Kaum ein Monat vergeht, in dem nicht ein Automobilhersteller zu einer Rückrufaktion wegen mangel­hafter Schraubverbindungen gezwungen wäre. Nach Einschätzungen des US-Beratungshauses Archetype Join LLC geht die Automobilindustrie davon aus, dass 70 % der Garantiekosten und 20 % aller Rückrufe direkt oder indirekt durch fehlerhafte Schraub­verbindungen verursacht werden. Zwar hat sich die Anzahl der Schraub­ver­bindungen im Automobilbau infolge des Trends zum Leichtbau reduziert – gleichzeitig ist jedoch die Zahl sicherheitskritischer Verbindungen gestiegen. Bei einem Transporter beispielsweise sind es insgesamt mehr als 1500 Verbindungen!

Drei Risikoklassen

Die VDI-Richtlinie 2862 teilt Schraubfälle in drei Risikoklassen:

• In die Risikoklasse A fallen sicherheitskritische Schraubverbindungen, deren Ausfall Gefahr für Leib und Leben birgt – so etwa im Fahrwerksbereich eines Autos.
• Funktionskritische Schrauben, die beispielsweise ein Liegenbleiben des Autos verursachen können, gehören in die Risikoklasse B.
• Schraubverbindungen, die bei Ausfall ‚nur‘ eine Verärgerung des Kunden herbeiführen, werden der Risikoklasse C zugeordnet.

Der vermeintlich simple Prozess, zwei oder mehr Teile mit einer Schraube zu verbinden, stellt sich in der Serienmontage als Herausforderung dar. Denn dort muss in einem vorgegebenen Takt über einen bestimmten Zeitraum hin eine gleichbleibende Qualität gewährleistet werden. Natürlich werden alle Einflussgrößen – wie etwa der Zustand der Montagewerkzeuge oder die Qualität der Verbindungselemente – regelmäßig überprüft, um diese Größen in der Montage prozesssicher zu halten. Aber: Am Schluss steht die montierte Schraube, die Teile sind miteinander verbunden, und es gilt, den vorangegangenen Prozess zu überprüfen und zu bewerten. Nun kommt es darauf an, wie sämtliche Einflussgrößen und Toleranzen aufeinander eingewirkt haben und ob die Schraubverbindung zuverlässig hält.

Das Standardwerk zur Berechnung und Auslegung hochfester Schraubenverbindungen ist die Richtlinie VDI 2230 „Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen“. Doch auch, wenn Schraubverbindungen den Vorgaben entsprechend ausgelegt sind, können sie sich selbstständig lösen und lockern, was immer auf einen vollständigen oder teilweisen Verlust der Vorspannkraft zurückzuführen ist (Vorspannkraft bezeichnet die erforderliche Kraft in axialer Richtung, die als Zielgröße des Verschraubungsprozesses nötig ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten).

Zu den ausschlaggebenden Parametern, um die gewünschte Verschraubungsqualität im Fertigungsprozess zu erreichen, gehören die Reibungszahlen der Oberflächen der Verschraubungspartner. Ergo ist deren Prüfung und Überwachung unverzichtbar. Die Reibungszahl spielt eine große Rolle in Bezug auf das Verhältnis der inneren Kräfte der Schraube. Überschlägig ist etwa ein Drittel des aufgebrachten Drehmoments notwendig, um die Reibung im Gewinde zu überwinden – und etwa die Hälfte des Drehmoments ist nötig, um die Reibung unter dem Schraubkopf zu überwinden. Dabei gilt: Je höher die Reibung, desto geringer die erzeugte Vorspannkraft.

Mit Laborsystemen lassen sich die Teilreibungszahlen an Schrauben unter dem Schraubenkopf sowie im Gewinde separat ermitteln. Doch auch, wenn die Schraube im Laborversuch Reibungszahlen aufweist, die innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen, heißt dies nicht zwangsläufig, dass die Schraube diese Reibungszahlen auch unter Lastbedingungen hält: Höhere Temperaturen beispielsweise können das Reib­verhalten der Verbindungs­elemente verändern. Auch Relativbewegungen der montierten Teile sind möglich oder lokale plastische Verformungen.

Mit dem Laborsystem 'Schatz-Analyse' lässt sich das Einschraubverhalten detailliert analysieren.

© Kistler Gruppe

Abhilfe können spezielle Analysesysteme schaffen, wie sie beispielsweise von Schatz angeboten werden. Mit ihnen lassen sich die Funktionseigenschaften von Schraubverbindungen – wie etwa die Reibungszahlen – im Labor reproduzierbar und normenkonform überwachen. Für die Leistungsfähigkeit solcher Analysesysteme sorgt die computergesteuerte Auslegung und Integration von Sensorik, Mess- und Steuerungstechnik, Software, Antrieben und mechanischen Komponenten.

Für exakte und reproduzierbare Messwerte sind zuallererst präzise messende Sensoren zwingend erforderlich. Im Fall der Schatz-Systeme wird die rückführbare Qualität der Drehmoment-, Drehmoment-/Drehwinkel-, Vorspannkraft- und Vorspannkraft-/Gewindemomentsensoren durch das akkredierte DAkkS-Kalibierlabor des Unternehmens sichergestellt.

Die Ermittlung der unterschiedlichen Messgrößen erfolgt mit einem speziellen Mess- und Steuergerät, das alle Messwerte erfasst und verarbeitet und Steuerungsaufgaben übernimmt. Dabei werden diese Aufgaben in Echtzeit erledigt und die Messverläufe zeitgleich grafisch über die Software ‚Testxpert‘ dargestellt.

In Kombination mit dem Messgerät übernimmt ein Leistungs- und Regelgerät die Ansteuerung der unterschiedlichen Antriebseinheiten (Servo-Getriebemotoren und -Antriebsspindeln). Eine direkte Anbindung spezifischer Produktionsspindeln an das System ist durch eine Kooperation mit Her­stellern von Servo-Schraubspindeln für den Einsatz in Produktionslinien möglich. Die Produktionsspindeln werden durch das Leistungs- und Regelgerät angesteuert und ermöglichen Prü­fungen mit dem realen Einfluss der in der Produktion eingesetzten Schraubspindeln. Die computerge­steuerte Auslegung der Mechanik lässt sich an ­Anwender- und Normbedürfnisse anpassen. Dabei erfüllen die Systeme die Anforderungen an maximale Tor­sionssteifigkeit, um eine Beeinflussung der erzielten Ergebnisse auszuschließen.

Die Bedien- und Auswerte-Software ‚Testxpert‘ kombiniert die für eine Prüfung nötigen Funktionen. Sie bildet die kompletten Abläufe vom anwenderspezifischen oder normenkonformen Anlegen des Prüfablaufs mit beliebig vielen Teilschritten und Definitionen der Zielwerte sowie Drehzahlen für die einzelnen Teilschritte ebenso ab wie sie die Maschinenansteuerung für die Prüfung selbst übernimmt.

Abläufe lückenlos abgebildet

Das tragbare Prüf­system 'Inspectpro' dient der Analyse von Drehmoment und Vorspannkraft vor Ort in der Montage.

© Kistler Gruppe

Auch die Auswertung der Ergebnisse mit Statistikparametern und grafischen Darstellungen ist in der Software realisiert. Zudem sind der Daten-Export und die Erstellung der Prüfprotokolle integriert, so dass sich die komplette Prüfung und Auswertung ohne ein aufwendiges Wechseln zwischen Software-Plattformen durchführen lassen.

Doch wie lässt sich sicherstellen, dass die Schraubverbindungen nicht nur im Labor den vorgegebenen Werten entsprechen, sondern auch in der Fertigung? Hier ist Durchgängigkeit der Systeme gefragt: Auf der einen Seite mit Laborsystemen zur Analyse von Verbindungselementen und auf der anderen Seite mit portablen Prüfsystemen zum Messen von Drehmoment und Drehwinkel. Mit dem Laborsystem ‚Schatz-Analyse‘ lassen sich das Zusammenspiel von Drehmoment und Vorspannkraft sowie die mechanischen und funktionellen Eigenschaften von Verbindungselementen bestimmen.

Zur direkten Überprüfung des Schraubvorganges in der Montage werden alle Einflussgrößen mit dem mobilen Messgerät ‚Inspectpro‘ erfasst. Hierfür stehen unterschiedliche Drehmoment-/Drehwinkelsensoren zur Verfügung, die direkt vor das spezifische Schraubwerkzeug adaptiert werden.

Ist das Messgerät mit dem Sensor verbunden, übermittelt dieser seine Kenndaten via ‚Autocode‘, so dass keine weiteren Einstellungen notwendig sind und die Messung umgehend erfolgen kann. Der Bildschirm stellt die Messwerte grafisch innerhalb der Toleranzen dar. Zudem ist es möglich, Messverläufe abzubilden, um Effekte beim Eindrehen, Fügen oder während der Montage zu erkennen.

Zur Auswertung der Mess-Ergeb­nisse verfügt das Messgerät über ein Statistik-Modul. Sämtliche Daten – numerische Werte und grafische Messverläufe – werden abgespeichert, so dass auch zu einem späteren Zeitpunkt eine statistische Auswertung der festgehaltenen Daten durchführbar ist. Die gemessenen Daten lassen sich anschließend via PC und Software weiterverarbeiten.

Die durchgängige IT-gestützte Überwachung der Schraubprozesse in Labor und Fertigung ist letztlich nicht nur der Schlüssel für eine höhere Qualität der Schraubvorgänge, sondern durch die Verarbeitung und Visualisierung in Echtzeit ein Eckpfeiler für die smarte Fabrik im Zeitalter von Industrie 4.0: Treten Fehler auf, kann schnell reagiert werden, Risiken lassen sich früh erkennen und präventive Maßnahmen einleiten. Die durchgängige Transparenz des Verschraubungsvorganges unterstützt zudem den kontinuierlichen Verbesserungsprozess.

Autor:
Christoph Bodensteiner ist Sales/Project und Product Manager bei Schatz in Remscheid.