EP4574337A1 - Verfahren und anordnung zum anziehen einer schraubverbindung - Google Patents

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EP4574337A1
EP4574337A1 EP24210535.1A EP24210535A EP4574337A1 EP 4574337 A1 EP4574337 A1 EP 4574337A1 EP 24210535 A EP24210535 A EP 24210535A EP 4574337 A1 EP4574337 A1 EP 4574337A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
torque
screw connection
processing device
tightening
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24210535.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Bruns
Tobias TRUNK
Florian FÖHLISCH
Timo NIEBEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deere and Co
Original Assignee
Deere and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deere and Co filed Critical Deere and Co
Publication of EP4574337A1 publication Critical patent/EP4574337A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING, OR HOLDING
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/142—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for hand operated wrenches or screwdrivers
    • B25B23/1422—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for hand operated wrenches or screwdrivers torque indicators or adjustable torque limiters
    • B25B23/1425—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for hand operated wrenches or screwdrivers torque indicators or adjustable torque limiters by electrical means
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    • B25B23/1456—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for fluid operated wrenches or screwdrivers having electrical components
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/147—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for tightening a screw connection between a first component and a second component which are equipped with cooperating threads.
  • screw connections are typically used to connect two elements, particularly detachably.
  • the screw connection comprises a first component (nut, sleeve, or similar) with an internal thread and a second component (screw, bolt, or similar) with an external thread complementary to the internal thread.
  • first component nut, sleeve, or similar
  • second component screw, bolt, or similar
  • intermediate elements are provided in the axial direction between the first and second components. These intermediate elements serve to provide a defined contact surface for the components (e.g., washers) and/or seal the connection (sealing rings) when the thread is tightened.
  • the intermediate element When the screw connection is tightened, the intermediate element therefore rests against both the first and second components and is clamped between the components in the axial direction (i.e., the direction in which the first or second component moves linearly relative to the other component when the screw connection is tightened), with a force that depends on the tightening torque.
  • torque wrenches are used to ensure defined and reproducible tightening torques.
  • these comprise a mechanical element (overload clutch) that, when an adjustable torque is reached, breaks the frictional connection between a drive and the output, which is releasably coupled to the rotated component.
  • the drive can be a manually operated lever or power-operated (motor), and the output, as the interface to the rotated component, can be an internal or external hexagon wrench or an open-end wrench.
  • a sensor is used to detect the torque. This sensor detects, for example, the torque-dependent deformation of a mechanical element connected to the frictional connection between the drive and output.
  • An evaluation electronics emits a signal that alerts the operator when a predefined target torque is reached.
  • the screw connection should first be tightened until an initial torque is reached at which the components already come into contact, and then further tightened by a defined angle, with an appropriate warning signal being issued to an operator so that he or she stops tightening in order to ensure the defined screw connection.
  • the US 2022/0214240 A1 The idea is to equip a torque wrench equipped with an angle and torque sensor and an electronic evaluation and display unit with a wireless data transmission device so that the maximum torque and angle of rotation can be specified for each screw connection to be tightened using a separate input and output device. When the specified torque or angle has been reached, the operator receives a corresponding signal from the torque wrench's display unit. These values are also fed back to the separate input and output device, where they can be recorded and optionally displayed or used to check whether the correct torque profile was used.
  • the object underlying the invention is to avoid at least some of the disadvantages mentioned.
  • an electronic processing device can detect whether the intermediate element is present or missing.
  • the processing device can also detect if the intermediate element is not installed correctly, i.e., if it is tilted or should not be in a groove. If the intermediate element is missing or incorrectly positioned, the processing device emits an error signal. The latter can be displayed to an operator or used by an automatic system to correct the error.
  • the torque can be measured as a function of the angle on one or more comparable or similar screw connections that are not faulty. This yields a target curve from which characteristic features can be derived, which are then compared with the characteristic features of the tightened screw connection under investigation.
  • the Figure 1 shows an example of a screw connection 10 between a first component 12 and a second component 14 in a non-assembled state.
  • the first component 12 comprises a tube 16 through which a liquid or a gas can be conducted, and a first hollow part 18 with an external thread 20, which is firmly attached to the tube 16.
  • the first hollow part 18 is provided with a groove 24 on its outer end face 22.
  • the second component 14 also comprises a tube 26 to which a second hollow part 28 is fastened.
  • the second hollow part 28 also comprises a groove 32 on its outer end face 30.
  • a union nut 36 with a rear collar 38, which rests on the rear surface 42 of the second hollow part 28 (spaced apart from the end face 30), is equipped with an internal thread 40.
  • the Figure 1 shows the screw connection 10 in the disassembled state. It can be seen that between the end faces 22, 30 of the hollow parts 20, 28, a sealing ring 34 can be positioned within the grooves 24, 30, which provides a seal when the union nut 36 is tightened.
  • the hollow parts 20, 28 are also coupled to the pipes 16 and 26 in such a way (e.g., welded, glued, or crimped) that no liquid or gas can escape.
  • the threads 20 and 40 interact in such a way that when the union nut 36 is tightened, the sealing ring 34 is held at a certain, definable axial (in Figure 1 in the horizontal direction) is compressed.
  • the Figure 2 shows a torque wrench 44 in a schematic representation. It comprises an interface 46 for establishing a torque-locking connection with the union nut 36, a lever arm 48 with a handle 51 as well as an angle sensor 50, a torque sensor 52 and an electronic unit 54 with an electronic processing device 56 and a display device 58. Between the interface 46 and the lever arm 48, an adjustable connection 60 can be arranged, which, among other things, for ergonomic reasons, allows the lever 48 to be pivoted. opposite the interface 46 in the drawing plane of the Figure 2 and/or a resetting of the lever 48 (e.g., by means of a ratchet) relative to the interface 46 after the screw connection has been rotated by a certain angle using the union nut 36.
  • an adjustable connection 60 can be arranged, which, among other things, for ergonomic reasons, allows the lever 48 to be pivoted.
  • a resetting of the lever 48 e.g., by means of a ratchet
  • the angle sensor 50 and the torque sensor 52 are connected to the processing device 56 and the display device 58 in a signal-transmitting manner (by cable or wirelessly).
  • the processing device 56 and, if applicable, the display device 58 could also be arranged at a distance from the torque wrench 44.
  • JP S 591172 A and US 2022/0214240 A1 whose disclosures are incorporated by reference into these documents.
  • the Figure 3 shows examples of torques M (Y-axis) recorded in practice as a function of the angle theta (X-axis).
  • Two groups of curves can essentially be distinguished, namely those in the left-hand area (below the vertical line 68) and those in the right-hand area beyond line 68.
  • the curves that can only be seen in the left-hand area have a relatively large gradient. They are essentially parabolic or exponential at first and later more or less linear. Those curves that can also be found beyond line 68 are initially relatively flat (here the sealing ring 34 is compressed) and include a point where the gradient increases sharply.
  • joining point 66 at which two metal surfaces (in the example the Figure 1 (ie, the end faces 22, 30) come into contact with one another.
  • the gradient beyond the joining point 66 corresponds approximately to the gradient of the curves shown in the left-hand area, where the sealing ring 34 is missing.
  • FIG 4 is a schematic representation of the torques M (Y-axis) to be expected depending on the angle theta (X-axis) when the screw connection is tightened.
  • the result (if the sealing ring 34 is correctly fitted) is initially a relatively small gradient m of the torque approximated by a straight line, which is caused by the friction of the threads 20, 40 and the elasticity of the sealing ring 34, until the joining torque M F is reached at a point 66, at which the outer end faces 22, 30 come into direct mechanical contact with one another. From there, the torque M increases approximately linearly with the angle theta, with an approximately constant gradient m lin .
  • the Figure 5 shows a histogram in which the slope m, ie the torque measured by the torque sensor 52 divided by the angle detected by the angle sensor 50 before reaching the joining torque M F , is shown on the X-axis, while the the corresponding frequency is shown.
  • the gradient m is relatively small, which is due to the fact that the sealing ring 34, which is made of elastomer material, lies in the grooves 24, 32 and is gradually compressed.
  • the corresponding distribution can be approximated by a first (bell-shaped) curve 62.
  • the sealing ring 34 has not been installed correctly and is crushed when the screw connection is tightened, or in which it is missing completely.
  • the gradient m is considerably larger, since the end surfaces 22, 32 come into contact with each other sooner or directly than with the sealing ring 34 correctly installed.
  • the corresponding distribution can be approximated by a second curve 64, the maximum of which lies at significantly higher gradients m than in the first curve 62.
  • step 100 the processing device 56, for example, takes information about the screw connection to be produced from a database that is stored in the processing device 56 and can be retrieved using an identification that is automatically recognized, e.g., by a computer-aided (production) process control system using a remote data transmission such as Bluetooth or WLAN, or an RFID chip of the screw connection or recognized by a camera, or entered manually.
  • a computer-aided (production) process control system using a remote data transmission such as Bluetooth or WLAN, or an RFID chip of the screw connection or recognized by a camera, or entered manually.
  • step 102 the screw connection is now tightened as described above, and the torque M and the angle theta are recorded over time by means of the sensors 50, 52 and fed to the processing device 56.
  • the preprocessed angle and torque measurements recorded over time are evaluated to determine characteristic features of the torque angle dependence curves. These features are then compared with target values to determine whether the tightening process of the screw connection is proceeding correctly or incorrectly.
  • the processing device 56 can thus determine whether the tightening of the screw connection is proceeding correctly or not. This could also involve relying on the learned knowledge of an artificial intelligence that is fed with a sufficient amount of comparison data or that initially only collects data for learning purposes and, after a learning phase, is able to recognize correct tightening of the screw connection. Alternatively, series of measurements or theoretical calculations can be used to calculate the target values of the characteristic features.
  • step 106 If, in step 106 following step 104, it is determined that the torque curve corresponds to a correctly installed sealing ring 34, step 108 follows, in which it is checked whether the angle thetaA to be set has been reached, and if this is not the case, step 102 follows again.
  • the torque and the angle, as well as the characteristic features derived from them are thus recorded quasi-continuously (or at regular intervals) and compared with target values.
  • step 112 follows, in which an indication is given by means of the display device 58 (and/or acoustically) that the operator can terminate the process, followed again by step 102 in which another screw connection is tightened.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung zum Anziehen einer Schraubverbindung (10) zwischen einem ersten Bauteil (12) und einem zweiten Bauteil (14), die mit zusammenwirkenden Gewinden (20, 40) ausgestattet sind, umfassen folgende Schritte oder Mittel zu deren Durchführung:
Drehen eines der Gewinde (20, 40) im Sinne eines Anziehens der Schraubverbindung (10),
sukzessives Erfassen des Drehwinkels mittels eines Winkelsensors (50) und des Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors (52) beim Anziehen der Schraubverbindung (10), und
Auswerten der Signale des Winkelsensors (50) und des Drehmomentsensors (52) durch eine elektronische Verarbeitungseinrichtung (56) zur Bestimmung von einem oder mehreren charakteristischen Merkmalen der Signale und Vergleich des oder der Merkmale mit einem oder mehreren Sollwerten,
wobei die elektronische Verarbeitungseinrichtung (56) anhand des Vergleichs erkennt, ob ein Zwischenelement zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingefügt ist, das beim Anziehen der Schraubverbindung bestimmungsgemäß zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingeklemmt wird, und falls sich anhand des Vergleichs ergibt, dass das Zwischenelement fehlt oder nicht korrekt eingesetzt ist, eine Fehlermeldung abzugeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Anziehen einer Schraubverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die mit zusammenwirkenden Gewinden ausgestattet sind.
    • Stand der Technik
  • Bei der Herstellung oder Reparatur von Bauteilen, Zusammenbauten und ganzen Maschinen oder Fahrzeugen sind üblicherweise Schraubverbindungen vorgesehen, um zwei Elemente insbesondere lösbar untereinander zu verbinden. Die Schraubverbindung umfasst ein erstes Bauelement (Mutter, Muffe o.ä.) mit einem Innengewinde und ein zweites Bauelement (Schraube, Bolzen o.ä.) mit einem zum Innengewinde komplementären Außengewinde. In den meisten Fällen sind in axialer Richtung Zwischenelemente zwischen dem ersten und zweiten Bauelement vorgesehen, die beim Anziehen des Gewindes dazu dienen, eine definierte Anlagefläche für die Bauelemente bereitzustellen (z.B. Unterlegscheiben) und/oder die Verbindung abzudichten (Dichtringe). Im angezogenen Zustand der Schraubverbindung liegt das Zwischenelement demnach sowohl am ersten wie auch am zweiten Bauelement an und wird in axialer Richtung (d.h. der Richtung, in der sich das erste oder zweite Bauelement gegenüber dem jeweils anderen Bauelement beim Andrehen der Verschraubung linear bewegt) zwischen den Bauelementen eingeklemmt, und zwar mit einer vom Andrehmoment abhängigen Kraft.
  • Zum Festziehen der Schraubverbindung werden, um definierte und reproduzierbare Andrehmomente zu gewährleisten, so genannte Drehmomentschlüssel verwendet. Diese umfassen im einfachsten Fall ein mechanisches Element (Überlastkupplung), das beim Erreichen eines einstellbaren Drehmoments den Kraftschluss zwischen einem Antrieb und dem mit dem gedrehten Bauelement lösbar gekoppelten Abtrieb trennt. Der Antrieb kann ein manuell gehandhabter Hebel oder fremdkraftbetätigt (Motor) sein, und der Abtrieb als Schnittstelle zum gedrehten Bauelement einen Innen- oder Außen-Sechskant- oder einen Maulschlüssel umfassen. Bei fortgeschrittenen Drehmomentschlüsseln wird ein Sensor zur Erfassung des Drehmoments verwendet, der z.B. die vom Drehmoment abhängige Verformung eines mechanischen, in den Kraftschluss zwischen Antrieb und Abtrieb geschalteten Elements erfasst. Eine Auswertungselektronik gibt ein Signal ab, das den Bediener darauf hinweist, wenn ein vorgebbares Soll-Drehmoment erreicht ist.
  • Bei noch weiter fortgeschrittenen Drehmomentschlüsseln wird nicht nur das übertragene Drehmoment erfasst, sondern auch der zugehörige Drehwinkel. Hierzu kann ein Trägheitssensor verwendet werden, oder es erfolgt eine Winkelmessung zwischen An- und Abtrieb.
  • Hierzu sei beispielsweise auf den Stand der Technik nach JP S 591172 A verwiesen. Dort wird vorgeschlagen, die Verschraubung zunächst anzuziehen, bis ein erstes Drehmoment erreicht ist, bei dem die Bauelemente schon in Anlage geraten, und anschließend um einen definierten Winkel weiterzudrehen, indem ein entsprechendes Warnsignal an einen Bediener abgegeben wird, damit dieser das Anziehen beendet, um die definierte Verschraubung sicherzustellen.
  • Weiterhin schlägt die US 2022/0214240 A1 vor, einen mit Winkel- und Drehmomentsensor und elektronischer Auswertungs- und Anzeigeeinheit ausgestatteten Drehmomentschlüssel mit einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung auszustatten, um mittels eines separaten Ein- und Ausgabegeräts das maximale Drehmoment und den Drehwinkel entsprechend der jeweils anzuziehenden Verschraubung vorgeben zu können. Wenn demnach das vorgegebene Drehmoment bzw. der vorgegebene Winkel erreicht wurde, erhält der Bediener ein entsprechendes Signal von der Anzeigeeinheit des Drehmomentschlüssels. Diese Werte werden auch an das separate Ein- und Ausgabegerät zurückgemeldet und dort aufgezeichnet und optional zur Anzeige gebracht oder verwendet, um zu prüfen, ob das richtige Drehmomentprofil verwendet wurde.
  • Eine optische Erkennung, ob ein Dichtring sich innerhalb eines Montageprozesses an der gewünschten Position befindet, wird in der DE 11 2017 005 961 T5 beschrieben.
    • Aufgabe
  • Wie eingangs erwähnt, werden in den meisten Fällen Zwischenelemente (Unterlegscheiben, Dichtringe, etc.) zwischen den Bauelementen verwendet. Es sind, insbesondere in Fertigungsprozessen (Fließband) oder bei Reparaturarbeiten, Fälle denkbar, in denen das Zwischenelement fehlt (z.B. vergessen wurde oder heruntergefallen ist) oder nicht korrekt positioniert wurde, sodass es nicht an der gewünschten Stelle beispielsweise in einer Nut liegt, sodass es beim Anziehen der Schraubverbindung zerquetscht wird. In diesen Fällen würden die bekannten Drehmomentschlüssel das Problem nicht erkennen, sondern die Verbindung dennoch mit dem vorgegebenen Drehmoment und Winkel anziehen. Das Problem wird erst später bemerkt, wenn beispielsweise Flüssigkeiten austreten oder eine gewünschte Festigkeit der Fixierung nicht erreicht wird. Der Stand der Technik nennt als Lösung für dieses Problem die optische Detektion des Zwischenelements.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, zumindest einige der erwähnten Nachteile zu vermeiden.
    • Lösung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre der Patentansprüche 1 und 7 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
  • Ein Verfahren und eine Anordnung zum Anziehen einer Schraubverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die mit zusammenwirkenden Gewinden ausgestattet sind, umfassen folgende Schritte oder Mittel zu deren Durchführung:
    • Drehen eines der Gewinde im Sinne eines Anziehens der Schraubverbindung,
    • sukzessives Erfassen des Drehwinkels mittels eines Winkelsensors und des Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors während des Anziehens der Schraubverbindung, und
    • Auswerten der Signale des Winkelsensors und des Drehmomentsensors durch eine elektronische Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung von einem oder mehreren charakteristischen Merkmalen der Signale und Vergleich des oder der Merkmale mit einem oder mehreren Sollwerten,
    • wobei die elektronische Verarbeitungseinrichtung anhand des Vergleichs erkennt, ob ein Zwischenelement zwischen dem ersten und zweiten Bauteil eingefügt ist, das beim Anziehen der Schraubverbindung bestimmungsgemäß zwischen dem ersten und zweiten Bauteil eingeklemmt wird, und falls sich anhand des Vergleichs ergibt, dass das Zwischenelement fehlt oder nicht korrekt eingesetzt ist, eine Fehlermeldung abgibt.
  • Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, beim Fest- bzw. Anziehen der Schraubverbindung den Winkel und das Drehmoment über die Zeit zu erfassen, d.h. in bestimmten zeitlichen Abständen werden die Messwerte für Winkel und Drehmoment aufgezeichnet. Anhand der gemessenen Werte werden ein oder mehrere charakteristische Merkmale der Signale berechnet, wie Kurvenform (Verlauf) und/oder Kurvenhöhe und/oder Kurvensteigung des als Funktion des Winkels aufgetragenen Drehmoments, und mittels eines Vergleichs des oder der Merkmale mit einem oder mehreren Sollwerten, die beispielsweise richtig oder falsch oder nicht eingebaute Zwischenelemente repräsentieren können, kann durch eine elektronische Verarbeitungseinrichtung erkannt werden, ob das Zwischenelement vorhanden ist oder fehlt. Es kann optional auch erkannt werden, wenn das Zwischenelement nicht korrekt eingebaut ist, d.h. beispielsweise verkantet ist oder sich nicht in einer Nut befinden sollte. Falls das Zwischenelement fehlt oder nicht korrekt angeordnet ist, gibt die Verarbeitungseinrichtung ein Fehlersignal ab. Letzteres kann einem Bediener angezeigt oder von einer selbsttätigen Anordnung genutzt werden, um den Fehler zu korrigieren.
  • Für die Bereitstellung der Sollwerte sind unterschiedliche Vorgehensweisen denkbar. Einerseits kann eine Messung des Drehmoments in Abhängigkeit des Winkels an einer oder mehreren vergleichbaren bzw. gleichartigen Schraubverbindungen erfolgen, die nicht fehlerhaft ist. Man erhält auf diese Weise eine Sollkurve, aus der charakteristische Merkmale abgeleitet werden können, die anschließend mit den charakteristischen Merkmalen der angezogenen, zu untersuchenden Schraubverbindung verglichen wird. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, die Sollkurve und/oder Sollwerte anhand von theoretischen Überlegungen, Simulationen oder Rechnungen zu bestimmen. Es kann beispielsweise durch finite-Elemente-Rechnungen eine Sollkurve für zu erwartende Drehmomente als Funktion des Winkels berechnet werden, basierend auf Daten der Schraubverbindung, wie Gewindeabmessungen, -steigungen, Flankenwinkeln, Materialien, Reibungs- und Elastizitätskoeffizienten etc.
    • Ausführungsbeispiel
  • Anhand der Abbildungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Querschnittzeichnung einer Schraubverbindung,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Drehmomentschlüssels,
    Fig. 3
    ein Diagramm zu aufgenommenen Drehmomenten in Abhängigkeit vom Drehwinkel beim Anziehen von Schraubverbindungen,
    Fig. 4
    ein Schema zur Winkelabhängigkeit des Drehmoments beim Festziehen der Schraubverbindung,
    Fig. 5
    ein Histogramm für Steigungen des Drehmoments in unterschiedlichen Situationen, und
    Fig. 6
    ein Flussdiagramm zur Vorgehensweise beim Anziehen der Schraubverbindung.
  • Die Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Schraubverbindung 10 zwischen einem ersten Bauteil 12 und einem zweiten Bauteil 14 in einem nicht-montierten Zustand. Das erste Bauteil 12 umfasst ein Rohr 16, durch das eine Flüssigkeit oder ein Gas geleitet werden kann, und ein fest am Rohr 16 angebrachtes, erstes Hohlteil 18 mit einem Außengewinde 20. Das erste Hohlteil 18 ist an seiner äußeren Stirnfläche 22 mit einer Nut 24 versehen. Das zweite Bauteil 14 umfasst ebenfalls ein Rohr 26, an dem ein zweites Hohlteil 28 befestigt ist. Das zweite Hohlteil 28 umfasst an seiner äußeren Stirnfläche 30 ebenfalls eine Nut 32. Eine Überwurfmutter 36 mit einem hinteren Kragen 38, der an der (von der Stirnfläche 30 beabstandeten Rückfläche 42 des zweiten Hohlteils 28 anliegt) ist mit einem Innengewinde 40 ausgestattet.
  • Die Figur 1 zeigt die Schraubverbindung 10 im demontierten Zustand. Es ist erkennbar, dass zwischen den Stirnflächen 22, 30 der Hohlteile 20, 28 ein Dichtring 34 innerhalb der Nuten 24, 30 positionierbar ist, der im angezogenen Zustand der Überwurfmutter 36 eine Abdichtung bereitstellt. Auch die Hohlteile 20, 28 sind mit den Rohren 16 bzw. 26 derart gekoppelt (z.B. verschweißt, verklebt oder gequetscht), dass dort keine Flüssigkeit oder Gas austreten kann. Die Gewinde 20 und 40 wirken derart zusammen, dass beim Anziehen der Überwurfmutter 36 der Dichtring 34 mit einer bestimmten, definierbaren axialen (in Figur 1 in horizontaler Richtung wirkenden) Kraft zusammengedrückt wird.
  • Die Figur 2 zeigt einen Drehmomentschlüssel 44 in schematischer Darstellung. Er umfasst eine Schnittstelle 46 zum Herstellen einer drehmomentschlüssigen Verbindung mit der Überwurfmutter 36, einen Hebelarm 48 mit einem Handgriff 51 sowie einen Winkelsensor 50, einen Drehmomentsensor 52 und eine Elektronikeinheit 54 mit einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung 56 und einer Anzeigeeinrichtung 58. Zwischen der Schnittstelle 46 und dem Hebelarm 48 kann eine verstellbare Verbindung 60 angeordnet sein, die u.a. aus ergonomischen Gründen ein Schwenken des Hebels 48 gegenüber der Schnittstelle 46 in der Zeichenebene der Figur 2 und/oder ein Rückstellen des Hebels 48 (z.B. mittels einer Ratsche) gegenüber der Schnittstelle 46 ermöglicht, nachdem die Schraubverbindung mittels der Überwurfmutter 36 um einen bestimmten Winkel gedreht wurde. Der Winkelsensor 50 und der Drehmomentsensor 52 sind signalübertragend (per Kabel oder drahtlos) mit der Verarbeitungseinrichtung 56 und der Anzeigeeinrichtung 58 verbunden. Die Verarbeitungseinrichtung 56 und ggf. die Anzeigeeinrichtung 58 könnte auch im Abstand vom Drehmomentschlüssel 44 angeordnet sein. Zum grundsätzlichen mechanischen und elektronischen Aufbau des Drehmomentschlüssels 44 sei auch auf den Stand der Technik nach JP S 591172 A und US 2022/0214240 A1 verwiesen, deren Offenbarungen durch Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen werden.
  • Die Figur 3 zeigt Beispiele für in der Praxis aufgenommene Drehmomente M (Y-Achse) abhängig vom Winkel theta (X-Achse). Es lassen sich im Wesentlichen zwei Gruppen von Kurven unterscheiden, nämlich jene im linken Bereich (unterhalb der vertikalen Linie 68) und jene im rechten Bereich jenseits der Linie 68. Die nur im linken Bereich zu sehenden Kurven weisen eine relativ große Steigung auf. Sie verlaufen im Wesentlichen zunächst parabelförmig oder exponentiell und später mehr oder weniger linear. Jene Kurven, die sich auch jenseits der Linie 68 finden, sind zunächst relativ flach verlaufend (hier wird der Dichtring 34 zusammengedrückt) und umfassen eine Stelle, an der die Steigung stark ansteigt. Diese Stelle lässt sich als Fügepunkt 66 identifizieren, an dem zwei Metallflächen (im Beispiel der Figur 1: die Stirnflächen 22, 30) aneinander zum Anliegen kommen. Die Steigung jenseits des Fügepunkts 66 entspricht etwa auch der Steigung der im linken Bereich zu sehenden Kurven, bei denen der Dichtring 34 fehlt.
  • In der Figur 4 ist schematisch dargestellt, welche Drehmomente M (Y-Achse) abhängig vom Winkel theta (X-Achse) zu erwarten sind, wenn die Schraubverbindung angezogen wird. Ausgehend vom Winkel und Drehmoment null ergibt sich (wenn der Dichtring 34 korrekt montiert ist) zunächst eine relativ kleine Steigung m des durch eine Gerade angenäherten Drehmoments, die durch die Reibung der Gewinde 20, 40 und die Elastizität des Dichtrings 34 bedingt wird, bis bei einem Punkt 66 das Fügemoment MF erreicht wird, an dem die äußeren Stirnflächen 22, 30 direkt mechanisch aneinander in Anlage geraten. Ab dort steigt das Drehmoment M etwa linear mit dem Winkel theta an, mit einer etwa konstanten Steigung mlin. Beim Winkel thetaA (A steht für den Anzugswinkel, bei dem das Anziehen beendet wird) wird der Anziehvorgang beendet, da dann die Verschraubung hinreichend fest angezogen ist. Wenn hingegen der Dichtring 34 fehlt oder nicht korrekt montiert ist, ergibt sich die links eingezeichnete Kurve 70 mit wesentlich höheren Steigungen im Anfangsbereich (der Bereich flacher Steigung, der bei der rechts in Figur 4 eingezeichneten Kurve durch die Verformung des Dichtrings 34 entstanden ist, fehlt) und später etwa gleicher Steigung wie bei der rechten Kurve jenseits des Punktes 66, bei dem das Fügemoment erreicht ist (diese Steigungen ergeben sich primär aufgrund der durch die Spannung der Gewinde 20, 40 aufgebauten Rückstellkräfte), jedoch größeren Absolutwerten.
  • Die Figur 5 zeigt ein Histogramm, in dem auf der X-Achse die Steigung m, d.h. das vom Drehmomentsensor 52 gemessene, durch den vom Winkelsensor 50 erfassten Winkel geteilte Drehmoment vor dem Erreichen des Fügemoments MF, dargestellt wird, während auf der Y-Achse die zugehörige Häufigkeit gezeigt wird. Falls der Dichtring 34 korrekt eingebaut wurde, ist die Steigung m relativ klein, was daran liegt, dass der aus elastomerem Material bestehende Dichtring 34 in den Nuten 24, 32 liegt und nach und nach zusammengedrückt wird. Die zugehörende Verteilung kann durch eine erste (Glocken-) Kurve 62 angenähert werden. Es treten jedoch auch Fälle auf, in denen der Dichtring 34 nicht korrekt eingebaut wurde und beim Anziehen der Verschraubung zerquetscht wird, oder in denen er komplett fehlt. In diesen Fällen ist die Steigung m wesentlich größer, da die Stirnflächen 22, 32 eher als bei korrekt eingebautem Dichtring 34 oder direkt in Kontakt miteinander treten. Die zugehörende Verteilung kann durch eine zweite Kurve 64 angenähert werden, deren Maximum bei wesentlich höheren Steigungen m liegt als bei der ersten Kurve 62.
  • Es wird nach alledem vorgeschlagen, dass die Verarbeitungseinrichtung 56 des Drehmomentschlüssels 44 der Figur 2 nach dem Flussdiagramm der Figur 6 arbeitet.
  • Der Vorgang beginnt mit einer Initialisierung im Schritt 100, bei der durch die Verarbeitungseinrichtung 56 beispielsweise Informationen zur herzustellenden Schraubverbindung aus einer Datenbank entnommen werden, die in der Verarbeitungseinrichtung 56 abgespeichert ist und anhand einer automatisch, z.B. von einem computergestützten (Fertigungs-) Prozessleitsystem mittels einer Datenfernübertragung wie Bluetooth oder WLAN, oder eines RFID-Chips der Schraubverbindung oder mittels einer Kamera erkannten, oder von Hand eingegebenen Identifizierung abgerufen werden kann.
  • Im nachfolgenden Schritt 102 wird nun die Schraubverbindung angezogen, wie oben beschrieben, und das Drehmoment M und der Winkel theta werden mittels der Sensoren 50, 52 über die Zeit erfasst und der Verarbeitungseinrichtung 56 zugeführt.
  • Im folgenden Schritt 104 erfolgt eine Auswertung. Dabei können eine oder mehrere der im Schritt 102 erfassten Daten ausgewertet werden. Zunächst erfolgt eine Vorverarbeitung, bei der nicht plausible Daten verworfen werden und nur Daten weiterverwendet werden, die oberhalb eines bestimmten Mindestdrehmoments liegen. Zudem können an sich bekannte Vorgehensweisen verwendet werden, um Ausreißer und Rauschen zu entfernen und z.B. durch lineare Regression Mittelwerte beispielsweise für Steigungen zu bestimmen.
  • Die vorverarbeiteten, über die Zeit aufgenommenen Messwerte für den Winkel und das Drehmoment werden ausgewertet, um charakteristische Merkmale der Kurven für die Winkelabhängigkeit des Drehmoments zu bestimmen. Diese Merkmale werden anschließend mit Sollwerten verglichen, um zu erkennen, ob der Anziehvorgang der Schraubverbindung korrekt erfolgt oder nicht.
  • In einem einfachen Fall kann ein Vergleich zwischen der Steigung m bis zum Erreichen des Fügemoments MF (d.h. vor dem Erreichen des Punkts 66 der Figuren 3 und 4) mit abgespeicherten, aus der Datenbank entnommenen Sollwerten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erreichen des Fügemoments MF (d.h. das Erreichen des Punktes 66 der Figur 3 und 4) anhand der sich dort ändernden Steigung erkannt und mit abgespeicherten, aus der Datenbank entnommenen Sollwerten für das Fügemoment MF verglichen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steigung mlin jenseits des Erreichens des Fügemoments MF (d.h. nach dem Erreichen des Punktes 66 der Figur 3 oder 4) erfasst und mit abgespeicherten, aus der Datenbank entnommenen Sollwerten verglichen werden.
  • Anhand von charakteristischen Merkmalen des Verlaufes des gemessenen Drehmoments und Winkels ist durch die Verarbeitungseinrichtung 56 demnach erkennbar, ob das Anziehen der Schraubverbindung korrekt verläuft oder nicht. Hierbei könnte auch auf gelerntes Wissen einer künstlichen Intelligenz, die mit hinreichend vielen Vergleichsdaten gefüttert wird oder bei der Arbeit zunächst zu Lernzwecken nur Daten erfasst und nach einer Lernphase in der Lage ist, ein korrektes Anziehen der Schraubverbindung zu erkennen, zurückgegriffen werden. Alternativ kann auf Messreihen oder theoretische Berechnungen zur Berechnung der Sollwerte der charakteristischen Merkmale zurückgegriffen werden.
  • Wenn sich im dem Schritt 104 folgenden Schritt 106 ergibt, dass der Drehmomentverlauf einem korrekt eingebauten Dichtring 34 entspricht, folgt der Schritt 108, in dem geprüft wird, ob der einzustellende Winkel thetaA erreicht ist, und falls das nicht der Fall ist, wieder der Schritt 102 folgt. Das Drehmoment und der Winkel sowie die daraus abgeleiteten charakteristischen Merkmale (hier: insbesondere die Steigung m) werden demnach quasi kontinuierlich (bzw. in regelmäßigen zeitlichen Abständen) erfasst und mit Sollwerten verglichen.
  • Falls sich im Schritt 108 ergibt, dass der einzustellende Winkel thetaA erreicht ist, folgt der Schritt 112, in welchem mittels der Anzeigeeinrichtung 58 (und/oder akustisch) ein Hinweis gegeben wird, dass der Bediener den Vorgang beenden kann, worauf wieder der Schritt 102 folgt, in dem eine weitere Schraubverbindung angezogen wird.
  • Ergibt sich im Schritt 106 hingegen, dass der Drehmomentverlauf nicht wie für einen korrekt eingebauten Dichtring 34 erwartet verläuft, wird im Schritt 110 mittels der Anzeigeeinrichtung 58 (und/oder akustisch) ein Hinweis gegeben, dass der Schraubvorgang nicht korrekt verläuft und der Dichtring fehlt oder nicht richtig eingelegt wurde. Der Bediener kann demnach die Schraubverbindung demontieren und den Dichtring 34 einfügen oder ersetzen.
  • In der beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Prüfung des Schraubvorgangs kontinuierlich über den gesamten Schraubvorgang. Alternativ können die Schritte 104 und 106 aus Figur 6 auch nach Erreichen von thetaA (Schritt 108) auf Basis der vollständig vorliegenden Messdaten des Schraubfalls erfolgen.
  • Es sei noch angemerkt, dass die Schraubverbindung nach Figur 1 nur ein Beispiel darstellt. Die Schraubverbindung 10 könnte auch als normale Schraube ausgeführt sein, die sich durch Öffnungen in zwei zu fixierenden Bauteile 12, 14 hindurch erstreckt und mittels einer Unterlegscheibe und einer daran anliegenden Mutter fixiert wird. In diesem Fall wäre die Verarbeitungseinrichtung 56 in der Lage, eine fehlende oder nicht richtig eingebaute Unterlegscheibe zu erkennen. Beliebige andere Ausführungsformen der Schraubverbindung sind denkbar.
  • Zudem ist der Drehmomentschlüssel 44 nur ein Beispiel für eine Anordnung zum Anziehen einer Schraubverbindung mit einem definierten Drehmoment. Anstelle des Hebels 48 und Griffs 50 könnte demnach ein fremdkraftbetätigter Antrieb treten, der die Schnittstelle 46 mit einem durch Sensoren 50, 52 messbaren Drehmoment und Winkel rotiert. Dieser Antrieb könnte vom Arm eines Bedieners oder Roboters gehalten werden. Die Verarbeitungseinrichtung 56 wäre in diesem Fall in der Lage, im Schritt 110 den Antrieb selbsttätig anzuhalten oder dessen Drehrichtung umzukehren.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung (10) zwischen einem ersten Bauteil (12) und einem zweiten Bauteil (14), die mit zusammenwirkenden Gewinden (20, 40) ausgestattet sind, mit folgenden Schritten:
    Drehen eines der Gewinde (20, 40) im Sinne eines Anziehens der Schraubverbindung (10),
    sukzessives Erfassen des Drehwinkels mittels eines Winkelsensors (50) und des Drehmoments mittels eines Drehmomentsensors (52) beim Anziehen der Schraubverbindung (10), und
    Auswerten der Signale des Winkelsensors (50) und des Drehmomentsensors (52) durch eine elektronische Verarbeitungseinrichtung (56) zur Bestimmung von einem oder mehreren charakteristischen Merkmalen der Signale und Vergleich des oder der Merkmale mit einem oder mehreren Sollwerten,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Verarbeitungseinrichtung (56) anhand des Vergleichs erkennt, ob ein Zwischenelement zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingefügt ist, das beim Anziehen der Schraubverbindung bestimmungsgemäß zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingeklemmt wird, und falls sich anhand des Vergleichs ergibt, dass das Zwischenelement fehlt oder nicht korrekt eingesetzt ist, eine Fehlermeldung abzugeben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zwischenelement ein Dichtring (34) oder eine Unterlegscheibe ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fehlermeldung auf einer Anzeigeeinrichtung (58) angezeigt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungseinrichtung (56) das fehlende oder nicht korrekt eingesetzte Zwischenelement anhand einer oder mehrerer oder aller folgender, anhand der Signale des Winkelsensors (50) und des Drehmomentsensors (52) berechneter charakteristischer Merkmale im Vergleich mit einem oder mehreren zugehörigen Sollwerten erkennt:
    Steigung (m) des Drehmoments abhängig vom Winkel bis zum Erreichen eines Fügemoments, bei dem sich die Steigung (m) aufgrund einer sich ergebenden, direkten mechanischen Berührung zwischen beiden Bauteilen (12, 14) ändert
    Steigung (mlin) des Drehmoments abhängig vom Winkel nach dem Erreichen des Fügemoments, und/oder
    Wert des Fügemoments.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Winkelsensor (50), der Drehmomentsensor (52) und die Verarbeitungseinrichtung (56) in einen Drehmomentschlüssel (44) eingebaut sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Verarbeitungseinrichtung (56) Informationen hinsichtlich der Schraubverbindung (10) zuführbar sind und die Verarbeitungseinrichtung (56) anhand der Informationen für den Vergleich benötigte Sollwerte aus einer Datenbank entnimmt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die von der Verarbeitungseinrichtung verwendeten Sollwerte auf Messungen und/oder Rechnungen beruhen.
  8. Anordnung zum Anziehen einer Schraubverbindung (10) zwischen einem ersten Bauteil (12) und einem zweiten Bauteil (14), die mit zusammenwirkenden Gewinden (20, 40) ausgestattet sind, mit:
    Mitteln zum Drehen eines der Gewinde (20, 40) im Sinne eines Anziehens der Schraubverbindung (10),
    einem Winkelsensor (50) und einem Drehmomentsensor (52) zum sukzessiven Erfassen des Drehwinkels und des Drehmoments beim Anziehen der Schraubverbindung (10), und
    einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung (56) zum Auswerten der zeitabhängigen Signale des Winkelsensors (50) und des Drehmomentsensors (52) zur Bestimmung von einem oder mehreren charakteristischen Merkmalen der Signale und Vergleich des oder der Merkmale mit einem oder mehreren Sollwerten,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Verarbeitungseinrichtung (56) konfiguriert ist, anhand des Vergleichs zu erkennen, ob ein Zwischenelement zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingefügt ist, das beim Anziehen der Schraubverbindung bestimmungsgemäß zwischen dem ersten und zweiten Bauteil (12, 14) eingeklemmt wird, und falls sich anhand des Vergleichs ergibt, dass das Zwischenelement fehlt oder nicht korrekt eingesetzt ist, eine Fehlermeldung abzugeben.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Winkelsensor (50), der Drehmomentsensor (52) und die Verarbeitungseinrichtung (56) in einen Drehmomentschlüssel (44) eingebaut sind.
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