MESSTECHNIK & ANALYTIK
Ultraschall für Schraubenanalyse
Vorspannkraft exakt messen
Für lösbare Verbindungen gelten Schrauben weiterhin als bevorzugtes Konstruktionselement. Zur Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit müssen definierte Vorspannkräfte aufgebracht werden, deren Auslegung auf entsprechenden Berechnungsmodellen basiert. Doch verhalten sich die Schraubverbindungen in der Praxis tatsächlich so wie berechnet? Herkömmliche Montage- und Messmethoden wie Drehmoment oder eine Längenmessung der Schraube geben darüber nur bedingt Aufschluss. Eine neue Methode bestimmt die Vorspannkraft direkt in der Originalschraube per Ultraschalllaufzeit und Laufzeitdifferenz und liefert exakte Daten zu jeder einzelnen Schraube und deren Vorspannung. Das funktioniert auch im Betrieb und wenn nötig über lange Zeit.
Durch Einkopplung von Ultraschall in die Originalschraube, die dabei als Prüfling dient, ist die gemessene Vorspannkraft identisch der tatsächlichen Kraft im Betrieb.
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.
Durch Einkopplung von Ultraschall in die Originalschraube, die dabei als Prüfling dient, ist die gemessene Vorspannkraft identisch der tatsächlichen Kraft im Betrieb. Quelle: Arnold
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. Quelle: Arnold
Herkömmliche Messungen bestimmen die Vorspannkraft zum Beispiel 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.
Vorbereitete Schraubenköpfe mit Piezo-System… Quelle: Arnold
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.
Tabelle der möglichen Antriebsgrößen. Quelle: Arnold
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 das Unternehmen ein, auf Ultraschallmessung basierendes Messverfahren, für 4 bis 8 Millimeter Schrauben.
