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Verfahren zum Anziehen von Schraub-
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verbindungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anziehen von
Schraubverbindungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Um ein unbeabsichtigtes Lösen einer fest angezogenen Schraube zu verhindern
und um die Schraube optimal auszunutzen, ist es bekannt, die Schraube so weit anzuziehen,
bis sie sich in geringem Maße plastisch dehnt. Bei dem bekannten Verfahren wird
die Schraube so weit angezogen, bis ein voraegebenes Drehmoment und ein vorgegebener
Drehwinkel erreicht ist. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, daß sich sämtliche
Schrauben innerhalb des gleichen Schraubfalles annähernd gleich verhalten, so daß
nach dem vorgegebenen Drehwinkel der Schraube oder dem zum Anziehen der Schraube
benötigten vorgegebenen Drehmoment die Schraube ausreichend plastisch gedehnt ist.
Unter Schraubfall versteht man einen-Fall einer konstruktiven Schraubverbindung,
also die Schrauben mit den miteinander zu verschraubenden Teilen. Innerhalb eines
Schraubfalles werden stets die gleichen Schrauben und zu verschraubenden Teile verwendet,
wie dies beispielsweise bei der Serienverschraubung in der Automobilindustrie der
Fall ist Es hat sich gezeigt, daß gleiche Schrauben nicht immer in gewünschtem Maße
angezogen sind, wenn sie auf den gleichen Drehwinkel und das gleiche Drehmoment
angezogen werden. Grund hierfür sind unter anderem schwankende Reibungsverhältnisse
und
mechanische Schwingungen, die während des Schraubens vom Schrauber ausgeübt werden.
So nimmt beispielsweise bei einer zu starken Reibung das Drehmoment, das zum Anziehen
der Schraube erforderlich ist, mit zunehmendem Drehwinkel übermäßig zu, so daß der
vorgegebene Drehmomentwert zu früh erreicht wird. Ist andererseits die Reibung extrem
gering, dann wird der zur Erzeugung des Signales vorgesehene Drehmomentwert erst
bei höheren Drehwinkeln erreicht, so daß die Schraube zu stark angezogen wird. Schließlich
führt der unvermeidliche Nachlauf des Schraubers, bedingt durch dessen Massenträgheit
und die verzögerte Ausführung des Abschaltbefehls, dazu, daß die Schraube unzulässig
stark gedehnt wird. Um dies zu vermeiden, wird ein Drehwinkelbereich und ein Drehmomentbereich
vorgegeben, innerhalb dessen der Schrauber abschalten muß, wenn eine ordnungsgemäße
Verschraubung vorliegt. Wird zu früh oder zu spät abgeschaltet, dann wird dies beim
bekannten Verfahren durch entsprechende Signale angezeigt. Bei dieser Signalanzeige
ist es allerdings schwierig festzustellen, warum der Schrauber zu früh oder zu spät
abgeschaltet hat.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird das Abschalten signal nicht
in Abhängigkeit vom Drehmoment und vom Drehwinkel erzeugt; bei ihm wird vielmehr
in Abhängigkeit von der Streckgrenze der Schrauben abgeschaltet. Die Streckgrenze
ist dadurch gekennzeichnet, daß ab diesem Bereich die Schraube beim Anziehen nicht
mehr elastisch, sondern plastisch gedehnt wird. Bei diesem sogenannten streckgrenzgesteuerten
Anziehen von Schrauben wird die Steigung der Drehmoment-Drehwinkel- Kurve der jeweiligen
Schraube während des Schraubvorganges ermittelt. Wird die Schraube nur elastisch
gedehnt, dann steigt das Drehmoment proportional mit dem Drehwinkel, das heißt die
Steigung hat einen konstanten Wert.
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Sobald die Streckgrenze erreicht ist und die Schraube
plastisch
gedehnt wird, nimmt das Drehmoment bei einer vorgegebenen Drehwinkeländerung nur
noch wenig zu, so daß die Steigung im Vergleich zum elastischen Bereich abnimmt.
Bei diesem Verfahren wird der Schraubvorgang selbsttätig dann abgeschaltet, wenn
die augenblicklich gemessene Steigung einen voreingestellten Steigungswert unterschreitet.
Hierbei wird davon ausgegangen, daß infolge der Reibung bei den verschiedenen Schraubvorgängen
innerhalb des gleichen Schraubfalles ähnliche Verschraubungsverhältnisse bestehen.
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Die Abschaltung erfolgt-dann, wenn der während des Schraubens ermittelte
Steigungswert einen bestimmten Bruchteil des während des Schraubvorganges aufgetretenen
maximalen Steigungswertes entspricht. Da der Verlauf der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve
der Schrauben innerhalb des gleichen Schraubfalles nicht gleich ist, werden die
Schrauben beim Anziehen nicht optimal ausgenutzt. Außerdem ist bei diesem Verfahren
nicht erkennbar, wenn eine Schraube falsch angezogen wird. Wenn der während des
Schraubvorganges ermittelte Steigungswert um einet bestimmten Wert gegenüber dem
ermittelten maximalen Steigungswert abgefallen ist, wird der Schraubvorgang unterbrochen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
so auszubilden, daß Fehlverschraubungen sichererkannt und interpretiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zusätzlich zu den Drehmomenten
und Drehwinkeln, die mit Drehmoment-und Drehwinkel
-Messwertaufnehmern
gemessen werden können, die Steigung der Drehmoment- Drehwinkel- Kurve während des
Schraubvorganges ermittelt. Wenn der augenblicklich ermittelte Steigungswert vor
Erreichen des vorgegebenen Drehmoment- und Drehwinkelbereiches einen der vorgegebenen
Grenzsteigungswerte erreicht, wird das Signal erzeugt, mit dem beispielsweise der
Schrauber abgeschaltet wird. Je nach dem, ob über den cberen oder den unteren Grenzsteigungswert
abgeschaltet worden ist, läßt sich einwandfrei feststellen, warum die Schraube nicht
ordnungsgemäß angez en werden konnte. Wird beispielsweise eine Schraube in einSackloch
gescY'zaubt,dann ergibt sich gegenüber der ordnungsgemäßen Verschraubung im elastischen
Bereich eine starke Nichtlinearität in Richtung auf größere Steigungswerte, so daß
schon bei kleinen Drehwinkeln der obere vorgegebene Steigungswert erreicht und das
Signal erzeugt wird. Wenn hingegen beispielsweise eine zu weiche Schraube für den
Schraubfall verwendet wird, dann tritt im elastischen Bereich eine starke Nichtlinearität
in Richtung auf den unteren vorgegebenen Steigungswert der Drehmoment- Drehwinkel-
Kurve auf, so daß der augenblickliche, während des Schraubens gemessene Steigungswert
vorzeitig den unteren vorgegebenen Steigungswert erreicht und das Signal erzeugt
wird. Mit den beiden vorgege benen oberen und unteren Steigungswerten wird eine
zuverlässige Sicherheitsabschaltung erreicht, die gewährleistet, daß ein nicht ordnungsgemäßer
Anzug der Schrauben sofort erkannt und durch Erzeugung des Signales angezeigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 2 wird beim streckgrenzgesteuerten
Anziehen der Schraubeverbindung angewendet. Auch hier werden der obere und der untere
Steigungswert als Sicherheitsabschaltwerte vorgegeben. Infolge der erfindungsgemäßen
Ausbildung kann somit auch beim streckgrenzgesteuerten Anziehen zuverlässig erkannt
und angezeigt
werden, daß eine Fehlverschraubung vorliegt und wodurch
sie verursacht worden ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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-Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter
Diagramme näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 verschiedene Drehmoment- Drehwinkel-
Kurven mit ihren zugehörigen Steigungskurven bei einem drehmoment- und drehwinkelgesteuerten
Anziehen der Schraubverbindung, Fig. 2 in einem Diagramm verschiedene Drehmoment-
Drehwinkel- Kurven und zugehörige Steigungskurven beim streckgrenzgesteuerten Anziehen
von Schraubverbindungen.
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Fig. 1 zeigt den Verlauf des Drehmomentes M über dem Drehwinkel 9
beim Anziehen einer Schraube. Die Kurve 1 gilt für die ordnungsgemäße Verschraubung,
bei der die Schraube mit dem vorgegebenen Drehmoment und Drehwinkel angezogen wird.
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Wenn die Schraube in die zugehörige Gewindebohrung eingean setzt wird,
wird sie zunächst so lange) ezogenS bis sie mit ihrem Schraubenkopf auf dem zu verschraubenden
Teil aufliegt.
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Während dieses Schraubvorganges ergibt sich der Kurvenbereich 1a.
Wenn der Schraubenkopf fest auf der Unterlage auf sitzt, ergibt sich der annähernd
lineare Kurvenabschnitt 1b, der anzeigt, daß die Schraube elastisch gedehnt wird.
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Damit die Schraube ordnungsgemäß angezogen ist, werden ein oberer
Drehmomentwert Mmax und ein unterer Drehmomentwert Mmin sowie ein unterer Drehwinkelwertgmin
und ein oberer Drehwinkelwert Vmax vorgegeben. Dadurch wird in dem Drehmoment
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Drehwinkel- Diagramm ein sogenanntes Fenster 2 vorgegeben, innerhalb dessen bei
ordnungsgemäßer Verschraubung am Ende des Schraubvorganges die augenblicklichen
Drehmoment- und Drehwinkelwerte liegen müssen. Gleichzeitig wird bei diesem Verfahren
die Steigung G der Drehmoment-Drehwinkel- Kurve ermittelt. Hierbei ergibt sich die
Kurve 3. Der Verlauf der Steigung wird ab einem vorgegebenen Drehmomentenwert Ms,
dem sogenannten Schwellmoment, überwacht.
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Solange die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve bei vorgegebenen Drehwinkeln'?
überproportional zunimmt, steigt die Steigungs-Drehwinkelkurve an. Sobald der Kurvenabschnitt
1b erreicht ist, hat die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve 1 eine konstante Steigung,
so daß die Steigungskurve 3 horizontal verläuft.
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Anhand der Steigung G, die sich nach der Formel G=dM/d*bestimmt, wird
ebenfalls der ordnungsgemäße Verlauf der Verschraubung überprüft. Wenn eine ordnungsgemäße
Verschraubung vorliegt, muß der augenblicklich gemessene Steigungswert G im Bereich
zwischen einem vorgegebenen oberen Steigungswert Gmax und einem unteren vorgegebenen
Steigungswert Gmin innerhalb eines vorgegebenen Drehwinkelbereiches zwischen tmin
und f max liegen. Diese vorgegebenen Steigungs- und Drehwinkelwerte begrenzen ein
weiteres sogenanntes Fenster 4, innerhalb dem der Steigungswert bei Beendigung eines
ordnungsgemäßen Schraubvorganges liegen muß. Erst wenn zum Abschaltzeitpunkt die
Enden der Drehmoment- Drehwinkel- und der Steigungs- Drehwinkel- Kurven innerhalb
der Fenster 2 und 4 liegen, liegt eine ordnungsgemäße Verschraubung vor.
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Um ein vorzeitiges Abschalten des Schraubers durch starke Schwankungen
der Steigungs- Drehwinkel- Kurve zu vermeiden, wird zu Beginn der Verschraubung
ein Mindestwinkel vorgegeben, innerhalb dem eine Abschaltung des Schraubers nicht
möglich ist. In der Praxis verlaufen nämlich die Kurven nicht derart linear, wie
es in Fig. 1 dargestellt ist, sondern
infolge der Reibungsverhältnisse
haben die Kurven einen mehr oder minderktarken nichtlinearen Verlauf.
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Die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 5 kennzeichnet eine nicht ordnungsgemäße
Verschraubung. Diese Kurve weist im elastischen Teil einen Kurvenbereich 5b auf,
der im Vergleich zum Kurvenabsehn t 1b bei der ordnungsgemäßen Verschraubung wesentlich
steiler verläuft. Dem-entsprechend steigt die zugehörige Steigungs- Drehwinkel-
Kurve 6 wesentlich steiler an als die Steigungs- Drehwinkel- Kurve 3 bei der ordnungsgemäßen
Verschraubung. Infolge der starken Nichtlinearität der Kurve 5 wird der obere vorgegebene
Steigungswert Gmax schon weit unterhalb des unteren vorgegebenen Drehwinkels min
erreicht. In diesem Falle wird ein Signal erzeugt, mit dem beispielsweise der Schrauber
abgeschaltet wird.
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Dadurch ist sichergestellt, daß diese nicht ordnungsgemäße Schraube
erkannt und durch eine ordnungsgemäße Schraube ersetzt werden kann. Die Kenninienform
5 beziehungsweise 6 ergibt sich zum Beispiel bei Schraubenfressern, bei zu hoch
vergüteten Schrauben oder bei Fehlverschraubungen in Sacklöchern, die nicht ausreichend
tief sind, so daß die Schraube vorzeitig auf dem Boden des Sackloches auf sitzt.
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Die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 7 weist im elastischen Bereich eine
starke Nichtlinearität im Vergleich zur Kennlinie 1 einer ordnungsgemäßen Verschraubung
auf. Diese Nichtlinearität ist durch den Kurvenabschnitt 7b gekennzeichnet. Wie
der Kurvenverlauf zeigt, verläuft die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 7 zunächst linear
und wird dann im Bereich des Kurvenabschnittes 7b flacher. Im linearen Bereich verläuft
die zugehörige Steigungs- Drehwinkel- Kurve 8 horizontal bei einem konstanten Steigungswert.
Wenn die Kurve 7 flacher wird, nimmt zwangsläufig die Steigung dieser Kurve ab,
wie dies anhand der Kurve 8 dargestellt ist. Die
Steigungskennlinie
8 fällt dadurch auf den unteren vorgeyebenen Steigungswert Gmin ab, wodurch ein
Signal erzeugt und beispielsweise der Schrauber abgeschaltet wird. Dadurch wird
auch eine solche Fehlverschraubung zuverlässig angezeigt.
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Ein Verlauf gemäß Kurve 7 ergibt sich beispielsweise bei zu weichen
Schrauben, bei fehlenden Gewindegängen oder leichten Schraubenfressern.
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Bei diesem Verfahren wird also zusätzlich zur überwachung des Drehmomentes
und des Drehwinkels der Verlauf der Steigungskennlinie überwacht und bei starken
Nichtlinearitäten das Schaltsignal erzeugt, wenn die fest eingestellten Steigungsgrenzwerte
Gmin und Gmax erreicht werden.
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Anhand der Kurven gemäß Fig. 2 wird ein streckgrenzgesteuertes Anziehen
einer Schraubverbindung erläutert, bei.
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dem ebenfalls zusätzlich zum Drehmoment und zum Drehwinkel die Steigung
der jeweiligen Drehmoment- Drehwinkel- Kurve überwacht und zur Bestimmung einer
ordnungsgemäßen Verschraubung herangezogen wird. Bei diesem Verfahren wird im Streckgrenzenbereich
der Schraube der Schraubvorgang abgeschaltet, wenn also die Schraube anfängt, sich
plastisch ZU dehnen. Die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 11 kennzeichnet eine ordnungsgemäße
Verschraubung. Der Kurvenbereich lia kennzeichnet denjenigen Teil des SchraubvorgantesR
bei dem die Schraube so weit angezogen wird, bis si.e mit ihrem Kopf auf der Unterlage
aufliegt. Beim weiteren Anziehen der Schraube ergibt sich dann der lineare Kurvenabschnitt
11b, der die elastische Dehnung der Schraube kennzeichnet. Dieser lineare Kurvenabschnitt
11b endet an der Streckgrenze 21, an der die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve anfängt,
flacher zu verlaufen. Um eine ordnungsgemäße Verschraubung zu gewährleisten, muß
zum Abschaltzeitpunkt des Schraubers das augenblickliche Drehmoment M zwischen einem
vorgegebenen oberen
Drehmoment Mmax und einem unteren vorgegebenen
Drehmoment Mmin sowie zwischen einem unteren vorgegebenen Drehwinkel fmin und einem
vorgegebenen oberen Drehwinkel ?marx liegen.
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Diese vorgegebenen Grenzwerte bilden ein sogenanntes Fenster 12, innerhalb
dessen zum Abschaltzeitpunkt die augenblicklichen Drehmoment- und Drehwinkelwerte
liegen müssen.
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Die zur Kurve 11 gehörige Steigungs- Drehwinkel- Kurve ist mit 13
bezeichnet. Da die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 11 im elastischen Bereich (Kurvenabschnitt
11b) linear verläuft, verläuft die zugehörige Steigungskurve 13 bei einem konstanten
Steigungswert. Da nach Überschreiten der Fließgrenze 21 die Kurve 11 flacher verläuft,
fällt die Steigungskurve 13 wieder ab, bis die Steigung den fest eingestellten unteren
Steigungswert Gmin erreicht. Dann wird ein Signal erzeugt und der Schrauber vorzugsweise
abgeschaltet. Um eine ordnungsgemäße Verschraubung sicherzustellen, muß die Steigungskurve
13 ebenfalls innerhalb eines Fensters 14 liegen, das durch einen oberen, vorgegebenen
Steigungswert Gmax , den unteren vorgegebenen Steigungswert G minr einen unteren
Drehwinkel fmin und einen oberen vorgegebenen Drehwinkel max bestimmt wird. Erst
wenn sowohl der Drehmoment- und der Drehwinkelwert als auch der augenblickliche
Steigungswert innerhalb der vorgegebenen Fenster 12 und l4 liegen, wobei der augenblickliche
Steigungswert den unteren Steigungswert Gmin innerhalb des Fensters 12 erreichen
muß, liegt eine ordnungsgemäße Verschraubung vor.
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Die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 15 weist im elastischen Bereich
eine starke Nichtlinearität auf, das heißt die Kurve verläuft in elastischem Bereich
wesentlich steiler als die Kurve 11 für die ordnungsgemäße Verschraubung. Dementsprechend
sind die zugehörigen Steigungswerte auch wesentlich größer, so daß die zugehörige
Steigungskurve 16 weit vor Erreichen des Fensters 14 den oberen vorgegebenen Steigungswert
Gmax ereicht und das entsprechende Signal vorzeitig erzeugt wird, so daß der Schrauber
abgeschaltet wird. Eine solche starke Nich.tl.inearitätliegtwiederum beispielsweise
bei Schraubenfressern, bei zu hoch vergüteten Schrauben, bei Pehlverschraubungen
in Sacklöchern, bei nicht richtig geschnittenem Gewinde oder bei einem in einer
Sacklochbohrung steckenden, abgebrochenen Teiles eines Gewindebohrers vor.
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Die Drehmoment- Drehwinkel- Kurve 17 verläuft in ihrem linearen Teil
17b wesentlich flacher als die Vergleichskurve 11 und fällt schon vor Erreichen
des unteren vorgegebenen Drehwinkels in ab. Dadurch ergibt sich ein geringerer Steigungswert
der zugehörigen Steigungskurve 18 im elastischen Bereich sowie ein Abfall der Steigung.
Dadurch wird der untere vorgegebene Steigungswert Gmin schon vor Erreichen des unteren
vorgegebenen Drehwinkels min erreicht und das entsprechende Signal zur Abschaltung
des Schraubers erzeugt.
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Sowohl bei der Steigungskurve 16 als auch bei der Steigungskurve 18
liegen die augenblicklichen Steigungswerte während des Abschaltens nicht innerhalb
des Kontrollfensters 14, so daß die Fehlverschraubung deutlich angezeigt wird. Ein
Verlauf entsprechend Kurve 17 ergibt sich wiederum bei zu weichen Schrauben, bei
fehlenden Gewindegängen oder leichten Schraubenfressern.
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Auch bei streckgrenzgesteuerten Anziehen gemäß Fig. 2 wird zu Beginn
der Verschraubung ein Nindestwinkel vorgegeben, innerhalb dem eine Abschaltung des
Schraubers nicht möglich ist. Dadurch wird ein vorzeitiges Abschalten des Schraubers
infolge zu großer Schwankungen der Steigungskurve vermieden.