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EFB-Forschungsbericht Nr. 360

Ermittlung von Klemmkräften mechanischer Fügeelemente durch akustische Anregung und Signalanalyse

efb360

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dipl.-Wirt.-Ing. Normen Fuchs, M.Sc. Wirt.-Ing. Andreas Ebert, Fraunhofer-Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock

114 Seiten (sw 112, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-401-8

Preis (Digital) EUR 61,50

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Eine maßgebliche Einflussgröße zur Gewährleistung des Tragverhaltens von Schraubenverbindungen ist die Vorspannkraft. Schraubenverbindungen haben hierbei den Nachteil, dass durch Setzerscheinungen und / oder selbsttätiges Lösen die in der Montage eingebrachte Vorspannkraft reduziert werden kann. Zur Sicherstellung der Aufrechterhaltung der Vorspannkraft sind deshalb Prüfintervalle notwendig, die das pauschale Nachziehen einer bestimmten Anzahl (5-10%) der Verbinder vorschreiben.

Alternativ bestände die Möglichkeit der messtechnischen Bestimmung der Vorspannkraft. Nach derzeitigem Stand der Technik ist kein kostengünstiges zerstörungsfreies Messverfahren bekannt, welches die Vorspannkraft direkt bestimmt. Die häufig zitierte Ultraschalllängenmessung ist aufgrund hoher Investitionskosten, der notwendigen Referenzmessung im unverspannten Zustand und der Notwendigkeit zur Dokumentation und Zuordnung der Messergebnisse je Schraube hierzu nur eingeschränkt geeignet.

Im Rahmen der Arbeiten am Fraunhofer AGP in Rostock wurde ein Messprinzip untersucht, welches auf einer akustischen Resonanzanalyse beruht. Die Schwingungen einer Schraubenverbindung sollten mit einem Beschleunigungssensor erfasst werden, nachdem sie durch einen Impulshammer angeregt wurde. Die ermittelten Resonanzfrequenzen wurden auf ihre Abhängigkeit vom Vorspannkraftniveau der Schraubenverbindung untersucht. Gegenstand der Betrachtung sind M36 HV-Schraubgarnituren. Es wurden folgende diesem Projekt zu Grunde liegenden Hypothesen mit Hilfe experimenteller und theoretischer Ergebnisse entweder verifiziert oder falsifiziert.

I Verschiedene Vorspannkraftniveaus führen bei einer impulsartigen Anregung zu einer Veränderung der Resonanzfrequenzen der Schraubenverbindung.
Im Verlaufe des Auswertungsprozesses stellen sich zwischen den untersuchten Chargen eines Herstellers sowie zwischen den verschiedenen Herstellern enorme Streuungen bei den Resonanzfrequenzen heraus. Folglich werden diese Bereiche abgelehnt. Unter der Bedingung einer bereichsabhängigen Analyse kann die Hypothese bestätigt werden.

II Eine Erhöhung der Vorspannkraft bewirkt eine Erhöhung der Resonanzfrequenz.
Wird die gestellte Bedingung zu Grunde gelegt, kann das Phänomen der Erhöhung der Resonanzfrequenz beobachtet werden. Systematisch stellt sich die Erhöhung über jede untersuchte Schraube ein. Damit kann die Hypothese II unter der geforderten Bedingung, einer bereichsabhängigen Analyse, als gültig anerkannt werden.

III Es wird ein degressiver Verlauf der Resonanzfrequenz-Kurve bei Erhöhung der Vorspannkraft erwartet.
Qualitativ betrachtet steigt die Resonanzfrequenz mit der Vorspannkraft degressiv an. Das Prinzip der akustischen Resonanzanalyse funktioniert und kann an Schraubenverbindungen eingesetzt werden. Dies belegen die Einzelauswertungen der unterschiedlichen Schrauben im Anhang 8.

IV Bildung eines theoretischen Ersatzmodells zu Erklärung des Schwingungsverhaltens Die Simulationsergebnisse zeigen die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Vorspannkraft.
Diese Abhängigkeit weist darauf hin, dass durch die Auswertung des Schwingungsverhaltens im Frequenzbereich, Rückschlüsse auf die Vorspannkraft der Schraubenverbindung gezogen werden können. Darüber hinaus konnten die relevanten Einflussgrößen auf das Messergebnis identifiziert werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht

Das Forschungsvorhaben "Ermittlung von Klemmkräften mechanischer Fügeelemente durch akustische Anregung und Signalanalyse" wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 16387BR von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 360 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Abstract

A main factor responsible for performance of the structural behavior of bolted joints is the clamp force. Screws have the disadvantage that by settling and / or loosening the clamp load introduced into the joint can be reduced. To ensure the maintenance of preloaded joints test intervals are therefore necessary; prescribe the general tightening for a percentage (5-10%) of joints. Alternatively a nondestructive measurement of the clamp load is possible.

According to the current state of the art no cheap nondestructive measuring method is known, which determines the clamp force directly. The suitability of the frequently cited ultrasound lengths measurement is due to high investment costs, the necessary reference measurement in the relaxed state and the need for documentation of measurement results for each screw is for this purpose limited.

As part of the research at the Fraunhofer AGP Rostock a measuring principle has been studied, which is based on the acoustic resonance analysis. The vibrations of a bolt connection should be engaged with an acceleration sensor, after being stimulated by an impulse hammer blow. The determined resonance frequencies were examined for their dependence on the clamp load level of the joint. Object of contemplation are M36 HV screws.

The project underlying hypotheses have been evaluated using experimental and theoretical approaches. The main hypotheses have been verified: I Various clamp load levels are causing changes in the resonant frequencies of the joint if excited by an impulse blow During the evaluation process different screw batches have been examined. Between the different manufacturers enormous variations in the global resonant frequency behavior have been detected. Consequently, these areas will be rejected. Under the condition of a rangedependent analysis of resonant frequency the hypothesis can be confirmed.

II Increasing the clamp load causes an increase in the resonant frequency The stated condition taken as a basis, the phenomenon of the increase of the resonant frequency can be observed. Systematically the raise of clamp load leads to an increasing resonant frequency for all investigated screws. Thus the hypothesis II can under the required conditions, a frequency range-dependent analysis, be accepted as valid.

III The load frequency curve has a declining profile if the clamp load is increased Qualitatively speaking, the resonance frequency decliningly increases with the clamp load.
The principle of the acoustic resonant, and analysis functions can be used in screw connections. This is proved by single evaluations of different screws batches in Appendix 8.

IV Theoretical explanation of the model for vibration behavior The simulation results show the dependence of the resonance frequency of the biasing force. This dependence indicates that are pulled through the analysis of the vibration characteristics in the frequency range, draw conclusions on the biasing force of the screw connection. Moreover, could the relevant factors are identified on the measurement result.
The project goal has been achieved

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungen
1    Einleitung
1.1    Problemstellung
1.2    Zielstellung des Projektes
2    Stand der Technik
2.1    Messprinzipien zur Vorspannkraftbestimmung
2.1.1    Messung der Länge
2.1.2    Messung der Kraft
2.1.3    Messung akustischer Emissionen
2.2    Akustische Resonanzanalyse
3    Trennfugencharakteristika
3.1    Federsteifigkeit der Trennfuge
3.2    Dämpfungseigenschaften der Trennfuge
4    Theoretische Ersatzmodellbildung
4.1    Ersatzmodellbildung
4.1.1    Schraube
4.1.2    Verspannte Teile
4.1.3    Haupttrennfuge
4.1.4    Übersicht der ermittelten Kennwerte
4.2    Simulationsmodell
4.3    Zusammenfassende Bewertung
5    Experimentelle Verifizierung von Resonanzfrequenzbereichen
5.1    Vorgehensweise zur Auswertung
5.2    Grundlagen zu der statistischen Betrachtung von Messwerten
5.3    Identifikation der Überwachungsbereiche
5.4    Bereichsabhängige Analyse der Resonanzfrequenz
5.4.1    Überwachungsbereich: 4300 Hz - 4500 Hz
5.4.2    Überwachungsbereich: 4700 Hz - 5000 Hz
5.5    Einfluss der Blechdicke der Fügeteile
5.6    Einfluss der Verschraubungsposition
5.7    Einfluss des Werkstoffes verspannter Fügeteile
6    Zusammenfassung
7    Literaturverzeichnis
8    Anhang
8.1    Frequenz-Vorspannkraft Verläufe
8.2    Frequenz-Sollvorspannkraft Diagramme
8.3    Frequenz-IST Vorspannkraft-Diagramme
8.4    Einfluss der Blechdicke
8.5    Einfluss des Blechwerkstoffs