DE2354346A1 - Verfahren zum befestigen von bauelementen mittels einer schraube - Google Patents

Description

9230-75 H/S .

P-1508-90

Jap. Ser. If ο. 106167/72

ÜTippoii Kokan Kabushiki Kaisha, Tokyo, Japan

Verfahren zum Befestigen von. Bauelementen mittels einer Schraube

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen von Bauelementen mittels einer Schraube, insbesondere von Bauelementen einer großen Baukonstrufction, die aneinander durch eine starke Eeibungskraft befestigt -werden.

Bei Stahlkonstruktionen ist es bekannt und üblich, unter Verwendung von Schrauben und Muttern hoher Zugkraft eine feste Verbindung zwischen den Bauelementen durch Ausnutzen der Reibungskräfte an den Berührungsflächen zu schaffen. Die Schrauben oder Muttern werden durch Schraubenschlüssel (Dreh- oder Stoßwerkzeuge) oder dergl. von Hand oder mit Druckluft angezogen. Die Anzugskraft stellt eine hohe Vertikalbelastuiig der Berührungsflächen der Bauelemente dar.

Bei dieser Methode besteht jedoch das Problem, daß auf der Materialoberfläche vorhandener Host die Reibungskraft zwischen den Bauelementen wesentlich herabsetzt, was dazu führen kann, daß die Berührungsflachen aufeinandergleiten. Bauelemente mit rostigen Oberflächen werden natürlich nicht absichtlich verwendet, lassen sich aber häufig nicht vermeiden. Es wurden daher Schrauben und Muttern mit hohen' Zugspannungswerten verwendet, und um die schwache Reibungskraft zu verstärken und ein Gleiten zu verhindern, mußte man die Schrauben

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bzw. Muttern sehr fest anziehen« Hierdurch wird aber die Spannung der Schraubenanordnung so groß, daß die ibd.alkraft der Schraube nach dem Anziehen mit der Zeit merklich geringer wird (vergl. Figur 7), so daß nach einer gewissen Zeitdauex' die Schraube erneut angezogen werden muß. In großen Stahlkonstruktionen wird eine große Anzahl von Schrauben verwendet. V/ür&e man diese vielen Schrauben eine nach der anderen nochmals anziehen, so würde dies den Arbeite- und Zeitaufwand beträchtlich erhöhen.

Außerdem war bisher die Reibungskraft zwischen den Bauelementen nicht groß, und die Spannung an den Schrauben bzw. Muttern war ungünstig. Die bisher erreichbaren Reibungsverbindungen hatten eine geringe Festigkeit, wenn sie während einer längeren Zeitdauer wiederholt belastet wurden (vergl. die untere Kurve in Pigur 8). Der sogenannte Schlupfkoeffizient (Schlupfbelastung der Verbindung/G-esamtkraft des Schraubenschaf te s) wurde -wesentlich niedriger als ein ursprünglicher Normwert (beispielsweise 0,35). Da sich aus diesem G-rund Schrauben hoher Zugbelastung zur Verbindung von Bauelementen mit .ITlächenberührung nicht eignen, wenn lastwiederholungen über eine lange Zeitdauer auftreten, waren die Anwendungsmöglichkeiten solcher Schrauben entsprechend begrenzt, falls nicht "aufwendige und komplizierte Spezialverbindungen benutzt wurden. Wie schon erwähnt wurde, waren zum Erreichen einer ausreichend großen Reibungskraft zwi- . sehen den zu verbindenden Bauelementen sowohl eine hohe Schaftkraft beim Anziehen der Schrauben als auch ein übermäßig großes Anzugsmoment erforderlich. Hierdurch wird der Befestigungsvorgang zusätzlich erschwert. Da die Baukonstruktionen und somit auch die Verbindungen immer größer werden, müssen natürlich auch größere Greif schrauben von 32 bis 36 mm Durchmesser (statt 25 mm) verwendet werden. Das zum Anziehen dieser Schrauben er- forder"liehe Drehmoment würde von 60 kg-m bis auf 120 bis 150 kg-m ansteigen. Ein Anzugsmoment von mehr als 80 kg-m isij&ber selbst bei Verwendung von elektrischen Druckluft-Schraubenschlüsseln nicht leicht erreichbar. Der Befestigungsvorgang von Hand oder

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nriit Spezialwerkzeugen würde- also extrem schwierig, so daß bei den bisher "üblichen Methoden für größere BaxLkonstrüfctionen praktisch keine Möglichkeit einer befriedigenden Reibungsverbindung bestand. .-.:■-■■". ..;.-"-■ / .

Aufgabe der Erfindung ist, die. Machteile der olien, erläuterten bekannten Methoden zu_: vermeiden und.-ein Verfahren anzugeben, das mit einem" geringeren Anzugsmoment für die Schrauben bzw. Muttern auskommt und eine starke Reibungsverbindung selbst bei Anziehen der Schrauben oder Muttern von Hand gewähr leistet. : - - ^.

Die Erfindung löst diese Aufgabe daduröh, daß während ues Anziehens der .Schraube oder einer Mutter das zum Anziehen verwendete Werkzeug und/oder die Schraube oder Mutter mit "Vibrationsenergie beaufschlagt wird. Der Frequenzbereich der Vibrationsenergie kann von oberhalb, der Sprächfrequenz bis in den Ultraschallbereich reichen. - _;-

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der_; Erfindung besteht darin, daß die Zugkraft des Schraubenschaftes nicht mit der Zeit geringer· wird und .Ermüdungserscheinungen vermieden werden, so daß die Stabilität derBauk:onstruktionen selbst ohne Nachziehen der Schrauben gewährleistetbleibt./

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung nun naher erläutert werden. Es zeigen: . .

Figur 1 bis 3 schrägbildliche Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 4 eine vergrößerte Ansicht der Berührungsstelle zwischen den Bauteilen gemäß dem Stand der Technik;

Figur 5 eine vergrößerte Ansicht der Berührungsstelle .zwischen den Bauelementen bei Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens; . -' -^: - - ^; ■. ^:" ."

Figur 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Vibrationsfrequenz und der Berührungsrate unter dem Maß

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des Ausfüllens von Zwischenräumen gemäß der Erfindung;

I¹IgUr 7 eine graphische-Darstellung der zeitlichen Änderung der Schaftzugkraft von Schrauben hoher Zugbelastung im Vergleich mit dem Stand der Technik; und

Figur 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Amplitude sich wiederholender Belastungen und der Anzahl der Belastungsgänge bis zum Versagen der Verbindung durch Gleiten bei' einer Reibverbindung gemäß der Erfindung bzw. nach dem Stand der Technik.

Miteinander zu verbindende Platten 6 und 6a werden in gleicher Höhe mit ihrer Stoßlinie zwischen zwei Seitenplatten 7 und 7a angeordnet. Dann werden diese Platten mit den erforderlichen Schrauben und Muttern, die von Hand oder mechanisch angezogen werden, miteinander befestigt. Derartige Verbindungen sind an sich bekannt.

Erfindungsgemäß wird während der Befestigung der Teile bzw. beim Anziehen einer Schrauben- und Mutteranordnung oder auch eines einfachen Schraubbolzens mittels einer Leistungsquelle geeigneter Frequenz Vibrationsenergie zur Einwirkung gebracht. Die Frequenz sollte vorzugsweise im Bereich von oberhalb der Sprechfrequenz bis zu Ultraschallschwingungen liegen. Die Vibrationsenergie kann durch einen Vibrator oder Wandler vom elektrostriktiven oder magnetostriktiven Typ zugeführt werden. Gemäß der Zeichnung werden jeweils magnetostriktive Wandler 4 verwendet, welche die gewählte Frequenz über die Klemmen 10, 10a empfangen. In einem solchen Pail richtet sich die Eingangsleistung der Wandler 4 nach der erforderlichen, durch die Pfeile 9 angedeuteten Vibrationsenergie unter Berücksichtigung der Anzugskraft für die Schrauben-Mutteranordnung oder eine einfache Schraube. Die erforderliche Anzugskraft richtet sich selbstverständlich nach der Größe der Platten 6, 6a und der Seitenplatten 7» 7a sowie der Schrauben 1 und Muttern 2. Wenn die erforderliche Vibrationsenergie nicht von einem einzelnen Wandler geliefert werden kann, können in an sich bekannter Anordnung zwei oder mehr Wandler verwendet werden. Pur das Zuführen der Vibrations-

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energie bestehen die verschiedensten Möglichkeiten., Beispielsweise kann die Energie das Werkzeug 3 über ein an das Werkssug angeschraubtes Horn 5 beaufschlagen ₉ wie im einzelnen in Figur 1 dargestellt ist» Gemäß Figur 2 wirkt die Energie auf das andere Ende der Schraube 1 ein_p gemäß Figur 3 dagegen auf eine der Platten» In jedem Fall soll die Einwirkungsstelle der der Energie in Verbindung bzw« Übereinstimmung mit der Resonanz·=- länge der verwendeten Frequenz gewählt werden, Das erwähnte Horn 5 kann weggelassen werden, wenn nur eine relativ kleine Vibrationsenergie benötigt wird«.

Die Wirkung der Erfindung und ihre Vorteile ergeben sich aus den folgenden Betrachtungen» Zunächst sei auf Figur 4 verwiesen, die eine typische Berührungsstelle zwischen den Platten im Falle einer Reibungsverbindung durch von Hand oder mechanisch angezogene Schrauben und Muttern gemäß dem Stand der Technik zeigte Wie man .sieht, ist die-Berührungsfläche sehr unregelmäßig, und die beiden Platten "beißen" sich mit ihrer sägezahnförmigen Gestalt durch den Rost und andere auf ihnen liegende Partikel. Aus diesem Grund beträgt die wirkliche Berührungsfläche nicht mehr als etwa 15 $ der Gesamtfläche_s so daß bisher übermäßige Befestigungskräfte und Schrauben und Muttern hoher Zugspannung erforderlich waren. Selbst wenn die Schrauben- und Mutteranordnung mit einem mechanischen Werkzeug hoher Leistungsfähigkeit, angezogen wurde, war es praktisch unmöglich, ein Gleiten der Flächen der Bauelemente zu vermeiden. Wenn jedoch gemäß der Erfindung das Befestigungswerkzeug oder die Sohraube oder Mutter oder eines der zu verbindenden Bauelemente mit Vibrationsenergie beaufschlagt wird, werden Rost und andere Teilchen auf den Be- · rührungsflachen der Bauelemente fein zerkleinert. Die Berührungs flächen werden flache^ wie in Figur 5dargesteilt ist. Da die scharfen Spitzen des Sägezahnprofils durch auf der Vibrationsenergie beruhende elastische Vibration zerdrückt oder abgetragen werden, wird der Befestigungswiderstand für die Schraube wesentlich vermindert. Beim Anlegen Von Vibrationsenergie beim Befestigen der Schraube werden die feinen Partikel A auf der Berührungsfläche 'ferner verteilt und in die Zwischenräume gefüllt.

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Die Berührungsfläche wird also größer, -und die Zwischenräume werden besser geschlossene Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Frequenz der angeführten Energie zu, wie,in ligur 6 gezeigt ist. Bei der konventionellen Befestigungsmethode ohne Vibration beträgt der Berährraigsgrad zwischen den Bauelementen nur 15 $> oder weniger, während bei dem hier beschriebenen Verfahren sowohl der Berührungsgrad als auch das Ausmaß der Ausfüllung der Zwischenräume etwa 50 $ bei Supersprechfrequenz, d.h.' 4G00 Hz und ungefähr 90 % bei Ultraschallfrequenz, d.h. 60 kHz erreicht. 60 kHz war die bei praktischen Versuchen maximal verwendete "Frequenz, bei welcher die beiden Kurven gemäß Figur 6 annähernd flach wurden, und welche für praktische Zwecke ausreichend sein dürfte. Bei Anwendung der Erfindung wird die Reibungeverbiiidungskraft der Bauelemente selbst so stark, daß es nicht mehr notwendig ist, zu ihrer Befestigung Schrauben mit übermäßr.g großer Zugbeanspruchung des Schaftes zu verwenden. Aus diesem Grund wird auch ein Absinken der Zugkraft verhindert und die Ermüdungsfestigkeit der Schraube beträchtlich verbessert.

Die Beaufschlagung eines Befestigungswerkzeugs, einer Schraube oder eines der zu befestigenden Elemente mit Vibrations energie hat auch Vorteile beim Befestigungsvorgang. Zwischen der Schraube (einschließlich einer üblichen Unterlegscheibe) und den Bauelementen entsteht nämlich aufgrund der Vibration ein Spalt, wodurch der Reibungskoeffizient zwischen ihnen kleiner wird. Hierdurch wird das Drehen der Schraube erleichtert und außerdem das Befestigungs- oder Anzugsmoment mit zunehmender Be-.rührung zwischen den Elementen vermindert. In vielen Versuchen wurde festgestellt, daß das erforderliche Drehmoment kleiner als 1/1O des Drehmomentes sein kann, das ohne Vibration benötigt würde, so daß für große Schrauben kein Spezialwerkzeug wie a.B. ein Druckluft-Stoßwerkzeug benötigt wird. Durch die Erfindung wird also der Arbeitsvorgang vereinfacht und erleichtert.

Die folgenden Beispiele für ein Verfahren gemäß der Erfindung dienen zum Vergleich mit konventionellen Methoden.

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Gemäß einem ersten Beispiel wurden zwei Schrauben hoher Zugspannung mit einem Durchmesser von 32 mm und einer anfänglichen Zugbelastung des Schaftes von 25 x 10"* zur Verbindung Von zwei 50 mm dicken Platten mit einer anderen, 25 mm dicken Platte verwendet, für die in einer Schichtanordnung eine Reibungsverbindung hergestellt werden sollte» Die Schrauben wurden unter Verwendung eines Stoßwerkzeugs angezogen, wobei ein Drehmoment von 150 fcg-ni notwendig .war* Die Befestigung erfolgte zweimal für die Dauer von 30 Minuten. Die Schaftzugkraft sank nach 25 Minuten auf 20 x-10". oder tiefer ab, wie die untere Kurve in Figur 7 zeigt. Im lauf der Zeit sinkt die Zugkraft noch weiter ab„ Gleichzeitig sinkt auch die Amplitude wiederholter Belastungen mit zunehmender Anzahl der Belastungsgänge ab, wie die untere* Kurve in Figur 8 zeigt. Hierbei war es unmöglich,, den Normwert des Schlupfkoeffizienten von 0,35 einzuhalten„.

Nun. wurde gleichzeitig mit dem Anziehen der Schraube Vibrationsenergie bei einer Eingangsfrequenz von 20 kHz und 150 Watt zugeführt, und zwar mit einem Mechanismus gemäß Figur 1. Das erforderliche Drehmoment betrug 5 kg-m, und es wurde nur ein Arbeitsvorgang 30 Sekunden lang durchgeführte, Der Arbeitsvorgang konnte alsobei dem Verfahren gemäß der Erfindung viel leichter und schneller durchgeführt werden als im bekannten Falli Wie aus Figur 7 hervorgeht, änderte sich die Zugkraft der Sehraube wenig und blieb wesentlich stabiler als im bekannten Fall. Auch die Amplitude wechselnder Belastung verbesserte sich merklich, vor allem, bei einer "Anzahl der Belastungsgänge von mehr als 15 QOö, wie aus Figur 8 hervorgeht| der Schlupfkoeffizient blieb höher als der Normwert von 0,35.

Bei einem .zweiten Beispiel wurden wieder die Schrauben und Platten wie beim ersten Beispiel verwendet. Die^ Vibrationsener- : gie beruhte auf einer Eingangsfrequenz von 40 kHz bei 150 Watt und würde an den Kopf der Schraube angelegt, wie in Figur 2 gezeigt ist. Die Schraube wurde mit einem normalen Schrauben- ; schlüssel angezogen. Das erforderliche Drehmoment betrug 5 kg-m, j

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und die Befestigung war nach einem einzigen Arbeitsgang und etwa 30 Sekunden voHLendet. Hins ich. ti ich. der Schaft zugkraft, der Amplitude wiederholter Belastung und der Ermüdungsfestigkeit wurden dieselben Ergebnisse wie beim ersten Beispiel festgestellt. ·

G_emäß einem dritten Beispiel wurden die Bedingungen des ersten Beispiels in ähnlicher Weise wiederholt. Die Eingangsfrequenz für die Vibrationsenergie betrug jedoch nun 30 kHz bei 150 Watt. Me Energie wurde gemäß !Figur 3 zugeführt. Es konnten die gleichen Ergebnisse wie beim ersten Beispiel festgestellt werden.

Gemäß einem vierten Beispiel wurden die Bedingungen des ersten Beispiels im wesentlichen wiederholt, doch wurde eine Vibrationsenergie aufgrund einer Eingangsfrequenz von 4OOO Hz gemäß Figur 1 bis 3 zugeführt. Das Ergebnis war, daß ein einziger Arbeitsgang und ein Anzugsmoment von 80 kg-m erforderlich waren. Im Vergleich mit den obigen Beispielen war also ein etwas höheres Drehmoment notwendig, das aber immer noch um die Hälfte . kleiner war als bei konventionellen Methoden. Es wurden wieder die Schaftzugkraft gemäß Figur 7 und die Amplitude gemäß Figur 8 erreicht.

Die Anzahl der zu verwendenden Wandler und die Größe der zugeführten Vibrationsenergie sind nach der Art, Qualität und Größe der Bauelemente und Schrauben zu wählen. Die Frequenz liegt vorzugsweise im Bereich von oberhalb der Sprechfrequenz bis zu Ultraschallfrequenzen, insbesondere von 4kHz bis 60 kHz.

Durch die Erfindung wird also vor allem erreicht, daß bei der gegenseitigen Be'festigung von Bauelementen großer Eisenkonstruktionen' mittels gewöhnlichen Schraubenverbindungen durch Beaufschlagen mit Vibrationsenergie die Befestigungskraft der Schrauben und die Reibungskraft zwischen den Bauelementen sprunghaft vergrößert werden. Die Ermüdungsbeständigkeit der Schrauben- und Mutteranordnung und die Stabilität der Konstruktionen werden dadurch beträchtlich verbessert.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Befestigen- von Bauelementen mittels einer Schraube, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß während des Anziehens der Schraube oder einer Mutter das zum Anziehen verwendete Werkzeug/ die Schraube selbst oder eines der Bauelemente mit Vibrationsenergie beaufschlagt wirde
2. 2. Verehren nach Anspruch T_p dadurch: g e k e im-" zeichnet, daß die Vibrationsenergie mit einer Eingangsfrequenz zugeführt :wirdy die aus einem Bereich von oberhalb der Sprachfrequenz bis zu Ultraschallfrequenzen gewählt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2₉ dadurch g ek e η η-zeichnet, daß die '!Frequenz aus einem Bereich gewählt wirdj der zwischen ungefähr 4 kHz und ungefähr 60 kHz liegt„

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