DE102018220915A1

DE102018220915A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils

Info

Publication number: DE102018220915A1
Application number: DE102018220915.4A
Authority: DE
Inventors: Gert Höring
Original assignee: Intellifast GmbH
Current assignee: Intellifast GmbH
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: US11579121B2; DE102018220915B4; US20200173963A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils (10) vorgeschlagen. Bei dem Verfahren werden Ultraschallsignale (22) in das Verbindungsbauteil (10) eingeleitet und Ultraschallechos (24) der Ultraschallsignale (22) werden wieder empfangen werden. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:a) Einleiten eines longitudinalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer ersten Signallaufzeit FTOFdes longitudinalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des longitudinalen Ultraschallsignals,b) Einleiten eines transversalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer zweiten Signallaufzeit FTOFdes transversalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des transversalen Ultraschallsignals undc) Bestimmen einer effektiven Temperatur Tund der Vorspannkraft des Verbindungsbauteils (10) auf Basis der ersten Signallaufzeit FTOF, der zweiten Signallaufzeit FTOF, vorher bestimmten Referenzdaten und Kalibrationsfaktoren unter Verwendung der Annahme, dass eine unter Verwendung der ersten Signallaufzeit FTOFermittelte Vorspannkraft Fund eine unter Verwendung der zweiten Signallaufzeit FTOFermittelte Vorspannkraft Fgleich groß sind, wobei die Schritte a) und b) nacheinander in beliebiger Reihenfolge oder parallel ausgeführt werden.Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils, bei dem Ultraschallsignale in ein Verbindungsbauteil eingeleitet werden und Echos der Ultraschallsignale wieder empfangen werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Mechanische Verbindungsbauteile, wie z. B. Schrauben oder Bolzen, werden auf einfache Weise mittels Ultraschall-Messverfahren auf ihre Vorspannkraft hin überprüft. Dazu wird die Signallaufzeit von Ultraschallwellen, die in das Verbindungsbauteil ein- und als Echosignal wieder ausgekoppelt werden, gemessen. Bei den zur Anregung verwendeten Ultraschallpulsen kann es sich sowohl um Signale mit fester Frequenz als auch um Signale, die sich aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammensetzen, handeln. Im Zuge der fortschreitenden Materialwissenschaften sind in den letzten Jahren eine Vielzahl von Verbund- und gradierten Werkstoffen sowie Speziallegierungen eingeführt worden, aus denen Verbindungsbauteile, wie Bolzen oder Schrauben, gefertigt werden können, deren Materialeigenschaften höhere Anforderungen an ein Messverfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft stellen.
Problematisch an den bekannten ultraschallbasierenden Messverfahren für die Vorspannkraft ist, dass die Messungen auf einer Bestimmung einer Laufzeit eines Ultraschallsignals innerhalb des Verbindungsbauteils basieren, wobei die gemessene Laufzeit innerhalb des Verbindungsbauteils auch von der Temperatur abhängig ist. Der Grund dafür ist die thermische Ausdehnung des Materials des Verbindungsbauteils.
Für eine korrekte Messung der Vorspannkraft mittels Ultraschall muss deshalb die gemessene Laufzeit um denjenigen Anteil korrigiert werden, der durch die thermische Ausdehnung des Verbindungsbauteils hervorgerufen wird. Eine Möglichkeit ist, jede gemessene Laufzeit umzurechnen und auf ein festgelegtes Temperaturniveau zu beziehen, z. B. 0°C oder 20°C Raumtemperatur. Das ist in etwa so, als wenn man immer bei der gleichen Temperatur messen würde. Dieser Vorgang wird als Temperaturkompensation bezeichnet. Dafür erforderlich ist eine möglichst genaue Bestimmung der Temperatur mittels eines Temperatursensors an, oder in direkter Nähe des Verbindungsbauteils. Insbesondere bei der Überprüfung von Verbindungsbauteilen, welche bereits in einer Vorrichtung verbaut sind, ist eine genaue Bestimmung der Temperatur des Verbindungsbauteils jedoch schwierig.
Unter Verwendung eines Temperatursensors kann die Temperatur an einer bestimmten Stelle des Verbindungsbauteils ermittelt werden. Das Verbindungsbauteil weist jedoch häufig einen Temperaturgradienten auf, der mit einem Temperatursensor nicht exakt bestimmbar ist. Da die Ultraschallsignale bei der Messung das gesamte Verbindungsbauteil von einem ersten Ende bis zu einem zweiten Ende durchlaufen, ist die Laufzeit der Ultraschallsignale von einer effektiven Temperatur des Verbindungsbauteils abhängig, welche eine gemittelte Temperatur über den gesamten von den Ultraschallsignalen durchlaufenen Bereich darstellt. Diese effektive Temperatur kann nicht über einen Temperatursensor bestimmt werden, da dieser immer nur die Temperatur an einem Punkt des Verbindungsbauteils ermitteln kann.
Es besteht somit Bedarf nach einem verbesserten Messverfahren, welches temperaturbedingte Messfehler bei ultraschallbasierenden Messungen der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils verringert.
Aus US 4,602,511 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Vorspannkraft eines Befestigungselements bekannt, bei dem die Signallaufzeiten von longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen bestimmt werden. Aus der Signallaufzeit der longitudinalen Ultraschallwelle, der Signallaufzeit der transversalen Ultraschallwelle, Materialkonstanten und Referenzwerten für die Schallgeschwindigkeit für ein unbelastetes Befestigungselement kann die Vorspannkraft ohne vorherige Messung der Signallaufzeiten im unbelasteten Zustand bestimmt werden.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass keine Temperaturkompensation erfolgt, welche die effektive Temperatur eines Bauteils berücksichtigt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils vorgeschlagen. Bei dem Verfahren werden Ultraschallsignale in das Verbindungsbauteil eingeleitet und Ultraschallechos der Ultraschallsignale wieder empfangen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

a) Einleiten eines longitudinalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer ersten Signallaufzeit FTOF_L des longitudinalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des longitudinalen Ultraschallsignals,
b) Einleiten eines transversalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer zweiten Signallaufzeit FTOF_T des transversalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des transversalen Ultraschallsignals und
c) Bestimmen einer effektiven Temperatur T_eff und der Vorspannkraft des Verbindungsbauteils auf Basis der ersten Signallaufzeit FTOF_L, der zweiten Signallaufzeit FTOF_T, vorher bestimmten Referenzdaten und Kalibrationsfaktoren unter Verwendung der Annahme, dass eine unter Verwendung der ersten Signallaufzeit FTOF_L ermittelte Vorspannkraft F_L und eine unter Verwendung der zweiten Signallaufzeit FTOF_T ermittelte Vorspannkraft F_T gleich groß sind,

Erfolgen die Messungen der ersten Signallaufzeit FTOF_L und der zweiten Signallaufzeit FTOF_T nicht gleichzeitig, so werden diese bevorzugt zeitnah hintereinander ausgeführt. Unter zeitnah wird dabei verstanden, dass zwischen der Messung der einen Signallaufzeit und dem Messen der jeweils anderen Signallaufzeit bevorzugt weniger als 10 Sekunden und besonders bevorzugt weniger als eine Sekunde vergeht.
Das hier dargestellte Verfahren soll einen Weg aufzeigen, wie mittels der bevorzugt gleichzeitigen Messung von longitudinalen und transversalen Signallaufzeiten auf die Temperaturkompensation unter Verwendung einer separat gemessenen Temperatur verzichtet werden kann. Um das Verfahren zu beschreiben, ist es notwendig, die Bestimmung der Vorspannkraft mittels Ultraschall näher zu erläutern.
Ein Verbindungsbauteil ist üblicherweise ein längliches Bauelement mit einem ersten und einem zweiten Ende. Ein Beispiel für ein typisches Verbindungsbauteil ist eine Schraube, welche einen Schraubenkopf und einen Schraubenschaft aufweist. Ein erstes Ende befindet sich am Schraubenkopf und ein zweites Ende des Verbindungsbauteils befindet sich am Schaft. Am Schraubenschaft befindet sich üblicherweise ein Gewinde, über das die Schraube mit einem anderen Bauteil verbunden werden kann.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannkraft in Verbindungsbauteilen ist die Puls-Echo-Methode. Ein auf einem der Verbindungsbauteilenden angebrachter Ultraschallwandler wird mit Hilfe eines elektrischen Pulses zum Schwingen angeregt. Im Fall einer Schraube wird der Ultraschallwandler bevorzugt auf dem Schraubenkopf angeordnet. Es ist aber auch eine Anordnung am Schaft der Schraube möglich. Die Kopplung des Wandlers mit der Schraubenoberfläche führt dazu, dass Ultraschallwellen in das Verbindungsbauteil eintreten und dieses durchlaufen. Ein Teil der Ultraschallwellen wird am gegenüberliegenden Ende der Schraube reflektiert und gelangt zurück zum Wandler. Dort kann nach einer Zeitspanne Δt ein Echosignal detektiert werden. Δt ist die Zeitdauer zwischen der Pulsanregung und dem Empfang des Echos. Alternativ zu einer derartigen Messung in Reflexionsgeometrie ist es denkbar, am ersten Ende des Verbindungsbauteils einen Sender für Ultraschallsignale und am entgegengesetzten zweiten Ende des Verbindungsbauteils einen Empfänger für Ultraschallsignale anzuordnen. Auf diese Weise kann eine Messung in Transmissionsgeometrie durchgeführt werden.
Die Laufzeit der Ultraschallwellen entlang der Achse des Verbindungsbauteils zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der aufgebrachten Zugspannung durch den Verschraubungsvorgang. Die Erhöhung der gemessenen Ultraschalllaufzeit unter Last ist bedingt durch die Verlängerung des Verbindungsbauteils einerseits als auch durch die Verringerung der Ultraschallgeschwindigkeit in den Bereichen des Verbindungsbauteils, die unter mechanischer Spannung stehen. Beide Effekte arbeiten in die gleiche Richtung und sind annährend linear.
Die Abhängigkeit der Vorspannkraft von den gemessenen Laufzeiten kann empirisch in einer Kraftmessdose oder einer Zugmaschine ermittelt und mit einem Polynom niederer Ordnung (linear oder quadratisch) beschrieben werden: $\begin{array}{l} F = k_{1} \cdot Δ T O F = k_{1} \cdot (F T O F - B T O F) \\ (l i n e a r e r A n s a t z) \end{array}$
$\begin{array}{l} F = k_{1} \cdot Δ T O F = k_{2} \cdot Δ T O F^{2} \\ (q u a d r a t i s c h e r Ansatz) \end{array}$

mit

F: Vorspannkraft [kN]
ΔTOF: Laufzeitdifferenz [ns]
BTOF: Laufzeit im unverspannten Zustand [ns]
FTOF: Laufzeit unter Last [ns]
k₁, k₂: material- und verbindungsbauteilabhängige Kraftkalibrationsfaktoren

Bevorzugt werden eine Laufzeit eines longitudinalen Ultraschallsignals im unverspannten Zustand als erste Referenzlaufzeit BTOF_L und eine Laufzeit eines transversalen Ultraschallsignals im unverspannten Zustand als zweite Referenzlaufzeit BTOF_T bestimmt und als Referenzdaten verwendet.
Die Kraftkalibrationsfaktoren k₁ und k₂ sind beispielsweise vom Material und der Geometrie des Verbindungsbauteils abhängig. Bevorzugt werden die Kraftkalibrationsfaktoren k₁ und k₂ sowohl für longitudinale als auch für transversale Ultraschallsignale vorab an mehreren Verbindungsbauteilen bestimmt. Die Kraftkalibrationsfaktoren k₁ und k₂ werden bevorzugt als Teil der Kalibrationsfaktoren verwendet.
Eine Möglichkeit zur Durchführung der Temperaturkompensation der gemessenen Laufzeiten mit einem Polynom erster Ordnung ist in Gleichung 3 beschrieben: $T O F_{k o r r} = \frac{T O F}{(1 + c_{1} \cdot T_{e f f})}$
Diese Formel ist hinreichend genau für kurze Verbindungsbauteile und kleine Temperaturbereiche. Für lange Verbindungsbauteile bzw. erweiterte Temperaturbereiche ist ein Polynom zweiter Ordnung zu empfehlen (Gleichung 4) $T O F_{k o r r} = \frac{T O F}{(1 + c_{1} \cdot T_{e f f} + c_{2} \cdot T_{e f f}^{2})}$
mit

TOF: gemessene Laufzeit (time-of-flight) [ns]
TOF_korr: Laufzeit auf 0° Celsius korrigiert (umgerechnet) [ns]
T_eff: effektive Temperatur der Schraube während der Laufzeitmessung [°C]
C₁, C₂: material- und verbindungsbauteilabhängige Temperaturkalibrationsfaktoren

Die Temperaturkalibrationsfaktoren C₁ und C₂ sind insbesondere vom Material des Verbindungsbauteils abhängig und lassen sich auf einfache Weise bestimmen, indem die Ultraschalllaufzeiten eines Verbindungsbauteils in einer Klimakammer bei verschiedenen Temperaturstufen, z. B. von -20 bis 80°C in 10K-Schritten gemessen werden. Aus der ermittelten Kurve Temperatur versus Laufzeit lassen sich C₁ und C₂ errechnen. Bevorzugt werden die Temperaturkalibrationsfaktoren C₁ und C₂ vorab an einem unbelasteten Verbindungsbauteil sowohl für longitudinale als auch für transversale Ultraschallsignale bestimmt. Bevorzugt werden die Temperaturkalibrationsfaktoren C₁ und C₂ als Teil der Kalibrationsfaktoren verwendet.
Nachfolgend soll dargelegt werden, wie die Bestimmung der Vorspannkraft von Verbindungsbauteilen mit inhomogener Temperaturverteilung erfolgen kann.
In der Praxis kann der Anwender in der Regel auf Ultraschalltransducer zurückgreifen, die entweder longitudinale oder aber transversale Wellenfronten anregen können. Es existieren weiterhin spezielle Transducer, die sowohl Längsals auch Scherwellen gleichzeitig generieren können. Ein Beispiel dafür sind die Dünnschichttransducer der Firma Intellifast (Permanent Mounted Transducers, PMT-System).
Gleichung 2 beschreibt in allgemeiner Form die Ermittlung der Vorspannkraft F über die Messung der Laufzeiten in einem Verbindungsbauteil. Ist der Anwender in die Lage versetzt, mit seinen Ultraschalltransducern sowohl longitudinale als auch transversale Wellenfronten anzuregen, kann er die Vorspannkraft entweder über die Laufzeiten der longitudinalen Ultraschallechos (Gleichung 5) oder aber über die der transversalen Echoreflexe (Gleichung 6) ermitteln. $F_{L} = k_{1 L} \cdot Δ T O F_{L_{K o r r}} + k_{2 L} \cdot {(Δ T O F_{L_{k o r r}})}^{2}$
$F_{T} = k_{1 T} \cdot Δ T O F_{T_{K o r r}} + k_{2 T} \cdot {(Δ T O F_{T_{k o r r}})}^{2}$
Für die Temperaturkompensation müssen alle gemessenen Laufzeiten umgerechnet werden. Mit Gleichung 4 als Ansatz für die Temperaturkompensation ergibt sich für die Änderung der Laufzeit ΔTOF_korr die Gleichung 7. $Δ T O F_{k o r r} = \frac{F T O F}{(1 + c_{1} \cdot T_{F T O F} + c_{2} \cdot T_{F T O F}^{2})} - \frac{B T O F}{(1 + c_{1} \cdot T_{B T O F} + c_{2} \cdot T_{B T O F}^{2})}$
mit

T_FTOF: Temperatur bei der Messung im belasteten Zustand
T_BTOF: Temperatur bei der Messung im unverspannten Zustand

Setzt man den rechten Ausdruck aus Gleichung 7 in die Gleichungen 5 und 6 ein, erhält man die Gleichungen 8 (longitudinal) und 9 (transversal), welche die Berechnung der Vorspannkraft aus den gemessenen Laufzeiten und den dazugehörigen Temperaturwerten ermöglichen. $F_{L} = k_{1 L} \cdot (\frac{F T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{F T O F_{L}} + c_{2 L} \cdot T_{F T O F_{L}}^{2}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{B T O F_{L}} + c_{2 L} \cdot T_{B T O F_{L}}^{2}}) + k_{2 L} \cdot {(\frac{F T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{F T O F_{L}} + c_{2 L} \cdot T_{F T O F_{L}}^{2}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{F T O F_{L}} + c_{2 L} \cdot T_{F T O F_{L}}^{2}})}^{2}$
$F_{L} = k_{1 T} \cdot (\frac{F T O F_{T}}{1 - c_{1 T} \cdot T_{F T O F_{T}} + c_{2 T} \cdot T_{F T O F_{T}}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{B T O F_{T}} + c_{2 T} \cdot T_{B T O F_{T}}^{2}}) + k_{2 T} \cdot {(\frac{F T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{F T O F_{T}} + c_{2 T} \cdot T_{F T O F_{T}}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{B T O F_{T}} + c_{2 T} \cdot T_{B T O F_{T}}^{2}})}^{2}$
Werden die Laufzeiten für die longitudinalen und transversalen Echosignale zeitgleich oder zeitnah hintereinander gemessen, muss der aus den longitudinalen Laufzeiten ermittelte Kraftwert dem Zahlenwert entsprechen, der sich aus der Messung der transversalen Laufzeiten ergibt (Gleichung 10). $F_{L} = F_{T}$
Setzt man weiter voraus, dass die Bestimmung der Nulllaufzeiten BTOF_L und BTOF_T ebenfalls zeitgleich erfolgt ist, müssen die Temperaturen T_BTOFL und T_BTOFT ebenfalls gleich sein (T_BTOF). Unter Verwendung von Gleichung 10 ergibt sich die folgende Formel. $\begin{array}{l} k_{1 L} \cdot (\frac{F T O F_{L}}{1 - c_{1 L} \cdot T_{e f f} + c_{2 L} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{B T O F} + c_{2 L} \cdot T_{B T O F}^{2}}) + k_{2 L} \cdot {(\frac{F T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{e f f} + c_{2 L} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{B T O F} + c_{2 L} \cdot T_{B T O F}^{2}})}^{2} = \\ k_{1 T} \cdot (\frac{F T O F_{T}}{1 - c_{1 T} \cdot T_{e f f} + c_{2 T} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{B T O F} + c_{2 T} \cdot T_{B T O F}^{2}}) + k_{2 T} \cdot {(\frac{F T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{e f f} + c_{2 T} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{B T O F} + c_{2 T} \cdot T_{B T O F}^{2}})}^{2} \end{array}$
Die einzig verbleibende Variable ist T_eff, die „effektive“ Temperatur zur Zeit der Laufzeitmessungen unter Last. Das Umstellen von Gleichung 11 nach T_eff führt zu einem Polynom achter Ordnung mit reellen und komplexen Lösungen, welches nicht mehr einfach formelmäßig aufgelöst werden kann. Alle acht Lösungen lassen sich numerisch mit dem Newtonverfahren bestimmen. Die eine in Frage kommende reelle Lösung lässt sich mit geringem Aufwand ermitteln, indem von Gleichung 11 jeweils beide Seiten der Gleichung als Funktion F_L(T_eff) bzw. F_T(T_eff) betrachtet werden. Der Schnittpunkt beider Funktionen ergibt den gesuchten Kraftwert mit dem dazugehörigen „mittleren“ Temperaturwert. Theoretisch kann sich auch mehr als eine reelle Lösung von Gleichung 11 ergeben. Sollte dies der Fall sein, müssen durch eine Plausibilitätsprüfung die nicht in Frage kommenden Schnittpunkte ermittelt werden. Kraft- und Temperaturwerte, die nicht im praktisch möglichen Bereich liegen, dienen als Kriterium zum Ausschluss des jeweiligen Schnittpunkts.
Im praktischen Betrieb muss der Anwender für jedes neu zu messende Verbindungsbauteil einmalig die Nulllaufzeiten (longitudinal und transversal) und die zugehörige Temperatur im unverspannten Zustand messen. Dabei ist darauf zu achten, dass sich das Verbindungsbauteil thermisch im stationären Zustand befindet und keine Temperaturgradienten aufweist.
Unter Last, das heißt im verspannten Zustand des Verbindungsbauteils, kann die Vorspannkraft mit Hilfe von Formel 11 ermittelt werden. Dafür ist keine weitere Temperaturmessung erforderlich.
Ein vereinfachter Lösungsansatz ergibt sich, wenn man sowohl für die Kraftberechnung als auch für die Temperaturkompensation einen linearen Ansatz wählt (Gleichungen 1 und 3). Unter Verwendung dieser beiden Formeln ergibt sich mit Gleichung 10 $k_{1 L} \cdot (\frac{F T O F_{L}}{1 + c_{L} \cdot T_{e f f}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{L} \cdot T_{B T O F}}) = k_{1 T} \cdot (\frac{F T O F_{T}}{1 + c_{T} \cdot T_{e f f}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{T} \cdot T_{B T O F}})$
Diese Formel nach T_eff umgestellt ergibt eine quadratische Gleichung. Eine der beiden Lösungen ist die gesuchte „effektive“ Temperatur im Verbindungselement. Mit Gleichung 1 und dem Wert für die effektive Temperatur lässt sich die Vorspannkraft errechnen. Dies kann sowohl mit der Laufzeit des longitudinalen als auch des transversalen Echos erfolgen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils bestimmt werden kann. Die Vorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. Dementsprechend gelten im Rahmen der Verfahren beschriebene Merkmale auch für die Vorrichtung und umgekehrt gelten im Rahmen der Vorrichtung beschriebene Merkmale auch für die Verfahren.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils umfasst Mittel zum Einleiten von longitudinalen Ultraschallsignalen und transversalen Ultraschallsignalen an einem Ende des Verbindungsbauteils, Mittel zum Empfangen von Ultraschallechos der Ultraschallsignale und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist dabei dazu eingerichtet, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.
Die Mittel zum Einleiten von longitudinalen Ultraschallsignalen und transversalen Ultraschallsignalen umfassen insbesondere einen Signalgenerator, welcher eingerichtet ist, elektrische Signale mit Frequenzen im Ultraschallbereich zu erzeugen. Diese elektrischen Signale sind bevorzugt derart eingerichtet, dass diese zur Anregung von Ultraschallwandler, beispielsweise von aufgedampften oder aufgeklebten piezoelektrischen Ultraschallwandlern, geeignet sind. Des Weiteren können die Mittel zum Einleiten von Ultraschallsignalen einen Verstärker umfassen. Die Steuereinheit ist bevorzugt mit dem Signalgenerator verbunden und eingerichtet, den Signalgenerator zu steuern.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mit Verbindungsbauteilen verwendet zu werden, welche einen integrierten Ultraschallwandler bzw. Ultraschalltransducer umfassen. In dieser Ausführungsform umfassen die Mittel zum Einleiten von longitudinalen Ultraschallsignalen und transversalen Ultraschallsignalen neben dem Signalgenerator insbesondere elektrische Kontakte. Die elektrischen Kontakte sind dabei dazu eingerichtet, den Ultraschallwandler des Verbindungsbauteils elektrisch zu kontaktieren.
In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese einen Ultraschallwandler, welcher temporär mit einem Verbindungsbauteil koppelbar ist, um longitudinale und transversale Ultraschallsignale in das Verbindungsbauteil einzuleiten.
Bevorzugt werden zum Empfangen von Echos der Ultraschallsignale dieselben Ultraschallwandler und/oder elektrische Kontakte verwendet, wie für die Einleitung der Ultraschallsignale. Des Weiteren kann insbesondere ein Verstärker und ein Analog/Digitalwandler vorgesehen sein, um die empfangenen Ultraschallsignale zu digitalisieren und an die Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit wertet die empfangen Echos dann gemäß einem der beschriebenen Verfahren aus.
Erfindungsgemäß ist des Weiteren ein System vorgesehen, welches mindestens ein Verbindungselement mit einem fest verbundenen Ultraschallwandler und eine der beschriebenen Vorrichtungen zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils umfasst.
Vorteile der Erfindung
Mit dem beschrieben Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung sind präzise Messungen der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils möglich, ohne dass eine separate Messung der Temperatur des Verbindungsbauteils erfolgen muss. Hierdurch wird eine Messung vereinfacht.
Darüber hinaus wird die Genauigkeit einer Messung der Vorspannkraft erheblich gesteigert, da eine separate Messung der Temperatur des Verbindungsbauteils nur eine Temperatur an einem Punkt dieses Verbindungsbauteils darstellt, das Verbindungsbauteil jedoch einen Temperaturgradienten aufweisen kann. Da die Ultraschallsignale bei der Messung das gesamte Verbindungsbauteil von einem ersten Ende bis zu einem zweiten Ende durchlaufen, ist die Laufzeit der Ultraschallsignale von einer effektiven Temperatur des Verbindungsbauteils abhängig, welche eine gemittelte Temperatur über den gesamten von den Ultraschallsignalen durchlaufenen Bereich darstellt. Diese effektive Temperatur wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt und bei der Bestimmung der Vorspannkraft vorteilhafterweise berücksichtigt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils mit einem Ultraschallwandler,
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen einer Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils und
3 eine unter Verwendung der Versuchsanordnung der 2 durchgeführte Messreihe.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Komponenten und Elemente mit gleichen Bezugszeichen benannt, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt schematisch ein Verbindungsbauteil 10. Das Verbindungsbauteil 10 ist in der Darstellung der 1 als eine Schraube mit einem Schraubenkopf 12 und einem Schraubenschaft 14 ausgestaltet. Der Schraubenschaft 14 weist ein Gewinde 16 auf.
Das Verbindungsbauteil 10 weist ein erstes Ende 18 auf, welches die Seite der Schraube mit dem Schraubenkopf 12 darstellt. Das Verbindungsbauteil 10 weist ferner auf der gegenüberliegenden Seite an dem Schraubenschaft 14 ein zweites Ende 20 auf.
In der Mitte der Oberfläche des Schraubenkopfs 12, also am ersten Ende 18, ist ein Ultraschallwandler 30 angeordnet. Der Ultraschallwandler 30, welcher beispielsweise als ein piezoelektrisches Element ausgeführt ist, ist eingerichtet, Ultraschallsignale 22 in das Verbindungsbauteil 10 einzukoppeln und am zweiten Ende 20 des Verbindungsbauteils 10 reflektierte Ultraschallechos 24 wieder zu empfangen. Dabei ist der Ultraschallwandler 30 so angeordnet und ausgestaltet, dass dieser sowohl longitudinale Ultraschallwellen 28 als auch transversale Ultraschallwellen 26 einkoppeln kann. Der Ultraschallwandler 30 kann in Dünnschichttechnik ausgeführt sein, oder auch als Zusammenschaltung mindestens eines longitudinalen und eines transversalen Klebepiezoelements, welche vorzugsweise parallel oder aber in Reihe (als Stapel) geschaltet sind.
Alternativ zu einem Verbindungsbauteil 10 mit integriertem Ultraschallwandler 30 sind parallel betriebene Handheldtransducer verwendbar, die je als Longitudinal- bzw. Transversalversion ausgeführt sind.
Des Weiteren ist es alternativ zu der in 1 gezeigten Lösung möglich, am zweiten Ende 20 des Verbindungsbauteils 10 einen zusätzlichen Empfänger für Ultraschallechos anzuordnen, so dass in Transmissionsgeometrie gemessen werden kann.
2 zeigt schematisch eine Anordnung zum Messen einer Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils 10. In der beispielhaften Anordnung ist ein Verbindungsbauteil 10, welches als eine Schraube ausgestaltet ist, in einen Schraubenblock 62 mit Innengewinde 64 eingeschraubt. Der Schraubenblock 62 ist im Inneren einer Kraftmessdose 70 platziert. Die Kraftmessdose 70 dient als Referenz für die Vorspannkraft des Verbindungsbauteils 10. Über einen Abstandshalter 66 und eine Kopfplatte 67 wird die gewünschte Klemmlänge eingestellt.
Das Messen der Vorspannkraft mittels Ultraschall wird von einer Steuereinheit 52 koordiniert. Diese steuert einen Signalgenerator 44 an, welcher ein Anregungssignal erzeugt. Dieses Anregungssignal wird über einen Verstärker 46 verstärkt und über einen Splitter 40 und eine Anschlussleitung 42 zu dem Ultraschallwandler 30 geleitet, welcher sich am ersten Ende 18 des Verbindungsbauteils 10 befindet. Aufgrund der Anregung durch die erhaltenen elektrischen Signale leitet der Ultraschallwandler 30 Ultraschallwellen in das Verbindungsbauteil 10 ein, so dass longitudinale und transversale Ultraschallwellen 26, 28, vergleiche 1, durch den Schraubenschaft 14 hindurch das zweite Ende 20 erreichen. Am zweiten Ende 20 werden die Ultraschallwellen reflektiert und laufen als Ultraschallechos 24, vergleiche 1, wieder durch den Schraubenschaft 14 zurück zum Ultraschallwandler 30. Der Ultraschallwandler 30 empfängt die Ultraschallechos 24 und wandelt diese in ein elektrisches Signal um, welches über die Anschlussleitung 42 zurück zum Splitter 40 läuft. Der Splitter 40 leitet die empfangenen Signale über einen Empfangsverstärker 48 zu einem Empfänger 50. Dort werden die Signale digitalisiert und zur Auswertung an die Steuereinheit 52 übertragen.
Die Steuereinheit 52 bestimmt jeweils die Signallaufzeiten für die longitudinalen und transversalen Ultraschallsignale. Dazu wird jeweils ausgewertet, wie viel Zeit zwischen dem Generieren eines Anregungssignals und dem Empfangen des digitalisierten Echosignals vergangen ist.
Im unbelasteten Zustand des Verbindungsbauteils 10 müssen die Signallaufzeiten für die longitudinalen und die transversalen Ultraschallwellen als Referenzlaufzeit und die dazugehörige Temperatur einmalig gemessen und in der Steuereinheit 52 gespeichert werden. Diese drei Konstanten und die Signallaufzeiten für die longitudinalen und die transversalen Ultraschallwellen unter Last ermöglichen die Berechnung der Vorspannkraft ohne direkte Messung der Temperatur mit einem Temperatursensor 68. Unter Verwendung von Gleichung 11 kann die Vorspannkraft und die dazugehörige „effektive“ Temperatur des Verbindungsbauteils 10 berechnet werden.
Um das Ermitteln der Vorspannkraft des Verbindungsbauteils 10 bei verschiedenen Temperaturen testen zu können, ist eine Temperaturkammer 60 vorgesehen, in der das Verbindungsbauteil 10, eingeschraubt in eine Kraftmessdose 70 mit Schraubblock 62, Abstandsstück 66 und Kopfplatte 67, aufgenommen sind. Des Weiteren ist für Vergleichszwecke ein Temperatursensor 68 am Schraubenkopf 12 des Verbindungsbauteils 10 angeordnet.
Die Kraftmessdose 70 erlaubt eine genaue Bestimmung der Vorspannkraft für Vergleichszwecke, in dem die auf die Kraftmessdose 70 einwirkende Kraft direkt gemessen wird. Der Temperatursensor 68 wird verwendet, um einen Vergleich einer herkömmlichen Temperaturkompensation mit der erfindungsgemäß bestimmten effektiven Temperatur zu ermöglichen.
Das Diagramm der 3 zeigt eine unter Verwendung der Versuchsanordnung der 2 durchgeführte Messreihe, bei der eine Messung der Vorspannkraft eine Schraube als Befestigungselement unter wechselnden Temperaturbedingungen untersucht wurde. Auf der X-Achse des Diagramms ist die Zeit aufgetragen. Auf der linken Y-Achse ist die bestimmte Vorspannkraft in kN und auf der rechten Y-Achse ist die mit dem Temperatursensor 68 an dem Befestigungselement 10 gemessene Temperatur T in °C aufgetragen. In der dargestellten Messreihe wurde der zeitliche Verlauf der Vorspannkraft bei Temperaturwechseln von -10°C bis +10°C untersucht.
Die Temperatur innerhalb der Temperaturkammer 60 wurde mehrfach geändert. In einem ersten Schritt wurde die Solltemperatur auf -10°C eingestellt. Die Kurve 80 zeigt die Messwerte des Temperatursensors 68. In dem Diagramm der 3 ist zu erkennen, dass die Temperatur T, welche durch den Temperatursensor 68 am Schraubenkopf 12 ermittelt wurde, zunächst schnell fällt und sich dann langsam dem Sollwert annähert. Nach Verstreichen einer ersten Wartezeit wurde anschließend die Solltemperatur auf 0°C eingestellt. Die gemessene Temperatur T stieg wiederum zunächst schnell an und näherte sich dann langsam dem Sollwert. Nach einer zweiten Wartezeit wurde der Sollwert auf 10°C eingestellt. Die gemessene Temperatur T stieg erneut zunächst schnell an und näherte sich dem Sollwert anschließend langsam. Nach einer dritten Wartezeit wurde die Temperaturregulierung der Temperaturkammer 60 abgeschaltet, so dass die Temperatur stieg, um sich der Raumtemperatur anzunähern.
Die Kurve 86 in der 3 stellt die von der Kraftmessdose 70 ermittelte Referenzvorspannkraft dar. Dabei ist zu erkennen, dass ein Temperaturwechsel jeweils zu einer vorübergehenden Änderung der Vorspannkraft führte. Das initiale Abkühlen auf -10°C ausgehend von Raumtemperatur führte zu einer vorübergehenden Verringerung der Vorspannkraft. Bei jedem der nachfolgenden Temperaurschritte, bei denen die Temperatur in der Temperaturkammer 60 erhöht wurde, ist eine vorübergehende Erhöhung der Vorspannkraft erkennbar. Die vorübergehende Änderung der Vorspannkraft ist darauf zurückzuführen, dass bei Temperaturänderung die beteiligten mechanischen Komponenten wie der Schraubblock 62, das Abstandsstück 66 und das Verbindungsbauteil 10 selbst sich unterschiedlich schnell erwärmen bzw. abkühlen. So lagen zu Beginn des Tests alle Komponenten des Versuchsaufbaus auf Raumtemperaturniveau. Das nachfolgende Abkühlen auf -10°C erfasste zunächst die außen liegenden Komponenten wie das Abstandsstück 66. Das im Inneren der Versuchsanordnung sitzende Verbindungsbauteil 10 benötigte die meiste Zeit, um die Temperatur von -10°C anzunehmen. Durch das schnellere Schrumpfen des Abstandsstücks 66 gegenüber dem Verbindungsbauteil 10 lässt sich die kurzzeitige Verringerung der Vorspannkraft in der Versuchsanordnung erklären. Umgekehrt führt jede weitere Temperaturerhöhung um jeweils 10 K in der Temperaturkammer zu einer kurzzeitigen Erhöhung der Vorspannkraft, da sich das Abstandsstück 66 schneller erwärmt und ausdehnt, als das im Inneren sitzende Verbindungsbauteil 10.
Die drei weiteren Kurven 81, 82 und 83 im Diagramm der 3 zeigen jeweils die auf Basis von Ultraschallmessungen bestimmte Vorspannkraft des Verbindungsbauteils 10. Die erste Kurve 81 zeigt eine erste Vorspannkraft, bei der nur die longitudinalen Ultraschallsignale berücksichtigt wurden und die zweite Kurve 82 zeigt eine zweite Vorspannkraft, bei der nur die transversalen Ultraschallsignale berücksichtigt wurden. Zum Ausführen einer Temperaturkompensation wurde auf die vom Temperatursensor 68 ermittelte Temperatur zurückgegriffen.
In der Darstellung der 3 ist deutlich zu erkennen, dass die jeweils nur über die longitudinalen bzw. transversalen Ultraschallsignale bestimmte Vorspannkraft bei einer Veränderung der Temperatur eine im Vergleich zu der über die Kraftmessdose bestimmten Referenzvorspannkraft entgegengesetzte Veränderung anzeigt.
Dies ist dadurch begründet, dass die Temperatur des Verbindungsbauteils insbesondere kurz nach dem Beginn eines Temperaturwechsels nicht gleichmäßig ist und der Temperatur der Temperaturkammer 60 hinterherläuft. Der vom Temperatursensor 68 ermittelte Wert der Temperatur T ist somit nicht repräsentativ für das gesamte Verbindungsbauteil 10. Die effektive Temperatur T_eff des Verbindungsbauteils 10, welche eine über den Signallaufweg der Ultraschallsignale gemittelte Temperatur des Verbindungsbauteils 10 ist, weicht hier deutlich von der über den Temperatursensor 68 ermittelten Temperatur T ab.
Eine dritte Kurve 83 zeigt eine dritte Vorspannkraft, welche unter Berücksichtigung der longitudinalen und der transversalen Ultraschallsignale bestimmt wurde. Dabei wurde die effektive Temperatur T_eff des Verbindungsbauteils bestimmt und für eine Temperaturkompensation berücksichtigt. Bei den durchgeführten Temperaturwechseln folgt die dritte Vorspannkraft der über die Kraftmessdose 70 bestimmten Referenzvorspannkraft mit lediglich geringen Abweichungen.
Bezugszeichenliste

10: Verbindungsbauteil
12: Schraubenkopf
14: Schraubenschaft
16: Gewinde
18: erstes Ende
20: zweites Ende
22: Ultraschallsignal
24: Ultraschallecho
26: transversale Welle
28: longitudinale Welle
30: Ultraschallwandler
40: Splitter
42: Anschlussleitung
44: Signalgenerator
46: Sendeverstärker
48: Empfangsverstärker
50: Empfänger
52: Steuereinheit
60: Temperaturkammer
62: Schraubenblock
64: Innengwinde
66: Abstandsstück
67: Kopfplatte
68: Temperatursensor
70: Kraftmessdose
80: Temperaturkurve
81: erste Kurve
82: zweite Kurve
83: dritte Kurve
86: Vorspannkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4602511 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils (10) bei dem Ultraschallsignale (22) in das Verbindungsbauteil (10) eingeleitet werden und Ultraschallechos (24) der Ultraschallsignale (22) wieder empfangen werden, umfassend die Schritte: a) Einleiten eines longitudinalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer ersten Signallaufzeit FTOF_L des longitudinalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des longitudinalen Ultraschallsignals, b) Einleiten eines transversalen Ultraschallsignals und Bestimmen einer zweiten Signallaufzeit FTOF_T des transversalen Ultraschallsignals bis zum Empfang eines Echos des transversalen Ultraschallsignals und c) Bestimmen einer effektiven Temperatur T_eff und der Vorspannkraft des Verbindungsbauteils (10) auf Basis der ersten Signallaufzeit FTOF_L, der zweiten Signallaufzeit FTOF_T, vorher bestimmten Referenzdaten und Kalibrationsfaktoren unter Verwendung der Annahme, dass eine unter Verwendung der ersten Signallaufzeit FTOF_L ermittelte Vorspannkraft F_L und eine unter Verwendung der zweiten Signallaufzeit FTOF_T ermittelte Vorspannkraft F_T gleich groß sind, wobei die Schritte a) und b) nacheinander in beliebiger Reihenfolge oder parallel ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorher bestimmten Referenzdaten eine erste Referenzlaufzeit BTOF_L des longitudinalen Ultraschallsignals und eine zweite Referenzlaufzeit BTOF_T des transversalen Ultraschallsignals umfassen, welche bei einer Referenztemperatur T_BTOF ermittelt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrationsfaktoren einen empirisch ermittelten Zusammenhang zwischen Vorspannkraft und einer Änderung einer Signallaufzeit beschreiben und/oder dass die Kalibrationsfaktoren eine empirisch ermittelte Temperaturabhängigkeit der Laufzeit des unbelasteten Verbindungselements beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Temperaturkompensation einer ersten und zweiten Signallaufzeitdifferenz vorgenommen wird, wobei eine temperaturkorrigierte erste Signallaufzeitdifferenz gegeben ist durch $Δ T O F_{L}_{_{k o r r}} = \frac{F T O F_{L}}{1 + c_{L} \cdot T_{e f f}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{L} \cdot T_{e f f}}$
und eine temperaturkorrigierte zweite Signallaufzeitdifferenz gegeben ist durch $Δ T O F_{T}_{_{k o r r}} = \frac{F T O F_{T}}{1 + c_{T} \cdot T_{e f f}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{T} \cdot T_{e f f}},$
wobei c_L und c_T empirisch ermittelte Konstanten sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Vorspannkraft und einer Signallaufzeitdifferenz angenommen wird, wobei die über die erste Signallaufzeit ermittelte Vorspannkraft F_L gegeben ist durch F_L = k_L - ΔTOF_L
korr und die über die zweite Signallaufzeit ermittelte Vorspannkraft F_T gegeben ist durch F_T = k_T · ΔTOF_T
korr, wobei k_L und k_T empirisch bestimmte Materialkonstanten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Temperatur T gegeben ist durch Gleichsetzen von F_T und F_L und Auflösen der sich ergebenden quadratischen Gleichung nach T_eff.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine quadratische Temperaturkompensation einer ersten und/oder zweiten Signallaufzeitdifferenz vorgenommen wird, wobei eine temperaturkorrigierte erste Signallaufzeitdifferenz gegeben ist durch $Δ T O F_{L_{k o r r}} = \frac{F T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{e f f} + c_{2 L} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{L}}{1 + c_{1 L} \cdot T_{e f f} + c_{2 L} \cdot T_{e f f}^{2}}$
und eine temperaturkorrigierte zweite Signallaufzeitdifferenz gegeben ist durch $Δ T O F_{T_{k o r r}} = \frac{F T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T_{e f f} + c_{2 T} \cdot T_{e f f}^{2}} - \frac{B T O F_{T}}{1 + c_{1 T} \cdot T + c_{2 T} \cdot T_{e f f}^{2}},$
wobei c_1L c_1T, c_2L und c_2T empirisch ermittelte Konstanten sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein quadratischer Zusammenhang zwischen Vorspannkraft und einer Signallaufzeitdifferenz angenommen wird, wobei die über die erste Signallaufzeit ermittelte Vorspannkraft F_L gegeben ist durch F_L = k_1L · ΔTOF_Lkorr + k_2L · (ΔTOF_L
korr)² und die über die zweite Signallaufzeit ermittelte Vorspannkraft F_T gegeben ist durch F_T = k_1T · ΔTOF_T
korr + k_2T · (ΔTOF_T
korr)² wobei k_1L k_2L, k_1T und k_2T empirisch bestimmte Konstanten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Temperatur T_eff gegeben ist durch Gleichsetzen von F_T und F_L und numerisches Suchen nach Lösungen der Gleichung für T_eff.
Vorrichtung zur Bestimmung der Vorspannkraft eines Verbindungsbauteils (10) umfassend Mittel zum Einleiten von longitudinalen Ultraschallsignalen (28) und transversalen Ultraschallsignalen (26) in das Verbindungsbauteil (10), Mittel zum Empfangen von Ultraschallechos (24) der Ultraschallsignale (22) und eine Steuereinheit (52), wobei die Steuereinheit (52) eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.