Drehmomentmessung beim Schrauben

Weiterdrehen

Die häufigste in der Praxis angewendete Methode zur Ermittlung des Montagedrehmomentes ist die über die Messung des so genannten Weiterdrehmomentes. Dazu setzt der Prüfer einen anzeigenden Drehmomentschlüssel auf die bereits montierte Schraube und dreht diese ein kleines biss­chen weiter. Der so ermittelte Wert wird aufgezeichnet und als Maßzahl für die montierte Drehmomentgenauigkeit statistisch ausgewertet. Die Drehmomentschlüssel speichern entweder elektronisch den höchsten gemessenen Wert ab oder im Falle eines mechanischen Drehmomentschlüssels zeigt der Schleppzeiger das höchste gemessene Drehmoment an. Diese Methode wird nach wie vor am häufigsten zur Sicherstellung der Montagedrehmomente herangezogen und entspricht bis zum heutigen Tage dem Stand der Technik.

Geht man jedoch davon aus, dass an Schraubverbindungen immer höhere Anforderungen gestellt werden, die sich in immer geringeren Toleranzen widerspiegeln, muss das Messverfahren kritisch betrachtet und auf seine Grenzen hin untersucht werden. Zunächst einmal wird der eine oder andere Anwender sicherlich stutzig, wenn das Verfahren beschrieben wird mit: die Schraube „ein bisschen“ weiterdrehen. Obwohl die Definition des Verfahrens beinhaltet, dass ein Drehmoment aufgebracht wird, bis sich die Schraube gerade bewegt, ist es offensichtlich, dass in diesem Moment ein subjektiver Einfluss des Werkers die Messergebnisse zumindest beeinflussen könnte. Um diese Einflüsse zu bewerten muss zunächst einmal davon ausgegangen werden, dass die Schraubverbindung nicht in ihrem ursprünglichen Zustand verbleibt, sondern tatsächlich verändert wird, da sie um einen – wenn auch geringfügigen – Winkel weitergedreht wird.

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Harte und

Um diesen Einfluss zu bewerten ist es zunächst einmal wichtig, die Schraubfallhärte zu betrachten. Diese beschreibt, um welchen Drehwinkel eine Schraube nach Kopfauflage verdreht werden muss, bis das endgültige Montagedrehmoment erreicht wird. Eine kurze Schraube, die zur Montage eines Stahlbleches auf einen Stahlblock verwendet wird, dreht sich zum Beispiel nach Kopfauflage weniger als eine lange Schraube, die mehrere Bleche zusammenfügt, bei denen auch noch elastische Fügematerialien wie Gummidichtungen oder Kunststoffe zusammengepresst werden.

Betrachten wir ein Beispiel von zwei Schrauben, die auf 50 Nm montiert wurden. Die eine der beiden Schrauben wurde in einem harten Schraubfall mit 30 Grad verwendet, die andere in einem weichen mit 720 Grad. Für den ersten Fall bedeutet dies, dass während der Montage das Drehmoment jeweils um 1,67 Nm bei jedem Winkelgrad der Verdrehung angestiegen ist. Bei der zweiten Schraube hingegen um 0,07 Nm pro Grad der Verdrehung. Gehen wir von der Voraussetzung aus, dass der Prüfer beim Weiterdrehen ca. 3 bis 5 Grad weiter dreht, so wird der harte Schraubfall 5,0 bis 8,4 Nm weitergedreht. Für Drehmomenttoleranzen, die im Bereich ±10 Prozent liegen, das heißt ±5 Nm ergibt sich, dass die gemessenen Werte außerhalb der konstruktiven Toleranzen liegen. Anders hingegen bei dem weichen Schraubfall. Dort würde das Drehmoment um 0,21 bis 0,35 Nm geändert, was nur in Grenzfällen bei einer 10 prozentigen Toleranz einen Einfluss hätte. Da in der Praxis sowieso selten Messunsicherheiten bei Drehmomentschlüsseln von besser als einem Prozent bezogen auf den jeweiligen Messwert erreicht werden, lägen diese Abweichungen sogar noch innerhalb der zulässigen Toleranzen für die Messunsicherheit. Beim harten Schraubfall hingegen muss nicht nur berücksichtigt werden, wie hoch die Drehmomente beim Weiterdrehen steigen, sondern das Verfahren wird auch dadurch in Frage gestellt, dass nur ein Grad Unterschied erhebliche Schwankungen bei den Messergebnissen erzielt.

Montage-

Zu den manuellen Einflüssen, welche die Weiterdrehmomente von Schrauben ungünstig beeinflussen, kommen noch verfahrenstechnische Probleme. Natürlich leuchtet es zunächst einmal ein, dass die Schraube mit dem gleichen Drehmoment weiter gedreht werden muss, mit dem Sie auch montiert wurde. Betrachtet man die physikalischen Zusammenhänge allerdings näher, so stellt sich heraus, dass diese scheinbare Logik nicht zutrifft. Die Ursache dafür liegt darin, dass die Umgebungsbedingungen für die Schraubverbindung nicht konstant bleiben; vor allem die Reibverhältnisse zwischen Schraube und montierten Teilen. Im europäischen Ausland wird vom „residual torque“ oder vom „couple residuell“ gesprochen, was soviel heißt wie „verbleibendes Drehmoment“. Die Bezeichnung ist physikalisch falsch und erweckt den Eindruck, als ob noch irgendein Drehmoment in der Schraubverbindung vorhanden sei. Tatsache ist jedoch, dass das Montagedrehmoment in dem Moment auf Null zurückgeht, in dem der Schrauber oder der Schlüssel von der Schraube genommen wird. Das Drehmoment, welches aufgebracht wurde, steckt in der Schraube als Vorspannkraft, welche die Schraube gedehnt hat wie eine Feder, und ist als Wärme in Folge der Reibung zwischen den Teilen verpufft. Dabei hängt die Bilanz, wieviel als potentielle Energie in die Vorspannkraft eingebracht wurde und wieviel als Wärme abgegeben wurde, maßgeblich von den Reibeigenschaften und der Geo­metrie der Schraube ab.

Wird nun ein messender Drehmomentschlüssel verwendet, um diesen Verband weiter zu drehen, so ist überhaupt nicht sichergestellt, dass auch tatsächlich die gleichen Reibungsbedingungen vorherrschen wie während der Montage. Da die Reibungszahl der Schraube stark von Drehgeschwindigkeit und Temperatur abhängen, ist zu erwarten, dass sich die Reibeigenschaften geändert haben und das Weiterdrehmoment sich zum Teil erheblich vom Montagedrehmoment unterscheidet. Die VDI Richtlinie 2230 (Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen) definiert diesen Effekt folgendermaßen: „Das Nachziehdrehmoment ist dasjenige Moment, das benötigt wird, um nach abgeschlossenem Verschraubungsvorgang die Schraube weiter zu drehen. Es unterscheidet sich von dem Sollanziehdrehmoment um den Nachziehfaktor, der – je nach Art der Schrauber, der Reibungs- und Elastizitätsverhältnisse – zwischen 0,85 und 1,30 schwanken kann.“ Toleranzen in diesen Größenordnungen können jedoch nicht mehr belegen, ob eine Schraube innerhalb ±10 Prozent montiert wurde oder nicht.

Ein weiterer Effekt, der auftritt, wenn eine bereits montierte Schraube weiter gedreht wird, ist das Losbrechmoment. Der Messverlauf in der Grafik zeigt zwei Drehmomentkurven. Die erste Kurve zeigt den Montageprozess, mit dem die Schraube montiert wurde. Die zweite Kurve zeigt den Messverlauf beim Weiterdrehen dieser Schraubverbindung mit einem Drehmomentschlüssel. Dabei fällt die kurze Drehmomentsteigerung auf, bevor sich die Schraube dreht. Dieser Effekt ist auf den Übergang von der Haftreibung in die Gleitreibung zu erklären. Wie oben bereits erwähnt ist die Reibung zwischen Schraube und montierten Tei­len dafür verantwortlich, welches Drehmoment nun aufgebracht werden muss, um die Schraube weiter zu drehen. Wenn sich diese Reibungsverhältnisse ändern, so ändert sich auch während des Weiterdrehens das Drehmoment, welches aufgebracht werden muss. Der physikalische Effekt des Überganges zwischen Haft- und Gleitreibung wird in der Schraubverbindung noch dadurch verstärkt, dass eine extrem hohe Presskraft unter dem Schraubenkopf wirkt und dazu führt, dass sich die Moleküle zwischen Schraubenkopf mit denen der verschraubten Teile verbinden. Wird nun mit einem Drehmomentschlüssel ein Moment aufgebracht, so muss zunächst dieser Verband zerstört werden, was zu einem höheren Drehmoment führt und dann erst dreht sich die Schraube weiter mit der Gleitreibung. Dennoch zeigt die Grafik deutlich, dass auch das Drehmoment unmittelbar nach dem Losbrechen nicht dem Montagedrehmoment entspricht.

Messen

Der einzige Ausweg, den ständig steigenden Qualitätsanforderungen gerecht zu werden und dennoch die Prüfkosten gering zu halten – ja sogar zu reduzieren – besteht darin, die Montagedrehmomente während des Montagevorganges zu messen. Dazu wird ein rotierender Drehmoment-Sensor zwischen dem Abtriebsvierkant des Schraubers und dem Antriebsvierkant der Stecknuss eingebracht. Somit werden die tatsächlichen Drehmomente gemessen, die während des Monatgevorgangs in die Schraubverbindung eingebracht werden. Der rotierende Sensor liefert übrigens nicht nur das höchste Drehmoment, mit dem die Schraubverbindung montiert wurde, sondern auch den Drehwinkel. Die Umdrehungen, die der Schraubenkopf nach Auflage auf das verschraubte Element zurück gelegt hat, und der gesamte Verlauf Drehmoment über Drehwinkel kann zur Analyse des gesamten Verschraubungsprozesses herangezogen werden, um weitere Aspekte des Montagevorganges zu hinterleuchten. Dazu ist der Sensor mit einem elektronischen Auswertegerät verbunden, welches den gesamten Messverlauf abspeichert und bei Bedarf an einen PC sendet, um weitere Auswertungen vorzunehmen. Das gesamte System bestehend aus Software, Messgerät und Sensorik bietet somit hochwertigere Messergebnisse als die Methode des Nachziehens von Schraubverbindungen und stellt zugleich ein Potenzial an Zeiteinsparungen zur Verfügung, so dass Schraubverbindungen in höherer Qualität montiert werden können, dies aber bei gleichzeitig niedrigeren Prüfkosten.

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