DE2853988A1 - Verfahren zur indirekten messung der schraubenvorspannung - Google Patents

Verfahren zur indirekten messung der schraubenvorspannung

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DE2853988A1 DE19782853988 DE2853988A DE2853988A1 DE 2853988 A1 DE2853988 A1 DE 2853988A1 DE 19782853988 DE19782853988 DE 19782853988 DE 2853988 A DE2853988 A DE 2853988A DE 2853988 A1 DE2853988 A1 DE 2853988A1
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Description

bu/kr
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
Nürnberg, 5- Dez, I978
Verfahren zur indirekten Messung der Schraubenvorspannung
Die Erfindung bezieht sich auf die indirekte Messung der Schraubenvorspannung mit dem Ultraschall-Impuls-Echo.
Die Schraubenvorspannung (z.B. bei Zylinderkopfschrauben) wird üblicherweise auf direktem Weg über die Messung des Anzugsmomentes bestimmt. Dabei muß man allerdings einen Streubereich von + 25# hinnehmen, der hauptsächlich durch die Abhängigkeit des Reibkoeffizienten von äußeren Bedingungen (Rost, Schmierung etc.) an der Oberfläche der Schraube abhängt. Dies muß für die Serienfertigung als unbefriedigender Zustand angesehen werden.
Um diesem Mißstand zu begegnen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnelleren und wesentlich präziseren Ermittlung der Schraubenvorspannung zu entwickeln.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das dem Anspruch I
030029/0029
00.8647
entnehmbare Verfahren.
Durch dieses Verfahren wurde es möglich, die. Abweichungen der tatsächlichen Vorspannung von der gewünschten Vorspannung auf einen Wert von + 5% an Stelle von + 25£ nach den herkömmlichen Verfahren einzuengen. Dies ist möglich durch Ldslösung des Verfahrens von Unsicherheitsfaktoren wie dem Reibkoeffizienten, welcher stark in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit der Schraube schwankt. Die Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Schallgeschwindigkeit des Schraubenmaterials wird durch Eichung des Ultraschallgerätes auf die Schallgeschwindigkeit der Schraube im unbelasteten Zustand umgangen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Anwendung normaler Vollschaftschrauben an Stelle von teueren Dehnschrauben, da man über die erreichte Vorspannung genau im Bilde ist und man daher kein Lösen der Schrauben durch Wechselbelastung zu fürchten braucht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß in eine zwischen einen Schraubenkopf und eine Ratsche eingeschaltete Schraubennuß und zu dieser konzentrisch ein Ultraschallprüfkopf eingebaut ist, daß dieser UltraschallprUfkopf über eine Feder unter Zwischenschaltung eines Kopplungsmediums an den Schraubenkopf anpreßbar ist, und daß dieser PrUfkopf über ein Ultraschallgerät mit einem Rechner verbunden ist.
Durch eine solche Vorrichtung kann man zuverlässig und ohne zusätzlichen Zeitaufwand Schrauben so anziehen, daß sie eine vorbestimmte Vorspannung besitzen. Erreicht wird dies durch eine Messung
030029/0029
oo 86*7 /
der Laufzeitunterschiede von Schallimpulsen aus dem Prüfkopf, welche einem Rechner nach vorheriger Verstärkung in einem Ultraschallgerät zugeführt werden, wobei der Rechner die Längung der Schraube errechnet, aus welcher die Vorspannung resultiert. Es braucht vom Bedienungspersonal also nur vor dem Aufsetzen der Schraubennuß etwas Kopplungsmedium auf den Schraubenkopf gestrichen zu werden und die Schraube so weit angezogen werden, bis der Rechner eine bestimmte Dehnung der Schraube anzeigt.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung kann Anspruch 3 entnommen werden.
Diese Art der Vorrichtung ist von einem Kupplungsmedium unabhängig, bietet aber ansonsten die gleichen Vorteile wie die Vorrichtung nach Anspruch 2. Als zusätzlichen Vorteil bietet sie aber eine Anwendbarkeit bei höheren Temperaturen (über 350 Kelvin), da an Stelle des wärmeempfindlichen Kopplungsmediums nur ein kleiner Luftspalt zur Ankopplung erforderlich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung sowie ein Eichdiagramm sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Pig. I Schnitt durch eine auf einen Schraubenkopf aufgesetzte Schraubennuß mit PrUfkopf,
Fig. 2 Eichdiagramm zur Ermittlung der SchraubenvorSpannkraft.
Fig. I zeigt eine mögliche Ausführungsform für die
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cn 86*17
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. Dabei wird über eine Ratsche I unter Zwischenschaltung einer Schraubennuß 2 eine Schraube 3 angezogen. Im Inneren der Schraubennuß 2 befindet sich ein Prüfkopf 4 (im dargestellten Pail ein Ultraschallprüfkopf 5), welcher mittels einer Feder 6 an einen Schraubenkopf 7 angepreßt wird. Im Falle des Ultraschallprüfkopfes ist der Schraubenkopf vor dem Aufsetzen der Schraubennuß mit einem Ankopplungsmedium bestrichen worden. Der Prtifkopf 4 ist über ein Ultraschallgerät 8 mit einem Rechner 9 verbunden, welcher bei Serienfertigung die Steuerung der Schraubennuß übernimmt und ein weiteres Anziehen der Schraube 3 verhindert, wenn der eingespeicherte Wert erreicht ist.
Für einfachere Fälle genügt ein Ultraschallgerät, in dem die Längung der Schraube 3 angezeigt wird, und man durch Vergleich mit der Längung einer Schraube gleichen Typs in einer Zugmaschine weiß, wann die gewünschte Vorspannkraft erreicht ist.
An Stelle des Ultraschallprüfkopfes 5 kann auch eine nach dem magnetostriktiven Prinzip arbeitende elektrodynamische Sonde Anwendung finden, diese wird nicht mit Kopplungsmedium sondern über einen Luftspalt angekoppelt, die übrige Anlage bleibt unverändert.
Fig. 2 zeigt ein Eichdiagramm, bei dem die Längenänderung £ 1 der Prüfschraube über der von einer Zugmaschine aufgebrachten Kraft F aufgetragen ist. Die Eichung wird so vorgenommen, daß man eine Probeschraube, welche den in Serie einzubauenden Schrauben gleicht und mit der gleichen Einspannlänge wie im eingebauten Zustand in eine Zugmaschine eingespannt
030029/0029 ./.
oo 8647
und belastet. Nun wird mit einem Ultraschallprüfkopf und einem Ultraschallprüfgerät die Längenänderung ^ der Schraube als Punktion der Kraft P ermittelt. Die für den Einbau vorgesehene Schraube gleichen Typs braucht also nur um die aus dem Eichdiagramm entnehm bare und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung meßbare Länge ^ 1 beim Anziehen gestreckt werden, um eine bestimmte Vorspannkraft zu erreiohtn.
Zum Verständnis der Punktionsweise soll abschließend auf die theoretische Grundlage eingegangen werden.
Das Verfahren beruht auf der Tatsache, daß beim Vorspannen einer Schraube eine Dehnung auftritt, welche nach dem Hook'sehen Gesetz der Vorspannung proportional ist. Zur Messung dieser Dehnung bedient man sich des Ultraschalls, welcher am Schraubenkopf eingeleitet wird, die Schraube durchläuft und an ihrem Ende reflektiert wird. Aus der Laufzeit kann die Länge der Schraube ermittelt werden, wobei noch zu beachten ist, daß die Sehallgeschwindigkeit V& eine Punktion der Spannung ist. Ist Vo die Schallgeschwindigkeit im unbelasteten Zustand, so ergibt sich V^ zu:
V0 (I + a .β*) (I).
Hierin ist a ebenfalls eine Materialkonstante. Wird nun eine Schraube der Länge 1Q durch die Span nungG*um einen Betrag ▲£ gedehnt, so ergibt sich ein Laufzeitunterschied ^ t'z-ut.
vo
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oo 8647
Mit dem Hook'sehen Gesetz, welches umgeformt lautet: E . _io_ . g* (2.1)
Δ 1
ergibt sich mit a .GT« I und 6*« E die Näherungsformel!
ο
Die in dieser Formel auftretenden Materialkonstanten ν , E sind bekannt oder leicht bestimmbar, nicht aber a. Die Ursachen für die Änderung der Schallgeschwindigkeit, die von dem Ε-Modul, der Dichte und dem Poisson'sehen Querkontraktionskoeffizienten abhängt, sind schwer zu erfassen, um daraus a zu errechnen. Daher ist es besser, den direkten Zusammenhang zwischen At und Al durch Versuch zu bestimmen. In Hinblick auf die übliche Technik wird dabei nicht ^t sondern die auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes zu beobachtende Verschiebung ^ s des Echos in Bezug auf den Impuls der ausgesendet wurde. Diese Verschiebung Δ s ist ^ t proportional.
8 ^ . b (1 - a . E) (4). ο
Der Faktor b ist eine Gerätekonstante des Ultraschallgerätes und ist die Abtastgeschwindigkeit des Elektronenstrahls auf den Zeilen des Bildschirmes.
Der in den Formeln 2, J5, 4 auftauchende Faktor 2 wird üblicherweise weggelassen, da die für Ultrasehallprüfung verwendeten Geräte so eingerichtet sind, daß der Faktor 2 resultierend aus dem doppelten Weg,den der Schall bei Reflexion zurückzulegen hat, bereits ins Gerät eingearbeitet ist. Zum besseren Verständnis der tatsächlich auftretenden Größen wurde Faktor 2 in die Formel eingearbeitet.
030029/0029
oo 86Ji7

Claims (3)

bu/kr Maschinenfa brik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Nürnberg, 5. Dez., 1978 Patentansprüche
1.) Verfahren zur indirekten Messung der Schraubenvory
spannung mit dem Ultraschall-Impuls-Eoho-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß.die Länge einer Prüfsehraube vor und nach dem Aufbringen einer bestimmten Vorspannung mittels einer Zugmaschine durch die Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmt wird, daß durch Differenzbildung beider Längen die Längenänderung bestimmt wird, und daß die Vorspannkraft einer zum Einbau bestimmten Schraube gleichen Typs wie die Prüfschraube durch Anziehen so weit gesteigert wird, bis die ebenfalls mit . Ultraschallimpuls aus der Laufzeit ermittelte relative Längenänderung mit der in der Zugmaschine ermittelten relativen Längenänderung der Prüfschraube identisch ist, wobei ein dazu verwendetes Ultraschallgerät (8) auf die Schallgeschwindigkeit des Materials in der unbelasteten Schraube geeicht ist.
00.8647 030029/0029
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine zwischen einen Schraubenkopf (7) und eine Ratsche (1) eingeschaltete Schraubennuß (2) und zu dieser konzentrisch ein Ultraschall-Prtifkopf (5) eingebaut ist, daß dieser Ultraschall-PrUfkopf über eine Feder (6) unter Zwischenschaltung eines Kopplungsmediums an den Schraubenkopf (7) anpreßbar ist, und daß dieser Prüfkopf (4) über ein Ultraschallgerät (8) mit einem Rechner (9) verbunden ist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß in eine zwischen den Schraubenkopf (7) und eine Ratsche (1) eingeschaltete Schraubennuß (2) und zu dieser konzentrisch eine, elektrodynamische Sonde eingebaut 1st, und daß zwischen dieser Sonde und dem Schraubenkopf ein Luftspalt vorgesehen ist, und daß diese Sonde über ein Ultraschallgerät (8) mit einem Rechner (9) verbunden ist.
oo 86*7 030029/0029
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