DE10163287A1

DE10163287A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von Kraftschraubern

Info

Publication number: DE10163287A1
Application number: DE2001163287
Authority: DE
Inventors: Volker Schatz
Original assignee: Schatz AG
Current assignee: Schatz De GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163287B4

Abstract

Zur Funktionsprüfung von Kraftschrauben dient eine Vorrichtung mit einer Welle 17, die mit dem Abtrieb 13 eines Kraftschraubers 9 koppelbar ist, und einer Bremseinrichtung 21, 23, die auf die Welle eine steuerbare Bremskraft ausübt. Bei einem Prüfvorgang wird die Zunahme der Bremskraft in Abhängigkeit von dem vom Kraftschrauber ausgeübten Drehmoment M und vom Drehwinkel phi so gesteuert, daß der Differenzquotient DELTAM/DELTAphi einen vorgebbaren ersten konstanten Wert hat. Dadurch wird das Festziehen einer Schraubverbindung im elastischen Bereich simuliert. Bei Erreichen eines vorgebbaren Drehmoments wird die Steuerung der Zunahme der Bremskraft derart geändert, daß der Differenzquotient einen zweiten konstanten Wert hat, der kleiner als der erste Wert ist. Damit wird der Übergang vom elastischen in den nichtelastischen Bereich der festzuziehenden Schraubverbindung, d. h. das Erreichen der Streckgrenze, simuliert. Es kann damit geprüft werden, ob streckgrenzgesteuerte Kraftschrauber zuverlässig, d. h. innerhalb vorgebbarer Toleranzen, im Bereich der Streckgrenze abschalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Kraftschraubern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 3, wie aus DE 33 05 457 C2 bekannt.

Von Kraftschraubern, d. h. Druckluft oder Elektroschraubern, die in Fertigungsbetrieben wie z. B. der Automobilindustrie in großen Stückzahlen und in verschiedenen Größen im Einsatz sind, wird gefordert, daß sie Schraubverbindungen auf ein vorgegebenes, zuverlässig reproduzierbares Anzugsdrehmoment festziehen. Vor dem Einsatz der neuen oder reparierten Kraftschrauber, sowie auch in regelmäßigen Wartungsintervallen muß geprüft werden, inwieweit und mit welcher Genauigkeit bzw. Wiederholbarkeit das Verhalten des Kraftschraubers beim tatsächlichen Anziehen einer Schraubverbindung den Sollwerten entspricht, und ob der Kraftschrauber nachjustiert oder repariert werden muß.

Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung gemäß DE 33 05 457 C2 ermöglichen eine derartige Prüfung von Kraftschraubern. Dabei wird eine an den Schrauber gekoppelte Welle mit gesteuert zunehmender Bremskraft gebremst und dadurch der Widerstand einer realen Schraubverbindung gegen das Festdrehen simuliert, und zwar im elastischen Bereich der Verformung der Schraubverbindung, in welchem die auf die Schraube wirkende Zugkraft (die dem ausgeübten Drehmoment entspricht) proportional ist zur Dehnung der Schraube (die ihrerseits proportional zum Drehwinkel ist). Durch Vorgabe unterschiedlicher Werte des Differenzenquotienten aus Drehmoment und Drehwinkel können unterschiedliche Arten von Schraubfällen simuliert werden, insbesondere Schraubverbindungen unterschiedlicher Härte. Es kann daher geprüft werden, ob der Kraftschrauber harte und weiche Schraubverbindungen, d. h. solche mit kurzem oder langem Schraubweg, zuverlässig auf das gleiche Enddrehmoment festzieht. Damit wird eine realitätsgerechte Prüfung des Schraubers ermöglicht. Für weitere Einzelheiten des bekannten Verfahrens bzw. der bekannten Vorrichtung, die auch für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind, wird auf die gesamte Offenbarung der Druckschrift DE 33 05 457 C2 verwiesen.

Neben Kraftschraubern, die einen Schraubvorgang beenden, wenn ein vorgegebenes Anziehdrehmoment erreicht ist, gibt es auch sog. streckgrenzgesteuerte Kraftschrauber. Diese schalten dann ab, wenn die sog. Streckgrenze erreicht ist, d. h. am Ende des elastischen Verformungsbereichs der Schraubverbindung bzw. beim Übergang in den plastischen Verformungsbereich. An diesem Punkt bringt die Schraube ihre höchste Vorspannkraft auf, ohne daß die Bruchgefahr bereits erhöht ist. Eine exakt bis zur Streckgrenze festgezogene Schraube ist für viele Montagefälle optimal festgezogen.

Für die Erzeugung eines das Erreichen der Streckgrenze anzeigenden Abschaltsignals für den Kraftschrauber gibt es verschiedene Möglichkeiten. In der Regel ist der Kraftschrauber mit Mitteln zum Erfassen des Drehmoments und des Drehwinkels und zum Ermitteln der Steigung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve versehen. Diese Kurve hat, wie erwähnt, im elastischen Verformungsbereich eine konstante Steigung, bzw. einen konstanten Quotienten zwischen der Drehmomentzunahme ΔM und der Drehwinkelzunahme Δφ. Am oberen Ende des elastischen Verformungsbereiches zeigt eine deutliche Abnahme des Quotienten ΔM/Δφ den Übergang in den plastischen Bereich, und damit das Erreichen der Streckgrenze an. In der Regel wird das Erreichen der Streckgrenze angenommen, wenn die Steigung ΔM/Δφ auf die Hälfte des Maximalwertes zurückgegangen ist, und in Abhängigkeit davon wird ein Abschaltsignal erzeugt. Dies ist beispielsweise aus DE-23 36 896 A1 bekannt. Aus DE-27 13 099 C2 ist ein streckgrenzgesteuertes Anziehen einer Schraubverbindung bekannt, bei dem ein anstelle des Drehmomentes die Winkelgeschwindigkeit des Schraubers erfaßt wird, so daß ein Drehmomentsensor entbehrlich ist. Dabei wird die Tatsache ausgenützt, daß das vom Kraftschrauber aufgebrachte Drehmoment in einer ungefähr linearen Beziehung zur Winkelgeschwindigkeit des Kraftschraubers steht.

Die Erfassung des Punktes, bei dem der Differenzenquotient auf 50% seines maximalen Wertes abgenommen hat, ist nur eine von mehreren Möglichkeiten bzw. Konventionen, um den für das Abschalten des Kraftschraubers maßgeblichen Streckgrenzpunkt zu bestimmen bzw. festzulegen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß im Drehmoment-Drehwinkel- Diagramm eine Gerade gezogen wird, die parallel zum linearen Bereich der gemessenen Drehmoment-Drehwinkel-Kurve verläuft, gegenüber diesem aber um einen Winkelbetrag versetzt ist, der einer Dehnung von 0,2% entspricht. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve wird als Streckgrenze definiert. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, die Schraubverbindung nach Erreichen des Endes des elastischen Bereiches um einen vorgegebenen Drehwinkel in den überelastischen Bereich hinein weiterzudrehen und den dabei erreichten Punkt als Streckgrenze zu definieren.

Kraftschrauber, die gemäß einer dieser bekannten Methoden eine streckgrenzgesteuerte Abschaltung aufweisen, werden in zunehmendem Ausmaß in der Serienmontage eingesetzt. Es steht jedoch bisher kein Verfahren zur zuverlässigen Prüfung der Funktion derartiger streckgrenzgesteuerter Kraftschrauber zur Verfügung. Das aus DE 33 05 457 C2 bekannte Prüfverfahren und Prüfgerät kann nur den linearen Verlauf eines Schraubvorgangs im elastischen Bereich simulieren und ermöglicht deshalb keine Aussage darüber, ob ein streckgrenzgesteuerter Kraftschrauber zuverlässig beim Erreichen der Streckgrenze, die gemäß einer der vorstehend genannten Methoden definiert sein kann, abschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das angegebene Verfahren und die angegebene Vorrichtung zum Prüfen von Kraftschraubern derart weiterzuentwickeln, daß auch die Prüfung des Abschaltverhaltens von streckgrenzgesteuerten Schraubern möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 3 angegeben. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung die mechanischen Teile einer Vorrichtung zum Prüfen von Kraftschraubern, und in schematisch daran angeschlossenem Blockschaltbild die zugehörigen Auswerte- und Steuereinrichtungen;
Fig. 2 ein typisches Drehmoment-Drehwinkeldiagramm beim Anziehen einer Schraubverbindung;
Fig. 3 ein Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm, wie bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung erzeugt wird.
Gemäß Fig. 1 ist in Lagerböcken 3, die auf einer Grundplatte 1 befestigt sind, mittels Führungsstangen 5 ein Montageflansch 7 unverdrehbar längsverschieblich geführt. In einer Öffnung dieses Montageflansches 7 kann der jeweils zu prüfende Kraftschrauber 9 aufgenommen und z. B. mittels eines Spannfutters 11 unverdrehbar festgelegt werden. Die Abtriebswelle 13 des Kraftschraubers 9 wird durch einen Steckschlüsseleinsatz 15 mit einer Welle 17 gekoppelt, die in einem Lagerblock 19 auf der Grundplatte drehbar gelagert ist. Zum Bremsen der Welle 17 mit einer steuer- bzw. regelbaren Bremskraft sind jeweils zwei berührungslos wirkende Bremsen unterschiedlichen Typs vorgesehen, nämlich eine Magnetpulverbremse 21 und eine Elektromagnetbremse 23. Die Drehzahl der Welle 17 kann mit einem Drehzahlgeber 25 gemessen werden. In den Steckschlüsseleinsatz 15 ist ferner ein Meßwertaufnehmer 27 eingefügt und durch eine Lasche 29 mit der Grundplatte 1 drehfest verbunden, mit dem einerseits das momentan vom Kraftschrauber 9 auf die Welle 17 ausgeübte Drehmoment, und andererseits der momentane Drehwinkel des Steckschlüsseleinsatzes 15 und damit der Welle 17 gemessen werden kann.
Die Meßwerte für Drehwinkel, Drehmoment und gegebenenfalls Drehzahl werden, wie schematisch dargestellt, über geeignete Leitungen einem Rechner 31 zugeführt, der sowohl die Datenauswertung vornimmt als auch den Prüfablauf steuert. Falls der zu prüfende Kraftschrauber 9 je nach Fabrikat und Typ einen eigenen Reaktions-Drehmoment- Meßwertaufnehmer und/oder einen Drehwinkelgeber aufweist, können deren gerätintern erfaßte Meßdaten ebenfalls über einen Ausgang 33 dem Rechner 31 zugeführt und dort mit den am Prüfgerät gemessenen Werten verglichen werden. Der Rechner 31 ist mit einem Programmwählgerät 35 verbunden und kombiniert, an welchem z. B. mittels geeigneter Wählschalter, die mit einfach ablesbaren Symbolen versehen sein können, der jeweils zu prüfende Schraubfall, oder auch eine automatisch zu durchlaufende Folge von Schraubfällen, vorgegeben werden kann. Der Rechner 31 beaufschlagt ein Steuergerät 37, welches einerseits über einen Bremsregler 39 die Beaufschlagung einer oder beider Bremsen 21, 23 mit einer kontrolliert ansteigenden Bremskraft bewirkt, und andererseits das Inbetriebsetzen des Kraftschraubers 9 steuert, z. B. über eine Luftdruckschalt- und Steuereinrichtung 41, falls es sich um einen druckluftbetriebenen Kraftschrauber handelt.
Die vom Rechner erfaßten, verglichenen bzw. errechneten Werte werden einer Anzeigeeinheit 43 zugeführt, wo sie in geeigneter Weise angezeigt, ausgedruckt und/oder auf einem Bildschirm 45 grafisch dargestellt werden können.
Das vorstehend beschriebene Gerät dient zur möglichst realitätsgetreuen Simulierung einer vom Kraftschrauber festzuziehenden tatsächlichen Schraubverbindung. In Fig. 2 zeigt die Kurve A den typischen Verlauf des beim Festziehen einer Schraubverbindung aufzubringenden Drehmomentes M in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ. Die Drehmoment- Drehwinkelkurve A beginnt mit einem flachen Anfangsbereich, der dann nach Durchlaufen des sog. Fügemomentes in einen Bereich mit linearem Anstieg übergeht, der sich durch einen konstanten Wert des Differenzenquotienten ΔM₁/Δφ zwischen Drehmomentzunahme und Drehwinkelzunahme auszeichnet, wie für einen beliebigen Punkt P₁ angegeben. Dieser Bereich entspricht der Dehnung der Schraube im elastischen Bereich. Am oberen Ende des linearen Bereichs nimmt die Steigung der Kurve, d. h. der Differenzenquotient wieder ab. Dies zeigt den Übergang in den Bereich nichtelastischer Verformung an. Es kann ein Punkt P₂ definiert werden, an welchem der Differenzenquotient ΔM₂/Δφ die Hälfte des Differenzenquotienten ΔM₁/Δφ im linearen Bereich beträgt. Dieser Punkt P₂ kann als Streckgrenze definiert werden, und die Abnahme des Differenzenquotienten auf z. B. 50% des maximalen Wertes kann als Kriterium für die Erzeugung des Abschaltsignals für das Abschalten des Kraftschraubers verwendet werden. Andere Möglichkeiten, die für das Abschalten maßgebliche Streckgrenze zu definieren bzw. zu ermitteln, sind oben erwähnt worden.
Die Kurve B in Fig. 2 gibt den Betrag des Differenzenquotienten ΔM₁/Δφ, d. h. der Steigung der Kurve A, an. Dieser hat über den linearen Bereich der Kurve A einen maximalen, mindestens annähernd konstanten Wert ΔM₁/Δφ, der zu 100% gesetzt wird. Am Ende des linearen Bereichs fällt die Kurve B wieder ab, wenn sie einen vorgegebenen Wert ΔM₂/Δφ erreicht hat, der z. B. 50% des Maximalwertes beträgt, ist die Streckgrenze gemäß obiger Definition erreicht, und der Kraftschrauber wird abgeschaltet.
Bei dem erfindungsgemäßen Prüfgerät, wie in Fig. 1 gezeigt, wird durch gesteuerte Zunahme der von den Bremsen 21, 23 auf die Welle 17 ausgeübten Bremskraft ein Zusammenhang zwischen dem auf die Welle 17 wirkenden Drehmoment und dem Drehwinkel erzeugt, der den typischen Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf für eine reale Schraubverbindung, wie er in Fig. 2 als Beispiel dargestellt ist, soweit simuliert, wie dies für die Prüfzwecke erforderlich ist. Fig. 3 zeigt einen Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf, wie er in dem Prüfgerät gemäß Fig. 1 durch Steuerung der Bremskraft entsprechend einem im Rechner 31 bzw. Programmwählgerät 35 gespeicherten Programm erzeugt wird, und war speziell zum Zweck der Prüfung von Kraftschraubern mit streckgrenzgesteuerter Abschaltung.
Gemäß Fig. 3 wird zu Beginn des Prüfvorganges die Bremskraft derart gesteuert, daß das Drehmoment M einen konstanten Anstieg über den Drehwinkel φ mit einem konstanten ersten Wert des Differenzenquotienten ΔM₁/Δφ aufweist. Dies entspricht dem aus DE-33 05 457 C2 bekannten Verfahren. Bei Erreichen eines Punktes P_S erfolgt erfindungsgemäß eine Umschaltung der Steuerung der Bremskraft auf einen flacheren Anstieg, der einem zweiten, vorgegebenen Wert ΔM₂/Δφ des Differenzenquotienten entspricht. Der Umschaltpunkt P kann beispielsweise durch ein vorgegebenes Drehmoment M_S definiert sein, und/oder durch einen zugehörigen Drehwinkel φ_S. Der nach Durchlaufen des Punktes P_S geltende zweite Wert des Differenzenquotienten ΔM₂/Δφ kann ein vorgegebener Bruchteil, z. B. 50%, des ersten Wertes ΔM₁/Δφ sein.
Durch Anwenden einer gemäß Fig. 3 gesteuerten Zunahme der Bremskraft kann geprüft werden, ob der zu prüfende Kraftschrauber die Änderung des Differenzenquotienten von ΔM₁/Δφ auf ΔM₂/Δφ erkennt und in Abhängigkeit davon den Schraubvorgang beendet. Damit kann zuverlässig getestet werden, ob der Kraftschrauber in einem realen Schraubfall, wie er durch Fig. 2 veranschaulicht wird, bei Erreichen der Streckgrenze abschalten würde. Beispielsweise wird ein ordnungsgemäß funktionierender Kraftschrauber nach Durchlaufen des die Streckgrenze simulierenden Punktes P_S an einem Punkt P_A abschalten. Das zu dem Abschaltpunkt P_A gehörende Abschalt-Drehmoment M_A und/oder der Winkel φ_A werden in dem Rechner 31 ermittelt, und der Schraubsimulationsfall kann mittels Anzeige 43, 45 dargestellt werden. Das errechnete Abschalt-Drehmoment M_A wird mit dem die Streckgrenze simulierenden Drehmoment M_S verglichen und die Abweichung im Vergleich mit vorher definierten Grenzwerten bewertet. Weicht das Abschalt-Drehmoment M_A des Schraubers zu stark von dem voreingestellten Drehmoment M_S (der simulierten Streckgrenze) ab und liegt außerhalb vorher definierter Grenzwerte, so liegt ein Fehler des geprüften Schraubers vor. Über die grafische Anzeige 43, 45 kann analysiert werden, welcher Art der Fehler ist. Liegt das Abschaltdrehmoment M_A innerhalb der vorher definierten Grenzen, so kann davon ausgegangen werden, daß der Schrauber ordnungsgemäß funktioniert und auch in einem realen Schraubfall bei Erreichen der Streckgrenze abschalten würde.
Bei dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren bzw. Prüfgerät können der erste Wert des Differenzenquotienten ΔM₁/Δφ, der zweite Wert ΔM₂/Δφ sowie die Lage des Umschaltpunktes P mit zugehörigem Drehmoment M_S bzw. Drehwinkel φ_S beliebig vorgegeben werden, um die in der Praxis auftretenden unterschiedlichen Schraubfälle zu simulieren und das Verhalten von Kraftschraubern für unterschiedliche Schraubfälle zu prüfen. Die Lage des die Streckgrenze simulierenden Umschaltpunktes P_S bzw. das dazugehörige Drehmoment M_S hingen vor allem von der Dimensionierung der Schraubverbindung ab, deren Festziehen mit dem erfndungsgemäßen Verfahren simuliert werden soll. Bei einer Schraubverbindung mit M10-Schraubern kann bei üblichen Reibwerten z. B. davon ausgegangen werden, daß die Schraube bei einem Anziehdrehmoment von ca. 70 Nm das Ende des elastischen Dehnungsbereichs erreicht. Dementsprechend würde man bei dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren für eine M10-Schraubverbindung das Drehmoment M_S auf 70 Nm vorgeben.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann das Gerät statt der beschriebenen Kombination einer Magnetpulverbremse und einer Elektromagnetbremse auch nur eine einzige Bremse aufweisen. Die Zunahme der Bremskraft kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch so gesteuert werden, daß nicht nur einmal, sondern zweimal oder mehrmals eine Herabsetzung der Steigung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve erfolgt, d. h. daß vom ersten Wert ΔM₁/Δφ des Differenzenquotienten zuerst auf einen zweiten, kleineren Wert ΔM₂/Δφ und danach auf einen dritten, noch kleineren Wert ΔM₃/Δφ umgeschaltet wird, wobei dann erfaßt werden kann, ob das Abschalten des Kraftschraubers bereits bei Umschalten auf den zweiten Wert ΔM₂/Δφ oder erst beim erneuten Umschalten auf den dritten Wert ΔM₃/Δφ ausgelöst wird.

Claims

1. Verfahren zum Prüfen von Kraftschraubern, mit den Schritten:
Koppeln des Abtriebs eines Kraftschraubers mit einer Welle und Betätigen des Kraftschraubers derart, daß dieser die Welle dreht;
Ausüben einer kontinuierlich zunehmenden Bremskraft auf die Welle derart, daß das vom Kraftschrauber zur Überwindung der Bremskraft ausgeübte Drehmoment kontinuierlich zunimmt;
Erfassen des auf die Welle ausgeübten Drehmoments und des Drehwinkels der Welle;
Steuern der Zunahme der Bremskraft derart, daß der Differenzenquotient zwischen der Zunahme des Drehmoments und der Zunahme des Drehwinkels einen vorgebbaren konstanten ersten Wert hat;
dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines vorgegebenen Drehmoments und/oder Drehwinkels die Steuerung der Zunahme der Bremskraft derart geändert wird, daß der Differenzenquotient einen vorgebbaren konstanten zweiten Wert hat, der kleiner als der erste Wert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert des Differenzenquotienten zwischen 30 und 70%, insbesondere ca. 50% des ersten Wertes beträgt.

3. Vorrichtung zum Prüfen von Kraftschraubern,
mit einer drehbar gelagerten Welle (17) und Mitteln (15) zum Koppeln der Welle (17) mit dem Abtrieb (13) eines Kraftschraubers (9);
einer auf die Welle (17) wirkenden Bremseinrichtung (21, 23); Mitteln (27) zum Erfassen des auf die Welle (17) einwirkenden Drehmomentes und des Drehwinkels der Welle;
und einer Steuereinrichtung (31, 35, 37) zum Steuern der von der Bremseinrichtung (21, 23) ausgeübten Bremskraft gemäß einem vorgegebenen Programm,
wobei das Programm so eingerichtet ist, daß es in einer ersten Phase eines Prüfvorgangs eine Zunahme der Bremskraft steuert, die einer Zunahme des Drehmoments (M) über den Drehwinkel (φ) gemäß einem ersten, konstanten Wert des Differenzenquotienten (ΔM₁/Δφ) entspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß das Programm so eingerichtet ist, daß es bei Erreichen eines vorgegebenen Drehmoments (M_S) und/oder Drehwinkels (φ_S) eine geringere Zunahme der Bremskraft derart steuert, daß sie einer Zunahme des Drehmoments (M) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (φ) gemäß einem zweiten, konstanten Wert des Differenzenquotienten (ΔM₂/Δφ) entspricht, der kleiner als der erste Wert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert (ΔM₂/Δφ) des Differenzenquotienten zwischen 30 und 70%, insbesondere ca. 50% des ersten Wertes (ΔM₁/Δφ) beträgt.