DE2622092A1

DE2622092A1 - Anzugssystem zum anziehen eines befestigungselementes

Info

Publication number: DE2622092A1
Application number: DE19762622092
Authority: DE
Inventors: John T Boys
Original assignee: Standard Pressed Steel Co
Current assignee: SPS Technologies LLC
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-18
Publication date: 1976-12-02
Also published as: FR2312064B1; US4008772A; JPS51140298A; JPS6036907B2; GB1551395A; SE434611B; FR2312064A1; SE7605621L

Description

STANDARD PRESSED STEEL CO. Jenkintown, Pa. 19046 / USA

P 10433

Anzugssystem zum Anziehen eines Befestigungselementes

Die Erfindung "betrifft ein Anzugssystem zum Anziehen eines Befestigungselementes, insbesondere "bis zum Nachweis der Streckgrenze des Materials des Befestigungselementes oder einer anderen vorbestimmten Axialbelastung des Befestigungselementes, die durch ein Abflachen der Drehmoment-Drehungskurve, die für das anzuziehende besondere Befestigungselement bestimmt worden ist, gekennzeichnet ist.

Beim Entwurf von durch mechanische Befestigungssysteme gesicherten Verbindungen wird normalerweise vorgesehen, daß die Befestigungselemente eine vorbestimmte Sinspannkraft oder Klemmspainrong auf die Bauteile ausüben, um die Integrität der Verbindung zu gewährleisten. Wenn die Verbindungen daher zu-·

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sammengebaut werden, ist es erforderlich., daß die Befestigungselemente derart angezogen werden, daß sie eine vorbestimmte Axialbelastung auf die Bauteile ausüben. Bekannte Methoden zum Anziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen wie Muttern und Bolzen zur Ausübung einer vorbestimmten Belastung sind nicht vollständig zufriedenstellend. Die genaueste Methode beinhaltet eine Messung der axiale Deformation oder Dehnung des Bolzens bei seiner Anziehung, die in Beziehung gesetzt werden kann zu der Spannung oder Belastung, die auf den Bolzen durch die vorher berechnete Spannungs-Dehnungs-BeZiehung für den Bolzen wirkt. Obwohl diese Methode sehr genau ist, erlauben praktische Anwendungen der Befestigungselemente gewöhnlich keine Messung der Dehnung in dem Bolzen. Bei den Anv,^renä.ungsfallen, bei welchen die Dehnung gemessen werden kann, ist dies eine zeitraubende und relativ kostspielige Methode. Daher wird diese Methode in relativ wenigen Anwendungsfällen außerhalb von Laboruntersuchungen verwendet.

Eine andere bekannte Methode, die gewöhnlich bei Montagevorgängen von Verbindungen verwendet wird, beinhaltet die Verwendung von drehmomeiitgere gelten Werkzeugen, d.h. von Werkzeugen, die feststellen, wann das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment gleich oder geringfügig größer als ein vorbestimmter Wert ist, und die Kraftzufuhr zum Werkzeug unterbrechen. Die Messung des Drehmomentes ist relativ einfach. Da das Drehmoment in Beziehung zu der vom Befestigungselement erfahrenen und auf die Bauteile ausgeübten Zugspannung oder axialen Kraft steht, entspricht ein vorbestimmtes Drehmoment theoretisch der für die Verbindung vorbestimmten spezifizierten Sinspannkraft. Beim Anziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungselement en bei Montagebandoperationen ergeben sich jedoch große Veränderungen in. den tatsächlichen Drehmoment--Spannungsbeziehungen. Diese Veränderungen werden von ver-

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sehiedenen Faktoren verursacht, z.B. erlaubte Toleranzabweiehungen in den Abmessungen und in der Festigkeit der Befestigungselemente und der Bauteile und Schmierung oder Abwesenheit einer Schmierung auf den in Eingriff stehenden Oberflächen der Befestigungselemente und/oder der Bauteile, die alle ihrerseits große Veränderungen des Reibungskoeffizienten zwischen den in Eingriff stehenden Oberflächen verursachen. In der Praxis können Veränderungen bis zu + 50$ der axialen Belastung auf die für eine bestimmte Anwendung verwendeten Bolzen beim gleichen Drehinomentniveau auftreten. Die Regelmethode mit Hilfe des Drehmomentes ist daher nicht sehr genau.

TJm die Probleme, die.mit den. bekannten Anzugsmethoden verbunden sind, zu überwinden, ist eine andere Methode entwickelt worden. Diese Methode ist in der HS-PS 3 643 501 beschrieben und benutzt die charakteristische Form einer Kurve, die das dem anzuziehenden Befestigungselement zugeführte Drehmoment gegenüber seiner Drehung während des Anzugszyklus darstellt. Die Drehmoment-Drehungskurve für jedes besondere Befestigungselement weist einen Anfangsoder Voranzugsbereich auf, in welchem das Befestigungselement gedreht wird, aber noch nicht mit dem benachbarten Bauteil vollständig in Eingriff steht, einen Anzugsbereich, in welchem das Befestigungselement innerhalb seiner elastischen Grenze angezogen wird und der im allgemeinen linear verläuft, und einen Fließbereich auf, in welchem seine Proportionalitätsgrenze überschritten worden ist und die Kurve sich abzuflachen beginnt und schließlich bei der Streckgrenze des Befestigungselementes flach wird. Die in der TJS-PS 3 643 501 offenbarte Methode verwendet eine Schraubenschlüsseleinrichtung mit einer ersten Zahnradverbindung zum Antrieb eines ersten Steuerarmes entsprechend dem dem Befestigungselement zugeführten Drehmoment und einer

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zweiten Zahnradverbindung zum Antrieb eines zweiten Steuerarmes entsprechend der Drehung des Befestigungselementes. Jeder Steuerarm weist einen Teil eines Schaltelementes auf, 'das in einer Regelschaltung für den Betrieb der Schraubenschlüsseleinrichtung angeordnet ist. Während der Drehung des Befestigungselementes im Anzugsbereieh werden die Steuerarcie übereinstimmend angetrieben und sind die Sehaltelemente geschlossen. Wenn die Proportionalitätsgrenze überschritten wird, wird der zweite Steuerarm schneller als der erste Steuerarni angetrieben, so daß die Schaltelemente geöffnet, die Regelschaltung unterbrochen und der Schraubenschlüssel abgestellt werden. Theoretisch wird der Schraubenschlüssel an der Streckgrenze des Befestigungselementes abgestellt.

Die in der US-PS offenbarte Vorrichtung ist aus verschiedenen Gründen nicht vollständig zufriedenstellend. Wenn die Steuerarme im Anzugsbereieh der Drehmoment-Drehungskurve übereinstimmend angetrieben werden, muß vorher die Steigung der Kurve genau bekannt sein, so daß die Zahnradverbindungen richtig abgestimmt werden können. Aus denselben in Bezug zur Drehmoment-Spannungsbeziehung dargelegten Gründen treten ähnliche Veränderungen in den Drehmoment-Drehungsbeziehungen auf, die für eine Gruppe von theoretisch gleichen Befestigungselement en erzeugt werden. Daher werden die zum Antrieb der Steuerarme beim Anziehen eines bestimmten Befestigungselementes auseiner Gruppe von gleichen Befestigungselementen erforderlichen Zahnradverbindungen unterschiedlich sein.

Ein anderes mit der in der US-PS offenbarten Vorrichtung verbundenes Problem ergibt sich aus dem zeitweiligen Anstieg oder Abfall in der Drehmoment-Drehungsbeziehung, welche durch Bereiche erhöhter Schlüpfrigkeit auf den in Eingriff stehenden Oberflächen der Verbindung oder durch zeitweiliges Festlaufen oder Festfressen der Gewindegänge verursacht werden. Diese

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Phänomene erzeugen Spitzen im Anzugsbereich der Drehmoment-Drehungskurve, welche eine Relativbewegung der Steueranae •zueinander und ein vorzeitiges Abschalten des Schraubenschlüssels verursachen würden. Ein vorzeitiges Abschalten des Schraubenschlüssels vermindert offensichtlich die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Systems.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein Anzugssystem zu schaffen, mit welcher in zuverlässiger und genauer Weise die Abweichung von der Linearität auf Kurven, die während des Anzugszyklus dargestellt werden können, oder vom Punkt der größten Steigung solcher Kurven bestimmt werden kann. Außerdem soll mit dem Anzugssystem ein Befestigungselement bis zu seiner Streckgrenze oder einem anderen Punkt, der eine signifikante Änderung der Steigung der Drehmoment-Drehungskurve aufweist und einer vorbestimmten Axialbelastung entspricht, angezogen werden können. Weiterhin soll ein Befestigungselement bis zu einer vorbestimmten Axialbelastung mit einer minimalen vorherigen Kenntnis der besonderen zu montierenden Verbindung angezogen werden können. Schließlich soll das Anzugssystem vielseitig, zuverlässig, wirtschaftlich und genau sein.

Dies wird bei einem Anzugssystem zum Anziehen eines Befestigungselementes, insbesondere bis zum Nachweis der Streckgrenze gemäß der Erfindung erreicht durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten,eine erste Anzugseigenschaft des Befestigungselementes darstellenden Signals und durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten, eine zweite Anzugseigenschaft des Befestigungselementes dar-. stellenden Signals, durch eine Regeleinrichtung, um festzustellen, wenn das erste Signal schneller ansteigt als das zweite Signal, um das zweite Signal durch Erhöhung des gesamten zweiten Signals abzuändern, bis es dem ersten Signs-.l entspricht, und um ein Entscheidungssignal zu erzeugen, wenn

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die Anstiegsgeschwindigkeit des ersten Signals abfällt, und durch, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Regelsignals, wenn die Streckgrenze des Befestigungselementes erreicht wird. Das Anzugssystem weist einen Schraubenschlüssel auf, mit dem ein Drehmoment auf das Befestigungselement aufgebracht und dessen Drehung bewirkt wird. Mit dem Schraubenschlüssel ist ein erster Mechanismus zur Erzeugung eines das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellenden Signals und ein zweiter Mechanismus zur Erzeugung eines die Winkelverschiebung oder Drehung des Befestigungselementes darstellenden Signals verbunden. Wenn das Drehmomentsignal größer als das Drehungssignal ist, wird das Drehungssignal erhöht, um dem ersteren gleich zu werden. Wenn aber das Drehmoment signal kleiner als das Drehungssignal ist, wird ein Entscheidungssignal erzeugt und derart verarbeitet, um ein Eegelsignal bei einer Streckgrenze des Befestigungselementes zu erzeugen.

Insbesondere ist ein auf die Differenz zwischen den Signalen ansprechender Einwegverstärker vorgesehen, um das Drehungssignal zu erhöhen, der jedoch das Drehungssignal nicht verkleinern kann, wenn das Drehmoment signal abfällt. In der letzteren Situation wird die Differenz zwischen den Signalen einem Entscheidungskreis zur Feststellung der Streckgrenze zugeführt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

1 eiie Kurve, die die Eigenschaften einer typischen Dre.Vt~ moment-DrehungsbeZiehung_r die ein Befestigungselement während eines Anzugszyklus erfährt, darstellt,

2 eine Kurve, die die Eigenschaften einer typischen Dreh-

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moment-Zeit- und Drehung -Zeitbeziehung, die ein Befestigungselement während eines Anzugszyklus erfährt , darstellt,

Pig. 3 eine Kurve, die das grundsätzliche Punktionsprinzip eines Anzugssystem gemäß der Erfindung darstellt,

Pig. 4 eine schematisehe Darstellung eines Anzugs syst ems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 5 his 7 jeweils "verschiedene Schaltungen zur Verarbeitung von durch das System gemäß der Erfindung erzeugten Signalen, um festzustellen, wenn eine Streckgrenze erreicht worden ist.

In Pig. 1 ist eine typische Drehmoment-Drehungsktirve für ein anzuziehendes, mit Gewinde versehenes Befestigungselement dargestellt, wobei das Drehmoment auf der vertikalen Achse und die Drehung auf der horizontalen Achse aufgetragen sind. Die Kurve weist einen Anfangs- oder Voranzugsbereich auf, der sich vom Schnittpunkt der Drehmoment- und Drehungsachse bis zum Punkt A erstreckt. In dem Voranzugsbereich sind die einander entsprechenden Gewindegänge der Anordnung der Befestigungselemente in Eingriff gebracht worden und eines der Befestigungselemente wird gedreht, aber die Tragfläche des sich drehenden Befestigungselementes ist entweder nicht mit der benachbarten Pläche des in der Verbindung vorgesehenen Bauteils in Berührung gekommen oder hat die Bauteile nicht vollständig zusammengezogen. Beim Punkt A auf der Kurve sind die Bauteile durch den Befestigungselementenaufbau vollständig zusammengezogen worden und das tatsächliche Anziehen der Verbindung beginnt. Das Drehmoment am Punkt A wird gewöhnlich als "Paßsitz"-Drehmoment bezeichnet. Im Anzugsbereich der Kurve, der sich vom Punkt A zu Punkt B erstreckt, wird tatsächlich

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eine Einspanrtkraft auf die Bauteile ausgeübt und das hervorstehende Element in den Befestigungselementenaufbau, d.h. der ELzen, wird in axialer Richtung aufgrund der eingeführten Zugbelastung gedehnt._#Die Kurve ist im Anzugsbereieh näherungsweise linear und kann einigen Fällen genau linear sein. Normalerweise weist die Kurve jedoch eine geringfügige Krümmung auf und daher einen Punkt M, in welchem die Steigung der Kurve ein Maximum hat. Im Punkt B wird die Proportionalitätsgrenze des Befestigungselementes erreicht. Jenseits des Punktes B stehen das Drehmoment und die 'Drehung nicht länger annähe rung sv/eise in einem linearen Verhältnis. Wie gezeigt, ist in diesem Bereich die Steigung der Kurve relativ zur maximalen Steigung erheblich reduziert. Zum Zwecke der vorliegenden Anwendung wird der Punkt B als Beginn des Fließ-bereiches betrachtet. Es wird angemerkt, daß auch jenseits des Punktes B noch eine ansteigende Belastung in dem Verbindung sauf bau induziert wird. Der Punkt C entspricht der Streckgrenze des Befestigungselementes. Da sich die Definitionen der Streckgrenze geringfügig unterscheiden, kann die Streckgrenze als der Punkt angesehen werden, jenseits dessen die Deformation des Bolzens nicht langer rein elastisch ist. Wie klar werden wird, ist das neue Anzugssystem in der Lage, die Punkte M oder B auf der Drehmoment-Drehungskurve zu erfassen und darauf anzusprechen, um ein Regelsignal ungefähr am Punkt C zu erzeugen. Es wird angemerkt, daß besondere Verbindungsaufbauten weitere Befestigungselementenaufbauten enthalten können, die so ausgebildet sind, daß sie von der Linearität oder von dem Punkt größter Steigung bei einer anderen Belastung als der Streckgrenze abweichen. Eine solche Abweichung könnte erfasst und zur Erzeugung eines Regelsignals verwendet'werden. Daher kann der hiernach verwendete Begriff Streckgrenze dahingehend verstanden v/erden, daß er sowohl die Streckgrenze des Materials, aus welchem das Befestigungselement hergestellt ist, als auch Punkte auf einem abgeflachten Teil der Drehmoment-Drelrur^s— kurve, der von dem Befestigtingselement bei einer

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Einspannkraft erzeugt wird, einschließt.

In ]?ig. 2 sind zwei weitere Kurven dargestellt, deren Erläuterung das Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung erleichtert. Die erste Kurve, gekennzeichnet durch Drehmoment, stellt das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment gegenüber der während des Anzugszyklus abgelaufenen Zeit dar, wobei das Drehmoment auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Die zweite Kurve, gekennzeichnet durch Drehung, stellt die Winkelverschiebung oder Drehung des Befestigungselementes gegenüber der während des_ Anzugszyklus abgelaufenen Zeit dar, wobei die Drehung auf der vertikalen Achse und die Zeit wiederum auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Die in Fig. 2 dargestellten Kurven sind nicht exakt, aber stellen im allgemeinen gute Höherungen dar, die für das Verständnis gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung nützlich sind. Die Drehmomentkurve v/eist einen Voranzugsbereich auf, in welchem das Drehmoment ziemlich langsam ansteigt und der sich vom Schnittpunkt der Achsen bis zum Punkt D erstreckt. Der Punkt D entspricht daher dem Punkt A auf der Drehmoment-Drehungskurve. Vom Punkt D bis zum Punkt E verläuft der Anzugsbereich der Drehmomentkurve ähnlich dem Bereich zwischen den Punkten A und B der Drehmoment-Drehungskurve. Im Anzugsbereich der Drehmomentkurve steigt das Drehmoment mit einer im allgemeinen größeren Rate als im Voranzugsbereich an. Schließlich v/eist die Drehmomentkurve einen Fließbereich vom Punkt E an auf, in welchem das Drehmoment mit einer relativ kleinen Rate ansteigt und der dem Pließbereich jenseits des Punktes C auf der Drehmoment-Drehung skurve entspricht. Der Punkt F stellt die Streckgrenze des Befestigungselementes dar. Inähnlicher V/eise weist die Drehungskurve einen Voranzugsbereich auf, der sich vom Sehnitt

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punkt der Achsen "bis zum Punkt G- ersireckt, einen Anzug ε-bereich, der sich vom Punkt G bis zum Punkt H erstreckt, und einen j?ließbereich rom Punkt H an. Der Punkt J auf der Drehtingskurve stellt die Streckgrenze dar. In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird Bezug auf Fig. 2 genommen.

In Fig. 4 ist ein Anzugssystem 10 dargestellt. Das Anzugssystem 10 weist einen Schraubenschlüssel 12 mit einem Motor 14, einer Antriebswelle 16 und einer Mitnehmerbacke 18 auf. Die Antriebswelle 16 wird vom Motor 14 gedreht, um einen mit der Mitnehmerbaeke 18 in Eingriff stehenden Befestigungselement ein Drehmoment und eine Drehung zu übertragen. Der Schraubenschlüssel 12 kann jede konventionelle Bauart aufweisen und der Motor 14 kann in üblicher ¥eise luftangetrieben werden, wobei die Strömung des Antriebsströmungsmitteis durch ein geeignetes Regelventil 20 geregelt wird. Es wird angemerkt, daß es sich bei dem Motor 14 auch um einen elektrischen, hydraulischen oder jede Kombination von einem pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Motor handeln kann. Die genauen Einzelheiten des Schraubenschlüssels sind für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich. Daher ist eine detailliertere Beschreibung nicht vorgesehen.

Der Schraubenschlüssel 12 ist an einem starren Rahmen 22 geeigneter Bauart mit Hilfe eines lorsionsstabes 24 befenti^t, welcher sich gegenüber dem starren Rahmen verdreht, wenn der Motor 14 in Betrieb ist, mit einem Drehmoment, das im wesentlichen gleich und entgegengesetzt zu dem dem anzuziehenden Befestigungselement zuzuführenden Drehmoment ist. Der Sorsionsstab 24 trägt ein erstes Zahnrad 26, das ein zweites, auf einer Ausgangswelle 30 befestigtes Zahnrad 2ö antreibt. Sin Ende der Ausgangswelle 30 ist derart verbund or., um den inneren Kern eines Potentiometers 32 anzutreiben,

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Zwischen dem Zahnrad 28 und dem Potentiometer 32 ist eine Rutschkupplung 34 angeordnet. Wenn der Schraubenschlüssel 12 ein Befestigungselement anzieht, verdreht sich der Torsionsstab 24 und dreht das Zahnrad 26, welches das Zahnrad 28 und die Ausgangswelle 30 antreibt. Die Drehung der Welle 30 kann als ein Signal angesehen werden, welches das dem anzuziehenden Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellt. Dieses Signal wird in ein elektrisches Signal mit Hilfe des Potentiometers 32 umgewandelt, wenn der innere Kern des Potentiometers durch die Welle 30 angetrieben wird. Die Verwendung der Rutschkupplung 34 schließt eine Drehung des inneren Kernes des Potentiometers 32 aus und verhindert ein elektrisches Ausgangssignal, "bis das Paßsitzdrehmoment (in Pig. 1 und 2 jeweils Punkt A und Punkt G) dem Befestigungselement zugeführt wird. In der Praxis ist die Rutschkupplung 34 derart angeordnet, um bei einer vernünftigen Annäherung an das Paßsitzdrehmoment, z.B. bei ungefähr 20>S des nominellen dem Befestigungselement zuzuführenden Drehmomentes, in Eingriff zu kommen.

Die Antriebswelle 16 trägt ein weiteres Zahnrad 35, das beim Anziehen eines Befestigungselementes eine Ausgangswelle 36 über ein Zahnrad 38 antreibt. Das Ausgangsende der Welle 36 ist derart verbunden, um den inneren Kern eines Potentiometers 40 anzutreiben. Zwischen dem Zahnrad 38 und dem Potentiometer 40 ist eine Kupplung 42 angeordnet, die ebenfalls benutzt wird, um eine Drehung des inneren Kernes des Potentiometers auszuschließen und ein elektrisches Ausgangssignal zu verhindern, bis das Paßsitzdrehmoment dem Befestigungselement zugeführt wird. Die Drehung der Welle 36 kann als ein Signal, betrachtet werden, das die Winkeldrehung des Befestigungselementes darstellt. Dieses Signal wird durch das Potentiometer 40 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Drehungssignal wird durch einen Verstärker 44 verändert, wie im einzelnen weiter unten erläutert wird.

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Vor der weiteren Beschreibung der "bevorzugten Ausführungsform wird zunächst ein Grundprinzip der Erfindung erläutert. · Die Drehmomentkurve und die Drehungskurve, die in Pig. 2 dargestellt sind, können auch als Kurven aufgefasst v/erden, die das durch die Welle 30 oder das Potentiometer 32 erzeugte Drehmomentsignal und das durch die Welle 36 oder das Potentiometer 40 erzeugte Drehungssignal darstellen. Man erkennt, daß in dem näherungsweise linearen Bereich oder dem Anzugsbereich der Kurve, d.h. in dem Bereich vom Punkt D "bis zum Punkt E auf der Drehmomentkurve und vom Punkt G- "bis zum Punkt H auf der Drehungskurve, eines der Signale, vorztigsweise das Drehmomentsignal, schneller als das andere Signal, vorzugsweise das Drehungssignal, ansteigt. Die genaue Beziehung zwischen den Signalen ist natürlich von der Elastizität des Torsionsstabes 24 und den Übersetzungsverhältnisses zwischen den Wellen 24 und 30 und zwischen den Wellen 16 und 36 abhängig. Wie angemerkt worden ist, wird die "übersetzung vorzugsweise derart gewählt, daß nach Erreichen des Paßsitzdrehmomentes das Drehmomentsignal anfangs schneller ansteigt als das Drehungssignal. Entsprechend dem Grundprinzip der Erfindung wird das gesamte Drehungssignal durch Multiplikation mit einem Faktor X verändert, so daß das Drehungssignal gleich dem Drehmomentsignal in einem bestimmten Teil des Anzugsbereiches der Kurven wird. Die Drehmomentkurve und die Drehungskiirve werden tatsächlich zur Übereinstimmung gebracht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform, die in !ig. 4 gezeigt ist, wird die Multiplikation des Drehungssignales durch einen Verstärker 44 vorgenommen. Wenn ein Befestigungselement angerzogen wird und die Kupplungen 34 und 42 eingerückt sind, ist der Verstärker 44 derart eingestellt, daß sein Ausgangssignal gleich seinem Eingangssignal ist, d.h. daß Anfangssignal des Verstärkers 44 ist ein die Anfangsdrehung des Befestigungs— elementes darstellendes Signal. Daher v/erden die anfänglichen

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Drehmoment- und Dreliungssignale zu einem Yergleicher 46 geführt, der aus einem Differenzverstärker bestehen kann, der ein Signal erzeugt, das die Differenz zwischen seinen Eingangs Signalen, hier zwischen dem Drehmoment signal und dem Drehungssignal darstellt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 46 wird zu einem Einwegverstärker 4-8 geführt, d.h. einem Verstärker, der eine Verstärkungseigenschaft nur in einer Richtung aufweist. Der Einwegverstärker erzeugt ein Ausgangssignal zum Verstärker 44, das dessen Verstärkung sgrad erhöht und das Dr ehungs signal mit einem Faktor X multipliziert, his dieses gleich dem Drehmomentsignal ist. Wenn das Ausgangssignal des Potentiometers 40 gleich demjenigen des Potentiometers 32 ist, erzeugt der Vergleicher 46 nicht mehr ein signifikantes Ausgangssignal zum Einwegverstärker 43. Der Einwegverstärker stoppt seinerseits den Anstieg des Verstärkungsgrades des Verstärkers 44. An diesem Punkt wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers 44 nur zeitweilig festgehalten, wie im folgenden näher erläutert wird. Der Verstärker 44 multiplziert weiterhin das Drehungssignal und erzeugt das modifizierte Drehungssignal, das einen Faktor X multipliziert mit dem Drehungssignal, das am Paßsitzpunkt, d.h. Punkt A in Fig. 1 und die Punkte D und G- in Fig. 2, gemessen wird, darstellt. Wenn das Drehmomentsignal wieder relativ zu dem abgeänderten, vom Verstärker erzeugten Drehungssignal ansteigt, erzeugt der Vergleicher wiederum ein Ausgangssignal zum Einwegverstärker 48, das den Verstärkungsgrad des Verstärkers 44 erhöht, wodurch das vom Paßsitzpunkt aus gemessene, durch das Potentiometer 40 erzeugte Drehungssignal mit einem anderen Faktor X₂multipliziert wird, bis das abgeänderte Signal, das.vom Verstärker 44 erzeugt wird, wiederum gleich dem vom Potentiometer 32 erzeugten Drehmomentsignal ist. Der Vorgang wiederholt sich jedes Hai, wenn das Drehmomentsignal das abgeänderte Drehungssignal übersteigt. Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß

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das abgeänderte Dreliungssignal in jedem Augenblick gleich dem mit einem zeitweiligen faktor multiplizierten Drelrungssignal ist. !Mathematisch kann das abgeänderte Drehungssignal ausgedrückt werden als XR, wobei X der zeitweilige Faktor und E die Gesamtdrehung des Befestigungselementes vom Paßsitzpunkt ist.

Wenn der Anzugsbereich der Drehmoment-Brehungskurve, dargestellt in I¹Xg. 1 zwischen den Punkten A und-B, genau linear ist, würde der Einwegverstärker 48 ein Anfangssignal erzeugen, das den Yerstärkungsgrad des Verstärkers 4-4 einstellt. Eine weitere Einstellung des Verstärkungsgrades würde nicht erfolgen. Wenn der Punkt B auf der in 5¹Xg. 1 dargestellten Kurve erreicht wird, steigt das abgeänderte Drehungssignal schneller an als das Drehmoment signal und das Ausgangs signal des Vergleichers 46 ist ein Signal mit umgekehrter Polarität. Das Signal mit umgekehrter Polarität v/ird im folgenden als negativ angesehen. Dieses Signal kann nicht durch den Einweg— verstärker 48wegen dessen Einwegverstärkmigseigenschaft geleitet werden. Das negative Signal wird einem Entseheidungs-

kreis zugeführt, welcher das Signal verarbeitet, um zu bestimmen, ob die Streckgrenze des Befestigungselementes erreicht worden ist und um dann ein Reglsxgnal zu erzeugen, das zum Regelventil 20 geleitet wird, um den Schraubenschlüssel abzustellen. Eormalerweise ist die Drehmoment-Drehungskurve im Anzugsbereich nicht genau linear. Di.her stellt der Einwegverstärker 48 kontinuiex\Lich den Verstärkungsgrad des Verstärkers 44 ein, bis die maximale Steigung der Kurve im Punkt M auf der Kurve erreicht wird. Wenn der Punkt H erreicht wird, steigt das abgeänderte Drehungssignal- schneller an als das Drehmomentsignal und das Signal des Vergleichers 46 kehrt seine Polarität um, die wiederum als negativ betrachtet v/ird, und hat einen relativ kleinen, Wert", Iris der Wert Punkt B erreicht wird, an dem es bedeutendL ansteigt. Dieses negative Signal wird

dem Entscheidungskreis 50 zugeführt, um verarbeitet zu waden und um zu "bestimmen, -wann die Streckgrenze des Befestigungselementes erreicht worden ist, und um dann ein Regelsignal zu erzeugen, das dem Regelventil 20 zugeführt wird, um den Schraubenschlüssel abzustellen. Die negativen Signale sind daher Entscheidungssignale.

Das Verständnis der Erfindung kann erleichtert v/erden und gewisse Aspekte werden weiterhin erläutert In Bezug auf 5ig. 3j in v/elcher eine Kurve des Signals des Potentiometers 32 dargestellt ist, die das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment gegenüber dem Signal des Verstärkers 4-4» welches das abgeänderte Drehungssignal darstellt, darstellt. Das Drehmomentsignal ist auf der vertikalen Achse und das abgeänderte Drehungssignal auf der horizontalen Achse aufgetragen. Kein Potentiometer erzeugt ein Ausgangssignal, bis das Paßsitzdrehmoment dem Befestigungselement zugeführt wird, d.h. bis der Punkt A auf der in Pig. 1 dargestellten Kurve erreicht ist. An diesem Punkt erzeugen beide Potentiometer Ausgangssignale und das Drehungssignal wird, wie oben dargelegt worden ist, abgeändert. Da das abgeänderte Drehungssignal gleich dem Drehmomentsignal gehalten wird, ist die in Pig. 3 dargestellte Kurve eine gerade Linie, die mit den Achsen einen Winkel von 45° bildet, bis die Punkte B oder M auf der in Pig. 1 "gezeigten Kurve erreicht werden, wie oben erklärt worden ist. Jenseits des geeigneten Punktes beginnt die Kurve abzuflachen, was anzeigt, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 46 negativ ist.

Durch Vergleich der in Pig. 1 und 3 dargestellten Kurven kann festgestellt werden, daß ein Signal, das die Gesamtdrehung des Befestigungselementes, gemessen vom Paßsitzpunkt aus, darstellt, erzeugt und mit Paktoren X multipliziert wird, welche, wie erklärt wird, die. Sehnensteigung darstellen, die vom Paßsitzpunkt der Drehmoment^Drehungskurve für das anzu-

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ziehende Befestigungselement gemessen wird. Auf der in Fig. 1 dargestellten Kurve sind verschiedene Faktoren X^ , Xp usw. gezeigt. Jedesmal, wenn die Steigung der Drehmoment-Drehunge- ' ;kurve ansteigt, steigt der Faktor X an und multipliziert das vom Paßsitzpunkt aus gemessene Drehungssignal, "bis die verglichenen Signale wieder gleich sind. Dieser Vorgang wiederholt sich, "bis geeignete Punkte B oder M auf der Drehmoraent-Drehungskurve erreicht werden, v/elcher der Punkte auch zuerst auftritt.

Wie oben erläutert worden ist, stellen die Faktoren X die Sehnensteigung der Drehmoment-Drehungskurve dar, gemessen vom Paßsitzpunkt aus. Dies kann mathematisch gezeigt werden und wird nun in Bezug auf Fig. 3 erläutert, aus der entnommen werden kann, daß das Drehmomentsignal im Anzugobereich gleich dem abgeänderten Drehungssignal ist, so daß die folgende Gleichung aufgestellt werden kann:

T-XR = O

In der obigen und in den nachfolgenden Gleichungen stellt ΐ das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment und R die Drehung des Befestigungselementes dar. Bevor das negative Signal vom Vergleicher 46 erzeugt wird, d.h. "bevor die Punkte B oder M erreicht werden, kann die obige Gleichung wie folgt geschrieben werden:

XR = T
und

■-■ X = -

Da T und R vom Paßsitzpunkt aus gemessen v/erden, stellt X die mittlere Sehnensteigung der in Fig. 1 dargestellten DreLrioment-Drehungskurve, gemessen vom Paßsitzpunkt A aus, dar. Es wird angemerkt, daß)wenn die Steigung der Drehmoment-Drehungslairve

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sich ändert, der Faktor X, der nicht verringert werden kann, gegebenenfalls die maximale mittlere Steigung der Kurve darstellt.

Zur Vervollständigung der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird nunmehr auf die Pig. 5 "bis 7 Bezug genommen, in welchen verschiedene in dieser Ausführiuigsform einsetzbare Entscheidungskreise 50 dargestellt sind. In Pig. 5 ist eine erste Ausführungsform des Entscheidungskreises 50 dargestellt. Dieser weist einen Vergleicher54 auf, welchem das negative oder Entscheidungssignal des Vergleichers 46 zugeführt wird. Dem Vergleicher 54 wird darüber hinaus von einem Signalgeber 56 ein vorbestimmtes negatives Signal zugeführt, welches das erwartete Signal des Vergleichers an der Streckgrenze anzeigt. V/enndao Entscheidungssigna,! des Vergleichers 46 im wesentlichen gleich oder negativer als das vorbestimmte Signal des Signalgebers 56 ist, wird das Regelsignal erzeugt und dem Regelventil 20 zugeführt, wodurch das Regelventil geschlossen und der Schraubenschlüssel abgestellt wird. Es wird angemerkt, daß der Vergleicher und der Signalgeber 56 übliche Geräte sind, die nicht mehr näher erläutert werden müssen.

Der in Bezug mit Pig. 5 beschriebene Entscheidungskreis ist besonders nützlich für solche Fälle, bei denen die Besonderheiten der anzuziehenden Verbindung bekannt sind und bei denen die die Streckgrenze darstellenden Durchschnittswerte vorbestimmt und in den Signalgeber 56 eingegeben werden können. Mit dem in Fig. 5 offenbarten Kreis kann ein vernünftiger Genauigkeitsgrad erzielt werden. Bei solchen Anwendungsfällen jedoch, bei denen die Besonderheiten der Verbindung vorher nicht bekannt sind oder in denen ein großer Genauigkeitsgrad gewünscht wird, kann der Entscheidungskreis die in den Fig. 6 und

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- 18 gezeigte Form aufweisen.

In Pig. 6 ist eine zweite Ausfühmngsform des Entscheidungskreises 50 dargestellt. Dieser enthält einen Gradieiiter_~ messer 53, der das negative Entseheidungssignal des Vergleichers 46 und die Drehungssignale des Potentiometers 40 empfängt. Der Gradientenmesser 58 kann die Forin, eines Schieberegisters und eines Subtraktionskreises haben, die jeweils ein Entscheidungssignal als Eingangssignal empfangen und in Reihe miteinander verbunden sind. Das Schieberegister kann durch das Drehungssignal getaktet werden, das dem Schieberegister durch einen Analog-Digital-Umv/andler zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Schieberegisters wird außerdem dem Subtraktionskreis zugeführt, der natürlich seine Eingangssignale subtrahiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Änderungsgeschwindigkeit des Entscheidungssignals in Bezug auf das Drehungssignal darstellt. Das Ausgangssignal des Gradientenmessers 58 wird einem Tergleicher 60 augeführt, der ein anderes negatives Eingangssignal von einem Signalgeber 62 empfängt, das so festgelegt worden ist, um die erwartete Änderungsgeschwindigkeit des Entscheidutgssignals in Bezug auf das Drehungs signal an der Streckgrenze darzustellen. V.^rie im folgenden erläutert wird, ist bestimmt worden, daß, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Entseheidungssignales in Bezug auf das Drehungssignal ein vorbestimmtes Verhältnis zu der größten mittleren Steigung der Drehmoment-Drehungskurve aufweist, die Streckgrenze erreicht worden ist und dieses Verhältnis im Signalgeber 62 eingestellt wird, der die Form eines Rechners auf v/eist. Wenn daher der Tergleicher 60 feststellt, daß seine Eingangsägnale im wesentlichen gleich sind oder daß das Signal vom Gradientenmesser 5S negativer als das Signal vom Signalgeber 62 ist, erzeugt er ein Regelsignal für das Regelventil 20, wodurch das Regelventil geschlossen und der Schraubenschlüssel abgestellt wird.

Die dem Signalgeber 62 eingegebene Beziehung wird durch die

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folgende Erläuterung verständlich. Das Entsclieidungssignal vom Vergleicher 46 kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

In der obigen Gleichung stellt D das Entseheidungssignal, X den Paktor am Punkt M oder die maximale mittlere Steigung der Prelimoment-Drehungskurve dar, R die momentane Drehung, die Drehung am Punkt M, T das augenblickliche Drehmoment

und T das Drehmoment am Punkt M. Unter Verwendung der gleichen Symbole kann das Ausgangssignal des Gradientenmessers 58 folgendermaßen dargestellt werden:

AD

Durch Einsetzen von/ÖD aus der obigen Gleichung kann diese Beziehung folgendermaßen ausgedrückt werden:

X (R m

Daher gilt:

Aus der Erklärung in der US-Patentanmeldung Serial Ko. 507 kann entnommen werden, daß an der Streckgrenze ^r; einen Wert von ungefähr 0,25 "bis 0,75 und vorzugsweise ungefähr 0,"50 von der maximalen mittleren Steigung der Drehmoment-Drehungskurve auf v/eist. Unter Verwendung dieser Tatsache kann die Streckgrenze durch Umschreibung der letzten Gleichung wie folgt definiert werden:

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oder

(1 - 0.50)

oder
0.50 X_m

Daraus geht hervor, daß, wenn das die Anderungsgeschwindigkeit des Entseheidungssignals in Bezug auf das Dreliungssignal darstellende Signal gleich ungefähr 0,50 X oder, wenn erwünscht, innerhalb eines Bereiches von ungefähr 0,25 X "bis ungefähr 0,75 X„ liegt, die Streckgrenze erreicht worden ist. Demzufolge empfängt der Signalgeber 62 ein Signal vom Einweg-Verstärker 48, welches die maximale mittlere Steigung X der Drehmoment-Drehungskurve darstellt, und weist einen Reehnerkreis zur Durchführung der Rechnung entsprechend der gewünschten vorbestimmten Beziehung, wie erklärt worden" ist, auf und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal, das dem Vergleicher 60 zum Vergleich mit dem Signal vom Gradientenmesser 58, wie erläutert worden ist, zugeführt wird.

Der in Pig. 7 dargestellte Entscheidungskreis 50 weist einen Vergleicher 64 auf, der das negative Entscheidungssignal des Vergleichers 46 empfäigb und der ebenfalls ein negatives Signal von einem Verstärker 66 empfängt. Das negative Signal vom Verstärker 66 ist proportional zu dem dem Befestigungselement zugeführten Drehmoment oder vorzugsweise zu der Drehung des Befestigungselementes. Der Verstärker 66 empfängt daher ein Eingangssignal entweder vom Potentiometer 32 oder vom Potentiometer 4-0. Bei dieser Ausführungsform des Ent sehe idling skreises 50 wird das das Regelventil 20 schließende und den Schraubenschlüssel abstellende Regelsignal erzeugt, wenn das Entscheidungssignal ein vorbestimmtes Verhältnis in Bezug entweder auf das Drehmoment signal oder das Drehungssignal iiat. D-ar

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Verstärker 66 "bedingt daher sein Eingangssignal in tibereinst imnrung mit dem vorbestimmten Verhältnis und erzeugt ein negatives Ausgangssignal, das mit dem Entscheidungssignal ■verglichen wird. Es ist festgestellt worden, daß der Verstärker 66 ein Ausgangssignal von ungefähr - 0,002 bis - 0,020 vom Drehmomentsignal oder vom Drehungssignal erzeugt. Wenn der Vergleicher 64 feststellt, daß das Entscheidungssignal negativer als das Signal vom Verstärker 66 ist, erzeugt er ein Kegelsignal, das dem Regelventil 20 zugeführt wird, wodurch das Ventil geschlossen und der Schraubenschlüssel abgestellt wird.

Während im Vorhergehenden eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, können verschiedene Änderungen vorgenommen werden. So können z.B. die Zahnräder 26, 28, 35 und 58 sowie die Potentiometer 32 und 40 weggelassen werden. Das Drehmomentsignal kann durch eine Drehmomentzelle erzeugt werden, die zwischen der Ausgangswelle 16 und einem starren Rahmen, an welchem der Schraubenschlüssel befestigt ist, angeordnet ist. Das die Itehung darstellende Signal kann durch einen geeigneten Kodierer erzeugt werden, der zur gemeinsamen Drehung auf der Antriebswelle 16 befestigt ist und mit einer ITähe rungs sonde zusammenwirkt, welche derart gelagert ist, um den Durchgang von auf dem Kodierer ausgebildeten Zähnen abzufühlen. Die Sonde erzeugt Signale, die vorbestimmte Inkremente der Winkeldrehung des Befestigungselementes darstellen. Diese ddfferentiellen Signale können addiert werden, um ein Gesamtdrehungssignal zu erzeugen. Diese letztere Anordnung ist ebenfalls bekannt.

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Claims

Patentansprüche

1J Anzugssystem zum Anziehen eines Befestigungselementes,

bis
ins"besondere\zum Nachweis der Streckgrenze, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (24, 26, 28, 50, 54, 52) zur Erzeugung eines ersten, eine erste Anzugseigenschaft des Befestigungselementes darstellenden Signals und durch eine Einrichtung (16, 55, 58, 56, 42, 40) zur Erzeugung eines zweiten, eine zweite Anzugs eigenschaft des' Bef estigmigselementes darstellenden Signals, durch eine Regeleinrichtung (46, 48, 44),um festzustellen, wenn da,s erste Signal schneller ansteigt als das zweite Signal, um das ζγ/eite Signal durch Erhöhung des gesamten zweiten Signals abzuändern, "bis es dem ersten Signal entspricht, und urn ein Entscheidungssignal zu erzeugen, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des ersten Signals abfällt, und durch eine Einrichtung (50) zur Erzeugung eines Hegelsignals, wenn die Streckgrenze des Befestigungselementes erreicht wird.

2. Anzugssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal das dem Befestigungselement zugefülirte Drehmoment .und das zweite Signal die Drehung des Befestigungselementes darstellt.

5. Anzugssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine Vergleichereinrichtung (46) und eine Signalmultiplizierschaltung (44) zwischen der Einrichtung (40) zur Erzeugung des Drehungssignals und der Vergleichereinrichtung aufweist, wobei die Signalmultiplizier schaltung das gesamte Drehungssignal multipliziert und die

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Vergleichereinrichtung kontinuierlich das Drehmomentsignal mit dem Ausgangssignal der Signalmultipliziersehaltung vergleicht tmd feststellt, welches der Signale schneller ansteigt.

4. Anzugssystem nach Anspruch 3_? dadurch gekennzeichnet, daß die Yergleichereinrichtung (46) das Entscheidungssignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Signalmultiplizierschaltung (44) schneller ansteigt als das Orehmomentsignal, und ein anderes Signal erzeugt, wenn das Drehmomentsignal schneller ansteigt als das Ausgangssignal der Signalmultiplizierschaltung.

5. Anzugssystem nach Anspruch 4₅ dadurch gekennzeichnet, daß das andere Signal einer Einwegverstärj^ereinrichtung (48) zugeführt wird, welche die Signalmultiplizierschaltung (44) steuert.

6. Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (46, 48, 44) das Drehungssignal durch Multiplizieren des gesamten Drehungssignals verändert.

7. Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (46, 48, 44) das Drehungssignal durch Multiplizieren des gesamten Drehungssignals mit der mittleren Sehnensteigung der Drehmoment-Drehungskurve, welche für das anzuziehende Befestigungselement "bestimmt werden kann, verändert.

8. Anzugssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß "bei Abfall der Anstiegsgeschwindigkeit des Drehmomentsignals das gesamte Drehungssignal mit der maximalen mittleren Sehnensteigung multipliziert wird.

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9. Anzugssystem nach einem der Ansprüche 2 "bis 8,- dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Drehmoment signal s eine Welle (30) auf v/eist, die ein erstes Potentiometer (32) antreibt, und daß die Einrichtung zur Erzeugung des Drehungssignals eine Welle (36) aufweist, die ein zweites Potentiometer (40) antreibt.

10.Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) *zur Erzeugung des Regelsignals eine Einrichtung (54) zum Vergleich des Entscheidungssignals mit einem vorbestimmten Signal aufweist.

11.Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zur Erzeugung eines Regelsignals eine Einrichtung (58) zur Bestimmung der Änderuiigsgeschwindigkeit des Entseheidungssignals und eine Einrichtung (60) zum Vergleich der Änderungsgeschwindigkeit des Entscheidungssignals mit einem die maximale mittlere Steigung der Drehmoment-DrehungsliurTe darstellenden Signal und zur Bestimmung, welche -Änderungsgeschwindigkeit des Entseheidungssignals ein vorbestimmter Bruchteil des die Steigung der Drehmoment-Drehungskurve darstellenden Signals ist, aufweist.

12.Anzugssystem nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bruchteil in einem Bereich von ungefähr 0,25 bis 0,75 liegt.

13.Anzugssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bruchteil ungefähr 0,50 beträgt.

14.Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zur Erzeugung des Regelsignals eine Einrichtung (64) zum Vergleich des

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Ent s ehe idting s signal s mit dem Drehmoment- oder abgeänderten Drehungssignal und zur Erzeugung eines Regelsignals, wenn die verglichenen Signale ein vorbestimmtes Verhältnis haben, auf v/eist.

15.Anzugssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal erzeugt wird, wenn dasEntscheidungssignal ungefähr gleich einem Zehntel des.abgeänderten Drehungssignals ist,

16.Anzugssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal das Anziehen des Befestigungselement es unterbricht.

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