DE4024577A1 - Verfahren zur steuerung einer vorspannkraft in einer schraubenverbindung - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer vorspannkraft in einer schraubenverbindung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE 35 21 937 C2) wird als Meßwert im ersten und zweiten Verfahrensschritt jeweils das Drehmoment (Anzugsmoment bzw. Lösemoment) gemessen und gespeichert, das vom Schrauber bei einer mittleren Position der Schraubverbindung bei einem genau definierten Rotations- oder Drehwinkel ϕ0 auf das Schraubelement ausgeübt wird. Aus dem dabei gemessenen Anzugsdrehmoment MA0 und Lösedrehmoment ML0 sowie aus der Gewindesteigung P der Schraubverbindung und der vorgegebenen gewünschten Vorspannkraft FV wird das Endanzugsdrehmoment MAE gemäß
ermittelt.
Bei diesem Verfahren ist eine genaue Winkelmessung bei der Rotations- oder Drehwinkelmessung erforderlich, da beide Drehmomente bei exakt dem gleichen Drehwinkel ϕ0 gemessen werden müssen. Bei der Praxisanwendung dieses Verfahrens ist es daher erforderlich, zum einen vor Einleiten der einzelnen Verfahrensschritte den Nullpunkt des als Drehwinkelgebers verwendeten Winkelkodierers auf ein bestimmtes Bezugsdrehmoment einzustellen und ab da den Drehwinkel zu messen, und zum anderen beim Lösen der Schraubverbindung ein Spiel oder einen toten Gang im Schrauber dadurch auszugleichen, daß die Rotationswinkelimpulse des Winkelkodierers zunächst unterdrückt werden, bis ein gewisses Umkehr- oder Gegendrehmoment (Lösemoment) festgestellt worden ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 hat demgegenüber den Vorteil, daß es ohne absolute Winkelmessung auskommt und damit beim Reversieren des Schraubers auftretende Winkelmeßfehler nicht verfälschend in das Meßergebnis eingehen können. Maßnahmen zur Unterdrückung der Winkelmeßfehler, wie sie bei dem bekannten Verfahren erforderlich sind, sind daher überflüssig. Das Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 ist dagegen relativ unempfindlich gegenüber statischen Momentschwankungen, wobei allerdings wiederum genaue Winkelmessungen erforderlich sind. In allen Fällen wird durch einfache Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel eine hochgenaue Einstellung der Vorspannkraft erreicht. Zusätzliche Maßnahmen sind nicht erforderlich.
Bei einer ersten von drei Verfahrensvarianten werden als Meßwerte beim ersten und zweiten Verfahrensschritt der Gradient oder das Differential (dM/dϕ) des Drehmoments M (Anzugsmoment bzw. Lösemoment) als Funktion des Drehwinkels ϕ, beim Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung erfaßt und gespeichert und daraus mit den bekannten Größen der gewünschten Vorspannkraft und der Steigung des Schraubgewindes ein Endanzugsdrehmoment errechnet, mit dem dann das Schraubelement vom Schrauber angezogen wird. Da lediglich die Änderung des Drehmoments über den Drehwinkel in das Meßergebnis eingeht, spielen Fehler in der absoluten Winkelmessung keine Rolle.
Bei der zweiten Verfahrensvariante werden als Meßwerte im ersten und zweiten Verfahrensschritt jeweils das Integral (∫Mdϕ) des Drehmoments M (Anzugsmoment bzw. Lösemoment) beim Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung über den Drehwinkel ϕ in einem exakt definierten Winkelbereich, dessen Größe sowohl beim Anziehen als auch beim Lösen der Schraubverbindung eingehalten wird, gebildet und gespeichert und daraus mit den bekannten Größen der gewünschten Vorspannkraft und der Steigung des Schraubgewindes das Endanzugsdrehmoment errechnet, mit dem dann das Schraubelement durch den Schrauber angezogen wird. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, daß die Integralmessung relativ unempfindlich gegenüber statistischen Momentschwankungen, dem sog. Rauschen, ist und damit ein relativ genauer Wert des erforderlichen Endanzugsdrehmoments ermittelt wird.
Bei der dritten Verfahrensvariante wird wiederum als Meßwerte im ersten und zweiten Verfahrensschritt jeweils der Gradient oder das Differential (dM/dϕ) des Drehmoments (Anzugsmoment bzw. Lösemoment) als Funktion des Drehwinkels ϕ, also die Änderung des Drehmoments über den Drehwinkel, beim Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung erfaßt und gespeichert und daraus mit den bekannten Größen der gewünschten Vorspannungskraft ein Endanzugsdrehwinkel errechnet, wobei im vierten Verfahrensschritt ein unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten extrapolierten Drehwinkelursprungs und der momentanen Drehwinkelstellung sich ergebender korrigierter Endanzugsdrehwinkel eingestellt wird.
Alle Verfahrensvarianten setzen - ebenso wie das bekannte Verfahren - voraus, daß die Einstellung der Vorspannkraft im hookschen (linearen) Bereich der Schraubfunktion M = f (ϕ) liegt.
Bei der praxisgerechten Erprobung der beschriebenen Verfahrensvarianten hat sich gezeigt, daß sich beim Schraubvorgang eine reproduzierbare Abweichung von der gewünschten Vorspannkraft ergibt, die insbesondere von der Art des Schraubvorgangs, z. B. harter oder weicher Schraubfall, abhängig ist. Zur Kompensation dieser Abweichung wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei allen Verfahrensvarianten das berechnete Endanzugsdrehmoment bzw. der berechnete Endanzugsdrehwinkel mit einem Korrekturfaktor multipliziert und die Endeinstellung der Schraubverbindung mit dem korrigierten Wert vorgenommen. Dieser Korrekturfaktor wird empirisch ermittelt und gilt für die bestimmte Art des Schraubvorgangs, z. B. ob diese hart oder weich ausgeführt wird.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung durch Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer Schraubverbindung, welche einen Befestigungszustand der Schraubverbindung darstellt,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Drehmoments M in Abhängigkeit von Dreh- oder Rotationswinkel beim Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Gradienten oder Differentiale der Drehmomentkurven in Fig. 2,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur praxisgerechten Durchführung des Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist eine Schraubverbindung in ihrem Befestigungsendzustand dargestellt, bei welcher eine das eine Schraubenelement der Schraubverbindung darstellende Schraube 11 in einer im anderen Schraubelement 12 eingebrachten Gewindebohrung 13 verschraubt ist. Die Schraubverbindung bringt auf das zwischen den beiden Schraubelementen 11, 12 eingespannte Befestigungsteil 14 eine gewünschte Vorspannkraft FV auf. Die Vorspannkraft FV kann mittels eines Schraubers 15, wie er in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, hochgenau eingestellt werden. Der Schrauber 15 weist in bekannter Weise einen elektrischen Antriebsmotor 16 auf, der über ein Übersetzungsgetriebe 17 eine Antriebswelle 18 antreibt, auf welcher eine den Schraubenkopf der Schraube 11 umfassende Bolzensteckhülse 19 drehfest sitzt. Zwischen der Abtriebswelle des Übersetzungsgetriebes 17 und der Antriebswelle 18 ist ein Drehmomentübertrager 20 zum Messen eines Drehmoments der Antriebswelle 18 angeordnet. Der Rotations- oder Drehwinkel der Antriebswelle 18 wird mittels eines Drehwinkelgebers 21 erfaßt. Die Meßwerte von Drehmomentübertrager 20 und Drehwinkelgeber 21 werden über ein Interface 22 einer Zentraleinheit (CPU) 23 zugeführt, der außerdem über eine Dateneingabe 24 die gewünschte Vorspannkraft FV, sowie die Steigung P des Gewindes der verwendeten Schraubverbindung und ggf. noch ein Korrekturfaktor FK eingegeben wird. Die Zentraleinheit 23 führt Rechenoperationen entsprechend dem noch zu beschreibenden Verfahren aus und steuert den Antriebsmotor 16 zum Anlassen, Anhalten, Reversieren und Stillsetzen, wozu die Zentraleinheit 23 über ein weiteres Interface 25 und einen Servoverstärker 26 mit dem Antriebsmotor 16 verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dabei in einer ersten Verfahrensvariante wie folgt ab:
Nach Einschalten des Schraubers 15 wird die Schraube 11 bis zu einem mittleren Bereich ihres Sitzes angezogen, in welchem die aufgebrachte Vorspannkraft noch kleiner ist als die einzustellende vorgegebene Vorspannkraft FV. Das vom Schrauber 15 auf die Schraube 11 aufgebrachte Drehmoment M hängt linear vom Drehwinkel ϕ ab, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In dem genannten mittleren Bereich des Sitzes der Schraube 11 ist beispielsweise bei einem Drehwinkel ϕ1 das Drehmoment M1 erreicht worden. Während dieses ersten Schrittes wird der Gradient oder das Differential kA = dMA/dϕ gemessen und gespeichert. Bei einem Drehwinkel ϕ1 wird der Antriebsmotor 16 des Schraubers 15 gestoppt und reversiert. Damit überträgt der Schrauber 15 auf die Schraube 11 ein Gegendrehmoment, das sog. Lösemoment ML, das um das doppelte innere Losdrehmoment der Schraube 11 kleiner ist als das Anzugsmoment MA. Während des Lösens der Schraubverbindung wird der Gradient oder das Differential kL = dML/dϕ gemessen und gespeichert. Die Drehmomente (Anzugsmoment MA und Lösemoment ML) sind über den Drehwinkel ϕ in Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Gradienten k (Anzugsgradient kA und Lösegradient kL) über den Drehwinkel ϕ.
Mit den gespeicherten Gradienten kA und kL, der gewünschten Vorspannkraft FV und der bekannten Steigung des Gewindes der Schraubverbindung wird ein Endanzugsmoment MAE gemäß
errechnet. Fk ist dabei ein empirisch ermittelter Korrekturfaktor, der für den speziellen Schrauber 15 und für die Art der Schraubstelle (Schraubversorgung hart oder weich) gilt. In einem vierten Verfahrensschritt wird dann der Antriebsmotor 16 des Schraubers 15 gestoppt und reversiert, so daß die Schraube 11 wieder angezogen wird. Der Antriebsmotor 16 wird stillgesetzt, sobald das errechnete Endanzugsmoment MAE erreicht ist.
Bei einer zweiten Verfahrensvariante wird nach Einschalten des Schraubers 15 wiederum in einem ersten Schritt die Schraube 11 der Schraubverbindung bis zu einem mittleren Bereich ihres Sitzes auf dem Befestigungsteil 14 angezogen. Dabei wird in einem definierten Winkelbereich ϕ0 bis ϕ1 das Integral AA des Anzugsmoments MA über den Drehwinkel gemäß
gebildet und gespeichert. Dieses Integral ist in dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm M = f (ϕ) durch eine waagrechte Schraffierung gekennzeichnet. Der Antriebsmotor 16 wird bei einem Drehwinkel, der gleich ϕ1 ist oder oberhalb dieses Winkels liegt, gestoppt und reversiert, so daß die Schraube 11 mit einem Gegendrehmoment oder Lösemoment gelöst wird. Während dieses Lösevorgangs wird über einen gleich großen Winkelbereich ϕ1 bis ϕ0 das Integral AL des Lösemoments ML über den Drehwinkel ϕ gemäß
bestimmt und gespeichert. Dieses Integral ist in dem Diagramm gemäß Fig. 2 durch vertikale Schraffur gekennzeichnet.
Aus den beiden Integralen AA und AL wird in Verbindung mit der gewünschten Vorspannkraft FV und der bekannten Steigung P der Schraubverbindung ein Endanzugsmoment MAE gemäß
errechnet, wobei FK wiederum der empirisch ermittelte Korrekturfaktor ist, der für die Art des Schraubvorgangs 15 gilt. Nach Anhalten des Antriebsmotors 16 bei dem Drehwinkel ϕ0 oder unterhalb eines von ϕ0 liegenden Drehwinkels wird der Antriebsmotor 16 reversiert und die Schraube 11 bis zum errechneten Endanzugsmoment MAE angezogen. Sobald dieses Endanzugsmoment MAE gemessen wird, wird der Antriebsmotor 16 stillgesetzt. Die Schraubverbindung weist danach die gewünschte Vorspannkraft FV auf.
In einer dritten Verfahrensvariante entsprechen der erste und zweite Verfahrensschritt denjenigen der ersten Verfahrensvariante, so daß als Meßwerte die Gradienten kA und kL gespeichert sind. Im dritten Verfahrensschritt wird nunmehr aus diesen Gradienten kA und kL in Verbindung mit der gewünschten Vorspannkraft FV und der bekannten Steigung P der Schraubverbindung ein Endanzugsdrehwinkel ϕAE gemäß
errechnet, wobei FK wiederum der für den Schrauber 15 und die Schraubstellenart gültige Korrekturfaktor ist.
Nach Reversieren des Antriebsmotors 16 wird die Schraube 11 wieder angezogen, und zwar bis zu einem korrigierten Endanzugsdrehwinkel ϕ*AE, der sich unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten kA extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ = 0) und einer momentanen Drehwinkelstellung ϕ0 ergibt. Diesen korrigierten Endanzugswinkel ϕ*AE erhält man aus der Differenz des errechneten Endanzugswinkels dAE und eines Korrekturwinkels ϕK, der sich gemäß
errechnet. M0 ist dabei das beim momentanen Drehwinkel ϕ0 gemessene Anzugsmoment. Sobald dieser korrigierte Endanzugsdrehwinkel ϕ*AE = ϕAE-ϕk erreicht ist, wird der Antriebsmotor 16 des Schraubers 15 stillgesetzt und die Schraubverbindung weist die gewünschte Vorspannkraft FV hochgenau auf.
Bei allen Verfahrensvarianten wird davon ausgegangen, daß der Schraubvorgang sich im hookschen Bereich der Schraubkurve bei konstanten Reibverhältnissen bezüglich Links- und Rechtslauf abspielt. In diesem linearen Bereich der Schraubkurve gelten die angegebenen Berechnungsmethoden.
Die Berechnung der Gradienten kA, kL, der Integrale AA, AL der Endanzugsdrehmomente MAE sowie des Endanzugsdrehwinkel ϕAE wird von der Zentraleinheit 23 aus den von dem Drehmomentübertrager 20 und dem Drehwinkelübertrager 21 zugeführten Meßwerten und über die Dateneingabe 24 eingegebenen Informationen errechnet. Ebenso findet der Vergleich des momentanen Anzugsmoments bzw. des Drehwinkels mit dem errechneten Endanzugsmoment bzw. Endanzugsdrehwinkel in der Zentraleinheit 23 statt, die den Antriebsmotor 16 stillsetzt, wenn Übereinstimmung gegeben ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung unter Verwendung eines Schraubers zum Drehen eines Schraubelements der Schraubverbindung, bei welchem die Schraubverbindung in einem ersten Schritt bis zu einem unterhalb ihres gewollten Endstadiums liegenden Zustand angezogen und in einem zweiten Schritt um einen gewissen Betrag wieder gelöst wird, in einem dritten Schritt aus während des ersten und zweiten Schritts erfaßten und gespeicherten Meßwerten sowie aus der Gewindesteigung der Schraubverbindung und der vorgegebenen Vorspannkraft ein zur Einstellung des Endstadiums erforderlicher Anzugswert errechnet und in einem vierten Schritt die Schraubverbindung mit dem errechneten Anzugswert angezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwerte im ersten und zweiten Schritt jeweils der Gradient oder das Differential (dM/dϕ) des vom Schrauber (15) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ) auf das Schraubelement übertragenen Drehmoments (Anzugsmoment MA bzw. Lösemoment ML) erfaßt und gespeichert wird, und daß im dritten Schritt als Anzugswert das Endanzugsmoment (MAE) gemäß errechnet wird, wobei kA der beim Anziehen der Schraubverbindung gemessene Gradient, kL der beim Lösen der Schraubverbindung gemessene Gradient, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwerte im ersten und zweiten Schritt jeweils das Integral AA, AL des Drehmoments (Anzugsmoment MA bzw. Lösemoment ML) über den Drehwinkel (ϕ) in einem definierten Winkelbereich (ϕ0 bis ϕ1) gebildet und gespeichert wird und daß im dritten Schritt als Anzugswert das Endanzugsmoment (MAE) gemäß errechnet wird, wobei AA das beim Anziehen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, AL das beim Lösen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist.
3. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwerte im ersten und zweiten Schritt jeweils der Gradient oder das Differential (kA, kL) des vom Schrauber (15) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ) auf das Schraubelement (11) übertragenen Drehmoments (Anzugsmoment MA bzw. Lösemoment ML) erfaßt und gespeichert wird, daß im dritten Schritt als Anzugswert ein Endanzugsdrehwinkel (ϕAE) gemäß errechnet wird, wobei kA der beim Anziehen der Schraubverbindung gemessene Gradient, kL der beim Lösen der Schraubverbindung gemessene Gradient, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist, und daß im vierten Schritt ein unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten kA extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ=0) und der momentanen Drehwinkelstellung (ϕ0) sich ergebender korrigierter Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der korrigierte Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) sich aus der Differenz des errechneten Endanzugsdrehwinkels (ϕAE) und eines Korrekturwinkels (ϕK) ergibt, der sich gemäß berechnet, wobei M0 das beim momentanen Drehwinkel ϕ0 gemessene Anzugsmoment ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anzugswerts im dritten Schritt jeweils noch ein Korrekturfaktor (FK) hinzumultipliziert wird, der empirisch ermittelt wird und durch die Art des Schraubvorgangs (hart oder weich) beeinflußt ist.
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