DE3408310A1

DE3408310A1 - Messvorrichtung zum getrennten messen der axialen spannkraft und des anziehdrehmomentes sowie dessen anteile aus gewinde- und kopfreibung einer schraubenverbindung ohne ueberlagerung von zug- und torsionsspannung

Info

Publication number: DE3408310A1
Application number: DE19843408310
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 6301 Wettenberg Seidel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1984-10-04

Description

Beschreibung
Bei einer Schraubenverbindung setzt sich das Anziehdrehmoment bekanntlich aus folgenden Einzelmomenten zusammen: M A = M5 + MG+M K Dabei bedeuten: M5 = Anteil aus der Gewindesteigung MG = Anteil aus der Gewindereibung M K = Anteil aus der Reibung an der Kopf- bzw. Mutternauflage Aus der Schraubengeometrie lassen sich diese Anteile berechnen zu: Hierbei bedeutet: FV = Vorspannkraft d2 = Flankendurchmesser der Schraube « = Neigungswinkel der Gewindeflanken ß = Steigungswinkel des Gewindes DKm = wirksamer Durchmesser für das Kopfreibmoment WG = Reibungszahl im Gewinde WA = Reibungszahl an der Kopf- bzw. Mutternauflage Während des Anziehvorganges wird der durch die Vorspannkraft FV beanspruchte Teil der Schraube zusätzlich durch das Gewindereibmoment MG belastet. Dies bedeutet für den Schraubenschaft eine Überlagerung von Zugspannung S und Torsionsspannung t , die nach der Hypothese der maximalen Gestaltsänderungsenergie zu einer Vergleichsspannung ev zusammengefaßt werden: Durch diese Spannungsüberlagerung besteht für torsionsschwache Schrauben und Gewindebolzen die Gefahr der Zerstörung noch bevor das für den Gewindenenndurchmesser geltende Anziehdrehmoment erreicht ist.
Geringe Torsionsfestigkeit kann bei einer Schraube durch Verringerung des Schaftdurchmessers, bei einem Gewindebolzen z.B.
durch die Verwendung eines anisotropen Materials wie glasfaserverstärktes Kunstharz bedingt sein.
Es werden deshalb für torsionsgefährdete Schrauben und Gewindebolzen Anziehverfahren vorgeschlagen, bei denen die Überlagerung von Zug- und Torsionsspannung verhindert wird. (siehe Veröffentlichung von H.Ch. Klein "Das Anziehen hochwertiger Schraubenverbindungen" Techn. Rundschau Nr.47 1960 S. 9-21) Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zum getrennten Messen der Vorspannkraft, des Gewindereibmomentes, des Kopfreibmomentes und des Anziehdrehmomentes an einer Schraube ohne Überlagerung von Zug- und Torsionsbelastung durch gegenüberliegende Anordnung eines Meßkörpers und einer Kopfbuchse in dem Boden einer Hülse, die ihrerseits gegenüber einer Grundplatte beweglich gelagert ist und sich über einen Hebel auf einer Druckmeßdose abstützt. Die Verdrehung der Schraube wird durch eine am freien Ende der Schraube angebrachte Klemmutter verhindert, indem sich ein mit der Klemmutter fest verbundener Hebel auf eine Druckmeßdose auflegt.
Es sind Meßvorrichtungen für Schrauben sowohl durch Veröffentlichungen als auch durch Patentanmeldungen bekannt: G.Junker, H.Schneiker "Prüfeinrichtung zur Untersuchung von Schraubenverbindungen" Verbindgst. 4.Jg.Heft 7 1970 5.21-26 K.Müller "Schrauben aus thermoplastischen Kunststoffen" Teil 2 Kunststoffe Bd.56 Heft 6 1966 5.422-429 Patentschriften DE-PS 23 52 749 und DE-PS 1 277 585 Alle in diesen Schriften erläuterten Schraubenprüfvorrichtungen haben gemeinsam, daß innerhalb des zugbelasteten Schraubenschaftes eine Überlagerung der Torsionsspannung stattfindet.
Die dabei zwangsläufig auftretende Spannungserhöhung führt insbesondere bei Schrauben und Gewindebolzen mit geringer Torsionsfestigkeit zu einer vorzeitigen Überbeanspruchung, die sich für den erforderlichen Aufbau einer Vorspannkraft um so ungünstiger auswirkt, je größer die Gewindereibung ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu konzipieren mit deren Hilfe Drehmomente und Vorspannkräfte an Schraubenverbindungen ermittelt werden können, wobei eine Überlagerung der Torsionsspannung im zugbelasteten Bereich der Schraube vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die Anordnung der Prüfmutter die Schraube in zwei Bereiche unterteilt wird. In dem einen Bereich herrscht nur Längsbelastung, die über einen mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Meßkörper als Vorspannkraft direkt ermittelt werden kann. Eine Torsionsbelastung wird in diesem Bereich dadurch verhindert, daß die Einleitung der Vorspannkraft in den Meßkörper über ein Axialrillenkugellager erfolgt.
In dem anderen Bereich ist nur Torsionsbelastung vorhanden. Die Größe des Torsionsmomentes läßt sich durch eine Klemmutter und einen fest damit verbundenen Hebel, der eine Druckmeßdose belastet, ermitteln. Eine zusätzliche Biegebelastung des freien Gewindeendes wird durch die Führung in einem Nadellager verhindert.
Damit bietet die erfindungsgemäße Meßvorrichtung gegenüber allen bisher bekannten Schraubenprüfvorrichtungen den Vorteil des sogenannten "torsionsfreien" Anziehens von Schraubenverbindungen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die die Meßvorrichtung in der Draufsicht, teilweise im Schnitt, zeigt.
Die dargestellte Meßvorrichtung besteht aus einer Grundplatte 1 und einer Hülse 2. Die Hülse 2 ist durch Pendelkugellager 3 drehbar gegenüber der Grundplatte 1 gelagert. In den Boden der Hülse 2 wird von einer Seite der Meßkörper 4 und von der anderen Seite die Kopfbuchse 5 eingesetzt. Die Kopfbuchse 5 ist durch Stifte 6 formschlüssig mit der Hülse 2 verbunden. Weiterhin trägt die Hülse 2 ein Nadellager 7, in welchem das Zahnrad 8 drehbar und axial verschiebbar gelagert ist. Das Zahnrad 8 nimmt über ein Linksgewinde die Gewindebuchse 9 auf, die einen konzentrischen Durchbruch in der Außen form der Prüfmutter 10 aufweist.
Die zu prüfende Schraube ist so weit durch die Prüfmutter 10 hindurchgeschraubt, daß das freie Gewindeende bis in das Nadellager 12, welches fest mit der Grundplatte 1 verbunden ist, hineinreicht. Außerdem ist an dem freien Gewindeende die Klemmutter 13 befestigt, die sich über den Hebel 14 auf der handelsüblichen Druckmeßdose 15 abstützt.
Der Antrieb des Zahnrades 8 erfolgt durch den Getriebemotor 17 und das Zahnrad 18, die beide über Paßfedern fest mit der Welle 19 verbunden sind und durch die Lager 20 pendelnd aufgehängt werden. Die Abstützung des Getriebemotors 17 wird über den Hebel 21 und die Druckmeßdose 26 vorgenommen.
Bei Einschaltung des Antriebsmotors wird über das Zahnrad 18 das Zahnrad 8 und damit die Gewindebuchse 9 und die Prüfmutter 10 in Umdrehungen versetzt. Hierdurch wird, infolge der Gewindesteigung, die Schraube 11 zwischen Prüfmutter 10 und Schraubenkopf zunehmend durch die Vorspannkraft FV belastet, deren Größe mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen (DMS), die an dem Meßkörper 4 in bekannter Weise angebracht sind, ermittelt wird.
Die Prüfmutter 10 stützt sich dabei auf der Kopfbuchse 5 ab und das entstehende Kopfreibmoment MK wird über die Hülse 2 und den Hebel 16 auf die Druckmeßdose 25 übertragen.
Das im Gewinde der Prüfmutter 10 auftretende Gewindereibmoment MG wird nach links in die Klemmutter 13 geleitet und belastet über den Hebel 14 die Druckmeßdose 15. Somit ist die Schraube 11 im Bereich zwischen der Prüfmutter 10 und dem Schraubenkopf durch die Vorspannkraft FV und im Bereich zwischen Prüfmutter 10 und Klemmutter 13 durch das Gewindereibmoment MG belastet.
Um Rückwirkungen der Gewindereibung auf den zugbeanspruchten Teil der Schraube 11 zu vermeiden, ist zwischen dem Schraubenkopf und dem Meßkörper 4 das Axialrillenkugellager 22 vorgesehen. Zur Vermeidung von Biegebelastung durch die Abstützung des Gewindereibmomentes ist das freie Gewindeende der Schraube 11 in dem Nadellager 12 gehalten.
Bei der Untersuchung von Schrauben mit unterschiedlichen Nenndurchmessern werden außer der Klemmutter 13 auch die Gewindebuchse 9, die Kopfbuchse 5 und die Führungsbuchsen 23 und 24 ausgetauscht.
Mit der Meßvorrichtung lassen sich mit Hilfe elektronischer Hilfsmittel die Vorspannkraft Fv, das Gewindereibmoment MG, das Kopfreibmoment MK und zur Kontrolle das Anziehdrehmoment MA messen. Damit ist auch eine eindeutige Aussage über die Reibungszahlen WG (im Gewinde) und A (an der Kopfauflage) gegeben.
In der hier dargestellten Meßvorrichtung können auch Gewindestangen untersucht werden, wobei der Schraubenkopf durch eine Mutter ersetzt wird.

Claims

Patentansprüche Meßvorrichtung zum getrennten Messen der axialen Spannkraft und des Anziehdrehmomentes sowie dessen Anteile aus Gewinde- und Kopfreibung einer Schraubenverbindung ohne Überlagerung von Zug- und Torsionsspannung dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmutter (10) die Schraube (11) in einen zugbelasteten und einen torsionsbelasteten Bereich unterteilt, wobei der zugbelastete Teil der Schraube (11) sich über ein Axialrillenkugellager (22) auf einem mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Meßkörper (4) abstützt und der torsionsbelastete Teil der Schraube (11) über eine Klemmutter (13) und einen Hebel (14) die Druckmeßdose (15) beaufschlagt, während sich die Prüfmutter (10) auf eine Kopfbuchse (5) auflegt, die ihrerseits eine formschlüssige Verbindung mit der Hülse (2) aufweist, welche drehbar gegenüber einer Grundplatte (1) gelagert ist und sich mit Hilfe eines Hebels (16) auf einer Druckmeßdose (25) abstützt, wobei die Hülse (2) über ein Nadellager (7) das Zahnrad (8) trägt, welches mittels der Gewindebuchse (9) die Prüfmutter (10) antreibt.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der für den Antrieb der Prüfmutter (10) erforderliche Getriebemotor (17) sowie das Zahrad (18) pendelnd aufgehängt sind und sich über einen Hebel (21) auf einer Druckmeßdose (26) abstützen.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmutter (13), die Gewindebuchse (9), die Kopfbuchse (5) und die Führungsbuchsen (23 u. 24) austauschbar und somit dem Gewindenenndurchmesser anpaßbar sind.