10 Schritte zur sicheren Schraubverbindung. Ein Leitfaden für höchste Qualität in der Schraubenmontage Tectum Verlag Marburg, 2007

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2 Volker Schatz 10 Schritte zur sicheren Schraubverbindung. Ein Leitfaden für höchste Qualität in der Schraubenmontage Tectum Verlag Marburg, 2007 ISBN (Dieser Titel ist als gedrucktes Buch unter der ISBN im Tectum Verlag erschienen.) Besuchen Sie uns im Internet Bibliografische Informationen der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über abrufbar.

3 Einleitung Den Letzten beißen die Hunde Schritt Überprüfe die Montagevorschrift Wie funktioniert eine Schraubverbindung? Ermittlung der Vorspannkraft in der Montage Abschätzung der Reibungszahl in der Montage Drehmoment und Drehwinkel Der Bruchversuch Wo liegt die Streckgrenze? Grafische Analysen und Auswertungen Die Einflüsse des Setzverhaltens Eindrehverhalten von selbstfurchenden Schrauben Schritt Kontrolliere die Verbindungselemente Montageeigenschaften von Schrauben Praxisgerechte Prüfungen Muttern mit Klemmteil Der Test auf Wasserstoffversprödung Prüfen von Blechschrauben Schritt Verwende die richtigen Werkzeuge Leistungsfähigkeit von Schraubsystemen Abweichungen Drehgeschwindigkeiten von Schraubsystemen Die Definition der Schraubfallkategorien Mindestanforderungen an Schraubsysteme Schritt Richte eine individuelle Prüfplanung ein Maschinenfähigkeitsuntersuchungen von Schraubwerkzeugen Werkzeuge in Fähigkeit bringen (IFB) Werkzeuge in Fähigkeit halten (IFH) Stichprobenuntersuchungen an Schraubverbindungen Prozesssicherung Schritt Benutze akkurat arbeitende Werkzeuge Kalibrieren von Hand-Drehmomentschlüsseln Kalibrierung von Handschlüsseln mit Drehwinkelmessung Zertifizieren von Schraubwerkzeugen Überprüfung von Impulsschraubern

4 6. Schritt Führe Stichprobenuntersuchungen durch Messen während der Montage Computergestützte statistische Prozessregelung Statistische Auswertemethoden Schritt Lege die Parameter für die Prozesssicherung fest Messen von Weiterdrehmomenten Ermittlung der Prüfparameter Schritt Benutze einheitliche Methoden Vereinheitlichung der Prüfmethoden Erstellen der individuellen Dokumentation Qualitätssicherung Entwicklung Kalibrierlaboratorium Instandhaltung Produktion Externe Dienstleister Schritt Schule die Mitarbeiter Ausbildungsstrategie Anwenderschulung Anwendung von Prozeduren, Normen und Vorschriften Schulungen zertifizieren Schritt Sichere eine unabhängige Prüfung Was ist Kalibrieren? Wer darf kalibrieren? Wie wird kalibriert? Warum wird kalibriert? Der Nachweis der Messmittelfähigkeit Die Hierarchie der Technologien Unabhängige Kalibrierlaboratorien Zum guten Schluss Literatur

5 Einleitung Den Letzten beißen die Hunde Den letzten beißen die Hunde, so sagt der Volksmund. Gemeint ist damit, dass derjenige, der als letzter übrig bleibt, die Konsequenzen tragen muss von allem, was vorangegangen ist. Die Endmontage von kompletten Produkten oder auch von komplexen Modulen stellt das Ende einer Prozesskette dar. Alle Einflüsse, alle Fehler, alle Ungenauigkeiten, die in diesen Prozess eingeflossen sind, summieren sich dort. Insbesondere in der Automobilindustrie stellt sich die Erfüllung der hohen Qualitätsanforderungen besonders schwierig dar, da das Endprodukt an sich extrem komplex ist. Es gibt eine große Anzahl an Varianten und Modellen und der Anteil der manuellen Montage ist relativ hoch. Darüber hinaus sind die Anforderungen gestiegen, die den Prozess begleiten, aber mit dem ursprünglichen Montageprozess nichts mehr zu tun haben. Neue gesetzliche Auflagen, Qualitätsprozesse und Umweltschutz erhöhen die Komplexität der Montageprozesse. Im Wesentlichen sind dies folgende Einflüsse: Produkthaftungsgesetze Richtlinien zur europäischen Harmonisierung Qualitätsmanagement nach ISO 9000 Umweltschutz Management nach ISO Speziell Produkthaftungsgesetze haben die Komplexität der Prozesse in den letzten Jahren deutlich erhöht. Selbst kleinste Fehler im Entwicklungs- oder Montageprozess können Kosten in Höhe von Millionenbeträgen verursachen. Eine negative Berichterstattung in den Medien kann über Erfolg oder Misserfolg eines neuen Produktes entscheiden. Den Entwicklungsverantwortlichen droht neben der Produkthaftung für das Unternehmen auch persönliche Haftung im Falle grober Fahrlässigkeit. Die Richtlinien zur europäischen Harmonisierung sollten laut Gipfel der Regierungschefs der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft in Lissabon dazu führen, dass Europa bis 2010 die wettbewerbsfähigste wissensbasierte Wirtschaftsregion der Welt wird. Aber die Realität sieht zurzeit leider anders aus. Der europäische Gesetzgeber sucht sich neue Aufgaben. Und er findet sie im technischen Bereich auf zwei Gebieten. Zum einen unterzieht er bestehende Gesetze einer Novellierung, zum anderen lässt er sich neue Gesetze einfallen. Die Vorhaben überschlagen und ü- 7

6 berschneiden sich. Die EMV-Richtlinie wurde von 1998 bis 2004 revidiert. Die Novellierung der Maschinenrichtlinie ist jetzt ebenfalls seit 1998 in Arbeit. Der Niederspannungsrichtlinie nahm sich von 2001 bis 2003 eine Arbeitsgruppe der Europäischen Kommission an. In einem weitgehend verwirklichten Binnenmarkt und bei weitgehend problemloser Anwendung dieser Richtlinien ist der Novellierungsbedarf schwer zu begründen. Folge: Da die Initiative vom Gesetzgeber und nicht von der Industrie ausgeht, ist die Tendenz zur Verschlimmbesserung nahe liegend und hat sich in vielen Fällen bestätigt. (vgl. Huhle 2004, S. 1) Darüber hinaus ist mit dem Altfahrzeug-Gesetz die EU-Altfahrzeug- Richtlinie vom September 2000 in deutsches Recht umgesetzt worden. Somit müssen Hersteller sicherstellen, dass ab 2006 mindestens 85% des durchschnittlichen Gewichts eines Altfahrzeuges verwertet wird. Ab 2015 muss dieses Verwertungsziel auf 95% gesteigert werden. Damit geht die Umstellung auf Chrom (VI)-freie Beschichtungen einher, die insbesondere in der Schraubenmontage neue Anforderungen mit sich ziehen und neue Probleme erzeugen. Um diese Probleme, die auf hochkomplexen Zusammenhängen beruhen, in den Griff zu bekommen, muss man sich einer ganzheitlichen Systematik bedienen. Das Ergebnis des Montageprozesses hat mehr als eine Ursache. Es ist das Ergebnis einer Reihe von Einflussfaktoren. Ändern sich diese, so ändert sich auch das Ergebnis des Prozesses. Eine systematische Herangehensweise an die Einflüsse würde bedeuten, dass man eine Liste aller möglichen Ursachen aufstellt und die Probleme im Montageprozess daraufhin analysiert. Wer die zahllosen Probleme in der Montage kennt und diese Zahl mit den möglichen Ursachen multipliziert, wird schnell zu dem Schluss kommen, dass diese Liste sehr lang wird. Aus diesem Grunde hat der japanische Wissenschaftler Karuo Ishikawa ein Diagramm entwickelt, in dem die Ursachen kategorisiert werden. Überträgt man dieses Ursache- Wirkungs-Diagramm auf die Schraubtechnik, erkennt man vier wesentliche Einflüsse: 8

7 Mensch (Anwender) Maschine (Drehmoment-Werkzeug) Qualität der Schraubverbindung Methode (Anziehverfahren) Material (Schrauben, Muttern) Abbildung 1: Ishikawa Diagramm. Die Ursachen von Qualitätsproblemen in der Schraubenmontage definieren sich über die 4M: Mensch Die Frage, die gestellt werden muss, heißt: In wieweit spielen am Prozess beteiligte Personen eine Rolle? Zum einen spielen die Einflüsse eine Rolle, die auf den Menschen einwirken können. Dort haben technische, organisatorische und soziale Bedingungen eine Bedeutung. Denn die Leistung und das Ergebnis der Leistung eines Individuums hängen von ihm selbst ab, aber auch von der Situation, in der sich das Individuum gerade befindet. Darüber hinaus haben die Faktoren Motivation und Schulung ein bedeutendes Gewicht hinsichtlich des Prozessergebnisses, welches der Mensch beeinflusst. Maschine In der Schraubenmontage werden Werkzeuge zum Problem, wenn sie den Prozess nicht zufriedenstellend erfüllen können, wenn sie defekt o- der schlecht gewartet sind oder wenn veraltete Werkzeuge verwendet werden. Damit sich ein Werkzeug für einen qualitativ hochwertigen Montageprozess eignet, muss es systematisch überprüft werden und die Fähigkeit muss nachgewiesen sein. Durch regelmäßige Prüfung muss nachgewiesen werden, dass alle Qualitätsanforderungen erfüllt sind. 9

8 Methode Die Methode beschreibt, auf welchem Wege etwas zu tun ist, das heißt wie der Prozess abläuft, damit eine definierte Aufgabe erledigt wird. Dazu muss überprüft werden, ob die Methoden geeignet sind, das vorgegebenen Qualitätsziel zu erreichen und ob die Methode überhaupt eingehalten wird. In der Schraubenmontage ist das Anziehverfahren der wichtigste Einfluss in dieser Kategorie. Es zieht aber eine Unmenge von Problemen nach sich, wenn die angewendete Methode nicht das gewünschte Ergebnis bringt. Zur Überprüfung des Anziehverfahrens muss die Montage in der Lage sein, die Methoden auf Wirksamkeit hinsichtlich des gewünschten Ergebnisses zu überprüfen. Material Zum Material zählt alles, mit dem gearbeitet werden muss oder an dem gearbeitet werden muss. Nur wenn Schrauben und Muttern sowie die Teile, die zusammengefügt werden müssen, eine einwandfreie Qualität aufweisen und ihre Funktion erfüllen, ist der Montageprozess erfolgreich. Wareneingangsüberprüfungen, aber auch Prüfungen vor Ort im Montageprozess stellen sicher, dass nur intaktes Material verwendet wird. Dieses Buch beschreibt zehn Schritte, die auf alle Einflüsse im Montageprozess einwirken. Ursachen und Wirkungen, die die Qualität von Schraubverbindungen entscheidend beeinflussen, werden analysiert und beleuchtet. Die 10 Schritte dienen als Checkliste, um vorhandene Methoden zur Überwachung von Verschraubungsprozessen auf Vollständigkeit zu überprüfen. Darüber hinaus eignen sie sich als Leitfaden zum Aufbau einer Qualitätssicherung auf höchstem Niveau, den heutigen Standards entsprechend. 10

9 1. Schritt Überprüfe die Montagevorschrift Das Anziehverfahren ist in der Schraubenmontage der wichtigste Aspekt der Montagevorschrift. Für jede Schraubstelle am zu montierenden Aggregat gibt es eine Vorschrift darüber, nach welchem Verfahren und mit welchen Messgrößen die Montage erfolgen muss. Die Parameter des Montageverfahrens werden dabei auf Grundlage von abstrahierten Modellen berechnet, die auf Grund ihrer Abstraktion nur eine Annäherung an die tatsächlichen Bedingungen zulassen. Dem geht eine Reihe von Annahmen und Abschätzungen voraus, die als Grundlagen für die Auslegung der Schraubverbindung dienen. Maßgeblich sind dabei vor allem die Reibeigenschaften zwischen den zu montierenden Teilen sowie die Kräfte, die über die verbundenen Elemente übertragen werden müssen. Als Grundlage für die Montagevorschrift dienen oft Tabellen, Normen oder Laborergebnisse, welche die tatsächlichen Einflüsse in der Montage häufig nicht berücksichtigen. Die heute in der Produktion verwendeten Anziehvorschriften geben normalerweise ein Drehmoment mit entsprechenden Toleranzgrenzen vor oder ein Drehwinkelverfahren, bei dem die Drehung der Schraube ab einem vorgegebenen Drehmoment erfolgt. Diese Toleranzen müssen in der Produktion eingehalten werden. Alle anderen Montageverfahren sind Ableitungen dieser grundlegenden Vorgaben. Beobachtet man den Vorgang einer Schraubenmontage, so erscheint dieser zunächst uninteressant und unproblematisch. Erfolgt die Verschraubung über einen Drehschrauber, so dreht dieser die Schraube in ein Gewinde bis der Schraubenkopf das Montageteil berührt und der Schrauber plötzlich stehen bleibt. Dabei nimmt das Eindrehen den größten Teil der Zeit in Anspruch. Die eigentliche Montage, das Verbinden von zwei oder mehreren Teilen, vollzieht sich in Bruchteilen von Sekunden. Das drehmomentgesteuerte Montageverfahren bildet dabei die am häufigsten angewendete Spezifikation in der Montage. Die Ursache hierfür liegt darin, dass eine Montage auf Drehmoment mit relativ einfachen Verfahren realisiert werden kann. Für das motorische Anziehen von Schrauben werden so Abbildung 2: Drehmomentgesteuertes Anziehverfahren. 11

10 genannte Drehschrauber eingesetzt, welche die Schraube so lange drehen, bis ein bestimmtes Drehmoment dazu führt, dass eine mechanische Kupplung den Kraftfluss unterbricht und die Montage der Schraube beendet. Bei der manuellen Montage werden Drehmomentschlüssel eingesetzt, die durch ein so genanntes mechanisches Abknicken den Kraftfluss unterbrechen und dabei ein entsprechendes Signal liefern. Ein weiteres, aufwändigeres Verfahren, besteht darin, mit einem anzeigenden Drehmomentschlüssel die Schraube so weit von Hand zu drehen, bis das vorgegebene Drehmoment angezeigt wird. Von außen ist es für einen Betrachter kaum möglich zu beurteilen, ob die Schraubverbindung nun für alle Zeiten hält und allen äußeren Belastungen standhält. Aus diesem Grund werden selbst für den Bereich der Drehmomentmontage mehr und mehr elektronisch überwachte Verschraubungssysteme eingesetzt, die schon während des Montageprozesses das erreichte Drehmoment messen und den Schrauber sogar gezielt auf das erforderliche Drehmoment steuern. Das zweite Verfahren ist das drehwinkelgesteuerte Montageverfahren. Es handelt sich dabei um eine indirekte Messung der Längenänderung der Schraube. Der theoretische Hintergrund ist dabei auf die Gewindesteigung zurückgeführt. Zunächst einmal kann der Konstrukteur auf der theoretischen Grundlage der Materialeigenschaften der Schraube errechnen, um welchen Betrag sich die Schraube längen muss, um die montierten Teile akkurat zu verbinden. Kommt der Konstrukteur zum Beispiel zu dem Schluss, dass die M6 Schraube mit einer Gewindesteigung von 1 mm um 0,5 mm gelängt werden muss, so weiß er, dass die Schraube nach Kopfauflage um 180 weiter gedreht werden muss, um die erforderliche Längung zu erreichen. Dies ist allerdings nur ein theoretischer Ansatz, da außer der Längung der Schraube Abbildung 3: Drehwinkel Anziehverfahren. auch eine Verformung der montierten Teile auftreten kann. Außerdem stellt sich die Frage, wann eigentlich die Kopfauflage der Schraube erreicht ist. Aus diesem Grund wird experimentell ermittelt, wann sich alle Teile in der Schraubverbindung zusammengefügt haben und ab diesem Drehmoment wird der Winkel 12

11 gemessen. Zum Drehwinkel-Anziehverfahren empfiehlt die VDI 2230: Der Drehwinkel sollte möglichst in Versuchen am Originalbauteil ermittelt werden, um die Nachgiebigkeit der Konstruktion richtig zu erfassen. Bei geeignetem Drehwinkel kann ein Bruch der Schraube oder eine Überbeanspruchung durch Überschreiten der Zugfestigkeit sicher ausgeschlossen werden. Leistungsfähige Montagewerkzeuge sind heute in der Lage die vorgegebenen Drehmomente oder Drehwinkel prozessfähig innerhalb der vorgegebenen Toleranzen zu montieren. Selbst Drehmomenttoleranzen von ±5% werden heute in Produktionsprozessen mit entsprechenden Verschraubungssystemen realisiert und gesteuerte Schrauber schalten gradgenau auf den Zielwinkel ab, wenn es die Drehwinkelvorgaben erforderlich machen. Dennoch stellt sich die Frage, ob die vorgegebenen Toleranzen auch tatsächlich für den aktuellen Schraubfall geeignet sind. Stimmen die Materialeigenschaften tatsächlich mit den Annahmen des Konstrukteurs überein? Treten Änderungen im Montageprozess auf, weil Lieferanten gewechselt oder Fertigungsverfahren geändert wurden? Ist das vorgegebene Montageverfahren noch aktuell und berücksichtigt es lokale Bedingungen? In einer globalisierten Welt werden Vorgaben international angewendet. Nicht immer werden die Bedingungen vor Ort ausreichend berücksichtigt. Stimmen Materialqualität oder Materialeigenschaften tatsächlich mit denen überein, die im Labor zur Ermittlung der Ergebnisse verwendet wurden? Oft genug steht die Endmontage als Letzter in der Prozesskette vor der Frage, ob das vorgegebene Montageverfahren tatsächlich zum gewünschten Ergebnis führt. Dann ist es erforderlich, Maßnahmen zu treffen, die belegen oder widerlegen, ob das Montageverfahren überhaupt für die Praxis geeignet ist. Der erste Schritt zeigt Methoden auf, wie in der Montage vor Ort Versuche gemacht werden können und mit welchen Verfahren der Nachweis erbracht werden kann, ob die Montagevorschrift und die Toleranzen für den Montageprozess geeignet sind. 13

12 Mensch (Anwender) Maschine (Drehmoment-Werkzeug) Qualität der Schraubverbindung Methode (Anziehverfahren) Material (Schrauben, Muttern) Abbildung 4: Überprüfung der Montagevorschrift. 14

13 Wie funktioniert eine Schraubverbindung? Schrauben und Muttern sind in der gesamten Welt der Technik die einzigen lösbaren und wieder verwendbaren Verbindungselemente für hohe Beanspruchungen. Schraubverbindungen werden erzeugt, indem eine wieder lösbare Verbindung hergestellt wird, bei der zwei oder mehr Teile durch eine oder mehrere Schrauben verbunden werden. Die zusammengefügten Teile müssen sich von da ab verhalten und bewegen wie ein Teil. Alle äußeren Kräfte dürfen nicht dazu führen, dass sich die verschraubten Teile gegeneinander bewegen. In diesem Fall würden sich Schrauben lösen, brechen oder verloren gehen. Aus diesem Grund legt der Konstrukteur die Schraubverbindung so aus, dass sie allen auftretenden Betriebskräften standhält und die gewünschte Funktion der Verbindung erfüllt werden kann. Die Aufgabe der Schraube besteht darin, die montierten Teile so fest zusammen zu pressen, dass eine äußere Kraft sie nicht verschieben kann. Für die Auslegung der Schraubverbindung werden deshalb vor allem die Kräfte berücksichtigt, die in unmittelbarer Nähe der Schraubenachse wirken. Fa Fv Fq Fv min = Mindestvorspannkraft Fv = Vorspannkraft F a = Axialkraft F q = Querkraft μ = Reibung in der Trennfuge μ Fv min = Fv F a Fq F q Fv min > μ Fa Abbildung 5: Die Mindestklemmkraft muss so ausgelegt werden, dass trotz äußerer Kräfte das Abheben der Trennfuge verhindert wird, der Reibschluss gehalten wird und das Dichtpressen gewährleistet ist. 15

14 Die beste Vorstellung über eine montierte Verschraubung erhält man dadurch, dass man sich ein Federmodell vorstellt. Die Schraube betrachtet man dabei als eine starke Zugfeder. Bei der Montage der Verbindung wird eine Kraft erzeugt, welche die montierten Teile entsprechend aneinander presst. Als Beispiel sei das Rad eines Autos genannt. Mit vier oder fünf Schrauben wird das Rad montiert. Im Falle einer Vollbremsung ist es jedoch nicht der Schaft der Schraube, der das Rad an einer Verdrehung gegenüber dem Radträger hindert. Das Rad wird von den Schraubenköpfen so fest gegen den Radträger gepresst, dass die Kraft der Vollbremsung nicht ausreicht, es gegenüber dem Radträger zu verdrehen. Die Kraft, mit der die Schraube die Teile zusammen presst hat daher auch den Namen Vorspannkraft. Wirkt nun eine äußere Betriebskraft auf die Schraube, verursacht diese eine elastische Verformung der Bauteile. Wenn der Konstrukteur die Schraubverbindung auslegt, ermittelt er rechnerisch die erforderliche Schraubenabmessung, die in der Lage ist, den äußeren Kräften Stand zu halten und die Betriebskräfte aufzunehmen. Dabei muss er schon berücksichtigen, dass auf Grund des ausgewählten Montageverfahrens und der weiteren äußeren Bedingungen die Vorspannkraft in mehr oder weniger weiten Grenzen streuen kann. Diese muss in der Montage mindestens so hoch erzeugt werden, dass sich die montierten Teile nie gegeneinander bewegen. Auf der anderen Seite darf die Schraube nicht mit einer so hohen Vorspannkraft montiert werden, dass sie bricht oder sich plastisch verformt. Aus diesem Grund hat die Schraubenmontage nur ein Ziel: die Vorspannkraft innerhalb dieser Toleranzen zu halten. Könnte man diese Kraft in der Montage messen und die Schraubwerkzeuge entsprechend steuern, so ließe sich ein großer Teil der Probleme in der Schraubenmontage abstellen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der größte Teil der Probleme an Schraubverbindungen, wie lose Schrauben, Schraubenbruch und Undichtigkeiten darauf zurückzuführen ist, dass die notwendige Schraubenvorspannkraft ungenau oder falsch aufgebracht wurde. Einen wesentlichen Einfluss auf die Auslegung der Schraubverbindung haben die Geometrie der Verbindungselemente und die gleich bleibende Reibzahl zwischen den Flächen, die während der Verschraubung eine Reibung ausüben. Gerade der Einfluss der Reibung ist bei der Auslegung der Schraubverbindung als am schwersten abzuschätzen. Berücksichtigt der Konstrukteur in seiner Berechnung andere Schmiermittel als die nachher in der Montage verwendeten, besteht die Gefahr einer Überlastung der Schraubverbindung. Ein großes Problem bei der Konstruktion von Schraubverbindungen ist in vielen Fällen ein knapp bemessener 16

15 Bauraum, der für den Schraubenkopf zur Verfügung steht. Deshalb muss der Konstrukteur darauf achten, dass in der Montage die zulässige Flächenpressung sorgfältig eingehalten wird. Grundlage für die Dimensionierung der Toleranzen sind die zulässigen Toleranzen der Vorspannkraft, die Toleranzen der Reibungszahlen sowie Durchmesser und Festigkeitsklasse der Schraube. Die Auslegung der Drehmomenttoleranzen erfolgt auf Grundlage der Betrachtung der notwendigen Mindestvorspannkraft in der Schraubverbindung. Die untere Toleranz für das Drehmoment M Dut ergibt sich aus der Betrachtung, dass bei gleichzeitigem Auftreten des entsprechenden Drehmomentes und der höchsten auftretenden Reibungszahl μ max immer noch die Mindestvorspannkraft Fv min gewährleistet ist. Umgekehrt darf die maximale Vorspannkraft Fv max nicht die Streckgrenze der Schraube überschreiten. Somit ergibt sich die obere Toleranz für das Drehmoment M Dot bei der gleichzeitig niedrigsten auftretenden Reibungszahl μ min. Vorspannkraft/Drehmoment Fv/kN Fvmax Fv min μmax μmin Fv min = Mindestvorspannkraft Fv max = Maximale Vorspannkraft μ min = Kleinste auftretende Reibungszahl μ max = Höchste auftretende Reibungszahl M Dut = Untere Toleranzgrenze Montagedrehmoment M Dot = Obere Toleranzgrenze Montagedrehmoment Md/Nm M Dut MDot Abbildung 6: Aus den zulässigen Toleranzen für die Vorspannkraft und den auftretenden Reibungszahlen ergibt sich der Toleranzwert für das Drehmoment. Die Auslegung hochdynamischer Schraubverbindungen richtet sich nach der Belastung und dem Zusammenbau der entsprechenden Teile. Werden Schrauben in der Montage mehrfach angezogen, müssen vorab Laborversuche durchgeführt werden, um ein entsprechendes Anziehverfahren zu empfehlen. Weiterhin muss der Konstrukteur eine Empfehlung aussprechen, welche Schrauben besonders gut für eine Mehrfach- 17

16 montage zu verwenden sind. Bei der Dimensionierung von Schraubverbindungen gilt es auch darauf zu achten, dass Schraubenbolzen bei Ü- berbeanspruchungen an ihrem schwächsten Querschnitt brechen. Das ist normalerweise der freie belastete Gewindeteil oder der Dehnschaft. Die Dauerhaltbarkeit einer Schraubverbindung wird vor allem durch die Höhe einer örtlichen Spannungskonzentration bestimmt. Beim größten Teil der Schraubverbindungen in der Schraubenmontage wird die Vorspannkraft dadurch erzeugt, dass die Schraube in ein Gewinde hineingedreht wird. Dabei entsteht außer der gewünschten Vorspannkraft auch ein Torsionsmoment im Schaft der Schraube. Bei der Auslegung der Schraubverbindung muss deshalb darauf geachtet werden, dass nicht nur die maximale Zugkraft der Schraube die maximale Belastung darstellt, sondern dass in der praktischen Montage stets eine Überlagerung der zwei Einflussgrößen Vorspannkraft und Torsionsmoment auftritt. Ermittlung der Vorspannkraft in der Montage Moderne Sensoren im Zusammenspiel mit computergesteuerter Messund Steuerelektronik geben uns Auskunft über das Drehmoment und den Drehwinkel während der Montage einer Schraubverbindung. Dabei ist die wichtigste Zielgröße in jeder Schraubverbindung die Vorspannkraft, die in der Montage weder unmittelbar gemessen noch ausreichend genau abgeschätzt werden kann. Aus diesem Grund wird heute in der Großserienindustrie in erster Linie nur das Drehmoment als Qualitätsmerkmal für die Güte einer Schraubverbindung erfasst und statistischen Auswerteverfahren unterzogen. Die Beziehung zwischen Drehmoment und Vorspannkraft hängt jedoch zum einen von der Geometrie der Schraube ab, zum anderen von der benötigten, aber auch lästigen Reibung. Diese ist immer vorhanden und führt dazu, dass alleine aus dem Drehmoment nicht der direkte Rückschluss gezogen werden kann, mit welcher Vorspannkraft die Schraube montiert wurde. Das ist nur möglich, wenn die Reibungszahl der jeweiligen Schraubverbindung bekannt ist. Elektronisch gesteuerte Schraubsysteme sind heute in der Lage, Drehmomenttoleranzen von ±5% einzuhalten und prozesssicher zu verschrauben. Hätte eine Schraube M10, Güte 8.8, nach DIN 931 z. B. eine konstante Reibungszahl von μ=0,10 und würde diese Schraube mit einem Drehmoment von 40 N m montiert, das heißt mit einer Drehmo- 18

17 menttoleranz von 38 N m bis 42 N m, könnten Vorspannkräfte erreicht werden, die in einer Toleranz von 26,0 kn bis 28,8 kn lägen. Eine solche Streuung von Vorspannkräften wäre ein hervorragendes Ergebnis für die Schraubenmontage mit dem sich gut leben ließe. Die Praxis sieht jedoch anders aus. Reibungszahlen von Schrauben streuen in der Montage im Bereich von 0,08 bis 0,30. In manchen Fällen sogar bis 0,40. Diese Streuungen können bei vielen Verschraubungen als Regelfall angenommen werden. Die Palette der Oberflächen erstreckt sich dabei von anorganischen Beschichtungen mit eingebetteten Fettschmierstoffen bis hin zu verzinkt trocken beschichteten Verbindungselementen. Bezogen auf unser Beispiel einer M10, 8.8 Schraube nach DIN 931 würde das bei einem Drehmoment von exakt 40 N m und einer angenommenen Toleranz der Reibungszahlen von 0,10 bis 0,20 zu einer Streuung der Vorspannkräfte von 27,4 kn bis 14,9 kn führen. Die Streuung der Vorspannkraft läge in diesem Fall um den Faktor 7 höher als im Beispiel zuvor. Wenn also der Reibungseinfluss eine so große Bedeutung für das Ergebnis in der Montage hat, muss die Produktion auch in der Lage sein, das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft zu prüfen. Einflussgrößen wie Festigkeit, Geometrie, Oberflächenbeschichtung etc. können nach Normen und Abnahmevorschriften ermittelt und gemessen werden. Zur Bestimmung der Relation von Drehmoment und Vorspannkraft in der Montage gibt es die Norm ISO Um diese zu erfüllen, sind allerdings umfangreiche Laboreinrichtungen notwendig, die Prüfung ist zeitintensiv und erfordert geschultes und qualifiziertes Personal. Aus diesem Grund werden Schraubfallanalysen zur Ermittlung der Abhängigkeiten von Montagemoment und Vorspannkraft normalerweise im Laboratorium oder in der Versuchsabteilung gemacht. Der Laborversuch ist somit nach wie vor unverzichtbar. Dennoch muss die Produktion in der Lage sein, schnell Versuche an der Montagelinie mit transportablen Geräten durchzuführen, die einfach zu bedienen sind und somit einen geringeren Zeitaufwand erfordern, als Versuche im Laboratorium. Für solche Versuche eignen sich Kraft-Sensoren in Ringform, mit denen die Vorspannkraft in Schraubverbindungen während der Montage gemessen werden kann. Solche Sensoren können auch über die Dauer der Montage hinaus in der Schraubverbindung verbleiben, um eventuelle Änderungen der Vorspannkraft auf dem Prüfstand, während der Testfahrt oder im Fahrbetrieb zu ermitteln. Der Kraft-Sensor wird zu 19

18 diesem Zweck wie eine Unterlegscheibe in die Schraubverbindung eingebracht, um die Vorspannkraft während des Anziehverfahren zu messen, die erreichte Vorspannkraft nach Ende des Verschraubungsvorganges zu ermitteln und Änderungen in der Vorspannkraft nach der Montage festzustellen. Abbildung 7: Der Vorspannkraft-Sensor wird in die Schraubverbindung eingebaut, um die Vorspannkraft zu messen. 20 Dabei ist es wichtig, dass der Sensor nicht unmittelbar unter dem Kopf des Verbindungselementes angebracht wird, der während der Montage gedreht wird. Weil der Sensor über andere Materialeigenschaften verfügt als die montierten Teile, würde dies zu einer Verfälschung der Ergebnisse führen. Das Verhältnis von Drehmoment zu Vorspannkraft würde sich ändern und somit nicht mehr den Original-Montagebedingungen entsprechen. Aus diesem Grunde eignet sich dieses Messverfahren besonders gut für Schrauben- /Mutternverbindungen. Falls die Schraube gedreht wird, besteht die Möglichkeit, den Sensor unter der Mutter anzubringen. Wird die Mutter gedreht, setzt man den Sensor unter dem Schraubenkopf ein. Falls die Schraube in das geschnittene Gewinde des Materials geschraubt wird, so muss der Sensor entweder in eine der Trennfugen eingesetzt werden oder unterhalb einer eventuell verwendeten Unterlegscheibe. Erst wenn beides nicht möglich ist, muss auf andere Verfahren zur Vorspannkraftmessung zurückgegriffen werden. Eines dieser Verfahren zur Ermittlung der Vorspannkraft ist die Messung mit Ultraschall. Die wichtigen Parameter für eine akkurate Messung sind: der Durchmesser des Ultraschallwandlers, die Mittenfrequenz und die Pulslänge. Durch eine Optimierung dieser Einflussgrößen kann die Seitenwandreflektion verringert und das Signal- /Rauschverhältnis verbessert werden. Zur Messung der Vorspannkraft

19 wird der Ultraschallsensor mit dem Schraubenkopf gekoppelt. Die Laufzeit des Schallpulses in der Schraube erlaubt eine Abschätzung mit ausreichender Genauigkeit über die Längung der Schraube während der Montage. Dabei wird nach der Koppelung des Sensors mit der Schraube die Laufzeit ermittelt. Während der Montage verändert sich die Laufzeit als Folge der Längung der Schraube durch die Vorspannkraft. Dabei muss der Sensor mit gleichem Anpressdruck an den Schraubenkopf gekoppelt werden. Folgende Einflüsse müssen bei der Messung mit Ultraschall berücksichtigt werden: Torsionsspannungen Der Einfluss von Torsionsspannung, wie sie bei jeder Schraubenmontage auftreten, ist relativ klein. Temperatur Der Einfluss einer über die Schraubenlänge gleich bleibenden gemessenen Temperatur muss korrigiert werden. Bei ferritischen Stählen ergibt sich ein Korrekturwert auf Grund des linearen Ausdehnungskoeffizienten. Chargen Schrauben, die auf unterschiedliche Art hergestellt wurden, können Messunsicherheiten von bis zu ±10% verursachen. Aus diesem Grund müssen chargenspezifische Vorversuche durchgeführt werden. Klemmlänge/Schraubenlänge Das Verhältnis der freien Klemmlänge (Dehnlänge) der Schraube zur Schraubenlänge hat einen Einfluss, der in Vorversuchen ermittelt werden muss. Prüfkopf Der Prüfkopf muss so gewählt werden, dass ein möglichst schmales Schallbündel im Schraubenschaft verwendet wird. Seitenwandreflektion muss vermieden werden, um ein optimales Signal-/Rauschverhältnis zu erzielen. 21

20 Abschätzung der Reibungszahl in der Montage Die Ermittlung der Vorspannkraft bleibt nach wie vor ein aufwändiges Verfahren, um die Bedingungen in der Schraubenmontage zu ermitteln. Dennoch strebt die Produktion an, die Reibungsverhältnisse innerhalb der Schraubverbindung mit einfachen Verfahren abzuschätzen. Alle Montageverfahren in der Produktion sind indirekte Verfahren, um die gewünschte Vorspannkraft zu erreichen. Dabei ist das Drehmoment- Anziehverfahren das am häufigsten angewendete Verfahren, weil es mit relativ einfachen Montagewerkzeugen realisiert werden kann. Das aufgebrachte Drehmoment und die erzielte Vorspannkraft verhalten sich weitgehend proportional, so dass davon ausgegangen werden kann, dass ein Drehmoment, welches in vorgegebenen Toleranzen aufgebracht wird, zu einer Vorspannkraft führt, die innerhalb der konstruktiven Grenzen liegt. Doch inwieweit kann die Montage davon ausgehen, dass die beiden Größen Drehmoment und Vorspannkraft sich tatsächlich proportional verhalten und welche Einflüsse ändern diesen Zusammenhang? Zunächst einmal gibt die Geometrie der Schraube vor, bei welchem Drehmoment eine bestimmte Vorspannkraft erreicht wird. Maßgeblicher Faktor ist dabei die Gewindesteigung. Eine Schraube stellt als geometrisches Gebilde eine aufgewickelte schiefe Ebene dar und beeinflusst auf diese Art und Weise die Kräfteverteilung in der Verschraubung. Der zweite Faktor, der die Abhängigkeit der Kräfte zueinander beeinflusst, sind die Reibverhältnisse in der Schraubverbindung. Es ist die Reibung in der Auflagefläche, die über das Material oder eine Unterlegscheibe gedreht wird. Und es ist das Gewinde, das sich im Material oder in einem Mutterngewinde dreht. 22