DE602004000304T2

DE602004000304T2 - Gesteuerter Schraubenschlüssel

Info

Publication number: DE602004000304T2
Application number: DE602004000304T
Authority: DE
Inventors: Alain Pyre; Gilles Frechon; Pascal Coudrier; Ange-Marie Guillemin; Christian Roure
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2024-03-06
Also published as: ATE314905T1; US7036407B2; FR2852879A1; US20040187652A1; EP1462220B1; FR2852879B1; EP1462220A1; DE602004000304D1; ES2255038T3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des kontrollierten Spannens oder Festziehens und insbesondere auf manuelle Spannschlüssel, wie zum Beispiel dynamometrische Schlüssel, die elektrische oder elektronische Meß- und Verarbeitungsmittel umfassen, um den Bediener zu informieren, daß ein Sollwert erreicht ist. Ein solcher Schlüssel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in dem Dokument DE 4404419 beschrieben.
Hintergrund der Erfindung
Die Kontrolle des Spannens oder Festziehens von Schraubelementen kann mit unterschiedlichen Methoden vollzogen werden, nämlich durch Messen des Drehmoments, des Winkels oder aber der Spannkraft. Die am häufigsten eingesetzte Methode ist das Drehmoment-Spannen unter Verwendung entweder von Auslöseschlüsseln oder von elektronischen Schlüsseln. Das Winkel-Spannen wird häufig in der Automobilindustrie eingesetzt. Dies kann mit einem manuellen Spannschlüssel durchgeführt werden, der Mittel zum Messen des Spannwinkels aufweist. Das Kraft-Spannen wird bisher nur bei sehr spezifischen Verbindungen eingesetzt. Es gibt beispielsweise Schlüssel, die ermöglichen, mit Kraft zu spannen, jedoch nur bis zur Elastizitätsgrenze. Andere bekannte Spannschlüssel gestatten ein Kraft-Spannen in einem weiteren Bereich; es ist aber bei diesen dann erforderlich, das Spannen in drei aufeinanderfolgenden Schritten zu vollziehen (d.h. Anziehen bis zu einer gezielten Schätzung der Spannung, anschließend vollständiges Lockern und schließlich erneutes Anziehen bis zum errechneten Wert), was für die einwandfreie Beschaffenheit der Verbindung nachteilig sein kann. Bei diesen Anwendungen wird das Spannen mit Hilfe von Ultraschallmeßsystemen oder mittels hydraulischer Spanner kontrolliert.
Das Drehmoment-Spannen hat den Vorteil, daß es leicht einzusetzen ist. Es weist hingegen einen erheblichen Nachteil auf; bei einem gegebenen Spanndrehmoment schwankt die auf das Schraubsystem ausgeübte Kraft infolge der hohen Streuung des Reibbeiwertes stark. Dies ist in 9 schematisch dargestellt. In dieser Figur stellt man fest, daß es bei einem gegebenen Solldrehmoment C_angelegt aufgrund der Streuung des offensichtlichen Reibbeiwertes [f_min, f_max] zu einer Verteilung [F_min, F_max] der Zugkraft F auf das Schraubsystem und infolgedessen zu einer mechanischen Verformung kommt.
Bei Schmierungen auf Teflon^®-Basis beispielsweise, wie denjenigen, die an kryotechnischen Motoren eingesetzt werden, führte die Erfahrung dazu, eine Streuung in der Größenordnung von 300 % bei diesem Koeffizienten bei der Dimensionierung der Schraubverbindungen zu berücksichtigen. Die Größe dieser Streuung ist Ursprung zahlreicher Schwierigkeiten, sogar Unmöglichkeiten, bei der Dimensionierung des Solldrehmoments. Denn bei der Gestaltung und für ein Drehmoment-Spannen müssen die äußersten Grenzen des Variationsbereichs des Reibbeiwertes berücksichtigt werden; die geringen Koeffizienten bedingen die mechanische Festigkeit der Anordnung, während die höchsten Koeffizienten für die Qualität der Verspannung der Verbindungen (ausreichendes Zusammendrücken der Dichtungen, ausreichendes Festziehen der Flansche, etc.) verantwortlich sind. Eine solche Situation ist nicht zufriedenstellend, da sie zu einer Überdimensionierung der Verbindungen führt, die sowohl unter dem Gesichtspunkt der Masse als auch hinsichtlich des mechanischen Zeitverhaltens des Schraubsystems (Ermüdung, Lockerung etc.) von Nachteil ist.
Auf der anderen Seite muß die mechanische Verformung des Schraubsystems berücksichtigt werden, die aus der an ihm angelegten Zugkraft resultiert. Während eines Spannvorganges hat man nämlich anfangs einen Bereich elastischer (d.h. reversibler) Verformung, in dem die Verformung mit der Kraft linear variiert; anschließend, wenn der Spannvorgang fortgesetzt wird, hat man einen Bereich plastischer (d.h. irreversibler) Verformung, in dem sich die Verformung immer schneller mit der Beanspruchung ändert, um schließlich zum Bruch zu führen. Aus diesem Verhalten geht hervor, daß ein Drehmoment-Spannen, das zu einer sehr verteilten Zugkraft führt, vorzugsweise in dem Bereich der elastischen Verformungen des Schraubsystems weit entfernt von der Elastizitätsgrenze vollzogen werden muß.
Es gibt derzeit Spannschlüssel, die ermöglichen, entweder nur das Anzugsmoment, wie in dem Dokument US 3 710 874 beschrieben, oder gleichzeitig das Anzugsmoment und den Drehwinkel zu kontrollieren, um ein Festziehen des Schraubsystems zu vollziehen, das einem für das Anzugsmoment und/oder den Drehwinkel angestrebten Wert entspricht. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere in der europäischen Patentanmeldung EP 1 022 097 beschrieben. Es gibt schließlich dynamometrische Spannvorrichtungen mit ausgearbeiteten Verarbeitungsmitteln, die ermöglichen, die Präzision der Klemmung zu erhöhen. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere in der französischen Patentanmeldung FR 2 780 785 beschrieben. Jedoch kann bei dieser Art von Vorrichtung die Kontrolle der Klemmung nur mit einem spezifischen Spannverfahren durchgeführt werden, das Spann- und Lösezwischenschritte umfaßt, um einen angestrebten Wert zu erreichen.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß keine der bekannten Spannvorrichtungen einen manuellen Spannschlüssel in Betracht zieht, der ermöglicht, die auf das Schraubsystem ausgeübte momentane Zugkraft zu bestimmen, ein Parameter, der die Qualität des Spannens sowie dessen Zeitverhalten bedingt. Auf der anderen Seite gibt es keine Vorrichtungen, die ermöglichen, ein unterbrochenes Spannen oder Festziehen direkt und ohne Risiko fortzusetzen.
Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und einen Spannschlüssel auszubilden, der die Überdimensionierung der zu schraubenden Verbindungen vermeidet und gleichzeitig das Spannen oder Festziehen in einem einzigen Schritt ermöglicht. Ziel der Erfindung ist es auch, einen Schlüssel auszubilden, der ermöglicht ein Spannen oder Festziehen ohne Schwierigkeit fortzusetzen, das vor dem Erreichen des angestrebten Werts unterbrochen wurde.
Erreicht werden diese Ziele dank eines Spannschlüssels umfassend ein Mittel zur Momentanmessung des angelegten Drehmoments, einen Kopf, der geeignet ist, mit einem Schraubelement zusammenzuwirken, wobei der genannte Kopf mit einem Mittel zur Momentanmessung des Drehwinkels ausgestattet ist, und Eingabemittel, um Merkmale des Schraubelements sowie einen Sollwert für das Spannen aufzuzeichnen, wobei der Schlüssel dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem Verarbeitungsmittel umfaßt, um die momentane Zugkraft auf das Schraubelement in Abhängigkeit von den gemessenen Momentanwerten des Drehmoments und des Winkels sowie von den aufgezeichneten Merkmalen des Schraubelements zu berechnen.
So wird die momentane Zugkraft direkt während des Spannvorgangs berechnet, wodurch es möglich ist, entweder direkt ein kraftkontrolliertes Spannen durchführen zu können oder über den Wert der Kraft am Ende des Spannvorgangs zu verfügen. Die Qualität des Spannens kann folglich direkt während des Spannvorgangs oder schon am Ende dessen kontrolliert werden. Auf diese Weise kann die Überdimensionierung der Verbindungen vermieden werden.
Der Spannschlüssel der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch, eine Gesamtheit von Informationen über den offensichtlichen Reibbeiwert der Verbindung zu erhalten und zu speichern, insbesondere die Entwicklung dieses Koeffizienten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Zeit sowie die Differenz zwischen dem statischen und dem dynamischen Reibbeiwert. Der Zugang zu dieser Art von Informationen über den Reibbeiwert ermöglicht, eventuelle Anomalien, wie zum Beispiel das Festfressen der Verbindung aufzudecken, wenn der erfaßte Reibbeiwert zu hoch ist.
Die Verarbeitungsmittel berechnen die momentane Kraft in Echtzeit, wodurch es möglich ist, das Spannen des Schraubelements in einem einzigen Schritt zu vollziehen.
Nach einem Merkmal der Erfindung umfassen die Verarbeitungsmittel Softwaremittel, um den momentanen Reibbeiwert des Schraubelements zu berechnen oder um ein unterbrochenes Spannen vor Erreichen des Sollwertes fortzusetzen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfassen die Verarbeitungsmittel Softwaremittel, um im Laufe des Spannvorganges den Übergang vom elastischen Bereich zum plastischen Bereich automatisch zu erfassen und um die momentane Zugkraft auf das Schraubsystem in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Erfassung des Spannbereiches zu berechnen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Mittel zur momentanen Messung des Drehwinkels eine Buchse, die geeignet ist, mit dem Schraubelement zusammenzuwirken, ein Stützelement, das aus einem Material mit geringem Reibbeiwert gebildet ist, um nicht die Messung des Anzugsmoments zu stören, sowie eine Feder, die zwischen der Buchse und dem Stützelement angeordnet ist. Das Ende des Stützelements, das dazu bestimmt ist, mit dem Schraubelement in Kontakt zu sein, ist mit einem Material mit hohem Reibbeiwert, wie zum Beispiel Gummi versehen, damit sich der Teil der Buchse, der dazu dient, den Drehwinkel zu messen, ohne zu drehen an dem zu spannenden, mit Gewinde versehenen Schraubelement abstützt.
Der Schlüssel kann ferner Speichermittel sowie eine Anzeigevorrichtung aufweisen, um Informationen bezüglich des Spannens, wie die während des Spannvorgangs gemessenen Werte des Drehmoments und des Drehwinkels, die während des Spannvorgangs berechnete Zugkraft, den während des Spannvorgangs berechneten statischen und dynamischen Reibbeiwert sowie den Spannbereich zu speichern und anzuzeigen.
Der Sollwert kann einer vorbestimmten Zugkraft, einem vorbestimmten Drehmoment oder aber einem vorbestimmten Spannwinkel entsprechen. Die Vorrichtung umfaßt Warnmittel, die von den Verarbeitungsmitteln gesteuert werden, wenn der errechnete oder gemessene Wert den Sollwert erreicht.
Gemäß der Erfindung sind das Mittel zur Momentanenmessung des angelegten Moments, die Eingabemittel, die Verarbeitungsmittel und gegebenenfalls die Anzeigevorrichtung in einem mit dem Kopf des Schlüssels verbundenen Griff angeordnet, um einem Bediener zu ermöglichen, das Spannen manuell durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen der Erfindung, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele gegeben sind, anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, in diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht des Kontrollkreises des Spannschlüssels nach einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schlüssels, der für das Spannen oder Festziehen einer Verbindung vom Typ Bolzen eingesetzt wird,
3 eine Kurve, welche die Entwicklung der Zugkraft F(t) in Abhängigkeit von Drehmoment C(t) und Drehwinkel θ(t) zeigt, die erfindungsgemäß gemessen werden,
4 eine Kurve, welche den theoretischen Verlauf des Reibbeiwertes f zwischen zwei in Kontakt befindlichen Flächen in Abhängigkeit von deren Relativgeschwindigkeit V zeigt,
5 eine Kurve, welche die Entwicklung der Zugkraft F(t) in Abhängigkeit von Drehmoment C(t) und Drehwinkel θ(t) zeigt, die erfindungsgemäß im Falle eines unterbrochenen Spannens gemessen werden,
6 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schlüssels, der für das Festziehen einer Schraube eingesetzt wird,
7 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schlüssels, der für das Festziehen einer Verbindung vom Typ Verbindungsstück eingesetzt wird,
8 eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schlüssels, der für das Festziehen einer Verbindung vom Typ Anschlußstück eingesetzt wird, und
9 Kurven der Zugkraft F in Abhängigkeit vom Spanndrehmoment C.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
Die Methode zur Kontrolle des Spannens, die bei dem Schlüssel der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, erfordert zwei Arten von Messungen, die des angelegten Spanndrehmoments und die des Drehwinkels des Spannvorgangs.
Die Messung des Drehmoments wird auf herkömmliche Art und Weise wie bei den meisten handelsüblichen dynamometrischen Schlüsseln durchgeführt, d.h. durch Dehnungsmessung mit Hilfe von Signalen aus Dehnungsmeßgeräten.
Die Messung des Drehwinkels wird elektrisch oder elektronisch mit Hilfe von zwei konzentrischen zylindrischen Verbindungsflächen durchgeführt. Die eingesetzte Meßvorrichtung soll einen geringen Reibbeiwert zwischen den beweglichen Teilen erzeugen, um nicht das in den Berechnungen berücksichtigte Spanndrehmoment wesentlich zu beeinträchtigen. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise ein System mit Kugeln oder aber Röhren oder Stangen sein, die aus Werkstoffen mit geringen Reibbeiwerten, wie zum Beispiel Teflon^® bestehen. Diese letztgenannte Art von Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels wird in der Fortsetzung der vorliegenden Beschreibung eingehender beschrieben.
1 zeigt ein Flußdiagramm, welches das bei dem Spannschlüssel der vorliegenden Erfindung eingesetzte System auf schematische Weise veranschaulicht. Der Schlüssel umfaßt zunächst programmierbare Verarbeitungsmittel, wie einen Mikroprozessor oder Rechner 1, um die für die Kontrolle des Spannvorgangs gemäß der Erfindung erforderlichen Berechnungen durchzuführen. Eine weitere Funktion des Mikroprozessors ist die Steuerung der Ein- und Ausgänge des Systems, um einem Bediener zu ermöglichen, das Spannen zu kontrollieren. Zu diesem Zweck empfängt der Mikroprozessor 1 am Eingang einen aus einer Vorrichtung zur Messung des Drehmoments 2 stammenden Momentanwert C(t) des Spanndrehmoments sowie einen von einer Winkelmeßvorrichtung 3 gelieferten Momentanwert θ(t) des Drehwinkels. Der Mikroprozessor 1 ist auch mit einem Dateneingabemittel, wie einer Tastatur 4 verbunden, um dem Bediener zu ermöglichen, die Sollwerte (d.h. Kraft, Drehmoment, Winkel), die er erreichen möchte, sowie die physikalischen Parameter der zu spannenden Verbindung anzugeben, die in den Berechnungen verwendet werden.
Um den Bediener zu warnen, daß der Sollwert erreicht ist, kann das System eine akustische Warnvorrichtung 7 und/oder eine Warnleuchte, wie eine Leuchtdiode 6, umfassen, die durch ein Warnsignal S_Warnung aktiviert werden, das durch den Mikroprozessor gesendet wird. Das System umfaßt ferner eine mit dem Mikroprozessor verbundene Anzeigevorrichtung 5, um die unterschiedlichen, durch den Bediener einzugebenden Daten sowie alle am Ende des Spannvorgangs in digitaler oder graphischer Form verfügbaren Daten anzuzeigen.
Das Verfahren zur Spannkontrolle, welches Gegenstand der Erfindung ist, verwendet eine durch den Mikroprozessor vollzogene mathematische Verarbeitung, die nachfolgend beschrieben wird.
Der Einfachheit halber wird der besondere Fall des Spannens oder Festziehens von Bolzen betrachtet. Dieses Vorgehen ist jedoch allgemein auf andere Arten von Schraubverbindungen, wie Schrauben, Pfropfen, Verbindungsstücke oder Anschlußstücke anwendbar, wie dies weiter unten genauer erläutert wird.
2 zeigt einen Vorgang zum Verbinden zweier Teile 130 und 131 durch Spannen oder Festziehen einer Verbindung 120 vom Typ Bolzen umfassend eine Schraube 121 und eine Mutter 122. Die Teile, die sich während des Festziehens oder Spannens drehen, sind in durchgezogenen Linien dargestellt, während die feststehenden Teile in gestrichelten Linien dargestellt sind. Um die Verbindung 120 zu Spannen, wird ein Spannschlüssel 100 verwendet, der einen Kopf 101 aufweist, welcher am Ende eines Griffs 102 angeordnet ist. Der Mikroprozessor 1, die Tastatur 4 sowie die Anzeigevorrichtung 5 können in dem Griff 102 enthalten sein oder aber sie können aus dem Schlüssel ausgelagert und an diesen beispielsweise über eine Serienverbindung angeschlossen sein.
Die Schraube 121 umfaßt einen Gewindeteil 121A, der mit einem Kopf 121B verbunden ist, welcher über einen Gegenschlüssel 104 in Position gehalten wird. Die Verbindung der Teile 130 und 131 wird dann durch Festziehen der Mutter 122 mittels des Schlüssels 100 vollzogen. Der Schlüssel 100 umfaßt ein (nicht dargestelltes) Mittel zum Messen des angelegten Spanndrehmoments, wie zum Beispiel Dehnungsmeßgeräte, das ein elektrisches Signal liefert, welches zum angelegten Drehmoment proportional ist.
Bei dieser Ausführungsform wird der Drehwinkel über eine Meßvorrichtung 110 gemessen, die eine Spannbuchse 112 umfaßt, welche mit der Mutter 122 zusammenwirkt. Die Meßvorrichtung 110 mißt die Differentialdrehung zwischen der Buchse 112 und der Schraube 121. Zu diesem Zweck umfaßt die Meßvorrichtung 110 einen Stab 111 aus Teflon^®, der zwischen der Schraube 121 und einer Feder 113, die sich in Anlage an der Buchse 112 befindet, angeordnet ist. Eine Gleitschutzscheibe 114 ist zwischen der Kontaktfläche der Schraube und dem Stab 111 eingefügt, damit der Teil der Buchse, der dazu dient, den Drehwinkel zu messen, ohne sich zu drehen an der anzuziehenden Schraube anliegt. Die Feder dient dazu, an die Gleitschutzscheibe eine ausreichende Normalkraft anzulegen, um zu vermeiden, daß sich diese dreht. Die Messung des Drehwinkels kann nach mehreren herkömmlichen Techniken, wie mittels einer mechanischen Messung (z.B. Spiralfeder), elektrischen Messung (z.B. vom Typ Rheostat), optischen oder magnetischen Messung durchgeführt werden.
Im Falle von Bolzen, die im Bereich der elastischen Verformungen beansprucht werden, kann die momentane Zugkraft F(t) mit Hilfe der folgenden Beziehung (1) berechnet werden:
mit:

x(t):: momentane Längung des gestreckten Schraubabschnittes
K:: Steifigkeit des gestreckten Schraubabschnittes
E:: Young-Modul des Schraubsystems
A:: Querschnitt des gestreckten Schraubabschnittes
L:: Länge des gestreckten Schraubabschnittes
p:: Steigung des Gewindes

Die Werte E, A, L und p werden von dem Bediener mittels der Tastatur 4 erfaßt. Der Drehwinkel θ(t) wird durch die Meßvorrichtung 3 des Schlüssels gemessen.
Im Laufe des Spannvorgangs wird der momentane Reibbeiwert f(t) des Schraubsystems mit Hilfe der nachfolgenden Beziehung (2) berechnet:
und:

D_t:: Äquivalenzkontaktdurchmesser zwischen der Scheibe und dem Kopf der Schraube
d:: Durchmesser des Gewindes
α:: Steigungswinkel des Gewindes des Schraubsystems
d₂:: theoretischer Kontaktdurchmesser zwischen den Gewinden (an Gewindeflanke)
β:: halber Winkel des Gewindes des Schraubsystems (30° bei Gewinde ISO M).

Für den elastischen Bereich ist die Berechnung von f(t) möglich, da der Wert der Kraft F(t), abgeleitet aus der obigen Beziehung (1), und derjenige des Drehmoments C(t), welcher direkt gemessen wird, bekannt sind.
Das mechanische Verhalten der Klemmung ist in 3 graphisch dargestellt, welche die Schwankung der Zugkraft in Abhängigkeit vom Spanndrehmoment C(t) (Kurve A) oder vom Drehwinkel θ(t) (Kurve B) angibt.
Im Falle eines Kraft-Spannens besteht das Verfahren darin, vor dem Spannen die Werte der folgenden Parameter einzuführen: F_Soll, p, E, A, L, D_t, d, α, d₂, β Da die momentane Kraft F(t) im Laufe des gesamten Spannvorgangs berechnet wird, wird folglich die resultierende Spannkraft exakt die durch den Bediener erfaßte Sollkraft sein. Somit werden die hohen Streuungen bezüglich der Spannkraft, die bei den Drehmoment-Spannschlüsseln des Standes der Technik vorlagen, beseitigt. Die Überdimensionierung der Verbindungen ist nicht mehr erforderlich, da die erzielte Spannkraft im voraus sichergestellt wird.
Des weiteren kann dank der Momentanmessungen des Drehmoments und des Spannwinkels sowie dank der oben beschriebenen mathematischen Verarbeitung die Momentankraft in Echtzeit berechnet werden, wodurch es möglich ist, Kraft-Spannvorgänge in einem einzigen Schritt zu vollziehen.
3 zeigt, wie der Augenblick bestimmt wird, in dem der Sollwert F_Soll für die Zugkraft erreicht wird, je nachdem ob die mechanische Verbindung im Bereich der elastischen Verformungen bleibt oder aber, ganz im Gegenteil, den Bereich der plastischen Verformungen erreicht.
Wenn die Verbindung im Bereich der elastischen Verformungen bleibt, reicht es in diesem Fall aus, den Spannvorgang zu unterbrechen, wenn die entsprechend der Beziehung (1) berechnete Kraft F(t) den Sollwert F_Soll erreicht.
Wenn im Gegensatz dazu die Verbindung plastisch verformt wird, erfassen die Verarbeitungsmittel in Echtzeit den Beginn der plastischen Verformung dank der Verringerung der Neigung der Kurve B. Ab diesem Zeitpunkt wird F(t) nicht weiter anhand von der nicht mehr gültigen Beziehung (1), sondern auf die folgende Weise bestimmt. Wenn die Verbindung beginnt, sich plastisch zu verformen, stellt man fest, daß – wie in 4 veranschaulicht, die den theoretischen Verlauf des Reibbeiwertes zwischen zwei Kontaktflächen in Abhängigkeit von deren Relativgeschwindigkeit V zeigt – der Reibbeiwert f(t) schnell zu einem konstanten Wert f_dynamisch strebt. Dieser Wert kann annähernd mittels der Beziehung (2) berechnet werden, die auf die Grenze des elastischen Bereichs angewandt wird, worin die Beziehung (1) noch gültig ist, um die momentane Zugkraft F(t) zu bestimmen. Es reicht anschließend aus, die in diesem Fall auf eine einfache lineare Gleichung reduzierte Beziehung (2) zu verwenden, mit dem für f_dynamisch gefundenen konstanten Wert, um F(t) zu bestimmen und um das Spannen zu stoppen, wenn der Sollwert F_Soll für die Zugkraft erreicht ist.
Somit kann das Kraft-Spannen sowohl im elastischen Bereich als auch im plastischen Bereich durchgeführt werden, und dies in einem einzigen Schritt. Die Verarbeitungsmittel sind nämlich programmiert, um in Echtzeit den Übergang vom elastischen Bereich zum plastischen Bereich zu erfassen und um folglich die Berechnung der Kraft wie oben beschrieben zu ändern.
Nach dem Spannen sind einige Informationen verfügbar, die in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben sind. Sie werden auf der Anzeigevorrichtung 5 angezeigt. Tabelle 1:
Der erfindungsgemäße Spannschlüssel weist außerdem den Vorteil auf, daß – im Gegensatz zum herkömmlichen Drehmoment-Spannen (beispielsweise Auslöseschlüssel) – ein unterbrochener Spannvorgang fortgesetzt werden kann, bevor der Sollwert erreicht wurde. Denn im Falle eines Drehmoment-Spannens mit einem dynamometrischen Schlüssel des Standes der Technik, ist es, wenn das Spannen vor dessen Beendigung unterbrochen worden ist, nicht mehr möglich, die angestrebte Kraft zu erreichen, da – wie in 4 gezeigt – wenn der Spannvorgang fortgesetzt werden soll, der Reibbeiwert deutlich größer ist als vor der Unterbrechung. Es muß also ein Spanndrehmoment angelegt werden, das größer ist als das festgelegte, damit die Kraft in dem Gewindeelement erneut zunehmen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Spannschlüssel wird diese Situation einerseits dank der hinsichtlich des Drehmoments C(t) und des Drehwinkels θ(t) durchgeführten Momentanmessungen und andererseits dank der Parameter, insbesondere des Reibbeiwertes, die nach den Gleichungen (1) und (2) berechnet werden, automatisch erfaßt und gesteuert.
5 zeigt ein Beispiel der Fortsetzung eines unterbrochenen Spannvorgangs mit dem erfindungsgemäßen Schlüssel. In der Figur zeigt der Punkt A den Augenblick an, zu dem der Spannvorgang unterbrochen wird, bevor der Sollwert erreicht wurde, d.h. beim Wert F_{Zwischenstopp} < F_Soll. Die Verarbeitungsmittel des Schlüssels erfassen, daß der Spannvorgang unterbrochen ist, da F_Zwischestopp < F_Soll während der Drehwinkel θ(t) sich nicht mehr verändert. Der Zwischenwert F_{Zwischenstopp} wird gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt kann die Buchse abgezogen und es kann jegliche Art von Kontrollarbeiten an der Einrichtung vorgenommen werden. Wenn der Spannvorgang fortgesetzt wird, erfassen dies die Verarbeitungsmittel über die Information, welche durch das Drehmoment C(t) geliefert wird, das sich wieder verändert. Die Verarbeitungsmittel weisen den Augenblick nach, in dem der Drehwinkel θ(t) wieder zuzunehmen beginnt, und berechnen, sobald dies der Fall ist, den Reibbeiwert f(t), dessen Entwicklung durch die in gestrichelten Linien dargestellten Kurven f_statisch' und f_dynamisch' dargestellt ist. Somit wird der Spannvorgang dann beendet sein, wenn der Wert der gemessenen Kraft ΔF(t), addiert mit dem Wert F_{Zwischenstopp}, der gespeichert wurde, als der Spannvorgang unterbrochen worden ist, den Sollwert erreicht, also dann, wenn: FZwischenstopp + ΔF(t) = FSoll
Die Kurven der 5 zeigen, daß im Falle eines unterbrochenen Spannvorgangs mehr Drehmoment geliefert werden muß als im Falle eines durchgehenden Spannvorgangs. Die oben beschriebene Vorgehensweise ermöglicht, die physikalische Realität zu berücksichtigen, nämlich daß der Reibbeiwert nach der Unterbrechung des Spannens (Anpassung der Oberflächenbeschaffenheiten) differieren kann.
Die Verwendung des Spannschlüssels der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das Spannen oder Festziehen von Bolzen beschränkt. Beispielsweise kann der Schlüssel – wie in den 6 bis 8 veranschaulicht – für das Spannen oder Festziehen von Schrauben, Pfropfen, Verbindungs- und Anschlußstücken verwendet werden. Wie bei 2, sind die Teile, die während des Spannvorgangs in Rotation sind, in durchgezogenen Linien dargestellt, während die feststehenden Teile in gestrichelten Linien dargestellt sind.
6 veranschaulicht die Ausbildung, die für das Festziehen einer Schraube oder eines Pfropfens 221 verwendet wird, um ein erstes Teil 230 mit einem zweiten Teil 231 zu verbinden, das mit einem Innengewinde versehen ist, um den Gewindeteil 221A der Schraube aufzunehmen. Das Festziehen wird mit einem Schlüssel 200 vollzogen, der dem Schlüssel 100 der 2 ähnlich ist. Der Drehwinkel wird über eine Meßvorrichtung 210 gemessen, die eine Spannbuchse 212 umfaßt, welche mit dem Kopf 221B der Schraube zusammenwirkt. Die Meßvorrichtung 210 mißt die Differentialdrehung zwischen der Buchse 212 und dem ersten Teil 230 mittels einer Feder 213, die um den Außenumfang der Buchse angeordnet ist, wobei eine Röhre aus Teflon^® 211, die mit einem Gleitschutzring 214 versehen ist, zwischen der Feder 213 und der Oberseite des ersten Teils 230 eingesetzt ist.
7 zeigt das Spannen oder Festziehen eines Verbindungsstücks 330 auf einem Einsatzelement 331 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 332 vom Typ V-Dichtung. Bei dieser Ausbildung umfaßt die Vorrichtung 310 zum Messen des Drehwinkels eine Spannbuchse 312 mit einer Feder 313, einer Röhre aus Teflon^® 311 und eventuell einen Gleitschutzring 314, um die Differentialdrehung zwischen der Buchse und dem Einsatzelement 331 zu messen.
Schließlich zeigt 8 das Spannen oder Festziehen eines Anschlußstücks mit konischer Weite, das von zwei Stutzenteilen 430 und 431 gebildet ist, die über einen Mutter-Ring 432 verbunden sind. Bei diesem Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schlüssels mißt die Vorrichtung 410 zum Messen des Winkels, die immer noch von einer Spannbuchse 412, einer Feder 413, einer Röhre 411 und von einem Gleitschutzring 414 gebildet ist, die Differentialdrehung zwischen der Buchse und einem Gegenspannschlüssel 414, der eingesetzt wird, um das Stutzenteil 431 in Position zu halten.
Der weiter oben beschriebene Spannvorgang in dem besonderen Fall des Kraft-Spannens von Bolzen kann leicht allgemein auf die weiteren, in Verbindung mit den 6 bis 8 beschriebenen Ausbildungen angewandt werden. Hierfür muß lediglich der Längenparameter L an eine jede dieser Ausbildungen angepaßt werden. Wie in den 2, 6 und 7 dargestellt, stellt der Parameter L die Länge des Teils des Gewindeelements dar, der sich nicht im Schraube-/Mutter-Zusammenspiel befindet, wobei die Mutter ein Teil wie in 6 sein kann.
Die Prinzipschaltbilder, die zuvor für die verschiedenen möglichen Ausführungen eines Spannens beschrieben wurden, beziehen sich auf Drehwinkelmeßsysteme, die Federn verwenden. Andere Mittel sind möglich, wie zum Beispiel eine optische Messung, welche gleichzeitig die Feder und die Stützbuchse ersetzt.
Der Spannschlüssel und dessen Mess- und Kontrollmittel können auch für andere Spannmethoden verwendet werden, wie das Drehmoment-Spannen, das Winkel-Spannen, Spannen mittels Drehmoment und dann mittels Winkel (oder umgekehrt), Spannen mittels Drehmoment mit Kontrolle des Winkels (oder umgekehrt).
Im Falle des Spannens mittels Drehmoment erfolgt das Spannen oder Festziehen auf die gleiche Art und Weise wie mit einem herkömmlichen elektronischen Schlüssel. Es muß lediglich am Schlüssel das angestrebte Drehmoment C_Soll (1) eingeleitet werden, anschließend soweit angezogen werden, bis ein Ton- und/oder Lichtsignal das Erreichen des auferlegten Drehmoments ankündigt. Die spezifische instrumentelle Ausrüstung der Buchsen wird bei dieser Art des Spannens nicht verwendet. Im Falle des Winkel-Spannens erfolgt das Spannen nach dem gleichen Prinzip wie beim Drehmoment-Spannen. Es muß lediglich am Schlüssel der angestrebte Spannwinkel θ_Soll angegeben, dann soweit angezogen werden, bis ein Ton- und/oder Lichtsignal das Erreichen des auferlegten Spannwinkels ankündigt.
Im Falle eines Spannens mittels Drehmoment und anschließend mittels Winkel (oder umgekehrt) müssen nacheinander die obigen Verfahrensschritte bezüglich des Spannens mittels Drehmoment dann des Spannens mittels Winkel (oder umgekehrt) angewandt werden. Im Falle des Spannens mittels Drehmoment mit Kontrolle des Winkels (oder umgekehrt), ermöglicht diese neue Schlüsselart, den Drehwinkel des Gewindeelements nach Anlegen des festgelegten Spanndrehmoments zu überprüfen. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls möglich, nämlich Spannen mittels Winkel bis zu einem auferlegten Wert, anschließend Kontrolle des Drehmoments. In all diesen Fällen ist der hervorgehende Wert der Zugkraft F am Ende des Spannvorganges verfügbar, wodurch es möglich ist, die Qualität des Spannens zu kontrollieren.
Ganz gleich in welcher Form diese neue Schlüsselart verwendet wird, der während des Spannvorganges bestimmte Reibbeiwert wird geliefert, was eine zusätzliche Information bezüglich der Qualität des durchgeführten Spannens darstellt.

Claims

Spannschlüssel (100), umfassend einen Kopf (101), der mit einem Schraubelement (122) zusammenwirken kann, ein Mittel (2) zur Momentanmessung des angelegten Moments, einen Kopf, der mit einem Schraubelement zusammenwirken kann, wobei der Kopf mit einem Mittel (3) zur Momentanmessung des Drehwinkels versehen ist, Eingabemittel (4), um Merkmale des Schraubelements sowie einen Sollwert für das Spannen aufzuzeichnen, und Verarbeitungsmittel (1), um die momentane Zugkraft auf das Schraubelement in Abhängigkeit von den gemessenen momentanen Werten des Moments und des Winkels sowie von den aufgezeichneten Merkmalen des Schraubelements zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (1) ferner Softwaremittel umfassen, um automatisch während des Spannvorgangs den Übergang vom elastischen Bereich in den plastischen Bereich zu erfassen und die momentane Zugkraft auf das Schraubsystem in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Erfassung des Spannbereichs zu berechnen.
Spannschlüssel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel die momentane Kraft in Echtzeit berechnen, um das Spannen des Schraubelements in einem Schritt durchzuführen.
Spannschlüssel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (1) ferner Softwaremittel umfassen, um den momentanen Reibbeiwert des Schraubelements während des Spannens zu berechnen, wobei die Berechnung des momentanen Reibbeiwerts (C(t)) durch Auflösen des folgenden Integrals erfolgt:

und: D_t: Äquivalenzkontaktdurchmesser zwischen der Scheibe und dem Schraubenkopf d: Durchmesser des Gewindes α: Steigungswinkel des Gewindes des Schraubsystems d₂: theoretischer Kontaktdurchmesser zwischen den Gewinden (auf Gewindeflanke) β: halber Winkel des Gewindes des Schraubsystems (30° bei Gewinde ISO M)
Spannschlüssel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel umfaßt, um Anomalien, wie beispielsweise ein Festfressen der Verbindung in Abhängigkeit vom gemessenen Wert des Reibbeiwerts zu erfassen.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Momentanmessung des Drehwinkels eine Buchse (112), die mit dem Schraubelement zusammenwirken kann, ein Stützelement (111), das aus einem Material mit geringem Reibbeiwert gebildet ist, und eine Feder (113) umfaßt, die zwischen der Buchse und dem Stützelement angeordnet ist, wobei das Ende des Stützelements, das dazu bestimmt ist, mit dem Schraubelement in Kontakt zu sein, mit einem Element mit starkem Reibbeiwert (114) versehen ist.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (1) Softwaremittel umfassen, um eine unterbrochene Spannung wieder aufzunehmen, bevor der Sollwert erreicht ist.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner Speichermittel und eine Anzeigevorrichtung (5) umfaßt, um Informationen zum Spannen, die nach dem Spannvorgang verfügbar sind, zu speichern und anzuzeigen.
Spannschlüssel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen zum Spannen insbesondere die Werte des Moments (C(t)) und des Drehwinkels (θ(t)), die während des Spannens gemessen wurden, die Zugkraft (F(t)), die während des Spannens berechnet wurde, die statischen (f_statisch) und dynamischen (f_dynamisch) Reibbeiwerte, die während des Spannens berechnet wurden, sowie den Spannbereich mit Informationen (C, θ, F)_{plastische Verformung} im Falle einer plastischen Verformung des Schraubelements umfassen.
Spannschlüssel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen zum Spannen die Entwicklung des Reibbeiwerts, der in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Zeit berechnet wurde, umfassen.
Spannschlüssel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen zum Spannen den Unterschied, der zwischen dem statischen und dem dynamischen Reibbeiwert berechnet wurde, umfassen.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert einer vorbestimmten Zugkraft entspricht, und daß die Vorrichtung Warnmittel umfaßt, die von den Verarbeitungsmitteln gesteuert werden, wenn der berechnete Wert der Kraft den Sollwert erreicht.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert einem vorbestimmten Spannmoment entspricht, und daß die Vorrichtung Warnmittel umfaßt, die von den Verarbeitungsmitteln gesteuert werden, wenn der gemessene Momentwert den Sollwert erreicht.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert einem vorbestimmten Spannwinkel entspricht, und daß die Vorrichtung Warnmittel umfaßt, die von den Verarbeitungsmitteln gesteuert werden, wenn der gemessene Drehwinkelwert den Sollwert erreicht.
Spannschlüssel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlüssel ein manueller Spannschlüssel ist, wobei das Mittel (2) zur Momentanmessung des angelegten Moments, die Eingabemittel (4) und die Verarbeitungsmittel (1) in einem Griff (102) enthalten sind, um es einem Bediener zu ermöglichen, das Spannen manuell durchzuführen.