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Dokumentenidentifikation DE2735594C2 08.09.1988
Titel Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines steuerbar angetriebenen Werkzeugs
Anmelder Rockwell International Corp., Pittsburgh, Pa., US
Erfinder Eshghy, Siavash, Pittsburgh, Pa., US
Vertreter Boehmert, A., Dipl.-Ing.; Hoormann, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 2800 Bremen; Goddar, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München; Stahlberg, W., Rechtsanw., 2800 Bremen
DE-Anmeldedatum 06.08.1977
DE-Aktenzeichen 2735594
Offenlegungstag 09.03.1978
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.09.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.09.1988
IPC-Hauptklasse B25B 23/145

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines steuerbaren angetriebenen Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 25 41 523 ist ein derartiges Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines steuerbar angetriebenen Werkzeugs bekannt, bei dem nach einem ersten Anziehen aus den gemessenen Werten der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve und der Annahme, daß das Drehmoment und die Schraubenspannung proportional zueinander verlaufen, das endgültige Abschaltdrehmoment berechnet wird. Der endgültige Abschaltpunkt liegt dabei unterhalb der Streckgrenze, da ausgehend von der Streckgrenze in einem Zwischenschritt zurückgedreht wird, bis das ermittelte Abschaltdrehmoment geringfügig unterschritten wird. Dabei wird zur Ermittlung des Proportionalitätsfaktors bei dem bekannten Verfahren auf eine empirisch ermittelte Spannungs/Winkel-Kurve an der Streckgrenze zurückgegriffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen zu schaffen, das das Anziehen auf eine der gewünschten Endspannung nahekommenden wirklichen Endspannung bei geringen Streuungen und ohne Erreichen oder Überschreiten der Streckgrenze zuverlässig ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung von typischen Drehmoment/ Winkel- und Spannungs/Winkel-Kurven bei kontinuierlichem Anziehen einer Schraubenverbindung weit unterhalb der Elastizitäsgrenze,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des unteren Bereiches einer typischen Drehmoment/- Winkel-Kurve bei Unterbrechen des Anziehens im oberen Bereich,

Fig. 3 eine Darstellung einer typischen Drehmoment/ Geschwindigkeit-Beziehung eines preßluftgetriebenen Werkzeugs,

Fig. 4 eine Darstellung einer Spannungs/Winkel-Kurve, die die Entspannung einer typischen Verbindung bei der Beendigung des kontinuierlichen Anziehens wiedergibt,

Fig. 5 eine Darstellung einer typischen Spannungs/ Winkel-Kurve, die die Endspannung der Verbindung bei einer zwischenzeitlichen Unterbrechung bei weiterem Anziehen wiedergibt,

Fig. 6 eine der Fig. 1 entsprechenden Darstellung, die andere Aspekte der Erfindung verdeutlicht, und

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Drehmoment/ Spannungs-Kurven zur Erläuterung anderer Aspekte der Erfindung.

In Fig. 1 sind eine typische Drehmoment/Winkel-Kurve 10 und die entsprechende Spannungs/Winkel-Kurve 12 dargestellt, wie sie sich bei einem kontinuierlichen Anziehen einer Schraubverbindung ergeben und wie sie in einem Labor unter Verwendung einer geeigneten Ausrüstung gemessen werden können. Die Drehmoment/Winkel-Kurve 10 hat einen typischen Freilaufbereich 14, in dem nur ein geringes Drehmoment zum Anziehen der Mutter erforderlich ist und in dem keine merkliche Bolzenspannung gegeben ist. Diesem schließt sich ein Eingriffsbereich 16 an, in dem ein Kontakt zwischen den Oberflächen der Schraubenverbindungselemente gegeben ist. In diesem Bereich vermindert sich die Winkelgeschwindigkeit entsprechend der Drehmoment/Geschwindigkeits-Eigenschaft des verwendeten Werkzeugs allmählich. Die Steigung FR&sub1; der Spannung ist im Bereich 16 geringer als die maximale Steigung FR&sub2; der Spannung, sie ist jedoch genau definiert. Der Eingriffsbereich 16 verläuft ungefähr über einen Bereich von 10% bis etwa 50% der Elastizitätsgrenze der Schraube. An den Eingriffsbereich 16 schließt sich ein Endspannungsbereich 18 mit einer höheren Steigung FR&sub2; der Spannung an. FR&sub1;, FR&sub2; und der dazwischenliegende Bereich sind definierte und reproduzierbare Eigenschaften der Schraubenverbindung und sind von der Reibung oder anderen, sich während des Anziehens verändernden Faktoren unabhängig.

Die Steigung TR des Drehmoments ist zunächst in dem Freilaufbereich 14 gering und nimmt sodann in dem Eingriffsbereich 16 erheblich zu. Aufgrund von geschwindigkeitsabhängigen Verlusten, etwa eines Schmiermittelquetschfilmes oder der Mikroplastizität der Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen den Schraubverbindungselementen schneidet die Steigung TR der Drehmoment/Winkel-Kurve des Eingriffsbereiches 16 die Winkelordinate nicht im Ursprung. Es besteht vielmehr eine Winkelabweichung αos, die diesen geschwindigkeitsabhängigen Verlusten proportional ist. Aus der Drehmoment/Winkel- Kurve des verwendeten Werkzeugs ergibt sich, daß αos von der Steigung des Drehmoments abhängig ist, so daß die Drehmomentabweichung Tos als Eigenschaft der Verbindung sich als Produkt aus der Winkelabweichung αos und der Steigung TR des Drehmomentes ergibt.

Die Elastizitätsgrenze 20 liegt an einem Punkt, über den hinaus eine Erhohlung nach Entlastung nicht eintritt. Dieser Punkt liegt am oberen Ende des Endspannungsbereiches 18. Im Streckbereich 22 beginnt der Bolzen, sich eher plastisch als elastisch zu verformen. Als Streckgrenze wird üblicherweise willkürlich eine Streckung von 0,1% bis 0,2% definiert. Die Proportionalitätsgrenze liegt unterhalb der Streckgrenze 20 in einem Bereich, in dem das Spannungs/Streckungs-Verhältnis nicht mehr konstant ist.

Zur Durchführung nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Drehmomentsteuerung müssen FR&sub1;, FR&sub2;, Tos und andere Parameter bestimmt werden, wie dies nachfolgend näher erläutert werden wird. Dies wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, daß man eine relativ große Zahl von Probestücken der Schraubverbindung auswählt, die unter Anwendung des Verfahrens angezogen werden sollen. Die angegebenen Werte werden im Labor empirisch bestimmt. Es zeigt sich dabei, daß die Streuungen für FR&sub1; und/oder FR&sub2; und damit r (nämlich dem Verhältnis FR&sub2;/FR&sub1;), relativ klein ist. Bei neuen Schrauben ist FR&sub2; normalerweise 5 bis 10% höher als FR&sub1;. Bei Schraubverbindungselementen, die bereits zuvor angezogen worden sind, liegt FR&sub2; normalerweise nahe bei FR&sub1;. Hieraus kann der Schluß gezogen werden, daß der Unterschied zwischen FR&sub1; und FR&sub2; in Zusammenhang mit der Mikroplastizität der Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen den anliegenden Flächen der Verbindungselemente in Zusammenhang steht. Die Streuungen für Tos sind - wie bei allen Drehmomentmessungen - wesentlich größer. Die Drehmomentsabweichung ist normalerweise sehr gering, so daß die Abweichung sich auf die Endspannungswerte nur geringfügig auswirkt. Eine Ausnahme sind Schraubverbindungen, bei denen die Gewindegänge des Bolzens oder der Mutter gewollt oder ungewollt deformiert sind. Bei derartigen Schraubverbindungen ist der Normalwert von Tos um das gemessene "Freilauf-Drehmoment" zu erhöhen.

Der Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, regelmäßig oder kontinuierlich das auf die Schraubverbindung aufgebrachte Drehmoment und die Winkelveränderung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Drehmoment zu bestimmen, die Spannung zumindest in dem Punkt 24 zu ermitteln, den Anziehparameter zu berechnen, der ausreicht, um den gewünschten Endspannungswert FD zu erreichen und das Werkzeug so zu steuern, daß die Schraubverbindung weiter angezogen wird, bis der Enspannungswert FD erreicht ist.

Es wurden folgende Annahmen gemacht:

  • 1. Die Steigung der Spannung ist konstant. Dies gilt eigentlich nicht über den gesamten Bereich des Anziehens. Genauer ist die Annahme, daß die Spannung bei jedem dem Ausgangswinkel nachfolgendem Winkel, bei dem die Zunahme der Spannung beginnt, eine eindeutige Funktion der Verbindung ist, so daß dementsprechend die Steigung der Spannung bei jedem dem Ursprungswinkel nachfolgenden Winkel eine eindeutige Funktion der Verbindung ist.
  • 2. Das Drehmoment ist keine Funktion der Drehgeschwindigkeit. Dies ist nicht immer gültig, diesem Umstand sollte bei Anforderung einer hohen Genauigkeit Rechnung getragen werden.
  • 3. Die Reibung der Verbindung (fhfth) ist belastungsunabhängig. Dies kann angenommen werden, wenn keine metallischen Überzüge (Molybdän Disulfid, Teflon usw.). Aber auch bei Schraubverbindungen mit nicht-metallischen Überzügen sind die Veränderungen in einem endlichen Spannungsbereich gering.


Im Labor wurde nachgewiesen, daß der Wert der Ableitung der Spannung dF/dα eine Funktion der Verbindung ist. Die Streuungen sind gering und von der Reibung unabhängig. Die Ableitung des Drehmomentes dF/da kann aus Drehmoment- und Winkelmessungen bestimmt werden, die während des Anziehens der Schraubverbindung mit geeigneten Drehmoment- und Winkelmeßgeräten an dem Werkzeug durchgeführt werden. Der Wert T des Drehmoments wird natürlich durch das gleiche Drehmomentmeßgerät bestimmt. Die von der Reibung abhängigen Parameter, also die Ableitung des Drehmomentes und das Drehmoment werden für jede Schraubverbindung während des Anziehens, als von dem Beginn des Anziehens bis zum Abschluß des Anziehends, bestimmt. Da die Ableitung dF/dα der Spannung eine Funktion der Verbindung ist, die empirisch vor dem Anziehen der Schraubverbindung bestimmt wird, kann auch auf den Spannungverlauf geschlossen werden.

Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse des Drehmomentes über den Winkel. Nach einem ersten Anziehen bis zum Punkt 24 wird die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes berechnet, beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate. Da die Steigung FR&sub1; der Spannung aus den empirischen Messungen der jeweiligen Schraubverbindung bekannt ist, kann die Spannung der Verbindung im Punkt 24 bestimmt werden. Der Winkel, der erforderlich ist, um die Schraubverbindung von der in Punkt 24 berechneten Spannung bis zu der gewünschten Endpannung FD anzuziehen, kann grafisch leicht bestimmt werden, die Steigung FR&sub2; der Spannung in ähnlicher Weise empirisch bestimmt worden ist. Nach der Bestimmung des weiteren Winkels αfinal wird das Werkzeug so angesteuert, daß die Schraubverbindung weiter angezogen wird, wodurch der gewünschte Endspannungswert FD erreicht wird. Auf ähnliche Weise kann das zusätzliche Drehmoment ΔT oder das gewünschte Enddrehmoment TD berechnet werden.

Die praktische Verwendung dieser Gedanken mach erhebliche Schwierigkeiten. Die Berechnungen erfolgen während des Anziehvorgangs, wobei die Zeitdauer des Anziehens so gering wie möglich gehalten werden soll. Bei Einsatz eines Rechners ist ein kurzzeitiges Anhalten, um die Berechnungen durchzuführen, vorteilhaft. Eine derartige Unterbrechung des Anziehens ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Um die Spannung bei Verwendung eines Drehmoment und den Drehwinkel erfassenden Werkzeugs zu ermitteln wird wie folgt vorgegangen.

  • 1. Die Schraubverbindung wird ergriffen, das Werkzeug wird gestartet, das Drehmoment wird in konstanten Winkelabständen gemessen.
  • 2. Das Werkzeug wird in einem Spannungsbereich von 0,4 bis 0,5 der Elastizitätsgrenze angehalten. Um das Anhalten des Werkzeugs zu bestimmen, kann ein Mutteranzugsverfahren eingesetzt werden, auch hier kann jedoch ein der Endspannungsermittlung ähnliches, vereinfachtes Ermittlungsverfahren angewendet werden.
  • 3. Die Steigung des Drehmomentes wird aus dem Drehmoment- und Winkelmessungen durch ein geeignetes Näherungsverfahren, etwa dem der kleinsten Quadrate berechnet. Das Drehmoment in der Mitte des Bereiches, in dem die Steigung des Drehmomentes berechnet worden ist, wird durch Bilden des Durchschnittswertes des Drehmomentes in diesem Bereich ermittelt. Entsprechend wird der Schnittpunkt der durchschnittlichen Steigung des Drehmomentes mit der Koordinate des Winkels bestimmt. Die Verschiebung Tos des Drehmomentes wird ermittelt.
  • 4. Die Spannungskurve ist eine Gerade, die von dem Ursprung ausgeht oder aber von dem wie unter 3 bestimmten Schnittpunkt mit der urprünglichen Steigung FR&sub1;. Dies gilt bis etwa 0,5% der Elastizitätsgrenze, wo die Spannungskurve eine Steigung von FR&sub2; hat. Die Stelle des Bogens in der Spannung/Winkel-Kurve wird empirisch aus den Werten FR&sub1;, FR&sub2; und Tos ermittelt.
  • 5. Die Spannung in der Schraubverbindung an einem bestimmten Ort, beispielsweise dem Punkt 24, wird ermittelt. Bei einem gegebenen Spannungswert im Punkt 24 wird der zusätzliche Winkel αfinal oder das zusätzliche Drehmoment ΔT, das bzw. der erforderlich ist, um die Schraubverbindung auf den gewünschten Endspannungswert FD anzuziehen, errechnet.
  • 6. Auf das Werkzeug wird ein Signal gegeben, um die Schraubverbindung über den Winkel αfinal oder das zusätzliche Drehmoment ΔT weiter anzuziehen.


Das Verfahren kann also in vier Abschnitte unterteilt werden: (1) Bestimmen eines Zwischenwertes, (2) Berechnen der Steigung des Drehmomentes und des Winkels der ursprünglichen Spannung, (3) Berechnen des Wertes bis zum Erreichen des Endspannungswertes einschließlich einer Berücksichtigung des Nachlaufes des Werkzeugs und (4) Bestimmen des Eintretens der Streckung und Berechnen des Endspannungswertes für den Fall, daß die Streckung schon vor dem sich bei dem beabsichtigten weiteren Anziehen ergebenden Wertes folgt.

Der Zweck der Bestimmung eines Zwischenwertes für die anzuziehende Schraubverbindung bezüglich einer Winkelposition, die dem Knick in der Spannung/Winkel-Kurve entspricht, wird im folgenden näher erläutert. Um diesen Zwischenwert zu erhalten, kann man ein Drehmomentverfahren, ein Mutteranzugsverfahren oder aber auch ein vereinfachtes der Endspannungsermittlung ähnliches Verfahren einsetzen. Bei Anwendung eines Mutteranzugsverfahrens wird zur Erreichung des Zwischenwertes der durchschnittliche Winkel unterhalb des Drehmomentes, bei dem eine bestimmte Spannung beispielsweise etwa 0,4 der Streckgrenze gegeben ist, bestimmt. Dabei ist der Nachlauf des Werkzeuges zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise empirische Ermittlungen zeigen, daß ein Wert von 0,4 der Streckgrenze durchschnittlich bei 45° nach einem Drehmoment von 0,3 mkp erreicht wird und ein Durchschnittswert von 8° Nachlauf festgestellt wird, so ist das Werkzeug bei Erreichen von 37° Drehung nach Erreichen eines Drehmomentes von 0,3 mkp abzuschalten, um den Zwischenwert zu erreichen.

Die Bestimmung des Zwischenwertes ist, wie sich aus Fig. 1 ergibt, von erheblicher Bedeutung. Es wurde bereits erwähnt, daß die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes zu ermitteln ist. Wenn der Zwischenwert beispielsweise im unteren Teil des Eingriffsbereichs 16 liegt, ist die Steigung des Drehmomentes wesentlich zu niedrig angenommen. Wenn der Zwischenwert zu weit oben, nämlich im Endspannungsbereich 18 liegt, treten folgende Schwierigkeiten auf: (1) Die berechnete durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes ist wesentlich zu hoch, und (2) es ist kein oder nur wenig Reserve vorhanden, um das Anziehen bis zum gewünschten Endspannungswert durchzuführen, wobei der Nachlauf des Werkzeugs zu berücksichtigen ist.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Werkzeug wird in dem Punkt 30, der sich um α&sub1;° oberhalb des Punktes 26 befindet, bei welchem der Wert T&sub1; des Drehmomentes zum erstenmal erreicht oder überschritten wurde, abgeschaltet. Wegen des Nachlaufens des Werkzeugs von dem Abschalten bis zum tatsächlichen Einhalten, der durch den Punkt 32 wiedergegeben wird, dreht das Werkzeug um einen Winkel δα nach. Der Punkt 32 fällt normalerweise in den Bereich von 0,4 bis 0,6 der Elastizitätsgrenze. Der Punkt 32 wird jeweils auf einen bestimmten Bruchteil der Elastizitätsgrenze festgelegt. Dieser Bruchteil ändert sich nicht, bis neue empirische Daten aufgenommen worden ist, beispielsweise dann, wenn eine andere Schraubverbindung anzuziehen ist.

Um die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes zu berechnen, muß eine Entscheidung getroffen werden, welche Drehmoment- und Winkelmessungen verwendet werden sollen. Es hat sich gezeigt, daß der Drehmomentwert am Punkt 32 infolge der geschwindigkeitsabhängigen Variablen unzuverlässig ist. Dementsprechend liegt der höchste Drehmomentwert, der bei der Berechnung der Steigung des Drehmomentes verwendet wird, bei dem Punkt 34, der von dem Punkt 32 um Δα zurück liegt. Der Drehmomentwert im Punkt 34 ist T&sub3;. Die Gesamtzahl der Werte, die zur Berechnung der Steigung des Drehmomentes berechnet werden, wird mit n bezeichnet. Dieser Wert kann unterschiedlich groß sein. Eine Gesamtzahl von vierzehn aufeinanderfolgenden Punkten einschließlich des Punktes 34 als höchstem Drehmomentwert hat sich als geeignet erwiesen. Das mittlere Drehmoment Tm und die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes werden unter Verwendung der folgenden Summengleichungen bestimmt, wobei i eine Bezeichnung für jeden Punkt ist, der für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes ausgewäht wurde und Ti den dort ermittelten Drehmomentwert darstellt:





Die Gleichung (1) gibt an, daß lediglich die an den Punkten ermittelten Drehmomentwerte addiert werden und die Summe sodann durch die Gesamtzahl der Punkte n dividiert wird. Die Gleichung (2) dagegen gibt die Ermittlung der Steigung über das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate für die Punkte i an. Das mittlere Drehmoment Tm und die durchschnittliche Steigung des Drehmomentes TR werden während des Anziehens der Schraubverbindung über im wesentlichen den gleichen Spannungsbereich ermittelt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß überprüft wird, wie dicht der Winkel des Punkts 32 an dem Knick der Spannung/Winkel-Kurve 12 liegt. Der Winkel des durchschnittlichen Drehmomentes Tm entlang einer Abzisse Tos kann aus folgender Gleichung berechnet werden:



Der Winkelabstand von dem Ausgangspunkt der Spannungskurve 12 zum Punkt 32 kann aus den effektiven Werten berechnet werden, die von der anzuziehenden Schraubverbindung nach der Gleichung



hergeleitet werden. Zur Berechnung sollte aorigin negativ sein. Aus der vor dem Anziehen der Verbindungselemente empirisch ermittelten Information kann der Beginn des zweiten Spannungsbereiches aus folgender Gleichung berechnet werden:



FM ist dabei der Spannungswert an der Knickstelle. Der Abstand zwischen aorigin und αFM kann über folgende Gleichung gewonnen werden:

X = αorigin - αFM (6)



Wenn X ≤ 0, bedeutet dies, daß der Punkt 32 zu weit oben liegt und daß dementsprechend der größte zur Berechnung der Steigung des Drehmomentes verwendete Drehmoment T&sub3; zu groß ist. Es ist daher erforderlich, den Bereich zur Berechnung der Steigung des Drehmomentes auf der in Fig. 2 dargestellten Drehmoment-Winkel-Kurve nach unten zu verlegen. Somit gilt



Von dem Punkt 32 geht man entlang der Drehmoment/Winkel-Kurve um nH Winkelschritte von Δα abwärts, um einen neuen Punkt 35 als obere Grenze des Bereiches zu bestimmten, durch den das Drehmomentverhältnis berechnet wird. Das Symbol ↓ bedeutet, daß jeder Bruchteilwert fallengelassen wird, so daß die verwendete Zahl die nächstniedrigere ganze Zahl des berechneten Wertes ist.

Die Gesamtzahl der Datenerfassungspunkte n bleibt unverändert.

X < 0 bedeutet, daß der Punkt 32 zu weit unten liegt. Dies bedeutet, daß der Wert der Steigung des Drehmomentes zu gering ist. Da man auf der Drehmoment/Winkel- Kurve nicht nach oben gehen kann, um einen zusätzlichen Bereich für die Messung zu gewinnen, werden für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes weniger Datenpunkte angenommen, wodurch das untere Ende des Bereiches abgeschnitten wird. Entsprechend gilt



nHi gibt den Punkt oder die Stelle an, wo der größte für die Berechnung der Steigung des Drehmomentes verwendete Drehmomentwert liegt. Der größte Drehmomentwert bleibt unverändert. Der neue Wert für nI, bei dem es sich um die Gesamtzahl der verwendeten Datenpunkte handelt, beruht auf der Annahme, daß das Spannungsverhältnis in dem ersten Bereich im wesentlichen linear oberhalb eines minimalen Spannungswertes FL ist, der empirisch bestimmt ist. Die Spannung F&sub0; der Verbindung liegt in dem Punkt 32 in dem ersten Spannungsbereich. Das Symbol ΔF ist die zusätzliche Spannung in dem Spannungsbereich pro Winkelzuwachs Δα und kann mathematisch durch eine Gleichung

ΔF = FR&sub1; Δα (11)

ausgedrückt werden.

Die Spannung F&sub0; der Verbindung ist im Punkt 32

F&sub0; = -FR&sub1;αorigin (12).



Wenn nI zu klein ist (etwa zwei oder drei) führt die Berechnung der kleinsten Quadrate (12) nicht zu guten Ergebnissen. Es wird daher festgestellt, ob nI geringer ist als n/2. In diesem Fall gilt



wobei n&sub2; als Gesamtzahl der Punkte verwendet wird.

Es wird entsprechend eine neue Summierung für das mittlere Drehmoment Tm und die Steigung des Drehmomentes TR entsprechend den Gleichungen (1) und (2) durchgeführt unter Verwendung eines neuen Ausgangspunkt für den Fall, daß X ≤ 0. Man kann jedoch auch mit dem gleichen höchsten Drehmomentwert beginnen unter Verwendung einer geringeren Anzahl von Punkten für den Fall, daß X < 0 ist.

Mit den revidierten Werten für das mittlere Drehmoment Tm und der Steigung TR des Drehmomentes kann man einen revidierten Wert für den Ausgangswinkel der Drehmoment/ Winkel-Kurve unter Verwendung der Gleichung (3) erhalten. Für den Ausgangspunkt der Spannungs/Winkel- Kurve kann man einen revidierten Wert aus der Gleichung (4) gewinnen. Es wird wieder eine Berechnung durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Werkzeug den Knick in der Spannungskurve über- oder unterschritten hat, in Übereinstimmung mit den Gleichungen (5) und (6). Wenn X ≤ 0 kann die in der Verbindung im Punkt 32 vorliegende Spannung errechnet werden aus:

F&sub0; = FM + rFR&sub1;X, (14)

wobei FM der empirisch bestimmte Spannungswert an der Knickstelle der Spannungskurve und r das Verhältnis FR&sub1;/FR&sub2; ist. Wenn X < 0 erhält man die in der Verbindungsstelle am Punkt 32 vorliegende Spannung aus der Gleichung (19).

Die Werte für das mittlere Drehmoment Tm, die Steigung des Drehmomentes TR, αF, aorigin und dergleichen können so oft wie gewünscht revidiert werden.

Ein Nachteil des bisher beschriebenen Verfahrens liegt in der Annahme, daß die empirisch bestimmte Steigung FR&sub1; der Spannung die elastischen Eigenschaften der jeweils anzuziehenden Schraubverbindung genau wiedergibt. Für gute Schraubverbindungen ändert sich die Steigung FR&sub1; der Spannung nicht erheblich. Bei bestimmten Situationen, etwa bei klemmenden Gewindegängen, schlecht ausgerichteten Schraubelementen, schlechte Kontaktflächen, Schmutz oder anderen Fremdpartikeln zwischen den Kontaktflächen und dergleichen liegt die tatsächliche Steigung der Spannung der anzuziehenden Schraubverbindung wesentlich unterhalb der empirisch bestimmten Steigung FR&sub1; der Spannung. Bei derart schlechten Verbindungen liegt der tatsächliche Endspannungswert beträchtlich unter dem angestrebten Spannungswert FD und beträchtlich unter dem berechneten Spannungsendwert Ffinal. Um die Bedeutung derartiger schlechter Verbindungen zu bestimmten, wurden zwei 8 mm- Schrauben und Muttern der SAE-Qualität 8 mit einer Unterlegscheibe angezogen, die 0,38 mm dick war und von einem Ende aufgesteckt wurde, um einen schlechten Kontakt infolge mangelnder Ausrichtung zu simulieren. Der angestrebte Endspannungswert ergab sich zu 2494 kp. Der tatsächlich gemessene Endspannungswert lag demgegenüber bei 1089 kp und 771 kp für die beiden Verbindungselemente, wodurch sich eine prozentuale Abweichung von - 56% bzw. -69% von dem gewünschten Wert ergab. Bei schlechten Verbindungselementen mit einer großen Streuung der Eigenschaften ergeben sich damit die gleichen Auswirkungen wie bei Mutteranzugsverfahren.

Es hat sich gezeigt, daß schlechte Verbindungselemente mit einer ungewöhnlich niedrigen Steigung der Spannung einfach aus den während des Anziehens der Schraubverbindung ermittelten Werte festgestellt werden können. Bei derart schlechten Schraubverbindungen ist die Steigung des Drehmomentes im Oberteil des Bereiches 16, in dem die durchschnittliche Steigung TR des Drehmomentes berechnet wird nicht konstant, als anders, als in Fig. 2 dargestellt. Die Drehmomentkurve ist vielmehr nach oben konkav gekrümmt. Es ist daher relativ einfach, zunächst die durchschnittliche Steigung des Drehmomentes in dem oberen und dem unteren Teil des Bereiches zu ermitteln und sodann zu vergleichen. Bei Verwendung von dreizehn Datenpunkten zur Berechnung der Steigung TR des Drehmomentes mit dem Punkt 34 als größtem verwendeten Drehmomentwert wird die Steigung TRa des Drehmomentes über sechs Winkelschritte von dem Punkt 34 aus zurückgehend berechnet. Diese Berechnungen können natürlich nach dem Zweipunkte- oder aber dem Verfahren der kleinsten Quadrate erfolgen. Sodann wird die Steigung TRb des Drehmomentes über sechs Winkelschritte weiter rückwärtsgehend und damit um zwölf Schritte rückwärts von dem Punkt 34 ermittelt. Sodann wird das Verhältnis TRa/TRb berechnet. Wenn das Verhältnis TRa/TRb bei etwa 1 liegt, wird angenommen, daß die Steigung der Spannung der Verbindung zureichend ist. Wenn das Verhältnis TRa/TRb erheblich von 1 abweicht, d. h. TRa/TRb 1,10, wird angenommen, daß die Steigung FR&sub1; der Spannung ungewöhnlich niedrig ist, so daß bei einem Anziehen nach dem vorgeschlagenen Verfahren oder aber nach dem Mutternanzugsverfahren eine Befestigung ergibt, die wesentlich unterhalb des gewünschten Spannungswertes FD liegt. Dies kann durch ein Signal entsprechendes von der Bedienperson erkennbares Signal angezeigt werden. Die Schraubverbindungselemente werden sodann verworfen und ersetzt.

Der Punkt 32 der berechneten Spannung F&sub0; entspricht nun dem Punkt 24, der in der etwas verallgemeinerten Darstellung von Fig. 1 gezeigt ist. Die einzige noch durchzuführende Bestimmung ist der zusätzliche Winkel αfinal oder das zusätzliche Drehmoment ΔT, das erforderlich ist, um den gewünschten Endspannungswert FD zu erreichen. Diese Berechnungen sind verglichen mit den Verfahren zur fortlaufenden Gewinnung verläßlicher Werte für die Steigung TR des Drehmomentes und zur Gewinnung des Winkels der Ausgangsspannung, relativ einfach.

Der Anzugsparameter, der gewählt wird, um den gewünschten Endspannungswert FD zu erreichen, ist der zusätzliche Winkel αfinal.

Wenn



Wenn



F&sub0; gewinnt man aus den Gleichungen (12) oder (14). Der Spannungswert FM an dem Knick in der Spannungs/Winkel- Kurve wird empirisch bestimmt. Das Werkzeug läuft um einen Winkel Δα nach, wenn es an dem Punkt 32 einhält. Ein gewisses Nachlaufen des Werkzeuges wird auch eintreten, wenn der gewünschte Endspannungswert FD erreicht wird. Eine typische Drehmoment/Geschwindigkeit-Kurve für ein preßluftgetriebenes Werkzeug ist in Fig. 3 dargestellt. Da sich das Werkzeug während des Anziehens verlangsamt, ist das Nachlaufen des Werkzeuges bei Erreichen des gewünschten Endspannungswertes FD geringer als das Nachlaufen bei Erreichen des Punktes 32. In der Gleichung



gibt T&sub4; den Wert des Drehmomentes im Punkt 30, in dem der ursprüngliche Haltebefehl vor Erreichen des Punktes 32 gegeben wurde, T&sub0; das Überspannungsdrehmoment des Werkzeuges, TR das berechnete Drehmomentverhältnis und δα den gemessenen Winkelnachlauf bei Annäherung an den Punkt 32 an. Der erwartete Werkzeugnachlauf bei Erreichen des gewünschten Endspannungswertes FD ergibt sich zu



Es hat sich gezeigt, daß eine typische Schraubverbindung sich bei Anhalten am Punkt 32 und/oder bei Beendigung des Anziehens erholt. Die Spannung vermindert sich also, ohne daß die Schraubverbindung wieder gelöst wird. Wenn die Schraubverbindungselemente kontinuierlich angezogen wurden, d. h. ohne Anhalten bei dem Zwischenwert, kann die Erholung am Endpunkt des Anziehens beträchtlich sein. Bei einem Anhalten in einem mittleren Punkt ist die Erholung am Endpunkt des Anziehens sehr gering. Bei einer Unterbrechnung am mittleren Haltepunkt 32 tritt die wesentliche Entspannung der Schraubverbindung vor der Wiederaufnahme des Anziehvorgangs. Somit führt das Einhalten an dem mittleren Haltepunkt 32 zu einer größeren Gleichmäßigkeit der Endspannung. Dieses Phänomen kompliziert allerdings die Bestimmung des Endwinkelabschaltwertes.

Wenn sich die Verbindung an dem Punkt 32 nicht erholen würde, würde dem Werkzeug eine Information zugeführt, um einen zusätzlichen Winkel αfinal - dα über den mittleren Haltepunkt 32 hinauszugehen, wo der endgültige Haltebefehl gegeben wird. In Fig. 1 ist dargestellt, daß der endgültige Haltebefehl etwa in dem Punkt 36 gegeben wird, das Werkzeug läuft um einen Winkel dα nach, bis es an dem gewünschten Endspannungswert FD anhält.

Das Phänomen der Erholung der Schraubverbindung ist in Fig. 4 dargestellt, in der die Kurve 38 die Spannungs- Winkelbeziehung während des kontinuierlichen Anziehens bis zu einem Punkt 40 unterhalb der Elastizitätsgrenze der Schraubverbindung darstellt. Wenn das Anziehen eingehalten wird, erholt sich die Verbindung, was durch Absinken der Spannung entlang einer Linie 42 dargestellt ist. Die Endspannung der Schraubverbindung liegt entsprechend im Punkt 44. Ein typischer Wert für die Erholung der Verbindung entlang der Linie 42 beträgt 7% der Spannung der Verbindung innerhalb von 21 Stunden.

In Fig. 5 stellt die Kurve 46 die Spannung/Winkel- Beziehung während des Anziehens bis zum Punkt 32 dar. Da sich die Verbindung erholt, sinkt die Spannung in den Verbindungselementen entlang einer Linie 48 auf einen Spannungswert 50 ab.

Anstatt eines an das Werkzeug gegebenen Befehls, um einen zusätzlichen Winkel αfinal - dα von dem Punkt 32 aus weiter anzuziehen, wird ein Befehl gegeben, die Verbindungselemente um einen zusätzlichen Winkel afinal - dα weiter zu drehen, nachdem das Drehmoment den Wert Tsp erreicht oder überschreitet. Dabei ist

Tsp = T&sub3; + TR(Δα) (19)



Es soll hier daran erinnert werden, daß der Drehmomentwert T&sub3; im Punkt 34 vorliegt, der gegenüber Δα von dem Punkt 32 zurück liegt (Fig. 2). Wenn man das Werkzeug weiterdreht, bis das Drehmoment Tsp erreicht oder überschritten wird, werden die Drehmoment- und Spannungswerte am Punkt 32 erzeugt, bevor die Erholung eintritt. Dies ist in Fig. 5 gezeigt, womit dem Punkt 52 die Stelle bezeichnet ist, wo das Drehmoment gleich oder größer als Tsp ist. Es wird sodann ein genaues Anziehen durchgeführt unabhängig von der in dem Bolzen zu dem Zeitpunkt herrschenden Spannung, an dem das Werkzeug erneut anzieht. Fig. 5 stellt dar, daß der endgültige Abschaltbefehl im Punkt 54 gegeben wird. Das Werkzeug läuft nach und dreht die Schraubverbindung weiter um einen Winkel dα bis zum Halt an dem gewünschten Endspannungswert FD. Um den wesentlichen Teil der Erholung der Verbindung von dem endgültigen Haltepunkt in den Punkt 32 zu verschieben, liegt der Punkt 32 bei mindestens 0,4 der Streckfestigkeit zweckmäßigerweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 der Streckfestigkeit. Wenn der Punkt 32 so liegt, liegt die typische Verbindungsstellenerholung im endgültigen Haltepunkt im Bereich von 1/2 bis 2% der endgültigen Schraubenspannung innerhalb einer Stunde. Diese Größenordnung der Erholung der Verbindung ist bei guten Verbindungselementen gegeben nicht dagegen bei schlechten Verbindungselementen.

Um den angestrebten Endspannungswert FD zu erreichen, können auch das zusätzliche Drehmoment oder das Enddrehmoment FD (Fig. 1) gewählt werden. Das endgültige Drehmoment FD wird bevorzugt, da sich die Verbindungsstelle am Punkt 32 erholen kann. Da die Anweisung an das Werkzeug so ausgelegt ist, daß der schließliche Drehmomentwert FD erreicht wird, wird jede Erholung der Verbindungsstelle selbstständig berücksichtigt. Wenn man einen drehmomentabhängigen Abschaltparameter verwendet, wird auch eine mögliche Erholung der Verbindungsstelle am Punkt 32 automatisch ausgeglichen.

Bei drehmomentgesteuertem Abschalten wurde ein Phänomen festgestellt, das sich einfach erklären läßt. Bei Betrachtung von Fig. 1 stellt man fest, daß, wie erwähnt, die Steigung der Spannung FR&sub2; größer ist als die Steigung der Spannung FR&sub1;, und zwar üblicherweise um 5 bis 15%, im wesentlichen abhängig von dem Wert FM. Man könnte daraus schließen, daß die Steigung des Drehmomentes im Bereich 18 um einen ähnlichen Betrag größer ist als die Steigung des Drehmomentes im Bereich 16. Laboruntersuchungen haben jedoch ergeben, daß die Steigung des Drehmomentes im Bereich 18 typischerweise etwas geringer ist als die Steigung des Drehmomentes im Bereich 16. Das Verhältnis der Steigungen der Drehmomente in den Bereichen 16 und 18 zu den Steigungen FR&sub1; und FR&sub2; der Spannungen kann jedoch für eine bestimmte Schraubverbindung als nahezu konstant angenommen werden. Bei den Berechnungen für den endgültigen Drehmomentabschaltbefehl wird dies berücksichtigt.





Dabei ist TMC ein berechneter Wert für das Drehmoment in dem Knick der Spannungskurve, R definiert als TR-2/rTR, TR&sub2; ist die Steigung des Drehmomentes im Bereich 18, TR ist die Steigung des Drehmomentes im Bereich 16 und r ist das Verhältnis FR&sub2;/FR&sub1;.

Bei winkelgesteuerter Endabschaltung läuft das Werkzeug nach, nachdem der Endabschaltbefehl gegeben ist. Es wird definiert:

δT - TR(δα) (22)

Ta - To - T&sub4; -δT, (23)

dann ist



Nach Wiederaufnahme des Anziehens wird der endgültige Abschaltbefehl gegeben, wenn das Drehmoment T > TD -dT ist. Fig. 1 zeigt, daß der endgültige Abschaltbefehl etwa im Punkt 36 gegeben wird. Das Werkzeug läuft nach und dreht die Schraubverbindung um ein zusätzliches Drehmoment dT an, bis ein Einhalten am gewünschten Endspannungswert FD erfolgt.

Das Anziehen einer Schraubverbindung kann aus der berechneten Spannung, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelt worden ist, bestimmt werden. Das Beenden des Anziehens entsprechend der berechneten Spannung entspricht dem Beenden des Anziehvorgangs in Abhängigkeit von dem Winkel oder dem Drehmoment.

Das Anziehen kann entsprechend einer Kombination von Drehmoment und Winkel beendet werden, beispielsweise einer linearen Kombination von Drehmoment und Winkel. Nimmt man an, daß der berechnete Anzug zu gleichen Teilen aus dem Drehmoment und dem Winkel berechnet werden soll, gilt die folgende Gleichung



Dabei ist F&sub0; der berechnete Spannungswert im Punkt 32, der aus den Gleichungen (12) oder (14) in Abhängigkeit davon, ob X < 0 oder X > 0 berechnet worden ist. Tsp ist das im Punkt 32 berechnete Drehmoment, das aus der Gleichung (14) bestimmt werden kann. Die Berechnung für αfinal hängen davon ab, ob X > oder X < 0, wie in den Gleichungen (15) und (16) zum Ausdruck kommt. Die Berechnungen für T&sub0; werden unter Verwendung der Gleichung (20) und (21) durchgeführt.

Bei der Verwendung anderer Anziehparameter ist es erwünscht, das Nachlaufen zu korrigieren. Die Korrektur des Nachlaufwinkels der Gleichung (25) kann durch Vorhersage des Nachlaufens wie folgt eingeführt werden:

For = r(FR&sub1;) dα (26)

dabei ist For der auf das Nachlaufen beruhende Spannungszuwachs. Es kann auch gewünscht sein, eine gleichwertige Kombination von Drehmoment und Winkel zur Bestimmung des vorausgeschätzten Werkzeugnachlaufs heranzuziehen. Die in dem Bolzen während des Nachlaufens erzeugte Spannung kann berechnet werden als



Man kann dem Werkzeug nicht lediglich den Befehl geben, um einen zusätzlichen Winkel, oder aber bis zum Erreichen eines gewünschten Drehmomentes weiterzudrehen, um den gewünschten Spannungswert FD zu erreichen, wenn man einen aus Drehmoment und Winkel kombinierten Parameter einsetzt. Statt dessen ist die Spannung zu berechnen, die in jeder Winkelstellung α&sub3; über den Punkt 32 hinaus auftritt.

Wenn x > 0 gilt



Wenn x < 0 gilt



Dabei gibt Tα&sub3; den in der Winkelstellung a&sub3; ermittelten Drehmomentwert, Tsp den berechneten Drehmomentwert am Punkt 32 und TMC den berechneten Drehmomentwert an der Stelle FM entsprechend Gleichung (20) an.

Der berechnete Spannungswert bei dem Punkt 32 ergibt sich zu

Fso = FD-For (30)



Dabei ist FD aus der Gleichung (25) und For aus den Gleichungen (26) oder (27) abgeleitet. Vergleicht man den Wert für Fα&sub3; bei Winkelschritten die Δα, 1° oder dergleichen mit Fso wird sobald Fα&sub3; > Fso der Abschaltbefehl gegeben. Auf diese Weise kann das Anziehen entsprechend einer linearen Kombination von Drehmoment und Winkel abgeschlossen werden.

Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Wenn das Anziehen bis zu dem gewünschten Endspannungswert erfolgt, soll sichergestellt sein, daß die Streckgrenze nicht erreicht oder doch zumindest nicht wesentlich überschritten wird. Dies kann, wie Fig. 6 zeigt, grafisch durchgeführt werden, indem man eine Linie 56 parallel zur Drehmomentkurve 10 im Bereich 18 oder parallel zur Spannungskurve 12 nach einem Abstand des Winkels αy aufzeichnet. Der Wert von αy kann mit einem angenommenen Axialzug in der Schraube in Bezug gesetzt werden, da der Betrag der Drehung der Mutter in diesem Bereich der Drehmomentkurve in eine prozentuale Verlängerung der Schraube umgerechnet werden kann, da der Anstieg des Gewindes bekannt ist. Wenn der Drehmomentwert T die Linie 56 in dem Punkt 58 überschreitet, wird dem Werkzeug ein Abschaltbefehl gegeben. Das Werkzeug kommt wegen des Nachlaufes spätestens im Punkt 60 zum Stillstand.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird der von dem Werkzeug aufgebrachte Drehmomentwert kontrolliert, nachdem das Werkzeug nach dem Punkt 32 wieder eingeschaltet ist. Dabei stellt sich ein Problem, da das Angangsdrehmoment, das auf die Schraubverbindung übertragen wird, um das weitere Anziehen zu bewirken, typischerweise wesentlich größer ist als das Drehmoment unmittelbar vor Erreichen des Punktes 32, was durch Abweichungen zwischen dem statischen und dem dynamischen Reibungskoeffizienten und komplizierten dynamischen Faktoren verursacht wird. Wenn der Wert des jeweiligen Drehmomentes T zuerst den Wert TM erreicht oder überschreitet, wobei

TM = T&sub3; + TR(Δα-x) (31)

wird diese Stelle markiert. Zwei Δα Schritte über die Stelle 62 hinaus wird der jeweilige Drehmomentwert T ermittelt und als T&sub5; gespeichert. TM ist ein berechneter Drehmomentwert, der an der Stelle der Drehmoment/ Winkel-Kurve auftritt, die dem Knick in der Spannungskurve entspricht.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß Berechnungen durchgeführt werden, um die Streckung oder nicht-lineare Spannung, die in Bereich 18 auftritt, zu ermitteln. Die Steigung des Drehmoments im Bereich 18 kann ausgedrückt werden als

u = rR(TR) (32)



Da R als TR&sub2;/rTR definiert ist, reduziert sich die Gleichung auf u = TR&sub2;.

Berechnungen der Streckung oder nicht-linearen Spannung können während des Anziehens im Bereich 18 regelmäßig durchgeführt werden. Es ist ausreichend, wenn für jeden zweiten Winkelschritt Δα die Berechnungen durchgeführt werden. Es gilt dann

ΔT&sub1; = 2u(Δα) (33)

ΔTy = uαy (34).



αy ist dabei der Winkel, der einem angestrebten Spannungswert entspricht, der elastisch, nicht jedoch linear oder plastisch ist. ΔT&sub1; ist das Erhöhungsdrehmoment über den Erhöhungswinkel 2Δα und ΔTy ist das Erhöhungsdrehmoment über den Erhöhungswinkel xy. Bei Wahl zu kleiner Werte αy kann der Abschaltbefehl im elastischen, nicht also im linearen Bereich liegen. Wenn für αy ein zu großer Wert ausgewählt wird, liegt der Abschaltpunkt im Streckbereich. Die Bestimmung der nicht-linearen Belastung umfaßt sowohl die elastische als auch plastische Spannung. Die Schwierigkeit bei der Auswahl von kleinen Werten von αy liegt darin, daß das Rauschen in der Drehmomentkurve 10 im Bereich 18 ein verfrühtes Strecksignal abgibt. In einem Punkt 64, welcher zwei Δx° nach dem Auftreten von T&sub5; liegt, wird der Wert des jeweiligen Drehmomentes T verglichen mit

Ty 1 = T&sub5;-ΔTy + ΔT&sub1; (35)



Ty&sub1; ist der Drehmomentwert der Gerade 56 im Punkt 64. Wenn T größer Ty&sub1; ist, wird das Anziehen fortgesetzt.

In einem Punkt 66, der 2Δα° hinter dem Punkt 64 liegt, wird der Wert für das laufende Drehmoment T verglichen mit

Ty&sub2; = Ty&sub1; + ΔTy&sub1; (36)

= (Ty&sub5;-ΔTy + ΔT&sub1;) + ΔT&sub1; (37)



Wenn T größer Ty&sub2;ist, wird das Anziehen fortgesetzt. Dieses Verfahren wird beibehalten, indem man einen zusätzlichen Drehmomentwert ΔT&sub1; dem vorangehenden Wert von Ty bei Winkelschritten von 2Δα hinzufügt. Für den Fall, daß vor dem Auftreten des aus den normalen Anziehparameter des Drehmomentes oder des Winkels abgeleitete Abschaltbefehl T < Ty ist, wird ein Abschaltbefehl auf das Werkzeug gegeben. Das eigentliche Abschaltsignal tritt nicht genau im Punkt 58 ein, da Vergleiche nur jeweils alle 2Δx durchgeführt werden. Dementsprechend wird die tatsächliche Streckermittlung wahrscheinlich später, d. h. in dem in Fig. 6 gezeigten Punkt 68 erfolgen.

Das Anziehen wird normalerweise infolge eines drehmomentgesteuerten, winkelgesteuerten oder eines kombinierten Abschaltsignals beendet, wobei jedoch im Fall des Erreichens der Streckgrenze vorzeitig ein Abschaltsignal gegeben wird. Hieraus wird deutlich, daß das obere Ende des Streubereichs durch eine Sekundärstreckgrenzabschaltung eliminiert wird. Die Gesamtstreuung kann so verringert werden.

Vorzugsweise ist die Auswahl von FD so niedrig, daß die Abschalthäufigkeit aufgrund der Ermittlung nicht-linearer Spannung im Bereich von 0,1% liegt.

Die Anzahl der Schraubverbindungen, die einen nichtlinearen Spannungsverlauf zeigen, wird ermittelt. Es gilt



wobei CJ die Anzahl der angezogenen Schraubverbindungen, CY die Anzahl der Schraubverbindungen, bei der der Streckbereich erreicht wurde und A ein akzeptabler Anteil ist. Der Wert A kann dabei im Bereich von 0,1% bis 0,2%, beispielsweise bei 0,15% liegen. Das Verhältnis CY/CJ wird vorzugsweise laufend, nicht also kumulativ ermittelt. Wenn das Verhältnis XY/CJ einen vorgegebenen Wert A übersteigt, wird ein Signal erzeugt, das anzeigt, daß die Häufigkeit von Schraubverbindungen mit einem nicht-linearen Spannungsverlauf zu hoch ist. Es wird sodann die Beschaffenheit der Schraubverbindungselemente auf übliche Weise geprüft.

Der bei der Ermittlung nicht-linearer Spannungsverläufe ermittelte Endspannungswert sollt berechnet und gespeichert werden. Wenn dieser in einem akzeptablen Bereich liegt, ist es nicht zu empfehlen, die Schraubverbindung zu entfernen und durch eine neue Schraubverbindung zu ersetzen.

Wenn man entsprechend über den Winkel arbeitet, kann der Endspannungswert wie folgt berechnet werden:

Ffinal = FD-rFR&sub1; (αfinal + αy-x&sub2;) (39).



α&sub2; ist dabei der Winkel von dem Punkt 32 bis zu der Stelle, an der die Streckung ermittelt wurde. Jeder berechnete Wert für Ffinal ist eine Näherung, da die Steigung der Spannung weit oberhalb der Proportionalgrenze unbekannt ist und nicht genau ermittelt werden kann. Fig. 7 gibt dies grafisch wieder. Wenn der Endspannungswert anhand einer Gleichung

Ffinal = FD-rFR&sub1; (αfinal-α&sub2;) (40)

berechnet werden würde, würde die tatsächlich berechnete Spannung im Punkt 70 liegen, der die gleiche Winkelentfernung α&sub2; von dem Punkt 32 besitzt wie der Punkt 68 der Ermittlung der Streckung. Der Unterschied der Spannungswerte zwischen den Punkten 68 und 70 kann manchmal erheblich sein. Es ist bekannt, daß die Steigung der Spannung unmittelbar vor dem Punkt 58 wesentlich abfällt. Es sollte daher der Spannungswert im Punkt 72 berechnet werden, der um den Winkel αy unterhalb der Steigung FR&sub2; liegt. Dies verdeutlicht die Grundlage für die Gleichung (40). Der eigentliche Spannungsendwert der Schraubverbindung liegt im Punkt 68, der sich von dem berechneten Spannungswert im Punkt 72 unterscheidet. Der Spannungswert im Punkt 72 ist jedoch eine wesentlich bessere Schätzung des eigentlichen Spannungsendwertes als die Berechnung der Spannung im Punkt 70. Dies gilt insbesondere, weil die Steigung der Spannung im Bereich 74 relativ gering ist. Der Endspannungswert Ffinal kann angezeigt oder ausgedruckt werden.

Für den Fall, daß drehmomentabhängig gearbeitet wird, wobei T < Ty wird ein nicht-linearer Spannungsverlauf ermittelt und entsprechend das Werkzeug abgeschaltet.

Der Endspannungswert kann über das Drehmoment berechnet werden nach einer Gleichung



Dabei ist Tf der höchste aufgenommene Drehmomentwert innerhalb eines oder zweier ΔαSchritten vor dem endgültigen Haltepunkt 60. Dies ist entsprechend in Fig. 7 dargestellt. Die Ermittlung der Streckung tritt im Punkt 68 auf der Drehmomentkurve 10 ein, wobei der Punkt 60 der Endhaltepunkt ist. Das Drehmoment im Punkt 60 ist aus den gleichen Gründen unzuverlässig, aus denen die Drehmomenterfassung am mittleren Haltepunkt unzuverlässig ist. Der Drehmomentwert Tf wird daher als Maximalwert innerhalb von einem oder zwei Δα Schritten von dem Punkt 60 zurückgerichtet erfaßt, beispielsweise im Punkt 76. Dies ist grafisch durch die horizontale Linie 78 dargestellt, die auf die die Steigung darstellende Gerade TR&sub2; im Punkt 80 ausläuft und die vertikale Linie 82, die die Steigung FR&sub2; der Spannung angebende Gerade im Punkt 84 schneidet. Der Endspannungswert Ffinal ist die im Punkt 84 berechnete Spannung.

Es ist erwünscht, den Endspannungswert zu berechnen und zu speichern, der innerhalb eines Schraubverbindungselementes auftritt, dessen Anziehen in normaler Weise, d. h. unter Zugrundelegung des Drehmomentes und/oder des Winkels abgeschlossen worden ist. Bei Anziehen nach einem Drehmomentverfahren gibt die Gleichung (48) den Wert für Ffinal an, unabhängig davon, ob eine Streckung eingetreten ist oder nicht. Bei Verwendung eines Winkelverfahrens kann der erzielte Endspannungswert nach folgender Formel berechnet werden:

Ffinal = FD-rFR&sub1; (αfinal-αactual) (42).



Dabei gibt αactual die tatsächliche Winkelvergrößerung zwischen dem Punkt 32 und dem Endhaltepunkt an.

Der Endspannungswert kann berechnet und gespeichert werden. Eine Werkzeugüberlastung kann vor dem Punkt 32 oder nach dem Punkt 32 auftreten. Vor dem Punkt 32 gilt

Ffinal = Fo (43),

nach dem Punkt 32 kann der gezielte Spannungswert Ffinal unter Verwendung des Drehmomentes wie folgt berechnet werden:



Tsp gibt dabei das nach Gleichung (26) berechnete Drehmoment im mittleren Haltepunkt an.

Nach Erreichen des Punkts 32 kann der gewünschte Endspannungswert Ffinal über den Winkel beispielsweise anhand einer Gleichung

Ffinal = Fo + rFR&sub1;aactual, X > 0 (45)

berechnet werden. Dabei gibt αactual den tatsächlich gemessenen Winkel von dem Punkt 32 bis zum Endhaltepunkt an.

Wenn sich das Werkzeug über einen zulässigen Winkel hinaus dreht, läßt sich schlußfolgern, daß entweder das Werkzeug die Schraubverbindung nicht erfaßt hat oder aber die Schraubverbindung ohne Auftreten von Streckung zerstört worden ist. Es tritt dann keine meßbare Spannung in dem Bolzen auf,

Ffinal = 0 (46)



Ein anderes Verfahren, das Anziehen in Abhängigkeit von einem Parameter, etwa dem Drehmoment, abzuschließen, liegt darin, diesen Abschaltparameter anhand eines anderen Abschaltparameters, beispielsweise des Winkels, zu überprüfen. Wenn beide Ergebnisse nahe beieinander liegen, ist dies praktisch ein Anzeichen dafür, daß die gemachten Annahmen, die empirisch bestimmten Parameter der Schraubverbindung und dergleichen hinreichend genau sind. Wenn die zu vergleichenden Werte dagegen stark unterschiedlich sind, gibt dies an, daß etwas nicht stimmt. Der Vorgang wird unterbrochen, um die Ursache zu ermitteln. Wenn das Drehmoment als Anziehparameter verwendet wird, wird FD in die Gleichungen für den Endspannungswert TD unter Verwendung der Gleichung (20) und (28) eingesetzt, je nachdem ob X > 0 oder X < 0. Für den berechneten Endspannungswert Ffinal gilt unter Verwendung des Winkels in einem Endhaltewinkel von

Ffinal = FD-rFR&sub1; (αfinal-αactual) (47)



Dabei gibt αactual den tatsächlichen Winkelzuwachs von dem Punkt 32 bis zum Endhaltepunkt an. Wenn der Unterschied zwischen FD und Ffinal gering ist, beispielsweise zwischen ±5 bis 10% ist das Verfahren zuverlässig. Wenn der Unterschied zwischen FD und Ffinal größer ist, d. h. im Bereich von ±20%, gibt dies an, daß etwas fehlerhaft ist. Sodann ist die Ursache zu ermitteln.

In jedem Fall ist es erwünscht, Ffinal mit dem gewünschten Endspannungswert FD zu vergleichen. Hierfür gilt:



B ist dabei ein die Abweichung angebender Wert, der von dem Verwender noch akzeptiert wird. Nur wenn B negativ ist, ergibt sich ein Problem. Wenn Ffinal zu hoch ist und sich die Schraube nicht gestreckt hat, kann normalerweise mit der Schraubverbindung nichts falsch sein. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß verklemmte Schraubverbindungen ermittelt werden können.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der Möglichkeit der Voraussage des Nachlaufs des Werkzeugs. Der Nachlauf des Werkzeugs kann im Bereich des Punktes 32 überwacht werden. Es gilt



Y ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis T&sub4;/T&sub0; darstellt. Wie Fig. 2 zeigt, ist T&sub4; der Drehmomentwert an dem Punkt 30, an dem der Abschaltbefehl für den mittleren Haltepunkt gegeben wird. T&sub0; ist das normale Überlastungsdrehmoment. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist Y eine umgekehrte Funktion der Werkzeuggeschwindigkeit. Wenn die zeitliche Verzögerung zwischen der Abgabe des Abschaltbefehls und dem Schließen des Ventils konstant bleibt, gibt Y den Werkzeugnachlauf an. Da δα der gemessene Werkzeugnachlauf ist, ist Z eine Funktion des gemessenen Werkzeugnachlaufs, während αor der normale Winkelnachlauf des Werkzeuges ist. E ist die prozentuale Änderung der Funktion des Werkzeugs und der Steuerung.

Wenn E niedrig ist, beispielsweise <-10%, ist dies ein Zeichen dafür, daß das tatsächliche Überlastungsdrehmoment wesentlich abgesunken ist, beispielsweise aufgrund eines Absinkens des Luftdruckes, einer unzureichenden Schmierung, abgenutzten oder gebrochenen Teilen oder dergleichen. In einem solchen Fall kann ein Signal angeben, daß das Werkzeug zu inspizieren oder zu ersetzen ist. Es ist vorstellbar, jedoch unwahrscheinlich, daß eine erhebliche Abnahme von E durch eine Verringerung der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Abschaltbefehl und dem Schließen des Luftventils verursacht wird.

Wenn E positiv ist, treten Schwierigkeiten auf. Z, bei der es sich um eine Vereinfachung eines komplizierteren Ausdrucks handelt, verliert an Genauigkeit. Die kompliziertere Gleichung zeigt an, daß, wenn E positiv ist, Z neu berechnet werden sollte als



Dementsprechend sollte E neu berechnet werden mit einer größeren Genauigkeit als



Wenn E&sub1; groß ist, beispielsweise > 10%, folgt daraus, daß die zeitliche Verzögerung zwischen dem Abschaltbefehl und dem Schließen des Luftventils wesentlich größer geworden ist, oder aber daß dem Werkzeug zugeführte Luftdruck angestiegen ist. Dies zeigt normalerweise an, daß der Ventilsteuermagnet zu kleben beginnt oder aber, daß der Luftdruck zu hoch ist. In einem solchen Fall kann ein Signal angeben, daß das Luftsteuersystem einer Inspektion bedarf. Ein merklicher Anstieg von D&sub1; kann durch einen erhöhten Wirkungsgrad des Werkzeugs verursacht werden.

Eine Voraussage des Werkzeugnachlaufs nach Gleichung (49) beruht nicht auf der Trägheit, sondern allein auf der zeitlichen Verzögerung. Der auf der Trägheit beruhende Nachlauf ist bei Verwendung von mit mittlerer oder hoher Geschwindigkeit arbeitenden Werkzeugen weitgehend unerheblich. Bei Verwendung von mit geringer Geschwindigkeit angetriebenen Werkzeug ist die Genauigkeit jedoch höher.

Es kann jedoch ein auf Trägheit beruhender Nachlauf berücksichtigt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines steuerbar angetriebenen Werkzeugs mit folgenden Verfahrensschritten:

    1. - Anziehen der Schraubverbindungen bis zu einem bestimmten Punkt unter Messen des von dem Werkzeug auf die Schraubverbindung aufgebrachten Drehmoments T und des Drehwinkels α,
    2. - Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments der Schraubverbindung für einen vorgegebenen, unterhalb der Streckgrenze liegenden Axialzug unter der Annahme einer linearen Beziehung zwischen dem Axialzug F und dem Drehmoment T, und
    3. - Anziehen der Schraubverbindung bis zum Erreichen des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments,


  2. dadurch gekennzeichnet,

    1. - daß das Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments im Elastizitätsbereich erfolgt,
    2. - daß die Drehmoment/Drehwinkel-Kurve im Elastizitätsbereich vor dem bestimmten Punkt gemessen und durch eine Gerade angenähert wird,
    3. - daß zum Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments der Axialzug unter Annahme einer bekannten, im Elastizitätsbereich konstanten, für die jeweilige Schraubverbindung spezifischen Steigung der Axialzug/Drehwinkel-Kurve über die Beziehung



  3. ermittelt wird, und

    1. - daß über den ermittelten Axialzug und die angenommenen linearen Beziehungen das Abschaltdrehmoment und/oder der Abschaltdrehmoment ermittelt werden.


  4. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Punkt aus dem Drehwinkel ermittelt wird.
  5. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments der Axialzug/Drehwinkel- Kurve in dem Elastizitätsbereich durch zwei Geraden, die jeweils durch einen Wert der Ableitung dF/dα definiert werden, nachgebildet wird.
  6. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anziehen zum Ermitteln des Abschaltwinkels und/oder Abschaltdrehmoments unterbrochen wird.
  7. 5. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anziehen im Bereich des Schnittpunktes der zwei Geraden unterbrochen wird.
  8. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abstellen des Werkzeugs vor der Endspannung entsprechend dem nach dem Abstellen zu erwartenden Nachlaufens des Werkzeugs.
  9. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Überwachen der Schraubverbindung auf Erreichen der Streckgrenze und Beenden des Anziehens bei Erreichen der Streckgrenze.
  10. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Punkt in einem Bereich, in dem die Spannung wenigstens 40% der Spannung der Streckgrenze beträgt, liegt.






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