gleichung (dF/dCQ (T -T ) ergibt, wobei F_d der vor-

   ** p\ ^s IJ O S

   dT/dß6 -

   bestimmte Endspannungswert, dF/d<* die Ableitung der Spannung nach dem Winkel, T_n der hinreichende Drehmomentwert, άΊ/doO

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   ORIGINAL INSPECTED

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   die Ableitung des Drehmomentes nach dem Winkel und T das Verschiebungsdrehmoment ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Bestimmung des Winkelvorschubes vorgesehen ist, der ausreicht, um jedes Befestigungselementenpaar bis zum vorbestimmten Endspannungswert anzuziehen, der sich aus der Gleichung F- = F + oCFR ergibt, wobei Fpder vorbestimmte Endspannungswert, F die an einer vorbestimmten Stelle vorliegende Spannung, FR das tatsächliche Spannungsverhältnis über den Winkel oC und oO der Winkelabstand von F_o bis F_D ist.

   4. Verfahren zum Anziehen einer Mehrzahl von im wesentlichen identischer Verbindungsstellen mit mindestens einem Gewindebefestigungselementenpaar bis zu einem vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines Ver·» bindungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß man

   die Befestigungselementenpaare mit einem steuerbaren Werkzeug anzieht,

   das Drehmoment bei verschiedenen Winkelvorschüben während des Anziehens unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementes bestimmt,

   während des Anziehens unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementes die Spannung, die in einem der Verbindungselemente auftritt, an mindestens einem Anziehungspunkt unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementes aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten berechnet,

   den Wert eines Anziehparameters bestimmt, der ausreicht, um ein Befestigungselementenpaar bis zu dem vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungs-

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   elementes aus der berechneten Spannung bestimmt,

   das Werkzeug zur Anziehung der Befestigungselemente bis zum vorbestimmten Parameter steuert und

   den Anziehvorgang entsprechend der Erreichung des ermittelten Parameters abschließt.

   Vorrichtung zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, im wesentlichen identischer Verbindungsstellen mit mindestens einem Gewindebefestigungselementenpaar bis zu einem im wesentlichen gleichen, vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungsstellenelementes, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen des Befestigungselementenpaares,

   eine Anordnung zur Ermittlung des Drehmomentes bei verschiedenen WinkelVorschüben während des Abziehens unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementes,

   eine Anordnung zur Berechnung der innerhalb eines der Befestigungselemente vorliegenden Spannung zymindestens einem Zeitpunkt des Anziehens unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementes aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten,

   eine Anordnung zur Bestimmung eines Anziehparameterwertes aus der berechneten Spannung, der ausreicht, um das Befestigungselementenpaar bis zu dem vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungsstellenelementes anzuziehen und —

   eine Steuerungsanordnung für das Werkzeug zum Anziehen des Befestigungselementenpaares bis zu dem ermittelten Parameterwert.

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   Ηοΐ·:ΐΐΜ!·:κΐ&

   6. Vorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsanordnung bzw. die Bestimmungsanordnung einer Anordnung zur Berechnung der Spannung bzw. zu Bestimmung des Anziehparameterwertes über einen Zeitraum aufweist, der mit dem Beginn des Schraubens anfängt und mit dem Abschluß des Anziehvorganges endet.

   7. Verfahren zum Anziehen einer Mehrzahl im wesentlichen identischer Verbindungsstellen mit mindestens einem Gewindebefestigungselementenpaar bis zu einem vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze der Verbindungsstellenelemente, dadurch gekennzeichnet, daß man

   ein jedes Bei estigungselementenpaar mit einem steuerbaren angetriebenen Werkzeug anzieht,

   das Drehmoment während des Anziehens bei verschiedenen WinkelVorschüben ermittelt,

   das Drehmomentverhältnis eines jeden Beiestigungselementenpaares aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten bestimmt,

   die Spannung berrechnet, die in einem Befestigungselemente eines jeden Befestigungselementenpaares zumindest in einem Zeitpunkt des Anziehens unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungselementenpaares auftritt, aus dem bestimmten Drehmomentverhältnis und aus dem ermittelten Drehmoment,

   den Wert eines Anziehparameters aus der berechneten Spannung bestimmt, der ausreicht, um ein jedes Befestigungselementenpaar bis zum vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines jeden Verbindungsstellenelementes anzuziehen ,

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   -:HMKHT & HC)HHMI-UT

   das Werkzeuq zur Anziehung eines jeden Defentiqunqselementenpaares entsprechend dem bestimmten Parameter steuert und

   den Anziehvorqanq entsprechend dem bestimmten Parameter abschließt.

   8. Verfahren qemäß Anspruch 7, dadurch qekennzeichnet, daß man den Betraq der Werkzeuqüberdrehung vorbestimmt, worauf die Steuerung des Wf?rkzeuqes zum Anziehen eines jeder» Befestigungselementes sowohl entsprechend dem vorbestimmten Parameter als auch des Betraqes eier Werkzeuquberdrehunq erfolgt, während man schließlich den Anziehvorgang entsprechend dem vorbestimmten Parameter und dem Betraq der Werkzeugüberdrehung abschließt.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Werte für FK₁, FK., und T empirisch bestimmt, wobei FK₁ das Spannunqsverhältnis in einem unteren Spannungsbereich, FK_ das Spannunqsverhä1tnis in einem höheren Spannungsbereich, und T das Verschiebunqsdrc^hmoment ist, während der Be-

   os ' '

   rechnunqsschri tt die Kalkulation tier Spannung von den empirisch bestimmten Werten für FK₁, FR~ und T , wie auch von den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten umfaßt.

   K). Vorrichtung zum Anziehen einer Mehrzahl im wesentlich identischer Verbindungen mit mindestens einem CJewindebefestiqunqselementenpaar auf einen vorbestimmten Endspaniiurujswurt unterhalb der Streckgrenze eines Verbindungsstellenteils, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeuq (88) zum Anziehen des Bef es tigungselemtHitenoaares,

   eine Anordnung zur Krmittlunq dos Drehmomentes bei verschiedenen Winkeln im Laufe des An/, iehvorganges,

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   IK)KHMIiRT & UOEIIMKRT

   eine Anordnung zur Best imrnung des Dt ehmomentverhä 1 tn i s.scs einer) jeden Befestiqunqselementenpaares aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten,

   eine Anordnung zur Berechnung der Spannung innerhalb eines tie £ es t igunqr>el emen tes eines jeden Bef es tiqungselernentenpaares, zumindest zu einem Zeitpunkt des Anziehens unterhalb der Streckgrenze eines jeden Verbi ndungss te L 1 en tei 1 er. aus dem bestimmten Drehmomentverhältnis urui dem ermittelten Drehmoment,

   eine Anordnung zur Bestimmung des Wertes eines Anziehparameters, der hinreicht, jedes Bot esti gung.'Elementenpaar bis zum vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze eines jeden Verbindiinqsstel lentei les anzuziehen, aus der berechneten Spannung und

   einer Stnuoranordnunq für das Werkzeug (OU) zum Anziehen eines jeden Bei estigungselementenpaares, entsprechend dem vorbestimmten Parameter.

   11. Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindungsstelle mit mindestens einem Gewindebefestigungselementenpaar, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (HU) zum Anziehen eines jeden Bei es tigungseiementenpaares,

   eine Anordnung zur Überwachung der Spannung innerhalb eines jeden Befestigungselementenpaares einsch1ieiH ich

   einer Anordnung zur Ermittlung dos Drehmomentes und de:; Winkels im Laufe des Anziehvorganges und --

   eine Datenverarbeitungsanlage (lüG) zur Berechnung der

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   ικ)ΐ·ΗΜΐ·:κΐ& Hohlιμι·:κτ

   Spannung innerhalb eines jeden Bef estigungselomentenpaares unterhalb der Streckgrenze eines jeden Verbindungsstellenteiles aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten sowie

   eine Anordnung zur Beendigung des Anziehvorganqes, entsprechend einem Anziehparameter, bezogen auf die berechnete Spannung.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anziehparameter eine lineare Kombination des Drehmomentes und des Winkels ist.

   13. Vorrichtung zum Anziehen im wesentlichen identischer Gewindebefestigungselementenpaares auf im wesentlichen den gleichen vorbestimmten Endspannungswert, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Anziehwerkzeug (8H) mit einer Energiequelle, einer Anordnung zum Befestigen und Lösen des Werkzeuges (88) von derEnergiequelIe, einem Drehmomentmeßgerät sowie einem Winkelmeßgerät,

   eine Datenverarbeitungsanlage (106), die an die Drehmoment- und Winkelmeßgeräte angeschlossen ist, mit

   einer Anordnung zur Bestimmung eines mittleren Haltepunktes (32), der Befestigungselemente bei mindestens etwa 0,4 der Elastizitätsgrenze des schwächsten Verbindungseiemententeiles aus dem ermittelten Diehmomentwert und einem vorbestimmten Winkel und einer Anordnung zur Abgabe eines Haltebefehls an das Werkzeug (88) zum Einhalten des Anziehvorganges bei dem mittleren Haltepunkt (32), —

   eine Anordnung zur Berechnung des Drehmomentverhältnisses in

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   einem Bereich angrenzend an den mittleren Haltepunkt (32), aus den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten,

   eine Anordnung zur Berechnung der Spannung innerhalb eines der Befestigungselemente an einer Stelle zwischen dem Beginn des Anziehvorganges und dem mittleren Haltepunkt (32) aus dem ermittelten Drehmomentwert an dieser Stelle, dem berechneten Drehmomentverhältnis und einem empirisch bestimmten Spannungsverhältnis für einen Bereich zwischen 0,1 und 0,5 der Elastizitätsgrenze,

   eine Anordnung zur Berechnung des Wertes eines Anziehparameters der hinreicht, das Befestigungselementenpaar auf einen vorbestimmten Endspannungswert anzuziehen, aus dem empirisch bestimmten Spannungsverhältnis oberhalb des Bereiches von 0,1 bis 0,5 der Elastizitätsgrenze,

   eine durch die Datenverarbeitungsanlage (106) gesteuerte Anordnung zur Wiederaufnahme des Anziehvorganges und

   einer auf den Wert des Anziehparameters ansprechenden Anordnung zur Beendigung des Anziehvorganges im Bereich des vorbestimmten Endspannungswertes.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Berechnung des Anziehparameterwertes eine Dividieranordnung (324) zur Division der Differenz zwischen dem vorbestimmten Endspannungswert und der örtlich berechneten Spannung durch das empirisch bestimmte Spannungsveirältnis oberhalb des Bereiches von 0,1 bis 0,5 der Elastitzitätsgrenze.

   15. Verfahren zum Anziehen eines Paares von Gewindebefestjgungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß man aufeinanderfolgend

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   das Befestigungselementenpaar mit einem steuerbaren, angetriebenen Werkzeug anzieht,

   den Anziehvorgang unterbricht und den Betrag der Werkzeugüberdrehung mißt,

   den Anziehvorgang wieder aufnimmt und

   das Werkzeug beeinflußt, den Anziehvorgang als Funktion der gemessenen Werkzeugüberdrehung abzuschließen.

   16. Vorrichtung zum Anziehen eines Paares von Gewindebefestigungselementen, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeug (88), mittels welchem der Anziehvorgang des Befestigungselementenpaares zeitweilig unterbrechbar und anschließend wieder aufnehmbar ist,

   eine Anordnung zur Messung des Betrages der Werkzeugüberdrehung während der zeitweiligen Unterbrechung des Anziehvorganges und

   eine Steueranordnung für das Werkzeug (88) zur Beendigung des Anziehvorganges als Funktion der gemessenen Werkzeugüberdrehung.

   17. Verfahren zur Ermittlung einer Funktionsstörung eines Werkzeuges während des Anziehens eines Paares von Gewindebefestigungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Befestigungselementenpaar mit dem Werkzeug anzieht, den Betrag der Werkzeugüberdrehung vorbestimmt, das Werkzeug zur Beendigung des Anziehvorganges steuert und

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   den Betrag der tatsächlichen Werkzeugiiberdrehung mißt und

   die Funktionsstörung des Werkzeuges anzeigt, für den Fall, daß die gemessene Werkzeugüberdrehung wesentlich von der vorbestimmten Werkzeugüberdrehung abweicht.

   18. Vorrichtung zur Bestimmung einer Funktionsstörung des Werkzeuges während des Anziehens eines Paares von Befestigungselementen, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen des Befestigungselementenpaares,

   eine Anordnung zur Vorbestimmung des Betrages der .Werkzeugüberdrehung, nachdem das Werkzeug (88) ein Signal zur Beendigung des Anziehvorganges erhalten hat,

   eine Anordnung zur Steuerung des Werkzeuges (88) zur Beendigung des Anziehvorganges,

   eine Anordnung zur Messung des tatsächlichen Betrages der Werkzeugüberdrehung, nachdem das Werkzeug (88) das Signal zur Beendigung des Anziehvorganges erhalten hat und

   eine Anordnung zur Anzeige der Funktionsstörung des Werkzeuges (88) für den Fall, daß die gemessene Werkzeugüberdrehung wesentlich von der vorbestimmten Werkzeugüberdrehung abweicht.

   19. Verfahren zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, im wesentlichen identischer Paare von Gewindebefestigungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß man -

   die Befestigungselementenpaare mit einem angetriebenen Werkzeug anzieht,

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   einen Endanziehparameter ermittelt,

   den Betrag,der von einem Befestigungselementenpaar zum nächsten variablen Werkzeugüberdrehung bei der Beendigung des Anziehvorganges vorausbestimmt und

   das Werkzeug zur Beendigung des Anziehvorganges eines jeden Befestigungselementenpaares, entsprechend dem Anziehparameterendwert und dem Betrag der vorausbestimmten Werkzeugüberdrehung steuert.

   20. Vorrichtung zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, im wesentlichen identischer Paare von Gewindebefestigungselementen bis zu einem vorbestimmten Befestigungsendparameter, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen eines jeden Befestigungsei ementenpaares,

   eine Anordnung zur Vorausbestimmung des Betrages der Werkzeugüberdrehung bei der Beendigung des Anziehvorganges, der von einem zum nächsten Befestigungselementenpaar variabel ist und

   eine Steueranordnung für das Werkzeug (88) zur Beendigung des Anziehvorganges eines jeden Befestigungselementenpaares, entsprechend der Differenz zwischen dem Anziehparameterendwert und dem Betrag der vorbestimmten Werkzeugüberdrehung.

   21. Verfahren zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender,

   im wesentlichen identischer Gewindebefestigungselementenpaare, dadurch gekennzeichnet, daß man -

   das Befestigungselementenpaar anzieht,

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   einen Anziehparameter sowie eine nicht-lineare Spannung während des Anziehvorganges überwacht,

   normalerweise den Anziehvorgang des Befestigungselementenpaares, entsprechend der Erreichung des Anziehparameterwertes abschließt und

   den Anziehvorgang des Befestigungselementenpaares entsprechend der Ermittlung einer nicht-linearen Spannung für den Fall deren Eintrittes vor der Erreichung des Anziehparameters abschließt.

   22. Vorrichtung zum Anziehen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender, im wesentlichen identischer Gewindebefestigungselementenpaares, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen des Befestigungselementenpaares,

   eine Anordnung zur Überwachung eines Anziehparameters und des Eintrittes nicht-linearer Formänderungen während des Anziehvorganges,

   eine Anordnung zur normalen Beendigung des Anziehvorganges entsprechend der Erreichung des Anziehparameterwertes und

   eine Steuerungsanordnung für das Werkzeug (88) zur Beendigung des Anziehvorganges,entsprechend der Ermittlung nicht-linearer Verformungen vor der Erreichung des Anziehparameters.

   23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Berechnung des erzielten Endspannungswertes in einem der Befestigungselemente, nachdem dec. Anziehvorgang des Werkzeuges (88) entsprechend der ermittelten nicht-linearen Verformung abgeschlossen ist, vorgesehen ist.

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   24. Verfahren zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß man

   aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Befestigungselementen anzieht, das Eintreten nicht-linearer Spannungsverformungen der Befestigungselemente überwacht,

   den Anziehvorgang entsprechend eines Anziehparameters abschließt, wobei ein geringer Teil der Befestigungselemente einer nicht-linearen Spannungsverformung unterzogen ist,

   die Häufigkeit nicht-linearer Spannungsverformungen überwacht,

   25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß man die physikalischen Charakteristika der Befestigungselemente entsprechend des Auftretens einer Häufigkeit linearer Spannungsverformungen bei mehr als den kleinen Teil der Befestigungselemente mißt.

   26. Vorrichtung zum Anziehen von Gewindebefestigungselementen, gekennzeichnet durch

   ein Werkzeug (88) zum Anziehen der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Ermittlung des auf die Befestigungselemente übertragenen Drehmomentes sowie des Winkelvor-^v Schubes der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Überwachung des Eintretens nicht-linearer Spannungsverformungen der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Beendigung des Anziehvorganges entsprechend einem Anziehparameter, wobei ein kleiner Teil der Befestigungselemente einer nicht-linearen Spannungsverformung

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   ausgesetzt ist und

   eine Anordnung zur Überwachung der Häufigkeit des Auftretens nicht-linearer Spannungsverformungen.

   27. Verfahren zur Überwachung des Anziehens von Verbindungsstellen mittels Gewindebefestigungselementenpaaren, dadurch gekennzeichnet, daß man

   aufeinanderfolgend eine Mehrzahl der Befestigungselementenpaare anzieht,

   das übertragene Drehmoment und den Winkelvorschub der Befestigungselementenpaares ermittelt,

   den Anziehvorgang entsprechend einem ersten Anziehparameter beendet und die Spannung innerhalb der Verbindungsstelle berechnet,

   die Spannung innerhalb der Verbindungsstelle über einen zweiten Anziehparameter, der von den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten abgeleitet ist, berechnet und

   die berechnete Spannung vom Abschluß des Anziehvorganges mittels des ersten Anziehparameters mit der berechneten Spannung über den zweiten Anziehparameter vergleicht.

   28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Anziehparameter das Drehmoment und der andere Anziehparameter der Winkel ist.

   29. Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindungsstelle mi-fetels Gewindebefestigungselementen, gekennzeichnet durch

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   ein Werkzeug (88) zum Anziehen der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Ermittlung des auf die Bef estigungs-r elemente übertragenen Drehmomentes und des Winkelvorschubes der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Beendigung des Anziehvorganges entsprechend einem ersten Anziehparameter,

   eine Anordnung zur Berechnung der Spannung innerhalb der Verbindungsstelle,

   eine Anordnung zur Berechnung der Spannung innerhalb der Verbindungsstelle über einen zweiten Anziehparameter, der von den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten abgeleitet ist und

   eine Anordnung zur Vergleichung der berechneten Spannung von der Beendigung des Anziehvorganges mittels des ersten Anziehparameters mit der berechneten Spannung von dem zweiten Anziehparameter.

   30. Verfahren zur Ermittlung einer Funktionsstörung eines Werkzeuges während des Anziehvorganges einer Mehrzahl von Gewindebefestigungselementenpaare, dadurch gekennzeichnet, daß man

   aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Befestigungselementen mit einem angetriebenen Werkzeug anzieht,

   den Anziehvorgang entsprechend dem Wert eines Anziehparameters bei einem Enddrehmoment abschließt, das geringer ist als das Überlastungsdrehmoment des Werkzeuges und _

   die Funktionsstörung des Werkzeuges für den Fall anzeigt, daß

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   das Werkzeug vor Erreichen des Endparameterwertes überlastet ist.

   31. Vorrichtung zur Bestimmung der Funktionsstörung eines Werkzeuges während des Anziehens einer Mehrzahl von Gewindebefestigungselementenpaaren, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) mit einem vorbestimmten Überlastungsdrehmoment,

   eine Anordnung zur Beendigung des Werkzeugbetriebes entsprechend eines Anziehparameterwertes bei einem Enddrehmoment, das geringer ist als das Überlastungsdrehmoment des Werkzeuges sowie

   eine Anordnung zur Anzeige der Funktionsstörung des Werkzeuges (88) für den Fall, daß das Werkzeug (88) überlastet ist, bevor der Endparameterwert erreicht ist.

   32. Verfahren zur Verbindung einer Mehrzahl von Verbindungsstellen mittels Gewindebefestigungselementenpaaren, dadurch gekennzeichnet, daß man

   jedes Befestigungselementenpaar mit einem steuerbaren, angetriebenen Werkzeug bis auf einen Spannungswert anzieht, der mindestens 0,4 der Streckfestigkeit ausmacht und unterhalb der Steckgrenze liegt,

   den Anziehvorgang unterbricht und eine Erholung der Verbindungsstelle gestattet und

   den Anziehvorgang bis zum Endanziehparameter wieder aufnimmt.

   33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß man während des Anziehunterbrechungs- und Erholungsschrittes die

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   Winkelstellung der Befestigungselemente unverändert beläßt.

   34. Vorrichtung zur Verbindung einer Mehrzahl von Verbindungsstellen mittels Gewindebefestigungselementenpaaren, gekennzeichnet durch

   ein steuerbares, angetriebenes Werkzeug (88), mittels welchem der Befestigungsvorgang des Befestigungselementenpaares temporär unterbrechbar und anschließend wieder aufnehmbar ist,

   eine Steuerungsanordnung für das Werkzeug zum Anziehen des Befestigungselementenpaares bis zu einem Spannungswert von mindestens 0,4 der Steckfestigkeit und unterhalb der Streckgrenze und anschließender temporärer Unterbrechung der Schraubbewegung zur Gestattung einer Verbindungsstellenerholung und

   eine Steueranordnung für das Werkzeug (88) zur Wiederaufnahme des Anziehvorganges im Anschluß an die Verbindungsstellenerholung.

   35. Verfahren zum Anziehen einer Verbindungsstelle mittels einer Mehrzahl von Gewindebefestigungselementenpaaren, dadurch gekennzeichnet, daß man

   die Befestigungselementenpaare gleichzeitig anzieht,

   das auf die Befestigungselementenpaar übertragene Drehmoment mißt,

   die Schraubbewegung der Befestigungselementenpaare zwc Gestattung einer Verbindungsstellenerholung unterbricht und,

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   4t 2735Ü94

   nachdem der Befestigungsvorgang aller Befestigungselemente unterbrochen ist, den Befestigungsvorgang der Befestigungffilementenpaare um einen Endanziehwinkelbetrag wieder aufnimmt, der gemessen ist von einer Stelle, an welcher das gemessene Drehmoment mindestens gleich dem Drehmoment ist, das unmittelbar vor der Unterbrechung der Drehbewegung vorliegt.

   36. Vorrichtung zur Verbindung einer Verbindungsstelle mittels einer Mehrzahl von Gewindebefestigungselementenpaaren, gekennzeichnet durch

   eine Mehrzahl steuerbarer, angetriebener Werkzeuge (88), mittels welchen das Anziehen der Befestigungselementenpaare unterbrechbar und wieder aufnehmbar ist, sowie eine Anordnung zur Messung des auf die Befestigungselementenpaare übertragenen Drehmomentes,

   eine Steuerungsanordnung für die Werkzeuge (88) zur Aufnahme des Anziehvorganges der hiermit in Verbindung stehenden Befestigungselementenpaare,

   eine Anordnung zur separaten Steuerung eines jeden Werkzeuges (88) zur Unterbrechung des Anziehvorganges des jeweils hiermit verbundenen Befestigungselementenpaares, unabhängig von der Unterbrechung des Anziehvorganges anderer Befestigungselementenpaare sowie einer Steuerungsanordnung für die Werkzeuge (88), nachdem die Unterbrechung des Anziehvorganges aller Befestigungselementenpaare erfolgt ist, den Anziehvorgang der Befestigungselementenpaare um einen Endanziehwinkelbetrag wieder aufzunehmen, der von einer Stelle gemessen ist, wo das gemessene Drehmoment mindestens gleich dem Drehmoment ist, das unmittelbar vor der Unterbrechung der Schraubbewegung vorliegt.

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   37. Vorrichtung zur Überwachung des Anziehens von Gewindebefestigungselementen, gekennzeichnet durch

   eine Anordnung zur Bestimmung des Drehmomentverhältnisses in einem ersten und zweiten Bereich einer Region, in welchem das Drehmomentverhältris für Bolzen hoher Qualität im wesentlichen konstant ist, sowie eine Anordnung zur Vergleichung der Drehmomentverhältnisse in dem ersten und zweiten Bereich zur Bestimmung, ob das Drehmomentverhältnis in dem Bereich im wesentlichen konstant ist.

   38. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die auf die Vergleichsanordnung anspricht,zur Anzeige eines Befestigungselementes, das ein nicht-konstantes Drehmomentverhältnis in der Region aufweist.

   39. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch

   ein Werkzeug (88) zum Anziehen der Befestigungselemente und

   eine Anordnung, die auf die Vergleichsanordnung anspricht, zum Ausschluß eines weiteren Vorschubes des Werkzeuges für den Fall, daß ein Befestigungselement mit nicht-konstantem Drehmomentverhältnis identifiziert ist.

   40. Verfahren zum Anziehen einer Mehrzahl von Verbindungssstellen mit Gewindebefestigungselementen auf im wesentlichen den gleichen vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze aller Verbindungsstellenelemente, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen der Befestigungselemente,

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   BOEHMERT & BOEHMERT

   eine Anordnung zur Bestimmung einer Funktion des auf die Verbindungselemente übertragenen Drehmomentes und einer Funktion des Winkelvorschubes der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Berechnung eines Anziehparameters, der sich von einem zum nächsten Befestigungselement verändert, von den bestimmten Funktionen, hinreichend zum Anziehen der Befestigungselemente auf den vorbestimmten Endspannungswert unterhalb der Streckgrenze aller Verbindungsstellenelemente und

   eine Anordnung zur Beendigung des Anziehvorganges bei Erreichung des Anziehparamters.

   41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsanordnung eine Anordnung zur Ermittlung des auf die Befestigungselemente übertragenen Drehmomentes sowie eine Anordnung zur Umwandlung des ermittelten Drehmomentes in den Logarithmus des ermittelten Drehmomentes umfaßt, während die Anordnung zur Berechnung eine Anordnung zur Berechnung eines Anziehparameters aus der Winkelfunktbn und aus dem Logarithmus des Drehmomentes beinhaltet.

   42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsanordnung eine Anordnung zur Differenzierung des Logarithmus des ermittelten Drehmomentes nach der Zeit und eine Anordnung zur Ermittlung des Verhältnisses des Winkelvorschubes in bezug auf die Zeit umfaßt, während die Berechnungsanordnung eine Anordnung zur Berechnung eines Anziehparameters aus dem differenzierten Logarithmus des Drehmomentes und aus dem Verhältnis des Winkelvorschubes beinhaltet.

   43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsanordnung eine Anordnung zur Bestimmung des

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   Drehmomentverhältnisses in bezug auf den Winkel und zur Bestimmung der in mindestens einem der Befestigungselemente auftretenden Spannung, zumindest bei Beendigung des Anziehvorganges aus dem bestimmten Wert des Dreh— momentverhältnisses umfaßt.

   44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsanordnung eine Anordnung umfaßt,mittels welcher, im wesentlichen kontinuierlich, die Ableitung des Logarithmus des laufenden Drehmomentes nach dem Winkel bestimmbar ist.

   45. Vorrichtung zur Überwachung des Anziehens einer Mehrzahl von Verbindungsstellen.mittels im wesentlichen identischer Gewindebefestigungselemente, gekennzeichnet durch

   ein Werkzeug (88) zum Anziehen der Befestigungselemente,

   eine Anordnung zur Ermittlung des Drehmomentes bei verschiedenen Winkelstufen während des Anziehvorganges und

   eine Anordnung zur Bestimmung der Spannung aus den ermittelten Werten, die in einem der Befestigungselemente beim Abschluß des Anziehvorganges vorliegt, bei einem Spannungswert in der Nähe der Streckgrenze des Befestigungselementes, wobei sich die Spannung von der Nennstreckfestigkeit des Befestigungselementes unterscheidet und von Verbindungsstelle zu Verbindungsstelle variiert.

   46. Verfahren zur Überwachung des Anziehens einer Verbindungsstelle mittels mindestens eines Gewindebefestigungselementenpaares, dadurch gekennzeichnet, daß man

   das Befestigungselementenpaar über die Streckgrenze hinaus anzieht,

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   das auf das Befestigungselementenpaar übertragene Drehmoment bei verschiedenen Winkelstufen ermittelt,

   aus den ermittelten Werten die Spannung bestimmt, die in einem der Befestigungselemente bei Beendigung des Anziehvorganges auftritt, bei einem Spannungswert in der Nähe der Streckgrenze des Befestigungselementes, wobei sich die Spannung von der Nennfestigkeit des Befestigungselementes unterscheidet und von Verbindungsstelle zu Verbindungsstelle variabel ist.

   47. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man die Werkzeugüberdrehung als Funktion des Drehmomentverhältnisses vorausbestimmt.

   48. Vorrrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausbestimmungsanordnung eine Anordnung zur Vorausbestimmung der Werkzeugüberdrehung als Funktion des Drehmomentverhältnisses umfaßt.

   49. Vorrichtung zur Überwachung des Anziehens eines Gewindebefestigungselementenpaares, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen des Befestigungsei ementenpaares,

   eine Anordnung zur Ermittlung des Drehmomentes und des Winkels während des Anziehvorganges,

   eine Anordnung zur Umwandlung der ermittelten Drehmomentwerte in die Ableitung des Logarithmus des Drehmomentes und _

   eine Anordnung zur Bestimmung des Abschlusses des Anziehvorganges des Befestigungselementenpaares entsprechend einer

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   BOEHMERT & BOEHMERT

   Funktion der Ableitung des Logarithmus des Drehmomentes.

   50. Verfahren zur Anziehung einer Verbindungsstelle mit einem Gewindebefestigungselementenpaar, dadurch gekennzeichnet, daß man

   das Befestigungselementenpaar anzieht,

   das auf die Befestigungselementen übertragene Drehmoment und den Schraubwinkel ermittelt,

   während des Anziehens den Beginn der Spannung in dem Befestigungselementenpaar von den ermittelten Drehmoment- und Winkelwerten bestimmt,

   einen Abschaltparameter aufgrund des Beginns der Spannung bestimmt und

   den Anziehvorgang entsprechend dem Abschaltparameter beendet.

   51. Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindungsstelle mittels eines Gewindebefestigungselementenpaares, gekennzeichnet durch

   ein angetriebenes Werkzeug (88) zum Anziehen des Befestigungspaares,

   eine Anordnung zur Ermittlung des auf die Befestigungselemente übertragenen Drehmomentes und des Schraubwintoelanstieges,

   eine Anordnung zur Bestimmung des Spannungsbeginnes in dem Befestigungspaar aus den ermittelten Drehmoment- und~Winkelwerten während, des Anziehens,

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   eine Anordnung zur Bestimmung eines Abschaltparameters aufgrund des Spannungsbeginns während des Anziehvorgangs und

   eine Anordnung zur Beendigung des Betriebes des angetriebenen Werkzeuges (88) entsprechend dem Abschaltparameter.

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