DE102018219093A1

DE102018219093A1 - Verfahren zur Prüfung eines Reibwerts einer Schraube sowie Reibwertprüfstand für Schrauben

Info

Publication number: DE102018219093A1
Application number: DE102018219093.3A
Authority: DE
Inventors: Roland Bingeser; Joscha Klusmeier
Original assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH; OKS Spezialschmierstoffe GmbH
Current assignee: Richard Bergner Holding & Co KG GmbH; OKS Spezialschmierstoffe GmbH
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2020-05-14

Abstract

Das Verfahren und der Reibwertprüfstand (2) dienen zur Prüfung eines Reibwerts einer Schraube (16), wobei die Schraube (16) sich entlang einer Rotationsachse (6) erstreckt und einen Kopf (18) sowie einen sich daran anschließenden Schaft (20) mit einem Gewinde (24) aufweist und an einer zum Schaft (20) orientierten Unterseite des Kopfes (18) eine Kopfauflage (22) ausgebildet ist. Es werden zwei getrennte Messungen einerseits zur Ermittlung eines Reibwerts für die Kopfauflage (22) und andererseits zur Ermittlung eines Reibwerts für das Gewinde (24) durchgeführt wobei bei der Bestimmung des Reibwerts für die Kopfauflage (22) keine Reibbelastung des Gewindes (24) auftritt und umgekehrt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Reibwerts einer Schraube sowie einen Reibwertprüfstand für Schrauben.
Für eine zuverlässige, qualitativ hochwertige Schraubverbindung, insbesondere bei automatisierten Schraubvorgängen und speziell beispielsweise in der Automobilindustrie oder auch im Flugzeugbau, ist eine möglichst exakte und genaue Kenntnis der einzelnen für die Schraubverbindung maßgebenden Parameter einer Bauteilpaarung von wesentlicher Bedeutung.
Eine spezielle Rolle spielt hierbei das Reiberverhalten einer Schraube beim Schraubvorgang. Eine jeweilige Schraubverbindung ist für eine zuverlässige Verbindung üblicherweise bis zu einer vordefinierten Vorspannkraft anzuziehen, bei der die Schraube zur Verspannung des Gewindes mit einem Gegengewinde eine elastische Dehnung erfährt. Bei einem Schraubvorgang wird dabei ein hoher Anteil, beispielsweise bis zu 80%, des für die Drehbewegung aufgebrachten Drehmoments in Reibung und nur ein geringerer Teil in die Dehnung umgesetzt. Die Reibung hängt entscheidend von der Materialpaarung sowie von den Oberflächen der Schraube einerseits und des Gegenstücks andererseits ab. Beim Schraubvorgang treten dabei typischerweise an zwei voneinander getrennten Stellen der Schraube Reibbelastungen auf. Dies ist einerseits die Reibung an einer Unterseite des Kopfes, mit der dieser gegen ein Bauteil anliegt und beim Schraubvorgang entsprechend auch gegen das Bauteil verdreht wird. Diese Seite wird allgemein auch als Kopfauflage bezeichnet. Daneben ist die Reibung eines Gewindes der Schraube von entscheidender Bedeutung.
Insofern ist allgemein die Kenntnis der Reibwerte einer Schraube jeweils in Abhängigkeit einer jeweiligen Bauteilpaarung gewünscht. Zur Ermittlung der Reibwerte sind grundsätzlich Reibwertprüfungen bekannt. Bei diesen wird typischerweise die Schraube in eine Mutter eingedreht und es wird eine Kraft-Messdose zwischen Mutter und Kopf eingespannt.
Eine derartige Reibwertprüfung erfolgt beispielsweise gemäß DIN EN ISO 16047. Der Nachteil von herkömmlichen Reibwertprüfungen ist darin zu sehen, dass keine klare Trennung zwischen einer einwirkenden Vorspannkraft und dem aufgebrachten Drehmoment möglich ist.
Aus der EP 1 254 355 B1 ist ein Prüfgerät zu entnehmen, bei dem die Reibwerte des Schraubenkopfes, also der Kopfauflage, und die des Gewindes durch zwei getrennte Sensoren gemessen werden. Hierzu weist ein entsprechender Prüfstand eine Trägerplatte auf. Der Kopf der Schraube wird durch einen ersten Adapter hindurchgeführt, der sich über einen ersten Kraftsensor auf einer ersten Seite der Trägerplatte abstützt. Das Gewinde der Schraube ist in eine Mutter eingeschraubt, die sich über einen zweiten Kraftsensor an der gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte abstützt. Bei einem Anziehen der Schraube, also einem Einschrauben der Schraube in die Mutter, wird gleichzeitig eine Axialkraft vom Gewinde auf die Mutter sowie vom Kopf auf den Adapter übertragen. Diese beiden Kräfte werden über die beiden Kraftsensoren jeweils separat erfasst. Eine unabhängige Bestimmung der Reibwerte der Kopfauflage einerseits und des Gewindes andererseits ist jedoch auch hiermit nicht ohne weiteres möglich.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine unabhängige Ermittlung der Reibwerte einerseits für die Kopfauflage und andererseits für das Gewinde zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung, insbesondere zur Ermittlung eines Reibwerts einer Schraube, wobei die Schraube sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und einen Kopf sowie einen sich daran anschließenden Schaft mit einem Gewinde aufweist. An einer zum Schaft orientierten Unterseite des Kopfes ist eine Kopfauflage ausgebildet. Bei dem Verfahren werden zwei getrennte Messungen einerseits zur Ermittlung eines Reibwerts für die Kopfauflage und andererseits zur Ermittlung eines Reibwerts für das Gewinde durchgeführt. Unter zwei getrennten Messungen wird herbei verstanden, dass die Messungen in zeitlicher Abfolge erfolgen oder zumindest anhand zweier Schrauben (des gleichen Typs). Zur Ermittlung des Reibwerts für die Kopfauflage wird diese mit einer vorgegebenen Vorspannkraft gegen ein Bauteil gepresst und es wird der Schaft verdreht, ohne dass jedoch das Gewinde in einem Gegengewinde verdreht wird, wie dies bei herkömmlichen Prüfvorgängen erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei dieser ersten Messung lediglich die Kopfauflage reibbelastet wird. Umgekehrt wird zur Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde der Schaft mit einer vorgegebenen Vorspannkraft gegen ein Gegengewinde angezogen und in diesem verdreht, ohne dass jedoch die Kopfauflage reibbelastet wird, also ohne dass die Kopfauflage gegen ein Bauteil verdreht wird. Weiterhin wird jeweils, also während jeder dieser beiden getrennten Messungen, ein auf den Schaft aufgebrachtes Drehmoment erfasst. Aus der Korrelation zwischen der definierten Vorspannkraft und dem aufgebrachten Drehmoment wird dann vorzugsweise jeweils ein Reibwert für die Kopfauflage und andererseits für das Gewinde in an sich bekannter Weise abgeleitet.
Durch die beiden getrennten Messungen werden also in besonders effektiver Weise die beiden Reibwerte vollkommen unabhängig voneinander bestimmt. Entscheidend hierfür ist bei der Messung des Reibwerts des einen Teils (Kopfauflage oder Gewinde), dass das jeweils andere Teil (Gewinde bzw. Kopfauflage) keiner Reibbelastung unterliegt, also nicht gegen ein Gegenlager (Gegenfläche oder Gegengewinde) verdreht wird.
Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass die Verdrehung des Schafts sowie die Erzeugung der Vorspannkraft unabhängig und vollständig voneinander entkoppelt erfolgen. Bei bisherigen Prüfständen wurde die Vorspannkraft jeweils durch das Eindrehen der Schraube in ein Gegengewinde erzeugt. Vorliegend sind zwei voneinander unabhängige Antriebe zur Erzeugung der Vorspannkraft einerseits und der Erzeugung des Drehmoments andererseits vorgesehen.
Durch die unabhängige Bestimmung der Reibwerte sind diese genauer und eben unbeeinflusst voneinander, sodass genauere Aussagen über die Eigenschaften einer Schraubverbindung getroffen werden.
Ein derartiges Verfahren wird gemäß einer ersten Variante allgemein zur Prozessüberwachung bei der Herstellung von Schrauben eingesetzt, um die Güte und Qualität der gefertigten Schrauben beispielsweise anhand von Stichproben zu überprüfen.
Gemäß einem zweiten Einsatzzweck wird dieses Verfahren bei der Entwicklung und Prüfung von neuen Bauteilpaarungen eingesetzt, insbesondere beispielsweise bei der Entwicklung oder Prüfung von bestimmten Materialkombinationen, Beschichtungen, Gleitmitteln, Schmiermitteln etc. So spielen nämlich beispielsweise Beschichtungen bei Schrauben eine entscheidende Rolle, um ein möglichst leichtgängiges Verschrauben zu gewährleisten und die notwendigen Vorspannkräfte aufbringen zu können. Derartige Beschichtungen unterliegen jedoch beim Schraubvorgang einem sehr hohen Verschleiß. Speziell bei Schraubverbindungen, die mehrfach gelöst werden, ist daher auch die Kenntnis über eine Dauerfestigkeit von solchen Beschichtungen bei wiederholten Schraubvorgängen von besonderer Bedeutung.
In zweckdienlicher Ausgestaltung wird bei der Bestimmung des Reibwerts der Kopfauflage zunächst der Kopf und damit die Kopfauflage mit der vorgegebenen Vorspannkraft gegen das Bauteil gespannt. Der Schaft tritt durch ein Loch im Bauteil frei hindurch, das heißt der Lochdurchmesser ist größer als ein Durchmesser des mit dem Gewinde versehenen Schafts. Der Schaft wird weiterhin von dem ersten Antrieb drehfest gegriffen und um die Rotationsachse gedreht. Es wird also keine auf das Gewinde aufgebrachte Mutter relativ zum Schaft und auf dem Gewinde verdreht. Während dieser Drehbewegung wird das auf den Schaft aufgebrachte Drehmoment erfasst. Aus der Korrelation zwischen der vorgegebenen Vorspannkraft und dem erfassten Drehmoment wird dann schließlich der Reibwert für die Kopfauflage ermittelt.
Im Unterschied hierzu wird in bevorzugter Ausgestaltung zur Prüfung des Reibwerts des Gewindes zunächst eine Mutter auf das Gewinde aufgeschraubt. Die Mutter wird drehfest gehalten und ist auch in Richtung der Rotationsachse axial fest fixiert. Unter Mutter wird hierbei jegliches Bauteil mit einem Gegengewinde, speziell Innengewinde für das Gewinde der Schraube verstanden. Auf den Schaft wird wiederum die vorgegebene Vorspannkraft in Richtung der Rotationsachse aufgebracht. Durch die in axialer Richtung ortsfeste Fixierung der Mutter wird daher das Gewinde mit dem Gegengewinde (Innengewinde der Mutter) mit der Vorspannkraft verspannt. Für die ortsfeste Fixierung der Mutter liegt diese vorzugsweise an dem Bauteil an, durch das der Schaft hindurchgeführt ist.
Weiterhin wird der Schaft um die Rotationsachse verdreht, so dass das Gewinde der Schraube verdreht sich relativ zum Innengewinde der Mutter verdreht, wobei die beiden Gewinde über die aufgebrachte Vorspannkraft gegeneinander verspannt sind. Gleichzeitig sind der Kopf und die Kopfauflage frei. Hierunter wird verstanden, dass der Kopf nicht gegen eine Anlagefläche beispielsweise des Bauteils anliegt. Der Kopf dreht daher frei mit, ohne dass von ihm oder auf ihn eine zusätzliche Reibkraft ausgeübt wird. Auch hier wird schließlich aus der Korrelation zwischen der vorgegebenen Vorspannkraft und dem erfassten Drehmoment der Reibwert für das Gewinde ermittelt.
In zweckdienlicher Weiterbildung wird das aufgebrachte Drehmoment drehwinkelabhängig erfasst. Hierunter wird verstanden, dass das Drehmoment über einen definierten Drehwinkel kontinuierlich erfasst wird. Es wird also ein Drehmomentverlauf in Abhängigkeit des Drehwinkels bestimmt. Dies erfolgt durch eine kontinuierliche Messung oder auch durch wiederholte Messungen nach definierten Drehwinkel-Intervallen, z.B. von 1-10 °. Typischerweise wird der Drehmomentverlauf über zumindest eine halbe, zumindest eine oder mehrere Umdrehungen erfasst.
Diese drehwinkelabhängige Erfassung ist von entscheidender Bedeutung, um eine Aussage treffen zu können, ob und inwieweit eine Schraube beispielsweise mehrfach angezogen werden kann. Insofern lässt sich aus dieser drehwinkelabhängigen Kenntnis des Reibwerts eine zusätzliche Aussage z.B. über ein wiederholtes Anziehen der jeweiligen Schraube angeben.
In bevorzugter Ausbildung wird dabei ein maximaler Drehwinkel als Belastungsgrenze für die Schraube in Abhängigkeit der Vorspannkraft festgelegt, wenn ein spezielles, vorgegebenes (Maximal-)Drehmoment überschritten wird. Bei Überschreiten eines solchen maximalen Drehmoments deutet dies beispielsweise auf ein Versagen der Beschichtung hin, die ein weiteres Verwenden der Schraube nicht mehr qualitätssicher ermöglicht.
Die drehwinkelabhängige Ermittlung der Drehmomente wird vorzugsweise sowohl für die Kopfauflage als auch für das Gewinde durchgeführt. Vorzugsweise wird sie jedoch bei der Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde durchgeführt.
In bevorzugter Weiterbildung wird die Kenntnis der Drehwinkelabhängigkeit des Drehmoments und damit des Reibwerts speziell für das Gewinde, für die Bestimmung von Kennwerten und Belastungsgrenzen von unterschiedlich langen Schrauben des gleichen Typs herangezogen. Unter Schrauben des gleichen Typs wird verstanden, dass die Schrauben bis auf die Schaft- und Gewindelänge identisch sind. Speziell wird beispielsweise aus der bekannten Drehwinkelabhängigkeit, insbesondere aus der bekannten Belastungsgrenze (maximaler Drehwinkel) eine maximale Schraubenlänge bzw. Gewindelänge bestimmt.
Dies beruht dabei auf der Überlegung, dass Schrauben unterschiedlicher Länge beim Anziehen der Schraubverbindung über eine unterschiedliche axiale Länge elastisch gedehnt werden müssen, um eine gewünschte (identische) Vorspannkraft zu erzeugen.
In bevorzugter Weiterbildung ist ergänzend oder alternativ auch die Erfassung eines kraftabhängigen Reibwerts vorgesehen. Hierzu wird eine Reihe von Messungen durchgeführt, es werden also mehrere Messungen durchgeführt, wobei für jede einzelne Messung der Reihe der Wert der vorgegebenen Vorspannkraft verändert wird und hieraus eine Korrelation zwischen Kraft und Drehmoment ermittelt wird. Es wird also zu jedem Wert der Vorspannkraft ein zugehöriger Wert des Drehmoments ermittelt. Vorzugsweise wird dies wiederum bei der Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde durchgeführt. Für die mehreren Messungen der Reihe werden dabei vorzugsweise jeweils neue, also unbelastete Schrauben des gleichen Typs verwendet. Dieselbe Schraube wird daher nicht mehrfach ausgemessen.
Zweckdienlicherweise wird auch hierbei, wenn ein vorgegebenes (maximales) Drehmoment überschritten wird, auf eine maximale Vorspannkraft als Belastungsgrenze für die Schraube, speziell für das Gewinde bzw. auch für die Kopfauflage geschlossen. Die Überschreitung des vorgegebenen Drehmoments deutet wiederum auf einen zu hohen Reibwert und damit z.B. auf ein Versagen z.B. einer Beschichtung hin.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch einen Reibwertprüfstand zur Durchführung eines solchen zuvor beschriebenen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Der Reibwertprüfstand weist dabei einen ersten Antrieb zur Übertragung eines Drehmoments auf die Schraube, speziell auf den Schaft sowie einen zweiten Antrieb zur Erzeugung einer auf die Schraube einwirkenden Vorspannkraft in axialer Richtung, also in Richtung der Rotationsachse auf. Weiterhin weist der Reibwertprüfstand eine Einrichtung zur Erfassung des aufgebrachten Drehmoments und eine Einrichtung zur Erfassung der Vorspannkraft auf. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich entweder um separate Messeinheiten, wie beispielsweise einen Drehmomentaufnehmer oder auch ein Kraftaufnehmer, wie beispielsweise eine Kraftmessdose. Alternativ handelt es sich bei der Einrichtung jeweils um eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Antriebsparametern der Antriebe, wobei aus diesen Antriebsparametern das Drehmoment bzw. die Vorspannkraft abgeleitet wird. Bei den Antrieben handelt es sich insbesondere um elektrische und / oder hydraulische Antrieb.
Für die Erzeugung der Vorspannkraft wird allgemein ein elektrischer, ein hydraulischer Antrieb oder auch ein mechanischer (Hand-) Antrieb, z.B. ein handbetriebener Spindelantrieb eingesetzt. In jedem Fall wird auf einen Stempel oder eine Spindel eine in Richtung der Rotationsachse wirkende Axialkraft erzeugt, die auf die Schraube übertragen wird.
Weiterhin umfasst der Prüfstand ein ortsfest gehaltenes Bauteil, gegen das bei der Ermittlung des Reibwerts der Kopfauflage der Kopf mittels des zweiten Antriebs verspannbar ist. Weiterhin ist der erste Antrieb zur Erzeugung der Drehbewegung des Schafts ausgebildet. Es sind zudem Übertragungsmittel zur Übertragung der Drehbewegung auf den Schaft vorgesehen. Für die Ermittlung des Reibwerts des Gewindes ist eine Mutter auf das Gewinde aufgeschraubt und in einem Fixierelement, die insbesondere am Bauteil angebracht ist, orts- und drehfest gehalten.
Allgemein ist von besonderer Bedeutung, dass die Vorspannkraft separat mittels eines eigenen Antriebs auf die Schraube aufgebracht wird.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Antrieb gegenüberliegend zum Bauteil angeordnet. Der zweite Antrieb zur Erzeugung der Vorspannkraft presst dabei die Kopfauflage bzw. die Mutter in Richtung der Rotationsachse gegen das Bauteil.
Zur Übertragung der Drehbewegung auf den Schaft ist der zweite Antrieb vorzugsweise mit einem herkömmlichen Werkzeugschlüssel zur Übertragung der Drehbewegung versehen. Dieser greift bei der Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde vorzugsweise am Schraubenkopf an und im Falle der Ermittlung des Reibwerts für die Kopfauflage vorzugsweise an einer Mutter, die auf den Schaft gegen eine Kontermutter verschraubt ist. Die Kontermutter verhindert eine Verdrehung der Mutter relativ zum Gewinde.
Das zuvor erwähnte Fixierelement, über das die aufgeschraubte Mutter drehfest gehalten ist, weist vorzugsweise eine Innenkontur auf, die zumindest bereichsweise komplementär zu der Außenkontur der Mutter ausgebildet ist. Im einfachsten Fall ist das Fixierelement gebildet durch zwei gegenüberliegende Anschlagsflächen, die um eine Schlüsselweite der jeweiligen Mutter beabstandet sind. Vorzugsweise ist jedoch die Innenkontur des Fixierelements vollumfänglich komplementär zu der Außenkontur der Schraube ausgebildet. Bei einer polygonalen (z.B. hexagonal) Außenkontur weist das Fixierelements die gleiche Polygonalität (hexagonal) auf.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist weiterhin vorgesehen, dass das Bauteil zwei Löcher aufweist, wobei am Bauteil lediglich bei dem einen Loch auf einer zu dem zweiten Antrieb orientierten Seite das Fixierelement befestigt ist. Da bei den beiden Messungen einmal der Kopf und einmal der Schaft zu dem zweiten Antrieb orientiert ist, und gleichzeitig einmal der Kopf mit der Kopfauflage und einmal die aufgeschraubte Mutter gegen die Oberfläche des Bauteils gepresst wird, kann durch diese Maßnahme in einfacher Weise zwischen den beiden Messungen gewechselt werden. Das Bauteil und die beiden Antriebe sind dabei vorzugsweise in einer Querrichtung senkrecht zur Rotationsachse relativ verschiebbar derart, dass jeweils das benötigte Loch des Bauteils in fluchtender Ausrichtung mit den Antriebsachsen der beiden Antriebe gebracht werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:

1 eine schematisierte teilweise Darstellung eines Reibwertprüfstands zur Illustration der Ermittlung des Reibwerts des Gewindes einer Schraube,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch zur Illustration der Ermittlung des Reibwerts der Kopfauflage einer Schraube.

In den beiden Figuren sind gleich wirkende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in den 1 und 2 stark vereinfacht dargestellte Reibwertprüfstand 2 weist einen ersten Antrieb 4 zur Erzeugung einer Drehbewegung um eine Rotationsachse 6 auf. Weiterhin weist der Reibwertprüfstand 2 einen zweiten Antrieb 8 auf, über den eine Vorschubkraft F in Richtung der Rotationsachse 6 erzeugt wird. Über den ersten Antrieb 4, der die Drehbewegung erzeugt, wird ein Drehmoment M erzeugt. Weiterhin weist der Reibwertprüfstand 2 ein insbesondere als eine Lochplatte ausgebildetes Bauteil 10 auf, welches ein Loch 12 als Durchführung aufweist. Weiterhin umfasst der Reibwertprüfstand 2 eine Auswerteeinheit 14. Diese ist zugleich auch zur Steuerung einer Reibwertprüfung ausgebildet, also zur Ansteuerung speziell der beiden Antriebe 4,6.
Die einzelnen Komponenten des Prüfstands 2 sind beispielsweise auf einem gemeinsamen, hier nicht näher dargestellten Träger befestigt. Der Reibwertprüfstand 2 dient allgemein zum Prüfen, insbesondere zum Ermitteln von Reibwerten einer Schraube 16. Die Schraube 16 weist dabei allgemein einen Kopf 18 auf, an den sich ein entlang der Rotationsachse 6 erstreckender Schaft 20 anschließt. Eine zum Schaft 20 hin orientierte Unterseite des Kopfes 18 bildet eine Kopfauflage 22. Der Schaft 20 weist ein Gewinde 24 auf.
Der Reibwertprüfstand 2 weist weiterhin eine erste Einrichtung 26 zur Erfassung des vom ersten Antrieb 4 auf die Schraube 16 übertragenen Drehmoments M auf. Bei dieser ersten Einrichtung 26 handelt es sich insbesondere um einen Drehmomentmesser. Der erste Antrieb 4 weist allgemein eine Drehwelle 28 auf, die vom ersten Antrieb 4 in Rotation versetzt wird. Der Drehmomentmesser ist beispielsweise auf dieser Drehwelle 28 angeordnet. Endseitig ist an der Drehwelle 28 ist ein Kopplungselement 30 zur Übertragung der Drehbewegung auf die Schraube 16 angeordnet. Dieses Kopplungselement 30 weist dabei typischerweise eine an die Schlüsselweite der Schraube 16 angepasste Schlüsselweite auf.
Weiterhin umfasst der Reibwertprüfstand 2 eine zweite Einrichtung 32 zur Erfassung der vom zweiten Antrieb 8 ausgeübten Vorspannkraft auf. Bei dieser Einrichtung 32 handelt es sich insbesondere um einen Kraftaufnehmer, welcher vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse des zweiten Antriebs 8 mit integriert ist. Der zweite Antrieb 8 weist einen Stempel 34 auf, welcher in Richtung der Rotationsachse 6 mit der Vorspannkraft F beaufschlagt wird, die auf die Schraube 16 übertragen wird.
Die Auswerteeinheit 14 steht mit den Einrichtungen 24,32 in Kommunikationsverbindung und empfängt Messsignale dieser Einrichtungen 24,32 und erhält speziell Informationen über die aktuell ausgeübte Vorspannkraft F und das aufgebrachte Drehmoment M.
Wie anhand der beiden Figuren zu erkennen ist, sind die beiden Antriebe 4,6 sowie die beiden Einrichtungen 26,32 jeweils entlang der Rotationsachse 6 angeordnet, wobei die beiden Antriebe 4,6 sowie die ihnen zugeordneten Einrichtungen 26,32 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils 10 angeordnet sind.
Das Verfahren zur Prüfung und Ermittlung einerseits eines Reibwerts des Gewindes 24 und andererseits eines Reibwerts der Kopfauflage 22 wird nachfolgend erläutert:

Die 1 zeigt dabei die Situation zur Ermittlung des Reibwerts des Gewindes 24 und die 2 die Situation zur Ermittlung des Reibwerts der Kopfauflage 22. Sofern vorliegend von der Ermittlung eines Reibwerts für das Gewinde 22 bzw. für die Kopfauflage 22 gesprochen wird, so ist hierunter immer der Reibwert einer speziellen Bauteilpaarung zwischen dem Gewinde 24 und einem Gegengewinde 36 bzw. zwischen der Kopfauflage 22 und einer Gegenlagerfläche 38 zu verstehen. Die Gegenlagerfläche 38 ist hierbei insbesondere durch eine Oberfläche des Bauteils 10 gebildet.

Zur Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde wird gemäß 1 wie folgt vorgegangen:

Auf das Gewinde 24 wird eine Mutter 40 aufgeschraubt. Die Mutter 40 wird mittels des zweiten Antriebs 8 mit der Vorspannkraft F gegen das Bauteil 10 gepresst und damit in axialer Position fixiert. Gleichzeitig ist am Bauteil 10 ein Fixierelement 42 angeordnet, welches die Mutter 40 drehfest hält. Der Kopf 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Bauteils 10 ist von diesem beabstandet und somit frei. Zur Durchführung eines jeweiligen Messvorgangs wird mittels des zweiten Antriebs 8 die vorgegebene Vorspannkraft F auf den Schaft 20 aufgebracht, sodass das Gewinde 24 gegen das Gegengewinde 36 der Mutter 40 verspannt ist. Gleichzeitig wird mittels des ersten Antriebs 4 die Schraube 16 in einer Rotationsrichtung um die Rotationsachse 6, beispielsweise im Uhrzeigersinn verdreht. Das dabei aufzubringende Drehmoment M wird gemessen. Anhand der Korrelation zwischen der aufgebrachten Vorspannkraft F und dem gemessenen Drehmoment M lässt sich in an sich bekannter Weise der Reibwert für die Paarung zwischen Gewinde 24 und Gegengewinde 36 bei der jeweiligen Vorspannkraft F ermitteln oder berechnen.

In bevorzugter Ausgestaltung wird dabei ein Drehmomentverlauf in Abhängigkeit eines Drehwinkels erfasst, um den die Schraube 16 verdreht wir. Übersteigt der Drehmomentwert einen vorgegebenen Grenzwert, so wird dies als ein Versagen beispielsweise einer auf das Gewinde 24 aufgebrachten Beschichtung angesehen. Der Drehwinkel, bei dem der Grenzwert, also das vorgegebene, maximale Drehmoment M übertroffen wird, definiert beispielsweise einen maximal möglichen Drehwinkel. Anhand dessen werden vorzugsweise Informationen abgeleitet, wie oft eine Schraube bei definierter Vorspannkraft F angezogen werden kann. Alternativ oder ergänzend wird aus einem solchen maximalen Drehwinkel eine maximale Länge der Schraube 16 bei gegebener Vorspannkraft F abgeleitet.
Hervorzuheben ist, dass bei dieser Mess- und Prüfanordnung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausschließlich der Einfluss zwischen Gewinde 24 und Gegengewinde 36 gemessen und erfasst wird, unabhängig von einer Reibung zwischen der Kopfauflage 22 und einer Gegenlagerfläche 38.
Der Reibwert für die Kopfauflage 22 wird mittels der Prüfanordnung ermittelt, wie sie in 2 dargestellt ist. Bei dieser ist nunmehr vorgesehen, dass der Kopf 18 mittels des zweiten Antriebs 8 mit der Vorspannkraft F gegen das Bauteil 10 gepresst wird, sodass also die Kopfauflage 22 mit der Vorspannkraft F gegen die Gegenlagerfläche 38 gepresst ist. Mittels des ersten Antriebs 4 wird wiederum der Schaft 20 verdreht und das dabei aufgebrachte Drehmoment M wird wiederum erfasst. Aus der Korrelation zwischen der Vorspannkraft F und dem Drehmoment M wird wiederum der Reibwert für die Paarung Kopfauflage 22 und Gegenlagerfläche 38 berechnet oder ermittelt.
Zur Übertragung der Drehbewegung auf den Schaft 20 ist im Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine Mutter 40 gegen eine Kontermutter 44 verspannt ist. Während der Übertragung der Drehbewegung vom ersten Antrieb 4 auf den Schaft 20 erfolgt keine Relativbewegung zwischen Mutter 40, an der das Kupplungselement 30 wiederum angreift, und dem Gewinde 24 der Schraube 16. Auch bei diesem Szenario wird daher der Reibwert der Kopfauflage 22 vollkommen unabhängig und unbeeinflusst von weiteren Einflussgrößen erfasst.
Für beide Prüfungen ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Durchführung einer Messreihe vorgesehen, bei der zwischen einzelnen Messungen die Vorspannkraft F variiert wird. Somit lassen sich auch kraftabhängige Reibwerte sowohl für das Gewinde 24 als auch für die Kopfauflage ermitteln und es lässt sich insbesondere eine maximale Vorspannkraft F bestimmen. Dies ist wiederum dadurch definiert, wenn ein vorgegebener maximaler Drehmomentwert erreicht wird. Ein Überschreiten dieses zweiten maximalen Drehmomentwerts deutet beispielsweise auf ein Versagen einer Beschichtung hin.
Die hier beschriebene Prüfung der Reibwerte einer Schraube wird beispielsweise im Rahmen der Prozessüberwachung bei der Herstellung von Schrauben durchgeführt. Alternativ erfolgt die Ermittlung der Reibwerte im Rahmen der Ermittlung von speziellen Bauteilpaarungen, speziell bei der Entwicklung und Prüfung von Beschichtungen oder Beschichtungspaarungen bzw. Materialpaarungen oder auch zur Überprüfung von unterschiedlichen Gewindegeometrien etc..
Mit dem hier beschriebenen Verfahren und dem hier beschriebenen Reibwertprüfstand ist eine genaue Messung der Reibwerte und der Vorspannkräfte ermöglicht. Dies ist entscheidend für eine gezielte beispielsweise von neuen Schraubenbeschichtungen. Auch ist es damit möglich, gezielt das Reibverhalten bei bestimmen Press-Paarungen zu ermitteln. Die besonderen Vorteile sind darin zu sehen, dass die ermittelten Reibwerte nicht mehr in Kombination kraft- und drehwinkelabhängig sind. Es ist lediglich noch eine Drehwinkelabhängigkeit gegeben, die auch bewusst ausgenutzt wird.
Weiterhin ist entscheidend, dass das Gewinde 24 sowie die Kopfauflage 22 separat, also unabhängig voneinander, jeweils mit der Vorspannkraft belastet werden. Dadurch lassen sich die einzelnen Reibwerte einerseits für die Kopfauflage 22 und andererseits für das Gewinde 24 individuell ermitteln. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Vorspannkraft F direkt mittels des zweiten Antriebs 8 aufgebracht wird. Die aufgebrachte Kraft ist daher unabhängig von der Steifigkeit der Schraube 16 selbst. Dadurch wird eine bessere Vergleichbarkeit der Messergebnisse erzielt. Damit einher geht auch eine höhere Messgenauigkeit, da die aufgebrachte Vorspannkraft keine Messgröße bzw. Reaktionsgröße ist, die aufgrund eines Verspannens der Schraube erfolgt. Vielmehr ist die Vorspannkraft von au-ßen vorgegeben. Durch die von außen vorgegebene Vorspannkraft F ist auch gewährleistet, dass die Reibwerte bei konstanter Kraft ermittelt werden.
Weiterhin zeichnet sich der Reibwertprüfstand 2 durch einen sehr einfachen und auch Platz sparenden Aufbau aus. Speziell ist die Möglichkeit gegeben, die Prüfungen auch bei definierter Temperaturbelastung durchzuführen. Hierzu wird beispielsweise die jeweilige Bauteilpaarung im Bereich des zu ermittelnden Reibwerts einer definierten Temperaturbelastung ausgesetzt. Die Messtechnik, also die beiden Einrichtungen 26,32 werden hierbei nicht beeinflusst.
Weiterhin ist hervorzuheben, dass zwischen dem Kopf 18 und der Mutter 40 bzw. zwischen Kopf 18 / Mutter 40 und dem Bauteil 10 keine Sensoren zur Erfassung des Drehmoments und/oder der aufgebrachten Verspannkraft erforderlich sind. Es ist daher im Bereich der Schraube 16, also über die Länge der Schraube 16, keine Messsensorik erforderlich. Speziell ist keine Messsensorik insbesondere zur Kraftmessung vorgesehen, die zwischen Bauteilen der Schraubverbindung durch die aufgebrachten Schraubkräfte eingeklemmt ist. Sämtliche Messeinrichtungen insbesondere zur Erfassung des Drehmoments und der Vorspannkraft sind vielmehr außerhalb der Schraube 16 angeordnet.
Bezugszeichenliste

2: Reibwertprüfstand
4: erster Antrieb
6: Rotationsachse
8: zweiter Antrieb
10: Bauteil
12: Loch
14: Auswerteeinheit
16: Schraube
18: Kopf
20: Schaft
22: Kopfauflage
24: Gewinde
26: erste Einrichtung zur Drehmomenterfassung
28: Drehwelle
30: Kopplungselement
32: zweite Einrichtung zur Erfassung der Vorspannkraft
34: Stempel
36: Gegengewinde
38: Gegenlagerfläche
40: Mutter
42: Fixierelement
44: Kontermutter
F: Vorspannkraft
M: Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1254355 B1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 16047 [0005]

Claims

Verfahren zur Prüfung eines Reibwerts einer Schraube (16), wobei die Schraube (16) sich entlang einer Rotationsachse (6) erstreckt und einen Kopf (18) sowie einen sich daran anschließenden Schaft (20) mit einem Gewinde (24) aufweist und an einer zum Schaft (20) orientierten Unterseite des Kopfes (18) eine Kopfauflage (22) ausgebildet ist, wobei zwei getrennte Messungen einerseits zur Ermittlung eines Reibwerts für die Kopfauflage (22) und andererseits zur Ermittlung eines Reibwerts für das Gewinde (24) durchgeführt werden und wobei - zur Ermittlung des Reibwerts für die Kopfauflage (22) diese mit einer vorgegebenen und durch einen zweiten Antrieb (8) erzeugten Vorspannkraft (F) gegen ein Bauteil (10) gepresst wird und der Schaft (20) mithilfe eines ersten Antriebs (4) verdreht wird, ohne dass das Gewinde (24) in einem Gegengewinde (36) verdreht wird, und - zur Ermittlung des Reibwerts für das Gewinde (24) der Schaft (20) mit einer vorgegebenen und durch den zweiten Antrieb (8) erzeugten Vorspannkraft (F) gegen ein Gegengenwinde (36) angezogen und mithilfe des ersten Antriebs (4) verdreht wird, ohne dass die Kopfauflage (22) reibbelastet wird, wobei - jeweils ein auf den Schaft (20) aufgebrachtes Drehmoment (M) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Prüfung des Reibwerts der Kopfauflage (22) - der Kopf (18) und die Kopfauflage (22) mit der vorgegebenen Vorspannkraft (F) gegen das Bauteil (10) gespannt wird, durch das der Schaft (20) hindurchtritt, - der Schaft (20) von dem ersten Antrieb (4) drehfest gegriffen und um die Rotationsachse (6) gedreht wird, - das dabei auf den Schaft (20) aufgebrachte Drehmoment (M) erfasst wird - aus der Korrelation zwischen der vorgegebenen Vorspannkraft (F) und dem erfassten Drehmoment (M) der Reibwert für die Kopfauflage (22) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Prüfung des Reibwerts des Gewindes - eine Mutter (40) auf das Gewinde (24) aufgeschraubt und drehfest gehalten sowie in Richtung der Rotationsachse (6) axialfest fixiert - auf den Schaft (20) die vorgegeben Vorspannkraft (F) in Richtung der Rotationsachse (6) aufgebracht wird, - der Schaft (20) um die Rotationsachse (6) gedreht wird, sodass der Schaft (20) sich relativ zur Mutter (40) verdreht - das dabei auf den Schaft (20) aufgebrachte Drehmoment (M) erfasst wird - aus der Korrelation zwischen der vorgegebenen Vorspannkraft (F) und dem erfassten Drehmoment der Reibwert für das Gewinde (24) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das aufgebrachte Drehmoment (M) drehwinkelabhängig erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments (M) auf einen maximalen Drehwinkel als Belastungsgrenze für die Schraube (16) bei der vorgegebenen Vorspannkraft (F) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem aus der Kenntnis der drehwinkelabhängigen Drehmomente (M) Rückschluss auf eine maximale Länge der Schraube (16) gezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Reihe von Messungen durchgeführt wird, wobei für die einzelne Messung der Reihe der Wert der vorgegebenen Vorspannkraft (F) verändert wird und eine Korrelation zwischen Kraft und Drehmoment (M) erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Drehmoments (M) auf eine maximale Vorspannkraft (F) als Belastungsgrenze für die Schraube (16) geschlossen wird.
Reibwertprüfstand (2) für Schrauben (16), wobei die Schrauben (16) sich jeweils entlang einer Rotationsachse (6) erstrecken und einen Kopf (18) sowie einen sich daran anschließenden Schaft (20) mit einem Gewinde (24) aufweisen und an einer zum Schaft (20) orientierten Unterseite des Kopfes (18) eine Kopfauflage (22) ausgebildet ist, mit - einem ersten Antrieb (4) zur Übertragung eines Drehmoments (M) auf die Schraube (16) - einem zweiten Antrieb (8) zur Erzeugung einer auf die Schraube (16) einwirkenden Vorspannkraft (26 F) in Richtung der Rotationsachse (6) - einer ersten Einrichtung zur Erfassung des aufgebrachten Drehmoments, - einer zweiten Einrichtung der Erfassung der Vorspannkraft (32), - einem ortsfest gehaltenen Bauteil (10) mit einem Loch (12) zur Durchführung des Schafts (20) wobei - für eine Ermittlung des Reibwerts der Kopfauflage (22) der Kopf (18) mittels des zweiten Antriebs (8) gegen das Bauteil (10) verspannbar ist und der erste Antrieb (4) zum Drehen des Schafts (20) ausgebildet ist, und -für eine Ermittlung des Reibwerts des Gewindes (24) ein Fixierelement (42) für eine auf den Schaft (20) aufgeschraubte Mutter (40) vorgesehen ist, wobei das Fixierelement (42) für eine orts-und drehfeste Halterung der Mutter (40) ausgebildet ist und weiterhin das Gewinde (24) gegen die Mutter (40) mittels des zweiten Antriebs (8) verspannt ist und der erste Antrieb (4) zum Drehen des Schafts (20) ausgebildet ist.
Reibwertprüfstand (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der erste Antrieb (4) und der zweite Antrieb (8) gegenüberliegend zum Bauteil (10) angeordnet sind.