DE2541523B2

DE2541523B2 - Schraubvorrichtung

Info

Publication number: DE2541523B2
Application number: DE2541523A
Authority: DE
Inventors: Russell John Sellersville Hardiman; Stanley Keith Lansdale Smith
Original assignee: Sps Technologies Inc Jenkintown Pa (vsta)
Current assignee: Sps Technologies Inc Jenkintown Pa (vsta)
Priority date: 1974-09-19
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2541523C3; JPS587430B2; GB1526946A; FR2285651B1; DE2541523A1; SE7510450L; US3939920A; FR2285651A1; JPS5157096A; SE413293B

Description

iiTid Festiirkeitsvverte der zu verbindenden Bauteile und erreichten, uxislsn Zusjkrsft ermitteln. Zciizt sich, daß

die überprüfte Zugkraft einen gewünschten und vorherbestimmten Wert hat, wird der Anziehvorgang als abgeschlossen betrachtet Bei einer Abweichung der erreichten axialen Zugkraft nimmt die Schraubvorrichtung hingegen selbsttätig eine Korrektur der Anziehbewegung vor, bis die gewünschte axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erreicht wird. Die Verwendung der Schraubvorrichtung führt zu Schraubverbindungen, bei denen in vorteilhafter Weise stets die gleiche axiale Zugkraft erreicht wird. Außerdem können defekte Schraubverbindungen aufgespürt werden, die andernfalls spätere Gefahrenquellen oder Bruchstellen darstellen könnten.

Weitere, zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung lassen sich den angeschlossenen Unteransprüchen entnehmen.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Drehmoment und Drehung beim Anziehen einer Schraubverbindung,

F i g. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehmoment einer Schraubverbindung bis zum Erreichen der Fließgrenze,

F i g. 2A ein Diagramm der Beziehung zwischen axialer Zugkraft und der Winkeldrehung der Schraube,

Fig.3 ein Diagramm der Beziehung zwischen Last und Drehmoment während eines Anziehvorgangs,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 5 eine Teildarstellung einer Vorrichtung gemäß F i g. 4 mit Modifikationen, und

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 ist eine Drehmoment-Drehbewegungskurve für eine Schraube dargestellt, die angezogen wird. In einem Anfangsbereich vor dem eigentlichen Anziehen vom Nullpunkt bis zum Punkt A wird entweder die Schraube oder die Mutter gedreht, wobei noch keine Berührung mit den zu verbindenden Bauteilen auftritt Am Kurvenpunkt A beginnt erst das eigentliche Festziehen der Verbindung. Zwischen dem Kurvenpunkt A und dem Kurvenpunkt B wird in der Verbindung eine axiale Kraft erzeugt, die auf die Bauteile wirkt und diese einspannt Vom Punkt B an verläuft die Kurve nicht mehr linear. Der Punkt B wird als Anfang des Streck- oder Bruchbereiches betrachtet Über den Punkt B hinaus soll weiter ein Drehmoment angreifen, jedoch mit nicht-linearer Zunahme. Der Punkt C entspricht der Fließgrenze oder der Streckgrenze der Verbindung. Nach dem Punkt C ist die Verformung oder Dehnung der Schraube nicht mehr rein elastischer Natur.

In F i g. 2 ist eine Kurve D dargestellt, die die Fließgrenze einer Vielzahl von Schraubverbindungen bei einer Drehbelastung in Verbindung mit einem axialen Zug wiedergibt Auf der Abszisse ist das Drehmoment und auf der Ordinate der axiale Zug aufgetragen. Drei Punkte, nämlich Q, C₂ und C₃, sind hervorgehoben. Die Fließgrenzen sind durch verschiedene Beanspruchungszustände, die sich bei axialem Zug und einer Drehbeaiispruchung ergeben, festgelegt Einflußgrößen sind der Reibungskoeffizient oder die Reibungsparameter zwischen der Schraubverbindung und den anliegenden Flächen. Ohne Reibung würde die Fließgrenze dem Punkt C, auf der Kurve D entsprechen und für einen unendlich hohen Reibungskoeffizienten würde die Fließgrenze dem Punkt C, entsprechen. Die Fließgrenzen bei Ci, C₂ und C₃ entsprechen den Fließgrenzen auf den Belastungs-Drehmomentkurven Fi, F2 bzw. F3, die jeweils den Belastungs-Drehmoment-Zusammenhang für eine Schraubverbindung bei unterschiedlichen Reibungsparametern wiedergeben. Die Kurven Fi, Fi und F3 verlaufen zur jeweiligen Fließgrenze hin geradlinig. F i g. 2 zeigt, daß die experimentell festgestellten Fließgrenzen-Unterschiede von den unterschiedlichen Reibungsparametern herrühren. Eine der Grundlagen für das Verständnis der nachfolgend erläuterten Vorrichtung liegt in der Bestimmung des jeweiligen Reibungsparameter einer bestimmten Schraubverbindung und der Ermittlung des Belastungs-Drehmoment-Zusammenhangs jzw. der Kurven Fi, Fi oder F3.

is Ein Bereich der Kurve D zwischen einem Punkt C_x und dem Punkt C, verläuft etwa parabolisch, so daß jeder Drehmomentwert in diesem Bereich zwei unterschiedlichen Belastungswerten entspricht Tatsächlich gibt dieser Kurvenbereich die Fließgrenzen bei wesentlich größeren Reibungsparametern an, als dies praktisch der Fall ist.

Wenn ein Drehmomentwert auftritt, der größer ist als der dem Punkt C₁ entsprechende Drehmomentwert, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Schraubverbindung fehlerhaft ist.

Die auftretende Axialkraft ist auf der Ordinate und das Drehmoment auf der Abszisse aufgetragen. Das an der Schraubverbindung auftretende Drehmoment ist rechts von der Ordinate und das Löse-Drehmoment links von der Ordinate aufgetragen. An der Fließgrenze (Punkt C_n in Fi g. 3) der Schraubverbindung wird das auftretende Drehmoment festgestellt und zu der Kurve, die sich aus der axialen Zugkraft und dem Drehmoment ergibt, in Beziehung gesetzt (Kurve D in Fig. 2). Die in der Schraubverbindung auftretende axiale Belastung an der Fließgrenze und die genauen Reibungsparameter dieser Schraubverbindung können dann bestimmt werden.

Wenn das an der Schraubverbindung angreifende

Drehmoment an der Fließgrenze auf der Abszisse der in Fig.2 dargestellten Kurve D liegt so kann der entsprechende Punkt auf der Kurve D, sowie der entsprechende Punkt Ld auf der Ordinate bestimmt werden, wobei letzterer die axiale Zugkraft in der Schraubverbindung wiedergibt Bei Kenntnis eines bestimmten Punktes auf der Kurve D ist der Reibungsparameter der anzuziehenden Verbindung bekannt, und kann auch nach folgender Gleichung bestimmt werden:

LyD

Fist der Reibungsparameter der Schraubverbindung, abhängig von Reibungskoeffizienten zwischen der Schraubverbindung und von Abmessungen der Schraubverbindung; T_y ist das Drehmoment an der Fließgrenze; Ly ist die axiale Zugkraft an der Fließgrenze; D ist der Durchmesser der Schraube. Daraus ist das Drehmoment bestimmbar, um in der Schraubverbindung die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen. Und zwar ist:

Ld ist die gewünschte axiale Zugkraft, Td das Drehmoment, das erforderlich ist um die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen, Fist der Reibungsparameter der

Schraubverbindung; D ist der Durchmesser der Schraube.

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung des Drehmoments ist es, den im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Zugkraft und Drehmoment bis zur Fließgrenze heranzuziehen, der in F i g. 2 durch Fi, Fi und F3 dargestellt ist. Aus diesen Kurven läßt sich die Gleichung herleiten:

10

Ld ist die gewünschte axiale Zugkraft, Td ist das dafür erforderliche Drehmoment, L_y die axiale Zugkraft an der Fließgrenze; T_x das an der Fließgrenze auftretende Drehmoment. Durch Umformung dieser Gleichung ergibt sich:

= U χ £.

20

Wenn das für die gewünschte axiale Zugkraft erforderliche Drehmoment bestimmt ist, wird an die Schraubverbindung wieder ein Drehmoment angelegt Dieses wird zum Lösen der Schraubverbindung benutzt Wenn es etwa gleich dem Drehmoment ist, das für die gewünschte Kraft erforderlich ist, ist die in der Schraubverbindung auftretende Zugkraft etwa am gewünschten Wert.

In F i g. 3 ist die Beziehung zwischen der Zugkraft und dem Drehmoment beim Anziehen und Lösen durch ausgezogene Linien dargestellt (Lösen: links von der Ordinate). Das Löse-Drehmoment ist kleiner als das Anzugsdrehmoment. Bis zum Lösen beim Punkt X nimmt das Löse-Drehmoment linear ab, bis weder eine Zugkraft noch ein Drehmoment in der Schraubverbindung vorliegt Dies entspricht dem Nullpunkt im Diagramm von F i g. 3. Vom Punkt A"bis zum Nullpunkt entspricht die Löse-Drehmoment-Kurve nicht der Anzugs-Drehmoment-Kurve, so daß das Lösen bis zu einem gemäß den zuvor beschriebenen Maßnahmen bestimmten Drehmoment eine axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erzeugt, die etwa der gewünschten Zugkraft entspricht Im Hinblick auf eine höhere Genauigkeit sollte die Schraubverbindung bis zu einem Drehmoment gelöst werden, das etwas unter dem Drehmoment liegt, das für die Erzeugung der gewünschten Zugkraft erforderlich ist (Punkt Y) Das endgültige Löse-Drehmoment sollte wenigstens etwa 5% unter dem Drehmoment liegen, das zur Erzeugung der gewünschten Zugkraft erforderlich ist Danach wird wieder ein Drehmoment an die Schraubverbindung gelegt (F i g. 3, gestrichelt), um die Schraubverbindung anzuziehen. Wenn das Anzugs-Drehmoment gleich dem Drehmoment ist, das zur Erzeugung der gewünschten axialen Zugkraft erforderlich ist (F i g. 3, Punkt Z), wird abgeschaltet Das nochmalige Anziehen der Schraubverbindung zeigt nochmals die Zugkraft-Drehmoment-Beziehung auf, die in der Schraubverbindung vorliegt, wenn sie bis zur Fließgrenze angezogen ist Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Anzugsvorganges erhöht

In Fi g. 2A gibt eine Kurve Edie Beziehung zwischen der axialen Zugkraft und der Drehung einer bestimmten Schraube oder Mutter an. Sie ist unabhängig von den Reibungsparametern der Verbindung. Die Fließgrenze ist entlang der Kurve verschiebbar, da der Bruchpur.kt sowohl von der axialen Zugkraft als auch von der Torsionsbelastung abhängt, und da die Torsionsbelastung von den Reibungsparametern in der anzuziehenden Schraubverbindung abhängt. Deshalb liegt die Fließgrenze in F i g. 2A bei G.

Nachfolgend soll ein Verfahren beschrieben werden, bei dem die Drehbewegung der grundlegende Kennwert ist. Die Winkeldrehung wird dabei gemessen. An der Fließgrenze wird unter Verwendung des in Fig. 2A dargestellten vorbestimmten Zusammenhangs zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehwinkel die Zugkraft bestimmt. Unter Verwendung der im wesentlichen linearen Beziehung zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehwinkel kann eine Beziehung geschaffen werden, bei der statt des Drehmoments die Winkelverdrehung eingesetzt wird. Wie zuvor bei einer Überkreuz-Multiplikation der Gleichungen kann auch hier eine Gleichung für die Winkelverdrehung angegeben werden, die die gewünschte axiale Zugkraft repräsentiert. Dann v/ird das Drehmoment auf die Schraubverbindung ausgeübt, bis die Winkelverdrehung in etwa gleich der Winkelverdrehung ist, die erforderlich ist, die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen. Die Kurve, die die Beziehung zwischen der Zugkraft beim Lösen und der Winkelverdrehung angibt, ist symmetrisch, so daß das Lösen direkt mit der Winkelverdrehung erfolgt, die erforderlich ist, um die gewünschte Zugkraft zu erzeugen. Dabei braucht die Schraubverbindung nicht noch einmal angezogen zu werden. Ersichtlich ist dies vorteilhafter, als das Drehmoment als Ausgangswert heranzuziehen. Es kann jedoch, wie zuvor erläutert wurde, auch vorteilhaft sein, mit dem Drehmoment zu arbeiten, da bei der Messung der Winkelverdrehung eine Bestimmung des Null- oder Anfangspunktes erforderlich ist, was unter Umständen zu Fehlern führen kann.

In Fig.4 weist eine Schraubvorrichtung 10 ein Drehwerkzeug 12 und einen umsteuerbaren Motor 14, eine Antriebswelle 16 und einen Einsatz 18 auf. Der Motor 14 kann mit Druckluft betrieben werden, wobei das Antriebsfiuid durch geeignete elektrisch betätigte Antriebssteuerventile 20 und 21 beeinflußt wird. Das Antriebssteuerventil 20 dient zum Anziehen und das Antriebssteuerventil 21 zum Lösen. Selbstverständlich kann auch ein Elektromotor, ein hydraulischer Motor oder eine Kombination eines pneumatischen, hydraulischen oder Elektromotors verwendet werden.

Zwischen dem Motor 14 und einem Rahmen 22 ist ein Meßglied 24 angebracht, das ein drehmomentabhängiges Signal erzeugt. Ein flexibler Ring mit Dehnungsmessern 25 am Außenumfang mißt das Gegendrehmoment des Drehwerkzeuges und erzeugt ein dem Drehmoment entsprechendes elektrisches Signal. An der Antriebswelle 16 ist ein Codierer 26 angebracht, der mit einem Abstandsdetektor 28 zusammenwirkt, der Signale erzeugt, die die Winkelverdrehung wiedergeben. Der Codierer 26 besitzt auf dem Außenumfang ausgebildete Zähne. Der Detektor 28 erzeugt beim Vorbeilaufen der Zähne elektrische Signale.

Eine Steuerschaltung steuert das Anziehen der Schraubverbindung und weist ein Gradienten-Berechnungssystem auf, das den augenblicklichen Gradienten der Drehmoment-Verdrehungskurve der Schraubverbindung bestimmt Das Gradienten-Berechnungssystem enthält ein Schieberregister 32, dem das augenblickliche Drehmomentsignal zugeführt wird und dessen Ausgangssignal vom Verdrehungssignal nach fest vorgegebenen Zunahmen des Drehwinkels abgetastet wird. Das Ausgangssignal des Schieberregisters 32 gibt daher das

Drehmoment wieder, das eine vorgegebene Gradzahl der Drehung vor der momentanen Drehung vorlegt. Ein Vergleicher 34, der als Subtrahierschaltung ausgebildet ist, bekommt das Ausgangssignal des Schieberregisters 3Ά und das das momentane Drehmoment wiedergebende Signal zugeführt und liefert ein die Differenz dieser Signale wiedergebendes Ausgangssignal. Da die Drehmomentsignale über festgelegte Drehbereiche subtrahiert werden, gibt das Ausgangssignal vom Vergleicher 34 den momentanen Gradienten der Drehmoment-Verdrehungskurve wieder, aufgrund der die Schraubverbindung angezogen wird.

Die Kurve, die die Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Verdrehung wiedergibt, verläuft zwischen den Punkten A und B etwa linear, aber nicht genau linear. Es können auf der Kurve zeitweilig auftretende Spitzen bei bestimmten Schraubverbindungen vorhanden sein, die von zu wenig oder zu viel Gleitmittel herrühren, das in der Schraubverbindung vorliegt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 34 unterliegt daher gewissen Schwankungen. Aus diesem Grunde sind beim Gradienten-Berechnungssystem Schaltungen vorgesehen, die den größten Gradienten feststellen und speichern, der bis zu irgendeinem Punkt auf der genannten Kurve auftritt. Der größte Gradient, der in dem etwa linear verlaufenden Bereich der Kurve auftritt, kann in der Tat als der Gradient für diesen ivurvenbereich angesehen werden. Daher ist eine Speicherschaltung 36 vorgesehen, die ein Signal, welches den größten Gradient wiedergibt, speichert und die momentanen Gradientensignale mit den größten, gespeicherten Signalen vergleicht. Wenn ein momentan auftretendes Gradientensignal größer ist als das gespeicherte Gradientensignal, wird dann das momentan auftretende Gradientensignal gespeichert, um dann wieder mit den auftretenden Signalen verglichen zu werden. Die Speicherschaltung 36 ist ausführlicher in der Patentanmeldung P 23 38 896.9 beschrieben.

Der momentane Drehmoment-Verdrehungsgradient steht beim Anziehen üblicher Schraubverbindungen mit dem größten Drehmoment-Verdrehungsgradienten derart im Zusammenhang, daß der momentane Drehmoment-Gradient etwa 25 bis 75% und üblicherweise etwa 50% des maximalen Drehmoment-Gradienten an der Fließgrenze der Schraubverbindung beträgt. Durch Verwendung eines Vergleichers 38 kann das vom Vergleicher 34 kommende, momentane Gradientensignal mit dem von der Speicherschaltung 36 kommenden maximalen Gradientensignal verglichen werden. Wenn das momentane Gradientensignal einen vorgegebenen Prozentsatz aufweist, oder entsprechend kleiner als das maximale Gradientensignal ist, kann die Vergleichsschaltung 38 ein Feststellsignal bereitstellen, das wiedergibt, wenn die Schraubverbindung bis zur Fließgrenze angezogen worden ist

Das Feststellsignal vom Vergleicher 38 wird dem Antriebssteuerventil 20 zugeführt, das abschaltet Gleichzeitig schließt das Feststellsignal einen Schalter 42, wodurch ein Signal von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 einem Speicher 40 zugeführt wird. Das von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 kommende Signal gibt das momentane, an der Fließgrenze ausgeübte Drehmoment auf die Schraubverbindung wieder. Der Speicher 40 speichert den vorbestimmten Zusammenhang der axialen Zugkraft und der Torsionsbelastung an der Fließgrenze für den Schraubverbindungstyp, der angezogen werden soll (Fi g. 2, Kurve D). Wenn das das Drehmoment an der Fließgrenze wiedergebende Signal im Speicher 40 verarbeitet wird, wird der Speicher abgetastet und die Belastung, die dem am Bruchpunkt ausgeübten Drehmoment entspricht, wird ermittelt. Der Speicher 40 kann auch den Reibungsparameter der Schraubverbindung ermitteln.

Der Speicher 40 liefert ein Ausgangssignal, das der axialen Zugkraft an der Fließgrenze entspricht. Dieses wird einem Vergleicher 46 zugeführt, dem ein Signal eines Signalgenerators 48 zugeleitet wird. Dieses Signal

ίο gibt die gewünschte Zugkraft wieder. Wenn die verglichenen Signale gleich sind, ist die gewünschte Zugkraft erreicht. Der Vergleicher 46 liefert kein Ausgangssignal. Der Anziehvorgang ist abgeschlossen. Gegebenenfalls könnte der Vergleicher 46 auch ein

is Signal an eine Anzeigeeinrichtung geben. Wenn das vom Signalgenerator 48 kommende Signal größer ist, als das vom Speicher 40 kommende, ist die gewünschte axiale Zugkraft großer, als die axiale Zugkraft an der Fließgrenze, wodurch angezeigt wird, daß die Schraubverbindung defekt ist. Der Vergleicher 46 könnte dann auch eine andere Anzeige aktivieren. Normalerweise ist jedoch die auftretende Zugkraft an der Fließgrenze größer als die gewünschte Zugkraft Der Vergleicher 46 liefert dann ein Ausgangssignal, das einen Schalter 47 zwischen dem Speicher 40 und einem Rechner 50 schließt Der Rechner bestimmt dann das Drehmoment, das erforderlich ist, um in der Schraubverbindung die gewünschte Zugkraft zu erzeugen.

Gemäß Fig.4 löst der Rechner 50 die Gleichung Td=LdXFD. Dazu erhält der Rechner 50 das vom Signalgenerator 48 bereitgestellte Signal für die gewünschte Zugkraft und ein weiteres, von einem anderen Signalgenerator 52 bereitgestelltes Signal, das den Durchmesser D wiedergibt Der Speicher 40 liefert

:5 über den Schalter 47 dem Rechner 50 ein Signal, das den Reibungsparameter F wiedergibt Der Rechner 50 liefert ein Ausgangssignal, das das Drehmoment wiedergibt welches erforderlich ist um die Schraubverbindung auf der gewünschten Zugkraft anzuziehen.

"o Fig.5 gibt einen Rechner SQA zum Lösen der Gleichung

wieder. Er erhält ein vom Signalgenerator 48 bereitgestelltes Signal, das die gewünschte Zugkraft wiedergibt sowie über den Schalter 47 ein vom Speicher 40 bereitgestelltes Signal, das die bei einer Schraubverbindung auftretende axiale Zugkraft an der Fließgrenze wiedergibt Der Rechner 5OA erhält über den Schalter 42 ein von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 erzeugtes Signal zugeführt, das das Drehmoment wiedergibt, welches bei der Schraubverbindung an der Fließgrenze auftritt Danach liefert der Rechner 50Λ ein Ausgangssignal, das das Drehmoment wiedergibt, welches erforderlich ist, um die Schraubverbindung auf die gewünschte Zugkraft anzuziehen.

μ Dieses Signal wird in einem Speicher 54 für einen Vergleich mit dem tatsächlichen Drehmoment gespeichert, das vom Drehwerkzeug 12, 18 weiter auf die Schraubverbindung ausgeübt wird, und zwar um festzustellen, wann abzuschalten ist

Im Zusammenhang mit F i g. 3 sei nochmals erwähnt, daß die Kurve, die die Beziehung zwischen der Zugkraft und dem Drehmoment wiedergibt beim Lösen und Anziehen nicht symmetrisch ist Für eine höhere

Genauigkeit ist ein weiterer Rechner 56 vorgesehen, der vom Speicher 54 ein Signal erhält und ein Drehmoment berechnet, das um ca. 5% niedriger als das Drehmoment ist, das für die gewünschte Zugkraft gebraucht wird. Der Rechner 56 gibt ein Signal ab, entsprechend dem in Fig.3 dargestellten Punkt Z Ein weiteres Signal des Rechners 56 wird dem Antriebssteuerventil 21 zugeführt, das den Motor 14 umsteuert, der dann zu lösen beginnt. Gleichzeitig wird das Signal einem Vergleicher 53 zugeführt, der auch ein von der Feststelleinrichtung 24 kommendes Signal erhält, das das ausgeübte Drehmoment zum Lösen wiedergibt. Der Vergleicher 58 vergleicht die Signale. Wenn die Signale übereinstimmen, wird ein Steuersignal bereitgestellt, das dem Antriebssteuerventil 21 zugeführt wird. Dieses schaltet dann ab. Dieses Steuersignal wird auch einem Impulsverzögerer 60 zugeführt Nach einem Zeitraum, der sicherstellt, daß der Motor 14 steht, gibt der Impulsverzögerer 60 ein Signal an das Antriebssteuerventil 20 ab, wodurch wieder angezogen wird. Das Ausgangssignal des Impulsverzögerers 60 wird auch einem Schalter 62 zwischen dem Speicher 54 und dem Vergleicher 64 zugeführt, und gelangt zum Vergleicher 64. Der Vergleicher 64 erhält auch von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 24 ein Signal, das jetzt das neuerliche Anzugsdrehmoment wiedergibt Wenn die verglichenen Signale gleich sind, wird dem Antriebssteuerventil 20 ein Signal zugeführt, wodurch abgeschaltet wird. Das vom Speicher 54 kommende Signal, das das Drehmoment wiedergibt, welches zur Erzeugung der gewünschten axialen Zugkraft erforderlich ist, kann auch einem weiteren Vergleicher zugeführt werden, der ein Signal zugeleitet erhält, welches dem Drehmoment beim Lösen entspricht Wenn diese verglichenen Signale gleich sind, wird der Motor ebenfalls ausgeschaltet Ein solches System arbeitet nicht so genau, wie das in Fig.5 dargestellte, es reicht für einige Anwendungsformen jedoch aus.

Der Eingangskennwert kann auch die Winkelverdrehung der Schraubverbindung sein. In Fig.6 ist eine Vorrichtung 105 dargestellt ähnlich dem von F i g. 4, jedoch mit dem Unterschied, daß in ihr als Eingangskennwert die Winkelverdrehung benützt wird. Die den in F i g. 4 dargestellten Teilen entsprechenden Teile sind mit dem Zusatz B versehen. Der Detektor 28ß erzeugt Signale, die der schrittweisen Zunahme der Winkelverdrehung entsprechen, und zwar mit einer geeigneten Addier- und Speicherschaltung 70, die die vom Detektor abgegebenen Signale empfängt addiert und ein Ausgangssignal bereitstellt das die gesamte Winkelverdrehung wiedergibt Wenn die Fließgrenze erreicht worden ist wird das vom Vergleicher 385 erzeugte Feststellsignal zum Schließen des Antriebssteuerventils 20B benutzt und auch einem Schalter 42S zwischen der Schaltung 70 und dem Speicher 405 zugeführt Der Speicher 405 speichert den Zusammenhang zwischen der axialen Zugkraft und der Winkelverdrehung für den Schraubverbindungstyp, der angezogen werden soll (Kurve von Fig.2A). Das von der Schaltung 70 kommende Signal tastet den Speicher 405 ab. Der Speicher ermittelt die axiale Zugkraft, die an der Fließgrenze wirkt und liefert entsprechende Ausgangssignale.

Das die axiale Zugkraft an der Fließgrenze wiedergebende Signal wird einem Vergleicher 465 zugeführt, der es mit einem vom Signalgenerator 485 kommenden Signal, das der gewünschten Zugkraft entspricht, vergleicht und feststellt ob die tatsächliche axiale Zugkraft kleiner, gleich oder größer ist. Wenn die gewünschte Zugkraft kleiner oder gleich ist, wird vom Vergleicher 465 entweder überhaupt kein Signal erzeugt, oder es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das entsprechende Lichtanzeigen einschaltet, wie dies im Zusammenhang mit dem Vergleicher 46 bei Fig.4 beschrieben wurde. Wenn das Signal größer als das die gewünschte Zugkraft wiedergebende Signal ist, wird vom Vergleicher 46 ein Signal bereitgestellt, das dem

ίο Schalter 475 zugeführt wird, wodurch ein Signal, welches die tatsächliche axiale Zugkraft wiedergibt, vom Speicher 405 an den Rechner 505 gelangt, dem weiterhin ein vom Signalgenerator 485 bereitgestelltes Eingangssignal zugeführt wird, das der gewünschten axialen Zugkraft entspricht Der Rechner 505 erhält weiterhin ein von der Addier- und Speicherschaltung 70 erzeugtes Signal zugeführt das die Winkelverdrehung der Schraubverbindung an der Fließgrenze wiedergibt. Wie der Rechner 50A weist auch der Rechner 505 geeignete Multiplizierschaltungen auf, um die Gleichung

Ly

zu lösen.

Das vom Rechner 505 bereitgestellte Signal gibt also die Winkelverdrehung wieder, die erforderlich ist, um in der Schraubverbindung die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen.

Das Signal vom Rechner 505 wird einem Vergleicher 74 zugeführt, der weiterhin ein Signal von der Addier- und Speicherschaltung 70 zugeführt bekommt Dieses Signal gibt die Winkelverdrehung an der Fließgrenze wieder. Der Vergleicher 74 subtrahiert die beiden Signale und ermittelt die Änderung der Winkelverdrehung, die erforderlich ist um die Schraubverbindung von der Fließgrenze bis auf die gewünschte axiale Zugkraft zu lösen. Das vom Vergleicher 74 bereitge-

stellte Signal gibt dann diese Änderung der Winkelverdrehung an und wird einem Speicher 545 zugeführt, der mit einem weiteren, ebenfalls eine Subtrahierschaltung enthaltenden Vergleicher 645 in Verbindung steht. Ein vom Vergleicher 74 bereitgestelltes Signal öffnet das Antriebssteuerventil 21, das das Lösen einleitet Das letzte Ausgangssignal schließt auch den Schalter 80 zwischen einem Vergleicher 82 und der Drehmoment-Feststelleinrichtung 245 Der Vergleicher 82 erhält auch ein Signal vom Generator 84 zugeführt, das ein kleinstes

so Drehmoment wiedergibt das auf die Schraubverbindung ausgeübt werden sollte, und das von der Drehmoment-Feststelleinrichtung 245 kommende Signal gibt natürlich das Drehmoment wieder, das gerade auf die Schraubverbindung ausgeübt wird. Wenn das augenblickliche Drehmoment größer als das kleinste Drehmoment ist, liefert der Vergleicher 82 ein Ausgangssignal, das einen Schalter 86 zwischen dem Detektor 285 und einem Zähler 88 schließt Wenn dann die Schraubverbindung gelöst wird, werden die die stufenweise Zunahme der Verdrehung wiedergebenden Signale im Zähler 88 addiert und dem Vergleicher 645 zugeführt Wenn die dem Vergleicher 645 zugeführten Signale gleich sind, ist die Winkelverdrehung der Schraubverbindung im wesentlichen gleich der Winkel-Verdrehung, die erforderlich ist um die gewünschte Zugkraft zu erzeugen. In diesem Falle stellt der Vergleicher 645 ein Signal bereit das dem Antriebssteuerventil 215 zugeführt wird, so daß der Motor 145

abgestellt wird. Der Vergleicher 82 stellt also sicher, daß der Zähler 88 keine Zähiersigriale vom Detektor 28B zählt, die ein Spiel im Motor 145 wiedergeben, das durch die Toleranzen der Bauteile verursachi: ist Wenn die Winkelverdrehung als Eingangskennwert herangezogen wird, kann die Schraubverbindung — wie bereits

erläutert — direkt bis zu dem Verdrehwinkel gelöst werden, der erforderlich ist, um die gewünschte axiale Zugkraft zu erzeugen. In diesem Falle ist also ein Wiederanziehen nicht erforderlich, wie dies der Fall ist, wenn als Eingangskennwert das Drehmoment herangezogen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schraubvorrichtung mit einer Meßeinrichtung, von der beim Anziehen einer Schraubverbindung über Signale abgebende Meßglieder das Drehmoment über der Drehbewegung überwacht und ein das Erreichen der Fließgrenze in der Schraubverbindung angebender Punkt bestimmt wird, an dem ein Abschaltsignal zum Stillsetzen der Schraubvorrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Berichtigen der am Abschaltpunkt erreichten, axialen Zugkraft in der Schraubverbindung eine Regeleinrichtung (54 bis 64) vorgesehen ist, mit der auf die Schraubvorrichtung im Sinne eines Lösens bzw. Lösens und erneuten Anziehens einwirkbar ist, und daß der Regeleinrichtung (54 bis 64) eine Recheneinrichtung (40 bis 50) zugeordnet ist, die im Anschluß an das Abschaltsignal ingangsetzbar ist und mit der unter Verwendung der Signale der Meßglieder (24 oder 28) und eines gespeicherten und vorbestimmten Zusammenhangs zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehmoment oder der Drehbewegung ein Drehmomentwert oder ein Drehbewegungsmaß ermittel- und in die Regeleinrichtung eingebbar ist, bei dein die gewünschte axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erreicht ist.

2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung einen Speicher (40; 40/y enthält, in dem der Zusammen- so hang zwischen der axialen Zugkraft und dem Drehmoment oder der Drehbewegung einer mit der gerade anzuziehenden Schraubverbindung vergleichbaren Schraubverbindung gespeichert ist.

3. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, ;■> dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (40) der Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und dem Drehmoment gespeichert ist und von der Recheneinrichtung (40 bis 50) ein der gewünschten axialen Zugkraft entsprechender Drehmoment errechenbar ist, bis zu dem von der Regeleinrichtung in der Schraubvorrichtung ein Lösedrehmoment bewirkbar ist, dessen Wert annähernd dem errechneten Anziehdrehmomentwert entspricht.

4. Schraubvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Regeleinrichtung (54 bis 64) ein Lösedrehmomentwert bewirkbar ist, der um einen vorbestimmten Anteil, vorzugsweise 5%, unterhalb des ermittelten Drehmomentwerts liegt, und daß daraufhin von ihm ein neuerliches w Anziehdrehmoment bis auf den errechneten Drehmomentwert bewirkbar ist.

5. Schraubvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher (40B) der Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und v> der Drehbewegung gespeichert ist und von der Recheneinrichtung (40ß bis 50B) das der gewünschten axialen Zugkraft entsprechende Drehbewegungsmaß errechenbar ist, bis zu dem von der Regeleinrichtung in der Schraubvorrichtung eine Lösedrehbewegung bewirkbar ist.

6. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Speicher (40) aus dem gespeicherten Zusammenhang zwischen der axialen Zugkraft und dem b^r> Drehmoment ein Ausgangssignal bereitstellbar ist, das die Reibungsverhältnisse in der Schraubverbin-

Hiintr anmKt unH für Alt* Dor^honiiinrir'htiincT vnr

Ermittlung des der gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Drehmomentwerts nutzbar ist

7. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch je ein Antriebssteuerventil (20,21) für jede Drehrichtung der Schraubvorrichtung (12), durch ein Meßglied (24) zum Erzeugen von dem augenblicklich aufgebrachten Drehmoment entsprechenden Signalen, durch ein zweites Meßglied (28) zum Erzeugen von die Drehbewegungsschritte angebenden Signalen, durch die Meßeinrichtung (32 bis 38), mit der aus den Signalen das Abschaltsignal für das Antriebssteuerventil (20) erzeugbar ist, durch die über einen ersten, vom Abschaltsignal betätigbaren Schalter (42) mit dem Drehmomentmeßglied (24) verbindbare Recheneinrichtung (40 bis 50), die einen Speicher (40) für den vorbestimmten Zusammenhang zwischen axialer Zugkraft und dem Drehmoment, der ein die am Abschaltpunkt vorliegende, axiale Zugkraft angebendes Signal liefert, ferner dem Speicher nachgeschaitet einen Vergleicher (46) und einen zweiten, vom Vergleicher (46) betätigbaren Schalter (47) sowie meinen Multiplizier-Rechner (50) aufweist, der eingangsseitig an den Schalter (47), an einen ersten, parallel auch den Vergleicher (46) mit einem der gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Signal versorgenden Signalgenerator (48) und an einen zweiten, einen signifikanten Schraubverbindungskennwert bereitstellenden Signalgenerator (52) angeschlossen ist, aufweist, der den Drehmomentwert berechnet, bei dem die gewünschte axiale Zugkraft erreicht wird, sowie durch die nachgeschaltete Regeleinrichtung (54 bis 64), die einen Speicher (54) für das Ausgangssignal des Rechners (50) aufweist, der ausgangsseitig mit einem weiteren Rechner (56) zur Bestimmung des Lösedrehmoments sowie einen Schalter (62) verbunden ist, wobei der Rechner ausgangsseitig einerseits an das Lösesteuerventil (21) und andererseits an einen weiteren Vergleicher (58) angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit dem Meßglied (24) in Verbindung steht und der das errechnete Lösedrehmoment mit dem tatsächlichen Drehmoment vergleicht und ausgangsseitig mit dem Lösesteuerventil (21) und einem Impulsverzögerungsglied (60) verbunden ist, mit dem einerseits das Anziehsteuerventil (20) und andererseits ein dritter Schalter (62) betätigbar ist, über den das im Speicher (54) gehaltene Drehmomentsignal parallel mit dem Drehmomentsignal des Meßgliedes (24) einem weiteren Vergleicher (64) zuführbar ist, der bei Übereinstimmung der Signale ausgangsseitig ein Abschaltsignal für die Schraubvorrichtung bereitstellt.

8. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplizier- und Dividierrechner (50A) dem Speicher (40) nachgeschaltet ist und die Eingänge des Rechners an den Schalter (42), den Schalter (47) und den Signalgenerator (48) angeschlossen sind.

9. Schraubvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem den errechneten Drehmomentwert haltenden Speicher (54) ein Vergleicher nachgeschaltet ist, der parallel dazu mit dem Meßglied (24) verbunden ist und ein dem beim Lösen auftretenden Drehmoment entsprechendes Signal erhält und bei Übereinstimmen der Signale das Abschältsi"!.«! ürirriittclbär erzeugt

10. Schraubvorrichtung nach den Ansprüchen 1,2 und 5, gekennzeichnet durch die mit einer Addierluid Speicherschaltung (70) für die vom Meßglied (28) für die Drehbewegungsschritte abgegebenen Signale über den Schalter ('--2B) verbindbare Recheneinrichtung (405 bis 50£^ deren Speicher [AOB) den vorbestimmten Zusammenhang zwischen der axialen Zugkraft und der Drehbewegung speichert und ein die am Abschaltpunkt erreichte, axiale Zagkraft angebendes Signal zu dem Vergleieher (46B) und dem zweiten Schalter (47B) führt, durch den Signalgenerator (48.SJ zum Erzeugen des" der gewünschten axialen Zugkraft entsprechenden Signals, der ausgangsseitig den Vergleicher (46B) und den Multiplizierrechner (50B) speist, der parallel dazu an den Schalter (47B) und an den Schalter (42B) angeschlossen ist und ein Signal für das Drehbewegungsmaß erzeugt, bei dem die gewünschte axiale Zugkraft erreicht wird, durch die Regeleinrichtung (74,54B, 64B, 88), bestehend aus einem dem Rechner (5QB) nachgeschalteten Vergleicher (74), der parallel auch mit dem Schalter (42) verbunden ist und ein Ausgangssignal an den Speicher (54SJl das Lösesteuerventil (2IB) und an die Meßeinrichtung (32 bis 38, 80, 82, 84) abzugeben vermag, wobei der Speicher (54) einen weiteren Vergleicher (64B) beaufschlagt, der parallel dazu über einen von der Meßeinrichtung betätigbaren Schalter (86) und ein Zählglied (88) mit dem Meßglied (28B) verbindbar ist und ein Abschaltsignal erzeugt, sobald die ihm zugeführten Signale gleich sind.

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Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-AS 17 03 681 bekannten Schraubvorrichtung mißt die Meßeinrichtung die Steigung des über der Schraubendrehung als Kurve auftragbaren Anzugsmomentes, die einsn charakteristischen Verlauf aufweist Es wird dabei ausgenutzt, daß ab Erreichen der Fließgrenze relativ große Schraubendrehungen nur noch mit kleinen Erhöhungen des Anzugsmomentes verbunden sind. Um bei Fressen einer Schraube diese nicht abzureißen, kann die Meßeinrichtung einen Endschalter und/oder ein Warngerät aufweisen, die auf eine zu starke Erhöhung des Anzeigemomentes ansprechen. Durch Einstellen eines solchen Schalters auf einen bestimmten Wert läßt sich die Vorrichtung zum Anziehen auf ein bestimmtes Drehmoment verwenden. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß sich beim Anziehen gleichartiger Schraubverbindungen allein durch die Überwachung des Anzugsmomentes und der Drehbewegung keinesfalls jeweils die gleiche axiale Zugkraft in der Schraubverbindung erreichen läßt Die bei dem zuletzt aufgebrachten Drehmoment erreichte axiale Zugkraft in der Schraubverbindung steht zwar theoretisch mit dem Drehmoment in einem bestimmten Zusammenhang, sie wird jedoch keiner weiteren Überprüfung mehr unterzogen. Spezielle Untersuchungen angezogener Schraubverbindungen haben gezeigt, daß starke Abweichungen in der jeweils erzielten Zugkraft auftreten. Diese sind bedingt durch die an sich zulässigen Toleranzschwankungen in den Abmessungen, durch unterschiedliche Steifigkeitsdurch große Reibungsunterschiede zwischen den einzelnen Schraubverbindungen. Besonders starke Abweichungen treten auf.- wenn ein Schmiermittel verwendet wird bzw. wenn in einem Fall ein Schmiermittel eingesetzt wird und im anderen Fall nicht. Die Schwankungen in der Zugkraft betragen bis zu ±30%. Ungünstig ist ferner, daß defekte Schraubverbindungen, bei denen trotz eines normalen Drehmomentwertes am Abschaltpunkt keine oder eine viel zu geringe axiale Zugkraft erreicht wurde, nicht festgestellt werden.

Bei einer aus der CE-AS 16 03 791 bekannten Schraubvorrichtung erfolgt das Anziehen in zwei Stufen. Zunächst wird die Schraube mit einem niedrig gehaltenen Drehmoment bis zu einem Anschlagpunkt angezogen. Von diesem Anschlagpunkt ausgehend wird dann mit einem im voraus bestimmten Drehwinkel die Schraubverbindung fest angezogen. Bei dieser Vorrichtung ist es nachteilig, daß sich die von der Schraubverbindung erzeugten axialen Zugkräfte stets in Abhängigkeit von dem ersten Anschlagpunkt ergeben, der sich jedoch ausschließlich nach dem Drehwiderstand der Schraube ergibt Da dieser Anschlagpunkt unabhängig von der bei ihm bereits erreichten axialen Zugkraft ist, und gegebenenfalls allein durch einen momentanen Reibungsanstieg in der Schraubverbindung signalisiert wird, ist nicht sichergestellt, daß bei der dann nunmehr um einen bestimmten Winkelbetrag erfolgenden Drehbewegung des Schraubbolzens die Schraubverbindung einwandfrei angezogen ist

Bei einer aus der DE-OS 23 36 896 bekannten Schraubvorrichtung wird ein Steifigkeitsmeßgerät eingesetzt, das das Anziehen der Schraubverbindung nach einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Drehwinkel vornimmt Die axiale Zugkraft, die im Endeffekt für die Festigkeit der Schraubverbindung von primärer Bedeutung ist, wird auch beim Anziehen mit dieser bekannten Schraubvorrichtung weitgehend außer acht gelassen.

Schließlich ist aus der US-PS 28 89 729 ein Drehmomentschlüssel bekannt, der eine Drehwinkelmeßeinrichtung enthält, mit der das Anziehen der vorher bis zu einem Anschlagpunkt angezogenen Schraubverbindung über einen bestimmten Drehwinkelbereich kontrollierbar ist Auch hier wird wiederum die axiale Zugkraft der Schraubverbindung nicht berücksichtigt, so daß beim Anziehen gleichartiger Schraubverbindungen, bei denen stets nach dem Anschlagpunkt der gleiche Winkelbetrag weitergedreht wurde, trotzdem unterschiedlich große axiale Zugkräfte vorliegen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß damit gleichartige Schraubverbindungen so angezogen werden können, daß in ihnen stets die gleiche axiale Zugkraft erreicht wird. Außerdem sollen solche defekte Schraubverbindungen aufspürbar werden, bei denen trotz eines an sich richtigen Anziehdrehmomentes eine zu geringe axiale Zugkraft erreicht wurde.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Schraubvorrichtung gestattet es, eine Schraubverbindung zunächst unter Überwachung des Drehmomentes und der Drehbewegung bis zur Fließgrenze anzuziehen. Danach läßt sich am Abschaltpunkt die Größe der