DE4024577C2

DE4024577C2 - Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE4024577C2
Application number: DE19904024577
Authority: DE
Inventors: Marcus Batora
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-08-02
Filing date: 1990-08-02
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2010-08-03
Also published as: DE4024577A1; SE9102276L; SE9102276D0

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 M_AO und Lösedrehmoment M_LO sowie aus der Gewindesteigung P der Schraubverbindung und der vorgegebenen gewünschten Vorspannkraft F_V wird das Endanzugsdrehmoment M_AE 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 Schraubenverbindung 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.

Aus der EP 96 620 B1 ist ein Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung bekannt, bei dem zur Berechnung des endgültigen Klemmomentes der Gradient von Drehmoment- zur Drehwinkeländerung sowohl beim Anziehen, als auch in Gegenrichtung beim Lösen der Schraubverbindung, dem sogenannten Reversieren, ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, daß eine absolute Winkelmessung nicht erforderlich ist und damit beim Reversieren des Schraubers auftretende Winkelmeßfehler nicht verfälschend in das Meßergebnis eingehen können. Maßnahmen zur Unterdrückung der Winkelmeßfehler, wie sie bei dem aus der DE 35 21 937 C2 bekannten Verfahren erforderlich sind, sind dadurch überflüssig.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruches 2 hat den Vorteil, daß es relativ unempfindlich gegenüber statischen Momentschwankungen ist, 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 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 Endanzungsdrehmoment 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 Endanzungsdrehmoments ermittelt wird.

Bei einer zweiten 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 Korrekturfaktur 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 eingebrachte Gewindebohrung 13 verschraubt ist. Die Schraubverbindung bringt auf das zwischen den beiden Schraubelementen 11, 12 eingespannte Befestigungsteil 14 eine gewünschte Vorspannkraft F_V auf. Die Vorspannkraft F_V 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 Bolzenstreckhülse 19 drehfest sitzt. Zwischen der Antriebswelle 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 F_V, sowie die Steigung P des Gewindes der verwendeten Schraubverbindung und ggf. noch ein Korrekturfaktor F_K 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 der ersten Verfahrensvariante wie folgt ab:

Nach Einschalten des Schraubers 15 wird 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 A_A des Anzugsmoments M_A 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 A_L des Lösemoments M_L 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 A_A und A_L wird in Verbindung mit der gewünschten Vorspannkraft F_V und der bekannten Steigung P der Schraubverbindung ein Endanzugsmoment M_AE gemäß

errechnet, wobei F_K 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 M_AE angezogen. Sobald dieses Endanzugsmoment M_AE gemessen wird, wird der Antriebsmotor 16 stillgesetzt. Die Schraubverbindung weist danach die gewünschte Vorspannkraft F_V auf.

In der zweiten Verfahrensvariante entsprechen der erste und zweite Verfahrensschritt denjenigen der ersten Verfahrensvariante, so daß als Meßwerte die Gradienten k_A und k_L gespeichert sind. Im dritten Verfahrensschritt wird nunmehr aus diesen Gradienten k_A und k_L in Verbindung mit der gewünschten Vorspannkraft F_V und der bekannten Steigung P der Schraubverbindung ein Endanzugsdrehwinkel ϕ_AE gemäß

errechnet, wobei F_K 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 k_A extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ = 0) und einer momentanen Drehwinkelstellung ϕ₀ ergibt. Diesen korrigierten Endanzugswinkel ϕ*_AE erhält man aus der Differenz des errechneten Endanzugswinkels ϕ_AE und eines Korrekturwinkels ϕk, der sich gemäß

errechnet. M₀ ist dabei das beim momentanen Drehwinkel ϕ₀ gemessene Anzugsmoment. Sobald dieser korrigierte Endanzugsdrehwinkel ϕ*_AE = ϕ_AE - ϕ_k erreicht ist, wird der Antriebsmotor 16 des Schraubers 15 stillgesetzt und die Schraubverbindung weist die gewünschte Vorspannkraft F_V 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 k_A, k_L, der Integralen A_A, A_L der Endanzugsdrehmomente M_AE sowie des Endanzugsdrehwinkel ϕ_AE 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

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 das Integral A_A, A_L des Drehmoments (Anzugsmoment M_A bzw. Lösemoment M_L) über den Drehwinkel (ϕ) in einem definierten Winkelbereich (ϕ₀ bis ϕ₁) gebildet und gespeichert wird und daß im dritten Schritt als Anzugswert das Endanzugsmoment (M_AE) gemäß
errechnet wird, wobei A_A das beim Anziehen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, A_L das beim Lösen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, F_V die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei daß als Meßwerte im ersten und zweiten Schritt jeweils der Gradient oder das Differential (k_A, k_L) des vom Schrauber (15) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ) auf das Schraubelement (11) übertragenen Drehmoments (Anzugsmoment M_A bzw. Lösemoment M_L) erfaßt und gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Schritt als Anzugswert ein Endanzugsdrehwinkel (ϕ_AE) gemäß
errechnet wird, wobei k_A der beim Anziehen der Schraubverbindung gemessene Gradient, k_L der beim Lösen der Schraubverbindung gemessene Gradient, F_V die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist, und daß im vierten Schritt ein unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten K_A extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ₀) sich ergebender korrigierter Anzugsdrehwinkel (ϕ*_AE) eingestellt wird, wobei der korrigierte Anzugsdrehwinkel (ϕ*_AE) sich aus der Differenz des errechneten Endanzugsdrehwinkels (ϕ_AE) und eines Korrekturwinkels (ϕ_K) ergibt, der sich gemäß
berechnet, wobei M₀ das beim momentanen Drehwinkel ϕ₀ gemessene Anzugsmoment ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anzugswerts im dritten Schritt jeweils noch ein Korrekturfaktor (F_K) hinzumultipliziert wird, der empirisch ermittelt wird und durch die Art des Schraubvorgangs (hart oder weich) beeinflußt ist.