Entscheidend für Funktion und Zuverlaessigkeit der Schraubenverbindung ist die Vorspannkraft. Bei genauer Kenntnis aller Eingangsgroessen ist die Berechnung der Vorspannkraft kein Problem. Die VDI-Richtlinie 2230 -Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen- bietet hierfuer einen Algorithmus.
Bei der Montage der Schraubenverbindungen ist es dagegen noch immer schwierig, die richtige Vorspannkraft genau zu treffen, weil die Messung der Kraft meist nur ueber Umweggrössen moeglich ist.
Bei der Drehmomentkontrolle fuehren Reibungs- und Geometrieparameter zur Streuung. Bei der Montage mit Drehwinkelsteuerung sind dies Festigkeits-, Steifigkeits- und Reibungsparameter. Nutzt man die Streckgrenzkontrolle, bleiben immer noch die Festigkeit und Reibung im Gewinde, die die Streuung der Vorspannkraft und der Schraubenauslastung bestimmen. Selbst bei Montagemethoden, fuer die bei der Schraubendimensionierung ein AnziehfaktorA=1 (real:A= 1,28) angesetzt werden kann, betraegt die Streuung noch etwa 12%.
Einen Ausweg bietet eine neue Variante der Vorspannkraftmessung mit Ultraschall. Gegenueber den bekannten Methoden, bei denen der Ultraschall ueber einen mit einem Dispersionsmittel angekoppelten Messkopf eingeleitet wird, wird bei diesem Verfahren der Ultraschallerzeuger direkt auf den Schraubenkopf aufgebracht. Damit wird es moeglich, zuverlaessig transversale und longitudinale Wellen zur Messung der Schraubendehnung als Mass fuer die Vorspannkraft einzusetzen. Durch die unterschiedlichen Ausbreitungscharakteristika der beiden Wellenformen laesst sich die Vorspannkraft absolut, d.h. ohne Kenntnis des unbelasteten Zustandes, ermitteln.
Bei Nutzung nur der longitudinalen Welle, im sogenannten assembly-mode, wird eine Genauigkeit der Kraftmessung von etwa 3% erreicht. Bei Nutzung beider Wellenformen, liegt die Genauigkeit noch bei etwa 10%. Diese Ergebnisse eroeffnen interessante Anwendungsmoeglichkeiten, z.B. eine praezise Montage sehr weicher und biegeempfindlicher Verbindungen. Koppelt man das Ultrafast-Verfahren mit einfachen, robusten und ergonomisch guenstigen Montagegeraeten (Schlag- oder Impulsschraubern), laesst sich die Qualitaet der Montage deutlich steigern. Dieser Vorteil kann ueber verringerte Schraubenabmessungen zu Gewichts- und Energieeinsparungen fuehren.
Die Anwendung des Verfahrens macht aber noch einige Schwierigkeiten, die im gegenwaertigen Entwicklungsprozess bewaeltigt werden müssen. So ist die Einkopplung des Ultraschallsignals in Schrauben mit einer elektrisch nicht leitfaehigen Korrosionsschutzschicht unmoeglich. Bei der Ultraschallmessung werden keine Informationen zu torsionalen Beanspruchung geliefert, so dass man den genauen Zustand der Werkstoffanstrengung nicht kennt. Ausserdem reagiert Ultraschall empfindlich auf eine Reihe verschraubungstypischer Parameter, wie Biegung, effektive Klemmlaenge und spezifische Form- und Lageabweichungen.
Loesungen zu diesen Problemen werden von der Ultrafast Inc. in Zusammenarbeit mit den Werkzeugherstellern Atlas-Copco, Robert Bosch und Quantai Systems sowie dem Schraubenhersteller Bauer &Schaurte Karcher Verbindungstechnik erarbeitet.
Hinderlich fuer die breite Anwendung dieser vielversprechenden Montagemethode sind die Mehrkosten. Sie betragen nach (optimistischen) Einschaetzungen von Ultrafast etwa 0,10 DM/Schraube. Dagegen steht ein komplexes Einsparungspotential, das heisst keine Nacharbeits- und sonstige Qualitaetssicherungskosten oder Investitionen zur Montagerationalisierung.
Dipl.-Phys. Frank Naumann,
Leiter des
Bereiches Entwicklung und Technische Kundenberatung der
Firma
Bauer&Schaurte Karcher Verbindungstechnik GmbH, Neuss.
Rolf Diederichs 30. Jan.1996, info@ndt.net