DE102017102360A1

DE102017102360A1 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Vorspannkraft

Info

Publication number: DE102017102360A1
Application number: DE102017102360.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Junkers
Original assignee: JUKO TECHNIK GmbH
Current assignee: Juko Technik De GmbH
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Vorspannkraft von einer Schraube, mit einer Messschraube (13, 14) mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich (8) und einem zweiten Bereich (4), welche über die Länge der Messschraube (13, 14) getrennt voneinander angeordnet sind, einem ersten Dehnungsmessstreifen (7), einem zweiten Dehnungsmessstreifen (3), wobei der zweite Bereich (4) der Messschraube (13, 14) aufgrund seiner Struktur, wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials, geeignet ist, bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich der Messschraube (13, 14) gedehnt zu werden. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dehnungsmessstreifen (7) in dem ersten Bereich (8) angeordnet ist, der zweite Dehnungsmessstreifen (3) in dem zweiten Bereich (4) angeordnet ist, und der erste (7) und der zweite (3) Dehnungsmessstreifen sich in axialer Ausrichtung innerhalb der neutralen Phase der Messschraube (13, 14) befinden. Ein erfindungsgemäßes Messmittel kann auch als Messmodul (15), als ein lösbares Verbindungsmesselement (17) und als eine kraftschlüssig verbundene Kombination des Messmoduls (15) mit dem lösbaren Verbindungsmesselement (17) realisiert sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Messmittel, zur Bestimmung der Vorspannkraft von Schrauben, welche auch zur Bestimmung einer überelastischen Betriebsbeanspruchung, insbesondere von Schrauben, geeignet ist.
Messmittel zur Messung der Vorspannkraft sind im Stand der Technik bekannt. Die Vorspannkraft wird bei diesen Messmitteln direkt über deren Längung berechnet und ermittelt, wobei das Messmittel bei einer vollständigen Entlastung innerhalb des spezifizierten Arbeitsbereiches - d.h. bei Verwendung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich - immer wieder auf die Ursprungslänge zurückkehrt. Zur Messung der Längung werden Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet. Im Stand der Technik sind Messmittel mit einem und mehreren DMS auf dem Markt verfügbar.
Der Arbeitsbereich dieser Messmittel im Stand der Technik reicht von 0 % bis ca. 80 % Vorspannkraft; das bedeutet, dass der Arbeitsbereich dieser Schrauben ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich (Proportionalbereich oder „Hookescher Bereich“) des Messmittels liegt. Unter überelastischer Betriebsbeanspruchung wird verstanden, dass das Messmittel mindestens einmal mit einem so großen Drehmoment belastet wurde, dass damit der elastische Arbeitsbereich des Messmittels verlassen, d.h. überschritten, wurde. Dabei tritt eine plastische Verformung des Messmittels ein.
Diese Vorrichtung weist unter anderem folgende Nachteile auf: Wenn Messmittel im Stand der Technik auch nur einmalig im überelastischen Bereich belastet werden, resultieren daraus erhebliche Fehlmessungen. Dabei kann auch der DMS zerstört werden, da er außerhalb des spezifizierten Bereiches betrieben wurde. Die Folge sind in der Regel falsch gemessene, d.h. zu hohe, Vorspannkraftwerte. Im schlechtesten Fall weist die Verbindung keine Vorspannkraft auf und der DMS misst - wegen der bleibenden Längung des Messelementes, die durch die plastische Verformung verursacht wurde - dennoch eine Vorspannkraft. Dies sollte verhindert werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden bzw. zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 11, 13 oder 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Messmittel weist dabei eine Messschraube mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich auf; der erste Bereich und der zweite Bereich sind über die Länge der Messschraube getrennt voneinander angeordnet. Dabei ist der zweite Bereich der Messschraube dafür vorgesehen, bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehntzu werden. Dies kann erfindungsgemäß aufgrund seiner Struktur, wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials, erreicht werden. Ferner weist das Messmittel einen ersten Dehnungsmessstreifen und einen zweiten Dehnungsmessstreifen auf.
Der erste Dehnungsmessstreifen ist in dem ersten Bereich angeordnet, und derzweite Dehnungsmessstreifen ist in dem zweiten Bereich angeordnet. Weiterhin befinden sich der erste und der zweite Dehnungsmessstreifen in axialer Ausrichtung innerhalb der neutralen Phase der Messschraube.
Unter einer Messschraube wird dabei ein lösbares Verbindungsmesselement verstanden. Dabei kann es sich aber auch um ein Verbindungselement mit einem durchgängigen Gewinde mit unterschiedlichen Belastungsquerschnitten handeln. Eine erfindungsgemäße Messschraube weist dabei in einem mittleren Bereich einen geringeren Durchmesser auf als in den daran angrenzenden Bereichen. Mindestens ein Ende der Messschraube kann abgeschrägt sein.
Unter einer neutralen Phase wird diejenige mittlere Schicht einer Messschraube unter Belastung verstanden, die axial mittig im Schaftdurchmesser liegt und deshalb als einzige Schicht weder eine große Torsions- noch Biegebeanspruchung erfährt. Bei einigen Ausführungsformen sind die DMS stoffschlüssig fixiert, insbesondere eingeklebt. Bei einigen Ausführungsformen sind die DMS über zwei unabhängige Vollbrücken mit unabhängiger Speisespannungsmessung zur Referenzermittlung elektrisch an ein Auswertesystem, insbesondere ein externes Auswertesystem, angeschlossen.
Ein erfindungsgemäßes Messmittel weist also zwei Schaftzonenbereiche auf: einen ersten Bereich, der auch in den überelastischen (plastifizierenden) Arbeitsbereich geraten kann, und einen zweiten Bereich, der stets im elastischen Arbeitsbereich betrieben wird, da er durch den schwächeren, plastifizierenden Teil geschützt wird. Dabei ist der zweite, elastische Bereich so ausgestaltet, dass er auch bei überelastischer Auslastung der ersten, potentiell plastifizierenden Schaftzone stets in der elastischen Belastung bleibt und somit unabhängig von der überelastischen Beanspruchung des plastifizierenden Arbeitsbereiches immer wieder zur Ursprungslänge des entsprechenden Schaftbereiches zurückkehrt. Dies kann geschehen durch die Struktur der Messschraube. So kann der zweite Bereich beispielsweise einen größeren Durchmesser aufweisen als der erste Bereich. Zusätzlich oder alternativ können die Materialien für den ersten und den zweiten Bereich unterschiedlich sein, z.B. durch Wahl eines Materials mit unterschiedlichem E-Modul (Elastizitätsmodul, Elastizitätskoeffizient).
Der DMS, der stets im elastischen Arbeitsbereich betrieben wird, ist also in einem Bereich der Zugbeanspruchung, vorzugsweise im größten Schaftquerschnitt des lösbaren Verbindungselementes, platziert. Dieser DMS ist auch in einem Bereich der Zug-Druck-Beanspruchung des Verbindungselementes, bei einigen Ausführungsformen im Bereich des Schraubenkopfs, platziert.
Durch die genannte Anordnung wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein erfindungsgemäßes Messmittel auch dann benutzbar bleibt und korrekte Vorspannkraftwerte anzeigt, wenn das Messmittel mit einem derart großen Drehmoment belastet wurde, dass damit der elastische Arbeitsbereich des Messmittels zumindest an einigen Stellen des Schafts verlassen, d.h. überschritten, wurde.
Solange sich beide DMS-Sensoren im elastischen Arbeitsbereich des lösbaren Verbindungsmesselementes befinden, zeigen die Messdaten beider DMS-Sensoren, mittels Ihrer Vorspannkraftfunktion, äquivalente Vorspannkraftwerte. Mit einer Überschreitung des maximalen elastischen Drehmoments, d.h. wenn der Dehnschaft zumindest an einigen Stellen in den überelastischen Bereich gerät, ist ein bleibender Offset und eine abweichende, insbesondere stark abweichende, Längenänderung des ersten von dem zweiten DMS messbar. Über diese unterschiedliche Längenänderung kann auch die plastische Längung des lösbaren Verbindungsmesselementes ermittelt werden. Somit ist es auch möglich, zu einem späteren Zeitpunkt zu erkennen, ob der gemessene Vorspannkraftverlust im Verbindungselement die Folge einer unzulässig hohen Betriebslast oder ein reiner Relaxationsverlust ist.
Daraus ergibt sich für ein erfindungsgemäßes Messmittel der Vorteil, dass mit dieser Vorrichtungauch nichtkontinuierlich messend - ein- oder mehrfach überelastisch die Montagevorspannkraft korrekt gemessen werden kann. Dadurch können kritische auftretende Betriebskräfte, insbesondere nichtkontinuierlich messend, erkannt werden. Unstimmigkeiten zwischen Schraubmontagesystem und Messschraube können erkannt und gespeichert werden. Das Messmittel ist in der Lage, eine Steuergröße zu liefern, die bis in den überelastischen Bereich hinein ein Schraubmontagesystem präzise steuern kann, insbesondere auch bei nichtkontinuierlicher Messung. Damit können Messprozesse entsprechend der Betriebsart - z.B. „Messmittel aktiv“, „Messmittel inaktiv“ - angepasst und nachgeregelt werden.
Weiterhin kann damit die Verschleißgrenze des gemessenen Systems auch bei Mehrfachgebrauch und bei mehrfacher Überschreitung des elastischen Messbereichs erfasst werden. Insbesondere kann ohne weitere Maßnahmen, wie kontinuierliche Messung oder Aufzeichnung der Historie, die Häufigkeit der Verwendung der Montage erfasst werden.
Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßes Messmittel verwendet werden, um ein redundantes Messsystem zu bilden, das Messungen in der gleichen Messachse vornimmt und Abweichungen in Echtzeit erfassen kann. Mittels dieses Messmittels können auch Messabweichungen der DMS selbst erkannt werden.
In einigen Ausführungsformen ist der erste Bereich der Messschraube dadurch bestimmt, dass er im Bereich zwischen 10 % und 90 %, bevorzugt im mittleren Drittel, der Länge der Messschraube angeordnet ist und die Messschraube in diesem ersten Bereich einen minimalen Durchmesser aufweist. Weiterhin ist der zweite Bereich zwischen dem ersten Bereich und einem ersten Ende der Messschraube angeordnet, wobei das erste Ende der Messschraube verdickt, insbesondere in der Form eines Schraubenkopfes verdickt, ist, und die Messschraube in dem zweiten Bereich einen zwischen 1 % und 20 % größeren, vorzugsweise zwischen 5 % und 10 % größeren, Durchmesser als in dem ersten Bereich aufweist.
In einigen Ausführungsformen ist ein erstes Ende der Messschraube in der Form eines Schraubenkopfes ausgebildet. In einigen Ausführungsformen weisen mindestens ein angrenzender Bereich mit größerem Durchmesser ein Gewinde auf, das zur Befestigung einer Schraubenmutter geeignet ist.
In einigen Ausführungsformen weist die Messschraube weiterhin eine Signalerfassungseinheit und ferner eine Schnittstelle zwischen den Dehnungsmessstreifen und der Signalerfassungseinheit auf.
Dabei dient die Signalerfassungseinheit zur Erfassung, insbesondere zur zeitsynchronen Erfassung, beider DMS-Messsignale. Die Schnittstelle zwischen den Dehnungsmessstreifen und der Signalerfassungseinheit kann im einfachsten Fall aus elektrischen Leitungen oder Leiterbahnen bestehen. Es ist jedoch auch möglich, dass die DMS mit einer Einheit innerhalb der Messschraube verbunden sind, welche die Messsignale drahtlos übermittelt.
Die Signalerfassungseinheit kann die erfassten DMS-Messsignale an einen Mikrocontroller weiterleiten. Der Mikrocontroller kann vorzugsweise innerhalb der Kontur der Messschraube integriert sein, er kann aber auch außerhalb der Messschraube angeordnet sein. Dieser Mikrocontroller kann aus den Messsignalen die Lastprofilbeanspruchung und die Lastzustände bestimmen, welche durch die Schraubmontage oder die Betriebslast entstehen.
Die Signalerfassungseinheit kann auch Einheiten, die zur Signalverarbeitung geeignet sind, enthalten. In diesem Fall werden beide DMS über eine interne Signalverarbeitung ausgewertet.
In einigen Ausführungsformen weisen die beiden DMS, d.h. sowohl der erste als auch der zweite DMS, zwei unabhängige Vollbrücken mit unabhängiger Speisespannungsmessung zur Referenzermittlung auf. Damit wird vorteilhafterweise die Kalibrierung vereinfacht, da beide DMS zeitsynchron an einem Zugprüfstand kalibriert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform Vorrichtung wird die Vorrichtung zur Bestimmung einer Vorspannkraft von einer Schraube in einem Bereich der Vorspannkraft eingesetzt, der insbesondere zwischen 0 % (bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze) und der maximalen Bruchspannung, bevorzugt zwischen 50 % (bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze) und 102 % (bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze), liegt. Dabei liegt die unterste Festigkeitsgrenze einer solchen Schraubverbindung vorzugsweise bei 100 kN (0,2 %-Dehngrenze).
In einigen Ausführungsformen sind die Signalerfassungseinheit und die Schnittstelle innerhalb der Außenkontur der Messschraube, vorzugsweise im Bereich des ersten Endes der Messschraube, angeordnet.
Dadurch ist es möglich, ein sehr kompaktes Messsystem zu bilden, das sämtliche Messelemente enthält.
Einige Ausführungsformen weisen eine Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit und zu weiteren Vorrichtungen auf. Diese weiteren Vorrichtungen sind insbesondere eine Stromversorgung, ein externer Datenspeicher, eine Schraubprozesssteuerung und/oder ein Monitoring-System.
Die Stromversorgung kann auch mit einem Puffer-Akku auf oder in der Schraube kombiniert werden.
Die genannten weiteren Vorrichtungen können darüber hinaus auf unterschiedliche Weise gruppiert sein. Beispielsweise kann sich der externe Datenspeicher - oder Teile dieses Datenspeichers - auch innerhalb der Außenkontur der Messschraube befinden. Der externe Datenspeicher kann auch verwendet werden, um eine Historie der Montagen aufzuzeichnen.
Es sind auch verschiedene Schnittstellen zwischen diesen weiteren Vorrichtungen möglich. Außerdem können diese an Systeme angeschlossen werden, die eine weitere Verarbeitung und/oder Speicherung, z.B. in einer Cloud, ermöglichen. Die interne Signalverarbeitung kann auch über die Datenschnittstelle an eine externe Schraubwerkzeugsteuerung zur Schraubprozesssteuerung und/oder an ein Monitoring-System übermittelt werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit und zu weiteren Vorrichtungen als drahtlose Schnittstelle ausgebildet.
In einigen Ausführungsformen ist die Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit und zu weiteren Vorrichtungen als Schleifring (Schleifringbahnen) ausgebildet.
Das lösbare Verbindungsmesselement ist auch für den Passivbetrieb geeignet. In diesem Fall kann es über oberflächenkontaktierbare Schleifringbahnen, insbesondere über kreisförmige Kontaktbahnen, kontaktiert werden. Diese Schleifringbahnen sind vorzugsweise in Gold ausgeführt. Über die Schleifringbahnen kann beispielsweise die Spannungsversorgung und die Datenübertragung von und zum lösbaren Verbindungsmesselement erfolgen. In einer Ausführungsform kann durch ein entsprechendes Protokoll die Messschraube den Messprozess starten und die Daten digital über die Schleifringe übertragen. Die interne Signalverarbeitung kann, vorzugsweise auf Anforderung, entsprechende Betriebszustände mit Zeitstempel speichern. Die Signalverarbeitung kann insbesondere einen internen Speicher für Seriennummer, Kalibriertabellen und weitere Betriebsdaten beinhalten.
In einer Ausführungsform enthält der externe Datenspeicher eine Kalibrierfunktion für den ersten und den zweiten Dehnungsmessstreifen.
Die Kalibrierfunktion kann beispielsweise mittels automatisierten Vergleichs der letzten Messdaten realisiert sein. Die Kalibrierfunktion kann alternativ oder zusätzlich bestimmt werden durch Nachmessung der Montagevorspannkraft im Wartungsintervall und anschließenden Vergleich mit den über die DMS erfassten Messdaten. Damit ist es auch möglich, die Verluste der Montagevorspannkraft während eines Schraubprozesses direkt und/oder stochastisch zu analysieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein erfindungsgemäßes lösbares Verbindungsmesselement einen kritischen Level der auftretenden Betriebskräfte, insbesondere bei einer nichtkontinuierlichen Messung, korrekt erfassen kann. Darüber hinaus ist damit eine automatisierte statistische Auswertung des gesamten Lastkollektivs, das bei einer Montage oder einer Montagereihe erfasst wird, möglich. Auch ist es möglich, die gesamte Kalibrierdokumentation innerhalb der Messschraube einschließlich digitaler Signatur abzulegen und zu speichern. Dies kann mittels pdf-, xls-, doc-, txt- oder anderer gängiger Datenformate erfolgen.
Mit einem erfindungsgemäßen Messmittel steht also eine Vorrichtung zur Verfügung, welche die Nachmessung der Montagevorspannkraft im Wartungsintervall mittels automatisierten Vergleichs der letzten Messdaten gestattet. Es ist möglich, die Verluste der Montagevorspannkraft direkt und stochastisch beurteilt zu analysieren. Diese können, gekoppelt zu einem Schraubprozess, als kalibrierbares Messmittel und/oder als redundante Steuergröße wirken und dienen.
In einer Ausführungsform erfolgt die Übermittlung der Messwerte der Dehnungsmessstreifen an die Signalerfassungseinheit und die weiteren Vorrichtungen mit einer Abtastrate zwischen 100 und 50.000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 10.000 Hz, besonders bevorzugt zwischen 500 und 5.000 Hz.
Damit ist vorteilhafterweise ein genaues Verfolgen der beim Schraubprozess auftretenden Kräfte möglich. Auch können Abweichungen der Längungsunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten DMS während eines Schraubprozesses verfolgt und analysiert werden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit.
Die Messdatenerfassung beider DMS kann zeitsynchron mit der genannten Abtastrate erfolgen. Sie kann aber auch mittels eines beliebigen Bus-Protokolls, das die zeitlichen Zusammenhänge der Messung bewahrt, erfolgen.
Ein erfindungsgemäßes Messmittel kann auch als Messmodul realisiert sein, beispielsweise in der Form eines Patroneneinsatzes, für ein lösbares Verbindungsmesselement, insbesondere für eine Messschraube. Dabei weist das Messmodul einen Korpus mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich auf, wobei der erste und der zweite Bereich über die Länge des Korpus getrennt voneinander angeordnet sind. Das Messmodul weist weiterhin einen ersten Dehnungsmessstreifen, einen zweiten Dehnungsmessstreifen und mindestens drei Verbindungselemente auf. Die mindestens drei Verbindungselemente weisen einen größeren Durchmesser als der Korpus auf, so dass das Verbindungsmesselement mit dem Messmodul an den Verbindungselementen kraftschlüssig verbindbar ist.
Dabei befinden sich der erste und der zweite Dehnungsmessstreifen in axialer Ausrichtung innerhalb der neutralen Phase des Messmoduls. Der erste Dehnungsmessstreifen ist in dem ersten Bereich, zwischen einem ersten Paar von Verbindungselementen, angeordnet. Der zweite Dehnungsmessstreifen ist in dem zweiten Bereich zwischen einem zweiten Paar von Verbindungselementen angeordnet; dabei ist der zweite Bereich dafür vorgesehen, bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehnt zu werden.
In einigen Ausführungsformen weist der Einsatz weiterhin eine Signalerfassungseinheit auf und ferner eine Schnittstelle zwischen den Dehnungsmessstreifen und der Signalerfassungseinheit.
Dabei dient die Signalerfassungseinheit zur Erfassung, insbesondere zur zeitsynchronen Erfassung, beider DMS-Messsignale. Die Schnittstelle zwischen den Dehnungsmessstreifen und der Signalerfassungseinheit kann im einfachsten Fall aus elektrischen Leitungen oder Leiterbahnen bestehen. Es ist jedoch auch möglich, dass die DMS mit einer Einheit innerhalb der Messschraube verbunden sind, welche die Messsignale drahtlos übermittelt.
Die Signalerfassungseinheit kann die erfassten DMS-Messsignale an einem Mikrocontroller weiterleiten. Dieser Mikrocontroller kann aus den Messsignalen die Lastprofilbeanspruchung und die Lastzustände bestimmen, welche durch die Schraubmontage oder die Betriebslast entstehen. Die Signalerfassungseinheit kann auch Einheiten, die zur Signalverarbeitung geeignet sind, enthalten. In diesem Fall werden beide DMS über eine interne Signalverarbeitung ausgewertet.
In einigen Ausführungsformen weisen die beiden DMS zwei unabhängige Vollbrücken mit unabhängiger Speisespannungsmessung zur Referenzermittlung auf.
Ein erfindungsgemäßes Messmittel kann auch als lösbares Verbindungsmesselement, insbesondere als eine Messschraube, realisiert sein. Das Verbindungsmesselement weist dabei eine vorgegebene Länge und einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf. Der erste und der zweite Bereich sind über die Länge des Verbindungsmesselements getrennt voneinander angeordnet. Dabei ist der zweite Bereich der Messschraube - aufgrund seiner Struktur, wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials - so ausgelegt, dass er dafür geeignet, bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich der Messschraube gedehnt zu werden.
Das Verbindungsmesselement weist weiterhin ein Sackloch auf, das sich axial in der Mitte des Verbindungsmesselements von einem ersten Ende mit einer vorbestimmten Länge in Richtung zu einem zweiten Ende erstreckt, und sich dabei mindestens über den ersten und den zweiten Bereich erstreckt. Das Sackloch weist einen Durchmesser auf, der so ausgelegt ist, dass das Verbindungsmesselement geeignet ist, ein Messmodul, das beispielsweise als Patroneneinsatz realisiert ist, aufzunehmen. Das Messmodul kann mit dem Verbindungsmesselement an den Verbindungselementen kraftschlüssig verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen ist das erste Ende der Messschraube in der Form eines Schraubenkopfes ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Messmittel kann auch als Kombination eines lösbaren Verbindungsmesselements, insbesondere einer Messschraube, mit einem Messmodul realisiert sein. Das Messmodul wird dabei in das Sackloch des Verbindungsmesselements eingebracht und an den Verbindungselementen mit dem Verbindungsmesselement kraftschlüssig verbunden.
In einer Ausführungsform wird das Messmodul mit dem lösbaren Verbindungsmesselement in dem Sackloch an den Verbindungselementen durch Schrumpfen verbunden. In einer Ausführungsform ist diese Verbindung nicht nur kraftschlüssig, sondern auch stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben oder mittels einer Madenschraube, realisiert. In einer Ausführungsform ist die genannte Verbindung mittels eines Gewindes realisiert. So kann das Sackloch ein Innengewinde aufweisen und die Verbindungselemente können mit einem Außengewinde versehen sein, so dass das Messmodul auf einfache Weise und reversibel montiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines verschiedener Ausführungsformen erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass durch dieses Beispiel Abwandlungen beziehungsweise Ergänzungen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind. Darüber hinaus stellt dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel keine Beschränkung der Erfindung in der Art dar, dass Abwandlungen und Ergänzungen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Dabei zeigen:

1: einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft von Schrauben mit einem Schraubenkopf;
2: einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei Gewinden zu Befestigung von Schraubenmuttern;
3: einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Patroneneinsatz;
4: einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform als eine leere Schraube.

In 1 ist eine Messschraube 13 dargestellt, wo im Bereich des oberen Endes 18 ein Schraubenkopf 20 angeordnet ist. In einem unteren Bereich ist ein Gewindebereich 9 angeordnet. Dabei ist das untere Ende der Messschraube 13 abgeschrägt, um eine bessere Führung der Messschraube 13 beim Einschrauben in zu messendes System zu ermöglichen. Die Messschraube 13 weist weiterhin einen ersten Bereich 8 mit einem minimalen Durchmesser des Schraubenschafts auf. Dieser erste Bereich 8 befindet sich etwa in der Mitte der Messschraube 13. In Höhe des ersten Bereichs 8 ist ein erster Dehnungsmessstreifen (DMS) 7 angeordnet. Der erste DMS 7 befindet sich in einem DMS-Applizierungsloch 5, das als Sackloch ausgeführt ist.
Zwischen dem Schraubenkopf 20 und dem ersten Bereich 8 befindet sich ein zweiter Bereich 4 mit einer Verdickung des Schraubenschafts. Der zweite Bereich 4 weist dabei einen etwa 10 % größeren Durchmesser als der erste Bereich 8 auf. In Höhe des zweiten Bereichs 4 ist ein zweiter DMS 3 angeordnet. Der zweite DMS 3 ist dabei so in dem zweiten Bereich 4 angeordnet, dass dieser bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehnt wird. Der zweite DMS 3 befindet sich, ebenso wie der erste DMS 7, in dem DMS-Applizierungsloch 5. Vom dem ersten DMS 7 und dem zweiten DMS 3 führen Messleitungen 6 zu einer Signalerfassungseinheit 1, die im Bereich des Schraubenkopfs 20, innerhalb der Außenkontur der Messschraube 13 im Bereich des ersten Endes 18 der Messschraube 13, angeordnet ist. Die Signalerfassungseinheit 1 ist in einem Einbauraum 2 angeordnet. In dem Einbauraum 2 kann auch ein Schleifring (nicht abgebildet) angeordnet sein, von dem weitere Leitungen zu weiteren Vorrichtungen, insbesondere zu einer Stromversorgung, zu einem externen Datenspeicher, zu einer Schraubprozesssteuerung und/oder zu einem Monitoring-System, führen können.
2 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der kein Schraubenkopf vorhanden ist, die aberzwei Gewindebereiche 9 aufweist. Auf beiden Gewindebereichen 9 sind Schraubenmuttern 10 aufgebracht. Es ist deutlich zu sehen, dass der erste DMS 7 sich In Höhe des ersten Bereichs 8, welcher einen minimalen Durchmesser des Schraubenschafts aufweist, befindet.
Zwischen dem ersten Ende 18 und dem ersten Bereich 8 befindet sich ein zweiter Bereich 4 mit einer Verdickungdes Schraubenschafts. Derzweite Bereich 4weist in dieser Ausführungsform einen etwa 10% größeren Durchmesser auf als der erste Bereich 8. In Höhe des zweiten Bereichs 4 ist ein zweiter DMS 3 angeordnet. Der zweite DMS 3 ist dabei so in dem zweiten Bereich 4 angeordnet, dass dieser bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehnt wird. Der zweite DMS 3 befindet sich, zusammen mit dem ersten DMS 7, in einem DMS-Applizierungsloch 5. Vom dem ersten DMS 7 und dem zweiten DMS 3 führen Messleitungen 6 zu einer Signalerfassungseinheit 1, die im Bereich des ersten Endes 18 der Messschraube 13, angeordnet ist. Die Signalerfassungseinheit 1 ist in einem Einbauraum 2 angeordnet. In dem Einbauraum 2 kann auch ein Schleifring (nicht abgebildet) angeordnet sein, vom dem weitere Leitungen zu weiteren Vorrichtungen führen können.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Patroneneinsatz 15 ausgeführt ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere geeignet, in ein lösbares Verbindungsmesselement, beispielsweise eine leere Messschraube 17 (nicht abgebildet), eingeschrumpft und/oder eingepresst zu werden. Dafür sind an dem Patroneneinsatz 15 mehrere Einpress- und/oder Schrumpfzonen 12 angeordnet. In einer Ausführungsform können die Schrumpfzonen 12 mit einem Außengewinde versehen sein.
Der Patroneneinsatz 15 weist einen ersten DMS 7 und einen zweiten DMS 3 auf. Der Patroneneinsatz 15 ist so gestaltet, dass der erste DMS 7 und der zweite DMS 3 sich, in zusammengefügten Zustand als Messmittel, in Höhe eines ersten 8 bzw. zweiten 4 Bereichs der anfänglich leeren Messschraube 17 befinden, so dass der erste DMS 7 des Messmittels bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehnt wird. Vom dem ersten DMS 7 und dem zweiten DMS 3 führen Messleitungen 6 weg, beispielsweise zu einer Signalerfassungseinheit (nicht abgebildet).
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als Messschraube 17 ausgeführt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist ein erster Bereich 8, mit minimalem Durchmesser, und ein zweiter Bereich 4 am Schaft der Messschraube 17 angeordnet. Es ist deutlich zu sehen, dass die Länge des Sacklochs 5 so gewählt ist, dass es sich mindestens über den ersten Bereich 8 und den zweiten Bereich 4 der Messschraube 17 erstreckt. Damit wird erreicht, dass der zweite Bereich 4 der Messschraube 17 aufgrund seiner Struktur-wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials - geeignet ist, bei Belastung ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich der Messschraube 17 gedehnt zu werden.
Diese Ausführungsform ist insbesondere geeignet, um ein Messmodul, wie es z.B. in 3 gezeigt ist, in das Sackloch 5 aufzunehmen. Dafür wird die gezeigte Messschraube 17 mit einem Messmodul kraftschlüssig verbunden, so dass die Messschraube zu messende Kräfte auf das Messmodul übertragen kann.
In einer Ausführungsform kann die Verbindung reversibel gestaltet sein, so dass die Messschraube 17 und/oder das Messmodul bei Bedarf getrennt voneinander ausgetauscht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Signalerfassung, evtl. mit Speicher
2: Einbauraum der Signalverarbeitung
3: Zweiter Dehnungsmessstreifen, im stets elastischen Bereich
4: Zweiter Bereich des Schraubenschafts
5: DMS-Applizierungsloch
6: Messleitungen
7: Erster Dehnungsmessstreifen
8: Erster Bereich des Schraubenschafts
9: Gewindebereich
9a: oberer Gewindebereich
10: Schraubenmutter
11: Messleitungen
12: Einpress- und/oder Schrumpfzone des DMS-Patroneneinsatzes
13: Lösbares Messverbindungselement in Ausführung einer Messschraube
14: Lösbares Messverbindungselement in Ausführung eines Messbolzens
15: DMS-Patroneneinsatz
16: Korpus
17: leere Messschraube
18: erstes Ende der Messschraube
19: zweites Ende der Messschraube
20: Schraubenkopf

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Vorspannkraft von einer Schraube, mit einer Messschraube (13,14) mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich (8) und einem zweiten Bereich (4), welche über die Länge der Messschraube (13, 14) getrennt voneinander angeordnet sind, einem ersten Dehnungsmessstreifen (7), einem zweiten Dehnungsmessstreifen (3), wobei der zweite Bereich (4) der Messschraube (13, 14) aufgrund seiner Struktur, wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials, geeignet ist, bei Belastung in einem vorgegebenen Bereich der Vorspannkraft ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich der Messschraube (13, 14) gedehnt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dehnungsmessstreifen (7) in dem ersten Bereich (8) angeordnet ist, der zweite Dehnungsmessstreifen (3) in dem zweiten Bereich (4) angeordnet ist, und der erste (7) und derzweite (3) Dehnungsmessstreifen sich in axialer Ausrichtung innerhalb der neutralen Phase der Messschraube (13, 14) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (8) der Messschraube (13, 14) geeignet ist, bei Belastung in dem vorgegebenen Bereich der Vorspannkraft sowohl im elastischen Arbeitsbereich als auch im plastischen Arbeitsbereich der Messschraube (13,14) gedehnt zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (8) der Messschraube (13, 14) im Bereich zwischen 10 % und 90 %, bevorzugt im mittleren Drittel, der Länge der Messschraube (13, 14) angeordnet ist und die Messschraube (13, 14) in diesem ersten Bereich (8) einen kleineren Durchmesser aufweist, und/oder der zweite Bereich (4) zwischen dem ersten Bereich und einem ersten Ende (18) der Messschraube (13, 14) angeordnet ist, wobei das erste Ende (18) der Messschraube (13, 14) einen größeren mittleren Durchmesser aufweist und/oder in der Form eines Schraubenkopfes verdickt ist, und/oder die Messschraube (20) in dem zweiten Bereich (4) einen zwischen 1 und 20 %, vorzugsweise zwischen 5 und 10 %, größeren Durchmesser als in dem ersten Bereich (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Bereich der Vorspannkraft insbesondere zwischen 0 % bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze und der maximalen Bruchspannung, bevorzugt zwischen 50 % bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze und 102 % bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze, liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschraube (13, 14) weiterhin eine Signalerfassungseinheit (1) und eine Schnittstelle (11) zwischen den Dehnungsmessstreifen (3, 7) und der Signalerfassungseinheit (1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungseinheit (1) und die Schnittstelle (11) innerhalb der Außenkontur der Messschraube (13, 14), vorzugsweise im Bereich des ersten Endes (18) der Messschraube (13, 14), angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit (1) und zu weiteren Vorrichtungen, insbesondere zu einer Stromversorgung, zu einem externen Datenspeicher, zu einer Schraubprozesssteuerung und/oder zu einem Monitoring-System, als drahtlose Schnittstelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit (1) und zu weiteren Vorrichtungen, insbesondere zu einer Stromversorgung, zu einem externen Datenspeicher, zu einer Schraubprozesssteuerung und/oder zu einem Monitoring-System, als Schleifring ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Datenspeicher eine Kalibrierfunktion für den zweiten (3) und den ersten (7) Dehnungsmessstreifen enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übermittlung der Messwerte der Dehnungsmessstreifen (3, 7) an die Signalerfassungseinheit (1) und die weiteren Vorrichtungen mit einer Abtastrate zwischen 100 und 50.000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 10.000 Hz, besonders bevorzugt zwischen 500 und 5.000 Hz, erfolgt.
Messmodul (15) für ein lösbares Verbindungsmesselement (17), insbesondere für eine Messschraube, mit einem Korpus (16) mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich (8) und einem zweiten Bereich (4), welche über die Länge des Korpus (16) getrennt voneinander angeordnet sind, einem ersten Dehnungsmessstreifen (7), einem zweiten Dehnungsmessstreifen (3), und mindestens drei Verbindungselementen (12), dadurch gekennzeichnet, dass der erste (7) und derzweite (3) Dehnungsmessstreifen sich in axialer Ausrichtung innerhalb einer neutralen Phase des Messmoduls (15) befinden, der erste Dehnungsmessstreifen (7) in dem ersten Bereich (8) zwischen einem ersten Paar von Verbindungselementen (12) angeordnet ist, der zweite Dehnungsmessstreifen (3) in dem zweiten Bereich (4) zwischen einem zweiten Paar von Verbindungselementen (12) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich dafür vorgesehen ist, bei Belastung in einem vorgegebenen Bereich der Vorspannkraft ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich gedehnt zu werden, und die mindestens drei Verbindungselemente (12) einen größeren Durchmesser als der Korpus (16) aufweisen, so dass das Verbindungsmesselement (17) mit dem Messmodul (15) an den Verbindungselementen (12) kraftschlüssig verbindbar ist.
Messmodul (15) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Bereich der Vorspannkraft zwischen 0% bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze und der maximalen Bruchspannung, bevorzugt zwischen 50 % bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze und 102 % bezogen auf 0,2 %-Dehngrenze, liegt und/oder das Verbindungsmesselement (17) weiterhin eine Signalerfassungseinheit (1) und eine Schnittstelle (11) zwischen den Dehnungsmessstreifen (3, 7) und der Signalerfassungseinheit (1) aufweist und/oder eine Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit (1) und zu weiteren Vorrichtungen, insbesondere zu einer Stromversorgung, zu einem externen Datenspeicher, zu einer Schraubprozesssteuerung und/oder zu einem Monitoring-System, als drahtlose Schnittstelle ausgebildet ist und/oder eine Schnittstelle zwischen der Signalerfassungseinheit (1) und zu weiteren Vorrichtungen, insbesondere zu einer Stromversorgung, zu einem externen Datenspeicher, zu einer Schraubprozesssteuerung und/oder zu einem Monitoring-System, als Schleifring ausgebildet ist und vorzugsweise der externe Datenspeicher eine Kalibrierfunktion für den zweiten (3) und den ersten (7) Dehnungsmessstreifen enthält und vorzugsweise die Übermittlung der Messwerte der Dehnungsmessstreifen (3, 7) an die Signalerfassungseinheit (1) und die weiteren Vorrichtungen mit einer Abtastrate zwischen 100 und 50.000 Hz, bevorzugt zwischen 200 und 10.000 Hz, besonders bevorzugt zwischen 500 und 5.000 Hz, erfolgt.
Lösbares Verbindungsmesselement (17), insbesondere eine Messschraube, mit einer vorgegebenen Länge und einem ersten Bereich (8) und einem zweiten Bereich (4), welche über die Länge des Verbindungsmesselements (17) getrennt voneinander angeordnet sind, wobei derzweite Bereich (4) des Verbindungsmesselements (17) aufgrund seiner Struktur, wie beispielsweise seines Durchmessers und/oder seines Materials, geeignet ist, bei Belastung in einem vorgegebenen Kraftsegment ausschließlich im elastischen Arbeitsbereich des Verbindungsmesselements (17) gedehnt zu werden, und einem Sackloch (5), das sich axial in der Mitte des Verbindungsmesselements (17) von einem ersten Ende (18) mit einer vorbestimmten Länge in Richtung zu einem zweiten Ende (19) des Verbindungsmesselements (17) erstreckt und einen vorbestimmten Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die vorbestimmte Länge des Sacklochs (5) so gewählt ist, dass es sich mindestens über den ersten (8) und den zweiten (4) Bereich erstreckt und der vorbestimmte Durchmesser des Sacklochs (5) so ausgelegt ist, dass das Verbindungsmesselement (17) geeignet ist, ein Messmodul (15) gemäß Anspruch 11 oder 12 aufzunehmen und mit diesem an den Verbindungselementen (12) kraftschlüssig verbindbar ist.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Vorspannkraft von einer Schraube mit einem Messmodul (15) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 und einem lösbaren Verbindungsmesselement (17) gemäß Anspruch 13.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul (15) mit dem lösbaren Verbindungsmesselement (17) in dem Sackloch (5) durch Schrumpfen und/oder stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben oder mittels einer Madenschraube, und/oder formschlüssig, insbesondere mittels eines Gewindes, verbindbar ist.