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Schraubsystem erkennt Fehler bei der Pleuelmontage

| Autor/ Redakteur: Leszek Irla /

Schrauben in Pleueln für Automobilmotoren werden in der Regel bei der Montage plastisch verformt. Das ETX-Schraubsystem stellt sicher, dass die sehr geringe Toleranz für die Längung eingehalten wird. Mit der neuen Power-Focus-4000-Steuerung ausgestattet entdeckt das ETX-Schraubsystem zudem alle Fehlerquellen an Schrauben, Gewindebohrungen oder etwa den Schraubenkopf-Auflageflächen der geschmiedeten Pleuel.

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Eingespanntes Pleuel in der Montagestation. Die Steuerung des Schraubsystems erkennt Fehler und sorgt für eine hohe Prozesssicherheit beim Verschrauben. Bilder: Atlas Copco Tools
Eingespanntes Pleuel in der Montagestation. Die Steuerung des Schraubsystems erkennt Fehler und sorgt für eine hohe Prozesssicherheit beim Verschrauben. Bilder: Atlas Copco Tools
( Archiv: Vogel Business Media )

Nur vier Wochen blieben der Albert Weber GmbH, um nach der Anfrage von BMW nach der Sondertype eines Pleuels das Projekt umzusetzen und die Produktion mit in der Spitze 2000 Stück pro Woche aufzunehmen. Die Fertigung des Schmiedeteils selbst war dabei kein Problem, doch der Teil, durch den später einmal die Kurbelwelle gehen sollte, musste aufgesägt oder gecrackt und reproduzierbar wieder verschraubt werden (Bild 1). Um spätere Komplikationen bei der Endmontage auf die Kurbelwelle auszuschließen, musste sichergestellt sein, dass die Pleuel schon vor der Finishbearbeitung mit den von der Entwicklung festgelegten Vorspannwerten verschraubt würden.

Gleichbleibend hohe Qualität der Verschraubung

Und diese Montageaufgabe – und damit auch die Suche nach dem richtigen Schraubsystem (Schraubstation) – hatte es in sich. Das Pleuel ist ein oszillierendes Teil im Motor und stellt damit höchste Anforderungen an die Schraubverbindung. Erschwerend kommt hinzu, dass die Konstrukteure bewegliche Massen wie diese grundsätzlich sehr gering halten wollen. Weber musste BMW die Prozesssicherheit der Schraubstation nachweisen, also zeigen, dass tausende Teile mit gleichbleibend hoher Qualität gefertigt werden können und keine fehlerhaften Teile das Werk verlassen.

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Und Fehlerquellen gäbe es viele: Die Schraube könnte zu lose sein, sie könnte überdehnt werden, die Auflageflächen beider Pleuel-Teile könnten fehlerhaft sein oder Materialaufwürfe an der Senkung auftreten. Die Folge wären Unwuchten und womöglich unterschiedliche Motorleistungen.

Um all diese Probleme auszuschließen, ist eine intelligente Schraubtechnik nötig. Deshalb hat man sich bei Weber für eine Schraubstation von Atlas Copco Tools entschieden, bei der ETX-Einbauspindeln über die neue Power-Focus-4000-Steuerung (Bild 2) betrieben werden (zu sehen ist der Controller erstmals öffentlich auf der Motek, Halle 1, Stand 1610). Das System spürt zuverlässig alle diese Fehler auf. Auch solche, die beispielsweise beim Gewindeformen entstanden sind. Derartige Fehler können auf andere Weise gar nicht gemessen oder geprüft werden. Zudem kann die aufwändige Wareneingangsprüfung der Schrauben entfallen, denn die ETX-Schrauber machen auch fehlerhafte Schrauben aus.

Schraubsystem muss sehr genau montieren

Doch es geht längst nicht nur darum, Fehler zu finden und zu vermeiden. Vielmehr muss das Schraubsystem sehr genau montieren und die Schraubkurven überwachen, denn Weber montiert die Schrauben in die Streckgrenze hinein, wie es in der Fachsprache heißt. Dabei verformt sich die Schraube plastisch. Bei Erreichen des ermittelten Drehmoments schaltet die Kombination von Drehmoment- und Drehwinkelvorgabe den Schrauber im grünen Fenster prozesssicher ab. Durch Streckgrenzverschraubungen, welche der Power Focus 4000 erstmals ermöglicht, lässt sich prinzipiell ein und dieselbe Schraube mit einer höheren Klemmkraft montieren – oder konstruktiv von vornherein für die vorgesehene Anwendung kleiner dimensionieren.

Die richtige Längung wird im Fall Weber vom Automobilhersteller vorgegeben. Sie hängt von einem bestimmten kritischen Drehmoment ab: Sobald dieses Zielmoment erreicht ist, muss die Schraube in der Verbindung noch einige Hunderstel Millimeter länger werden, als sie ursprünglich war. BMW erlaubt ein Maß zwischen 0,01 und 0,09 mm.

Das Toleranzfenster berücksichtigt, dass die Schrauben nur zwei Mal eingedreht werden. Einmal bei der Vormontage (vor Fertig-Bearbeitung) und ein weiteres Mal bei der Endmontage beim Kunden. Weitere Schraubvorgänge darüber hinaus würden die Schrauben unzulässig dehnen, was schließlich zum Bruch führen würde. Damit das nicht geschieht, hat Weber an dieser Stelle eine von zahlreichen Poka-Yoke-Absicherungen eingebaut: einen abgeschlossenen Behälter mit Einwurfbohrung für die gebrauchten Schrauben. Dadurch wird wiederholtes Verwenden wirkungsvoll verhindert.

Die ETX-Schraubspindeln bieten eine Drehmomentgenauigkeit von ±2,5% über 6 Sigma bei einer Million Schraubzyklen, wie Atlas Copco versichert. Die Prozesssicherheit liegt auf der Stufe 4; sie wird durch eine direkte Messung des Drehmoments über einen eingebauten Messwertgeber sichergestellt. Wer seine Anwendungen dokumentieren muss oder will, muss auf Technik dieser Prozesssicherheitsstufe zurückgreifen. Sobald der Schrauber in das übergeordnete Fertigungsleit- oder Qualitätssicherungssystem integriert wäre, was mit ETX möglich ist, läge die höchste Prozesssicherheitsstufe 5 vor.

Steuerung des Schraubsystems überwacht jederzeit die Schraubkurven

Um den Prozess unter der nötigen Kontrolle zu haben, überwacht die Schraubersteuerung zu jedem Zeitpunkt der Montage die verschiedenen Schraubkurven. Dazu gehört der Verlauf des Drehmoments über der Zeit oder die Längung der Schraube in Abhängigkeit vom Drehmoment. Die Software vergleicht die abgegriffenen Werte mit den Vorgaben und bricht, sobald sie einen Fehler entdeckt, den Schraubvorgang ab.

Der Werker kann in diesem Fall nicht weiter montieren. Er erhält zusätzlich ein rotes Licht, das ihm den Abbruch signalisiert. Er muss die Schraube entsorgen, den Fehler beheben und eine neue nehmen. Auch wenn er zwei Mal dieselbe Schraube anzuziehen versucht, erhält er eine Warnmeldung. Es wurde eine Positionskontrolle eingebaut (Bild 3), die den Schrauber nur freigibt, wenn man beide Schrauben nacheinander in der richtigen Reihenfolge montiert.

Die beiden Näherungsschalter ergänzt ein Kontrollsensor für das Vorhandensein des Pleuels. So kann der Mitarbeiter jede Schraube nur genau einmal montieren. Erst wenn beide grünen Lichter leuchten, ist das Bauteil i. O. verschraubt. Für die Signalleuchte hat man die Ein- und Ausgänge des Power Focus 4000 von Atlas Copco genutzt, der auch das Schraubsystem steuert.

Um die Kurzzeit-Maschinenfähigkeit zu ermitteln, wurden bei Weber in der kurzen Testphase gut zwei Dutzend Schrauben auf Maß gelängt, eingeschraubt, herausgedreht und wieder vermessen. Dabei ergab sich eine Maschinenfähigkeit von cm = 3,04 und cmk = 2,07. Diese Prüfung wird während der gesamten Produktionsphase zu Statistikzwecken regelmäßig wiederholt.

Die bei Weber verwendeten ETX-Schrauber sind übrigens als Einbauspindeln konzipiert und können vielseitig montiert werden, zum Beispiel als Sandwich-Einbau für schnellen Steckschlüsselhalter-Wechsel oder als direkt aufgesetzte Schraubspindel. Das kompakte Planetengetriebe ermöglicht eine enge Anordnung mehrerer Spindeln in einem System, wenn mehrere Schrauben gleichzeitig angezogen werden sollen.

Dafür steht bei Atlas Copco ein System an ständig vorrätigen Express-Komponenten zur Verfügung, die die Umsetzung eines Mehrfachschraubers inzwischen in nur noch drei Wochen ermöglichen. Zwar brauchte Weber für dieses Projekt nur einen Schrauber. Doch für die vierwöchige Umsetzungszeit kam die schnelle Logistik gerade recht.

Leszek Irla ist Produktmanager elektrische Werkzeuge bei der Atlas Copco Tools Central Europe GmbH in 45141 Essen, Tel. (02 01) 21 77-0, Fax (02 01) 21 77-1 00, leszek.irla@de.atlascopco.com

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