DE102014101241A1 - Device for determining bending stresses of locking elements and method for this purpose - Google Patents

Device for determining bending stresses of locking elements and method for this purpose Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von Feststellelementen sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von Feststellelementen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens ein zylindrisches Feststellelement, das in seinem Inneren mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, die jeweils mit Sensormitteln zur Erfassung axialer Dehnungen des Feststellelements versehen sind und so angeordnet sind, dass sie im Falle einer mechanischen Beanspruchung wenigstens teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements liegen, wobei die Sensormittel mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, die so eingerichtet ist, dass im Falle einer mechanischen Beanspruchung des Feststellelements aus den axialen Dehnungswerten Biege- und/oder Zugspannungen im Feststellelement ableitbar sind.The invention relates to a device for determining bending stresses of locking elements and a method for determining bending stresses of locking elements. The device comprises at least one cylindrical locking element having in its interior a plurality of receiving openings each provided with sensor means for detecting axial expansions of the locking element and arranged so that, in the event of mechanical stress, they lie at least partly outside a neutral fiber of the locking element, wherein the sensor means are connected to an evaluation unit, which is set up so that bending and / or tensile stresses can be derived in the locking element in the case of mechanical stressing of the locking element from the axial expansion values.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von Feststellelementen sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von Feststellelementen.The invention relates to a device for determining bending stresses of locking elements and a method for determining bending stresses of locking elements.

Feststellelemente, insbesondere Schrauben, sind im Betrieb häufig starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Dabei können sowohl Biegebeanspruchungen als auch Zugkraftbeanspruchungen auftreten, wobei letztere beispielsweise schon dadurch entstehen, dass beim Festziehen einer Schraube eine Vorspannkraft auf diese einwirkt. Biegebeanspruchungen können sowohl durch die zu verbindenden Bauteile verursacht werden als auch beispielsweise durch eine nicht plane Auflage eines Schraubenkopfes entstehen. Aus Erfahrung ist bekannt, dass bei Feststellelementen wie Schraubverbindungen Brüche auftreten können. Dies betrifft beispielsweise mechanisch stark belastete Schraubverbindungen, die mit einem definierten Anzugsmoment beim Einbau angezogen werden. Brüche treten dabei beispielsweise zwischen dem Schraubenkopf und dem Schraubenschaft oder am Gewindeübergang zum Schaft auf. Oftmals sind Setzungserscheinungen für diese Brüche verantwortlich. Sobald Setzungserscheinungen vorliegen, können unter dynamischer Belastung des gefügten Bauteils Schwingamplituden entstehen, die oberhalb der Dauerfestigkeit für die Schraube zu Rissen führen können.Locking elements, in particular screws, are often exposed to heavy mechanical stresses during operation. In this case, both bending stresses and tensile loads can occur, the latter, for example, arise already by the fact that when tightening a screw, a biasing force acts on them. Bending stresses can be caused both by the components to be connected as well as, for example, by a non-planar support of a screw head arise. Experience has shown that fractures can occur with locking elements such as screw connections. This applies, for example, mechanically heavily loaded screw, which are tightened with a defined torque during installation. For example, fractures occur between the screw head and the screw shank or at the thread transition to the shank. Often settlement effects are responsible for these fractures. As soon as settling phenomena have occurred, dynamic amplitudes of the joined component can cause oscillation amplitudes, which can lead to cracks above the fatigue strength for the screw.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die zur Messung der Dehnung von Dehnschrauben vorgesehen sind.Numerous devices are known from the prior art, which are provided for measuring the elongation of expansion screws.

So ist aus der DE 28 46 668 C2 eine Einrichtung zur Messung der Dehnung von Schrauben beim Spannen von Deckelschrauben bekannt, bei der innerhalb einer zentrischen Bohrung der Dehnschraube eine Messstange angeordnet ist, die einem Messanzeiger mit einem Taststift zugeordnet ist. Der Taststift ist Bestandteil eines mechanisch elektrischen Wandlers mit induktivem Geber, dessen Signale nach außen weiter gegeben werden.So is out of the DE 28 46 668 C2 a device for measuring the elongation of screws when tightening lid screws, in which a measuring rod is arranged within a central bore of the expansion screw, which is associated with a measuring indicator with a stylus. The stylus is part of a mechanical electrical transducer with inductive sensor whose signals are passed to the outside.

Aus der DE 26 04 510 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Klemmkraft von Schrauben bekannt, bei dem mittels einer vom Schraubenkopf her axial in den Schraubenschaft bis zum Ansatz des Gegengewindes reichende Bohrung und mittels eines in die Bohrung eingeführten Stiftes eine Schaftdehnung der Schraube feststellbar ist.From the DE 26 04 510 A1 a method for determining the clamping force of screws is known in which by means of a screw head axially ago in the screw shaft to the approach of the counter-thread reaching bore and by means of a introduced into the bore pin a shaft elongation of the screw is detected.

Aus der DE 32 43 306 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Schraubendehnung bekannt, bei der eine Bohrung in der Schraubenachse mit einem Messstift versehen ist, wobei die Oberfläche des Schraubenkopfes mit der oberen Stirnfläche des Messstiftes plan geschliffen ist, wobei der Messstift den Schraubenkopf mit Spiel durchragt.From the DE 32 43 306 A1 a device for measuring the screw elongation is known in which a hole in the screw axis is provided with a measuring pin, wherein the surface of the screw head is ground flat with the upper end face of the measuring pin, wherein the measuring pin projects through the screw head with play.

Aus der DE 100 42 291 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Schraubvorgangs bekannt, bei dem unter Einsatz einer Impuls-Echo-Technik während des Festziehvorgangs der Schraube vom Schraubenkopf ausgehend wiederholt Ultraschall-Impulse in die Schraube eingekoppelt werden. Aus einer Laufzeitänderung der Ultraschallimpulse kann in Abhängigkeit von der Vorspannung der Schraube eine Aussage zur Steuerung des Schraubvorgangs abgeleitet werden.From the DE 100 42 291 C1 a method for monitoring a screwing is known in which using a pulse-echo technique during the tightening process of the screw from the screw head repeated ultrasonic pulses are coupled into the screw. From a change in the transit time of the ultrasonic pulses, a statement for controlling the screwing operation can be derived as a function of the preload of the screw.

Es besteht folglich in der Technik ein Bedarf, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, um die im Betrieb einer Feststelleinrichtung auftretenden statischen und dynamischen Beanspruchungen zu erfassen.Thus, there is a need in the art to provide a device or method for detecting the static and dynamic stresses encountered in the operation of a detent.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von verspannten Feststellelementen anzugeben bzw. ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, das einfach und zuverlässig die statischen und dynamischen Beanspruchungen ermitteln kann.It is therefore an object of the invention to provide a device for determining bending stresses of strained locking elements or to provide a corresponding method that can easily and reliably determine the static and dynamic stresses.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.This object is solved by the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are each the subject of the dependent claims. These can be combined in a technologically meaningful way. The description, in particular in conjunction with the drawing, additionally characterizes and specifies the invention.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von länglichen Feststellelementen geschaffen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens ein zylindrisches Feststellelement, das in seinem Inneren mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, die jeweils mit Sensormitteln zur Erfassung axialer Dehnungen des Feststellelements versehen sind und so angeordnet sind, dass sie im Falle einer mechanischen Beanspruchung wenigstens teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements liegen, wobei die Sensormittel mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, die so eingerichtet ist, dass im Falle einer mechanischen Beanspruchung des Feststellelements aus den axialen Dehnungswerten Biege- und/oder Zugspannungen im Feststellelement ableitbar sind.According to the invention, a device for determining bending stresses of elongate locking elements is provided. The device comprises at least one cylindrical locking element having in its interior a plurality of receiving openings each provided with sensor means for detecting axial expansions of the locking element and arranged so that, in the event of mechanical stress, they lie at least partly outside a neutral fiber of the locking element, wherein the sensor means are connected to an evaluation unit, which is set up so that bending and / or tensile stresses can be derived in the locking element in the case of mechanical stressing of the locking element from the axial expansion values.

Demgemäß werden Biegebeanspruchungen von länglichen Feststellelementen dadurch bestimmt, dass an verschiedenen Stellen im Inneren des Feststellelementes Sensormittel angeordnet werden, die jeweils den Dehnungszustand für diese Position bestimmen. Sofern innerhalb des Feststellelements aufgrund eines Anzugsmoments eine Vorspannkraft vorliegt, ergibt sich eine Zugdehnung, die in einer über den Querschnitt des Feststellelements konstant verlaufenden Zugspannung im Inneren des Feststellelements resultiert. Falls nun zusätzlich eine Biegung auf das Feststellelement wirkt, überlagern sich die Zugspannung und die Biegespannung. Aus den mittels der Sensormittel bestimmten Dehnungen können die zusammen gesetzten Größen aus Zug- und Biegespannungsanteil bestimmt werden, um diese bestimmen zu können, ist es erforderlich, dass die Sensormittel außerhalb der neutralen Faser des Feststellelements angeordnet sind, so dass eine Erfassung der Dehnungen möglich ist.Accordingly, bending stresses of elongate locking elements are determined by arranging sensor means at different locations inside the locking element, each determining the state of stretching for this position. If within the locking element due to a tightening torque, a biasing force is present, there is a tensile elongation, which results in a constant over the cross section of the locking element tension in the interior of the locking element. If, in addition, a bending acts on the locking element, the tensile stress and the bending stress are superimposed. From the strains determined by means of the sensor means, the combined forces of tensile and bending stress component can be determined, in order to be able to determine these, it is necessary for the sensor means to be arranged outside the neutral fiber of the locking element, so that it is possible to detect the strains ,

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Feststellelement eine Schraube, eine Gewindestange, ein Bolzen oder ein Niet.According to an advantageous embodiment of the invention, the locking element is a screw, a threaded rod, a bolt or a rivet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Bestimmung von Zug- bzw. Biegespannungen im Inneren einer Schraube geeignet. Es ist aber auch vorgesehen, die Erfindung beispielsweise bei Gewindestangen oder ähnlichen Elementen einzusetzen, die ebenfalls mittels einer Vorspannung beispielsweise zum Fügen zweier Bauteile verwendet werden können.The device according to the invention is particularly suitable for determining tensile or bending stresses in the interior of a screw. But it is also envisaged to use the invention, for example, in threaded rods or similar elements, which can also be used by means of a bias, for example, for joining two components.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind im Inneren des Feststellelements wenigstens drei Aufnahmeöffnungen, insbesondere vier Aufnahmeöffnungen vorgesehen.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least three receiving openings, in particular four receiving openings are provided in the interior of the locking element.

Um die Zug- bzw. Biegespannungen berechnen zu können, sind mindestens drei Aufnahmeöffnungen im Inneren des Feststellelementes nötig. Es ist aber auch möglich, mehrere, beispielsweise vier Aufnahmeöffnungen vorzusehen, wobei jedoch beachtet werden muss, dass das Hinzufügen der Aufnahmeöffnungen beispielsweise in einem Schraubenschaft zu einer Materialschwächung führt, so dass während des Einsatzes des Feststellelements beim Zusammenfügen von Bauteilen mit einer reduzierten Belastbarkeit gerechnet werden muss.In order to calculate the tensile or bending stresses, at least three receiving openings in the interior of the locking element are required. But it is also possible to provide several, for example, four receiving openings, but it must be noted that the addition of the receiving openings, for example in a screw shaft leads to a material weakening, so that are expected during use of the locking element when joining components with a reduced load capacity got to.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Aufnahmeöffnungen so angeordnet, dass sie einen gleichen radialen Abstand zu einer Längsachse des Feststellelements aufweisen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the receiving openings are arranged so that they have a same radial distance from a longitudinal axis of the locking element.

Es hat sich als vorteilhaft heraus gestellt, die Aufnahmeöffnungen in einem gleichen radialen Abstand entlang der Längsachse des Feststellelementes anzuordnen, so dass jeden einzelnen Aufnahmeöffnungen zugeordneten Sensormittel jeweils symmetrisch bezüglich der Längsachse des Feststellelements Messsignale liefern. Diese Vorgehensweise erleichtert die Auswertung der empfangenen Signale.It has been found advantageous to arrange the receiving openings at an equal radial distance along the longitudinal axis of the locking element, so that each individual receiving openings associated sensor means each provide symmetrical with respect to the longitudinal axis of the locking element measurement signals. This procedure facilitates the evaluation of the received signals.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensormittel ein Dehnungsmessstreifen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the sensor means is a strain gauge.

Dehnungsmessstreifen sind in der industriellen Technik weit verbreitet und erlauben eine kostengünstige und doch präzise Realisierung der Sensormittel. Zylindrische Dehnungsmessstreifen sind dabei besonders bevorzugt, da sie sich auf einfache Weise als Sensormittel jeweils in den einzelnen Aufnahmeöffnungen unterbringen lassen.Strain gauges are widely used in industrial engineering and allow a cost-effective, yet precise realization of the sensor means. Cylindrical strain gauges are particularly preferred because they can be accommodated in a simple manner as sensor means in each of the individual receiving openings.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements aus den Dehnungswerten mittels bekannter Elastizitätsmodulwerte des Feststellelements ableitbar.According to a further advantageous development of the invention, the bending and / or tensile stresses of the locking element can be derived from the expansion values by means of known elastic modulus values of the locking element.

Aus den gemessenen Dehnungswerten kann auf die Spannungswerte geschlossen werden, in dem der bekannte Wert des Elastizitätsmoduls des Feststellelements berücksichtigt wird. Diese Berechnung kann in der Auswerteeinheit erfolgen, in der beispielsweise der Wert des Elastizitätsmoduls des Feststellelements abgespeichert oder eingebbar ist. Die Auswerteeinheit kann in Form eines Computers bereitgestellt werden, die über eine geeignete Schnittstelle mit den Sensormitteln auf fachübliche Weise verbindbar ist.From the measured strain values, it is possible to deduce the stress values in which the known value of the modulus of elasticity of the locking element is taken into account. This calculation can be carried out in the evaluation unit in which, for example, the value of the modulus of elasticity of the locking element is stored or input. The evaluation unit can be provided in the form of a computer, which can be connected to the sensor means in a customary manner via a suitable interface.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Zugspannungsanteil aus einem Mittelwert der Dehnungswerte bestimmbar.According to a further advantageous development of the invention, the tensile stress component can be determined from an average value of the elongation values.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements von den Dehnungswerten an der Position der Sensormittel auf einen Wert an einer anderen Position, vorzugsweise an einem Außenrand des Feststellelements umrechenbar. According to a further advantageous development of the invention, the bending and / or tensile stresses of the locking element can be converted from the expansion values at the position of the sensor means to a value at another position, preferably at an outer edge of the locking element.

Oftmals ist der Wert der Spannungen insbesondere der Biegespannungen beispielsweise an einem Außenrand des Feststellelements wie an einem Schraubenschaft von Interesse. Durch Extrapolation ist es möglich, den Wert am Außenrand aus den gemessenen Werten zu bestimmen.Often the value of the stresses, in particular the bending stresses, for example, on an outer edge of the locking element as a screw shaft of interest. By extrapolation, it is possible to determine the value at the outer edge from the measured values.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Biegespannungen des Feststellelements in mehreren Schnittebenen bestimmbar, die vorzugsweise entlang einer Längsachse des Feststellelements und zueinander senkrecht stehend festgelegt sind.According to a further advantageous embodiment of the invention, the bending stresses of the locking element in a plurality of cutting planes can be determined, which are preferably fixed along a longitudinal axis of the locking element and each other vertically.

Die Sensormittel können bezüglich ihrer Position im Feststellelement beispielweise zwei Ebenen aufspannen, so dass ähnlich einem kartesischen Koordinatensystem die Stelle der Längsachse des Feststellelements als Nullpunkt anzusehen ist. Die Sensormittel liegen dann symmetrisch auf jeder Achse des Koordinatensystems. The sensor means may span, for example, two planes with respect to their position in the locking element, so that, similar to a Cartesian coordinate system, the position of the longitudinal axis of the Locking element is to be regarded as a zero point. The sensor means are then symmetrical on each axis of the coordinate system.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Biegespannungen in einer weiteren Ebene aus den gemessenen Biegespannungen in den mehreren Schnittebenen ermittelbar.According to a further advantageous development of the invention, the bending stresses in a further plane can be determined from the measured bending stresses in the several cutting planes.

Sofern die gemessenen Wert der Biegespannungen des Feststellelements in einer anderen Ebene entlang der Längsachse des Feststellelements bestimmt werden müssen, kann dies aus den gemessenen Werten der Biegespannungen des Feststellelements erfolgen. If the measured value of the bending stresses of the locking element in another plane along the longitudinal axis of the locking element must be determined, this can be done from the measured values of the bending stresses of the locking element.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein maximaler Biegespannungswert anhand einer Interpolation der gemessenen Biegespannungen ermittelbar.According to a further advantageous development of the invention, a maximum bending stress value can be determined on the basis of an interpolation of the measured bending stresses.

Entlang des Außenumfangs des Feststellelements variieren die Werte der Biegespannungen zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert. Da die Sensormittel bezüglich ihrer Position im Feststellelement beliebig im Vergleich zu der Lage des maximalen oder des minimalen Biegespannungswerts angeordnet sind, muss der Biegespannungswert mittels Interpolation der gemessenen Biegespannungen ermittelt werden. Along the outer circumference of the locking element, the values of the bending stresses vary between a maximum and a minimum value. Since the sensor means are arranged with respect to their position in the locking element arbitrarily compared to the position of the maximum or the minimum bending stress value, the bending stress value must be determined by means of interpolation of the measured bending stresses.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Kalibrierung der Sensormittel mechanisch.According to a further advantageous embodiment of the invention, a calibration of the sensor means is carried out mechanically.

Dies ist im Vergleich zur elektrischen Kalibrierung vorteilhaft, da definierte Zugkräfte in die Feststellelemente axial eingeleitet und die Dehnung dem jeweiligenThis is advantageous in comparison to the electrical calibration, as defined tensile forces in the locking elements introduced axially and the strain of the respective

Sensormittel direkt zugeordnet wird. Somit ergibt sich im Idealfall bei einer reinen Zugkraft ohne Biegeanteile in dem Feststellelement an allen Sensormittel eine gleich große Biegedehnung.Sensor means is assigned directly. Thus, in the ideal case with a pure tensile force without bending components in the locking element at all sensor means results in an equal bending strain.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von verspannten Feststellelementen angegeben, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden. Bereitstellen eines Feststellelements, das in seinem Inneren mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, die so angeordnet sind, dass im Falle einer mechanischen Beanspruchung des Feststellelements die Aufnahmeöffnungen wenigstens teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements liegen. Bereitstellung von Sensormitteln, die in die Aufnahmeöffnungen eingeführt werden, wobei die Sensormittel eine axiale Dehnung des Feststellelements erfassen. Auswerten der axialen Dehnungen des Feststellelements, so dass bei einer mechanischen Beanspruchung Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements bestimmt werden.According to the invention, there is also provided a method for determining bending stresses of strained locking elements, in which the following steps are carried out. Providing a locking element having in its interior a plurality of receiving openings which are arranged so that in the case of mechanical stress on the locking element, the receiving openings are at least partially outside a neutral fiber of the locking element. Providing sensor means which are inserted into the receiving openings, wherein the sensor means detect an axial elongation of the locking element. Evaluation of the axial expansions of the locking element, so that in a mechanical stress bending and / or tensile stresses of the locking element are determined.

Schließlich wird ein Teststand zur Ermittlung von Belastungen von Feststellelementen angegeben, der mit einer oben beschriebenen Vorrichtung versehen ist.Finally, a test stand for determining loads of locking elements is provided, which is provided with a device described above.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Some embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1(A) eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht, 1 (A) a device according to the invention in a side view,

1(B) eine weitere Ansicht der Vorrichtung aus 1(A), 1 (B) another view of the device 1 (A) .

2(A) schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht mit dazu gehörigen Spannungskräften, 2 (A) FIG. 2 shows schematically a device according to the invention in a side view with associated tension forces, FIG.

2(B) schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht mit dazu gehörigen Spannungskräften, 2 B) FIG. 2 shows schematically a device according to the invention in a side view with associated tension forces, FIG.

2(C) schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht mit dazu gehörigen Spannungskräften, 2 (C) FIG. 2 shows schematically a device according to the invention in a side view with associated tension forces, FIG.

3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdeutlichung der Bestimmung radial unterschiedlicher Spannungskräfte, 3 a side view of the device according to the invention to illustrate the determination of radially different stress forces,

4(A) in einem Diagramm unterschiedliche Spannungs- bzw. Dehnungswerte entlang des abgewickelten Umfangs des Fest- stellelements gemäß 1 bis 3, und 4 (A) in a diagram different stress or strain values along the unwound circumference of the locking element according to 1 to 3 , and

4(B) in einer Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verdeutlichung der Vorgehensweise gemäß 4(A). 4 (B) in a plan view of an inventive device to illustrate the procedure according to 4 (A) ,

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or functionally identical components are provided with the same reference numerals.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in 1(A) eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung VO gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung VO umfasst ein Feststellelement FE, das in dem in 1(A) gezeigten Beispiel eine Schraube umfassend einen Schraubenschaft SS und einen Schraubenkopf SK ist. Der Schraubenkopf SK kann beispielsweise einen sechskantigen Umfang aufweisen. Die Verdeutlichung der Erfindung anhand einer Schraube ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Die Erfindung lässt sich auch auf andere Feststellelemente FE, wie z. B. Gewindestangen, Bolzen oder ähnliches anwenden. To illustrate the invention is in 1 (A) a side view of a device according to the invention VO shown. The device VO according to the invention comprises a locking element FE, which in the in 1 (A) shown example, a screw comprising a screw shaft SS and a screw head SK. The screw head SK may, for example, have a hexagonal circumference. The clarification of the invention with reference to a screw is to be understood only as an example. The invention can also be applied to others Locking elements FE, such as. B. threaded rods, bolts or the like apply.

Entlang der Längsachse LA des Feststellelements FE sind mehrere Aufnahmeöffnungen AO vorgesehen, die in dem in 1(A) gezeigten Beispiel in einem radial gleichen Abstand zur Längsachse LA angeordnet sind. Insgesamt sind gemäß 1(A) vier Aufnahmeöffnungen AO vorgesehen, die symmetrisch um die Längsachse LA angeordnet sind. Die in 1(A) gezeigte Anordnung erleichtert die spätere Auswertung. In diesem Zusammenhang ist jedoch wichtig, dass die Aufnahmeöffnungen AO so angeordnet werden, dass sie zumindest teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements FE zu liegen kommen, falls dieses mechanisch belastet wird.Along the longitudinal axis LA of the locking element FE a plurality of receiving openings AO are provided, which in the in 1 (A) example shown are arranged in a radially equal distance from the longitudinal axis LA. Overall, according to 1 (A) four receiving openings AO provided, which are arranged symmetrically about the longitudinal axis LA. In the 1 (A) arrangement shown facilitates the later evaluation. In this context, however, it is important that the receiving openings AO are arranged so that they come to lie at least partially outside of a neutral fiber of the locking element FE, if this is mechanically loaded.

Wie in 1(A) gezeigt ist, wird im Inneren der Aufnahmeöffnungen AO ein Sensormittel SM angeordnet. Bei dem Sensormittel SM kann es sich beispielsweise um einen Dehnungsmessstreifen handeln. Dehnungsmessstreifen werden als vorgefertigte Baugruppen in der Elektronikindustrie in vielfältigen Außenabmessungen bzw. Dehnungsmessbereichen bereitgestellt. Die Sensormittel SM werden mit einer Auswerteeinheit AE verbunden, die geeignet ist, die von den Sensormitteln SM zur Verfügung gestellten Signale mittels Verbindungsleitungen zu koppeln, so dass eine Auswertung der Sensormittel erfolgen kann.As in 1 (A) is shown, a sensor means SM is disposed in the interior of the receiving openings AO. The sensor means SM may be, for example, a strain gauge. Strain gauges are provided as prefabricated assemblies in the electronics industry in a variety of external dimensions or strain gauges. The sensor means SM are connected to an evaluation unit AE, which is suitable for coupling the signals provided by the sensor means SM by means of connecting lines, so that an evaluation of the sensor means can take place.

In 1(B) ist die Anordnung der Aufnahmeöffnungen AO nochmals in einer Draufsicht auf den Schraubenkopf SK gezeigt. Wie bereits erwähnt, ist die gezeigte Anordnung der Aufnahmeöffnungen vorteilhaft, kann aber durch andere Lochbilder ersetzt werden. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Aufnahmeöffnungen AO beim Festziehen der Schraube zu eventuell reduzierten Anzugsdrehmomenten führen, da durch das Vorsehen von Aufnahmeöffnungen im Schaft SS der Schraube eine Schwächung eintritt. Berechnungen haben ergeben, dass diese Schwächung etwa im Bereich von 20 % liegt. Die Sensormittel SM können beispielsweise mittels eines Heißklebers innerhalb der Aufnahmeöffnungen AO des Feststellelements FE fixiert werden. Als Messgröße wird somit an vier Positionen die mechanische Dehnung bereit gestellt. Die Weiterverarbeitung dieser Messgrößen wird nachfolgend beschrieben.In 1 (B) the arrangement of the receiving openings AO is shown again in a plan view of the screw head SK. As already mentioned, the arrangement of the receiving openings shown is advantageous, but can be replaced by other hole patterns. It should be noted, however, that the receiving openings AO when tightening the screw to possibly reduced tightening torques, as by the provision of receiving openings in the shaft SS of the screw weakening occurs. Calculations have shown that this weakening is approximately in the range of 20%. The sensor means SM can be fixed for example by means of a hot melt adhesive within the receiving openings AO of the locking element FE. As a measure, the mechanical strain is thus provided at four positions. The further processing of these measured variables is described below.

Aus den gemessenen Dehnungen an den beispielsweise vier zylindrisch angeordneten Sensormitteln SM kann mittels der Kenngröße des Elastizitätsmoduls der entsprechende Spannungswert berechnet werden. Eine Vorspannkraft aufgrund des Anzugsmoments des Feststellelements FE verursacht dabei eine Zugdehnung, die eine über den gesamten Querschnitt des Schraubenschaftes SS konstant verlaufende Zugspannung zur Folge hat. Wirkt nun zusätzlich eine Biegung auf die Schraube als Feststellelement FE, so überlagern sich Zug- und Biegespannungen. Die reine Biegespannung verläuft über den Querschnitt linear durch den Nullpunkt der Schraubenlängsachse entlang der neutralen Faser. Aus den beiden Spannungsarten ergibt sich ein zusammengesetzter Spannungszustand, der trapezförmig über den Querschnitt des Schraubenschafts SS verläuft. From the measured strains on, for example, four cylindrically arranged sensor means SM, the corresponding voltage value can be calculated by means of the parameter of the modulus of elasticity. A biasing force due to the tightening torque of the locking element FE causes a tensile elongation, which results in a constant over the entire cross section of the screw shaft SS tensile stress. If, in addition, a bend acts on the screw as a fixing element FE, tensile and bending stresses overlap. The pure bending stress runs across the cross section linearly through the zero point of the screw longitudinal axis along the neutral fiber. From the two types of stress results in a composite stress state, which runs trapezoidally over the cross section of the screw shaft SS.

In ist die Spannungsverteilung bei einer reinen Zugkraft FZ entlang des Schraubenschafts SS dargestellt. Die Position der Sensormittel SM ist entlang der gestrichelt eingezeichneten Linie vorgesehen. In the stress distribution at a pure tensile force FZ along the screw shaft SS is shown. The position of the sensor means SM is provided along the dashed line.

In 2(B) ist ein Zustand bei reiner Biegung FB und in 2(C) der zusammengesetzte Spannungszustand FS gezeigt. In 2 B) is a state of pure bending FB and in 2 (C) the composite voltage state FS shown.

Die Position der Sensormittel SM ist wiederum mit der gestrichelt eingezeichneten Linie angedeutet. Folglich ist es möglich, anhand der Messgrößen der Sensormittel SM Aussagen über Zug- bzw. Biegespannungen im Inneren des Schraubenschaftes SS des Feststellmittels FE zu treffen.The position of the sensor means SM is again indicated by the dashed line. Consequently, it is possible to make statements about tensile or bending stresses in the interior of the screw shank SS of the fixing means FE on the basis of the measured quantities of the sensor means SM.

Häufig ist jedoch als charakteristische Größe nicht die gemessene Biegespannung an der Position der Sensormittel SM von Interesse, sondern beispielsweise am Rand RA des Schraubenschafts SS. Wie in 3 gezeigt ist, lässt sich die im Inneren des Schraubenschaftes SS bestimmte Messgröße an der Stelle PO mittels Extrapolation am Rand RS des Schraubenschaftes SS berechnen, so dass aus der bekannten Geometrie der Aufnahmeöffnungen AO sowie der Dimension des Schraubenschaftes SS der Wert am Rand des Schraubenschaftes SS bestimmt werden kann.Frequently, however, not the measured bending stress at the position of the sensor means SM is of interest as a characteristic variable, but, for example, at the edge RA of the screw shaft SS 3 2, the measured variable determined in the interior of the screw shaft SS can be calculated at the point RS by extrapolation at the edge RS of the screw shank SS, so that the value at the edge of the screw shank SS is determined from the known geometry of the receiving openings AO and the dimension of the screw shank SS can be.

In 4(A) ist ein Diagramm gezeigt, in dem unterschiedliche Spannungswerte entlang des Außenumfangs des Feststellelements FE eingezeichnet sind. Die Position der Sensormittel SM ist dabei mittels der Bezugszeichen X bzw. Y angedeutet. In 4 (A) a diagram is shown in which different voltage values along the outer periphery of the locking element FE are drawn. The position of the sensor means SM is indicated by the reference numerals X and Y, respectively.

Falls jedoch Spannungswerte entlang einer Ebene ZZ, wie in 4(B) dargestellt, berechnet werden sollen, muss eine Interpolationskurve berechnet werden, da der Biegespannungsanteil wechselweise vom positiven zum negativen Spannungswert läuft. Zugspannungsanteil ist jedoch für alle Schnittebenen konstant. Die maximale oder minimale Biegespannung kann beispielsweise mittels einer Interpolationsmethode ermittelt werden, wie beispielhaft anhand der Werte Fmax und Fmin in 4(A) gezeigt ist.However, if voltage values are along a plane ZZ, as in 4 (B) must be calculated, an interpolation curve must be calculated because the bending stress component alternately runs from positive to negative voltage value. Tensile stress is constant for all cutting planes. The maximum or minimum bending stress can be determined, for example, by means of an interpolation method, as exemplified by the values Fmax and Fmin in FIG 4 (A) is shown.

Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 bis 4 in einem Teststand untergebracht wird, bei dem beispielsweise mittels von außen zuführbaren Aktuatoren Kräfte auf zusammen gefügte Teile übertragen werden. Die dabei auftretenden Biege- bzw. Zugspannungen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung messtechnisch erfassen, so dass beispielsweise eine Aussage über die Lebensdauer oder Haltbarkeit der mit dem Feststellelement FE hergestellten Verbindung getroffen werden kann. Folglich lassen sich dynamische und statische Beanspruchungen bestimmen, so dass auch Aussagen bezüglich Beanspruchungsgrenzen und somit der Lebensdauer der mit dem Feststellelement FE hergestellten Verbindung getroffen werden können. Ein derartiger Versuchsaufbau kann gleichzeitig viele weiteren Größen bestimmen, wobei auch Messungen entlang verschiedener Achsen möglich sind. It proves particularly advantageous if the device according to the invention in accordance with 1 to 4 is accommodated in a test stand, in which, for example, by means of externally supplied actuators forces are transmitted to parts joined together. The occurring bending or tensile stresses can be detected metrologically with the device according to the invention, so that, for example, a statement about the life or durability of the connection made with the locking element FE can be made. Consequently, dynamic and static stresses can be determined, so that statements can be made with respect to stress limits and thus the life of the connection made with the locking element FE. Such an experimental set-up can simultaneously determine many other sizes, whereby measurements along different axes are also possible.

Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.The features indicated above and in the claims, as well as the features which can be seen in the figures, can be implemented advantageously both individually and in various combinations. The invention is not limited to the exemplary embodiments described, but can be modified in many ways within the scope of expert knowledge.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (14)

Vorrichtung zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen in länglichen Feststellelementen umfassend wenigstens ein zylindrisches Feststellelement, das in seinem Inneren mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, die jeweils mit Sensormitteln zur Erfassung axialer Dehnungen des Feststellelements versehen sind und so angeordnet sind, dass sie im Falle einer mechanischen Beanspruchung wenigstens teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements liegen, wobei die Sensormittel mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, die so eingerichtet ist, dass im Falle einer mechanischen Beanspruchung des Feststellelements aus den axialen Dehnungswerten Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements ableitbar sind.Apparatus for determining bending stresses in elongated locking elements comprising at least one cylindrical locking element having in its interior a plurality of receiving openings, each provided with sensor means for detecting axial expansions of the locking element and arranged so that they at least partially outside of a mechanical stress are neutral fiber of the locking element, wherein the sensor means are connected to an evaluation unit, which is arranged so that in the case of mechanical stress of the locking element from the axial strain values bending and / or tensile stresses of the locking element can be derived. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Feststellelement verspannt ist und eine Schraube, eine Gewindestange, ein Bolzen oder ein Niet ist.Apparatus according to claim 1, wherein the locking element is braced and is a screw, a threaded rod, a bolt or a rivet. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der im Inneren des Feststellelements wenigstens drei Aufnahmeöffnungen, insbesondere vier Aufnahmeöffnungen vorgesehen sind.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein at least three receiving openings, in particular four receiving openings are provided in the interior of the locking element. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Aufnahmeöffnungen so angeordnet sind, dass sie einen gleichen radialen Abstand zu einer Längsachse des Feststellelements aufweisen.Apparatus according to claim 3, wherein the receiving openings are arranged so that they have a same radial distance to a longitudinal axis of the locking element. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Sensormittel ein Dehnungsmessstreifen ist. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the sensor means is a strain gauge. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements aus den Dehnungswerten mittels bekannter Elastizitätsmodulwerte des Feststellelements ableitbar sind.Device according to one of claims 1 to 5, wherein the bending and / or tensile stresses of the locking element from the strain values by means of known elastic modulus values of the locking element can be derived. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Zugspannungsanteil aus einem Mittelwert der Dehnungswerte bestimmbar ist.Device according to one of claims 1 to 6, wherein the tensile stress component can be determined from an average value of the elongation values. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements von den Dehnungswerten an der Position der Sensormittel auf einen Wert an einer anderen Position, vorzugsweise an einem Außenrand des Feststellelements umrechenbar sind. Device according to one of claims 1 to 7, wherein the bending and / or tensile stresses of the locking element of the strain values at the position of the sensor means to a value at another position, preferably at an outer edge of the locking element are convertible. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Biegespannungen des Feststellelements in mehreren Schnittebenen bestimmbar sind, die vorzugsweise entlang einer Längsachse des Feststellelements und einander gegenüberliegend festgelegt sind.Device according to one of claims 1 to 8, wherein the bending stresses of the locking element in a plurality of cutting planes can be determined, which are preferably determined along a longitudinal axis of the locking element and opposite each other. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Biegespannungen in einer weiteren Ebene aus den gemessenen Biegespannungen in den mehreren Schnittebenen ermittelbar sind.Apparatus according to claim 9, wherein the bending stresses in a further plane from the measured bending stresses in the plurality of cutting planes can be determined. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein maximaler Biegespannungsanteil anhand einer Interpolation der gemessenen Biegespannungen ermittelbar ist.Device according to one of claims 1 to 10, in which a maximum bending stress component can be determined on the basis of an interpolation of the measured bending stresses. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine Kalibrierung der Sensormittel mechanisch erfolgt. Device according to one of claims 1 to 11, wherein a calibration of the sensor means takes place mechanically. Verfahren zur Ermittlung von Biegebeanspruchungen von verspannten Feststellelementen, umfassen die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Feststellelements, das in seinem Inneren mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, die so angeordnet sind, dass im Falle einer mechanischen Beanspruchung des Feststellelements die Aufnahmeöffnungen wenigstens teilweise außerhalb einer neutralen Faser des Feststellelements liegen, – Bereitstellung von Sensormitteln, die in die Aufnahmeöffnungen eingeführt werden, wobei die Sensormittel eine axiale Dehnung des Feststellelements erfassen, – Auswerten der axialen Dehnungen des Feststellelements, so dass bei einer mechanischen Beanspruchung Biege- und/oder Zugspannungen des Feststellelements bestimmt werden.Methods for determining bending stresses of strained locking elements include the following steps: - Providing a locking element having in its interior a plurality of receiving openings which are arranged so that in case of mechanical stress on the locking element, the receiving openings are at least partially outside of a neutral fiber of the locking element, Providing sensor means which are inserted into the receiving openings, the sensor means detecting an axial expansion of the locking element, - Evaluate the axial expansions of the locking element, so that bending and / or tensile stresses of the locking element are determined in a mechanical stress. Teststand zur Ermittlung von Belastungen von Feststellelementen, der mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 versehen ist.Test rig for the determination of loads of locking elements, which is provided with a device according to one of claims 1 to 12.
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