DE2751885A1

DE2751885A1 - Verfahren und vorrichtung zum vorspannen einer schraubverbindung

Info

Publication number: DE2751885A1
Application number: DE19772751885
Authority: DE
Inventors: Carl-Gustav Carlin; Stefan Mikael Bert Skyllermark
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1976-11-22
Filing date: 1977-11-21
Publication date: 1978-05-24
Also published as: US4161221A; GB1592985A; IT1090935B; SE7613006L; FR2371679B1; AU3080877A; CA1113587A; BR7707763A; CS207604B2; DD132741A5; ES464336A1; FR2371679A1; PL202307A1; JPS5377399A; SE423344B; PL118816B1; AU510269B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vorspannen einer Schraubverbindung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren scvie ?i^^ Ver richtung zur, Vorspannen einer Schraul . verbinder■■- ruf sine vorbestini^te Axiallast durch Anwendung -ire^c • Orchrononts <iuf die Verbindung unter cjer "crorr.ref"Hfif/

τ clnß das A>;i all ast/Drehungs-V^rhiil tnis (—) für die

Verbindung bekannt ist.

Gem? β den zumeist üblichen Schraubverbirduncrs-Vr.rspannverfahren wird "die Verbindung bis zu einer. Jestimmten Drehmomentniveau angezogen. Dieses D>.ohrcrert. niveau ist zuvor durch Versuche derart bestirrt vorder daß es einer gewünschten Zugspannung in der Ver^vir.ri;r" entspricht. Aufgrund von inderunaen in der Reibur.^ krankt dieses Vorfahren an sehr starken /^bv/eichunc^r in der erhaltenen Axiallast.

Lin vorbekanntes Verfahren zum Vermeiden dieses Nachteils ist in der υε-PS 3 939 92o beschrieben. Oerrr diesen vorbeschriebenen Verfahren v/ird die Schraubverbindung bis zu ihrer Streckgrenze angezogen, und das bis zu diesem yomant ang^vencete Drehronent vird registriert. Dieses Verfahren beruht auf der Tats?ch^, daß bei der Streckgrerze eirr- bestinrte Axiallast in Verhältnis zu einem bestimmten Drehmoment erhalten wird. Dieses Drehmoment ist ssinerseits abhängig von uei. tatsächlichen Reibunc-gkrclften ir der Schrauh -

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verbindung. Aus dieser Abhängigkeit ist es niedlich, die erhaltene Axiallast an der Streckgrenze durch Hessen des angewandten Drehnoments zu bestirr.en. Dadurch wird das Axiallast/Drehmorsnt-VerhSltnis für eine bestimmte Verbindung bestirirt. Ur ein» gevilnnchte Axiallast in einer Verbindung geräß eiesan "'prfphren zu erhalten, wird die Schraubverbindung bis zur EtrecV-grenze angezogen, un das jeweilige Last/Drehpcrent-Verhältnis zu schaffen, woraufhin die Verbindung cielockert und von neuem auf ein DrehFomentniveau angezogen wird, das der gewünschten AxiallastgröCe entspricht.

Dieses vorbekannte Verfahren leidet unter zwei schwerwiegenden Fehlerquellen, welche die Genauigkeit der erhaltenen Axiallast ernsthaft beeinträchtigen. Tine dieser Ouellen beruht auf der Tatsache, daP bei r'nr theoretischen Basis für die Bestirnunn der Axjallast an der Streckgrenze ang-enomren worden ist, daß die Reibungskräfte in den: Gewinde die gleichen sine¹ wie unterhalb des Schrauben- oder Mutternkopfes. Ties ist nur in Ausnahmefällen gegeben, und normalerweise v«rcen Abv-aichungen in der Axiallast erhalten. Die Theorie ist auf der Tatsache gegründet, daß die Reibunc-slrrftf? im Cewincie der Schraubverbindung ein Ansteigen auf eine Torsionsbelastung in der Schraube liefern, volr^os das an der Streckgrenze erhaltene Drehmoment beeinflussen. Die unter dem Kopf der Schraube oder/umder Mutter wirkenden Reibungskräfte führen aucl zu einem erhöhten Drehmomentniveau, beeinfluss2n jct-c.r·:·; nicht die Spannung in der Schraube. £nderunger ir. rvr Roi buncj skrSf ten unterhalb des Schraubenkopf es unc/cccr tier Mutter führen deshalb zu einer Abweichung ir ccr erhaltenen Axi^llast.

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Die andere Fehlerquelle bei dem vorbekanrten Varfr'r betrifft die Tatsache, daß die Schraubverbindung zweimal angezogen werden muß. Eeim zweiten Anzirhor sind jedoch die PeibunoskrSfte in der Verbincuna 1 ■-■-triichtlich niedriger als bein ersten Anziehen, wps bedeutet, da/?, die DrehmontentgröPe, die zur Liefcruruj der Axiallast aus dem ersten Anziehen veranschlagt wurde, zu groß wird. Darüber hinaus sind di? Abweichungen in der Reibungsverminderung erheblich.

Zusätzlich erfordert dieses bekannte Verfahren eine verhältnismäßig lange Zeitspanne und eir komplizierter, Steuersystem für den Schrauber.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu l^sor., was mit Hilfe der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigent

Fig. 1 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Axiallast von der Drehung in einer Schraubverbindung v/iedergibt,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit des Drehmoments vcn der Drehung in der Schraubverbindung dargestellt ist, und

• *

FIg, 3 in schematischer Darstellung einen

Schrauber mit einer Steuereinrichtung g?mäß der Erfindung.

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Das erfindungsgerüße Schraubvorbindungs-Vorsj nnnvorfahren basiert auf dem Umstand, daP die Federkonstanto einer Schraubverbindung nur innerhalb sehr enger Grenzen schwankt. Dies ist besonders bei Schraubverbindungen der Fall, in denen die Komponenten mit be- ·* scnöerer Sorgfalt hergestellt und bearbeitet V7prc?f?r. Derartice Schraubverbindungen v/erden bei Kurbelwellenlagerkappen und Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen angetroffen. Eel solchen Schraubverbindungen treten noch einige beträchtliche Abweichungen in dsn Peibung«?- krSften auf, und die Hauptaufgabe der FrfinSung besteht in der Schaffung einer genau vorbestlnmten axialen Last oder Vorspannung in der SchrauDverbindum ohne Beeinflussung durch die Reibungskräfte. Ζυ diesen Zwecke wird cer Drehwinkel beim Anziehen der Schraubverbindung als Fezugsgröße anstelle des ang<;wf»nciton Lrehnonents verwendet.

Demgemäß basiert das erfindungsgeriiße Anziehverfahran auf den Umstand, daß die Federkonstante k, tl.h. das Äxiallast/Drehung-Verhixltnis ^ für die Schraubverbindung bekannt ist. Dieses Verhältnis virci iri "ersuch öurch !!essen der Axiallast und des Drehwinkels bei einer Anzahl von Schraubverbindungen der jeweiligen Type bestimmt. Cer erhaltene Mittelwert kann graphisch wie in Fig. 1 aufgetragen werden, wo F die Axiallast, ψ der Drehwinkel und Λ ψ der spezifische Drehwinkel ist, der der gewünschten Axiallast F entspricht.

In Fig. 2 ist graphisch ein typisches solches Verhältnis beim Festziehen einer Schraubverbindung bis zur Streckgrenze dargestellt. Die gezeigte Kurve gibt wieder, wie der Anziehvorgang aus drei verschiedenen Abschnitten besteht, nSmlich einem ersten Abschnitt von Null bis zum Punkt A, einem zweiten Abschnitt vom Punkt A zvuu runkt B und einem dritten

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Abschnitt oberhalb des Punktes P.

Der erste Abschnitt, der im Funkt /■ öer Kurve enc'ct, veranschaulicht con IJiederschraubvorgiing oor Schr«uil-- oder Kutter und weist einen sehr ungleichen Drehnonrt t enstiag auf. Im Punkt A schließt sich o<^r Festzichvorgang mit dem zweiten Abschnitt an, der linear ist und ein zunehmendes elastisches Vorspannen der Schraulverbindung wiedergibt. Vom Punkt E ar beginnt der dritte Abschnitt und zeigt ein Abnehmen des Drehmomont anstiegs als Folge einer plastischen Verformung dr>r Schraubverbindung. Punkt B stellt also die Streckgror. der Schraubverbindung dar.

Somit gibt der lineare'Abschnitt der Kurve die elastische Verformung der Schraubverbindung wieder, die durch eine zunehmende Axial last hervorgerufen wird, wobei der Gradient der Kurve der Steifigkeit der Schraubverbindung entspricht.

Geiritiß der vorliegenden Erfindung ist die Abhängigkeit des Drehr.or ents vom Drehwinkel M (») innerhall des linearen elastischen Verforr-ungsterGichs zwischen der Punkten Λ und E auf der Kurve bestimmt. Diese Eestiirjnung erfolgt durch Errechnen des Drehmoment/ Drehungs-Gradienten τ- an zv/ei willkürlich gewählten Punkten »!.,«. bzw. ^Mo ' T 2 *

Durch Extrapolieren des linearen Teils der Drehmoment/ Drehzahl-Abhängigkeit M (a> ) wird eine Kinkellage co bestimmt, die einen theoretiFchen spannungslosen Zustand der Schraubverbindung darstellt. Um die gewünschte Vorspannung F zu erhalten, muß die Schraubverbindung um einen Winkel Δθ| von dem zuvor berechneten Winkel QP « für den spannungslosen Zustand gedreht v/erden. Demgemäß ist der oesamte Festziehwinkel

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In Pig. 3 ist schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgeWlPen Vorspannverfehrons ep* zeigt. Die Einrichtung enthiilt einen Druckluftschrauber 1o und eine daran angeschlossene Steuereinheit 11. Dor Druckluftschrauber 1o weist zwei F(IhI- und Signalalgabeeinrichtungen 12_f 13 für das vorn Schraul'^r ?usretibte Drehrionent bzw. dessen Drehung aus. Die Fteucrainheit 11 ist an den Druckluftschrauber 1o Chor Sionaleingänge /. und F angeschlossen. Die Steuereinheit 11 ist ferner mit einem Druckluft-FinlaPvnnti] 1* für den Schrauber Io verbunden. Weitare hier rieht aufgezählte Bestandteile der Einrichtung erscheinen in der nachstehenden Beschreibung ihrer Wirkungsweise.

Beim Vorspannen einer Schraubverbindung genii ß der Erfindung werden Drehmoment- und Drehungssignale in eine Differenziereinrichtung 15 über einen Verstärker 16 und einen Signalformer 17 eingegeben. In eier

Differenziereinrichtung 15 wird der Drehirorent/

dM Drohungs-Gradient ^- errechnet und zu einer Multiplikator 1P weiti»rgt2leitet. Wenn ein Drehnonentniveau M₂ erhalten i3t_r lfißt die Differenziereinrichtung 15 das Signal zu einem Haltekreis 19 weitergelangen. Das Drehiromentniveau M, ist willkürlich gewfihlt.

Der Druckluftschrauber 1o ist mit einem drücker 2o versehen, mit welchem sich der Schrauber durch Betätigen des Einlaßventils 14 in Gang satzen liißt, wobei ein Impulszähler 21 zurückgestellt wird und ein weiterer Impulszähler 22 auf eine vorbestirrcte Anzahl von winkelbezogenen Impulsen voreingesteilt wird. Diese Impulszahl wird von einem von Hand einstellbaren Element 2P zugeführt und gibt den geforderten rastziehwinkel ΛΦ wieder.

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Der Zähler 21 vermag Impulse von einem Oszillator 23 aufzunehmen und derartige Impulse dem Multiplikator weiterzugeben. Die Anzahl der aufgenommenen und gezahlten Impulse entspricht derr Prehungsir.tervall, das im Multiplikator 18 mit dem Drehronent/Drehunqs-Gradienten -j-r zum Erhalten der Menge η · %— multipliziert wird, v/obei η die Impulsanzahl ist. ni<?q^ schnell ansteigende Menge wird mit dem erhaltenen Drehrcnentwart M₂ in einen Vergleicher 24 verglichen, und der Vergleicher 24 liefert ein AUS-Signal, vern dier.e Werte einander gleich sind. Die erhaltene Anzahl von Impulsen entspricht dem Drehwinkel <P -

Die Differenziereinrichtung 15 ist so ausgebildet, daß sie ein Ausgangssignal zu einem UND-Gatter 25 liefert, wenn das augenblickliche Drehmoment in der Schraubverbindung den Wert M_ erreicht hat. Pas UND-Gatter 25, das einen invertierten Finaann bat, ist an den Vergleich'er 24 angeschlossen und läPt ein Signal zu eir.em veiteren UND-Gatter 2F hirrurch, v/enn das Drehmoment in der Schraubverbindung Drehmomentniveau M- erreicht hat. Das UND-Gattpr 2fi ist an den Oszillator 23 angeschlossen und wird bein Erhalt eines Signals vom UND-Gatter 25 die «rz^uerf-^p Impulse zum Wähler 21 hindurch lassen.

Wenn eine ausreichend groPe Anzahl von Impulsen hindurchgelassen und mit dem Drehmoment/Drehurns-Gradienten ^TJ, multipliziert worden ist, wird ein ausgeglichener Zustand im Vergleicher 24 erreicht, urd es wird von diesem eir Ausgargssignal geliefert. Dieses Ausgangssignal wird das UND-Gatter 25 sperren und die V.'eitergabe. weiterer Impulse durch das UM)-Gatter 26 unterbrechen. Jene Impulse, die das UND-Gatter 26 durchlaufen und im Zähler 21 registrie worden sind, entsprechen eiern Drehunosintervall ω ₂ -<Γ

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Die Vorspannung der Schraubverbindung wird durch Drehen der Verbindung um den Winkelt «P "9?? ^verv°H~ stSndigt. Dies erfolgt bei der gezeigten Steuereinheit auf folgendem Wege:

Die gewünschte vorbestinrnte Axial last F in der Schraubverbindung muf in einen Drehwinkels^ mittels der Ioderkonstanten k der Verbindung umgesetzt verden. Die Anzahl von der GröBe dieses Winkels entsprechenden Impulsen muß in den ZShler 22 Über ein von Hand einstellbares Llement 28 eingegeben werden. Der "νΎΛ^τ ?2, der an den Zähler 21 und den Oszillator 23 vh*r oir> ODER-Gatter 29 angeschlossen ist, hat die gleiche Anzahl von Impulsen wie der ZHhler 21 erpfangen, ^i" äer Drehung um das Intervall a - "" ψ q entspricht;. Der Zähler 21 ist so ausgeh ildet, d?P er der,-* }--fulszahl von der Anzahl der vom Glied 23 zuc<?f'"hrt-.-r Impulse abzieht. Die verbleibende Anzahl von Irv.uis^-i entspricht dann^*'- 1*2*

Wenn die Drehi*or.entgrflße M₂ erreicht ist, schliePt das ODER-Gatter 26, und es wird stattdessen ein anderes ODKR-Gatter 3o geöffnet. Das ODER-Gatter 2c dient zum Verbinden des ZShlers 22 mit der Drehur.rrfühleinrichtung 13 des Druckluftschraubers, ver.n ri^ Drehnoirentgröße M« erreicht ist. Bei der Fortsetzung des Anziehvorgangs zieht der Zähler 22 diese Kinkelimpulse von den verbleibenden Impulsen ab, vras der Winkeldifferenz Δ<Ρ - y, entspricht. V?enn der Zfihler 22 auf Null angelangt ist, hat die Schraubverbinnung demgemäß d;ie Winkelstellung © erreicht, wodurch der Zähler 22 ein AUS-Signal zu dem Einlaßventil 14 des Druckluftschraubers 1o liefert, um das Abschaltet des Festziehvorgangs auszulösen.

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Ein vollständiger Vorspannungszyklus ist damit aboelaufen. Unmittelbar darauf vermag ein weiterer Vorsr-annzyklus? durch Betätigen des AuslösedrHckrrs 22 eingeleitet zu werden. Der Zähler 21 wird dadurch zurückgestellt, und der Zähler 22 wird auf einen Wert entsprechend den Winkel άΦ eingestellt.

Die Lrfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es beispielsweise nöglich, die Steifigkeit der Fchrauhverbindung ^- auf andere Weise zu errechnen, ebensr wie die Ausv.Thl eines geeigneten DrehrionentniveaiiR zur Lrrechnung der theoretischen spannungslopon ri lcige ω auf andere Weise erfolgen kann.

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Claims

Patenten sprüche

Verfahren zum Vorspannen einer Schraubverbindung auf eine vorbestimmte Axiallast (F ) durch Anwendung eines Drehnor.ents unter der Voraussetzung,

daß das Axiallast/Drehungs-VerhSltnis (g) der Schraubverbindung bekannt ist, gekennzeichnet durch

das Messen der Drehmoment-Drehungs-Abhangigkeit (M to) während des Abschnitts der linearen elastischen Verformung bein Festziehen,

das Errechnen einer theoretischen spannungslosen Wirkellage (<p_p) der Schraubverbindung durch Extrapolieren der bekannten Drehmoment/Drehungs-Abhängigkeit H(4>),

das Unterbrechen .der Anwendung des Festziehr.omentJ nach Drehen der Schraubverbindung aus der genannten theoretischen spannungslosen Winkellage (<f ₀) um ein Kinkalintervall (A«p), das gern?ß dem Fpannunqs/ Drehuncrs-VerhSl'tnis (—) dar vorbestimmten fxiallast (F ) entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u rch gekennzeichnet , daß das die Drehmoment/ Drehzahl-Abhängigkeit M(») von einem willkürlich ausgewählten Drehmomentniveau (M.) und dem bei diesem Drehmomentniveau (M₃) bestimmten Drehr.oirent/Drehunqs-Gradienten (^) errechnet wird, wobei das willkürlieh ausgev.^hlte Drehmoirentnive?u (M,) einer Winkelstellung (<l»2^ entspricht, die innerhalb des Wirkelintervalls (ACf) liegt, das mit der theoretischen spannungslosen Winkelstellung (4>q) beginnt.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Winkelintprvall zwischen der dem willkürlich ausgewählten Drerrorentniveau (.M-) entsprechenden Winkelstellung (Φλ) und der theoretischen spannungslosen Winkellage (<¥*(■>) °ntspricht, durch diejenige Anzahl von Winkalinnulsor. host in int ist, eic zusarrjren mit deir L rehrnor.ent/Prehupc.'s-Gradienten (-^) ein Produkt bildet, das der i.ort des genannten Drcnromentniveaus (M₂) gleich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß vor Esginn des ?-pziehvorgangs das der vorbestimmten Axiallast (F ) r-nt.-sprechende V/inkelintervall (^m ) in Forr; einor Impulsanzahl gespeichert wird, daf die Trzehl der Impulse, welche das Winkelintervall zwischen der theoretischen spannungslosen Winkellage (^P_n) und der den pusgewähl·-- ten Drehmonentniveau (M-) entsprechenden Winkelstellung wiedergibt, während·des Festziehens von der gespeicherten Impulszahl abgezogen wird, woraufhin die Anwendung des Anziehroments Über ein v/eiteres Vlinkelinterval] (/Jq? - (D ₂) fortgesetzt vird, welches von dar. Rest der gespeicherten Impulse bestimmt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der Oao Winkelintervall zwischen der theoretischen spannungslosan Winkellage (<P₀) und der dem ausgewählten Drehmomentniveau (M_) entsprechenden Winkelstellung (a??) wiedergibt, von einen Oszillator (23) geliefert vird und daß der Rest der gespeicherten Impulse von den von einer an die Schraubverbindung angeschlossenen Drehungsfühleinrichtung (13) erzeugten Impulsen abgezogen wird.

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6, Vorrichtung zum Vorspannen einer Schraubverbirdung auf eine vorbestinr.ts Axiallast (F ) unter der Voraussetzung, Ce.fl das Axiallast/Prehungs-Verhriltnis (■E) bekannt ist, gekennzeichnet durch ein crehmoir.entabgabendes Werkzeug (1c), Mittel (12, 13) zun /vbfühlen der Augenblicksverte cTes Drehncn.ents unc¹ Cos Drehwinkels und zum Abgeben entsprechender Signal? und eine an die vorgenannter« Mittel (12, 13) annnschlosseno und deren den /vugenblickswerten des Drehnomcnts und ces Drehwinkels entsprechende Sionale ?ufn«?hnenden Steuereinheit (11), v/elche einen orr.t^n Rechner (15, 19) zur Bestimmung der tatrSchlichen Drehnonent/Drehungs-ibhiingigkeit V(B) und einen zweiten Rechner (18) zur Bestimmung einer therretische'-spanr.ungslcr.er Winkellage ((Pq) c"er SchrauLvprMndung sevia Mittel (22, 28) zum Auslösen der ibscl aütung des drehnon^entabgebenden Werkzeugs (1o) enthalt, wenr die Schraubverbindung aus der theoretischer spannungslosen Kinkellage ((P₀) u*¹· ^i^ Kinkelirtervall (^ Qp ) cjt'dreht worden ist, die gemSß dem Axiallast/Drohuncrn-Verhiilti
spricht,

Verhältnis (—) der vorbestimmten Axiallast (F ) ent-

(T) ρ
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Fschr.er (18) einen impulserzeugenden Oszillator (23), einen Impulszähler (21), einen fortgesetzt das Produkt pus der Anzahl der gezählten Impulse und dem Gradienten (^i) der Drehnoment/Drehungs-AbhSngigkeit M(J>) bildenden Multiplikator (1ß) sowie einem Vergleicher (24) zuiii Vergleichen dieses Produkt mit einem bestimmten Drehmon entniveau entsprechend einer Winkelstellung (a?₂) enthält, die innerhalb des Winkelintervalls (4λ> gelegen ir.t, v^nn letzteres von c'er theoretischen spnnrungslopen Winkellage ( CP _o) ausgezählt v;ird.

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