1. Kurzfassung
Der von Longitudinalwellen genutzte und zur Verwendung ausgewählte Innenfaden wird fixiert durchgewöhnliche Schraubenund selbstsichernde Schrauben, kalibriert durch verschiedene Anziehstrategien, und der Unterschied zwischen Ankerschrauben und selbstsichernden Verankerungskennlinien wird analysiert. Ergebnis: Die Schrauben- und Schraubenkalibrierungsmethode liefern unterschiedliche Kalibrierungsmerkmale. Die Verriegelungszeit der Kette führt dazu, dass die Selbstkalibrierung und die Selbstkalibrierungszeit der Selbstkalibrierung zu unterschiedlichen Zielwerten führen. Aufgrund der normalen Bewegungskurve verschieben sich die erhaltenen unterschiedlichen Kennlinien nach rechts.
2. Testphilosophie
Gegenwärtig wird die Ultraschallmethode in großem Umfang angewendet in derPrüfung der axialen BolzenkraftAm Befestigungspunkt des Automobil-Teilsystems wird vorab die Kennlinie (Schraubenkalibrierkurve) zwischen der axialen Schraubenkraft und der Ultraschall-Laufzeitdifferenz ermittelt. Anschließend erfolgt die Prüfung des realen Bauteils. Die axiale Schraubenkraft in der Verschraubung lässt sich durch Ultraschallmessung der Laufzeitdifferenz und Abgleich mit der Kalibrierkurve bestimmen. Daher ist die korrekte Kalibrierkurve entscheidend für die Genauigkeit der Messergebnisse der axialen Schraubenkraft im realen Bauteil. Aktuell werden hauptsächlich Ultraschallprüfverfahren eingesetzt, darunter das Einzelwellenverfahren (Longitudinalwellenverfahren) und das Transversallongitudinalwellenverfahren.
Bei der Schraubenkalibrierung beeinflussen zahlreiche Faktoren die Ergebnisse, darunter Klemmlänge, Temperatur, Anziehgeschwindigkeit und Vorrichtungsmaterial. Aktuell ist die Rotationsanziehmethode das gängigste Kalibrierverfahren. Die Schrauben werden auf einem Schraubenprüfstand kalibriert, wofür Halterungen für den Axialkraftsensor benötigt werden. Diese bestehen aus einer Druckplatte und einer Gewindebohrungsvorrichtung. Letztere ersetzt die herkömmlichen Muttern. An sicherheitsrelevanten Befestigungspunkten von Automobilchassis wird üblicherweise eine Lösesicherung eingesetzt, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu gewährleisten. Eine gängige Lösesicherungsmaßnahme ist die selbstsichernde Mutter, genauer gesagt die Drehmoment-Sicherungsmutter.
Der Autor verwendet die Methode der Längswellen und eine eigens entwickelte Innengewindevorrichtung, um eine normale Mutter und eine selbstsichernde Mutter zur Kalibrierung der Schraube auszuwählen. Durch verschiedene Anzugsstrategien und Kalibriermethoden wird der Unterschied zwischen der normalen Mutter und der selbstsichernden Mutter bei der Kalibrierung der Schraube untersucht. Abschließend werden Empfehlungen für die Prüfung der axialen Kraft auf Befestigungselemente von Automobil-Subsystemen gegeben.
Die Prüfung der axialen Kraft von Schrauben mittels Ultraschall ist ein indirektes Prüfverfahren. Gemäß dem Prinzip der Sonoelastizität ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern proportional zur Spannung. Daher können Ultraschallwellen zur Bestimmung der axialen Kraft von Schrauben genutzt werden [5-8]. Die Schraube dehnt sich beim Anziehen und erzeugt gleichzeitig eine axiale Zugspannung. Der Ultraschallimpuls breitet sich vom Schraubenkopf zum Schraubenfuß aus. Aufgrund der plötzlichen Dichteänderung im Medium kehrt er auf seinem ursprünglichen Weg zurück, und die Schraubenoberfläche empfängt das Signal über die piezoelektrische Keramik. Die Zeitdifferenz Δt ist proportional zur Dehnung. Das Schema der Ultraschallprüfung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Die Prüfung der axialen Kraft von Schrauben mittels Ultraschall ist ein indirektes Prüfverfahren. Gemäß dem Prinzip der Sonoelastizität hängt die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern von der Spannung ab, daher können Ultraschallwellen zur Bestimmung der axialen Kraft von Schrauben verwendet werden.die Axialkraft der BolzenBeim Anziehen dehnt sich die Schraube und erzeugt gleichzeitig axiale Zugspannungen. Der Ultraschallimpuls breitet sich vom Schraubenkopf zum Schraubenfuß aus. Aufgrund der plötzlichen Dichteänderung des Mediums kehrt er auf seinem ursprünglichen Weg zurück, und die Schraubenoberfläche empfängt das Signal über die piezoelektrische Keramik. Die Zeitdifferenz Δt ist proportional zur Dehnung. Das Schema der Ultraschallprüfung ist in Abbildung 1 dargestellt.
M12 mm × 1,75 mm × 100 mm und die Spezifikation der Schrauben. Fünf dieser Schrauben werden mit Standardschrauben befestigt. Zuerst wird ein Selbstankertest mit verschiedenen Kalibrierlötpasten durchgeführt. Dabei wird eine künstliche Spiralplatte verwendet, um den Schraubenflansch anzupassen und anzupressen. Beim Scannen der Anfangswelle (d. h. beim Aufzeichnen des ursprünglichen L0) wird die Schraube mit einem Werkzeug auf 100 Nm + 30° angezogen (Methode I). Alternativ kann die Anfangswelle gescannt und die Schraube mit einem Drehmomentschlüssel auf das Zielmaß angezogen werden (Methode II). Bei Methode II ergeben sich in diesem Prozess verschiedene Typen (siehe Abbildung 4). Abbildung 5 zeigt die Standardschraube und die Selbstankermethode. Die Kurve nach der Kalibrierung gemäß Methode I ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Selbstankerklasse. Kurven der Klasse I und Klasse II. Die Vorgehensweise kann wie folgt sein: Verwenden Sie die benutzerdefinierte Kurve der gemeinsamen Ankerklasse, die exakt gleich ist (alle verlaufen durch den Ursprung mit der gleichen Segmentrate und der gleichen Anzahl von Punkten); sperren Sie den Indextyp des Ankerpunkttyps (Typ I und Ankermarkierung, die Steigung des Intervallunterschieds und die Anzahl der Punkte); erhalten Sie Ähnlichkeiten.
In Experiment 3 wird die Y3-Koordinate der Diagrammeinstellungen in der Datenerfassungssoftware als Temperaturkoordinate (mittels eines externen Temperatursensors) festgelegt. Der Leerlaufabstand der Schraube wird für die Kalibrierung auf 60 mm eingestellt. Drehmoment, Axialkraft, Temperatur und der Winkelverlauf werden aufgezeichnet. Wie Abbildung 8 zeigt, steigt die Temperatur mit dem kontinuierlichen Einschrauben der Schraube stetig an, wobei der Temperaturanstieg als linear betrachtet werden kann. Für die Kalibrierung wurden vier Schraubenproben mit selbstsichernden Muttern ausgewählt. Abbildung 9 zeigt die Kalibrierkurven der vier Schrauben. Alle vier Kurven sind nach rechts verschoben, jedoch unterschiedlich stark. Tabelle 2 dokumentiert die Verschiebung der Kalibrierkurve nach rechts und den Temperaturanstieg während des Anziehvorgangs. Die Verschiebung der Kalibrierkurve nach rechts ist im Wesentlichen proportional zum Temperaturanstieg.
3. Schlussfolgerung und Diskussion
Beim Anziehen der Schraube wirken axiale und Torsionsspannungen zusammen, deren resultierende Kraft schließlich zum Fließen der Schraube führt. Bei der Kalibrierung der Schraube wird in der Kalibrierkurve ausschließlich die axiale Kraft der Schraube berücksichtigt, um die Klemmkraft des Befestigungssystems zu ermitteln. Wie aus den Testergebnissen in Abbildung 5 hervorgeht, stimmen die Ergebnisse der Kalibrierkurve – obwohl es sich um eine selbstsichernde Mutter handelt – vollständig mit denen einer herkömmlichen Mutter überein, wenn die Ausgangslänge nach manuellem Anziehen bis kurz vor dem Auflagepunkt an der Druckplatte gemessen wird. Dies zeigt, dass in diesem Zustand der Einfluss des Selbstsicherungsmoments der selbstsichernden Mutter vernachlässigbar ist.
Wird die Schraube mit einem elektrischen Schlagschrauber direkt in die selbstsichernde Mutter eingeschraubt, verschiebt sich die Kurve insgesamt nach rechts (siehe Abbildung 6). Dies zeigt, dass das Selbstsicherungsmoment die akustische Laufzeitdifferenz in der Kalibrierkurve beeinflusst. Der nach rechts verschobene Anfangsabschnitt der Kurve deutet darauf hin, dass selbst bei einer gewissen Schraubenlängung noch keine axiale Kraft entsteht oder die axiale Kraft sehr gering ist. Dies entspricht dem Zustand, in dem die Schraube nicht gegen den axialen Kraftsensor gedrückt wird. Die hier beobachtete Schraubenlängung ist offensichtlich eine Scheinlängung und keine tatsächliche Längung. Ursache hierfür ist die durch das Selbstsicherungsmoment beim Anziehen erzeugte Wärme, die die Ausbreitung der Ultraschallwellen beeinflusst und sich in der Kurve widerspiegelt. Dies zeigt eine Längung der Schraube an und belegt den Einfluss der Temperatur auf die Ultraschallwellen. Auch in Abbildung 6 wird die selbstsichernde Mutter zur Kalibrierung verwendet. Der Grund dafür, dass sich die Kalibrierkurve nicht nach rechts verschiebt, liegt darin, dass zwar beim Einschrauben der selbstsichernden Mutter Reibung und Wärme entstehen, diese jedoch bereits bei der Erfassung der anfänglichen Schraubenlänge berücksichtigt und somit kompensiert wurde. Da die Schraubenkalibrierung zudem sehr kurz ist (üblicherweise unter 5 Sekunden), ist der Temperatureinfluss auf die Kalibrierkennlinie vernachlässigbar.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die Gewindereibung beim Luftschrauben zu einem Temperaturanstieg der Schraube führt. Dies reduziert die Ultraschallgeschwindigkeit, was sich in einer parallelen Verschiebung der Kalibrierkurve nach rechts äußert. Drehmoment und Temperatur sind proportional zur durch die Gewindereibung erzeugten Wärme (siehe Abbildung 10). Tabelle 2 zeigt die Größe der Rechtsverschiebung der Kalibrierkurve und den Temperaturanstieg der Schraube während des gesamten Anziehvorgangs. Die Rechtsverschiebung der Kalibrierkurve korreliert mit dem Temperaturanstieg und weist ein lineares Proportionalitätsverhältnis von etwa 10,1 auf. Bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C erhöht sich die akustische Laufzeitdifferenz um 101 ns, was einer axialen Kraft von 24,4 kN auf der Kalibrierkurve der M12-Schraube entspricht. Physikalisch lässt sich dies dadurch erklären, dass die Temperaturerhöhung die Resonanzeigenschaften des Schraubenmaterials verändert. Dadurch ändert sich die Ultraschallgeschwindigkeit im Schraubenmaterial, was wiederum die Ultraschalllaufzeit beeinflusst.
4. Vorschlag
Bei Verwendung von gewöhnlichen Nüssen undselbstsichernde MutterZur Kalibrierung der Kennlinie der Schraube werden aufgrund unterschiedlicher Methoden verschiedene Kalibrierkennlinien ermittelt. Das Anzugsmoment der selbstsichernden Mutter erhöht die Temperatur der Schraube, was zu einer Vergrößerung der Ultraschall-Zeitdifferenz und einer entsprechenden Rechtsverschiebung der Kalibrierkennlinie führt.
Während des Labortests sollte der Einfluss der Temperatur auf die Ultraschallwelle so weit wie möglich eliminiert werden, oder es sollte in den beiden Phasen der Schraubenkalibrierung und des Axialkrafttests die gleiche Kalibrierungsmethode angewendet werden.
Veröffentlichungsdatum: 19. Oktober 2022
