So ermitteln Sie eine Drehmomentspezifikation

Jun 21, 2023

Das Zeichnen einer Drehmoment-Winkel-Kurve für eine Reihe von Einschraubvorgängen kann Ingenieuren dabei helfen, eine Drehmomentspezifikation für eine Anwendung festzulegen. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Peak Innovations Engineering

Mit Prüfgeräten wie dem SCHATZ-INSPECTpro können Ingenieure Vorgaben für Drehmoment und Winkel ermitteln. Foto mit freundlicher Genehmigung von Kistler Instrument Corp.

Beschichtungen, Beschichtungen und Schmiermittel haben aufgrund ihres Einflusses auf die Reibung einen erheblichen Einfluss auf die Drehmomentspezifikation. Foto mit freundlicher Genehmigung von NOF Metal Coatings North America Inc.

Unabhängig von der Testmethode sollten Tests mit tatsächlichen Produktionsteilen durchgeführt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Desoutter Industrial Tools

Mit der Torsionsprüfmaschine UNIVER TOK-3001 wird die Eignung hochfester Schrauben-, Muttern- und Unterlegscheibenbaugruppen für eine bestimmte Anwendung überprüft. Foto mit freundlicher Genehmigung der Univer Technologies Group

Es steht eine Reihe von Technologien zur Verfügung, um sicherzustellen, dass Gewindebefestigungen in der richtigen Reihenfolge und mit dem richtigen Drehmoment und Winkel installiert werden.

Beispielsweise messen die DC-Elektrowerkzeuge der QE-Serie und die Steuerungen der IC-Serie von Ingersoll Rand das Drehmoment mit einer Genauigkeit von ±0,2 Prozent und den Winkel mit einer Genauigkeit von ±1 Grad. Die Messauflösung beträgt ±0,025 Prozent des vollen Drehmoments. Ingenieure können zahlreiche Schraubstrategien implementieren, einschließlich Drehmomentkontrolle; Drehmomentregelung mit Winkelüberwachung; Drehmomentregelung mit Nachgiebigkeitsüberbrückung; Winkelsteuerung; Winkelsteuerung mit Drehmomentüberwachung; Winkelsteuerung mit Nachgiebigkeitsüberbrückung; Ertragskontrolle; vorherrschendes Drehmoment; und Schleppmoment. Die Werkzeuge sind in Pistolengriff-, Inline- und Winkelkopfausführung erhältlich und die Serie deckt einen Drehmomentbereich von 0,3 bis 400 Newtonmeter ab.

Natürlich sind selbst die genauesten Werkzeuge nur so gut wie die Spezifikationen, die sie erfüllen sollen. Es muss eine ganze Menge technischer Arbeit geleistet werden, bevor ein Steckschlüssel überhaupt auf einen Schraubenkopf trifft. Ingenieure müssen die Art und Anzahl der Befestigungselemente bestimmen, die zur Sicherung der Verbindung erforderlich sind. Sie müssen Beschichtungen, Beschichtungen, Schmiermittel und Schraubensicherungen berücksichtigen. Sie müssen darüber nachdenken, wie das Befestigungselement installiert wird. Reicht es aus, das Befestigungselement mit einem bestimmten Drehmoment anzuziehen? Oder müssen sowohl Drehmoment als auch Winkel gesteuert werden? Sobald alles geklärt ist, müssen die Ingenieure Spezifikationen für Drehmoment, Winkel und Befestigungsreihenfolge festlegen.

„Mit dem Anziehen von Gewindeverbindungen sind viele Variablen verbunden, [und die Drehmomentspezifikation] ist kein absoluter Wert. Eigentlich ist es ein Leitfaden“, sagt Guy T. Avellon, Präsident von GT Technical Consultants Ltd., einem Beratungsunternehmen, das Schulungen und Analysen zum Design von Schraubverbindungen anbietet. „Man kommt noch mit Schmierung, verschiedenen Beschichtungen, Toleranzen und vielen anderen Dingen zurecht. Es gibt sogar einen Unterschied zwischen dem Anziehen der Mutter und dem Anziehen des Schraubenkopfes.“

Unabhängig vom Produkt beginnt alles mit der Berechnung, wie viel Spannkraft erforderlich ist, damit die Baugruppe korrekt und sicher funktioniert. Dies wird durch die Belastungen und Bedingungen bestimmt, denen die Verbindung ausgesetzt ist, zuzüglich eines Sicherheitsfaktors.

Ingenieure müssen ein oder mehrere Befestigungselemente auswählen, die diese Klemmkraft erfolgreich zwischen den Teilen übertragen und der Belastung standhalten können. Aber alle Verbindungselemente haben Grenzen hinsichtlich der Belastung, die sie aushalten können. Dies ist eine Funktion des Befestigungsmaterials und seiner Geometrie, einschließlich seiner Querschnittsfläche und der Gewindefläche. Diese Grenze darf nicht überschritten werden.

Das Ziel besteht darin, die Befestigungselemente so fest anzuziehen, dass die angegebene Klemmkraft erreicht wird, aber nicht so fest, dass das Befestigungselement der Belastung nicht standhalten kann. Wie viel Drehmoment erforderlich ist, hängt von der Geometrie der Schraube ab und davon, ob die Gewinde geschmiert sind. (Geschmierte Gewinde erfordern weniger Drehmoment, um die gleiche Klemmkraft zu erreichen, da beim Anziehen weniger Reibung zu überwinden ist.)

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Drehmomentspezifikation zu erstellen: „Die richtige und die falsche“, witzelt David Archer, Chefingenieur bei Peak Innovations Engineering, einem Beratungsunternehmen, das sich auf die Konstruktion und Analyse von Schraubverbindungen spezialisiert hat.

Der falsche Weg, so Archer, bestehe darin, eine Zahl aus einer technischen Standardtabelle auszuwählen oder sich ausschließlich auf die klassische Gleichung T = KDP zu verlassen, in der T das angestrebte Anzugsdrehmoment ist; K ist der Reibungskoeffizient oder Mutterfaktor; D ist der Nenndurchmesser der Schraube; und P ist die gewünschte Zuglast auf die Schraube.

„K ist Ihre Reibungsvariable“, erklärt Avellon. „Es ist eine Konstante, aber es ist eine konstante Variable, weil K mit Oberflächen wie einer schwarzen Oxid- oder Verzinkung zusammenhängt. Verwenden Sie Molybdän- oder Kupfer-Anti-Seizing-Schmiermittel? Sogar Schraubensicherungen können zunächst als Schmiermittel wirken.“

Die am häufigsten verwendeten K-Faktoren sind 0,2 für blank bearbeitete Schrauben, 0,22 für verzinkte Schrauben und 0,1 für gewachste oder stark geschmierte Schrauben. Für eine genauere Schätzung des Mutternfaktors können Ingenieure einen Standard-Befestigungstest einrichten, um die Gleichung für K zu lösen.

„Die Gleichung ist ziemlich genau, aber jede Anwendung sollte für sich beurteilt werden, um den optimalen Drehmomentwert zu ermitteln“, rät Avellon.

Der beste Weg, eine Drehmomentspezifikation zu entwickeln, seien Tests, argumentiert Archer. Der Grund für die Durchführung von Tests besteht darin, dass Reibung, Einlaufgeschwindigkeit, Teiletoleranzen und andere Variablen die Beziehung zwischen Drehmoment und Klemmkraft erheblich beeinflussen können.

Zur Bestimmung einer Drehmomentspezifikation können zwei Arten von Tests durchgeführt werden: Messung von Drehmoment und Winkel bis zum Bruch und Messung von Drehmoment und Winkel bis zu einer bestimmten Spannung. „Der Drehmomentwinkel bis zum Ausfall ist einfacher. Sie benötigen weniger komplexe Geräte … aber sie sind wahrscheinlich nicht so genau“, sagt Archer. „Das Verhältnis Drehmoment-Winkel zu Spannung ist genauer, erfordert jedoch eine Möglichkeit, entweder die Schraubenspannung oder die Klemmkraft zu messen.“

In beiden Fällen besteht das Ziel darin, einen Drehmomentwert zu finden, der die größte Klemmlast auf die Verbindung ausübt, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Befestigungselement über seine Streckgrenze oder, schlimmer noch, seine Bruchgrenze hinaus angezogen wird.

Unabhängig von der Testmethode sollten Tests mit tatsächlichen Produktionsteilen durchgeführt werden. „Verwenden Sie keine Prototypen, da diese in der Regel mit unterschiedlichen Verfahren, Materialien und Oberflächen hergestellt werden“, rät Archer. „Und Sie sollten die Schrauben niemals wiederverwenden, denn der Sinn des Tests besteht darin, die Reibungseigenschaften der Baugruppe zu verstehen. Wenn Sie eine Schraube wiederverwenden, erhalten Sie jedes Mal andere Eigenschaften.“

Die Anzahl der erforderlichen Schraubvorgänge zur Bestimmung einer Drehmomentspezifikation variiert. „Aus praktischen Gründen wird diese Zahl vom Wert der Teile beeinflusst, da zumindest einige der Teile im Testprozess zerstört werden“, sagt Archer. „Ein üblicher Durchschnitt sind ein Dutzend Run-Downs. Ein typischer Bereich wäre sechs bis 24 Run-Downs.“

Bei einem Drehmoment-Winkel-zu-Versagen-Test führen Ingenieure mehrere Abläufe durch, zeichnen das Drehmoment gegenüber dem Drehwinkel auf und ziehen das Befestigungselement fest, bis es versagt. Ziel ist es, die Streckgrenze des Verbindungselements zu ermitteln.

Jedes Verbindungselement verfügt über eine gewisse Elastizität, wenn es gedehnt wird. Wenn die Belastung entfernt wird und sich das Befestigungselement noch innerhalb seines elastischen Bereichs befindet, kehrt das Befestigungselement in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn das Befestigungselement jedoch über seine Streckgrenze hinaus angezogen wird – über den elastischen Bereich hinaus und in den plastischen Bereich hinein – kehrt es bei Wegnahme der Last nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurück. Der Verschluss wird dauerhaft gedehnt. Wenn das Befestigungselement über diesen Punkt hinaus festgezogen wird, führt dies letztendlich zum Bruch.

Die Spezifikation des Installationsdrehmoments läge dann bei einem gewissen Prozentsatz – vielleicht 75 bis 85 Prozent – ​​des durchschnittlichen Drehmomentwerts, als das Befestigungselement seine Streckgrenze erreichte, plus oder minus zwei oder drei Standardabweichungen, erklärt Archer. Alternativ könnte das Installationsdrehmoment auf einen kleineren Prozentsatz – beispielsweise 60 Prozent – ​​des durchschnittlichen Drehmomentwerts eingestellt werden, als das Befestigungselement versagte.

Für die Messung von Drehmoment und Winkel zu einer Spannung ist eine Kraftmessdose, ein Dehnungsmessbolzen oder ein Ultraschallsensor erforderlich. „Der Vorteil der Ultraschallmethode besteht darin, dass es zu keiner funktionellen Veränderung des Gelenks kommt. Sie modifizieren die Schraube nicht und fügen der Verbindung kein zusätzliches Teil hinzu, daher besteht kein Risiko, dass die Messmethode die Testergebnisse verändert“, sagt Archer.

Ein Ultraschallsensor misst die Schraubenspannung in Echtzeit. Durch die Einrichtung eines festen akustischen Pfads zwischen Sensor und Befestigungselement gibt es keine Messabweichungen aufgrund der Kopplung zwischen Sensor und Bolzen. Die Ultraschalltechnologie ermöglicht außerdem eine Langzeitüberwachung der Gelenkspannung zur Beurteilung der Stabilität im Einsatz oder nach dynamischen Tests.

Der Drehmoment-Winkel-zu-Zug-Test wird auf die gleiche Weise durchgeführt wie der Drehmoment-Winkel-zu-Versagen-Test. Probeverbindungen werden bis zum Streck- oder Versagenspunkt des Befestigungselements angezogen. In diesem Fall suchen Ingenieure jedoch nach einem Drehmoment, das eine bestimmte Klemmkraft erzeugt.

Sobald ein Montagedrehmoment festgelegt wurde, müssen die Ingenieure entscheiden, wie sie diese Spezifikation am Montageband umsetzen. Soll das Werkzeug bei einem bestimmten Drehmoment oder einem bestimmten Winkel abschalten?

„Es ist üblicher, bei einem Drehmoment abzuschalten“, gibt Archer zu. „Es ist einfacher und man braucht keinen Encoder.

„Da Sie während der Produktion nicht die tatsächliche Klemmkraft messen, müssen Sie einen Drehmomentwert auswählen, der Ihnen die Klemmkraft am zuverlässigsten liefert“, fügt Archer hinzu. „Wenn das obere Ende Ihrer Drehmomentspezifikation 80 Prozent des Streckgrenzenwerts beträgt, sollte das untere Ende auf der Leistungsfähigkeit des Befestigungswerkzeugs basieren.“

Winkelgesteuertes Anziehen ist genauer. „Der springende Punkt bei der Durchführung von Drehmoment-Spannungs-Tests … liegt darin, dass die Beziehung zwischen Drehmoment und Klemmlast stark durch Reibungsschwankungen beeinflusst wird“, sagt Archer. „Beim Anziehen auf einen bestimmten Drehwinkel spielt Reibung keine Rolle. Sie verlängern die Schraube um einen festen Betrag. Es gibt einen viel direkteren Zusammenhang zwischen Drehung und Dehnung des Bolzens.

„Bei der Schraubendehnung geht es übrigens nicht einfach darum, die Steigung des Befestigungselements im Verhältnis zum Drehwinkel zu berechnen, denn es kommt zu einer gewissen Kompression der Verbindungselemente und auch zu einer gewissen Dehnung der Schraube.“

Um winkelgesteuerte Verschraubungen umzusetzen, benötigen Ingenieure Befestigungswerkzeuge, die den Winkel genau messen können. „Es reicht nicht zu sagen: ‚Das sieht aus wie eine halbe Drehung.‘ Bei sehr steifen Gelenken kann ein Fehler von 10 Grad einen großen Unterschied in den Ergebnissen bedeuten“, warnt Archer. „Sie möchten ein Werkzeug mit integriertem Encoder, der Winkel mit einer Genauigkeit von 0,25 bis 1 Grad messen kann.“