Durch den Einsatz von FiniteElemente-Methoden bei der Konstruktion der Konterschlüssel kann deren Form optimiert und der Materialeinsatz minimiert werden. Das führt zu leichteren Konterschlüsseln bei maximalem Montagedrehmoment.

zulässige Toleranz des Abschaltmomentes: Oberer zulässiger Grenzwert minus unterer Grenzwert aus der Sicht der Schraube; mittlere Streuung des Abschaltmomentes: durch eine Versuchsreihe ermittelte Abschaltmomente, mit denen durch statistische Rechnung die Streuung des Abschaltmomentes berechnet wird (Standardabweichung)

oder auch

In der Gleichung ist der cm-Wert von zwei Faktoren abhängig:

• Die „mittlere Streuung des Abschaltmomentes“ (Maschinenstreuung), ist eine Maschinengröße, die für jede Maschine und jeden Drehmomentwert durch eine Versuchsreihe ermittelt wird.
• Die „zulässige Toleranz des Abschaltmomentes“ (Toleranz) ist eine Variable (aus der Sicht der Schraube), die frei festgelegt werden kann.

Möchte also ein Schrauberhersteller einen cm-Wert von 1,67 erhalten, so kann er die Variable „Toleranz“ so verändern, daß ein cm-Wert (bzw. ein cmk-Wert) von 1,67 erreicht wird. Das ist legitim, unterschlägt jedoch die Tatsache, daß die Toleranz einer Schraubverbindung nicht beliebige Werte annehmen kann und in der Regel vom Konstrukteur und nicht vom Schrauberhersteller festgelegt wird!

Beide Schrauber haben einen cm-Wert von 1,67. Der wesentlich schlechtere Schrauber 2 erreicht diesen Wert mit Verwendung einer dementsprechend vergrößerten zulässigen Toleranz. Nur mit der zusätzlichen Angabe der zulässigen Toleranz erkennt man also die wahre Qualität des Schraubers.

Was will man mit dem cm-Wert eigentlich aussagen?

Schauen wir hierzu nochmals die Gleichung für die Berechnung des cm-Wertes an.

Der cm-Wert ist das Verhältnis der zulässigen Toleranz zur 6-fachen mittleren Maschinenstreuung. Die zulässige Toleranz ist z.B. die Vorgabe der Konstruktion für eine Verschraubung. Die mittlere Maschinenstreuung ist ein durch eine Meßreihe mit 50 Meßwerten ermittelter und berechneter Wert. Dieser Wert heißt auch Standardabweichung. Weshalb verwendet man die 6-fache Maschinenstreuung und nicht z.B. die einfache? Man könnte ja meinen, wenn die Maschinenstreuung gleich groß ist wie die Toleranz, dann bewegt man sich im grünen Bereich und ist immer besser oder gleich der Vorgabe. Das liegt daran, daß die Qualitätsabteilung verlangt, daß die vorgegebene Toleranz unter allen Umständen und unter Einbezug aller Ungewissheiten eingehalten werden muß. An diesem Punkt holen wir uns ins Gedächtnis zurück, daß die Maschinenstreuung mit einer relativ kleinen (in der Regel 50) Anzahl von Messungen ermittelt wird. Schon die 51. Messung kann schlechter sein als alle vorangegangenen Ergebnisse. Um die Qualitätsabteilung zufriedenzustellen, wird die Maschinenstreuung um ein „Vertrauenspolster“ vergrößert. Doch welcher Wert ist hierfür sinnvoll? Hierzu ist ein kleiner Exkurs in die Statistik hilfreich. Wir wissen, daß große Ausreißer beim Abschaltmoment unwahrscheinlicher sind als Ausreißer, die näher am Sollwert liegen. Diese Abhängigkeit kann man in einem Diagramm darstellen welches als Gaußsche Normalverteilung oder Gaußsche Glockenkurve bekannt ist. Wird dieses Diagramm zugrunde gelegt, so bedeutet dies, daß die (mit 50 Meßpunkten ermittelte) Maschinenstreuung ohne zusätzlichem Vertrauensbereich nur für etwa 31% aller Messungen zutrifft. In wahrscheinlich 69% aller Verschraubungen liegen die Abschaltmomente außerhalb der ermittelten Maschinenstreuung. Das hat nun nicht besonders viel mit der Forderung der Qualitätssicherung nach 100%iger Einhaltung der Toleranz zu tun. Die Glockenkurve zeigt aber auch auf, daß, wenn man den Bereich der mittleren Maschinenstreuung versechsfacht, 99,99994% aller Verschraubungen innerhalb dieses vergrößerten Bereiches liegen. Anders ausgedrückt: bei 1 Million Verschraubungen treten dann im Mittel 0,6 Fehlverschraubungen auf. Das ist eine Fehlerquote, mit der auch die Qualitätsabteilung zufrieden sein dürfte. Die folgende Tabelle zeigt die Abhängigkeit des Vertrauensbereichs von der Fehlerhäufigkeit auf:

Vertrauensbereich	Innerhalb der Toleranz	Fehleranteil
1 x Maschinenstreuung	30,85 %	~2/3
2 x Maschinenstreuung	68,26 %	~1/3
3 x Maschinenstreuung	95,44 %	~5%
4 x Maschinenstreuung	99,73 %	~0,3%
5 x Maschinenstreuung	99,994 %	60 bei 1 Million (60ppm)
5,891 x Maschinenstreuung	99,9999 %	1 bei 1 Million (1ppm)
6 x Maschinenstreuung	99,99994 %	0,6 bei 1 Million
7 x Maschinenstreuung	100 %	2x10⁻⁹

Wir haben nun festgestellt, daß wenn der Quotient aus der Toleranz und der 6-fachen Maschinenstreuung 1 ergibt, bei 1 Million Verschraubungen mit 0,6 Fehlverschraubungen zu rechnen ist.

Weshalb wird nun aber ein cm-Wert von mindestens 1,67 für einen Präzisionsschrauber gefordert? In der Produktion wirken weitere Einflüsse auf den Schrauber ein, die zu einer größeren Streuung der Abschaltmomente führen werden. Aus diesem Grunde gilt eine Schrauber erst dann als uneingeschränkt fähig, wenn die Toleranz mindestens das 10-fache der mittleren Maschinenstreuung beträgt. Da der cm-Wert jedoch wie in Gleichung x als 6-fache Maschinenstreuung definiert ist, müssen wir die Gleichung mit 1,67 multiplizieren, um die erforderliche Beziehung wieder herzustellen:

Worin unterscheidet sich der cm-Wert vom cmk-Wert?

Beim cm-Wert wird davon ausgegangen, daß der Mittelwert der Maschinenstreuung symmetrisch zur Toleranz ist. Man gelangt zum cm-Wert, indem man einen Schrauber auf ein beliebiges Abschaltmoment einstellt, und 50 Meßvorgänge durchführt. Der Mittelwert der 50 Abschaltdrehmomente ist das Drehmoment, welches die Basis für die Toleranz bildet. Der cmk-Wert berücksichtigt, daß man den Schrauber nicht genau auf die Toleranzbasis einstellen kann. Sind etwa 100Nm als Sollmoment vorgegeben, so wird es ein Zufall bleiben, daß der Mittelwert von mehreren Messung exakt diese 100Nm beträgt.

Weshalb kommt bei der Berechnung des cmk nur die dreifache Maschinenstreuung zur Anwendung? Beim cm-Wert wird der komplette Toleranzbereich betrachtet. Beim cmk-Wert wird bei jeder Rechnung nur eine Seite des Toleranzbereiches betrachtet. Deshalb wird auch der Vertrauensbereich halbiert.

Als vertiefende Literatur können wir folgende Links empfehlen:
Statistische Verfahren für die Schraubfallanalyse (Atlas Copco)
Verschraubungstechnik und Qualitätssicherung (Deprag Schulz)



1. Ein sehr wichtiger Parameter ist die Sampling Rate der eingesetzten Meßtechnik: Die Meßbrücke des Drehmomentsensors gibt in der Regel ein kontinuierliches analoges Signal aus, welches in der Auswerteeinheit mit einer definierten Taktfrequenz verarbeitet wird. Je höher diese Taktfrequenz ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, den Punkt des höchsten Drehmomentes zu messen. Anders herum: Je geringer die Sampling Rate ist, umso wahrscheinlicher misst man irgendwo neben dem Wendepunkt der Drehmomentkurve. Da die Frequenzen der Drehmomentmessung des Schraubers (bei integriertem Drehmomentsensor) und der Meßtechnik des aufgesteckten Drehmomentsensors nicht synchronisiert sind, können hierdurch unterschiedliche Meßergebnissen angezeigt werden. Je größer der Gradient der Drehmomentkurve, umso größer können die Fehler ausfallen.
2. Mechanische Einflüsse: Das abgegebene Enddrehmoment ist das Resultat aus der Drehgeschwindigkeit, den rotierenden Massen, und verschiedenen Zeitvariablen. Diese Zeitvariablen hängen einserseits von den Schwingungen, andererseits vom Resonanzverhalten des Gesamtsystems sowie der verwendeten Elektronik (s.o.) ab. An diesem Punkt macht die Unterscheidung nach Schraubern mit direkter Drehmomentmeßtechnik und indirekter Drehmomentmeßtechnik (z.B. Strommessung) durchaus Sinn. Letztere werden auf einem Kalibriersystem des Schrauberherstellers eingestellt. Die Mechanik dieser Kalibriersysteme kann großvolumig und massiv aufgebaut sein, oder aber z.B. aus einer kompakten rotierenden Meßwelle bestehen. Massiv kommt von Masse. Schwere, großvolumige Bauteile haben eine niedrigere Eigenresonanz als kleine, leichte Bauteile: Wird mit Systemen unterschiedlicher Resonanzfrequenzen und Filtercharakteristiken gemessen, so können die angezeigten Abschaltmomente beim gleichen Schrauber im ungünstigen Fall erhebliche Differenzen aufweisen. Ob sich seine verwendete Meßtechnik auf die Messung auswirkt, oder ob tatsächlich eine Fehlfunktion seiner Schraubtechnik vorliegt, kann mit geringem Aufwand und Bordmitteln selbst untersucht werden, indem die rotierenden Massen nahe des eigenen Sensors einfach erhöht und die Messungen erneut durchführt werden.

Folgendes sollte man sich bei den beschreibenen Anordnungen vor Augen halten:

-Der Hersteller kalibriert sein Werkzeug immer auf einem Prüfstand, der mehr oder weniger identisch dem später relevanten Schraubfall entspricht.
-Ein zusätzlicher Sensor in Drehmomentstrang kann zusätzliche Meßfehler erzeugen.
-Unterschiedliche Meßsysteme können unterschiedliche Meßergebnisse anzeigen.
-85% der mittels Drehmoment auf die Schraube aufgebrachte Energie wird in der Kopfauflage und dem Gewinde “verbraten”. Sie trägt nichts zur Vorspannung an der Schraube bei! Variable Reibwerte (Rost, Schmutz, Schmierung, Temperatur) können größere Auswirkungen auf die Vorspannung haben, als eine “genaue” Abschaltung.

Grundsätzlich kann man die Schraubtechnik wie folgt klassifizieren:

• kontinuierlich drehende Werkzeuge
• intermittierende Werkzeuge (z.B. Hydraulikschrauber)
• schlagende Werkzeuge (Schlagschrauber, Impulsschrauber)

Antriebsseitig ist eine weitere Klassifizierung möglich:

• elektrisch angetriebene Schrauber (Servoschrauber, EC-Schrauber, Pneumatikschrauber, Elektroschrauber
• pneumatisch angetriebene Schrauber (Pneumatikschrauber mit Abschaltkupllung oder Würgeschrauber)
• hydraulisch angetriebene Schrauber (Hydraulikschrauber)
• manuell angetriebene Schrauber (Handschrauber, Handvervielfältiger)

Hier die wichtigsten Hersteller von Schraubgeräten im Hochmomentbereich in Deutschland (ohne Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit der Angaben. Änderungwünsche werden geprüft gerne aufgenommen)

Kontinierlich drehende Schraubtechnik (im Sinne von handgeführten Montageschraubern):

Firmenname	Webadresse	Zusatzinfo
Alkitechnik GmbH	www.alkitechnik.de	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatik- und Elektroschraubern, Hydraulikschrauber nicht aus eigener Produktion; Hydraulikaggregate, alkitronic und alkitorc	Vertrieb in D über HV und eigenen Vertrieb Vertrieb weltweit über Partner
Plarad, Maschinenfabrik Wagner	www.plarad.de	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatik- und Elektroschraubern, Hydraulikschraubern; Hydraulikaggregaten
Lösomat, Schraubtechnik Neef GmbH	www.loesomat.de	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatik- und Elektroschraubern, Akku-Hochmomentschrauber bis 4.000Nm, Hydraulikschraubern Hydraulikaggregaten	zu Gedore gehörend
Juwel Schraubtechnik GmbH	Juwel-Schraubtechnik.de	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatik- und Elektroschraubern, kontinuierlich drehendem Hydraulikschrauber Hydraulikaggregate
ITH GmbH	www.ith.de	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatik- und Elektroschraubern, Hydraulikschrauber Hydraulikaggregate
Hytorc; BARBARINO & KILP GmbH	www.devotec.de www.hytorc.de	Hersteller von Pneumatik- Hydraulikschraubern, Hydraulikaggregaten
Norbar Torque tools Ltd.; GB	www.norbar.com	Hersteller von Handgetrieben, Pneumatikschrauber	Vertrieb in D über Partner, z.B. Richard Abr Herder KG, Hoffmann Werkzeuge
RadTorque, New World Technologies Inc.; CA	www.radtorque.com	Hersteller von Pneumatik- und Elektroschraubern,	Nähere Infos bei uns zu erfragen
Hydratight GmbH	www.hydratight.com	Hersteller von Handgetrieben, Hydraulikschraubern Hydraulikaggregaten	Vertrieb über Niederlassung D
Torcup Inc.	www.torcup.com	Hersteller von Hydraulikschraubern, Pneumatikschraubern, Hydraulikaggregaten	Vertrieb in D über Partner z.B. Schaudt Industrietechnik
Ingenieurbüro Anlauf	www.torcbrain.de	Hersteller von Akku-Hochmomentschraubern	Präzise Akkuschrauber von 30Nm bis 600Nm

Es bieten Schraubtechnik im hohen Drehmoment für die industrielle Montage:

Firmenname	Webadresse	Zusatzinfo
Atlas Copco GmbH	www.atlascopco.de	Hersteller von elektrisch und pneumatisch angetriebenen Schraubern und Schraubsystemen
Desoutter GmbH	www.desoutter.de	Hersteller von elektrisch und pneumatisch angetriebenen Schraubern und Schraubsystemen zu Atlas Copco gehörend	Handgeführte Schrauber bis 900Nm (a.Anfrage auch höher)
Cooper Tools	www.coopertools.com	Hersteller von elektrisch angetriebenen Schraubern und Schraubsystemen
AMT; Alfing Montagetechnik GmbH	www.amt.alfing.de	Hersteller von elektrisch angetriebenen Schraubsystemen	Handgeführte Schrauber bis 250Nm
Ingenieurbüro Dipl.-Ing Anlauf	www.torcbrain.de	Hersteller von Servoschraubern (EC-Schrauber)	EC-Schrauber und Servoschrauber bis 10.000Nm
Ingersoll Rand	www.ingersollrand.de	Hersteller von elektrisch und pneumatisch angetriebenen Schraubern und Schraubsystemen

Der Antriebsmotor des Schraubers liegt nicht mehr axial zur Schraubachse, sondern um 90° geschwenkt, parallel zum Handgriff. Der Schrauber verkürzt sich dadurch und durch den Verzicht auf den Teleskopabtrieb deutlich. Eine weitere Neuerung ist die um 360° drehbare Abstützung. Damit kann der Schrauber immer ergonomisch gehalten werden. Die im Vergleich zu den ETDS und ETPS Schraubern erhöhten Leerlaufdrehzahlen und reduzierten Gerätegewichte sprechen für einen performanten Einsatz bei handgehaltenen Schraubfällen. Neu ist auch ein sog. Fan-Modul als Zubehör. Dies scheint ein Tribut an die kompakte Bauform zu sein. Wird der Schrauber richtig hergenommen, muß der zusätzliche Lüfter für ausreichende Kühlung sorgen. Das Fanmodul schlägt mit 400g Zusatzgewicht zu Buche.

Drehmoment M (Nm); Drehzahl n (1/s); Leistung P (W); PI = 3,14

Benötigt man etwa ein Drehmoment von 600Nm bei einer erforderlichen Drehzahl von 100 min¯¹, dann ergibt sich aus dieser Gleichung eine erforderliche Antriebsleistung von 6,24kW. Bei dieser Berechnung werden keinerlei Verluste (Wirkungsgrad) berücksichtigt.

Techniker werden nun berechtigt einwenden, daß man mit dieser Berechnung keine relevanten Informationen gewinnt. Sie ist deshalb mehr als Unterstützung zu werten. Die Leistung ist eine Einheit, für die man ein gewisses “Gefühl” entwickelt hat. Ein Antrieb, der, bei welchem Betriebspunkt auch immer mehr als 6kW mechanische Leistung zur Verfügung stellen muß, hat eine gewisse Größe, die bei der Angabe von 600Nm bei 100 Umdrehngen pro Minute den meisten nicht so klar sein dürfte. Ebenso verhält es sich mit der erforderlichen Dimensionierung der Energiezufuhr, die durch die Angabe der Leistung manche Wünsche auf ein normals Maß schrumpfen läßt.

Hier können Berechnungen mit eingenen Werte durchgeführt werden (Berechnung mit ENTER oder TAB starten). Alle Berechnungen ohne Gewähr.

Selbstansaugen
Die Pumpe ist bis zu 3 m (4 m F4B-19) selbstansaugend. Die Ansaugleitungen müssen jedoch absolut luftdicht sein. Anmerkung: Selbstansaugen ist auch bei trockenem Impeller möglich. Bei voller Ansaughöhe von 3 m (4 m F4B-19) muß der Impeller jedoch vorher mit Fett oder der anzusaugenden Flüssigkeit geschmiert werden.

Nach dem Einbau der Pumpen zeigte sich jedoch , daß der von uns erworbene Typ F2P10-19 nur bei expliziter Schmierung mit Fett maximal 1,5m selbstansaugend ist. War das Fett nach etwa 3-4 Minuten aus dem Pumpengehäuse gespült, erreichte die Pumpe eine maximale selbstansaugende Höhe von etwa 50-70 cm, bei vollkommen intaktem Impeller! Eine “Schmierung” mit Wasser (=anzusaugende Flüssigkeit) hatte keinerlei positiven Effekt.

Im zweiten Anlauf entschieden wir uns für Flojet Membranpumpen vom Typ R4125114A. Flojet gehört zu Jabsco GmbH. Wie bei der technischen Beratung erläutert, saugt dieser Pumpentyp tatsächlich 3m trocken an. Selbst die gesamte zur Verfügung stehende Schlauchlänge von 4,7m überwindet die Pumpe trocken selbstansaugend. Jedoch entstehen bei dieser Saughöhe lautstarke Druckstöße im Pumpengehäuse was sich nicht wirklich gesund anhört. Die 2,5m erforderliche Ansaughöhe erreicht die Pumpe jedoch problemlos und ohne verdächtige Geräusche. Sie hält sich damit an die angegebenen Spezifikationen.

Wir werden die Flojet Pumpen für etwa ein Jahr testen und in unregelmäßigen Abständen darüber berichten.

Update 27.09.2010: Vor kurzem hat ein ebenfalls Leidtragender unsere Erfahrungen mit Impellerpumpen bestätigt. Seiner Erfahrung nach ist das Hauptproblem die große Toleranz der Impellerbreite. Ist der Impeller zu schmal, pfeift das Wasser durch den Spalt, ist er zu breit entsteht durch Reibung zu viel Wärme, was den Verschleiß erhöht. Den Zugriffen auf den Artikel nach zu schließen (er rutscht langsam auf die vorderen Ränge), gibt es jede Menge leidgeprüfter Impellerpumpenbesitzer. Für unseren Anwendungsfall haben sich die Membranpumpen bisher als hervorragende Lösung bewährt.

Hersteller von Schraubeinheiten
Hersteller von Handschraubern im kleinen Drehmomentbereich
Hersteller von Schraubautomaten
Hersteller von Drehmomentmesstechnik
Hersteller von Sondermaschinen für die Schraubtechnik und Montagetechnik

Aufgrund der umfangreichen Thematik freuen wir uns über Ihre Bewerbung. Dieser Service ist kostenlos.

Eine funktionierende Schraubverbindung folgt mehreren Parametern:
-Konstruktion
-Bauteile
-Montage
-Tatsächliche Beanspruchung

Die Montage ist tatsächlich nur ein Teil der Schraubverbindung. Bei gleichbleibender Konstruktion kann man die Bauteile sowie die Belastung der Schraubverbindung überprüfen. Treten die Probleme nur bei einem Kunden auf, so existieren womöglich bisher nicht berücksichtigte Spannungszustände. Ziehen sich die Probleme durch die ganze Charge, so setzt einer der Zulieferer Ihres Produktes möglicherweise ein modifiziertes Herstellungsverfahren ein. Insbesondere den Einfluss von Zukaufteilen sollte man nicht unterschätzen wie folgender Fall zeigt: Ein namhaftes Unternehmen aus dem süddeutschen Raum bat uns etwa wegen nicht reproduzierbarer Probleme mit der Verschraubung einer Kraftstoffleitung um Hilfe. Die Kraftstoffleitung wurde manuell montiert und mit Drehmomentschlüssel abgeknackt. Da es eines Tages Undichtigkeiten bei dieser Verschraubung kam, sollte neue Schraubtechnik für eine konstante Qualität bei der Montage der Überwurfmuttern sorgen. Nach einer Schraubfallanalyse war jedoch schnell klar, daß hier kein Montageproblem vorlag. Nachdem der Lieferant der Kraftstoffleitung den erkannten Problempunkt beseitigt hatte, konnte die Verschraubung wieder wie bisher mit einem Drehmomentschlüssel montiert werden, ohne daß die Undichtigkeiten wieder auftraten. In diesem Falle hätte die Investition in neue Schraubtechnik also keinerlei Effekt gehabt. Eine Schraubfallanalyse sparte unserem Kunden mehrere zehntausend Euro (vor allen Dingen durch die wegfallende Nacharbeit) durch eine gezielte Betrachtung und schnelle Eliminierung der aufgetretenen Probleme. Ein weiteres interessantes Beispiel zum Thema Schraubfallanalyse war folgende Anfrage:

Bei der Verschraubung von Zylinderköpfen mittels eines Zweispindlers (gesteuerte Schraubtechnik mit Drehmomentsensoren, Verschraubung nach Drehmoment und Drehwinkel mit Drehmomentfenster als Kontrollgröße) kam es immer wieder zu Ausreißern beim Endmoment nach Erreichen des finalen Drehwinkels. [singlepic id=22 w=320 h=240 float=left] [singlepic id=23 w=320 h=240 float=none] Auch hier vermutete man das Problem bei den eingesetzten Schraubern: Ein nicht ausreichend schnelles Abbremsen der Schrauber bei Erreichen des Endwinkels könnte das Endmoment noch über das eingestellte Drehmomentfenster ziehen. Hier fanden wir eine unerwartete Lösung des Problems. Die Stichverstellung der Zweifachschrauber war mittels einer wackeligen Konstruktion gelöst. Dies hatte zur Folge, daß sich die beiden Schrauber bei den doch recht hohen Endmomenten von nahezu 500Nm stark gegeneinander verschränketen. Die dadurch auf die Messwelle induzierten Biegespannungen führten zu den vereinzelt auftretenden Ausreißern. Die Neukonstruktion der Stichverstellung eliminierte dieses Problem und reduzierte die Nebenzeiten auf ein Minimum.

Anhand der beiden Beispiele wird deutlich, wie wichtig eine genaue Betrachtung aller Parameter einer Verschraubung ist. Der Versuch, die Probleme mit neuer Schraubtechnik zu lösen, hätte in beiden Fällen nicht zum Erfolg geführt. Wichtig ist dabei die “ganzheitliche” Betrachtung des Schraubfalles. Diese Art der Schraubfallanalyse setzt die Erfahrung voraus, sich in die jeweilige Problematik hineindenken zu können und kann nicht durch Messen oder Softwaretools allein gelöst werden.