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Die Erfindung betrifft ein System zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, sowie eine mechanische Verbindungskomponente, welche dafür ausgeführt ist, einen Teil eines solchen Systems zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung.
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Mechanische Verbindungen finden sich in großer Zahl in allerlei denkbaren industriell oder handwerklich hergestellten Gütern. Lediglich als Beispiel seien an dieser Stelle der Maschinenbau und der Fahrzeugbau genannt. Viele dieser mechanischen Verbindungen stellen sicherheitsrelevante Komponenten dar. Es besteht daher ein Bedarf, solche sicherheitsrelevanten mechanischen Verbindungen geeignet zu überwachen, um ein katastrophales Versagen der Verbindungen entweder verhindern zu können, oder wenigstens seine Auswirkungen einzudämmen.
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Es ist aus Anlagen wie beispielsweise Kernkraftwerken bekannt, besonders sicherheitskritische mechanische Verbindungen mittels dedizierter Sensoren zu überwachen, welche von extern bestimmte Parameter der mechanischen Verbindung bestimmen und die derart gewonnenen Daten kabelgebunden an eine Datenverarbeitungsanlage weiterleiten.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zum Überwachen von mechanischen Verbindungen sind allerdings störungsanfällig, aufwendig zu installieren, unflexibel in ihren Einsatzmöglichkeiten und erfordern insbesondere durch ihre Kabel zur Datenübertragung einen erhöhten Bauraum, der sie für viele denkbare Anwendungen ungeeignet macht.
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Es ist nun im Hinblick auf die bekannten Systeme zum Überwachen von mechanischen Verbindung die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches System bereitzustellen, das die oben genannten Probleme ausräumt. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System sowie ein Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung bereitzustellen, welches sich durch seine erhöhte Zuverlässigkeit, große Flexibilität und eine Vielzahl von denkbaren Verwendungsbereichen auszeichnet. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanische Verbindungskomponente bereitzustellen, welche einen Teil eines Systems der eben genannten Art mit den entsprechenden Vorteilen bilden kann.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein System zum Überwachen einer mechanischen Verbindung bereitgestellt, umfassend eine Basiseinheit, welche wenigstens eine Signal-Verarbeitungseinheit umfasst, und eine Sensor-Anordnung, welche dazu eingerichtet ist, wenigstens einen momentanen Parameter der mechanischen Verbindung zu detektieren, wobei die Basiseinheit mit der Sensor-Anordnung gekoppelt oder koppelbar ist und die Signal-Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, auf Basis des detektierten momentanen Parameters wenigstens einen momentanen Zustand der mechanischen Verbindung zu bestimmen. Erfindungsgemäß ist hierbei die Sensor-Anordnung einer die mechanische Verbindung herstellenden Verbindungsanordnung zugeordnet, welche wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil verbindet und die Sensor-Anordnung gehört zu einer Sensor-Sender-Anordnung und ist mit der Basiseinheit drahtlos gekoppelt oder koppelbar.
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Das erfindungsgemäße System erlaubt dadurch, dass die Sensor-Anordnung einer Verbindungsanordnung zugeordnet ist, eine raumsparende Realisierung der Verbindung sowie eine erhöhte Flexibilität des Systems, da insbesondere das Nachrüsten einer bereits bestehenden Verbindung mit einem derartigen System erleichtert wird. Ferner wird durch die drahtlose Kopplung der Sensor-Anordnung mit der Basiseinheit eine verglichen mit einem kabelgebundenen System deutlich erhöhte Flexibilität erreicht, da insbesondere auf das Verlegen von Kabeln verzichtet werden kann. Auch die Zuverlässigkeit des Systems wird hierdurch verbessert, da eine Beschädigung der genannten Kabel in einem kabellosen System ausgeschlossen ist und ferner wird eine Miniaturisierung des Systems zum Überwachen von mechanischen Verbindungen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß kann die Sensor-Anordnung betriebsmäßig mit einer Sendeeinheit gekoppelt sein, welche dazu eingerichtet ist, ein den momentanen Parameter repräsentierendes Signal auszusenden, und die Basiseinheit kann eine Empfängereinheit umfassen, welche dazu eingerichtet ist, das von der Sendeeinheit ausgesendete Signal zu empfangen, wobei die Empfängereinheit betriebsmäßig mit der Signal-Verarbeitungseinheit gekoppelt sein kann.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass sie Signal-Verarbeitungseinheit der Basiseinheit dazu eingerichtet ist, mit einer Mehrzahl von Sensor-Anordnungen drahtlos gekoppelt oder koppelbar zu sein. Eine solche Ausführung eines erfindungsgemäßen Systems zum Überwachen einer mechanischen Verbindung erlaubt es, eine Vielzahl von mechanischen Verbindungen mit lediglich einer einzelnen Basiseinheit zu überwachen, was eine Reduktion des beanspruchten Bauraums und der Kosten des Systems bewirkt und ferner eine effiziente Verarbeitung der Signale erlaubt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Sensor-Sender-Anordnung wenigstens eine integrale Sensor-Sender-Einheit umfassen, welche die/eine Sensor-Anordnung und eine/die zugehörige Sendeeinheit und vorzugsweise eine mit dieser gekoppelte Steuereinheit enthält. Das Vorsehen einer integral gebildeten Sensor-Sender-Einheit erlaubt eine besonders kompakte und störungsunanfällige Ausführung der Sensor-Sender-Anordnung.
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Ferner kann erfindungsgemäß wenigstens eine Komponente der Sensor-Sender-Anordnung, vorzugsweise die Sensor-Sender-Einheit, in wenigstens eine mechanischen Verbindungskomponente der Verbindungsanordnung integriert sein. Diese Ausführung des erfindungsgemäßen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Verbindung lediglich der Bauraum für die entsprechende Komponente benötigt wird, was insbesondere das Nachrüsten bekannter Aufbauten und Verbindungen mit einem erfindungsgemäßen System erleichtert. Ferner ist die entsprechende Komponente der Sensor-Sender-Anordnung, dadurch dass sie eine mechanische Verbindungskomponente integriert ist, besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt.
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Vorzugsweise kann die Sensor-Anordnung des erfindungsgemäßen System dafür angeordnet und ausgeführt sein, auf eine zugeordnete weitere mechanische Verbindungskomponente oder/und wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Bauteil anzusprechen. Eine solche Ausführung des erfindungsgemäßen Systems erlaubt es, den momentanen Parameter der Verbindung lediglich auf Basis der ohnehin vorliegenden Bauteile oder/und Verbindungskomponenten zu bestimmen. Somit kann auf weitere Komponenten verzichtet werden, was wiederum den Preis und den Bauraum des erfindungsgemäßen Systems verringert.
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Insbesondere kann die Sensor-Anordnung derart angeordnet und ausgeführt sein, auf eine Oberfläche der weiteren mechanischen Verbindungskomponente oder/und des wenigstens einen von dem ersten und dem zweiten Bauteil anzusprechen.
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Vorteilhafterweise kann das Gesamtvolumen der Sensor-Sender-Einheit weniger als 100 mm3, vorzugsweise weniger als 10 mm3, betragen. Eine solche Miniaturisierung der Sensor-Sender-Einheit ist durch aktuelle Entwicklung auf dem Gebiet der Sensorik und Nachrichtentechnik ermöglicht, und erlaubt den Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems auch unter extrem beschränkten Platzverhältnissen.
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Erfindungsgemäß kann die Sensor-Sender-Anordnung ferner eine elektrische Energiequelle umfassen, welche vorzugsweise in die Sensor-Sender-Einheit integriert ist. Das Vorsehen einer der Sensor-Sender-Anordnung zugeordneten Energiequelle erlaubt den Einsatz von komplexen Sensor-Anordnungen sowie leistungsstarken Sendern, was sich wiederum positiv auf die Flexibilität und möglichen Einsatzbereiche des Systems auswirkt.
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Hierbei kann die Energiequelle vorzugsweise eine Energie-Gewinnungseinheit umfassen, insbesondere eine Induktionsantenne oder/und eine Piezogenerator oder/und eine Photovoltaikzelle. Ein Vorsehen einer Energie-Gewinnungseinheit in der Energiequelle erlaubt einen autarken Einsatz sowie eine theoretisch unendlich lange Lebensdauer des erfindungsgemäßen Systems.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Energiequelle eine Energiespeichereinheit umfassen, insbesondere einen Kondensator oder eine Batterie, vorzugsweise eine Dünnschichtbatterie. Der Einsatz einer Energiespeichereinheit, insbesondere in Kombination mit einer Energie-Gewinnungseinheit, kann die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Systems weiter erhöhen, insbesondere beispielsweise um von der Energie-Gewinnungseinheit gewonnene Energie zwischenzeitlich zu speichern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sendeeinheit dazu eingerichtet sein, zur Signalübertragung ein externes elektromagnetisches Wechselfeld zu modulieren oder ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Somit kann je nach vorgesehenem Einsatzbereich des Systems die Sendeeinheit das Signal selbst mittels Funktechnik aussenden oder ein bestehendes externes elektromagnetisches Feld beispielsweise mittels RFID-Technologie derart manipulieren, dass die Kopplung der Sendeeinheit mit der Empfängereinheit der Basiseinheit durch Detektion des modulierten elektromagnetischen Feldes stattfindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sendeeinheit eine digitale Sendeeinheit sein, welche weiter bevorzugt dazu eingerichtet sein kann, ein MDMA-Verfahren oder/und ein Verschlüsselungs-Verfahren anzuwenden. Hierbei bezeichnet der Begriff „MDMA-Verfahren” (Multi Dimensional Multiple Access) ein relativ neues Modulationsverfahren, das die Vorteile der klassischen Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation verbindet und sich durch hohe Übertragungsraten und eine ausgezeichnete Energieeffizienz auszeichnet. Eine Verschlüsselung des von der Sendeeinheit ausgesendeten Signals kann insbesondere in besonders sicherheitskritischen Bereichen vorteilhaft sein.
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Erfindungsgemäß kann die Sensoreinheit wenigstens einen aus der Gruppe von einem Drucksensor, einem Kontaktsensor, einem Positionssensor, einem Lagesensor, einem Kraftsensor, einem Magnetsensor, einem Wegsensor, einem optischen Sensor, einem Distanzsensor und einem Wärmesensor umfassen. Hierbei sind insbesondere die Begriffe „Drehsensor” und „Kontaktsensor” derart zu verstehen, dass sie auch bekannte Drehschalter bzw. Kontaktschalter umfassen. Aufgrund der zahlreichen denkbaren Sensortypen, die in einem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden können, ist die Erfindung äußerst flexibel und in vielerlei Bereichen und Konstellationen einsetzbar.
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In einer Ausführungsform kann die Basiseinheit dafür eingerichtet sein, auf eine fehlende Kopplung der Sensor-Anordnung mit der Signal-Verarbeitungseinheit anzusprechen. Eine solche Einrichtung der Basiseinheit erlaubt das frühzeitige und zuverlässige Erkennen von Störungen oder Fehlern, welche beispielsweise durch den Verlust oder einen Defekt der Sensor-Anordnung oder einer Störung der die Kopplung bildenden Signalübertragung hervorgerufen sein kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der momentane Parameter der mechanischen Verbindung, der von der Sensor-Anordnung detektiert wird, eine Relativposition der Verbindungsvorrichtung bezüglich wenigstens einem aus dem ersten und dem zweiten Bauteil sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Parameter auch eine Relativposition des ersten und des zweiten Bauteils bzw. einer ersten und einer zweiten Verbindungskomponente der Verbindungsanordnung zueinander sein.
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Ferner kann alternativ oder zusätzlich der Parameter eine Relativbewegung der Verbindungsvorrichtung bezüglich wenigstens einem aus dem ersten und dem zweiten Bauteil sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Parameter auch eine Relativbewegung des ersten und des zweiten Bauteils bzw. einer ersten und einer zweiten Verbindungskomponente der Verbindungsanordnung zueinander sein.
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Sämtliche soeben genannten Optionen erlauben den Einsatz von relativ einfach aufgebauten und somit raumsparenden und kostengünstigen bekannten Sensor-Anordnungen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Parameter auch ein Anpressdruck bzw. das Vorliegen eines Kontakts zwischen der Sensor-Anordnung und einem aus dem ersten und dem zweiten Bauteil sein, oder falls die Verbindungsanordnung mehr als eine Verbindungskomponente umfasst, ein Anpressdruck bzw. das Vorliegen eines Kontakts zwischen der Sensor-Anordnung und einer weiteren Verbindungskomponente.
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Da bei vielen mechanischen Verbindungen der Anpressdruck der verbundenen Bauteile eine wesentliche Kenngröße der Verbindung ist, lässt sich das erfindungsgemäße System zur Überwachung eben dieser Größe vorteilhaft einsetzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Signal-Verarbeitungseinheit eine Speichereinheit, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Soll-Wert für den von der Sensor-Anordnung detektierten und an die Basiseinheit übertragenen Parameter zu speichern, und eine Vergleichseinheit umfassen, welche dazu eingerichtet ist, den von der Sensor-Anordnung detektierten und an die Basiseinheit übertragenen Parameter mit dem in der Speichereinheit gespeicherten Soll-Wert zu vergleichen.
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Das Vorsehen von Speichereinheit und Vergleichseinheit erlaubt es, in einem erfindungsgemäßen System zu überwachen, ob eine mechanische Verbindung sich innerhalb oder außerhalb ihres vorgesehenen Arbeitsbereichs befindet. Dies erlaubt eine besonders einfache und zuverlässige Detektion von unerwünschten oder gefährlichen Zuständen der genannten Verbindung.
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Ferner ist auch denkbar, alternativ oder zusätzlich zu der eben genannten Konfiguration weitere Daten in der selben oder einer weiteren Speichereinheit zu speichern, auf welche Daten geeignet von der Signal-Verarbeitungseinheit zugegriffen werden kann. Denkbar sind hierbei unter anderem Daten, welche der Erkennung von verschiedenen Sensor-Anordnungen oder Komponenten der Verbindungsanordnung dienen.
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Ferner oder alternativ kann erfindungsgemäß eine der Basiseinheit zugeordnete oder zugehörige Eingabeeinheit vorgesehen sein, welche dazu eingerichtet ist, es einem Benutzer zu erlauben, Eingaben an die Signal-Verarbeitungseinheit vorzunehmen, beispielsweise zur Änderung wenigstens eines in der Speichereinheit gespeicherten Soll-Werts.
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Ein solches Vorsehen einer Eingabeeinheit erhöht die Flexibilität des erfindungsgemäßen Systems weiter und erlaubt eine stetige manuelle Anpassung des Systems an die vorliegenden Umstände der Verbindung. Es kann daran gedacht werden, den Zugriff auf die Eingabeeinheit mit geeigneten und bekannten Mitteln auf befugte Benutzer zu beschränken.
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Zusätzlich oder alternativ kann eine der Basiseinheit zugeordnete oder zugehörige optische oder akustische Aufgabeeinheit vorgesehen sein, welche betriebsmäßig mit der Signalverarbeitung gekoppelt und dazu eingerichtet ist, Informationen auszugeben, welche den detektierten Parameter wiedergeben und von diesem abgeleitet sind. Hierbei können die Informationen in bekannter Weise vorprozessiert oder/und aufbereitet worden sein. Ein besonders einfaches und dennoch wirkungsvolles Beispiel für eine solche Informationsausgabe kann die Ausgabe einer Warnung beim Verlassen eines Soll-Bereichs für einen der detektierten Parameter sein, woraufhin eine optische und akustische Warnung von der Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
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In einem denkbaren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems kann es als System zur Überwachung einer sicherheitsrelevanten mechanischen Verbindung in einer mobilen Vorrichtung, beispielsweise einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, oder einem Flugobjekt, ausgebildet und angeordnet sein.
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Gerade in mobilen Vorrichtungen besteht ein erhöhter Bedarf nach ein Überwachung von mechanischen Verbindungen, da in diesen Vorrichtungen zahlreiche sicherheitskritische Verbindungen vorliegen, deren Versagen katastrophale Folgen haben kann.
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In einem möglichen Beispiel kann die sicherheitsrelevante mechanische Verbindung eine Verbindung zwischen einem Rad und einer Radaufhängung der mobilen Vorrichtung sein.
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Hierbei kann es sich um Laufräder von Kraftfahrzeugen, Radreifen von Zügen oder Rädern am Fahrwerk von Flugzeugen handeln. Es ist ersichtlich, dass das Versagen einer entsprechenden Verbindung und somit ein möglicher Verlust des Rades katastrophale Folgen für die mobile Vorrichtung und ihre Insassen nach sich ziehen kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des eben genannten Systems kann einer Mehrzahl von Rädern der mobilen Vorrichtung jeweils eine Sensor-Anordnung zugeordnet sein, welche Sensor-Anordnungen gemeinsam einer einzelnen Basiseinheit der mobilen Vorrichtung zugeordnet sind.
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Ein solches System mit einer Mehrzahl von Sensor-Anordnungen und einer einzelnen Basiseinheit, welche die mechanische Anbringung mehrere Räder der mobilen Vorrichtung überwacht, ist hervorragend geeignet, um Unfällen der mobilen Vorrichtung durch Radverlust vorzubeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann in die Basiseinheit durch eine zentrale Steuerungseinheit das Fahrzeug gebildet oder mit einer solchen oder/und weiteren elektronischen Komponenten des Fahrzeugs betriebsmäßig gekoppelt sein.
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Dies bedeutet insbesondere, dass die Funktionalität der Signal-Verarbeitungseinheit der Basiseinheit von einer ohnehin in dem Fahrzeug vorgesehenen Steuerungseinheit übernommen werden kann oder/und dass die von der Sensor-Anordnung oder den mehreren Sensor-Anordnungen bestimmten momentanen Parameter gemeinsam mit weiteren in der mobilen Vorrichtung anfallenden Daten verarbeitet und in Bezug zu diesen gesetzt werden können. Ein denkbares Beispiel ist die Darstellung von aufbereiteten und vorverarbeiteten Sensordaten auf einer Anzeige eines fest in der mobilen Vorrichtung installierten Navigationsgeräts.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine mechanische Verbindungskomponente, in welcher eine Sensor-Sender-Anordnung integriert ist, welche dafür ausgeführt ist, wenigstens einen momentanen Parameter einer mechanischen Verbindung zu detektieren und welche drahtlos mit einer Signal-Verarbeitungseinheit einer zugeordneten Basiseinheit koppelbar ist, um ein System gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zu bilden.
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Hierbei kann die mechanische Verbindungskomponente beliebige der oben genannten, sich auf die Sensor-Sender-Anordnung beziehende Merkmale aufweisen, wobei die Merkmale einzeln oder in Kombination vorgesehen sein können.
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Prinzipiell kann es sich bei der erfindungsgemäßen Verbindungskomponente um eine beliebige bekannte Verbindungskomponente handeln, beispielsweise um eine Schraube, eine Schraubenmutter, einen Verbindungsstift, eine Niete oder eine Klemme.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, bei welcher mittels einer Basiseinheit, welche wenigstens eine Signal-Verarbeitungseinheit umfasst, und einer Sensor-Anordnung, welche wenigstens einen momentanen Parameter der mechanischen Verbindung detektiert, wenigstens ein momentaner Zustand der mechanischen Verbindung auf Basis des detektierten momentanen Parameters überwacht wird. Hierbei erfolgt die Überwachung vermittels einer drahtlosen Kopplung zwischen der Basiseinheit und einer wenigstens einen Sensor der Sensor-Anordnung aufweisenden Sensoreinheit.
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Erfindungsgemäß kann in dem genannten Verfahren ein System mit den oben genannten Merkmalen oder/und eine Verbindungskomponente mit den oben genannten entsprechenden Merkmalen verwendet werden, wodurch die dort jeweils diskutierten Probleme gelöst und Vorteile erreicht werden können.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Abbildungen zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung verschiedener erfindungsgemäßer mechanischer Verbindungskomponenten;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensor-Sender-Anordnung;
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3a und 3b ein Ausführungsbeispiel, in welchem eine erfindungsgemäße mechanische Verbindungskomponente zur Verbindung eines Rads eines Fahrzeugs mit einem Fahrwerk verwendet wird;
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4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, welches zur Überwachung der jeweiligen Verbindung der vier Räder eines Fahrzeugs mit dem Fahrwerk eingesetzt wird;
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5a und 5b zwei Ausführungsbeispiele einer Ausgabeeinheit eines erfindungsgemäßen Systems, welches dem Beispiel aus 4 entspricht.
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1 zeigt mehrere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen mechanischen Verbindungskomponenten 14, 16, 18, 20 und 22, die ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 12 mechanisch miteinander verbinden. Die Verbindungskomponenten 14, 16, 18, 20 und 22 weisen jeweils einen Sensor-Sender-Anordnung 100 auf, die später im Einzelnen anhand von 2 detaillierter erläutert werden wird. Allen vier Ausführungsformen der Verbindungskomponente 14, 16, 18, 20 und 22 ist gemein, dass ihre jeweilige Sensor-Sender-Anordnung 100 derart angeordnet ist, dass die Sensor-Anordnung 102 mit einem der beiden Bauteile 10, 12 im verbundenen Zustand in Kontakt steht.
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Bei der ersten Ausführungsform der mechanischen Verbindungskomponente handelt es sich um eine Schraube 14 mit Sechskant- oder Zylinderkopf, wobei die Sensor-Sender-Anordnung 100 im Kopf 14a der Schraube 14 angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen II ist im ersten Ausführungsbeispiel der Bereich bezeichnet, der in 2 erneut und in Vergrößerung dargestellt ist, und anhand dessen weiter unten die Sensor-Sender-Einheit 100 näher erläutert werden wird.
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Die Schraube 14 weist ferner ein nur schematisch dargestelltes Außengewinde 14b auf, welches mit einem Innengewinde 12b des zweiten Bauteils 12 eingreift. Die Schraube 14 stellt die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 12 her, indem das erste Bauteil 10 zwischen dem Schraubenkopf 14a und dem zweiten Bauteil 12 eingeklemmt wird. Hierbei kann die Sensor-Sender-Anordnung 100 beispielsweise überwachen, ob ein Kontakt zwischen dem Schraubenkopf 14a und dem ersten Bauteil 10 vorliegt, oder wie groß der momentane Anpressdruck zwischen dem Schraubenkopf 14a und dem ersten Bauteil 10 ist. Weiterhin kann die Sensor-Anordnung 102 in der Schraube 14 auch eine Bewegung oder eine räumliche Position oder Winkelposition der Sensor-Sender-Einheit 100 detektieren.
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Die zweite gezeigte Ausführungsform ist eine Schraube 16 mit einem Senkkopf 16a, der sich von der ersten Schraube 14 lediglich darin unterscheidet, dass ihre Sensor-Sender-Einheit 100 in der schrägen Schulter des Senkkopfs 16a der Schraube 16 aufgenommen ist. Erneut steht der Senkkopf 16a der Schraube 16 mit dem ersten Bauteil 10 in Kontakt und sorgt durch sein Zusammenwirken mit dem Schraubengewinde 16b sicher, das in ein Innengewinde des zweiten Bauteils 12 eingreift, für die mechanische Verbindung der Bauteile 10 und 12.
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Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verbindungsanordnung, die aus einer Hohlschraube 18 mit einem Schraubenkopf 18a, einem Außengewinde 18b sowie einem Innengewinde 18c ausgerüstet ist. Hierbei greift das Außengewinde 18b sowohl mit dem ersten Bauteil 10 als auch mit dem zweiten Bauteil 12 ein. Zur Sicherung der Verbindung ist eine zweite Schraube (Konterschraube) 20 in das Innengewinde 18c der ersten Schraube 18 eingeschraubt. Auch die zweite Schraube 20 weist einen mit 20a bezeichneten Schraubenkopf auf. In den Schraubenköpfen 18a und 20a sind jeweils Sensor-Sender-Anordnungen 100 integriert, welche entweder analog zu den Schrauben 14 und 16 der ersten beiden Ausführungsformen beispielsweise Kontakt- oder Drucksensoren sein können, andererseits aber beispielsweise auch ihre Relativposition oder eine etwaige Relativbewegung zueinander detektieren könnten.
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Das vierte Ausführungsbeispiel in 1 zeigt einen Verbindungsstift 22, welcher mit dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 12 jeweils in Reibungseingriff steht und hierdurch die mechanische Verbindung des ersten Bauteils 10 mit dem zweiten Bauteil 12 herbeiführt. Der gezeigte Stift 22 ist mit zwei Sensor-Sender-Anordnungen 100' ausgestattet, welche jeweils beispielsweise einen Kontakt mit einem der Bauteile 10, 12, eine Bewegung des Stifts 22 oder auch ihre Relativposition zueinander bestimmen können, wobei eine Änderung der Relativposition auf einem Bruch des Verbindungsstifts 22 hindeuten würde. Die Sensor-Sender-Anordnungen 100' unterscheiden sich von den Sensor-Sender-Anordnungen 100 der ersten drei Ausführungsbeispiele dahingehend, dass sie nicht integral gebildet sind, sondern dass die Sendeeinheiten 104' an einer Oberfläche des Verbindungsstifts 22 angeordnet sind, die in verbundenem Zustand nicht mit den Bauteilen 10, 12 in Kontakt ist, sondern freiliegt. Hierbei sind ferner geeignete Datenleitungen 105 vorgesehen, welche die Sendeeinheiten 104' mit den sonstigen Komponenten der Sensor-Sender-Anordnung 100' verbinden. Eine solche Anordnung der Sendeeinheiten 104' an einer freiliegenden Oberfläche kann insbesondere dort vorteilhaft sein, wo, wie in dem fraglichen Verbindungsstift, die Sensor-Anordnungen relativ weit von einer freiligenden Oberfläche entfernt sind und daher das Senden von Daten durch das umgebende Material erschwert würde. Gerade bei Verbindungskomponenten aus Metall kann so der Abschirmungs-Effekt des Metalls mit nur geringem Aufwand umgangen werden.
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Wenngleich sämtliche weiteren Ausführungsformen der Erfindung mit einer integral gebildeten Sensor-Sender-Anordnung gezeigt sind, so ist es dennoch in allen Ausführungsformen und insbesondere in dem in 3a und 3b gezeigten Beispiel möglich, auch dort nicht-integrale Sensor-Sender-Anordnungen vorzusehen, um einer eventuellen Abschirmung der von der Sendeeinheit gesendeten Signale vorzubeugen.
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In 2 ist nun wie angesprochen die Sensor-Sender-Anordnung 100 aus der Schraube 14 vergrößert dargestellt. Die Sensor-Sender-Anordnung umfasst eine Sensor-Anordnung 102, eine Sendeeinheit 104 und eine Energiequelle 106. Die Sensor-Sender-Anordnung 100 ist derart in den Schraubenkopf 14a integriert, dass die dem Bauteil 10 in montiertem Zustand zuweisende Oberfläche der Sensor-Anordnung 102 mit der Schulterfläche 14d des Schraubenkopfs 14a fluchtet oder leicht übersteht und somit mit der Oberfläche des ersten Bauteils 10 in Kontakt steht. Wie bereits angesprochen, kann es sich bei der Sensor-Anordnung 102 unter anderem um einen Drucksensor handeln, der den Anpressdruck zwischen dem Schraubenkopf 14a und dem ersten Bauteil 10 detektiert. Die Sendeeinheit 104 kann in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise eine Funkeinheit sein, die auf Basis der von der Sensor-Anordnung bereitgestellten Daten ein Signal erzeugt und dieses aussendet. Die gezeigte Energiequelle 106 kann beispielsweise eine Dünnschichtbatterie oder ein Piezogenerator sein, der lediglich dann Energie liefert, wenn sich die Schraube 14 in Bewegung setzt.
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In den 3a und 3b ist ein mögliches Beispiel aus der Praxis gezeigt, in dem eine erfindungsgemäße mechanische Verbindungskomponente zum Einsatz kommt. Hierbei stellt ein Rad 24 eines nicht gezeigten Fahrzeugs das erste zu verbindende Bauteil dar, während eine Radaufhängung 26 das zweite zu verbindende Bauteil darstellt. Die beiden Bauteile sind mittels einer Radschraube 28 verbunden, die einen Senkkopf 28a und ein Außengewinde 28b aufweist, das sowohl mit dem Rad 24 als auch der Radaufhängung 26 eingreift und somit das Rad 24 fest mit der Radaufhängung 26 verbindet. In 3a und insbesondere 3b, die dem in 3a mit IIIb bezeichneten Bereich entspricht und diesen vergrößert darstellt, ist ferner zu erkennen, dass die Radschraube 28 in der Schulter ihres Senkkopfs 28a mit einer Sensor-Sender-Anordnung 100 ausgestattet ist. Analog zur Schraube 16 aus 1 ist die Sensor-Sender-Anordnung in der Schulter der Schraube positioniert und steht mit einer Gegenfläche 24a des Rads 24 in Kontakt. Auch die hier verwendete Sensor-Sender-Anordnung kann beispielsweise einen Druck-, Lager-, Bewegungs- oder ähnlichen Sensor umfassen.
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In 4 ist ein System zum Überwachen einer Mehrzahl von mechanischen Verbindungen gezeigt, welches insgesamt vier einzelne mechanische Verbindungen überwacht, die beispielsweise den in 3a entsprechen können, sowie eine Basiseinheit 30. Hierbei entsprechen die vier mechanischen Verbindungen A, B, C, D jeweils einer Verbindung eines Rads eines Kraftfahrzeugs, das nach Art der 3a an einer Radaufhängung befestigt ist, und mittels jeweiliger Sensor-Sender-Anordnungen 100a bis 100d überwacht wird. Analog zu der in 2 gezeigten Sensor-Sender-Anordnung umfasst beispielsweise die Sensor-Sender-Anordnung 100a eine Sensor-Anordnung 102a, eine Sendeeinheit 104a, eine Energiequelle 106a und zusätzlich eine der Sendeeinheit 104a zugeordnete Steuereinheit 108a, welche das von der Sendeeinheit 104a auszusendende Signal vor dem Senden derart codiert, dass die Basiseinheit 30 es eindeutig der Sensor-Sender-Einheit 100a zuordnen kann und es nicht zu unerwünschten Wechselwirkungen oder Verwechslungen zwischen den Signalen der einzelnen Sensor-Sender-Anordnungen 100a bis 100d kommt. Die weiteren Sensor-Sender-Anordnungen 100b bis 100d entsprechen der ersten Sensor-Sender-Anordnung 100a und umfassen jeweils eine Sensor-Anordnung 102b bis 102d, eine Sendeeinheit 104b bis 104d, eine Energiequelle 106b bis 106d und eine Steuereinheit 108b bis 108d.
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Die Basiseinheit 30 ist fest in dem Fahrzeug installiert und kann beispielsweise betriebsmäßig mit der zentralen Steuerungseinheit des Fahrzeugs verbunden oder zumindest teilweise durch sie gebildet sein. Die Basiseinheit 30 umfasst eine Empfangsantenne 32, welche dazu eingerichtet ist, die Signale der jeweiligen Sendeeinheiten 104a bis 104d zu empfangen, eine Signal-Verarbeitungseinheit 34, welche wenigstens einen Speicher und einen Prozessor umfasst, eine Eingabeeinheit 36 und eine Anzeige 38.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Überwachungssystems aus 4 wird beispielhaft anhand von 5a erläutert, in der die Anzeige 38 im laufenden Betrieb des Systems gezeigt ist. Hierbei kann es sich bei der Anzeige 38 beispielsweise um die Anzeigeeinheit des in vielen modernen Fahrzeugen ohnehin vorgesehenen Bordcomputers handeln. Wie in 5a gezeigt ist, ist das Fahrzeug schematisch dargestellt und hier mit 40 bezeichnet. Die jeweiligen Räder A bis D aus 4 sind ebenfalls als Teile des schematisch dargestellten Fahrzeugs 40 zu erkennen. Anhand der von den Sensor-Anordnungen 102a bis 102d bestimmten und mittels der Sendeeinheiten 104a bis 104d an die Basiseinheit 30 übertragenen Daten berechnet die Signal-Verarbeitungseinheit 34 unter Bezugnahme auf in ihrem Speicher gespeicherte Soll-Werte eines Anpressdrucks der einzelnen Räder an die Radaufhängungen die in 5a neben den Rädern dargestellten Prozentwerte. Diese Werte sind derart zu verstehen, dass beispielsweise die Verbindung des rechten Hinterrads des Fahrzeugs mit der Radaufhängung noch genau den Soll-Wert des Anpressdrucks aufweist, woraufhin ein Wert von „100%” angezeigt wird. Dieser angezeigte Wert ist beispielhaft in 5a mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet. Im Gegensatz hierzu beträgt der Anpressdruck-Wert des rechten Vorderrads nur noch 75% des entsprechenden Soll-Werts, was ebenfalls auf der Anzeige 38 neben dem entsprechenden Rad des schematisch dargestellten Fahrzeugs 40 angezeigt wird. Ferner ist auf der Anzeigeeinheit 38 ein Warnsignal 44 dargestellt, welches den Fahrer des Fahrzeugs darauf hinweisen soll, dass eine der überwachten mechanischen Verbindungen sich in einem kritischen Bereich befindet und überprüft werden muss.
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In der 5b ist schließlich eine Alternative zu der Anzeigeeinheit 38 dargestellt, nämlich in Form eines mobilen Endgeräts 46, das hier in Form eines Mobiltelefons gezeigt ist. Das Mobiltelefon 46 empfängt Daten von der Basiseinheit 30 des Überwachungssystems des Fahrzeugs und stellt diese in Form einer mobilen Applikation dem Benutzer des Systems bereit. Die Datenübertragung zwischen der Basiseinheit 30 und dem Mobiltelefon 46 kann direkt mittels bekannter Verfahren wie Bluetooth oder indirekt, d. h. über eine herkömmliche Mobilfunk-Datenverbindung erfolgen.
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In 5b entspricht die Datenverarbeitungs-Schematik derjenigen, die im Zusammenhang mit 5a erklärt worden, wobei die Darstellung der aufbereiteten Sensordaten auf dem mobilen Endgerät 46 die Flexibilität des Überwachungssystems weiter erhöht. Rein beispielhaft sind auf der Anzeige 48 des mobilen Endgeräts 46 weitere Ausgabe- und Steuerelemente dargestellt, die dem Benutzer des Systems weitere Funktionalitäten bereitstellen. Beispielsweise können durch eine Auswahl des Briefsymbols 50 die momentanen Sensordaten beispielsweise per E-Mail weitergeleitet werden, das Symbol 52 zeigt an, dass das mobile Gerät 46 momentan Daten von dem Überwachungssystem empfängt, das Symbol 54 kann angewählt werden, um Einstellungen der Applikation vorzunehmen, durch Auswahl des Symbols 56 kann die Applikation beendet werden, und das Symbol 58 zeigt an, dass wenn das Überwachungssystem einen kritischen Wert für eine der Verbindungen detektiert, der Benutzer auch durch ein akustisches Signal benachrichtigt wird.
