DE2718429A1

DE2718429A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer schraubverbindung bestimmter spannung

Info

Publication number: DE2718429A1
Application number: DE19772718429
Authority: DE
Inventors: Edwin Eugene Rice
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1975-12-02
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1978-11-09
Also published as: CA1093188A; GB1532910A; SE446516B; US4016938A; SE7704538L

Description

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HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

I)IPL-PHYS. I)II¹L.-INC.

Ingersoll-Rand Company ir-58

. 22. April 1977

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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Schraubverbindung bestimmter Spannung.

Eine genaue Kontrolle der Spannung, die auf Gewindeverbindungselemente im Maschinenbau Anwendung findet, ist von zunehmender Bedeutung bei Montagearbeiten. Unterschiedliche Vorrichtungen wurden bei kraftbetriebenen Werkzeugen zum Festziehen von Verbindungselementen benutzt, um die Leistungsquelle abzuschalten oder das kraftbetriebene Werkzeug außer Eingriff mit dem Verbindungselement zu bringen, wenn ein bestimmtes Drehmoment erreicht wurde. Die dearentsprechend im Gewindeelement hervorgerufene Spannung lag jedoch nicht innerhalb der gewünschten Toleranzen für eine bestmögliche Ausnutzung des Verbindungselements. Verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Spannung wurden entwickelt, z.B. das so genannte Muttern-Umdrehungsverfahren oder das Verfahren der Anwendung konstanter Energie. In der US-Patentanmeldung 60I hkl sind einige Verfahren zum Festziehen eines Verbindungs· elements und zur Prüfung der Verbindung beschrieben, die geeignet sind, einen verhältnismäßig genauen Spannungswert innerhalb des Verbindungselements zu erzeugen und gleichzeitig häufige Fehler von Verbindungselementen aufzudecken, z.B. eine Gewindedurchschneidung, eine Abschälung von Gewindegangen, einen schadhaften Schraubbolzen u.s.w..

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D-707 SCHWÄBISCH CMÜND GEMEINSAME KONTEN: D-β MÜNCHEN 70

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H. SCHROETER TcU-grammc: SJinxrp« Sdiwjh.sJi Cmünd 02/00 535 (B1.Z 61 3 700 86) K.LEHMANN Telegramme: Stiirorpat

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Eines der in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Verfahren schließt die Verfahrensschritte ein, die notwendig sind, den Punkt festzustellen, an dem eine verringerte Spannungszunahme beginnt. Dies ist der Punkt, von dem ab die Zunahme des Drehmoments nicht mehr proportional zur Zunahme der Verdrehung ist. Das kraftbetriebene Werkzeug wird in Abhängigkeit von der Feststellung des Beginns der verringerten Spannungszunähme abgeschaltet. Dabei dient die Feststellung, ob die Abschaltung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches eines zweiten Parameters erfolgt, als ein Prüfverfahren. Bei dem beschriebenen Verfahren wird der Beginn der verringerten Spannungszunähme des Verbindungselements genau bestimmt und muß, für ein Prüfverfahren, in einem vorbestimmten Bereich liegen.

Vorliegende Erfindung verwendet das in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebene Verfahren zur Feststellung des genauen Beginns der verringerten Spannungszunähme. Die Lehre vorliegender Erfindung besteht darin, daß ein neuartiger zusätzlicher Schritt eine Maßnahme zur Erzeugung eines Spannungswerts im Verbindungselement unterhalb der Spannung darstellt, bei der die verringerte Spannungszunähme beginnt. Gegenstand der Erfindung ist es deshalb, ein System zum Festziehen von Verbindungselementen zu schaffen, das einen Spannungswert im Verbindungselement genau herstellt, dessen Bestimmung in Beziehung zum genau bestimmten Beginn der verringerten Spannungszunähme im Verbindungselement steht. Die Erfindung hat weiter eine Einrichtung zum Gegenstand, die zur Verwendung an einer Verbinderfestziehstation einer Montagestraße geeignet ist und genaue und verlässliche Spannungswerte im Verbindungselement erzeugt. Zusätzlich eignet sich dieses System dazu, zu prüfen oder sicher festzustellen, daß der richtige Spannungswert im Verbindungselement erzielt wurde.

Im allgemeinen werden diese und weitere Ziele in einem Drehmoment- und Spannungsregelungs- und-prüfsystem für kraftbetriebene Werk-

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zeuge durch folgende Maßnahmen erreicht. Zum Festziehen eines Verbindungselements ist ein kraftbetriebener Werkzeugantrieb vorhanden. Eine Einrichtung dient zum Messen des vom Werkzeugantrieb auf das Verbindungselement ausgeübten Drehmoments Eine Einrichtung stellt einen vorbestimmten niedrigen Wert eines Anfangsdrehmoments fest und erzeugt ein Signal in Abhängigkeit hiervon. Eine Einrichtung nimmt das Signal auf und beginnt in Abhängigkeit hiervon, eine Zuwachs funkt ion der D rehmorre nt zunähme je Zuwachsfunktion der Drehung sowie außer dem Drehmoment eine weitere Funktion zu messen, die in Beziehung mit dem fortgesetzten Pestziehen des Verbindungselements steht. Eine Einlchtung nimmt die Zuwachsfunktion der Drehmomentzunähme auf das Verbindungselement und die Messung der Funktion des Verbindungselements auf und vergleicht die Messungen, um festzustellen, ob die Zuwachsfunktion des Drehmoments eine nicht-lineare Funktion innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Messung der Funktion des Verbindungselements wird, wodurch eine fehlerhafte Verbindungs einheit aufgedeckt wird. Das Verbindungselement wird um einen vorbestimmten Winkel entgegengesetzt zur Festziehrichtung verdreht, um den Spannungswert herabzusetzen.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Übersicht über das Drehmoment- und Spannungsrege lungs- und -prüfungssystem vorliegender

Erfindung,
Fig. 2 weitere Einzelheiten der schematischen Übersicht der Fig. 1 zur Darstellung der für die Realisierung der Erfindung notwendigen analogen Bestandteile.

In der US-Patentanmeldung 6ol 441 sind einige Verfahren, bei denen Drehmoment und Drehung eine Rolle spielen, zum Bestimmen der Spannung im Verbindungselement beschrieben. Eines der beschriebenen Verfahren bedient sich einer Kombination von

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Drehmoment und Drehung und ist mittels einer Differenzierschaltung in der Lage, den Punkt zu bestimmen, an dem die verringerte Spannungszunähme beginnt. Z.B. wird festgestellt, wenn die Zunahme des Drehmoments nicht mehr proportional der Zunahme der Drehung ist. Bei diesem Beispiel wird das kraftbetriebene Werkzeug in Abhängigkeit von der Feststellung des Beginns der verringerten Spannungszunähme abgeschaltet. Zum Zwecke der Beschreibung vorliegender Erfindung wird wegen der besseren Möglichkeit der Darstellung ein Teil Jenes Verfahrens erneut beschrieben. Das neuartige Verfahren und die neuartige Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung werden daran anschließend beschrieben.

In Flg. 1 ist ein herkömmliches, in zwei Richtungen antreibbares, druckluftbetriebenes Werkzeug 1 gezeigt. Das Werkzeug ist an einem Werkzeughalter 2 befestigt und so angeordnet, daß es ein Verbindungselement 5 in ein Werkstück 6 eindreht. Das Werkzeug gibt das Drehmoment über eine Spindel 3 ab. Das Ausgangsdrehmoment des Werkzeuges 1 an der Spindel 3 wird durch einen Drehmoment-Keßwandler 7 gemessen, der von der Art einer vier Zweige aufweisenden Meßbrücke sein kann. Im angenommenen Ausführungsbeispiel wird die Drehung der Spindel 3 durch einen Drehstellungs· verschlüssler 4 gemessen, der von der Art der optischen Winkelverschlüssler sein kann, die eine Fotozelle zum Erzeugen eines Impulssignals aufweisen. Der Ausgang sowohl des Drehmomentmeßwandlers 7 als auch des Drehstellungsverschlüsslers k wird der Vergleicher- und Steuereinrichtung 8 zugeführt, die gerätemäßige Verstärkerschaltkreise für die verschiedenen, später zu beschreibenden Funktionen enthält. Ein Schreiber 9 ist vorgesehen, um eine Aufzeichnung des Festziehvorgangs zu bewirken. Ein Alarmgeber Io signalisiert Fehler außerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte. Ein schnell ansprechendes Abschaltventil 11 ist in die Luftzuführleitung zum Werkzeug 1 eingeschaltet.

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Die Arbeitsweise und eine schematische Übersicht über die Ausführung des beschriebenen und dargestellten Beispiels der Erfindung geht aus Fig. 2 im Zusammenhang mit folgender Beschreibung hervor. Die Spannungsüberwachungsschaltung hat drei Eingänge, nämlich die vom Verschlüssler herrührenden Winkelimpulse, das analoge Drehmonentsignal und den Schwellen-Einstellwert. Diese drei Eingänge werden kombiniert, um ein Abschaltsignal zu erzeugen, das die Drehung des luftbetriebenen Motors anhält.

Die den Winkelwert repräsentierenden Eingangsimpulse 2o werden einem Signalaufbereitungs- Verstärker 21 zugeführt, in dem sie in ein sauberes Rechteckwellensignal umgewandelt werden. Dieses Rechteckwellensignal stellt die Drehung des luftbetriebci^r Motors dar, wobei ein Impuls je Grad erzeugt wird. Der Ausgang des Signalaufbereitungs-Verstärkers ist an einen Übernahmehäuf igkeits -Wähler 22 gelegt. Der Übernahmehäufigkeits-Wähler ist voreingestellt, um die Häufigkeit festzulegen, mit der da^ Drehmomentsignal übernommen werden soll (z.B. Übernahme nach je einem Grad, Übernahme nach Je zwei Grad, Übernahme nach je yier Grad u.s.w.).

Die Übernahmebefehlsimpulse vom Übernahmehäufigkeits-Wähler werden einer Synchronisier-, Ubernahme-/Halte- und Vergleichs-Steuerschaltung 23 zugeführt. Diese Schaltung stellt die richtige zeitliche Folge sicher und gibt die Befehlssignale für die Übernahme-/Halte- und Vergleichsschaltung.

Das Drehmoment-Eingangssignal 3o wird einer Übernahme-/Halte- und Vergleichsschaltung 3¹ zugeführt. Auf jeden Übernahme-/ Haltebefehl wird das Drehmomentsignal übernommen und sein Wert gespeichert, bis der nächste Befehl empfangen wird. Dieser gehaltene Wert des Drehmomentsignals ist an einen Eingang eines Vergleichers 32 gelegt. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Graden der Drehung wird ein Vergleichsbefehlssignal erzeugt und das augenblickliche Drehmomentsignal in diesem neuen Zeitpunkt dem anderen Eingang des Vergleichers zugeführt. Der Ausgang des Vergleichers ist normalerweise negativ. Wenn aber das augen-

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blickliche Signal bedeutend größer als das gehaltene Signal ist, wird der Ausgang des Vergleichers positiv. Da das Vergleichsbefehlssignal gepulst ist und das gehaltene Signal eine fortdauernde Gleichspannung ist, wird der Ausgang des Vergleichers ein gepulstes positives Signal sein, wenn das augenblickliche Drehmomentsignal ausreichend größer als das gespeicherte, aus der Übernahme herrührende Signal ist. Wenn deshalb das Drehmoment ausreichend über einen vorbestimmten Betrag (Drehmomentanstieg) anwächst, wird ein gepulstes positives Signal erzeugt. Der Ausgang des Vergleichers ist mit einem Ubernahmezähler 33 verbunden und dient als Rücksetzsignal für den Zähler.

Der Zähleingang für den Ubernahmezähler ist mit dem Ubernahmehäufigkeits-Wähler verbunden und versucht aufwärts zu zählen. Die positiven Impulse aus dem Vergleicher setzen dagegen den Zähler fortwährend zurück, und zwar solange, wie der Drehmomentanstieg oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Der Zählstand "l* wird deshalb niemals überschritten.Wenn dagegen die Änderung des Drehmomentsignals (der Drehmomentanstieg) geringer als der vorbestimmte Wert ist, wird kein Ausgangsimpuls aus dem Vergleicher erhalten. Deshalb kann nun der Zähler die Übernahmeimpulse zu einem Zählstand größer als "1" aufsummieren, da er nicht zurückgesetzt wird. Ein Wähler am Ausgang des Zählers wird dazu benutzt, festzustellen, wieviele Perioden geringer oder fehlender Änderung des Drehmoments nacheinander auftreten müssen, bevor ein Ausgangssignal erzeugtwird. Die Zählfunktion wird verbessert, um zu vermeiden, daß aus vorübergehenden Drehmomentschwankungen ein Fehlsignal resultiert.

Ein Schwellenwert-Einstellsignal 4<i> in Form einer wählbaren Gleichspannung ist an einen Eingang eines Vergleichers 41 gelegt, während der andere Eingang des Vergleichers 41 mit dem Drehmomenteingang verbunden ist. Der Ausgang des Vergleichers 41 ist normalerweise negativ. Wenn der Drehmoment-Eingangsspannungswert den Schwellen-Einstellwert übersteigt, wird der Ausgang des Vergleichers positiv und setzt ein Zählunterdrückungs-Signal

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aus, das am Übernahmezähler anliegt. Ein positiver Ausgang des Vergleichers setzt auch ein Logikunterdrückungs -Sigial aus, das an den logischen Steuerschaltungen 34 anliegt.

Bevor nicht das Drehmoment den gewählten Einstellwert übersteigt, zählt der Ubernahmezähler 33 nicht und sind die logischen Steuerschaltun/en 34 unwirksam. Dies verhindert ein fehlerhaftes Abschaltsignal, das sonst während des anfänglich freien Laufs des Verbindungselements erzeugt würde, womit eine satte Anlage sichergestellt wird, bevor irgendwelche kritischen Messungen durchgeführt werden. Wenn das Drehmoment den Einstellwert überschritten hat und einen Punkt erreicht, an dem es wenig oder keine Änderung über eine vorgewählte Anzahl von Übernahme Perioden erfährt, gelangt ein Ausgangssignal vom Ubernahmezähler zu den logischen Steuerschaltungen und wird ein Abschaltbefehlssignal für das Abschaltventil erzeugt, womit der luftbetriebene Motor angehalten wird.

Bis hierher ist die Wirkungsweise des angenommenen AusfUhrungsbeispiels ähnlich der, wie sie in US-Patentanmeldung 6ol 441 gezeigt und beschrieben ist. Das Verbindungselement wurde eingedreht, bis ein Anfangswert des Drehmoments erreicht wurde, der ausreichend ist, um sicherzustellen, daß das Verbindungselement eine zuverlässige Anlage erhalten hat. Hierauf wurde, unter Zuhilfenahme der Differenzierschaltung, das Verbindungselement gedreht, bis das System den Beginn der verringerten Spannungszunahme feststellte. Beim Einsetzen der verringerten Spannungbzunähme innerhalb der für die Verdrehung und das Drehmoment vorgeschriebenen Grenzen sind der Zustand des Verbindungselemente und die Festziehfolge bis hierher gemäß dem Verfahren nach US-Patentanmeldung 6ol 441 geprüft. Im folgenden werden noch die neuartigen zusätzlichen Maßnahmen beschrieben, die der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Gerätes hierfür dienen. Gemäß Fig. 2 erfordert das Spannungsüberwachungsgerät zwei zusätzliche Schaltungen und ein Rücksetz befehlssignal.

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Die Rücksetz-Arbeitsweise beginnt, wenn der luftbetriebene Motor aufgrund eines durch das Abschaltventil erhaltenen Abschaltbefehls in seiner Drehung angehalten wurde. An dieser Stelle wird ein externer Relaiskontakt 5o geschlossen, der ein Rücksetzbefehlssignal erzeugt, das an einen Rücksetzdrehungs-Zähler 51 abgegeben wird.

Wenn der luftbetriebene Motor rückwärts gedreht wird, werden Winkel-EingangsSignaIe dem Signalaufoereitungs-Verstärker 21 zugeführt. Der Ausgang des Signalaufbereitungs-Verstärkers besteht aus einem Rechteckwellensignal, das die Drehung des luftbetriebenen Motors wiedergibt, indem ein Impuls je Grad Drehung erzeugt wird.

Die Rechteckwellensignale gehen in den Rücksetzdrehungs-Zähler 51 ein. Der Zähler ist in der Lage, diese Impulse zu zählen, wenn er ein Rücksetzbefehlssignal erhält.

Der Rücksetzdrehungs-Wähler 52 bestimmt, wieviele Grade gezählt werden müssen, bevor er ein Signal an die logischen Steuerschaltungen 34 durchgibt.

Sobald die logischen Steuerschaltungen J>b ein Signal vom Rücksetzdrehungs-Wähler erhalten, wird ein Absctsltbefehlssignal für das gleiche Abschaltventil erzeugt, das schon bei Feststellung des Beginns der verringerten Spannung benutzt wurde, wodurch der luftbetriebene Motor angehalten wird.

So ist für den Fachmann ersichtlich, daß mittels des oben gezeigten und beschriebenen Geräts ein Verbindungselement verläßlich bis zu seinem Punkt der verringerten Spannungszunahme gebracht werden kann und der Zustand des Verbindungselements geprüft werden kann, zusätzlich, daß mittels der für das erfindungsgemäße Verfahren neuartigen Verfahrensschritte der Wert der im Verbindungselement zu Beginn der verringerten Spannungszunähme auftretenden Spannung genau auf einen gegebenen zweiten oder niedrigeren Wert der Spannung zurückgeführt werden kann, der für die wirksame Benutzung des Verbindungselements

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erforderlich ist. Wegen der zuverlässigen Art der Bestimmung der Spannung zu Beginn der verringerten Spannungszunähme und wegen des verlässlich in Anspruch genommenen Zustands der Gewindegänge, der so erzielt ist, ist es möglich, im Verbindungselement eine Spannung zu erhalten, die äußerst genau ist. Der Fachmann ist auch in der Lage, zu erkennen, daß für den Fall, daß eine Kaltverformung des Verbindungselements oder seines in Eingriff stehenden Gewindes erwünscht ist, die oben erläuterte Methode wiederholt angewandt werden kann, wie es erforderlich sein mag, um die gewünschten Ergebnisse hervorzurufen. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Zahlreiche andere Verfahren, die das Verbindungselement an den Beginn der verringerten Spannungszunähme oder auch an einen genau bestimmten Punkt Jenseits des Beginns der verringerten Spannungszunähme bringen , können mit dem neuartigen Verfahren gemäß vorligender Erfindung in Anwendung gebracht werden.

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e e r s e i t e

Claims

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-P H YS. D IPL. -INC.

Ingersoll-Rand Company ir-58

22. April 1977

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ANSPRÜCHE

\J Verfahren zur Herstellung eines Spannungswerts in einem Verbindungselement gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Pestziehens des Verbindungselements in den Bereich der verringerten Spannungszunähme mittels eines kraftbetriebenen Werkzeugantriebs, der Erzeugung eines Signals in Abhängigkeit vom Beginn der verringerten Zunahme der Spannung im Verbindungselement, des Abschaltens des Werkzeugantriebs in Abhängigkeit von diesem Signal und des Drehens des Verbindungselements gegen die Festziehrichtung um einen vorbestimmten Drehwinkel, damit eine geringere Spannung im Verbindungselement hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem bestimmt wird, ob der Beginn der verringerten Spannungszunähme innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eines kontinuierlich gemessenen Parameters des Verbindungselements liegt, wodurch festgestd.lt wird, ob die Verbindungseinheit fehlerhaft ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierlich gemessene Parameter die Drehung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierlich gemessene Parameter das Drehmoment ist.
5. Vorrichtung zum Festziehen eines Verbindungselements, gekennzeichnet durch einen kraftbetriebenen Werkzeugantrieb(l)zur Drehung des Verbindungselements (5)* eine Differenziereinrichtung (31» 32, 33) zur Bestimmung, wenn das Verbindungselement in seinen nicht proportionalen Spannungsbereich gedreht ist, und zum Anhalten des kraftbetriebenen Werkzeugantriebs, eine Dreheinrichtung (1, 51» 52) zum Drehen des Verbindungselements entgegengesetzt zur Festziehrichtung um einen vorbestimmten Drehwinkel und eine Einrichtung (34) zum Anhalten des kraftbetriebenen Werkzeugantriebs, nachdem das Verbindungselement um den genannten vorbestimmten Drehwinkel gegen die Festziehrichtung zurückgedreht wurde.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung (31» 32, 33) feststellt, wenn das Verbindungselement bis zum Beginn seiner verringerten Spannungszunähme gedreht ist, und den kraftbetriebenen Werkzeugantrieb anhält.
7. Vorrichtung zum Festziehen eines Verbindungselemeits, gekennzeichnet, durch einen kraftbetriebenen Werkzeugantrieb (1) zum Festziehen des Verbindungselements (5)» eine Einrichtung (3o,31) zum Messen des vom Werkzeugantrieb auf das Verbindungselement angewandten Drehmoments, eine Einrichtung (2o, 21) zur Messung der Drehung des Verbindungselements, eine Einrichtung (4o, 41) zur Feststellung eines vorbestimmten niedrigen Werts des Anfangsdrehmoments und zur Erzeugung eines ersten Signals in Abhängigkeit hiervon,

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eine Einrichtung (33) zur Aufnahme dieses ersten Signals und zur davon abhängigen Veranlassung einer Messung einer Zuwachsfunktion der Drehmomentzunähme je Zuwachsfunktion der Drehung des Verbindungselements, eine Einrichtung (31» 32) zur Aufnanme der Zuwachsfunktion der Drehmomentzunahme Je Zuwachsfunkti on der Drehung des Verbindungselements und zum Vergleich der Messungen, wodurch bestimmt wird, wenn die Zuwachsfunktion des Drehmoments eine nicht lineare Funktion wird, sowie zum Erzeugen eines zweiten Signals in Abhängigkeit hiervon, durch eine Einrichtung (3^) zum Anhalten eines weiteren Festziehens des Verbindungselements in Abhängigkeit

vom zweiten Signal und durch eine Einrichtung (5o, 51*52) zum Drehen des Verbindungselements entgegengesetzt zur Festziehrichtung um einen vorbestimmten Drehwinkel zwecks Herstellung eines geringeren Spannungswerts.

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