DE19755253A1 - Verfahren zum kontrollierten Anziehen einer Schraubverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum kon­ trollierten Anziehen einer Schraubverbindung, mit einem Schrauber, dessen Spannwinkel α und dessen Anzugmoment (Md) meß- und einstellbar sowie als Anziehkennlinie (Md=f(α)) nach den Oberbe­ griffen der Patentansprüche 1, 2 und 6 darstellbar sind.

Schraubverbindungen wie sie z. B. in Hubkolbenbrennkraftmaschinen Verwendung finden, werden üblicherweise mit Drehwinkelanzug auf einen bestimmten Nachspannwinkel angezogen und durch ein sich dabei einstellendes Endanzugmoment kontrolliert. Diese Kontrolle dient der Qualitätsicherung. Dadurch können Schrauben mit zum Bei­ spiel fehlerhaftem oder sogar fehlendem Gewinde erkannt und aus­ geschieden werden.

Der Vorteil des Drehwinkelanzugs (geringer Voranzug mit Dreh­ moment, Nachspannen nach Drehwinkel) besteht in der geringen Streuung der Vorspann kraft der Schraubverbindung gegenüber einem reinen Drehmomentanzug, da sich eine unterschiedliche Reibung zwischen den Bauteilen nur auf den Voranzug mit Drehmoment aus­ wirken kann. Wegen des großen Einflusses der Reibung auf die Drehmomente streuen die Endanzugmomente, die beim Drehwin­ kelanzug erreicht werden, wesentlich stärker als die Vorspannkräfte.

Die Endanzugmomente sind deshalb zur Kontrolle des Drehwinkelan­ zugs nur bedingt geeignet. Wählt man den Toleranzbereich des Endanzugmoments so groß, daß alle denkbaren Reibwerte berück­ sichtigt werden, sind zwar falsche Fehlermeldungen verhindert, aber auch manche echten Fehler verdeckt.

Da die unterschiedliche Reibung die eigentliche Ursache der obenge­ nannten Probleme ist, beruhen alle bisherigen Lösungsansätze auf Maßnahmen zur Verringerung der Streuung der Reibbeiwerte und auf statistischer Auswertung und Berücksichtigung der momentanen Höhe der Endanzugmomente. Diese Ansätze sind jedoch weder kostenneutral noch voll befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtun­ gen zum Anziehen einer Schraubverbindung anzugeben, durch die fehlerhafte Bauteile der Schraubverbindung ausgesondert und die gewünschte Vorspannkraft erreicht und kontrolliert wird.

Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 dadurch gelöst, daß bei Drehwinkelanzug die Lage eines gewählten Toleranzbereichs des Endanzugmoments in Abhängigkeit vom Reibwert der Schraubverbindung während des Schraubvorgangs bevorzugt durch eine Berechnung bestimmt wird. Durch die automa­ tische Berücksichtigung der Reibung beim Festlegen der Lage des Toleranzbereichs kann dessen Größe klein und damit aussagefähig gewählt werden. Dadurch können zum Beispiel abnormale End­ drehmomente, verursacht durch klemmende oder fehlende Gewinde, erkannt werden. Da die Lagekorrektur des Toleranzbereichs während des Schraubanzugs erfolgt, ist eine rasche Schraubfolge möglich.

Ebenso wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Drehmomentanzug die Höhe des Soll-Anzugmoments in Abhängigkeit vom Reibwert der Schraubverbindung während des Schraubanzugs vorzugsweise durch eine Berechnung bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, auch mit Drehmomentanzug die gewünschte Vorspannkraft relativ genau zu erreichen.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist der Streckgrenzenanzug, der ebenfalls ein Drehmomentanzug ist, jedoch ohne eine bestimmte Größe des Endanzugmoments. Hierbei wird der Schraubanzug nach Überschreiten der Fließgrenze beendet, d. h., nach Überschreiten des Höchstwertes der Steigung der Anziehkennlinie und anschließendem Abfall der Steigung um einen festgesetzten Prozentsatz. Beim Streckgrenzenanzug wird zwar der Einfluß der Reibung auf das Endanzugmoment und damit auf die Vorspann kraft berücksichtigt, es kommt jedoch bei Streuungen der Streckgrenze auch bei diesem Verfahren zu unerwünschten Abweichungen von der angestrebten Vorspannkraft.

Bei der Anziehkennlinie, die bei ordnungsgemäßem Verlauf des Schraubanzugs einen progressiv steigenden ersten Ast, einen linear steigenden zweiten Ast und einen degressiv steigenden dritten Ast aufweist, ist der Anstieg des zweiten Astes der Anziehkennlinie von der Gewindesteigung, der Bauteilsteifigkeit und der Reibung der Schraubverbindung abhängig. Der Erfindung liegt somit die folgende Erkenntnis zugrunde: Da die Steigung bei einer bestimmten Schraub­ verbindung vorgegeben ist und die Bauteilsteifigkeit beim gleichen Typ einer Schraubverbindung kaum streut, hängt die unterschiedliche Steigung nur von der unterschiedlichen Reibung zwischen den Bau­ teilen ab. Aus der Steigung kann somit auf die Reibung geschlossen werden.

Der Einfluß der Reibung auf das Enddrehmoment bei Drehwinkelan­ zug und auf das Soll-Drehmoment bei Drehmomentanzug kann somit erfindungsgemäß nach Ermittlung der Steigung im zweiten Ast der Anziehkennlinie bei der Festlegung der Kontroll-Drehmomente bzw. des Soll-Drehmoments berücksichtigt werden.

Je nach Verlauf des linearen Astes der Anziehkennlinie kann es von Vorteil sein, nur einen Teil der Steigung derselben als Maß für den Reibwert zu wählen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß bei einem unerprobten Schraubverband dies Steigung des zweiten Astes der Anziehkennlinie und das zugehörige Endanziehmoment durch Anzugversuche bei unterschiedlichen Reibwerten des Schraubver­ bands gemessen wird. Auf diese Weise findet eine Eichung der Lage des Toleranzbereichs des Endanziehmoments in Abhängigkeit vom Reibwert der jeweiligen Schraubverbindung statt, die die Festlegung einer geringen Breite des Toleranzbereichs ermöglicht.

Von Vorteil ist, daß der Verlauf des zweiten Astes der Anziehkenn­ linie auch zur Beurteilung des Verlaufs des Anziehvorgangs benutzt wird. So ist ein falsch oder unvollständig geschnittenes Gewinde, das beim Einschrauben zunehmend klemmt, an einem zumindest teil­ weise progressiven Verlauf des üblicherweise linearen Anstieg des zweiten Asts der Anziehkennlinie erkennbar. Durch entsprechendes Gestalten des Auswerteprogramms wird ein solcher Fall vom reib­ wertabhängigen Toleranzbereich wegen Überschreitens des zulässi­ gen Endanzugmoments ausgeschieden.

Gemäß der Vorrichtung ist bei Drehwinkelanzug mit zumindest einem Rechenprogramm die Lage des Toleranzbereichs des Endanzug­ moments und bei Drehmomentanzug die Größe des Soll-Anzug­ moments in Abhängigkeit von der jeweiligen Steigung zumindest eines Teils des zweiten Astes der Anziehkennlinie während des Schraubvorgangs bestimmbar. Durch den Einsatz des Rechners ge­ lingt es, die Rechenoperationen zeitgleich mit dem Schraubanzug zu verwirklichen und so auch bei rascher Schraubfolge die optimale Lage des Toleranzbereichs des Endanzugmoments bei Drehwin­ kelanzug und die richtige Größe des Soll-Anziehmoments bei Drehmomentanzug während des Schraubanzugs einzustellen.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß mit einem weiteren Rechenprogramm eventuelle Abweichungen von der Linearität des zweiten Astes der Anziehkennlinie und ge­ gebenenfalls einer veränderten Reihenfolge der drei Äste erkennbar sind.

Um die Schraubverbindung möglichst weitgehend auszunutzen, kann der Nachspannwinkel bzw. das Endanzugmoment so festgelegt wer­ den, daß die Fließgrenze des Schraubverbands überschritten wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein in der Zeichnung dargestelltes Diagramm, auf dem mehrere Anziehkennlinien dargestellt sind, näher beschrie­ ben ist.

Zunächst einmal ist es so, daß die erfindungsgemäßen Verfahren und die entsprechende Vorrichtung vorteilhaft bei der Serienfertigung be­ ziehungsweise der Serienmontage von Brennkraftmaschinen, bei denen viele Einzelbauteile mit hohen Genauigkeitsanforderungen verschraubt werden, eingesetzt werden kann.

Auf der Abszisse des Diagramms ist der Drehwinkel α, auf der Ordi­ nate das Anzugmoment Md aufgetragen. Die Anziehkennlinien 1, 2, 3 einer Schraubverbindung unterscheiden sich durch unterschiedliche Reibwerte, die z. B. durch unterschiedliche Schmierintensität (feststoffgeschmiert, ölgeschmiert, ungeschmiert) oder unterschied­ liche Oberflächenqualität der Reibpartner hervorgerufen sind. Der Reibbeiwert steigt von Anziehkennlinie 1 nach Anziehkennlinie 3 hin an.

Die Anziehkennlinien 1, 2, 3 sind in drei Bereiche a, b und c unter­ teilt, mit den ersten Ästen a1, 2, 3, den zweiten Ästen b1, 2, 3 und den dritten Ästen c1, 2, 3. Die ersten Äste a1, 2, 3 stellen den Voran­ zug der Schraubverbindung dar. Der Voranzug wird mit verhältnis­ mäßig niedrigem Voranzugmoment Md₁ durchgeführt. Da hierbei die Bauteile nach Durchlaufen eines Montagespiels zur Anlage kommen, verlaufen die ersten Äste a1, 2, 3 progressiv steigend. Wegen des niedrigen Voranzugmoments Md₁ wirkt sich unterschiedliche Reibung auf die Vorspannkraft der Schraubverbindung praktisch nicht aus.

Im Bereich der zweiten Äste b1, 2, 3 findet die elastische Verformung der Schraubverbindung statt. Die unterschiedliche, aber jeweils kon­ stante Neigung ΔMd/Δα der zweiten Äste b1, 2, 3 setzt sich aus ei­ nem gleichen Verformungsanteil und einem unterschiedlichen Reibanteil zusammen. Beide Anteile addieren sich bei normalem Schraubanzug zu den dargestellten linearen zweiten Ästen b1, 2, 3.

Die dritten Äste c1, 2, 3 besitzen eine degressive Steigung, die eine Folge der beginnenden plastischen Verformung der Bauteile nach Überschreiten der Fließgrenze ist.

Der Nachspannwinkel α_end ist so gewählt, daß die Endanzugmomente Md_{end1, 2, 3} der drei Anziehkennlinien 1, 2, 3 jenseits der Fließgrenze S erreicht werden. Dadurch wird der Schraubverband voll ausgenutzt.

Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist beispielsweise der Unter­ schied zwischen den Endanzugmomenten Md_end1 und Md_end3 eine Folge der reibwertbedingten unterschiedlichen Steigung der zweiten Äste b1 und b3. Wollte man einen gemeinsamen Toleranzbereich für die Endanzugmomente Md_end1 und Md_end3 schaffen, so wäre dieser sehr groß und damit wenig aussagekräftig. Durch die reibwertge­ regelte Lage des Toleranzbereichs für das Endanzugmoment kann dieser beispielsweise auf 1/3 seiner ursprünglichen Größe reduziert werden. Dadurch ist eine bessere Fehlerdiagnose mit weniger Falschmeldungen gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines an sich bekannten Streckgrenzen­ schraubers durch eine entsprechende Programmänderung von dessen Steuerung verwirklicht.

Claims (8)

1. Verfahren zum kontrollierten Anziehen einer Schraubverbindung, mit einem Schrauber, dessen Spannwinkel (α) und dessen Anzug­ moment (Md) meß- und einstellbar sowie als Anziehkennlinie (Md=f(α)) darstellbar sind, wobei ein Nachspannwinkel (α_N) einge­ stellt und durch ein sich dabei ergebendes Endanziehmoment (Md_{end1, 2, 3}) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage (L1, 2, 3) eines gewählten Toleranzbereichs (T) des Endanzugmoments (Md_{end1, 2, 3}) in Ab­ hängigkeit vom Reibwert der Schraubverbindung während des Schraubvorgangs bestimmt wird.

2. Verfahren zum kontrollierten Anziehen einer Schraubverbin­ dung, mit einem Schrauber, dessen Spannwinkel (α) und dessen An­ zugmoment (Md) meß- und einstellbar sowie als Anziehkennlinie (Md=f(α)) darstellbar sind, wobei ein Endanziehmoment (Md_{end1, 2, 3}) eingestellt und durch einen sich dabei ergebenden Nachspannwinkel (αN) kontrolliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Endanzugmoments (Md_{end1, 2, 3}) in Abhängigkeit vom Reibwert der Schraubverbindung während des Schraubvorgangs bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anziehkennlinie, die bei ordnungsgemäßem Verlauf des Schraubanzugs einen progressiv steigenden ersten Ast, einen linear steigenden zweiten Ast und einen degressiv steigenden dritten Ast aufweist, wobei der Anstieg zumin­ dest des zweiten Astes reibwertabhängig ist, die Lage (L1, 2, 3) des Toleranzbereichs (T) des Endanziehmoments (Md_{end1, 2, 3}) bei Dreh­ winkelanzug und die Größe des Endanziehmoments (Md_{end1, 2, 3}) bei Drehmomentanzug von der Steigung zumindest eines Teils des zweiten Astes (b1, 2, 3) der Anziehkennlinie (1, 2, 3) während des Schraubvorgangs bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer unerprobten Schraubver­ bindung die Steigung des zweiten Astes (b1, 2, 3) der Anziehkenn­ linie (1, 2, 3) durch Anzugversuche bei unterschiedlichen Reibwerten der Schraubverbindung gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des zweiten Astes (b1, 2, 3) der Anziehkennlinie (1, 2, 3) zur Beurteilung des Anziehvorgangs benutzt wird.

6. Vorrichtung zum kontrollierten Anziehen einer Schraubverbin­ dung, mit einem Schrauber, dessen Spannwinkel (α) und dessen An­ zugmoment (Md) meß- und einstellbar sowie als Anziehkennlinie (Md=f(α)) darstellbar sind dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehwinkelanzug mit zumindest einem Rechenprogramm die Lage (L1, 2, 3) des Toleranzbereichs (T) des Endanzugmoments (Md_{end1, 2, 3}) und bei Drehmomentanzug die Größe des Endanzugmoments (Md_{end1, 2, 3}) in Abhängigkeit von der jeweiligen Steigung zumindest eines Teils des zweiten Astes (b1, 2, 3) der Anziehkennlinie (1, 2, 3) während des Schraubvorgangs be­ stimmt werden kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem weiteren Rechenprogramm eventuelle Abweichungen von der Linearität des zweiten Astes (b1, 2, 3) der Anziehkennlinie (1, 2, 3) und gegebenenfalls einer veränderten Reihenfolge der drei Äste erkennbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachspannwinkel (α) so festge­ legt ist, daß die Fließgrenze der Schraube wahlweise nicht erreicht, erreicht oder um ein bestimmtes Maß überschritten wird.