The thesis is an examination of the methods that are appropriate and long-term choice to obtain clamping force and secure screw joints in production. The employer, Scania CV AB, transmission manufactures axle gears to all trucks produced in Södertälje. One of the most common assembly elements is screw joints, where the clamping force is essential to achieve a secure joint. Current methods to secure the joint is due much of the friction effect and is an indirect method to measure the clamping force. The clampforce accuracy becomes more widely with torque angle control. Scania is working with continuous improvements in order to always keephigh quality and customer focus and the purpose of this study is to evaluate the future means to secure the clamping force of screw joints to keep the best quality. Potential methods to be examined is ultrasound technology and gradient yield control and their accuracy compared to current method. The study also aims to examine the economic impact of deviations in production of axle gears. Scania already runs development projects in secure units for engine assembly and benchmarking in the enterprise is therefore one of the methods of investigation. The work consists of three parts where theory and experiment section aims to explain and prove the methods of securing screw joints and to advance the author on the subject. The second part is the economic study that seeks to demonstrate how much the current method costs Scania compared with investment costs for new methods. The final part is to analyze the new methods and results of the study and performed experiments. For Scania axle gear assembly and the selected unit does ultrasound method more accurate and direct measure the clamping force. It convinces the future of clamping force control as a method of securing screw joints. As the method gives a more reliable control of clamping force and may be for joints that are affected by subsidence ensure quality to customers. The ultrasonic method is a long termsolution for Scania critical joints and gives them the most accurate quality to compete with on the market. / Examensarbetet är en utredning av vilka metoder som är lämpliga och ett långsiktigt val för att säkra förband och klämkraft i produktion. Uppdragsgivaren, Scania AB, transmission tillverkar centralväxlar till samtliga lastbilar som produceras i Södertälje. Ett av de vanligaste monteringselementen är skruvförband, där klämkraften är avgörande för att åstadkomma ett säkert förband. Dagens metoder att säkra förband beror mycket av friktionens inverkan och är en indirekt metod att mäta klämkraften. Friktionen påverkar genom att skapa en större spridning av klämkraften. Scania arbetar med ständiga förbättringar för att alltid hålla hög kvalitet och kunden i fokus och syftet med examensarbetet är att utvärdera framtidens metoder att säkra klämkraften i skruvförband för att hålla bästa kvalitet. Potentiella metoder som ska undersökas är ultraljudsteknik och gradientsträckgränsdragning samt deras noggrannhet mot nuvarande metod. Undersökningen syftar också till att granska hur en avvikelse påverkar produktionen ur ekonomisk synvinkel.Scania driver sedan tidigare utvecklingsprojekt inom säkra förband för motormonteringen och benchmarking inom företaget är således en av metoderna i undersökningen. Arbetet består av tre delar där teori- och experimentdelen syftar till att förklara och bevisa åtdragningsmetoderna samt förkovra författaren inom ämnet. Den andra delen utgör den ekonomiska utredning som syftar till att demonstrera hur mycket den nuvarande metoden kostar Scania jämfört med investeringsutgifter för nya metoder. Den slutgiltiga delen innebär att analysera de nya metoderna och resultatet av undersökningen samt genomförda experiment.För Scanias centralväxelmontering och det utvalda förbandet innebär ultraljudsmetoden en noggrannare och direkt mätning av klämkraft som övertygar i framtida klämkraftstyrning av förband. Som revisionsmetod ger det en större säkerhet i kontroll av klämkraften och kan för förband som påverkas av sättningar säkerställa kvalitet mot kund på kortare tid än i nuläget. Ultraljudsmetoden är en långsiktig lösning för Scanias kritiska förband och ger dem högsta kvalitet att konkurrera med på marknaden.

Examensarbetet har varit förlagt på SwePart Transmission AB i Liatorp. Företaget tillverkar kugghjul och kan även ge helhetslösningar för växellådor. SwePart Transmission AB har uppmärksammat problem i form av läckage vid delningsplanet i sina växellådor. Företaget har föraningar om att konstruktionen utsätts för glidning i delningsplanet där packningen är placerad. För att glidning inte ska förekomma krävs att packningens friktionskoefficient och fästelementens förspänningsförluster är kända vid konstruktionsstadiet. Packningens friktionskoefficient är idag osäker och har kontrollerats. Detta har gjorts genom tester där vi placerade packningarna i ett friktionsförband och gjorde mätningar i ett dragprov. Med erhållna mätvärden kunde vi på matematisk väg erhålla en ny friktionskoefficient. Testerna utfördes med tre olika ytjämnheter i förbandet för att se om det hade någon inverkan på friktionskoefficienten. Efter testerna kunde vi påvisa en skillnad i friktionskoefficient mellan olika ytjämnheter på anliggningsytorna mot packningen. Vi kunde även se skillnad på friktionskoefficienten för oljad respektive torr yta. Förbandets förmåga att glida bestäms av förspänningen i skruven som minskar radikalt om stora sättningar förkommer. Sättningar kommer att förekomma och det vet man, men utsträckningen är okänd. Då packningen är förbandets mjukaste del kommer den att dominera förbandets sättningsbeteende. I våra tester har vi mätt hur stora sättningar packningen gav upphov till som funktion av tiden. Testet gjordes genom att klämma en packning med känd förspänningskraft. Därefter mättes förbandtjockleksförändringen under de första 25 minuterna. Sättningstestet gjordes för att anmärkningar ifrån kunder kommit på att skruvarna som håller ihop växellådshusen tappar sin förspänning efter en okänd tid i drift, vilket kan härledas till sättningar. Enligt mätvärdena från testet förekommer det inte några större sättningar i vårt testförband vilket kan bero på att vår anliggningsarea skiljer sig ifrån den verkliga. Rapporten kommer beröra sättningsgrad och friktionskoefficient för gummipackningar där tester och bakomliggande teori kommer redovisas. Testerna som gjorts har vi utvecklat och testkört med hjälp av expertis ifrån Linnéuniversitet. / This degree project was located at SwePart Transmission AB in Liatorp. The company manufactures gears and do also provide total solutions for gearing. SwePart Transmission AB has noticed problems with leakage in the division plane in their gearboxes. The company has premonitions that the structure is subject to sliding in the division plane where the gasket is placed. To prevent sliding it’s required that the friction coefficient between the gasket and division plane and the preload of the fasteners is known at the design stage. The gaskets friction coefficient is currently uncertain and has been checked. This was done by tests in which we placed the gasket in a friction joint and then made measurements in a tensile testing machine. With the obtained measurement values we could mathematically obtain a new coefficient of friction. The tests were performed with three different surface finishes in the joint to see if it had any effect on the friction coefficient. After the tests, we could see a difference in coefficient of friction between different surface finishes on the contact surfaces to the gasket. We could also see a difference in coefficient of friction of oiled and dry surface. The joints capability of sliding is determined by the preload in the screws that is dramatically reduced if large settings occur. It’s known that settings will occur, but the extent is unknown. Since the gasket is the softest part in the bolted joint, it will dominate the joints setting behavior. In our tests we have measured the amount of settings caused by the gasket as a function of time. The test was made by sandwiching a gasket with a certain load. After that the change in thickness was measured during 25 minutes. This test was performed because the company had received complains from customers concerning preload losses in the screws after an unknown time in use. The preload losses can be traced to settings in the gasket. According the measurements from the test, there are no major settings in our test joint, which can be explained by the difference in contact area between our test and the “real” design. This report will concern the setting rate and friction coefficient of rubber gaskets where tests and underlying theories will be presented. The test has been developed and performed with help of expertise form Linnaeus University.

Under senaste periodens omställningar har Scanias Transmissionsenhet i monteringsverkstaden DT haft utmaningar med att uppnå den förväntade kvaliteten på deras skruvförband, vilket utgör majoriteten av deras monteringsmoment. Syftet med detta arbete var att ta reda på vilka typer av problem hos förbanden som kan uppstå, vad orsakerna till dem kan vara och vad som skulle kunna lösa problemen.Centrala områden som undersökts är dels hur friktion och skruvförlängning kan påverka förbandets klämkraft. Det har också handlat om vilken påverkan en monteringsmiljö kan ha på klämkraften och beteendet vid åtdragning. Förbandets egenskaper som styvhet, material och dimensioner har haft en viktig roll för att uppfylla arbetets syfte. Vidare har sambandet mellan vridmoment, friktion och klämkraft studerats.De slutsatser som kan dras är att friktionen har en stor inverkan på hur stor klämkraften blir efter åtdragning. För att mäta skruvens förlängning över tid för att ta reda på hur klämkraften varierar görs detta bäst med ultraljud, då den metoden möjliggör mätningen då det är väldigt svårt att komma åt skruven på annat sätt. Ändrar man åtdragningshastigheten kan man få ändringar av både friktion och sättningar, vilket påverkar förbandets klämkraft. En snabbare åtdragningshastighet har fördelen att momentet inte tar lika lång tid, men ökar man hastigheten behöver man ha koll på vad det påverkar, och om man tolererar den påverkan.Med metoden vridmoment-vinkelövervakning kan man upptäcka avvikelser som sker under åtdragning och visar att en monteringsmiljö kan ställa till med problem hos förbanden. Angående hur en monteringsmiljö kan påverka kvaliteten hos förbanden rekommenderas även att faktorförsök ska utföras. Med faktorförsök kan man få reda på hur stor effekt olika faktorer som närvarar i en monteringsmiljö påverkar det man vill undersöka, samt om något samspel råder.För att förbanden ska klara av det de förväntas och hålla god kvalitet, bör man följa instruktioner för dimensionering av flänsförband. / During the latest period’s changes, Scania’s Transmission unit in the DT assembly workshop has seen that the expected quality of their screw joints has not been met, which accounts for the majority of their assembly steps. The purpose of this thesis is to identify which types of problems can occur with screw joints, what the causes can be and how the problems can be solved.The central areas examined are partly how friction and screw extension can affect the clamping force, as well as the impact an assembly environment can have on the clamping force and its behavior when tightening. Characteristics of the screw joint such as stiffness, materials and dimensions have played an important role in fulfilling the purpose of the thesis. Furthermore, the relationship between torque, friction and clamping force has been studied.The conclusions reached are that friction has a major impact on how great the clamping force becomes after tightening. Measuring the extension of the screw over time to find out how the clamping force varies is best done with an ultrasonic device as this method makes it possible and easy to measure when it is very difficult to access the screw in any other way. If the tightening speed is changed, then there are changes in both friction and how the material sets which affects the clamping force of the screw joint. A faster tightening speed has the advantage that the tightening step does not take as long, but if the speed is increased then it is important to know what this affects and if this can be tolerated.The torque-angle monitoring method allows deviations to be detected during tightening and shows that an assembly environment can cause problems with the screw joints. Regarding how an assembly environment can affect the quality of the screw joints, it is also recommended that factor tests should be used. With factor tests it is possible to identify how great the effect of different factors which are present in an assembly environment can be, as well as if there are any interaction between the factors.For the screw joints to cope with what is expected and to keep good quality, instructions should be followed for the dimensioning of flange joints.

Studying the preload in a screw joint has been the focus of today’s industry. The manufacturer reflects that demand by investigating different opportunities and techniques to develop this area. There are four different ways of controlling the tightening of bolts and joints to achieve the required clamp force that can hold for a specific preload. Torque control, angle control, gradient control, and ultrasonic clamp-force or elongation control. Many studies do exist about the first three mentioned techniques. However, there are a small number of studies for the ultrasonic clamp-force technique, and there is no study focusing on the usage of machine learning in that technique. This study investigates the use of machine learning to find the optimal frequency used to transmit the ultrasonic signals into the bolt for calculating the bolt elongation. Two machine learning models have been constructed, presenting two approaches: one for one-dimensional data (1D-CNN) and one for two-dimensional data (2D-CNN). The models classify the received signals (echos) with different frequencies into either accepted or non-accepted signals to get the optimal frequencies to be used later on, in the bolt elongation process. Both the 1D-CNN and 2D-CNN show an accepted performance of around 85% accuracy. The results indicate that there does exist a pattern in these ultrasonic signals that are useful for classifying them into accepted and non-accepted frequencies, so the usage of machine learning for the problem is feasible. / Att studera förspänningen i en skruvförband har varit i fokus för dagens industri. Tillverkaren speglar den efterfrågan genom att undersöka olika möjligheter och tekniker för att utveckla detta område. Det finns fyra olika sätt att kontroller åtdragningen av bultar för att uppnå den erforderliga klämkraften som kan hålla för en specifik förspänning. Vridmomentkontroll, vinkelkontroll, gradientkontroll och ultraljudskontroll av klämkraft. Det finns många studier om de tre förstnämnda teknologier. Det finns dock ett litet antal studier för ultraljudsklämkraftstekniken, och det finns ingen studie som fokuserar på användningen av maskininlärning i den tekniken. Denna studie undersöker användningen av maskininlärning för att hitta den optimala frekvensen som används för att beräkna bultens förlängning. Två maskininlärningsmodeller har konstruerats, som presenterar två metoder: en för endimensionell data (1D-CNN) och en för två-dimensionella data (2D-CNN). Modellerna klassificerar de mottagna signalerna (ekon) med olika frekvenser i antingen accepterade eller icke-accepterade signaler för att få de optimala frekvenserna att användas senare, i bultförlängningsprocessen. Både 1D-CNN och 2D-CNN visar en accepterad prestanda på cirka 85% noggrannhet. Resultaten indikerar att det finns ett mönster i dessa ultraljudssignaler som är användbara för att klassificera dem i accepterade och icke-accepterade frekvenser, så användningen av maskininlärning för problemet är genomförbar.

his study explores clamp force estimation using Unscented Kalman Filtering (UKF) in torque-controlled tightening scenarios with various velocity profiles. Previous research has explored the impact of velocity levels on target torque and clamping force, but only using hand-held tools. Prior research is extended by implementing UKF in a fixed setup, using the QST42, to remove user errors. Four strategies, Continuous Drive, TurboTight, Accelerating Tightening, and Paused Tightening, are analyzed using error and quality factor metrics. In Continuous Drive, both hand-held and fixed rigshave mean errors of approximately 4.09% and 4.14%, with quality factors of 88.38% and 97.72%.UKF adapts well in TurboTight, with mean errors of 3.50% (hand-held) and 5.23% (fixed rigs), and quality factors of 93.02% and 94.44%, respectively. Dynamic strategies like Accelerating Tightening- yield higher mean errors (10.33%) and quality factors (94.86%), while Paused Tightening results in a mean error of 5.17% and a quality factor of 76.86%. Tailoring UKF calibration is crucial for accuracy. Overall, this research underscores the close correlation between UKF’s performance and the dynamics of the tightening strategy. The implications extend to industrial applications, advocating for strategy-specific adjustments to enhance clamp force estimation accuracy. This study contributes to advancing UKF’s applicability in real-world scenarios, providing a foundational framework to enhance the accuracy and reliability of clamp force estimations. / Denna studie utforskar kraftuppskattning för klammer i momentkontrollerade åtdragnings-scenarier med olika hastighetsprofiler med hjälp av Unscented Kalman Filtering (UKF). Tidigare forskning har utforskat påverkan av hastighetsnivåer på målmoment och klämkraft, men endast med användning av handhållna verktyg. Tidigare forskning utökas genom att implementera UKF i en fast inställning, med QST42 verktyget, för att eliminera användarfel. Fyra strategier, Continuous Drive, TurboTight, Accelerating Tightening och Paused Tight-ening, analyseras med hjälp av fel- och kvalitetsfaktormetoder. I Continuous Drive har både handhållna och fixta åtdragningar medelvärdesfel på cirka 4,09% och 4,14%, med kvalitetsfaktorer på 88,38% och 97,72%. UKF anpassar sig väl i TurboTight, med medelvärdesfel på 3,50% (handhållna) och 5,23%(fixt rig) och kvalitetsfaktorer på 93,02% och 94,44%, respektive. Dynamiska strategier som Accelerating Tightening ger högre medelvärdesfel (10,33%) och kvalitetsfaktorer (94,86%), medan Paused Tightening resulterar i ett medelvärdesfel på 5,17% och en kvalitetsfaktor på 76,86%. Sammanfattningsvis understryker denna forskning den nära korrelationen mellan UKF:s prestanda och dynamiken i åtdragningsstrategin. Implikationerna sträcker sig till industriella tillämpningar och förespråkar strategispecifika justeringar för att förbättra noggrannheten i klämkraftsuppskattningen. Denna studie bidrar till att främja användningen av UKF i verkliga scenarier och tillhandahåller en grundläggande ram för att förbättra noggrannheten och tillförlitligheten i klämkraftsuppskattning.

Ultrasonic measurements of the preload in bolted joints is a very accurate method since it does not depend on the friction and other factors which cause difficulties for common methods. The ultrasonic method works by emitting an ultrasonic pulse into the bolt which is reflected at the end and returned to the transducer, the change in the time of flight (TOF) can be related to the elongation of the bolt and therefore the preload. One must account for the acoustoelastic effect which is the change in sound speed due to an initial stress state. The goal of this thesis project was to implement a Murnaghan hyperelastic material model in order to account for the acoustoelastic effect when conducting a numerical simulation using the finite element method (FEM). An experiment was also performed to validate the numerical simulation. The DeltaTOF as a function of a tensile force was obtained for an M8 and M10 test piece from the experiment. The material model was implemented by creating a user subroutine written in Fortran for the explicit solver Radioss. Hypermesh was used to set-up the numerical simulation. The material model has shown an expected behavior with an increased sound speed with compressive stresses and a decreased speed with tensile stresses. The numerical simulation showed a good correspondence to the experimental results. / Ultraljudsmätning av klämklraften i skruvförband är en väldigt noggrann metod eftersom att metoden inte påverkas av friktion eller andra faktorer som innebär svårigheter för vanliga metoder. Ultraljudsmetoden fungerar genom att skicka in en ultraljudsvåg i skruven som reflekteras i botten och återvänder tillbaka till sensorn. Skillnaden i tiden för ekot att återvända kan relateras till förlängningen av skruven och därmed klämkraften. Det är viktigt att ta hänsyn till den akustoelastiska effekten, som är fenomenet där ljudhastigheten av en våg i en solid förändras med spänningstillståndet. Målet med det här arbetet är att implementera en hyperelastisk Murnaghan modell som tar hänsyn till den akustoelastiska effekten med FEM simuleringar. Ett experiment har också genomförts för att validera beräkningsmodellen. Tidsfördröjningen som en funktion av förspänningskraften togs fram för ett M8 och M10 provobjekt. Murnaghans hyperelastiska materialmodell implementerades genom att skapa ett användar material skriven i programmeringsspråket Fortran för den explicita lösaren Radioss. Hypermesh användes för att ställa upp FEM simuleringen. Materialmodellen har visat ett väntat beteende med en ökad ljudhastighet med tryckspänningar och minskad ljudhastighet med dragspänningar. Beräkningsmodellen visade en god överenstämmelse med resultatet från experimentet.