Vorspannkraft von Schrauben mit Ultraschall messen
Die Auslegung von Schraubverbindungen ist nicht trivial, auch mit viel Erfahrung und Know-how gibt es in der Praxis immer wieder Überraschungen. Besonders bei dynamischen, thermischen oder mechanischen Beanspruchungen steckt der Teufel oft im Detail. Auch neue Werkstoffe und Verfahren wie 3D-Druck, Lasersintern und Co. können für eine Verschraubung neue Bedingungen schaffen, die bisherige Berechnungsweisen nicht abbilden. Die beste Lösung wäre, die tatsächliche Vorspannkraft zu messen. Herkömmliche Verfahren sind aber entweder auf den Prüfstand beschränkt, benötigen andere Schrauben als in der Montage verwendet oder erfordern zusätzliche Fugen im Schraubverbund. Die Messung der Vorspannkraft im realen Verbund mit Originalschrauben und Gewinde an Ölwannen, Getriebe- oder Gasrohrflanschen war so oft nicht möglich. Ein neuer Ansatz ändert das: Durch Einleitung von Ultraschall in die Schraube dienen die Originalschrauben als Prüfling und die gemessene Vorspannkraft entspricht dann der tatsächlichen Klemmkraft im Betrieb.
Messen ohne Kompromisse
| Herkömmliche Messungen bestimmen die Vorspannkraft z. B. mit einer mechanischen Längenmessung der Schraube, um über die Dehnung die Kraft zu messen, oder die Anpresskraft wird über zwischengelegte Druckmessscheiben bestimmt. In beiden Fällen sind die Fehlermöglichkeiten recht hoch. Druckmessscheiben beispielsweise bringen zwei zusätzliche Trennfugen in die Verbindung, deren Einfluss man nur abschätzen kann. ARNOLD BlueFastenig Systems bietet mit seiner Ultraschall-Messtechnik mit dem intellifast® System die Möglichkeit, die Schraubverbindungen in der Originalapplikation zu messen. Neben der Möglichkeit, die Originalkonfiguration der Schraubverbindung zu testen, erweitert diese Messmethode auch die Bandbreite der Messung. Das System kann je nach Anwenderfragestellung nicht nur im Messlabor arbeiten, es ist auch für Messungen vor Ort geeignet. In besonderen Fällen können so Veränderungen der Vorspannkräfte sogar während des Betriebs auch über Monate hinweg bestimmt werden. Damit erfasst man dann auch Alterungsprozesse wie Dichtungsschrumpfen oder Temperatureinflüsse (Sommer / Winter). Da das System mehrkanalig ausgelegt ist, sind nicht nur Einzelaussagen möglich, sondern der Schraubverbund kann insgesamt messtechnisch erfasst und bewertet werden. | 
Das System kann je nach Anwenderfragestellung nicht nur im Messlabor arbeiten, es ist auch für Messungen vor Ort geeignet. |
Vorspannkraftmessung mit dem Puls-Echo-Verfahren
Wie beim Schiff die Tiefe per Echolot bestimmt wird, so misst das Ultraschallverfahren auch die Laufzeit des Schallimpulses vom Aussenden in die Schraube bis zu dessen Rückkehr. |
Vorbereitete Schraubenköpfe mit Piezo-System |
Die Funktionsweise der Methode ist einfach zu erklären: Wie beim Schiff die Tiefe per Echolot bestimmt wird, so misst das Ultraschallverfahren auch die Laufzeit des Schallimpulses vom Aussenden in die Schraube bis zu dessen Rückkehr. Das einfache Prinzip erfordert aber umfangreiche Ausrüstung und Know-how für aussagefähige Ergebnisse. Die vergleichsweise kurze Schraubenlänge in Verbindung mit der hohen Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Schraubenmaterial Metall benötigt Messungen im Nanosekunden-Bereich. Auch müssen die Originalschrauben vorbereitet werden. Sie bekommen an beiden Enden exakt planparallele Flächen. Die untere Fläche dient der optimalen Reflexion des Schalls. Auf die plane Fläche am Schraubenkopf wird zur Schalleinkopplung und Aufnahme des Echoimpulses ein Piezoelement aufgebracht (Bild 4). Dazu gibt es zwei Varianten: Entweder wird ein vorgefertigtes Piezoelement eingeklebt, oder ein Permanent Mounted Transducer System (PMTS) installiert. Das günstige Klebeverfahren ist für schnelle, nicht zu anspruchsvolle Messungen gedacht, die PMTS-Version kann Verbindungen auch unter harschen Bedingungen messen und bleibt über Jahre hinweg funktionsfähig.
Was kann das Ultraschallverfahren?
|
Temperaturtabelle zu Mess- und Einsatztemperaturbereichen |
Tabelle der möglichen Antriebsgrößen |
Das Verfahren eignet sich für Schrauben aus Aluminium und Stahl für metrische Gewinde oder Direktverschraubung in Metall ab 4 mm Durchmesser aufwärts bei Klemmlängen ab einem Millimeter. Die eingeklebte Piezoausführung erlaubt Messungen im Bereich von - 35 bis + 125 °C, die PMTS-Version von - 40 bis + 165 °C. Die Ultraschallelemente können an TORX®, TORX PLUS® und Innen-6KT/ Außen-Antrieben angebracht werden, abweichende Antriebsgrößen gibt es auf Anfrage. Je nach Anwendervorgabe können unterschiedliche Messoptionen gewählt werden: eine einmalige Messung an einer oder mehreren Schraubstellen, die Messung des Vorspannkraftverlaufs an einer Schraubstelle über einen definierten Zeitraum, oder eine Messung des Vorspannkraftverlaufs an bis zu acht Schraubstellen gleichzeitig über einen definierten Zeitraum. Für eine zuverlässige Messung sind verschiedene Voraussetzungen essenziell, die Spezialisten von ARNOLD beraten dazu eingehend. Die Eignung dieses Messverfahrens wird für die jeweilige Aufgabe genau und individuell geprüft. Dazu ist die Bereitstellung von detaillierten Informationen zu den einzelnen Komponenten der zu untersuchenden Verbindung notwendig. Die eigentliche Prüfung findet normalerweise im hauseigenen Prüflabor statt. Dabei können auch große Objekte individuell eingespannt und geprüft werden. Bei ortsfesten Anlagen oder Messungen im laufenden Betrieb sind auch mobile Messungen vor Ort möglich. Das Messlabor übernimmt auch die vorbereitenden Arbeiten an den Originalschrauben wie die spanende Bearbeitung einer planparallelen Fläche kopf- und spitzenseitig sowie das Aufbringen des Piezoelements.
Die moderne Ultraschallmessmethode zur Bestimmung der realen Vorspannkraft an Schrauben erleichtert den Aufbau möglichst zuverlässiger Schraubverbindungen. Sie unterstützt mit realen Messwerten als Trainingsdaten KI-Konstruktionsprozesse besonders bei innovativen Materialien und Fertigungsmethoden und kann bei der Fehlersuche helfen. Da auch Feldmessungen über längere Zeiträume möglich sind, entspricht der so gemessene Vorspannkraftverlauf den natürlichen Alterungsprozessen und gibt Auskunft über die Langzeitstabilität der Verbindungen.
Technikkasten: Wie funktioniert das?
Über ein Piezoelement wird ein Ultraschallimpuls über ein Messgerät am Kopf der Schraube eingeleitet, durchläuft das Verbindungselement und wird am gegenüberliegenden Ende reflektiert. Dieses Echo durchläuft die Schraube erneut, wird vom Messgerät erfasst und seine Laufzeit gemessen. Die Laufzeit ist dabei schraubenspezifisch und nimmt beim Anziehen der Schraube im elastischen Bereich aufgrund ihrer Dehnung sowie des sogenannten akusto-elastischen Effektes linear zu. Über den Vergleich der Laufzeiten im unverspannten Zustand (Referenzlaufzeitmessung) mit der Zeit nach dem Anziehen der Schraube können unter Berücksichtigung weiterer Faktoren Aussagen über die tatsächlich vorhandene Vorspannkraft gemacht werden.
Um die reale Vorspannkraft bei Schraubverbindungen zu messen, bietet ARNOLD UMFORMTECHNIK ein, auf Ultraschallmessung basierendes Messverfahren, für 4 bis 8 mm Schrauben.
Weitere Informationen zum Thema finden Sie hier.
Über ARNOLD GROUP – BlueFastening Systems
Die ARNOLD GROUP steht seit 1898 weltweit für intelligente und zukunftsweisende Verbindungstechnik. Basierend auf langjähriger Expertise in der Produktion von hochkomplexen Fließpressteilen und innovativen Verbindungselementen hat sich ARNOLD längst als umfassender Systemanbieter und Entwicklungspartner für ganzheitliche Verbindungslösungen etabliert.
Bereits seit mehr als 30 Jahren bietet ARNOLD zusätzlich Maschinen- und Verarbeitungstechnik für die automatisierte Montage von Verbindungselementen – individuell abgestimmt auf kundenspezifische Anforderungen, effizient und prozesssicher.
Die Philosophie BlueFastening Systems unterstreicht diesen ganzheitlichen Ansatz: Die enge Verzahnung von Engineering, hochwertigen Verbindungselementen, präzisen Funktionsteilen sowie modernster Zuführ- und Verarbeitungstechnik sorgt für maximale Effizienz, Nachhaltigkeit und globale Innovationskraft – alles aus einer Hand.
Seit 1994 ist ARNOLD Teil der Würth Gruppe und treibt die Zukunft der Verbindungstechnik mit höchster Präzision und Innovationsstärke voran.
