Anzugsverfahren

Drehmoment – Drehwinkel – Längenmessung – Sonderverfahren

Drehmomentgesteuertes Anzugsverfahren

Reibungseinfluss beim drehmomentgesteuerten Anziehen
Zusätzliche Drehwinkelüberwachung beim drehmomentgesteuerten Anziehen


Wichtigste Steuergröße für das Anziehen von Schraubverbindungen ist immer das Drehmoment. Auch für viele andere Verfahren wird das Drehmoment als eine Steuergröße benötigt.

Die Problematik beim drehmomentgesteuerten Anziehen liegt ausschließlich in den schwankenden Reibbeiwerten. Dabei muss man vor allem zwischen der Kopfreibung und der Gewindereibung unterscheiden. Die Summe dieser schwankenden Reibungseinflüsse führt dazu, dass selbst bei hoher Drehmomentwiederholgenauigkeit Schwankungen der resultierenden Vorspannkraft von 50 % und mehr auftreten können.

Dies bedeutet, dass die Schraubverbindung immer so überdimensioniert sein muss, dass sie bei einer Abweichung nach oben nicht überlastet wird und bei einer Abweichung nach unten noch immer die geforderte Vorspannkraft aufbringt.

Trotz dieser Nachteile hat sich das drehmomentgesteuerte Anziehen als das mit Abstand am weitesten verbreitete Anzugsverfahren durchgesetzt. Dies liegt an der verhältnismäßig einfachen technischen Realisierungsmöglichkeit.

Als zusätzliche Variante kann man dem drehmomentgesteuerten Anziehen eine Drehwinkelerfassung überlagern. Die kann bei bestimmten Spezialfällen, wo es z. B. gilt, schwankende Werkstoffwerte an den Bauteilen bei der Verschraubung noch einmal abzufragen, sinnvoll sein. Dabei wird der eigentliche Montageprozess unverändert durchgeführt. Man kontrolliert jedoch den ab einem bestimmten Schwellmoment auftretenden Nachspannwinkel. Dieser Nachspannwinkel muss für eine "I.O. Beurteilung" innerhalb von bestimmten Grenzwerten, einem sogenannten grünen Fenster, liegen. So könnte man unter Umständen aus zu kurzen Nachspannwinkeln auf ein fehlendes Dichtungselement, oder aus zu langen Nachspannwinkeln auf nicht ausreichend gehärtete Bauteile schließen. Üblicherweise sollte das Schwellmoment, ab dem der Drehwinkel gezählt wird, zwischen 20 % (beim harten Schraubfall) und 80 % (beim weichen Schraubfall) des Endmomentes liegen.


Drehwinkelgesteuertes Anzugsverfahren

Drehwinkelgesteuertes Anziehen
Hook'sches Spannungs-/Dehnungsdiagramm


Beim sogenannten Drehwinkelverfahren werden das Drehmoment und der Drehwinkel der Schraubverbindung als Steuergröße herangezogen. Dabei dient im Endanzug der Drehwinkel und nicht das Drehmoment als Steuergröße. D.h. die Schraube wird bis zu einem Schwellmoment angezogen und von dort aus um einen vorgegebenen Nachspannwinkel weitergedreht. Das Drehmoment kann als zusätzliche Kontrollgröße überwacht werden.

Dieses Verfahren findet lediglich bei ganz speziellen Sicherheitsverschraubungen Anwendung, bei denen die Schraube in den plastischen Bereich angezogen werden muss. In diesem plastischen Bereich führt ein Weiterdrehen der Schraube praktisch zu keinem nennenswerten Drehmomentanstieg mehr, so dass das Drehmoment nicht als Steuergröße herangezogen werden kann.
Für den Anzug einer Schraube in den plastischen Bereich müssen ganz bestimmte Parameter eingehalten werden. Zudem verliert die Schraube ihre Wiederverwendbarkeit, da sie beim Anzug quasi dauerhaft verformt wird.


Die Begriffe "plastisch" und "elastisch" lassen sich anhand des Hook'schen Spannungs-/Dehnungsdiagramms veranschaulichen: Die Vorspannkraft ist, konstante Reibwerte vorausgesetzt, proportional zum aufgebrachten Drehmoment. Die Dehnung nimmt proportional zum steigenden Moment zu. Diesen Bereich nennt man den Bereich der elastischen Verformung, da nach Rücknahme der Belastung (Vorspannkraft/Moment) die Verformung ebenfalls zurückgeht. Bei Erreichen der Streckgrenze der Schraube flacht sich dieser gleichmäßige Anstieg der Schraube ab und man kommt in den plastischen Bereich der Verformung, der nach einer Rücknahme der Belastung nicht mehr rückgängig gemacht wird. Nach Überschreiten der maximalen Belastung beginnt die Einschnürung der Schraube und das Diagramm endet mit der Zerstörung der Schraube.

Je nach Ausführung der Schraube ist dieser plastische Bereich sehr kurz oder flach und langgestreckt. Man kann daran sehr gut erkennen, dass für die Verwirklichung des drehwinkelgesteuerten Anzugs eine Schraube mit einem weiten plastischen Bereich notwendig ist. Mit diesem speziellen Verfahren kann man die Störgrößen des Reibungseinflusses weitgehend eliminieren und die Belastbarkeit der Schraube maximal nutzen.


Streckgrenzgesteuertes Anzugsverfahren

Streckgrenzengesteuertes Anziehen (Bild links), Hook'sches Spannungs-/Dehnungsdiagramm (Bild rechts)


Um die starken Einschränkungen der Dehnschraube zu vermeiden ohne die Abhängigkeit der Reibwerte als Nachteil zu bekommen, wurde das streckgrenzgesteuerte Anziehen entwickelt. Auch hier werden Drehmoment und Drehwinkel als Steuergrößen erfasst. Man macht sich dabei die abfallende Steigung im Spannungs-/Dehnungsdiagramm bei Erreichen der Streckgrenze als Abschaltkriterium zunutze.

Betrachtet man das Spannungs-/ Dehnungsdiagramm, so zeigt sich, dass der Anstieg zunächst linear erfolgt und sich bei Erreichen der Streckgrenze abflacht. Die Axialkraft verhält sich proportional zum Drehmoment – die Dehnung proportional zum Drehwinkel. Mathematisch wird der Anstieg einer Kurve als die Ableitung der Funktion definiert. Fällt die Ableitung des Drehmomentes nach dem Drehwinkel auf ca. 50 % des Ausgangswertes, ist die Streckgrenze erreicht und der Anzugsvorgang wird beendet. Man kann diesem Prozess noch zusätzlich Grenzwinkel und Grenzmomente zur Sicherheit überlagern.

Mit diesem Verfahren können die Nachteile der schwankenden Reibwerte oder der Einschränkung der ausgewählten Schraube vermieden werden. Die eingesetzten Schrauben können durch die größere Sicherheit beim Erreichen der notwendigen Montagevorspannkraft kleiner dimensioniert werden.

Dennoch hat sich dieses Verfahren in der Praxis nicht sehr weit verbreiten können, da es mit einem sehr hohen messtechnischen Aufwand und damit hohen Kosten verbunden ist. Außerdem erfordert es im dauernden Betrieb sehr konstante Verhältnisse an den Bauteilen und stellt auch bestimmte konstruktive Anforderungen an die Schraubverbindung. Dieses Verfahren ist nur bei ordentlichen metrischen Stahlverbindungen anwendbar, da nur hier das dargestellte Spannungs-/Dehnungsdiagramm Gültigkeit hat. Außerdem sind diese Verfahren bei kleineren Drehmomenten messtechnisch nicht vernünftig einsetzbar.


Längenmessung

Messprinzip: Längenmessung


Grundsätzlich ist der mathematische Zusammenhang zwischen der Dehnung der Schraube und der erzeugten Vorspannkraft wesentlich genauer als zwischen Drehmoment und Vorspannkraft. Eine direkte Dehnungsmessung führt daher zu genauen Vorspannkraftwerten. Dies kann z.B. über die mechanische Messung einer Bohrung in der Schraube erfolgen, die tiefer sein muss als die Einspannlänge der verwendeten Schraube. Diese Methode findet in der Praxis praktisch keine Anwendung, da sie sich lediglich für Spezialfälle mit größeren Schrauben eignet.

Ultraschall-Längenmessung

Eine weitere Methode ist, die Dehnung der Schraube über die Laufzeitmessung einer Ultraschallwelle zu erfassen. Hierzu wird ein Ultraschallimpuls in den Schraubenkopf eingebracht. Der Impuls pflanzt sich durch die Schraube fort, wird am Schaftende an der Grenzfläche Stahl/Luft reflektiert und läuft zum Schraubenkopf zurück. Der Zeitunterschied zwischen dem 1. und 2. Echo des Impulses wird zur Längenmessung der Schraube verwendet. Diese Messung kann hochfrequent erfolgen, so dass mit mehreren tausend Messungen pro Sekunde eine hohe Auflösung erreicht werden kann.

Als Störgrößen müssen dabei noch die verschiedenen Spannungszustände des Schraubenwerkstoffes sowie die Temperatur der Schraube kompensiert werden. Dieses Verfahren wurde bereits zur Serienreife entwickelt und findet bei ganz sensiblen Sicherheitsschraubverbindungen in der Automobilindustrie erste Anwendungen. Dabei kann jedoch auf die zusätzliche Überwachung von Drehmoment und Drehwinkel noch nicht verzichtet werden.

Auch dieses Verfahren erfordert Spezialschrauben mit aufgedampftem Sensor. Mit jeder verarbeiteten Schraube verbleibt somit ein teures Sensorelement am Bauteil.


Sonderfälle

Fast alle oben beschriebenen Verfahren haben ihre Gültigkeit nur für metrische Schraubverbindungen in Stahl. In der Praxis gibt es jedoch eine Vielzahl weiterer Schraubverbindungen, insbesondere Blechschrauben, selbstbohrende oder selbstformende Schrauben sowie Schraubverbindungen mit metallischen Schrauben in thermo- oder duroplastische Kunststoffe. Auf einige Besonderheiten im Schraubenanzug soll an dieser Stelle hingewiesen werden.

Grundsätzlich gilt auch hier stets der Zusammenhang zwischen aufgebrachtem Drehmoment, Reibwerten und erzeugter Montagevorspannkraft. Durch die sehr unterschiedlichen Materialkennwerte der Bauteile kann jedoch der Zusammenhang insbesondere bei Kunststoffverschraubungen nicht allein auf die Materialkennwerte der Schraube bezogen werden. Bei selbst bohrenden oder selbst formenden Schrauben treten weitere Störgrößen auf, die sogenannten Eindrehmomente.

Hierbei ist die konstruktiv richtige Auslegung der Schraubverbindung von erheblicher Bedeutung. Beim Eindrehen von gewindeformenden oder gewindeschneidenden Schrauben kommt es stets zu hohen Eindrehmomenten. Diese Eindrehmomente liegen vielfach sogar im Bereich der späteren Anzugsmomente. Nur wenn die Schraubverbindung derart ausgelegt ist, dass es nach dem Formen des Gewindes, vor Auflage des Schraubenkopfes, zu einem freien Durchlauf kommt, gelten die dargestellten Zusammenhänge des drehmomentgesteuerten Anziehens.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Drehmomentabschaltung während der Eindrehphase überbrückt werden muss, um ein vorzeitiges Abschalten des Schraubwerkzeuges zu verhindern. Dies kann in hervorragender Weise, z. B. durch unsere SENSOMAT® Schrauber erreicht werden.

In anderen Fällen, in denen z. B. ein Gewinde in ein Sackloch geformt werden muss, hat man bis zum Erreichen des Endmomentes neben den Reibanteilen immer auch Gewindeformmomente aufzubringen. Aufgrund der starken Schwankungen dieser Eindrehmomente sind die verbleibenden Ungenauigkeiten bei den erreichten Vorspannkräften in jedem Fall deutlich höher als bei den beschriebenen Standardfällen. Insbesondere bei Direktverschraubungen in thermoplastische Kunststoffe kommt der richtigen Drehzahl des Schraubers entscheidende Bedeutung zu.

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