DE69909560T2 - Verfahren zum Feststellen der Axiallast eines mit Gewinde versehenen Befestigungsmittels, wenn dieses über den Streckgrenz-Punkt hinaus angezogen wird - Google Patents

Verfahren zum Feststellen der Axiallast eines mit Gewinde versehenen Befestigungsmittels, wenn dieses über den Streckgrenz-Punkt hinaus angezogen wird Download PDF

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Description

  • Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Bestimmung der Axiallast in einer Gewindeverbindung, wenn sie bis zu ihrem und über ihren Punkt der Streckgrenze (gemäß Anspruch 1) angezogen wird, d. h. in den Bereich plastischer Deformation der Verbindung, durch Erfassen der Veränderung der Laufzeit von in die Verbindung eingeleiteten Ultraschallwellen, sowie ein Verfahren zum Anziehen einer Gewindeverbindung auf eine vorbestimmte Axiallast (entsprechend 3).
  • Beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie ist es wünschenswert, das Gewicht wenigstens einiger Arten von Gewindeverbindungen gering zu halten, die in verschiedenen Fahrzeugteilen enthalten sind. Dies wird durch Anwendung der maximal verfügbaren Klemmkraft für eine bestimmte Größe von Verbindung erreicht, das bedeutet, daß die Verbindung bis zu ihrer Streckgrenze angezogen wird, d. h. gerade über ihren Bereich elastischer Deformation hinaus. Dieses bekannte Verfahren ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 2,600,549 beschrieben.
  • Beim Anziehen einer Verbindung auf ein Niveau oberhalb ihrer Streckgrenze besteht jedoch ein Problem darin, die erhaltene Axiallast exakt zu bestimmen, weil in diesem Bereich die Axiallast nicht linear im Verhältnis zu dem Drehwinkel ansteigt.
  • Im Stand der Technik stand kein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Erhalten einer genauen Information über die erzielte Axiallast zur Verfügung, wenn man eine Verbindung in den Bereich plastischer Deformation anzog.
  • Gemäß einem bekannten Verfahren zum Anziehen einer Verbindung in den plastischen Deformationsbereich wird die Streckgrenze durch Erfassen der wesentlichen Änderung im Drehmomentanstieg, die man in diesem Punkt erhält, bestimmt, und die Verbindung über einen weiteren vorbestimmten Winkel von diesem Punkt an angezogen. Durch dieses Verfahren wird eine hohe Klemmleistung der Verbindung genutzt, da sie über die Streckgrenze hinaus angezogen wird, aber es besteht keine Möglichkeit, die tatsächlich erhaltene Axiallast auf die Verbindung zu bestimmen. Auftretende Abweichungen beim Reibwiderstand in der Verbindung verursachen eine beträchtliche Streuung der erzielten Axiallast nicht nur im Punkt der Streckgrenze, sondern auch in dem abschließenden Abschaltpunkt.
  • Ein sehr bekanntes Verfahren zum Bestimmen der Axiallast auf eine Verbindung, das beispielsweise in dem US-Patent Nr. 3,969,810 oder dem Patent GB 2 037 430 beschrieben worden ist, umfaßt das Messen der Veränderung in der Laufzeit der axial in die Verbindung eingeleiteten Ultraschallwellen. Dieses Verfahren ist nur beim Anziehen einer Verbindung innerhalb des Bereiches elastischer Deformation anwendbar, weil der direkte Zusammenhang zwischen der Laufzeit der Ultraschallwellen und der Axiallast nur vorhanden ist, wenn ein linearer Zusammenhang zwischen der Längung der Verbindung und der Axiallast gegeben ist. Dies ist jedoch nicht der Fall im Bereich plastischer Deformation, in welchem die Verbindung bei einem nur geringen Anstieg der Axiallast gelenkt wird. Dies bedeutet, daß dieses Verfahren, wie zuvor beschrieben, nicht nützlich ist, um die Axiallast auf die Verbindung beim Anziehen auf die Streckgrenze zu bestimmen.
  • Zuvor ist auch ein Verfahren zum Bestimmen der erhaltenen Axiallast in einer Verbindung durch Messen der Veränderung der Laufzeit für in eine Verbindung eingeleitete Ultraschallwellen vorgeschlagen worden, auch wenn die Verbindung in den Bereich plastischer Deformation angezogen wird. Dieses Verfahren basiert auf einer Feststellung des Zusammenhangs der Veränderung in der Laufzeit der Ultraschallwellen und der Axiallast bei der jeweiligen Art von Verbindung vor dem Anziehen. Basierend auf dieser Information wird die erhaltene Axiallast dadurch bestimmt, daß man die Veränderung in der Laufzeit der Ultraschallwellen mißt und mit dem zuvor festgestellten Zusammenhang zwischen der Laufzeit und der Axiallast vergleicht.
  • Dieses bekannte Verfahren zieht jedoch nicht die Veränderungen in dem Reibwiderstand in Betracht und somit auch nicht die Veränderungen im Axiallastniveau, das man an dem Punkt der Streckgrenze der Verbindung und auch im Bereich plastischer Deformation erhält.
  • Wie zuvor erwähnt, steht die Axiallast im Punkt und oberhalb des Punktes der Streckgrenze nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Längung der Verbindung, sondern hängt auch von den tatsächlichen Reibbedingungen in der Verbindung ab. Dies geschieht infolge der Tatsache, daß ein hoher Reibwiderstand in der Verbindung erhöhte Scherbeanspruchungen auf die Verbindung verursacht und eine plastische Deformation der Verbindung bei einer niedrigeren Axiallast stattfindet. Entsprechend variiert die Axiallast im Punkt der Streckgrenze für einen bestimmten Typ von Verbindung stark, da sie in hohem Maße von den tatsächlichen Reibbedingungen in der Verbindung abhängt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum genauen Bestimmen der Axiallast in einer Gewindeverbindung zu schaffen, wenn letztere auf ein Vorspannungsniveau oberhalb des Punktes der Streckgrenze angezogen wird, unter Verwendung der Veränderung der Laufzeit der Ultraschallwellen, die in die Verbindung zum Bestimmen der Axiallast im Punkt der Streckgrenze und auch auf dem Niveau der abschließenden Vorspannung der Verbindung zu bestimmen.
  • Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen deutlich.
  • Das erfindungsgemäße neue Verfahren umfaßt vor dem Anziehen einen Untersuchungsvorgang, bei welchem der jeweilige Typ von Verbindung Anzugsvorgängen einschließlich eines Vorspannens in den Bereich der plastischen Deformation unterzogen wird. Dieser Untersuchungsvorgang vor dem Anziehen umfaßt das Anziehen einer Anzahl von Verbindern auf ein Niveau oberhalb des Punktes der Streckgrenze während des Messens des eingebrachten Drehmoments, des Drehwinkels, der Axiallast und der Laufzeit für in die Verbindung eingeleitete Ultraschallwellen mit Hilfe einer geeigneten Ausrüstung.
  • Dadurch ist es möglich, das Verhältnis zwischen der Axiallast, dem Drehwinkel und der Laufzeit der Ultraschallwellen zu bestimmen. Es ist auch möglich, die Größe und das Streuen des Drehmomentniveaus festzustellen, bei welchem die Verbindung beginnt, sich plastisch zu deformieren. Es ist wichtig, den Zusammenhang zwischen der Axiallast und der Laufzeit für die Ultraschallwellen in dem Bereich plastischer Deformation der Verbindung zu bestimmen, weil in diesem Bereich das Verhältnis nicht länger linear ist.
  • Es ist von besonderer Wichtigkeit, zu untersuchen, wie die Axiallast oberhalb des Punktes der Streckgrenze mit dem Axiallastniveau im Punkt der Streckgrenze variiert. Je höher der Reibwiderstand ist, desto niedriger ist die Axiallast im Punkt der Streckgrenze. Wie zuvor erwähnt, besteht die Erklärung hierfür darin, daß sowohl die Axiallast als auch die Torsionslast einen Beitrag zu der Spannung in der Verbindung leisten und zusammen bewirken, daß das Material der Verbindung bei einem bestimmten Niveau fließt. Dies bedeutet, daß ein hoher Reibwiderstand dazu führt, daß das Verbindungsmaterial bei einer niedrigeren Axiallast fließt und entsprechend ist es wichtig, in den Untersuchungsvorgang Verbindungen mit dem niedrigsten und höchsten bei einer normalen Verbindungsherstellung zu erwartenden Reibwiderstand einzuschließen, weil dies nicht nur einen Hinweis auf den Streubereich des Reibwiderstandes, sondern auch auf die zu erwartende niedrigste Axiallast am Punkt der Streckgrenze der Verbindung gibt. Diese Information ist von entscheidender Wichtigkeit, wenn man die geeignete Größe der zu verwendenden Verbindung bestimmt.
  • Da die Laufzeit der Ultraschallwellen die Axiallast im Bereich elastischer Deformation reflektiert, ist es nicht möglich, diese Laufzeit zum Anzeigen des Punktes der Streckgrenze zu verwenden. Statt dessen wird der Punkt der Streckgrenze in geeigneter Weise als eine wesentliche Änderung in dem Verhältnis Drehmoment zu Drehwinkel erfaßt. Er kann jedoch auch auf jegliche andere geeignete Weise erfaßt werden. Im Punkt der Streckgrenze wird die Laufzeit für die Ultraschallwellen bestimmt, um es so zu ermöglichen, die Axiallast im folgenden Bereich plastischer Deformation mit einem entsprechenden Verhältnis zwischen Axiallast und Laufzeit in Bezug zu setzen, das während des Untersuchungsvorgangs vor dem Anziehen bestimmt worden ist.
  • In der Praxis dient eine Verbindung des jeweiligen Typs dazu, bis zu einer bestimmten Axiallast angezogen zu werden, die innerhalb des für diese Art von Verbindung zur Verfügung stehenden Bereich ausgewählt worden ist, wie er während der vorherigen Testläufe der Verbindung bestimmt worden ist. Ein Drehmoment wird auf die Verbindung aufgebracht und die momentanen Werte des Drehmoments, des Drehwinkels und der Laufzeit der Ultraschallwellen werden angezeigt. Die Laufzeit der Ultraschallwellen wird vom allerersten Anfang des Vorganges angezeigt, um einen Wert für die Laufzeit durch die Verbindung in unbelastetem Zustand zu erhalten.
  • Da der Punkt der Streckgrenze durch die Veränderung im Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehwinkel erfaßt wird, wird das Anziehen bis zu einem Laufzeitwert der Wellen fortgesetzt, der entsprechend den Nachforschungen vor dem Anziehen der gewünschten Axiallast entspricht.
  • Durch Anzeigen des Laufzeitwertes für die Ultraschallwellen durch die Verbindung im Punkt der Streckgrenze und Inbezugsetzen der folgenden Laufzeitwerte, die oberhalb des Punktes der Streckgrenze angezeigt werden, ist es möglich, Abweichungen im Reibwiderstand von einer Verbindung zu einer anderen zu kompensieren und ein wesentlich verbessertes Ergebnis im Hinblick auf die in der Verbindung erhaltene Axiallast zu erreichen.
  • Das neue Verfahren ist in den in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Diagrammen dargestellt, wobei
  • 1 ein Diagramm zeigt, das das Anziehen von zwei Verbindungen der gleichen Art in den plastischen Deformationsbereich zeigt und
  • 2 die gleichen Vorgänge zeigt und die maximal erwartete Ziellast für zwei oder mehr Verbindungen derselben Art im Verhältnis zu dem maximal zulässigen Sicherheitsdrehwinkel der Verbindung darstellt.
  • Entsprechend zeigen die Diagramme in den beigefügten Zeichnungen Kurven, die den Zusammenhang zwischen der Axiallast N und dem Drehwinkel Φ der beiden Verbindungen I und II darstellen, wenn sie in den Bereich plastischer Deformation angezogen werden. In Abhängigkeit von dem Unterschied im Reibwiderstand zwischen den beiden Verbindungen wird der Punkt der Streckgrenze auf zwei unterschiedlichen Niveaus der Axiallast erreicht, nämlich bei dem niedrigeren Niveau NY1 der einen Verbindung mit dem höheren Reibwiderstand und bei dem höheren Niveau NY2 bei derjenigen mit dem niedrigeren Reibwiderstand.
  • In dem Diagramm in 1 ist in gestrichelten Linien auch gezeigt, wie sich die Laufzeit der Ultraschallwellen Δt im Bereich der plastischen Deformation im Verhältnis zu dem Drehwinkel Φ ändert. Während der elastischen Deformation der Verbindung verändert sich die Laufzeit linear zusammen mit der Axiallast, aber infolge der plastischen Deformation des Verbindungsmaterials oberhalb des Punktes der Streckgrenze verändert sich die Laufzeit etwas langsamer im Hinblick auf die Längung der Verbindung.
  • Entsprechend fährt die Laufzeit Δt für die eingeleiteten Ultraschallwellen oberhalb des Punktes der Streckgrenze fort, im wesentlichen als eine lineare Funktion anzusteigen, wohingegen die Axiallast N eine viel kleinere, nicht-lineare Steigerungsrate erfährt. Die vertikalen Pfeile in dem Diagramm zeigen die Projektionen einer vorbestimmten abschließenden Laufzeit ΔtF bei den beiden unterschiedlichen Axiallast/Drehwinkelkurven. Dadurch wird deutlich gezeigt, daß man einen erheblichen Unterschied in der abschließenden Axiallast NF in den beiden Verbindungen für ein bestimmtes Niveau von Δt erhält. Dies geschieht infolge des wesentlichen Unterschieds der Axiallast NY1 zu NY2, wie sie in den jeweiligen Punkten der Streckgrenze tatsächlich erreicht werden.
  • Wenn man sich dafür entscheidet, den Anzugsvorgang bei dem Laufzeitniveau ΔtF zu unterbrechen, würde die Verbindung I mit hoher Reibung eine abschließende Axiallast NF1 leisten, die viel kleiner als die abschließende Axiallast NF2 ist, die durch die Verbindung II mit niedriger Reibung geleistet wird. Dies steht im Zusammenhang mit der Tatsache, daß die Verbindung I mit hoher Reibung eine relativ geringe Axiallast NY1 in ihrem Punkt der Streckgrenze leistet, der bei einer Längung der Verbindung erreicht wird, die durch die Wellenlaufzeit ΔtY1 reflektiert wird. Die Verbindung II mit niedriger Reibung leistet auf der anderen Seite eine relativ hohe Axiallast NY2 in ihrem Punkt der Streckgrenze, wo die Längung der Verbindung durch die Wellenlaufzeit ΔtY2 reflektiert wird (siehe Diagramm) .
  • Durch Beziehen des abschließenden Wertes ΔtF der abschließenden Wellenlaufzeit auf die tatsächliche Laufzeit ΔtY im Punkt der Streckgrenze und Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen vor dem Anziehen ist es möglich, die abschließend erhaltene Axiallast NF zu bestimmen.
  • Eine geeignete Anwendung für dieses neue Verfahren besteht darin, es für einen Anzugsvorgang zu verwenden, der in der folgenden Weise gesteuert wird:
    • I) Aufstellen – in einer Vorstudie – einer Sicherheitsgrenze für eine bestimmte Art von Verbindung, d. h. des Winkels oberhalb des Punktes der Streckgrenze, der nicht überschritten werden darf. Dieser ist in 2 durch αmax dargestellt .
    • II) Anschließendes Erstellen des Niveaus der Ziellast NTL, welches man von der Verbindung erhält, die den höchsten Reibwiderstand besitzt, wenn sie um den Winkel αmax oberhalb ihres Punktes der Streckgrenze angezogen wird (siehe Kurve 1 in 2).
    • III) Anschließendes Anziehen jeder Verbindung der bestimmten Art auf das Ziellastniveau NTL, unabhängig von ihrem Lastniveau im Punkt der Streckgrenze. In einem extremem Fall bedeutet dies, daß eine Verbindung mit einem Reibwiderstand wie die Verbindung II in 2 noch nicht einmal ihren Punkt der Streckgrenze erreicht, wenn sie die Ziellast NTL erreicht.
  • Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Streuen der erhaltenen Axiallasten auf einem Minimum gehalten wird, während gleichzeitig die volle Stärke der Verbindung im ungünstigsten Fall genützt wird, d. h. in dem Fall mit dem höchsten Reibwiderstand und der im Punkt der Streckgrenze erreichten niedrigsten Last. In anderen Worten wird für die bestimmte Art von Verbindung der maximal erreichbaren Axiallast bei dem Winkel αmax der Sicherheitsspanne der Verbindung mit dem niedrigsten Lastniveau im Punkt der Streckgrenze der Ziellastwert NTL zugeordnet. Dies bedeutet, daß kein Risiko besteht, die Sicherheitsspanne für jegliche andere der Verbindungen zu überschreiten.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Axiallast (N) in einer über ihren Punkt der Streckgrenze angezogenen Gewindeverbindung durch Messen der Laufzeit (Δt) von Ultraschallwellen, die in die Verbindung eingeleitet werden, wobei der Punkt der Streckgrenze in der Verbindung durch Indizieren einer wesentlichen Veränderung im Zusammenhang zwischen zwei Anzugsparametern bestimmt wird, dadurch gekennzeich net, daß die Axiallast (NY) im Punkt der Streckgrenze der Verbindung durch Vergleichen der Ist-Differenz der Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen zwischen dem unbelasteten Zustand und dem Punkt der Streckgrenze der Verbindung mit der Differenz der Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen zwischen dem unbelasteten Zustand und dem Punkt der Streckgrenze entsprechend einem vor dem Anziehen bestimmten linearen Zusammenhang zwischen der Axiallast (N) und der Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen bestimmt wird, wobei die augenblickliche Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen oberhalb des Punktes der Streckgrenze mit einem vor dem Anziehen bestimmten Zusammenhang zwischen der Axiallast (N) und der Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen oberhalb des Punktes der Streckgrenze für die vorliegende Art von Verbindung verglichen und dadurch die Axiallast (N) für eine bestimmte Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Voruntersuchung eine Anzahl von Verbindungen, die eine normal erwartete Streuung der Reibeigenschaften der vorliegenden Art von Verbindung repräsentiert, die maxi male Laufzeit (Δtmax) der Ultraschallwellen entsprechend einem maximalen Sicherheitsdrehwinkel (αmax) oberhalb des Punktes der Streckgrenze von jeder der Verbindungen bestimmt wird, wobei die maximale Laufzeit (Δtmax) der Ultraschallwellen gerade der Verbindung, die das niedrigste Niveau des Punktes der Streckgrenze besitzt, der höchsten abschließenden Zielaxiallast (NF) entspricht, die sicher von der vorliegenden Art von Verbindung zu erwarten ist.
  3. Verfahren zum Anziehen einer Gewindeverbindung auf eine vorbestimmte Axiallast (NF) oberhalb des Punktes der Streckgrenze, das das Erfassen des gegenwärtigen Wertes des eingeleiteten Drehmoments und der Winkelverlagerung (Φ) der Verbindung umfaßt, wobei der Punkt der Streckgrenze als eine wesentliche Veränderung im Zusammenhang zwischen Drehmoment und Winkel zwischen zwei Anzugsparametern erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Laufzeit (Δt) von in die Verbindung eingeleiteten Ultraschallwellen erfaßt und die Axiallast (NY) im Punkt der Streckgrenze durch Vergleich der Laufzeit (ΔtY) der Ultraschallwellen im Punkt der Streckgrenze der Verbindung mit der zuvor ermittelten Laufzeit (Δt) der Schallwellen in einer unbelasteten Verbindung verglichen werden und das Anziehen der Verbindung über den Punkt der Streckgrenze hinaus fortgesetzt wird, bis die gegenwärtige Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen ein Niveau (ΔtF) erreicht, das entsprechend einem vor dem Anziehen bestimmten Zusammenhang zwischen der Laufzeit (Δt) der Ultraschallwellen und der Axiallast (N) der gewünschten abschließenden Axiallast (NF) entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Voruntersuchung einer Anzahl von Verbindungen des vorliegenden Typs die maximale Laufzeit (Δtmax) der Ultraschallwellen entsprechend einem maximalen Sicherheitsdrehwinkel (αmax) oberhalb des Punktes der Streckgrenze jeder der Verbindungen bestimmt wird, wobei die maximale Laufzeit (Δtmax) der Ultraschallwellen gerade der Verbindung mit dem niedrigsten Niveau des Punktes der Streckgrenze der höchsten abschließenden Zielaxiallast (NF) entspricht, die sicher von der vorliegenden Art von Verbindung zu erwarten ist.
DE69909560T 1998-05-14 1999-05-12 Verfahren zum Feststellen der Axiallast eines mit Gewinde versehenen Befestigungsmittels, wenn dieses über den Streckgrenz-Punkt hinaus angezogen wird Expired - Lifetime DE69909560T2 (de)

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