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Dokumentenidentifikation DE69611729T2 09.08.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0851803
Titel VERFAHREN ZUM GLEICHZEITIGEN ANZIEHEN VON ZWEI ODER MEHREREN SCHRAUBVERBINDUNGEN
Anmelder Atlas Copco Tools AB, Stockholm, SE
Erfinder HANSSON, Christer, Gunnar, S-114 59 Stockholm, SE
Vertreter Beyer & Jochem Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 69611729
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.09.1996
EP-Aktenzeichen 969313477
WO-Anmeldetag 18.09.1996
PCT-Aktenzeichen SE9601155
WO-Veröffentlichungsnummer 9710928
WO-Veröffentlichungsdatum 27.03.1997
EP-Offenlegungsdatum 08.07.1998
EP date of grant 31.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2001
IPC-Hauptklasse B25B 23/14
IPC-Nebenklasse G05D 17/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum gleichzeitigen Anziehen von zwei oder mehr Schraubverbindungen mittels eines Mutternanziehwerkzeuges mit zwei oder mehr Ausgangsspindeln.

Ein Problem betreffend vorbekannte Anziehverfahren zum Vorspannen von zwei oder mehr Schraubverbindungen zur gleichen Zeit besteht darin, einen ausgeglichenen und gleichmäßigen Aufbau der Klemmkraft zwischen den durch die Schraubverbindungen zu verbindenden Teilen zu erhalten. Ein derartiges Verfahren ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. JP 900335746 (Veröffentlichungsnummer: JP 4201022) beschrieben. Entsprechend diesem bekannten Verfahren werden in einem ersten Schritt alle Verbindungen bis zu einem sitzenden Zustand eingedreht. Anschließend wird die Vorspannphase für alle Verbindungen begonnen, und während eines Anfangsstadiums werden die individuellen Charakteristiken des Drehmomentanstiegs für die Verbindungen bestimmt, gefolgt von einer Einstellung der Drehzahl jeder Spindel, um ein gleichzeitiges Ankommen der Schraubverbindungen auf dem gewünschten Drehmomentniveau zu erzielen.

Dieses bekannte Verfahren zur Kontrolle des Anziehvorganges ist nachteilig, weil es zu langsam ist, nicht nur infolgedessen, daß der Anziehvorgang in zwei Schritten durchgeführt wird, sondern auch deswegen, weil die Anpassung des Drehmomentanstiegs durch Einstellung der Drehzahl zu langsam ist. Die Steuerung des Vorganges ist auch insofern unzureichend, als die Drehzahleinstellung nur einmalig durchgeführt wird.

Dies kann ausreichend sein, um eine gewisse Kompensation bei idealen Verbindungen mit linearen Charakteristiken des Drehmomentanstieges zu erreichen, führt jedoch zu inakzeptablen Unterschieden in der Anziehzeit bis zum Erreichen eines gemeinsamen, vorbestimmten Drehmoment- oder Klemmkraftniveaus bei Verbindungen mit unterschiedlichen, nichtlinearen Drehmomentraten, d. h. unterschiedlichen Drehmoment-/Winkelcharakteristiken. Dies wiederum führt zu einem unerwünschten, ungleichmäßigen Aufbringen der Klemmkraft bei kritischen Maschinenbauteilen, wie z. B. Wellenlagerkappen und Zylinderköpfen von Verbrennungskraftmaschinen.

Ein weiterer Nachteil betreffend dieses und andere bekannte Verfahren zum gleichzeitigen Anziehen von zwei Schraubverbindungen besteht in dem Risiko einer Beschädigung der Ausrüstung und Verletzung des Bedieners in dem Fall, daß eine der beiden Ausgangsspindeln ihren Halt auf dem anzuziehenden Schraubenkopf oder der Mutter verliert, weil dann, wenn die Reaktionsabstützung für eine der Spindeln verlorengeht, der gesamte Mutternanzieher dem Reaktionsmoment der anderen Spindel ausgesetzt ist. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko für den Bediener dar, der dem Reaktionsmoment durch Muskelkraft entgegenwirken muß.

Eine Aufgabe der Erfindung im Hinblick auf Anspruch 1 besteht darin, ein Verfahren zum gleichzeitigen Anziehen von zwei oder mehr Schraubverbindungen mittels eines Mutternanziehwerkzeuges mit zwei oder mehr Ausgangsspindeln zu schaffen, durch welches man ein ausgeglichenes und gleichmäßiges Klemmen der Verbindungsteile erreicht. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Anziehverfahren gelöst, bei welchem alle Spindeln entsprechend einer vorbestimmten Anzugsstrategie mit Bezug auf wenigstens einen primären Anzugsparameter betrieben werden, nämlich die Drehzahl, das Ausgangsdrehmoment, die Winkelstellung, die Zeit, die Spannlast und/oder die Verbindungsdehnung. An jeder Ausgangsspindel wird der momentane Wert eines solchen Parameters kontinuierlich erfaßt und mit dem momentanen Parameterwert an den anderen Spindeln verglichen, woraufhin die Drehzahl kontinuierlich auf diejenige der Spindeln, an welcher der höchste oder alternativ der niedrigste Wert erfaßt worden ist, eingestellt wird, um die fortgesetzte Drehmomentlast auf diese Spindel innerhalb vorbestimmter Grenzwerte mit Bezug auf diejenigen der anderen Spindeln beizubehalten, die augenblicklich die höchste, alternativ die niedrigste Drehmomentlast haben.

Mit Bezug auf einen alternativen Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird das Anziehverfahren unter Erfassung des momentanen Wertes eines primären Anzugsparameters an jeder Spindel durchgeführt, wobei kontinuierlich die Drehzahl an jeder Spindel bis auf eine Spindel eingestellt wird, um einen Wert des Anzugsparameters an der jeweiligen Spindel zu erreichen, der gleich demjenigen der einen Spindel ist, wodurch ein schnelles und universell nützliches Anziehverfahren geschaffen wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung entsprechend den abhängigen Ansprüchen besteht darin, ein Anziehverfahren für ein Mutternanziehwerkzeug mit zwei Spindeln zu schaffen, durch welches das Sicherheitsrisiko vermieden wird, das im Zusammenhang mit dem Verlust des Halts einer Schraubverbindung verbunden ist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches das Anziehen von zwei Schraubverbindungen mit einem ideal linearen Drehmomentanstieg haben;

Fig. 2 ein Diagramm, welches das Anziehen von zwei Schraubverbindungen mit unterschiedlichen, nichtlinearen Drehmomentanstiegen nach einem Verfahren des Standes der Technik zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm, das das Anziehen von zwei Schraubverbindungen mit unterschiedlichen nichtlinearen Drehmomentanstiegen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt;

Fig. 4 ein Mutternanziehwerkzeug mit zwei Spindeln zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Anziehen von beispielsweise zwei Schraubverbindungen, die ideal lineare Drehmomentanstiege haben, bei der gleichen konstanten Drehzahl durchgeführt werden, wobei das gewünschte abschließende Drehmoment- oder Vorspannungsniveau zur gleichen Zeit erreicht wird.

In dem Diagramm gemäß Fig. 1 sind die Drehmoment-/Winkelkurven der Schraubverbindungen als gerade durchgezogene Linien dargestellt, während die Eigenschaften der Klemmkraft als eine Funktion der Zeit in gestrichelten Linien gezeigt sind. Es ist auch dargestellt, daß das Anziehen beider Schraubverbindungen bei der gleichen konstanten Drehzahl n&sub1; durchgeführt wird.

Die linearen und gleichförmigen Eigenschaften der Klemmkraft der beiden in Fig. 1 dargestellten Anziehvorgänge sind ideal und dienen als Modell für die Klemmkrafteigenschaft, deren Erreichen bei unterschiedlichen Arten von Schraubverbindungen mit unterschiedlichen nichtlinearen Drehmomentanstiegen wünschenswert ist. Solche identischen und linearen Klemmkrafteigenschaften für zwei oder mehr gleichzeitig angezogene Schraubverbindungen garantieren eine ausgeglichene und gleichmäßige Aufbringung der Klemmkraft auf die zu verbindenden Teile.

In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm sind in durchgezogenen Linien M/α-Kurven des Drehmomentanstieges von zwei unterschiedlichen Verbindungen A und B dargestellt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Drehmomentanstiege M/α der beiden Verbindungen völlig unterschiedlich sind. In der Verbindung A weist die Drehmoment/Winkel-Kurve (M/α)A eine kleine Ableitung während des ersten Teils des Anzugsvorganges, jedoch eine sukzessiv ansteigende Ableitung bei ansteigendem Winkel der Rotation α auf.

Wie in der gestrichelten Linie dargestellt, hat der Klemmkraftanstieg als eine Funktion der Zeit (P/t)A eine ähnliche Charakteristik während des Anziehvorgangs, falls die Drehzahl nA der Spindel des Mutternanziehers konstant ist.

Die gleiche Argumentation trifft auf die Schraubverbindung B zu, die einen Drehmomentanstieg (M/α)B mit einer der Verbindung A entgegengesetzten Charakteristik aufweist. Folglich ist die Ableitung der Drehmoment/Winkel-Kurve (M/α)B der Schraubverbindung B zu Beginn hoch, fällt jedoch mit zunehmendem Rotationswinkel α sukzessive ab. Wenn man die Verbindung B mit der gleichen konstanten Drehzahl wie die Verbindung A mit nA = nB anzieht, hat der Anstieg der Klemmkraft als eine Funktion der Zeit (P/t)B eine dem Drehmomentanstieg (M/α)B ähnliche Charakteristik.

Wenn man die beiden Schraubverbindungen A und B gleichzeitig mit einer konstanten Drehzahl nA = nB angezogen hätte, würde sich eine erhebliche Differenz in der Klemmkraft ΔPΔt nach einem bestimmten Zeitintervall Δt ergeben (siehe Fig. 2). Dies würde zu einem unausgeglichenen und ungleichmäßigen Spannen der zu verbindenden Maschinenteile führen.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Anzugsvorgang bedeutet das Anziehen der beiden Schraubverbindungen A und B durch das erfindungsgemäße Verfahren, daß die Charakteristiken des Klemmkraftanstieges P/t ebenso wie die Eigenschaften des Drehmomentanstiegs M/t als eine Funktion der Zeit gleich sind (siehe Fig. 3). Dies bedeutet auch, daß die momentanen Klemmkräfte P für die Verbindungen gleich sind. Dies ist durch den Klemmkraftvergleich an einem Punkt Δt nach dem Beginn der beiden Anziehvorgänge dargestellt, wo PΔt für die beiden Verbindungen gleich ist.

Diese vorteilhafte Klemmkraftcharakteristik für die beiden unterschiedlichen Schraubverbindungen A und B erreicht man durch kontinuierliches Anpassen der Drehzahl der einzelnen Mutteranziehspindeln mit Bezug auf die momentane Drehmomentlast, wie durch die nichtlinearen Drehzahlkurven nA und n5 dargestellt ist.

In einfachen Fällen, in welchen die Drehmomentlast bei steigendem Winkel kontinuierlich zunimmt, genügt es, die Drehzahl anzupassen. In komplexen Fällen, wo die Drehzahl auf Null abfallen könnte, muß auch das Ausgangsmoment gesteuert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet, daß in der Praxis die Drehzahl und das Moment jeder einzelnen Mutteranziehspindel kontinuierlich und individuell eingestellt wird, um auf diese Weise die momentane Drehmomentlast jeder einzelnen Spindel so anzupassen, daß sie innerhalb einer vorbestimmten Drehmomentspanne in Bezug auf das Drehmoment einer Masterspindel bleibt. Die Masterspindel kann vorgewählt sein oder wird vorzugsweise dynamisch bestimmt. Die Masterspindel wird im Einklang mit einem vorbestimmten Muster der Drehzahl betrieben, so daß man eine bei der gegenwärtigen Art von Verbindung vorhersehbare Charakteristik des Drehmoments oder der Klemmkraft erhält.

Ein Weg, das Verfahren mit dynamischer Masterzuordnung anzuwenden, besteht darin, daß jede Spindel als erste Priorität nach einer programmierten Anzugsstrategie im Hinblick auf Drehzahl, Winkelstellung, Drehmoment, Zeit usw. betrieben wird.

Zur gleichen Zeit wird der Fortschritt aller anderen Spindeln überwacht, und falls die in Rede stehende Spindel im Drehmoment um mehr als einen bestimmten Betrag mit Bezug auf irgendeine der anderen Spindeln (dynamische Masterspindel) vorauseilt, erfolgt eine automatische Drehzahlreduzierung der in Rede stehenden Spindel, oder bei stationären Bedingungen erfolgt eine direkte Reduktion des Ausgangsmoments, um das Drehmoment innerhalb der vorbestimmten Grenze zu halten. Die Reduktion des Moments wird jedoch immer kleiner als 100% des Unterschiedes zu der Referenzspindel sein, da andernfalls ein Abwürgeffekt auftreten könnte, der alle Spindeln stoppt.

Dies führt zu einem ausgeglichenen und gleichmäßigen Klemmen der zu verbindenden Teile.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch ein Rückmeldemerkmal auf, durch welches die Masterspindel und all die anderen Spindeln abgeschaltet werden, wenn die Drehmomentlast an einer der Spindeln um mehr als einen bestimmten Betrag von der momentanen Drehmomentlast an irgendeiner der anderen Spindeln abweicht.

Dieses Verfahren ist auch besonders zur Vermeidung des Sicherheitsrisikos bei Mutteranziehern mit zwei Spindeln geeignet, weil dann, wenn eine der beiden Spindeln ihren Halt auf dem anzuziehenden Schraubenkopf oder der anzuziehenden Mutter verliert, das Reaktionsmoment von der anderen Spindel eine Rotation des gesamten Mutteranziehers verursachen würde, was für den Bediener gefährlich sein könnte. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dies durch ein sofortiges Abschalten beider Spindeln aufgrund eines bestimmten erfaßten Unterschieds in der momentanen Drehmomentlast vermieden.

In Fig. 4 ist ein Mutteranzieher mit zwei Spindeln gezeigt, der sich zur Verwendung im Einklang mit dem zuvor beschriebenen Verfahren eignet. Der Mutteranzieher weist zwei Ausgangsspindeln 10, 11 auf, die jeweils durch eine elektrische Motoreinheit 12 bzw. 13 gedreht werden. Die Motoreinheiten 12, 13 sind starr miteinander in einem vorbestimmten Relativabstand mit Hilfe eines Querstückes 14 starr miteinander verbunden. Der Abstand zwischen des Spindeln 10, 11 wird durch den Abstand zwischen den anzuziehenden Schraubverbindungen bestimmt. In Fig. 4 sind zwei Teile A und B dargestellt, die mit zwei Schrauben 16, 17 miteinander verspannt sind, deren Relativabstand den Abstand zwischen den Ausgangsspindeln 10, 11 des Mutteranziehers bestimmt.

In der Praxis ist das Querstück 14 so ausgeführt, daß es eine Einstellung des Abstands zwischen den Ausgangsspindeln 10, 11 ermöglicht, um den Mutteranzieher an verschiedene Anordnungen der Schraubverbindungen anzupassen. Dies stellt jedoch keinen Bestandteil der Erfindung dar und wird nicht näher im Detail beschrieben.

Zur manuellen Betätigung des Mutteranziehers sind zwei sich seitlich erstreckende Griffe 18, 19 vorgesehen. Diese sind an zwei Klammern 21, 22 befestigt, die an den unteren Enden der Motoreinheiten 12, 13 starr verklemmt sind. Die Griffklammern 21, 22 bilden auch Halterungen für Aufhängungsbügel 23, 24, durch welche der Mutteranzieher über geeignete Kabel (nicht gezeigt) mit einer hängenden Ausgleichsvorrichtung verbindbar ist.

Die Motoreinheiten 12, 13 sind mit einer programmierbaren. Steuereinrichtung 26 zur Überwachung des Betriebes verbunden. Letztere umfaßt Stromversorgungsmodule für die beiden elektrischen Motoreinheiten 12, 13. Die Steuereinheit 26 ist auch mit einem der Griffe 19 verbunden, der einen Hebel 27 zum Betätigen eines Ein-/Ausschalters und Leuchtdioden 28 zum Anzeigen eines abgeschlossenen, akzeptierten Anziehvorganges oder - alternativ - eines fehlerhaften Anziehvorganges aufweist.

Die Steuereinrichutng 26 ist derart programmiert, daß sie einen Anziehvorgang einer ersten Spindel im Einklang mit einer gewünschten, vorbestimmten Charakteristik der Drehmomentlast als eine Funktion der Zeit bewerkstelligt. Die Drehzahl der anderen Spindeln wird während des Anziehens kontinuierlich derart eingestellt, das die Charakteristik der Drehmomentlast derjenigen der ersten Spindel angepaßt wird. Dadurch wirkt die erste Spindel als Masterspindel.

Sollte eine der beiden Spindeln 10, 11 ihren Halt verlieren oder vielleicht niemals mit dem zugehörigen Schraubenkopf verbunden worden sein, würde das Reaktionsmoment von der anderen Spindel eine Rotation des gesamten Mutteranziehers verursachen. Der Bediener wäre dann dem Reaktionsmoment über die Griffe 18, 19 ausgesetzt und müßte diesem Reaktionsmoment ausschließlich mit Muskelkraft entgegenwirken. In vielen Fällen wäre dieses Reaktionsmoment zu hoch und würde für den Bediener zu schnell beginnen, um es in den Griff zu bekommen. Das Resultat könnte eine Verletzung des Bedieners und eine Beschädigung der Ausrüstung sein.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum gleichzeitigen Anziehen von zwei oder mehr Schraubverbindungen mittels eines Mutteranziehwerkzeuges mit zwei oder mehr Ausgangsspindeln (10, 11), die jeweils durch ein Antriebsmodul (12, 13) betrieben werden, wobei jede Schraubverbindung (16, 17, A, B) auf einen gewünschten Vorspannungszustand in Einklang mit den folgenden kennzeichnenden Merkmalen angezogen wird:

jede der Ausgangsspindeln wird entsprechend einer vorbestimmten Strategie mit Bezug auf wenigstens einen primären Anzugsparameter individuell betrieben, nämlich das Drehmoment, die Drehzahl, die Winkelstellung, die Zeit, die Spannlast und/oder die Verbindungsdehnung, an jeder Ausgangsspindel wird der momentane. Anzugswert des wenigstens einen primären Parameters erfaßt, kontinuierlich wird der momentane Anzugsparameterwert an jeder Ausgangsspindel mit dem momentanen Auszugsparameterwert an jeder der anderen Ausgangsspindeln verglichen und die Drehzahl derjenigen Ausgangsspindeln kontinuierlich eingestellt, deren Anzugsparameter über vorbestimmte Grenzwerte mit Bezug auf die anderen Spindeln hinaus abweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmoment jeder Ausgangsspindel (10, 11) in dem Fall unmittelbar gesteuert wird, daß die Drehzahl auf Null gefallen ist.

3. Verfahren zum gleichzeitigen Anziehen von zwei oder mehr Schraubverbindungen (16, 17, A, B) mittels eines Mutteranziehwerkzeuges mit zwei oder mehr Ausgangsspindeln (10, 11), wobei jede Verbindung auf einen gewünschten Vorspannungszustand im Einklang mit den folgenden Merkmalen angezogen wird:

an jeder Anzugsspindel wird der Momentanwert wenigstens eines primären Ausgangsparameters erfaßt, nämlich des Drehmoments, der Drehzahl, der Drehwinkelstellung, der Zeit, der Spannlast und/oder der Verbindungsdehnung, eine der Ausgangsspindeln wird als Masterspindel ausgewählt und entsprechend einer vorbestimmten Anzugsstrategie im Hinblick auf wenigstens einen der primären Anzugsparameter betrieben, kontinuierlich wird der momentane Anzugsparameterwert an jeder der anderen Ausgangsspindeln bzw. der anderen Ausgangsspindel mit den Momentanwerten der Masterspindel verglichen und die Drehzahl an jeder der anderen Ausgangsspindeln bzw. der anderen Ausgangsspindel wird kontinuierlich eingestellt, um an der Ausgangsspindel einen Anzugsparameterwert zu erzeugen, der im wesentlichen gleich dem momentanen Anzugsparameterwert an der Masterspindel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzugsparameter das Drehmoment ist und die Masterspindel so betrieben wird, daß eine vorbestimmte Drehmomentanstiegscharakteristik als Funktion der Zeit erreicht wird, während das Betreiben der anderen Spindel bzw. Spindeln individuell gesteuert wird, um die dadurch erreichte Drehmomentanstiegscharakteristik in Einklang mit der durch die Masterspindel bewerkstelligten Drehmomentanstiegscharakteristik zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ausgangsspindeln (10, 11) angehalten werden, falls die momentane Drehmomentlast an irgendeiner der Ausgangsspindeln um mehr als einen vorbestimmten Wert von der momentanten Drehmomentlast an irgendeiner anderen der Ausgangsspindeln bzw. der anderen Ausgangsspindel abweicht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ausgangsspindeln (10, 11) angehalten werden, falls der momentane Anzugsparameterwert um mehr als einen vorbestimmten Wert von dem momentanen Parameterwert irgendeiner anderen der Ausgangsspindeln bzw. der anderen Ausgangsspindel abweicht.

7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen Lösevorgang einer Schraubverbindung, wobei das Ausgangsdrehmoment an derjenigen der Schraubverbindungen (16, 17, A, B), die vor den anderen vollständig gelöst wird, vorübergehend umgekehrt wird, um so einen Drehmomentangriff an dieser Schraubverbindung aufrecht zu erhalten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Drehzahleinstellung eine Funktion der Abweichung des Anzugsparameterwerts über den vorbestimmten Grenzwert hinaus ist.







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