{"id":26661,"date":"2022-10-12T08:21:23","date_gmt":"2022-10-12T08:21:23","guid":{"rendered":"https:\/\/www.scsconcept.com\/?p=26661"},"modified":"2022-10-12T11:51:36","modified_gmt":"2022-10-12T11:51:36","slug":"drehmoment-ist-nicht-gleich-schraube-fest","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/sitowebsmart.com\/de\/drehmoment-ist-nicht-gleich-schraube-fest\/","title":{"rendered":"Drehmoment ist nicht gleich Schraube fest!"},"content":{"rendered":"

Warum eine Schraubfallanalyse und PFU (Prozessf\u00e4higkeitsuntersuchung) der Schraubverbindung f\u00fcr Produkthersteller erforderlich ist.<\/span><\/h2>\n

Fragt man in der Montage nach, ob und wie die Anwender Ihre Schraubverbindungen NACH dem Verschrauben pr\u00fcfen, herrscht oft Verwunderung. Insbesondere, wenn bereits gesteuerte, \u00fcberwachende und regelm\u00e4\u00dfig gepr\u00fcfte Schraubsysteme zur Anwendung kommen. \u201eWir montieren hochpr\u00e4zise und \u00fcberwachen alle Parameter. Jedes Jahr werden unsere Werkzeuge gepr\u00fcft! Warum sollen wir jetzt noch die Schraubverbindung pr\u00fcfen? Die Werkzeuge zeigen stets korrekte Werte an.\u201c<\/p>\n

Ein Trugschluss und Quelle etlicher Qualit\u00e4tsm\u00e4ngel und Regressforderungen im Zusammenhang mit Schraubverbindungen!<\/p>\n

Warum die Schraubfallanalysen und stichprobenartige Durchf\u00fchrungen einer Prozesspr\u00fcfung so sinnvoll ist, warum auch Normen und Richtlinien Sie konkret verlangen und wie die technischen Zusammenh\u00e4nge sind, erfahren Sie im Folgenden.<\/p>\n

Hintergrund<\/h2>\n

Die Prozessf\u00e4higkeitsuntersuchung (PFU) ist in der industriellen Fertigung das Mittel der Wahl, um die Langzeitstabilit\u00e4t der Produktion nachzuweisen. Wie die Prozess-FMEA oder die Maschinenf\u00e4higkeit (MFU) bei kritischen Schraubf\u00e4llen ist die PFU f\u00fcr die Lebensdauer des Produktes plus 15 Jahre zu archivieren (zumindest in Deutschland). Sie ist Grundlage der Produkthaftung bzw. Produktsicherheit.<\/p>\n

Der Hersteller oder Inverkehrbringer eines Produktes oder Teilproduktes muss gew\u00e4hrleisten, dass das Produkt sicher ist. Dazu ist er angehalten nach aktuellen Normen und Richtlinien oder zumindest gleichwertig zu produzieren. Dazu ist das Produkt konstruktiv so auszuf\u00fchren, dass es unter Verwendungszweck bei der Anwendung nicht zum Schaden von Leib, Leben und Umwelt kommen kann. Und Produkte, die halten was sie versprechen sind f\u00fcr Kunden ihren Preis wert und sichern Herstellern ihren wirtschaftlichen Erfolg.<\/p>\n

Runtergebrochen auf eine Schraubverbindung bedeutet dies, dass mit der Verschraubung eine Funktion sichergestellt werden muss. Diese Auslegung erfolgt in der Regel durch die Konstruktionsabteilung, die den speziellen Lastfall, die Funktion und die Risiken der Schraubverbindung vorab bestimmt. Im Idealfall legt die Konstruktion Strategie, Werkzeugtechnologie und Anzugsparameter fest, mit denen die Werker sp\u00e4ter in Serie arbeiten.<\/p>\n

Noch immer finden sich in Konstruktionszeichnungen meist als einzige Anzugsvorgabe ein Drehmomentwert mit Toleranz.\u00a0 Diesen Drehmomentwert in der Montage zu erreichen auf der Schraubverbindung reicht aber definitiv nicht aus, um eine korrekte Schraubverbindung sicherzustellen.<\/p>\n

Warum? Eine der wichtigsten Funktionen einer Schraubverbindung ist, zwei oder mehr Teile so zu f\u00fcgen, dass sie sich danach verhalten wie ein einziges Bauteil. Dies gilt auch unter Betriebsbelastungen und \u00fcber die gesamte zugedachte Lebensdauer des Gesamt- oder Teilsystems. Die daf\u00fcr eigentlich von Konstruktion definierte, notwendige Mindestklemmkraft muss w\u00e4hrend der gesamten Nutzungsdauer erhalten bleiben.<\/p>\n

\"Drehmoment<\/em><\/p>\n

Abbildung 1: Prinzipdarstellung Schraubenverbindung<\/em><\/p>\n

Dazu werden meist hochfeste Schrauben benutzt. Deren Besonderheit ist, dass sie sich, wenn entsprechend angezogen, wie Zugfedern unter Last verhalten. Sie wollen sich wieder zusammenziehen und in ihren Ausgangszustand zur\u00fcckkehren. Wenn dort nun Bauteile dazwischen liegen, werden diese zusammengedr\u00fcckt. Abh\u00e4ngig von der Vorspannkraft, die in der Schraube eben h\u00e4ufig \u00fcber Drehmoment eingebracht wird, werden die Bauteile mehr oder weniger stark zusammengedr\u00fcckt, was zwischen den Bauteilen und dem Schraubenkopf\/der Mutter in Klemmkraft resultiert. Soweit, nur sehr vereinfacht und in aller K\u00fcrze, die bekannten Prinzipien von hochfesten, vorgespannten Schraubverbindungen.<\/p>\n

Verifizierung von Montagevorgaben und Justage von Schraubern<\/h2>\n

Jetzt muss man noch nachweisen, dass das eingebrachte Montagedrehmoment wirklich zum gew\u00fcnschten Ziel f\u00fchrte. \u201eAber daf\u00fcr habe ich doch das Drehmoment meiner Werkzeuge sichergestellt \u2013 das muss doch reichen!\u201c, mag mancher erwidern. Wie man aber schon aus den vorangegangenen Ausf\u00fchrungen entnehmen kann, ist Drehmoment wirklich nur eine Hilfsgr\u00f6\u00dfe f\u00fcr das, was wirklich erzielt werden soll, um nicht zu sagen, eine Kr\u00fccke. Zum Beleg hier einige plakativ dargestellte Beispiele. Bei einem Gewindefresser w\u00fcrde man ohne weitere Kontrolle wohl das Zieldrehmoment bei der Montage erreichen k\u00f6nnen, aber auch die n\u00f6tige Vorspannkraft? Ein anderes Beispiel: Ob ich 50 N\u2219m immer wieder nachratschend mit einem Handschl\u00fcssel aufbringe oder mit einem Hochgeschwindigkeitsschraubsystem mit deutlich \u00fcber 1000 U\/min, macht einen wesentlichen Unterschied. Das gemessene oder zumindest angezeigte Drehmoment der Werkzeuge mag identisch sein, die erzielte Klemmkraft, vor allem nach Abklingen der ersten Setzerscheinungen, im Bauteil aber sicherlich nicht. Beim Thema Drehzahl kommt sofort auch ihr Einfluss auf die Reibung mit ins Spiel – denn Reibung vernascht Drehmoment zum Fr\u00fchst\u00fcck. Und so weiter und so fort. Drehmoment ist, wie gesagt, eine Kr\u00fccke, mit der wir aber schon recht lange gut leben.<\/p>\n

Aufgrund der Natur der Drehmomentmontage, sozusagen als \u201eindirektes\u201c Verfahren, empfehlen Berechnungsstandards (z.B. VDI 2230-1, Abschnitt 1 und 5.4.3.2), ebenso wie erfahrene Schraubtechnikpraktiker-\/innen etwaige Berechnungsergebnisse durch Schraubfallanalysen zu verifizieren. Diese Versuche sollten, so weit als m\u00f6glich, an Real- bzw. Serienbauteilen, unter den voraussichtlichen Bedingungen der Produktion, durchgef\u00fchrt werden. Zu den zu erwartenden Produktionsbedingungen geh\u00f6rt beispielsweise auch die Schraubwerkzeugart und dessen Einstellungen, sowie Montagehilfsmittel (z.B. die spezifischen Steckschl\u00fcssel). Bei diesen grundlegenden Versuchen soll ermittelt werden, ob das installierte Drehmoment auch wirklich zur gew\u00fcnschten Vorspannkraft, respektive Klemmkraft gef\u00fchrt hat.<\/p>\n

\"Drehmoment<\/p>\n

Abbildung 2: Messung einer Drehmoment-\/Drehwinkelkurve an einem Serienbauteil <\/em><\/p>\n

Wenn dies im ersten Schritt voraussichtlich nicht f\u00fcr die Lebensdauer ermittelt werden kann, dann doch zumindest einmal f\u00fcr den Zeitpunkt nach der Montage und nach dem Abklingen der signifikantesten Setzbetr\u00e4ge (siehe Abbildung 2). Die klarsten Informationen erh\u00e4lt man etwa durch Kraftmessungen oder L\u00e4ngenvergleichsmessungen an den Schrauben (z.B. durch Ultraschall, herk\u00f6mmlicher L\u00e4ngenmessung, Lichtwellenmessung). Diese Verfahren kommen jedoch nicht immer zum Einsatz \u2013 egal ob direkt zur Montage oder nachtr\u00e4glich zur Pr\u00fcfung – da sie nicht immer serientauglich, oder weil sie entsprechend kostenaufw\u00e4ndig sind, bzw. sie ein hohes Ma\u00df an fachlicher Anwendungskompetenz bed\u00fcrfen.<\/p>\n

Aber es gibt auch noch andere Verfahren. Zur Feststellung, ob man mit seiner Montagevorgabe tats\u00e4chlich im Bereich der gew\u00fcnschten Streckgrenzausnutzung landet, kann man die Schraube, unter kontinuierlicher Messung des Drehmoments und -winkels, bis zum Versagen drehen. Dies ist entweder m\u00f6glich von der nicht montierten Schraube ausgehend, bis zum Versagen oder von der bereits auf Zielmoment montierten Schraube \u00fcber das Weiterdrehmoment zum Streckgrenzbereich n\u00f6tigenfalls zum Versagen (Abbildung 4). Optimal ist dies unter gleichzeitiger Messung der Vorspann- oder Klemmkraft (Abbildung 3). Herausforderungen von Chargenwechsel etc. sind, wie bei allen anderen industriellen Analysen, entsprechend durch die Stichprobenwahl und-anzahl bzw. mathematisch, statistische Verfahren zu ber\u00fccksichtigen. Hier wird die aktuell in Arbeit befindliche VDI 2230 Blatt 3 entsprechende Hilfestellung voraussichtlich ab 2023 liefern.<\/p>\n

\"Drehmoment<\/p>\n

Abbildung 3: links: Beispielhafte Drehmoment-Zeit + Vorspannkraft – Kurve zur Verifizierung von Berechnungsergebnissen von Montagevorgaben bei Drehmomentanzug. Rechts: Handmesssystem f\u00fcr Drehmoment-\/-winkel + Klemmkraft – Messschl\u00fcssel mit kabellos angeschlossener Kraftmessdose. <\/em><\/p>\n

Wenn diese erste H\u00fcrde erfolgreich genommen wurde, ist die n\u00e4chste die Verifizierung der f\u00fcr die Auslegung angenommenen Setzbetr\u00e4ge. Ein sehr pragmatischer Ansatz, welcher daher auch in der VDI 2230 Abschnitt 5.4.3.2 f\u00fcr das drehmomentgesteuerte Anziehen explizit genannt wird, ist das Messen von Weiterdrehmomenten. Das hei\u00dft, die unter stabilen und abgesicherten Bedingungen montierte Schraubverbindung wird um einige Winkelgrade weitergedreht und diese Drehmoment-Drehwinkelkurve wird entsprechend analysiert. Hier liegt der Fokus wie gesagt auf Drehmoment, welches direkt beim \u00dcbergang von der Haft- in die Gleitreibung gemessen wird.<\/p>\n

\"Drehmoment<\/p>\n

Abbildung 4: Eine Drehmoment-\/Drehwinkelmesskurve aus einer Reihe von Messungen mit Auswertung des Weiterdrehmoments zur Streckgrenze als Verifizierung des Anziehverfahrens bzw. Einstellung des Schraubwerkzeugs. Im vorliegenden Fall liegt das Weiterdrehmoment bei ca. 65% des Drehmomentbereichs im Streckgrenzbereich.<\/em><\/p>\n

Hierzu braucht es entsprechend f\u00e4hige Messmittel und Auswertemethoden. In Abbildung 5 werden die am h\u00e4ufigsten angewendeten Verfahren dargestellt. Es wird hier schon klar, dass die Verfahren teils zu unterschiedlichen Ergebnissen f\u00fchren. Die Auswahl des Verfahrens ergibt sich jedoch aus der Wahl des Messsystems, des Verhaltens des Schraubfalls beim Weiterdrehen und anderen Faktoren. Hat man die Weiterdrehmomente erfasst, weist die Richtlinie darauf hin, dass diese um einen Faktor von dem Montagedrehmoment abweichen k\u00f6nnen. Die H\u00f6he des zul\u00e4ssigen Faktors ist von der Konstruktion, gegebenenfalls in Kooperation mit weiteren Fachbereichen wie dem Versuch festzulegen, oder ist auf Basis von Erfahrungswerten auf seine Plausibilit\u00e4t hin zu \u00fcberpr\u00fcfen. Wie gesagt, es geht um die pragmatische Absch\u00e4tzung von Annahmen zu den Setzbetr\u00e4gen nach Montage bzw. nach Aussetzen von Betriebsbelastungen.<\/p>\n

Prozessf\u00e4higkeitsuntersuchung mit Weiterdrehmoment<\/h2>\n

Sind diese fr\u00fchen Analysen im Rahmen der Prototypen- oder Vorserienfertigung abgeschlossen, so bleibt noch der Nachweis der Langzeitstabilit\u00e4t der Fertigung, mit Bezug auf die Vorspannkraft\/Klemmkraft. Auch hierzu kann im Serienmontageprozess die Messung von Weiterdrehmomentkurven genutzt werden (siehe Abbildung 5). Jedoch k\u00f6nnen auch weitere Verfahren zum Einsatz kommen, bzw. ein anderes als das, welches f\u00fcr die Schraubfallanalyse genutzt wurde.<\/p>\n

\"Drehmoment<\/p>\n

1 \u2013 Schnittpunktermittlung
\n2 \u2013 Maximalwert beim Losbrechen MWH<\/sub><\/p>\n

3 \u2013 Steigungs\u00e4nderung (bzw. Minimum nach MWH<\/sub>)
\n4 \u2013 Drehmoment am Drehwinkel<\/p>\n

Abbildung 5: Beispielhafte Verl\u00e4ufe von Drehmoment-\/Drehwinkelkurven nach einer Weiterdrehmomentmessung. Fall B. zeigt den typischen Verlauf f\u00fcr den Fall, dass die Haftreibung signifikant h\u00f6her als die Gleitreibung ist und Fall A. wenn die Haftreibung nahezu der Gleitreibung entspricht. In beiden Grafiken wird eine Auswahl an Ergebnispunkten unterschiedlicher Verfahren zur Auswertung nach VDI\/VDE 2645, Blatt 3 gezeigt. Zum Zwecke der Schraubfallanalytik finden in der Regel die Varianten 1 und 3 Anwendung.<\/em><\/p>\n

Der Fakt, dass die Weiterdrehmomentwerte im Bereich der PFU abh\u00e4ngig von der gew\u00e4hlten Auswertemethode gut und gerne um 20-30% abweichen k\u00f6nnen, mag zun\u00e4chst verwundern zeigt aber auch nochmal den signifikanten Unterschied zwischen Schraubfallanalyse und PFU auf. Bei der Schraubfallanalyse geht es um den spezifischen Messwert in seiner H\u00f6he. Bei der PFU geht es um die Stabilit\u00e4t des Merkmals bzw. des Messprozesses \u00fcber die Zeit, wobei die Messwerte eine nachgewiesene Korrelation zu der Zielgr\u00f6\u00dfe haben, jedoch nicht zwingend exakt diese wiederspiegeln m\u00fcssen.<\/p>\n

Ein Beispiel zur Verdeutlichung: Bei der Schraubfallanalyse wurde das Verfahren Steigungs\u00e4nderung zur Ermittlung des Weiterdrehmomentes mit einem entsprechend hochaufl\u00f6senden Messsystem ermittelt. Zur \u00dcberwachung der Serienfertigung werden jedoch andere Messger\u00e4te mit einer anderen Messger\u00e4tef\u00e4higkeitsspezifikation genutzt und die Pr\u00fcfprozesseignung hat ergeben, dass aufgrund des speziellen Verhaltens des Schraubfalls beim Weiterdrehen, der Pr\u00fcfereinfluss auf den Pr\u00fcfprozess am niedrigsten ist beim Verfahren \u201eDrehmoment an Drehwinkel\u201c bei einem Weiterdrehwinkel von 4\u00b0. In so einem Bespiel k\u00f6nnte der Unterschied zwischen den beiden Auswertemethoden und Anwendungen bei 10-20% auf Basis des ausgegebenen Weiterdrehmoments liegen. Es sind aber auch zwei unterschiedliche Zielrichtungen, die jeweils verfolgt werden und daher ist der Unterschied, wenn entsprechend dokumentiert und erkl\u00e4rt, in Schraubfallanalyse und Messsystemanalyse (MSA) bzw. Pr\u00fcfprozesseignung (PPE), auch nachvollziehbar.<\/p>\n

Ausblick:
\nHerausforderungen des Messprozesses & Nachweis anderer Schrauben-\u201eFunktionen\u201c<\/h2>\n

Am Ende h\u00e4ngt die Wahl einer Schraubfallanalyse- und PFU-Auswertemethode von vielen Faktoren ab. Wenn man die Messung von Weiderdrehmoment\/-winkelkurven nimmt h\u00e4ngt es u. a. vom Verhalten des Schraubfalls beim \u00dcbergang von der Haft- zur Gleitreibung beim Weiterdrehen, von den Algorithmen und deren Messunsicherheit, die im Pr\u00fcfschl\u00fcssel bzw. von der Auswertesoftware verwendet werden und vieles mehr. Um alle Faktoren bewerten zu k\u00f6nnen braucht es, wie u. a. in der ISO 9000 beschrieben, genau diese MSA oder PPE, wie bei allen industriellen Messprozessen. Der in \u00dcberarbeitung befindliche VDA-Band 5.2 hilft hier in Kombination mit der kommenden VDI\/VDE 2645-1, die Zusammenh\u00e4nge und internationalen Anforderungen zu verstehen und zielgerichtet umzusetzen.<\/p>\n

Was nicht vergessen werden darf, ist, dass Erzeugen von Klemmkraft nur eine von mehreren Funktionen einer Schraubverbindung ist. Dar\u00fcber hinaus gibt es weitere Funktionen, die anstatt oder zus\u00e4tzlich zur Klemmkraft realisiert werden m\u00fcssen, wie z. B. Dichtigkeit, Stromfluss, Sicherheit gegen L\u00f6sen, Halten einer Position, etc.. Je nachdem, wie wichtig diese Funktionen sind, m\u00fcssen entsprechend auch regelm\u00e4\u00dfige Nachweise f\u00fcr deren Erreichung w\u00e4hrend der Produktion bzw. danach erbracht und dokumentiert werden. Hierzu m\u00fcssen entsprechend andere Methoden als die oben genannten, wenn n\u00f6tig auch kombiniert, Anwendung finden. Zu diesen Verfahren z\u00e4hlen z.B. die Mindestmomentpr\u00fcfung f\u00fcr Sicherungselemente, die Messung von \u00dcbergangswiderst\u00e4nden oder Nutzung von thermographisch bildgebenden Systemen bei stromf\u00fchrenden Verschraubungssystemen und viele mehr. Sie haben solche oder \u00e4hnliche Herausforderungen und m\u00f6chten Unterst\u00fctzung oder nur Ihre bestehenden Prozesse einmal mit Blick auf den aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik (Produkthaftung) beleuchten? Fragen Sie ihren Schraubtechnikexperten Vor-Ort.<\/p>\n

Last but not least: Absolute Grundvoraussetzung zur Analyse von Schraubverbindungen ist eine entsprechende Qualifikation des durchf\u00fchrenden Personals. Anderenfalls f\u00e4llt die Schraubfallanalyse schnell in den Bereich des Kaffeesatzlesens, welches im Ernstfall zu gef\u00e4hrlichen Fehleinsch\u00e4tzungen f\u00fchren kann. Selbst bei der Nutzung von entsprechenden Dienstleistern in diesem Bereich sollte man sich in jedem Fall entsprechende Nachweise f\u00fcr die Qualifikation und Erfahrung des durchf\u00fchrenden Personals vorlegen lassen und kritisch pr\u00fcfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Warum eine Schraubfallanalyse und PFU (Prozessf\u00e4higkeitsuntersuchung) der Schraubverbindung f\u00fcr Produkthersteller erforderlich ist.<\/p>\n

Fragt man in der Montage nach, ob und wie die Anwender Ihre Schraubverbindungen NACH dem Verschrauben pr\u00fcfen, herrscht oft Verwunderung. Insbesondere, wenn bereits gesteuerte, \u00fcberwachende und regelm\u00e4\u00dfig gepr\u00fcfte Schraubsysteme zur Anwendung kommen. \u201eWir montieren hochpr\u00e4zise und \u00fcberwachen alle Parameter. Jedes Jahr werden unsere Werkzeuge gepr\u00fcft! Warum sollen wir jetzt noch die Schraubverbindung pr\u00fcfen? 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