Genauigkeit in der Schraubtechnik

Wie genau ist genau?

Vielfach wird in der Praxis eine intensive Diskussion über geforderte, notwendige und sinnvollerweise erreichbare Genauigkeiten im Montageprozess geführt. Es soll daher versucht werden, einige Begriffe zu präzisieren:


Was bedeutet Genauigkeit?

Zunächst muss zwischen dem umgangssprachlichen Begriff der Genauigkeit im Sinne einer quantifizierbaren Exaktheit und der Definition nach DIN 55350 unterschieden werden. Letztere definiert die Genauigkeit als "Qualitative Bezeichnung für das Ausmaß der Annäherung von Ermittlungsergebnissen an den Bezugswert(...)", d.h. als eine nicht zu quantifizierende Größe. In der praktischen Diskussion dagegen bezieht sich der Begriff der Genauigkeit immer auf eine bestimmte Prozessgröße, beim Verschrauben in der Regel das Drehmoment. Es können aber genauso andere Werte wie der Drehwinkel, Wege oder Zeiten, aber auch der gesamte Prozess gemeint sein.

Werden konkrete Zahlenwerte genannt, so ist es sinnvoll immer die relative Standardabweichung einer Messreihe anzugeben. Die Angabe des Zahlenwertes entspricht dem messtechnischen Begriff der "Unsicherheit".

Ein Beispiel: Ein Drehmomentabschaltwert 9 Nm mit einer Genauigkeit (Unsicherheit) von 3 % bedeutet, dass das Werkzeug einer Messreihe unterzogen wurde mit einem Mittelwert von 9 Nm und einer Standardabweichung von ±3 % bezogen auf den Mittelwert als Ergebnis.
Dabei sind nach den einschlägigen DIN-Normen nur Messwerte heranzuziehen, die unter einwandfreien Versuchsbedingungen erzielt wurden.


Wiederholgenauigkeit:

Der umgangssprachliche Begriff der Wiederholgenauigkeit ist in DIN 55350 definiert als Präzision: Die "qualitative Bezeichnung für das Ausmaß der gegenseitigen Annäherung von einander unabhängiger Ermittlungsergebnisse bei mehrfacher Anwendung eines festgelegten Ermittlungsverfahrens unter vorgegebenen Bedingungen".

Grundsätzlich ist die Angabe von Genauigkeiten nach obiger Darstellung immer eine Wiederholgenauigkeit, da ein ermittelter Mittelwert (Einstellwert) mit einer Genauigkeit (Unsicherheit) von 3 % Standardabweichung aus einer Reihe von einander unabhängiger Messwerte ermittelt wird. In der Praxis wird die nachgewiesene Wiederholgenauigkeit von verschiedenen Parametern beeinflusst.

Je nach den Verschleiß- und Reibverhältnissen und Setzerscheinungen in der mechanischen Abschaltkupplung eines Schraubwerkzeuges kann es vorkommen, dass die Abschaltung in geringem Umfang beeinflusst wird. Daher ist eine zyklische Überprüfung der erreichten Drehmomentwerte sinnvoll.


Kinetische Energie:

Die kinetische Energie bei der Verschraubung hängt in erster Linie von der Drehzahl des verwendeten Schraubers ab.

Ein langsamerer Schrauber mit mechanischer Abschaltkupplung bewirkt, dass die in der Kupplung ausgelösten Bewegungsvorgänge ebenfalls langsamer ablaufen und somit die dynamischen Einflüsse geringer werden. Nach unserer Erfahrung zeigen langsame Schrauber eine geringere Standardabweichung als schnelle Schrauber auf.

Bei elektronisch gesteuerten Schraubsystemen werden die Einflüsse der Massenträgheit dadurch reduziert, dass im Endanzug die Drehzahl verringert wird.


Messtechnik:

Die verwendete Messtechnik muss geeignet sein für den dynamischen Vorgang der Verschraubung, d.h. sie muss die erforderliche Steifigkeit gegenüber Schwingungen aufweisen, sie muss die geeigneten Filter beinhalten und durch geeignete Algorithmen den richtigen Messwert ausgeben. Darüber hinaus ist die  Drift der Messelektronik zu berücksichtigen.

Besonderes Augenmerk ist auf die Abtastrate der Geräte zu legen, da hochdynamische Schraubvorgänge, Messfrequenzen von >10.000 Hz erfordern. Viele marktübliche Geräte liegen jedoch deutlich unter diesen Werten! Durch zu niedrige Abtastraten entstehen in der Praxis Abweichungen von 10 % und mehr.


Absolutgenauigkeit:

Unabhängig von der Wiederholgenauigkeit ist auch die Absolutgenauigkeit eines Werkzeuges bzw. Messsystems von Bedeutung. Streng genommen kann nur für Messsysteme eine Absolutgenauigkeit angegeben werden, wenn sie auf Nationale Normale rückführbar sind. Lediglich über die Schraubfallhärte wird der Absolutwert von Schraubwerkzeugen beeinflusst. Hier kommt es durch den oben beschriebenen Einfluss der kinetischen Energie zu unterschiedlichen Absolutwerten bei gleicher Einstellung des Schraubers.

Je nach Bauart der Kupplung und der Anordnung der Schraubstation (bewegte Massen nach der Kupplung) und der Steigung der Momentenkurve kommt es zu mehr oder weniger großen Veränderungen beim Absolutwert des Schraubers, da die Drehzahl beim Abschaltvorgang verändert wird. Die spezielle Bauart unserer NANOMAT®-, MICROMAT®- und MINIMAT®-Kupplungen eleminiert jedoch alle Einflüsse des Schraubers selbst, so dass es in der Praxis nur zu geringen Veränderungen kommt.

Auch beim direkten Vergleich zwischen zwei Messsystemen wird es in der Praxis immer zu Abweichungen kommen. Insbesondere bei sehr hochfrequenten Messzyklen wie der Verschraubung bei hartem Schraubfall und hohen Drehzahlen spielen beim erzielten absoluten Messergebnis unterschiedliche Messfilter, elektronische und mechanische Dämpfungsglieder eine Rolle. Eine grobe Orientierung über Absolutgenauigkeiten gibt die Rückführbescheinigung einzelner Messsysteme. In der Praxis sind jedoch die genauen Versuchsbedingungen, unter denen diese Kalibrierung erfolgt, nicht ausreichend genau genormt. Häufig wird nur statisch kalibriert [DIN 51309] und bescheinigt, die Einflüsse der hochdynamischen Schraubvorgänge bleiben unberücksichtigt.

Im Hinblick auf die Absolutgenauigkeit gibt die Messunsicherheit auf dem Kalibrierschein an, in welchem Toleranzfeld sich Messwerte bewegen können.


Welche Drehmomentwerte werden bestimmt?

Von größerer Bedeutung ist der Einfluss der Anordnung der verschiedenen Messaufnehmer auf die Absolutwerte eines Schraubers. Dabei ist zunächst zu beachten welche Momente tatsächlich gemessen und verglichen werden. Am Schrauber eingebaute Aufnehmer können immer nur das vom Schrauber abgegebene Drehmoment messen. Ob dieses Moment schließlich in Vorspannkraft oder Reibung oder Furchmoment umgesetzt wurde, kann die Sensorik nicht unterscheiden.

Klarheit kann hier nur eine Nachmessung an der Schraubverbindung bringen. Eine exakte Nachmessung ist jedoch nur mit einer Messelektronik möglich, die genauen Aufschluss über den Übergang von Haft- in Gleitreibung beim Nachziehen der Verbindung gibt. Das Lösemoment gibt niemals eine zuverlässige Aussage über erreichte Vorspannkräfte. Auch beim Nachziehen wird der tatsächlich aufgebrachte Wert noch einmal verändert, was letztlich die erreichte Genauigkeit weiter verschlechtert.

Bei Vergleichsmessungen wird es praktisch immer Abweichungen geben. Hauptursache sind hier Reibung und Setzerscheinungen in der Schraubverbindung. Weiterhin hat man immer unterschiedliche dynamische Einflüsse beim Nachmessen zum Originalanzug zu berücksichtigen.

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