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Verfahren zum rechnergesteuerten Kontrollieren
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von Schraubenverbindungen Die Erfindung betrifft ein=Verfahren zur
Prüfung von Schraubenverbindungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs im Anschluß
an einen Schraubvorgang, wie er beispielsweise aus der DE-Z "DK" 2/79, Seite 32-33
Rubrik Messeneuheit:"Computer läßt Schrauben" als bekannt hervorgeht.
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Sichere Verbindungen von Maschinenteilen sind dann gegegeben, wenn
bei Verschraubungen ohne zusätzliche Sicherungsmaßnahmen eine auf Reibung beruhende
kraftschlüssige Verbindung zwischen den flerührungsflächen der zu verschraubenden
Teile und einer Schraube bei allen vorkommenden Betriebszuständen gewährleistet
ist. Zu diesem Zweck werden möglichst hohe und genau einzuhaltende Vorspannkräfte
vorgeschrieben, die eine Schraube auch bis über ihre Streckgrenze hinaus dehnen.
Dabei muß der Schraubenanzug natürlich kontrolliert werden, um sicherzustellen,
daa die vorgegebenen Vorspannkräfte auch tatsächlich eingehalten werden.
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Es ist bekannt zu diesem Zweck, falls das freie Ende der Schr;lube
zugänglich ist, die Dellnung der Schraube nach
dem Anziehen zu messen.
Diese Methode ist sehr aufwendig und nur in Einzelfällen anwendbar und zudem bei
Kopfschrauben, die in einem Gewindesackloch eingeschraubt sind, nur mit besonderen
Vorrichtungen und besonderem Aufwand möglich, was in jedem Falle die Überwachung
einer Vielzahl derartiger Verschraubungen ausschließt.
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Der meistverbreitete Weg, Schrauben mit einer bestimmten Vorspannkraft,
so daß Reibkraftschluß zwischen Schraube und Verbindung gewährleistet ist, anzuziehen,
ist, ein bestimmtes Drehmoment aufzubringen. Da das an einer Schraube mittels eines
Drehmomentenschlüssels aufgebrachte Drehmdment von der Geometrie der Schraube, sowie
Reibung und Steifigkeit der Verbindung abhängt, werden im allgemeinen durch Vergleichsversuche
geeignete Drehmomente ermittelt, die eine bestimmten Zustand der Schraube darstellen.
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Ferner sind nach der DE-PS 20 10 914 Drehmomentenschliissei bekannt,
die eine Meßvorrichtung fiir Drehmoment und Drehwibkel besitzen und die Drehmomenterhöhung
pro Winkelgrad und damit die Streckgrenze der Schraube registrieren können.
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Die in der eingangs zitierten Literatursteile erwähnten mikroprozessorgesteuerten
Schraubautomaten erlauben es unterschiedliche Schraubenanzugsverfahren anzuwenden.
Dabei werden Drehmoment und Drehwinkel fortlaufend gemessen und zur Steuerung des
Schraubenanzugs und Abschaltzeitpunkts des Schraubers ausgewertet.
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Durch Vergleich von oll- und Tstwerten von Drehmoment und Drehwinkel
kann bei einer der dort gezeigten Möglichkeiten die Qualität einer Verschraubung
geprüft werden. Bei einer
ordnungsgemäßen Verschraubung muß beispielsweise
der Endpunkt der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve innerhalb eines bestinmten Bereichs
liegen. Während des Schraubenanzugs kann der Drehmomentananstieg geprüft werden,
der innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen muß.
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Späne, hohiliegende Werkstücke oder fehlerhafte Gewinde und Schraubenlängen
bewirken jedoch Steifigkeitsänderungen im Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf und sind
dadurch erkennbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den ordnungsgemäßen Anzug
von Schraubenverbindungen zu überprüfen.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
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Die Erfindung wird mit Ililfe der nachfolgenden Zeichnungen naher
erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine unsachgemäße Verschraubung infolge einer zu
langen in ein Sacklochgewinde eingedrehten Kopfschraube, Figur 2 don qualitativen
Drehmomentenverlauf über der Zeit einer unsachgemäß ausgeführten Verschraubung,
Figur 4 den qualitativen Drchwinkelverlauf über der Zelt, und Figur 5 den qualitativen
Momentenverlauf über dem Drehwinkel.
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Figur 1 zeigt eine Verschraubung 1 von einem Uauteil 2 mit einer durchgehenden
Bohrung 3, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Schraube 4 ist, die
hindurcllgesteckt ist und mittels eines Gewindes 5 am Schrauben schaft 6 mit einem
im Bauteil 7, das ein Sackloch 8 mit Gewinde 9 aufweist, verschraubt ist, wobei
die zu lange Schraube 4 im Gewindegrund aufsitzt und deshalb der Schraubenkopf 10
mit seiner Auflagefläche 11 nicht zur Auflage auf der Bauteiloberfläche 13 kommt
und der Schraubenschaft 6 über einer Länge 12 nicht eingespannt ist.
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Figur 2 zeigt den qualitativen Verlauf des Drehmoments über der Zeit
für eine sachgemäße Verschraubung bis zu einem maximalen vorgegebenen Drehmoment
im Zeitpunkt 20, zu dem auch das Eindrehen einer Schraube beendet ist. Daran anschließend
fällt der Drehmomentenverlauf während einer Zeitspanne 21 auf den Wert Null im Zeitpunkt
22 ab.
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In der Zeitspanne 21 wird ein unter dein entsprechenden kurvenstück
des Drehmomentenverlaufs mit der Zeitachse eingeschlossenes ?lächenstück 23 beschrieben.
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Figur 3 zeigt ein analoges Diagramm für eine unsachgemäße Verschraubung
mit dem Drehmomentenmaximulll zum Zeitpunkt 30 und der Zeitspanne 31, während der
das Drehmoment auf den Wert Null zum Zeitpunkt 32 abnimmt. Während der Zeitspanne
31 schließt die Drehmomentenkurve mit der Zeitachse das Flächenstück 33 ein.
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Figur 4 zeigt den zum Drehmomentenverlauf analogen Drehwinkelverlauf
liber der Zeit.
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Figur 5 zeigt denselben Verlauf wie Figur 3 für den Drehmomentenverlauf
allerdings über dem Drehwinkel.
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Figur 1 zeigt am Beispiel einer in ein Sackloch 8 eingedrehten Schraube
4 mit einem zu langen Schraubenschaft 6, daß der Schraubenkopf 10 mit seiner Auflagefläche
11 nicht auf der Oberflächc 13 des Bauteils 2 zum Aufliegen kommt und damit eine
auf Reibung beruhende kraftschlüssige Sicherung der Schraube 4 nicht herbeigeführt
werden kann.
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Dasselbe gilt für Schrauben mit korrekter Schaftlänge, die sich nicht
vollständig eindrehen lassen, weil das Gewinde 8 von Schraube 4 oder Gewindeloch
zu kurz oder beschädigt ist und die Schraube klemmt oder aufgrund von Spänen oder
Graten oder ähnlichem, die sich im Sackloch 8 befinden, aufsitzt.
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Von dem Augenblick an, in dem die Schraube 4 aufgrund von Mängeln
festsitzt oder klemmt, geht die weitere Erhöhung des vom Schrauber eingeleiteten
Drehmoments zum größten Teil als elastische Verdreharbeit des Schraubenschaftes
6 über der Länge 12 ein, soweit er ausreichend dimensioniert ist. Die Größe des
sich daraus ergebenden rückstellenden Moments hängt ab von der Geometrie sowie der
frei verdrehbaren Länge 12 des Schraubonschafts 6 und der Größe des Drehmoments,
das als elastische Verdreharbeit eingeleitet wird. Mit Erreichen des vorgegebenen
maximalen Drehmoments im Zeitpunkt 2«Figur 2)wird bisher üblicherweise der Schraubor
abgestellt und die Messung der Drehmomente und Drehwinkel eingestellt. Das erfindungsgemäße
Verfahren sieht jedoch vor, die Messung über den Abschaltzeitpunkt des Schraubers
im Zeitpunk 20 hinaus fortzusetzen und den Abfall des Drehmoments über der Zeit
(Figur 2 und 3) oder des Drehwinkels jiber tier zeigt (i rur 4) odor des Drehmoments
iiber dem Dreh-
winkel (Figur 5) aufzunehmen. Bei einer sachgemäßen
Verschraubug nach Figur 2, bei der die Auflagefläche 11 des Schraubenkopfes 10 infolge
Reibung kraftschlüssig auf dem Bauteil 2 aufliegt, ergibt sich über der Zeit nach
Erreichen des maximalen Drehmoments im Zeitpunkt 20 ein steiler Abfall des Drohmomcnts
auf Null im Zeitpunkt 22, da nur eine sehr geringe elastische.Rückfederung auftritt.
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Bei einer unsachgemäßen Verschraubung nach Figur 3, bei der der Schraubenschaft
6 elastisch tordiert wurde, fällt das rückstellende Moment während der Zeitspanne
33 wesentlich sanfter ab. Die Aufzeichnung der Meßwerte von Drehmoment oder auch
Drehwinkol über der Zeit oder von Drehmoment über dem Drehwinkel, und die Auswertung
der unter den Kurven während des Abfalls des Drehmoments vom Maximum bis auf don
Wert ungefähr Null mit der Zeit- oder Drehwinkelachse eingeschlossenen Flächen mittels
eines Mikroprozessorbausteins, der in eine bestehende Anlage zur Messung von Drehmoment
und Drehwinkel eingefügt sein kann, erlaubt das Erkennen von fehlerhaften Ve-rschraubungen,
wobei die Größe der Flächen das Maß darstellt. Die Ermittlung der Flächen kann im
Anschluß an eine bisher bei Erreichen des maximalen vorgegebenen Drehmoments abgebrochene
Messung integriert sein oder als selbstständiger Meßabschnitt ausgeführt werden.
Mit Erkennen einer fehlerhaften Verschraubung 1 aufgrund einer über einem gewissen
Schwellwert liegenden Fläche kann oine akustische oder optische Fehleranzeige erfolgen
und zur Kontrolle eventuell eine direkt anschließende automatische Prüfwiederholung
erfolgen, indem das maximale Drehmoment erneut aufgebaut wird und die besagte lläclle
irn Molnentabfall wiederholt ermittelt wird. Ernoul das Drehmoment
aufbauen,
entspricht gleichzeitig einem automatischen Nachknicken, bei dem eine eventuell
klemmende Schraube noch angezogen werden kann.
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Statt im Anschluß an den bisher üblichen Schraubvorgang im Momentenabfall
zu messen, kann das Drehmoment auch im Anschluß an den Momentenabfall bis zum Maximalwert
erneut aufgebaut werden und die Fläche unter der Kurve des Drehmomenten- oder Drehwinkelanstiegs
zur Auswertung herangezogen werden, da sie gleichgroß ist, wie die entsprechende
Fläche im Momentenabfall.
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Als weiteres Prüfverfahren in bekannte Anlagen integriert, ist es
sicherlich günstiger, den Drehmomentenverlauf über dem Drehwinkel nach Figur 5 zur
Ermittlung der Fläche heranzuziehen, da die Messung von Drehmoment und Drehwinkel
üblich ist. Bei fehlerhaften Verschraubungen der dargestellten Art ließe sich dann
in einen aufgezeichneten Diagramm ein Rückfedern des Schraubenkopfes erkennen.
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Grundsätzlich könnte auch die Größe des Winkels um die der Schraubenkopf
zurückfedert, als Beurteilungskriterium für die Güte einer Verschraubung dienen,
dann aber könnten auch nichtlineare Rückfedereffekte das Meßergebnis verfälschen.
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Die Prüfung der Funktionsfähigkeit der Meßanordnung kann stichprobenweise
während des Einsatzes des Schraubers erfolgen, dadurch daß entsprechende definierte
Prüfschraubverbindungen zur Verfügung stehen.