DE2853988A1 - METHOD FOR INDIRECTLY MEASURING THE BOLT TENSION - Google Patents
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Description
bu/krbu / kr
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AktiengesellschaftMaschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
Nürnberg, 5- Dez, I978Nuremberg, December 5, 1978
Verfahren zur indirekten Messung der SchraubenvorspannungMethod for indirect measurement of bolt preload
Die Erfindung bezieht sich auf die indirekte Messung der Schraubenvorspannung mit dem Ultraschall-Impuls-Echo. The invention relates to indirect measurement the screw preload with the ultrasonic pulse echo.
Die Schraubenvorspannung (z.B. bei Zylinderkopfschrauben) wird üblicherweise auf direktem Weg über die Messung des Anzugsmomentes bestimmt. Dabei muß man allerdings einen Streubereich von + 25# hinnehmen, der hauptsächlich durch die Abhängigkeit des Reibkoeffizienten von äußeren Bedingungen (Rost, Schmierung etc.) an der Oberfläche der Schraube abhängt. Dies muß für die Serienfertigung als unbefriedigender Zustand angesehen werden.The screw preload (e.g. for cylinder head screws) is usually carried out directly via the measurement the tightening torque is determined. However, you have to accept a spread of + 25 #, which is mainly by the dependence of the coefficient of friction on external conditions (rust, lubrication, etc.) depends on the surface of the screw. This must be viewed as an unsatisfactory condition for series production will.
Um diesem Mißstand zu begegnen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnelleren und wesentlich präziseren Ermittlung der Schraubenvorspannung zu entwickeln.To counter this deficiency, the invention is based on the object of a method and a device for faster and much more precise determination of the screw preload.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das dem Anspruch IThis problem is solved by the claim I.
030029/0029030029/0029
00.864700.8647
entnehmbare Verfahren.removable procedures.
Durch dieses Verfahren wurde es möglich, die. Abweichungen der tatsächlichen Vorspannung von der gewünschten Vorspannung auf einen Wert von + 5% an Stelle von + 25£ nach den herkömmlichen Verfahren einzuengen. Dies ist möglich durch Ldslösung des Verfahrens von Unsicherheitsfaktoren wie dem Reibkoeffizienten, welcher stark in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit der Schraube schwankt. Die Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Schallgeschwindigkeit des Schraubenmaterials wird durch Eichung des Ultraschallgerätes auf die Schallgeschwindigkeit der Schraube im unbelasteten Zustand umgangen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Anwendung normaler Vollschaftschrauben an Stelle von teueren Dehnschrauben, da man über die erreichte Vorspannung genau im Bilde ist und man daher kein Lösen der Schrauben durch Wechselbelastung zu fürchten braucht.This process made it possible to achieve the. Deviations of the actual pre-tensioning from the desired pre-tensioning can be narrowed down to a value of + 5% instead of + 25 pounds using conventional methods. This is possible by solving the method of uncertainty factors such as the coefficient of friction, which varies greatly depending on the surface properties of the screw. The dependence of the method according to the invention on the speed of sound of the screw material is circumvented by calibrating the ultrasonic device to the speed of sound of the screw in the unloaded state. Another advantage of the process is the use of normal full-shank screws instead of expensive expansion screws, since one is exactly in the picture about the preload achieved and therefore one does not need to fear loosening of the screws due to alternating loads.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß in eine zwischen einen Schraubenkopf und eine Ratsche eingeschaltete Schraubennuß und zu dieser konzentrisch ein Ultraschallprüfkopf eingebaut ist, daß dieser UltraschallprUfkopf über eine Feder unter Zwischenschaltung eines Kopplungsmediums an den Schraubenkopf anpreßbar ist, und daß dieser PrUfkopf über ein Ultraschallgerät mit einem Rechner verbunden ist.A device for performing the method is characterized in that in an between a screw head and a ratchet engaged screw socket and concentric to this Ultrasonic probe is built in that this ultrasonic probe has a spring interposed a coupling medium can be pressed against the screw head, and that this test head is connected to a computer via an ultrasound device.
Durch eine solche Vorrichtung kann man zuverlässig und ohne zusätzlichen Zeitaufwand Schrauben so anziehen, daß sie eine vorbestimmte Vorspannung besitzen. Erreicht wird dies durch eine MessungWith such a device you can screw so reliably and without additional expenditure of time tighten so that they have a predetermined preload. This is achieved through a measurement
030029/0029030029/0029
oo 86*7 /oo 86 * 7 /
der Laufzeitunterschiede von Schallimpulsen aus dem Prüfkopf, welche einem Rechner nach vorheriger Verstärkung in einem Ultraschallgerät zugeführt werden, wobei der Rechner die Längung der Schraube errechnet, aus welcher die Vorspannung resultiert. Es braucht vom Bedienungspersonal also nur vor dem Aufsetzen der Schraubennuß etwas Kopplungsmedium auf den Schraubenkopf gestrichen zu werden und die Schraube so weit angezogen werden, bis der Rechner eine bestimmte Dehnung der Schraube anzeigt.the differences in transit time of sound pulses from the probe, which a computer according to previous Reinforcement in an ultrasonic device can be supplied, whereby the computer determines the elongation of the screw calculated from which the preload results. It only needs to be done by the operating staff Before putting on the screw socket, some coupling medium needs to be smeared onto the screw head and the screw is tightened until the computer has a certain elongation of the screw indicates.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung kann Anspruch 3 entnommen werden.An advantageous embodiment of the device can be found in claim 3.
Diese Art der Vorrichtung ist von einem Kupplungsmedium unabhängig, bietet aber ansonsten die gleichen Vorteile wie die Vorrichtung nach Anspruch 2. Als zusätzlichen Vorteil bietet sie aber eine Anwendbarkeit bei höheren Temperaturen (über 350 Kelvin), da an Stelle des wärmeempfindlichen Kopplungsmediums nur ein kleiner Luftspalt zur Ankopplung erforderlich ist.This type of device is independent of a coupling medium, but otherwise offers the same Advantages such as the device according to claim 2. As an additional advantage, however, it offers applicability at higher temperatures (over 350 Kelvin), as there is only a small air gap for coupling instead of the heat-sensitive coupling medium is required.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung sowie ein Eichdiagramm sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:An embodiment of the device and a calibration diagram are shown in the drawings. Show it:
Pig. I Schnitt durch eine auf einen Schraubenkopf aufgesetzte Schraubennuß mit PrUfkopf,Pig. I Section through a screw socket with test head placed on a screw head,
Fig. 2 Eichdiagramm zur Ermittlung der SchraubenvorSpannkraft. Fig. 2 Calibration diagram for determining the screw pre-tensioning force.
Fig. I zeigt eine mögliche Ausführungsform für dieFig. I shows a possible embodiment for the
030029/0029 ./.030029/0029 ./.
cn 86*17 cn 86 * 17
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. Dabei wird über eine Ratsche I unter Zwischenschaltung einer Schraubennuß 2 eine Schraube 3 angezogen. Im Inneren der Schraubennuß 2 befindet sich ein Prüfkopf 4 (im dargestellten Pail ein Ultraschallprüfkopf 5), welcher mittels einer Feder 6 an einen Schraubenkopf 7 angepreßt wird. Im Falle des Ultraschallprüfkopfes ist der Schraubenkopf vor dem Aufsetzen der Schraubennuß mit einem Ankopplungsmedium bestrichen worden. Der Prtifkopf 4 ist über ein Ultraschallgerät 8 mit einem Rechner 9 verbunden, welcher bei Serienfertigung die Steuerung der Schraubennuß übernimmt und ein weiteres Anziehen der Schraube 3 verhindert, wenn der eingespeicherte Wert erreicht ist.Implementation of the method according to claim 1. It is a ratchet I with the interposition of a Screw nut 2 a screw 3 tightened. Inside the screw socket 2 there is a test head 4 (in shown Pail an ultrasonic probe 5), which is pressed against a screw head 7 by means of a spring 6. In the case of the ultrasonic probe is the screw head before placing the screw socket been coated with a coupling medium. The Prtifkopf 4 is an ultrasound device 8 with a Computer 9 connected, which takes over the control of the screw nut in series production and another Tightening the screw 3 prevents when the stored value is reached.
Für einfachere Fälle genügt ein Ultraschallgerät, in dem die Längung der Schraube 3 angezeigt wird, und man durch Vergleich mit der Längung einer Schraube gleichen Typs in einer Zugmaschine weiß, wann die gewünschte Vorspannkraft erreicht ist.For simpler cases, an ultrasound device is sufficient, in which the elongation of the screw 3 is displayed, and by comparing it with the elongation of a screw of the same type in a tractor, you know when the desired preload force is reached.
An Stelle des Ultraschallprüfkopfes 5 kann auch eine nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeitende elektrodynamische Sonde Anwendung finden, diese wird nicht mit Kopplungsmedium sondern über einen Luftspalt angekoppelt, die übrige Anlage bleibt unverändert.Instead of the ultrasonic test head 5, an electrodynamic one working according to the magnetostrictive principle can also be used A probe is used, this is not carried out with a coupling medium but via an air gap coupled, the rest of the system remains unchanged.
Fig. 2 zeigt ein Eichdiagramm, bei dem die Längenänderung £ 1 der Prüfschraube über der von einer Zugmaschine aufgebrachten Kraft F aufgetragen ist. Die Eichung wird so vorgenommen, daß man eine Probeschraube, welche den in Serie einzubauenden Schrauben gleicht und mit der gleichen Einspannlänge wie im eingebauten Zustand in eine Zugmaschine eingespanntFig. 2 shows a calibration diagram in which the change in length £ 1 of the test screw above that of one Traction engine applied force F is applied. The calibration is carried out in such a way that a trial screw is which resembles the screws to be installed in series and has the same clamping length as in the installed condition clamped in a tractor
030029/0029 ./.030029/0029 ./.
oo 8647oo 8647
und belastet. Nun wird mit einem Ultraschallprüfkopf und einem Ultraschallprüfgerät die Längenänderung ^ der Schraube als Punktion der Kraft P ermittelt. Die für den Einbau vorgesehene Schraube gleichen Typs braucht also nur um die aus dem Eichdiagramm entnehm bare und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung meßbare Länge ^ 1 beim Anziehen gestreckt werden, um eine bestimmte Vorspannkraft zu erreiohtn.and burdened. Now is done with an ultrasonic probe and an ultrasonic testing device determines the change in length ^ of the screw as a puncture of the force P. the The screw of the same type intended for installation therefore only needs to be taken from the calibration diagram face length and measurable length ^ 1 with the device according to the invention are stretched when tightening, in order to achieve a certain preload force.
Zum Verständnis der Punktionsweise soll abschließend auf die theoretische Grundlage eingegangen werden.To understand the method of puncture, finally the theoretical basis can be dealt with.
Das Verfahren beruht auf der Tatsache, daß beim Vorspannen einer Schraube eine Dehnung auftritt, welche nach dem Hook'sehen Gesetz der Vorspannung proportional ist. Zur Messung dieser Dehnung bedient man sich des Ultraschalls, welcher am Schraubenkopf eingeleitet wird, die Schraube durchläuft und an ihrem Ende reflektiert wird. Aus der Laufzeit kann die Länge der Schraube ermittelt werden, wobei noch zu beachten ist, daß die Sehallgeschwindigkeit V& eine Punktion der Spannung ist. Ist Vo die Schallgeschwindigkeit im unbelasteten Zustand, so ergibt sich V^ zu:The method is based on the fact that when a screw is pretensioned, an elongation occurs which, according to Hook's law, is proportional to the pretension. Ultrasound is used to measure this elongation, which is introduced at the screw head, runs through the screw and is reflected at its end. The length of the screw can be determined from the running time, whereby it should also be noted that the visual velocity V & is a puncture of the tension. If Vo is the speed of sound in the unloaded state, then V ^ results in:
V0 (I + a .β*) (I).V 0 (I + a .β *) (I).
Hierin ist a ebenfalls eine Materialkonstante. Wird nun eine Schraube der Länge 1Q durch die Span nungG*um einen Betrag ▲£ gedehnt, so ergibt sich ein Laufzeitunterschied ^ t'z-ut.Here, a is also a material constant. If a screw of length 1 Q is now stretched by the tension G * by an amount ▲ £, there is a running time difference ^ t'z-ut.
vo v o
030029/0029030029/0029
oo 8647oo 8647
Mit dem Hook'sehen Gesetz, welches umgeformt lautet: E . _io_ . g* (2.1) With Hook's law, which is transformed into: E. _io_. g * (2.1)
Δ 1
ergibt sich mit a .GT« I und 6*« E die Näherungsformel! Δ 1
with a .GT «I and 6 *« E the approximation formula results!
ο
Die in dieser Formel auftretenden Materialkonstanten ν , E sind bekannt oder leicht bestimmbar, nicht
aber a. Die Ursachen für die Änderung der Schallgeschwindigkeit,
die von dem Ε-Modul, der Dichte und dem Poisson'sehen Querkontraktionskoeffizienten
abhängt, sind schwer zu erfassen, um daraus a zu errechnen. Daher ist es besser, den direkten Zusammenhang
zwischen At und Al durch Versuch zu bestimmen.
In Hinblick auf die übliche Technik wird dabei nicht ^t sondern die auf dem Bildschirm des
Ultraschallgerätes zu beobachtende Verschiebung ^ s des Echos in Bezug auf den Impuls der ausgesendet
wurde. Diese Verschiebung Δ s ist ^ t proportional.ο
The material constants ν, E appearing in this formula are known or easily determinable, but not a. The causes for the change in the speed of sound, which depends on the Ε module, the density and the Poisson's transverse contraction coefficient, are difficult to grasp in order to calculate a from them. Therefore, it is better to determine the direct relationship between A t and A l by experiment. With regard to the usual technology, it is not the shift in the echo that can be observed on the screen of the ultrasound device in relation to the pulse that was transmitted. This shift Δ s is proportional to ^ t.
8 ^ . b (1 - a . E) (4). ο 8 ^ . b (1 - a. E) (4). ο
Der Faktor b ist eine Gerätekonstante des Ultraschallgerätes und ist die Abtastgeschwindigkeit des Elektronenstrahls auf den Zeilen des Bildschirmes. The factor b is a device constant of the ultrasonic device and is the scanning speed of the electron beam on the lines of the screen.
Der in den Formeln 2, J5, 4 auftauchende Faktor 2 wird üblicherweise weggelassen, da die für Ultrasehallprüfung verwendeten Geräte so eingerichtet sind, daß der Faktor 2 resultierend aus dem doppelten Weg,den der Schall bei Reflexion zurückzulegen hat, bereits ins Gerät eingearbeitet ist. Zum besseren Verständnis der tatsächlich auftretenden Größen wurde Faktor 2 in die Formel eingearbeitet. The factor 2 appearing in formulas 2, J5, 4 is usually omitted as it is used for ultrasound testing devices used are set up so that the factor 2 resulting from double the The path that the sound has to cover when it is reflected has already been incorporated into the device. For a better understanding of the sizes that actually occur, factor 2 has been incorporated into the formula.
030029/0029030029/0029
oo 86Ji7oo 86 J i7
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