DE2751916A1

DE2751916A1 - Verfahren und vorrichtung zum vorspannen einer schraubverbindung

Info

Publication number: DE2751916A1
Application number: DE19772751916
Authority: DE
Inventors: Carl-Gustaf 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: ES464335A1; CA1112335A; BR7707762A; IT1090934B; US4161220A; JPS6111748B2; GB1592984A; DE2751916C2; PL120643B1; DD133916A5; SU1172454A3; AU510308B2; JPS5377398A; PL202308A1; FR2371678B1; SE423343B; FR2371678A1; AU3080777A; SE7613005L

Description

Verfahren und Vorrichtung ium Vorspannen einer Schraubverbindung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein« Vorrichtung zum Vorspannen einer Schraubverbindung auf eine vorbestimnte Axiallast durch Anwendung eines Drehncnents auf die Verbindung» unter c.er Voraussetzung,

daß das Axiallast/Drehungs-VerhSltnis (—) für die

Verbindung bekannt ist.

Gen?β den zumeist üblichen Schraubverbir.dungs-Vcrspannverfahren wird 'die Verbindung bis zu einer bestimmten Prehmorr.entniveau angezogen. Dieses Drehmomertniveau ist zuvor durch Versuche derart best irrt worden, daP es einer gewünschten Zuqspannung in der Verbindung entspricht. Aufgrund von Änderungen in oer Reibung krankt dieses Vorfahren an sehr starken Abweichungen in der erhaltenen Axiallast.

lin vorbekanntes Verfahren zum Vermeiden dieses Tlachteils ist in eer US-PS 3 939 92o beschrieben. CerSC ciesem vorbeschriebenen Verfahren wird die Schraubverbindung bis zu ihrer Streckgrenze angezogen, und das bis zu diesem Woment angewendete Drehmoment v.ird registriert. Dieses Verfahren beruht auf der 7atsr>r*i^, daP bei der Streckgrerze eiro bestiiarte Axiallast in Verhältnis rn einem bestimmten Drehmoment erhalton wird. Dieses Drehmoment ist seinerseits abhrngig von uex. tatsächlichen Reibunrskriiften in der Pchrauf-

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Λ-

verbindung. Aus dieser Abhängigkeit ist es nc die erhaltene Axiallast an der Streckqrenze durch Messen des angewandten Drehmoments zu bestirren. Padurch wird das Axiallast/Drehmorent-Verhältnis für eine bestimmte Verbindung bestirnt. Ur" eir<? oevünschto Axiallast in einer Verbindung goräß diesen ^T"prfrhr<=n zu erhalten, wird die Schraubverbindung bis zur Streckgrenze angezogen, un das jeweilige Last/Drehncren+-- Veriüiltnis zu schaffen, woraufhin die Verbindung d?- lockert und von neuem auf ein Drehrorcntniver.u arn"-zogen wird, das der gewünschten AxiallastgröCe entspricht.

Dieses vorbekannte Verfahren leidet unter zwei schwerwiegenden Fehlerquellen, welche die Genauiakeit d«r erhaltenen Axiallast ernsthaft beeinträchtigen. Tire dieser Quellen beruht auf der Tatsache, daP bei der theoretischen Dasis für die Bestirnunn der Axjallast an der Streckgrenze anq-eromren worden ist, daP die Reibungskräfte in den; Gewinde die gleichen sine¹ wir unterhalb des Schrauben- oder fintternkcpfes. Ties ist nur in Ausnahmefällen gegeben, und ncrrialerweise vorcpr. Abweichungen in der Axiallast erhalten. Die Theorie ist auf der Tatsache gegründet, daß die Reibunr*s^v rrftr im Gewinde der Schraubverbindung ein Ansteigen auf eine Torsionsbelastung in der Schraube liefern, welches das an der Streckgrenze erhaltene Drehnor.ent beeinflussen. Die unter dem Kopf der Schraube cdsr/und der Mutter wirkenden Reibungskräfte führen auct zu einem erhöhten Drehmomentniveau, beeinflusssn jedoch nicht die Spannung in der Fchraute. änderungen in den Reibungskräften unterhalb des Schraubenkopfes und/oder der Mutter führen deshalb zu einer Abveichuna ir. ccr erhaltenen Axipllast.

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Die andere Fehlerquelle bei dem vorbekannten Verfahren betrifft die Tatsache, daß die Schraubverbindung zweimal angezogen werden muß. Beim zweiten Anziehen sind jedoch die Reibungskräfte in der Verbindung beträchtlich niedriger als beim ersten Anziehen, was bedeutet, daß die Drehmomentgröße, die zur Lieferung der Axiallast aus dem ersten Anziehen veranschlagt wurde, zu groß wird. Darüber hinaus sind die Abweichungen in der Reibungsverminderung erheblich.

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

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

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

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

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

Fig. 3 in scheretischer Darstellung einen

Schrauber mit einer Steuereinrichtung der Erfindung.

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Das erfindunnsgeriiße Schraubverbindungs-Vorsr. pnnverfahren basiert auf den Umstand, daP die Federkonstanto einer Schraubverbindung nur innerhalb sehr oncer Grenzen schwankt. Dies ist besonders bei Schraubverbindungen der Fall, in denen die Komponenten mit he-*' scnoerer Sorgfalt hergestellt und bearboitrt vnrrOr. Derartige Schraubverbindungen verden boi Kiirtplvoilnnlagerkappen und Zylinderkopf en von Erennkraftnnnrhin^n angetroffen. Eei solchen Schraubverbindungen trotpn noch einige beträchtliche Abweichungen in den roibiing^- kriiften auf, und die Hauptaufgabe der Frfindur.g bosteht in der Schaffung einer genau vorbestimmten axialen Last oder Vorspannung in der Schraubverbindung ohne Beeinflussung durch die Reibungskräfte. Zv diesen Zwecke wird der Drehwinkel beim Anziehen der Schraubverbindung als Fezugsgrcße anstelle des angewandten Drehnonents verwendet.

Deiugeniip basiert das erf indungsgenjiße An ζ iehverfp.hr an auf den Umstand, daH die Federkonstante k, d.h. eins

Axiallast/Drehung-Verhiiltnis — für dia Schraubverbindung bekannt ist. Dieses Vorhöltnis vird ir ''ersuch durch "essen der Axiallast und des Drehwinkels b?i einer Anzahl von Schraubverbindungen der jeweiligen Type bestimmt. Der erhaltene Mittelwert kann graphisch wie in Fig. 1 aufgetragen werden, wo F die Axial last, ψ der Drehwinkel und Αφ der spezifische Prehwinkel ist, der der gewünschten Axiallast F entspricht.

In Fig. 2 ist graphisch ein typisches solches VerhSltnis 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 Abschj.itt vom Punkt A zuui *-unkt B und einem dritten

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Abschnitt oberhalb des Punktes B.

Der erste Abschnitt, der im Punkt A der Kurve endet, veranschaulicht den iliederschraubvorgang der Schraube oder Kutter und v/eist einen sehr ungleichen Drehmomertanstieg auf. Im Punkt A schließt sich der Festziehvorgang mit dem zweiten Abschnitt an, der linear ist und ein zunehmendes elastisches Vorspannen der Schraubverbindung viedergibt. Vom Punkt B ar beginnt der dritte Abschnitt und zeigt ein Abnehmen des Drebrr.orrentanstiegs als Folge einer plastischen Verformung der Schraubverbindung'. Punkt B stellt also die Streckgrenze der Schraubverbindung dar.

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

Das erfindungsgemäße Vorspannverfahren besteht darin, daß der Drehmoment/Drehungs-Gradient ( ·*— ) zwischen zwei beliebig ausgewählten Punkten M., . bzw. M₂, _ auf der Kurve bestimmt wird. Der letztere Punkt Fuß jedoch so ausgewählt werden, daß K₂ nicht das endgültige Abschaltmoment M überschreitet.

Der errechnete Drehmoment/Drehungs-Gradient

wird iait dem Drehwinkel Δψ multipliziert, dir g«ir?p der im Versuch bestimmten Federkonetante k der gewünschten fociallast F entspricht. Das erhaltene Produkt, das die Dimension eines Drehmoments hat, drückt das Drehmoment M aus, bei welchem das Anziehe* dor Schraubverbindung unterbrochen werden sollte, un? gewünschte Axiallast F zu erhalten.

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In Fig. 3 sind schematisch ein Druckluftschrauber 1o und eine daran angeschlossene Steuereinheit daroestellt. Die Steuereinheit 11 hat zvei IÜng^ngc l· und B, über welche der Druckluftschrauber 1o nit einer Drohmonentfühleinrichtung 12 bzw. einer Drehungsfühleinrichtung 13 verbunden ist. Der Druckluftschrauber und die Fühleinrichtungen sind in ihr^n I irzelhoiten nicht dargestellt, da si« keinen Teil der Erfindung bilden. Die Steuereinheit 11 enthält farner einen SignMverstärker 14 und einen Fignalforner" 15 zur Behandlung des Drehmoment- und des Drehunc^ssignals, die von dem Druckluftschrauber 1o empfangen werden. Die fteuereinheit 11 enthält schliePlich noch einen Rechner 17 zur I.rinittlung des Drehnoment/Drehungs-Gradienten -^- , einen Multiplikator 1P, einen Spannungsteiler 1°> und einen Vergleicher 2o. Mit 21 ist ein servobetrtirrtos Einlaßventil für die Druckluft zum Schrauber 1o bezeichnet, und 22 ist ein an das LinlaPventil ?nneschlossener Auslönedrücker.

Um eine vorbestimmte Spannung in einer mit dem Druckluftschrauber verbundenen Schraubverbindung zu erhalten, wird der Druckluftschrauber durch Drücken des 7\uslösodrückers 22 in Gang gesetzt. Die Drehiromentfühleinrichtung 12 und die Drehungsfühlöinrichtung 13 beginnen daraufhin, Signale zur Steuereinheit 11 zu liefern. Der Drehruoment/Drehungs-Cracient

-3— wird von deir Pechner 17 errechnet unc" nit einen

Faktor F in dem Multiplikator 18 multipli r.irrt.

F
Dor Faktor· _£ ist vom Quotienten der gevürsehten

Axiallast F und der im Versuch bestirnter F?r^r-

Γ
konstante k r'er Schraubverbindung gebildet und r'r'k'-.t den Drahv/inkel AuP aus, über weichen die Tchrru!- vorbindung festgezogen werden muß, um die Axip] 1 ?5-t r

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.9-

zu erhalten. Dieser Faktor wird an dem Spannungsteiler 19 eingestellt, der an den Multiplikator 1P angeschlossen ist. Im Multiplikator 18 v/ird der Gradient -r-^ mit ilen Faktor _£ Multipliziert, imd

df-¹
es wird das Produkt ΔΦ · ·»— erhalten.

Da τ—, die Steifigkeit der jeweiligen Schraubverbindung wiedergibt, entspricht das errechnete Produkt dem Drehmoment, bis zu welchen die jeweilige Schraubverbindung angezogen werden muß, um die gewünschte Axiallast F zu erhalten.

I'

Dieser errechnete Moirentenvart wird in dem Vergleicher 2o mit dem tatsächlichen Moment verglichen, dessen Signal unmittelbar vom Druckluftschrauber 1o zugeführt wird, und, wenn das tatsachliche Monent den errechneten Wert erreicht hat, wird der Vergleicher augerblicklich den Druckluftschrauber 1o abschalten. Dies wird dadurch erreicht, daß dem Einlaßventil 21 des Druckluftschrauber 1o ein AUS-Pignal zugeführt wird, wodurch das Linlaßventil so verstellt wird, daf es die Luftzufuhr zurt Druckluftschrauber 1o unterbricht, liieraufhin ist die Schraubverbindung auf die vorbestimmte Axiallast vorgespannt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Vorspannen einer SchrauhverHr-

duncr auf eine vorbestimmte Axiallast (F ) durch »r-

P Wendung eines Drehmoments unter der Vorauss?tzunn, daß das Axiallast/Drehungs-VerhSltnis (~) für oie Schraubverbindung bekannt ist, gekennzeicM net durch

das Messen des Augenblickswerts des angewandten Drehmoments und des Drehwinkels innerhalb c^r3s elastischen Verformungsbereichs der Schraubverbindung;

das Errechnen des Drehmoment/Drehungs-Gradlenten

das Unterbrechen der Drehmomentanwendung auf die Schraubverbindung, beim Erreichen eines Drehmomentniveaus (M ) , das gemüß dem errechneten

Drahungs-Gradienten (-r-) und den vorbekannten

°f P Axiallast/Drehungs-Vernältnis (—-) der vorhestipnt.cn

F - J

Axiallast ( p) entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Errechnung des Drehmoment/Drehungs-Gradienten l-r) auf die mittlere Xnderung des Drehmoments und des drehwinkels zwischen zwei willkürlich ausgewählten Punkten (M., <p.; 1'₂, φ₂) innerhalb des linearen elastischen Deformaticnsbereichs der Schraubverbindung basiert wird.
3. Vorrichtung zum Anziehen einer Schraubverbindung auf eine vorbestimrate Axiallast (F ) unter der Voraussetzung, daß das Axiallast/Drehurms-VerhMt-

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ORIGINAL INSPECTED

F nis (—) für die Schraubverbindung bekannt ist, ge-

kennzeichnet durch ein drehmoinentabgebendes Werkzeug (1ο), Mittel (12, 13) zum Messen der Auc-enblickswerte des Drehmoments und des Drehwinkels und zur: Abgeben entsprechender Signale, eire an da vorgenannten Mittel (12, 13) angeschlossene unc¹ deren Signale aufnehmende Steuereinheit (11) mit eirnr Rechner (17) zur Berechnung des Drehmonent/Drohunas-

dn

Gradienten (-?—) und »Mittel (2c) zun Auslösen cor Abschaltung des drehmomantabgebenden V'erVzeugs (1o) ' r\: Erreichen air.as Drehr.omonts (M ) , das geiräp e'er 'τ-rechneten Drnhroir:pnt/Drehungs-Gradienten (-τ—) u:l dem vorbokannten Axifllast/Drehungs-^erh.nltniF (—) dor vorbestimmten Axiallast (F ) entspricht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das drehr.or.rr.tM-gebende V/erkzeug ein Truckluftschrauber (1o) rr.it oirrrr Einlaßventil (21) ist., dessen Schliefen von der rt-'v:-; einheit (11) beim Erreichen des errechneten Ausrc'.-.: Drehncmentniveaus (M ) auslösbar ist.

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