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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Einstellen bzw. Prüfen der axialen Spannkräfte
bei Schraubverbindungen.
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Die Erfindung betrifft vor allem mechanische
Schraubverbindungen, die unterschiedlicher Ausführung und in
vielfältiger Weise im Bereich der Mechanik angewandt
werden. Sie ist prinzipiell für alle bekannten Arten
von Gewinden bzw. Schraubverbindungen anwendbar.
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Es sind bereits Vorrichtungen zum Einstellen der
Axialkraft in Schraubverbindungen bekannt, welche
eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer zwischen
z. B. zwei Kraftaufbringungselementen der
Schraubverbindung wirkenden Axialkraft enthalten. So sind
sogenannte "Drehmomentschlüssel" bekannt, welche eine
mechanische Überlastregelung bei Überschreitung eines
vorgegebenen Drehmomentes für eine Schraubverbindung
ermöglichen. Auf diese Weise ist eine genaue
Feststellung der zwischen den Kraftaufbringungselementen
(z. B. einem Schraubenkopf an einem Schraubenschaft
als erstem Kraftaufbringungselement und einer Mutter
auf einem Gewinde des Schraubenschaftes als zweites
Kraftaufbringungselement) nicht sicher möglich. Das
Drehmoment, welches zum Anziehen einer
Schraubenverbindung aufgewendet wird, bewirkt zwar eine Änderung
der Axialkraft zwischen den
Kraftaufbringungselementen, da durch die Steigung des Gewindes eines
Schraubenschaftes eine Drehbewegung eine Abstandsänderung
der Kraftaufbringungselemente und dadurch eine
Axialkraft Veränderung erzeugt. Die Korrelation zwischen
Axialkraft und Drehmoment ist jedoch unter Umständen
sehr fehlerbehaftet, da die Reibkräfte eines
Kraftaufbringungselementes auf einem Gewinde das
Drehmoment maßgeblich beeinflussen. Bei identischen
Drehmomenten kann die Spannkraft einer Schraubverbindung
erheblich variieren, so daß für gut gleitende
Schrauben die Gefahr der Überdehnung besteht, während bei
schwergängigen Schrauben das vorgewählte Drehmoment
bereits erreicht wird, wenn die zu verbindenden Teile
noch lose sind. Abgesehen von dieser Ungenauigkeit
besteht bei dem mechanischen Überlastschutz der
Nachteil, daß lediglich eine Grenzüberschreitung möglich
ist, jedoch keine exakte Messung der Axialkraft.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zum Einstellen und/oder Prüfen der
axialen Kräfte in Schraubverbindungen vorzuschlagen,
welche auf schnelle und kostengünstige Art und Weise
exakt die Axialkräfte einer Schraubverbindung
ermitteln kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch, daß die Kontrolleinrichtung Mittel zur
Signalwertaufnahme von einem Meßelement aufweist,
dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von
der wirkenden Axialkraft veränderlich ist, ist eine
direkte Ermittlung der Axialkraft (ohne Umweg über
eine Drehmomentmessung) möglich. Die Axialkraft ist
durch beliebige Kraftanbringungselemente (die in
ihrer Form und Anzahl beliebig sein können aufbringbar,
wesentlich ist, daß eine resultierende Axialkraft
entsteht. Als Ausgangswert wird eine elektrische
Widerstandsmessung bzw. eine dadurch entstehende
Spannungsänderung in einem Meßelement herangezogen,
welches durch die Axialkraft mechanisch belastet wird.
Das Meßelement kann hierbei aus einem Material
bestehen bzw. mit einem Material beschichtet sein, wie es
in der DE 199 54 164 A1 gezeigt ist. Es kann sich
hierbei z. B. um eine amorphe diamantähnliche
Kohlenstoffverbindung handeln. Zur Vermeidung von
Wiederholungen wird hier auf sämtliche Materialien, welche in
der DE 199 54 164 A1 aufgezählt sind, Bezug genommen.
Selbstverständlich sind auch weitere piezoresistive
Materialien zur Ausbildung des Meßelementes möglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor,
daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bauteil zur
Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes
aufweist. Die Vorrichtung kann z. B. als ein
schraubenschlüsselförmiges Element ausgestaltet sein,
welches als Bauteil zur Fixierung eines drehbaren
Kraftaufbringungselementes, z. B. eine Nuß, zur Umgreifung
einer Schraube aufweist. Diese Nuß kann die Form von
bekannten Steckschlüsselaufsätzen haben, es sind auch
entsprechende Aufsätze für Schlitz- bzw.
Kreuzschlitzschrauben möglich. Selbstverständlich sind
auch beliebige weitere Formen, wie z. B.
Imbuseingriffe möglich. Das Bauteil zur Fixierung des drehbaren
Kraftaufbringungselementes (also z. B. eines
Schraubenkopfes) kann gegenüber dem restlichen
Schraubenschlüssel drehbar sein (Prinzip einer "Ratsche"), es
kann aber auch fest mit diesem verbunden sein.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor,
daß das Bauteil zur Fixierung Mittel zur
Signalaufnahme enthält. So kann z. B. eine Nuß integrierte bzw.
als Ummantelung aufgebrachte elektrische Leitung
sowie Kontaktstifte aufweisen, welche einerseits mit
dem Meßelement in elektrischer Verbindung stehen und
andererseits mit einer zu der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gehörenden Meß- und Steuereinrichtung.
Hierbei kann die Signalübertragung einerseits über
direkte Kontaktierung elektrisch leitender Flächen
erfolgen. Neben der galvanischen Übertragung ist jedoch
auch eine induktive bzw. kapazitive Kopplung
verschiedener Signalwert übertragender
Leitungsabschnitte möglich (diese Varianten bieten sich insbesondere
bei der Verwendung der Vorrichtung in feuchten Medien
bzw. zur Verschleißminderung bei sich relativ
zueinander drehenden Bauelementen an).
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor,
daß die Mittel zur Signalwertaufnahme z. B. an
lediglich einer Stelle eine Axialkraft ermitteln. Hierzu
wird z. B. ein Kontaktstift an ein erfindungsgemäßes
Meßelement angeschlossen (die Spannung wird dann
gegenüber einem Masseanschluß ermittelt, welcher über
eine zu dem Kontaktstift isolierte elektrische
Verbindung, z. B. über elektrisch leitende Schraubenköpfe
bzw. damit in Verbindung stehende Nüsse gegeben ist.
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Es ist jedoch auch möglich, z. B. mehrere
Kontaktstifte zur gleichzeitigen Messung mehrerer Signalwerte
vorzusehen, um auf diese Weise ein noch genaueres
gemitteltes Meßsignal (zur Kompensation von
Temperaturschwankungen bzw. geometrischen Unebenheiten) zu
erreichen.
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Eine besonders für die Praxis taugliche Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, daß das Bauteil zur
Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes zur
Fixierung eines Schraubenkopfes, einer Mutter oder
dergleichen ausgebildet ist. Vorteilhaft ist, daß
hierbei die Mittel zur Signalwertaufnahme ebenfalls
in dem Bauteil zur Fixierung des drehbaren
Kraftaufbringungselementes untergebracht sind (z. B. integral
in einer Nuß) und daß diese Mittel zur
Signalwertaufnahme über z. B. Kontaktstifte direkt auf eine
Unterlegscheibe greifen, auf welche durch das
Kraftaufbringungselement (also Schraubenkopf etc.) eine
Axialkraft aufgebracht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor,
daß eine Vorrichtung zur akustischen oder optischen
Anzeige eingestellter bzw. bestehender
Axialkraftwerte vorgesehen ist. Hierfür ist in einfachen
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die
Feststellung von Eckwertüberschreitungen eine
Kontrollleuchte oder eine Signaltonvorrichtung
notwendig. Zur Angabe genauer Zahlenwerte ist auch eine
alphanumerische Anzeige denkbar. Das erfindungsgemäße
Werkzeug/bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird
erfahrungsgemäß so gestaltet, daß am Grundwerkzeug,
z. B. einer Ratsche, einem Akkuschrauber oder anderen
Schraubwerkzeugen (bis hin zu Schraubautomaten) eine
elektronische Schaltung mit einer entsprechenden
Signalauswertung und Anzeige sowie der erforderlichen
Energieversorgung vorgesehen wird. Die Energie kann
mit Hilfe einer Batterie bereitgestellt werden oder
auch durch telemetrische Vorrichtungen unter
Anwendung von Akkus oder anderen Energiespeichern optisch,
kapazitiv oder induktiv eingekoppelt werden. Die
elektrische Versorgung des Meßelementes kann hierbei
wahlweise über eine Gleich- oder eine
Wechselstromverbindung erfolgen.
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Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für
sämtliche Schraubverbindungen nach dem Stand der
Technik anwendbar, also für Schraubverbindungen mit
Kraftaufbringungselementen aus Holz, Metall oder
Kunststoff. Zur Fixierung dieser Schraubverbindungen
können ebenfalls beliebige Elemente nach dem Stand
der Technik, also Kreuzschlitz-, Schlitz-,
Sechskant-, Vierkant-, Imbusschrauben oder dergleichen zur
Anwendung kommen.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren
erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Teil der Vorrichtung zum Einstellen der
Axialkraft in einer auf eine
Schraubverbindung aufgesetzten Stellung,
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Fig. 2a und 2b Details eines Bauteils zur Fixierung
drehbarer Kraftaufbringungselement,
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Fig. 3 ein Detail eines Kontaktstiftes zur
elektrischen Kontaktierung einer Unterlegscheibe,
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Fig. 4a und 4b Ansichten einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Einstellen der Axialkraft,
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Fig. 5a und 5b Details zur elektrischen Verbindung zwischen
einem Kontaktstift und einer
erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, und
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Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten zur elektrischen
Anbindung eines Bauteils zur Fixierung eines
drehbaren Kraftaufbringungselementes an eine
erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung.
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Fig. 1 zeigt eine Schraubverbindung mit einem Teil
einer Vorrichtung 1 zum Einstellen und/oder Prüfen
der Axialkraft in Schraubverbindungen, wobei die
Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung
einer zwischen zwei Kraftaufbringungselementen der
Schraubverbindung wirkenden Axialkraft enthält. Die
Schraubverbindung wird durch einen Schraubenschaft 9
realisiert, an dessen oberem Ende ein
Sechskantschraubenkopf 7 angebracht ist und an dessen unterem
Ende auf einem Gewinde eine Mutter 8 aufgeschraubt
ist. Zwischen der Mutter und dem Schraubenkopf 7 sind
(in der Aufzählung von unten beginnend) ein Bauteil
11a, ein Bauteil 11b, eine Hilfsunterlegscheibe 12,
ein kreisringförmiges Meßelement mit piezoresistiver
Beschichtung, sowie eine weitere Hilfsscheibe
angebracht. Die durch Drehung des Schraubenkopfes 7
aufgebrachte Axialkraft dient also primär der geeignet
einstellbaren Verbindung der Bauteile 11a und 11b.
Zur leichteren Einstellbarkeit ist die Mutter 8 auf
nicht mehr dargestellte Weise verdrehsicher am
Bauteil 11a angebracht.
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Die Schraubverbindung in Fig. 1 ist lediglich
beispielhaft dargestellt. Sie kann beliebige andere
Formen aufweisen, z. B. kann eine Schraube mit ihrem
Gewinde auch direkt in das Bauteil 11a hineingeschraubt
werden, in diesem Falle bildet der Schraubenkopf 7
ein erstes Kraftaufbringungselement und das Bauteil
11a selbst das hierzu korrespondierende zweite
Kraftaufbringungselement, wobei zwischen den
Kraftaufbringungselementen eine Axialkraft aufgebaut wird. Es
sind aber auch beliebige andere Schraubverbindungen
denkbar mit unterschiedlichen Ausführungsformen von
Bolzen, Muttern sowie Materialien dieser Elemente
(Holz, Metall oder Kunststoff). Statt eines
Sechskantkopfes kann der Schraubenkopf 7
selbstverständlich auch als Kreuzschlitz-, Schlitz-, Vierkant-,
Imbusschraube oder dergleichen ausgeführt sein. Die
erfindungsgemäßen Mittel zur Signalwertaufnahme der zur
Vorrichtung gehörenden Kontrolleinrichtung stehend in
Fig. 1 mit einem Meßelement 2 in Verbindung. Dieses
Meßelement weist die Eigenschaft auf, daß sein
elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wirkenden
Axialkraft veränderlich ist. Hierfür geeignet kann
eine amorphe Kohlenstoffschicht mit graphitischen
Strukturen sp2-Hybridisierung in Kombination mit
diamantähnlichen Strukturen mit sp3-Hybridisierung sein.
Bezüglich der möglichen Vielfalt von weiteren
Materialien wird voll umfänglich auf die Deutsche
Offenlegungsschrift 199 54 164 A1 verwiesen. Es sind
jedoch auch andere dem Fachmann bekannte piezoresistive
Materialien möglich.
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Das Meßelement 2 ist im Wesentlichen als
Hohlkreiszylinder ausgeführt, wobei die zentrale Öffnung zur
Durchführung des Schraubenschaftes 9 dient. Der Kern
des Hohlkreiszylinders ist aus einem handelsüblichen
Stahl (z. B. ST37). Es sind selbstverständlich auch
Edelstähle, gehärtete Stähle, Titan, Aluminium etc.
als Materialien möglich, aber auch
glasfaserverstärkte Kunststoffe. Auf der Ober- bzw. der Unterseite
dieses Hohlkreiszylinders sind Schichten aus
Material. dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit
von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist (wie
oben beschrieben). Diese Schichten reichen allerdings
nicht bis zum äußerste Umfang des Meßelementes 2, der
bis zum Rand des Meßelementes 2 verbleibende Ringraum
ist ein segmentierter oder nicht segmentierter
Ringbereich zur elektrischen Kontaktierung. Dieser
bereich ist zur Verbindung mit Kontaktstiften 14a bzw.
14b geeignet.
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Über z. B. den Kontaktstift 14a ist eine
Spannungsänderung durch Änderung des elektrischen Widerstandes
in den Kraftmeßschichten 13 meßbar. Der Kontaktstift
ist auf später noch zu erklärende Weise mit einer
Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbunden. Ebenfalls mit dieser Steuereinrichtung
verbunden ist ein Masseanschluß, diese elektrische
Verbindung findet über elektrisch leitfähige
Komponenten zwischen Steuereinrichtung und Meßelement 2
(also Schraubaufsatz 15, Schraubenkopf 7,
Hilfsscheiben 12 etc.)statt.
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Im Folgenden wird genauer auf die Ausbildung des
Schraubaufsatzes 3 eingegangen. Dieser weist zum
einen eine dem Schraubenkopf 7 zumindest bereichsweise
komplementäre Form auf zur Drehung des Schraubkopfes
um die Schraubenschaftachse. Der Schraubaufsatz 3,
welcher somit ein Bauteil zur Fixierung des
Kraftaufbringungselementes 7 darstellt, ist aus einem
elektrisch leitenden Material, üblicherweise gehärtetem
Edelstahl. Der Schraubaufsatz kann eine
kreiszylindrische Form aufweisen und ist an seiner äußeren
Mantelfläche mit einem Isolator 16 (z. B. AL2O3 oder
einem elektrisch nicht leitenden Polymer) beschichtet.
Eine oder mehrere federgetriebene Kontaktstifte 14a,
14b sind in einem Ringraum untergebracht, welcher
radial nach außen gesehen von einer weiteren
Isolatorschicht in Form eines Hohlkreiszylinders begrenzt
wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die hier gezeigte
Anordnung von Kontaktstiften 14a, 14b sowie
Unterlegscheibe 2 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Es
ist selbstverständlich auch möglich, eine andere Form
eines Meßelementes vorzusehen bzw. die
Unterlegscheibe zum Schutz vor Verdrehungen in einer Schutzhülse
vorzusehen.
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Fig. 2a und 2b zeigen Teilansichten der Umgebung der
Kontaktstifte 14a, 14b. In Fig. 2a ist zu sehen, wie
eine zwischen den zylindrischen Isolatorenschichten
16 und 18 angebrachte Anordnung aus einer Feder 5 und
dem Kontaktstift 14a untergebracht ist. Die Feder 5
ist elektrisch leitend, um eine Verbindung zwischen
dem Meßelement 2 und der hier nicht gezeigten
Steuereinrichtung herzustellen. Der Kontaktstift 14a weist
an seinem vorstehenden Ende eine Spitze auf zur
besseren Fixierung an der Unterlegscheibe und somit der
Sicherstellung einer besseren Meßverbindung. Anstelle
und/oder zusätzlich zu der Feder kann die Fixierung
auch mit an der Spitze angebrachten Magneten 20
erfolgen (dies setzt allerdings eine ferromagnetische
Meßeinrichtung voraus).
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Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf mehrere
Kontaktstifte, unter anderem die Kontaktstifte 14a und 14b.
Prinzipiell ist es ausreichend, einen einzigen
Kontaktstift 14a vorzusehen. Es können jedoch auch zur
Verbesserung der Meßgüte (Ausgleich geometrischer
Unebenheiten bzw. Temperaturkompensationen) mehrere
Kontaktstifte angewandt werden, welche elektrisch
miteinander verbunden sind oder voneinander
elektrisch isoliert sind (hierzu sind gegebenenfalls
elektrisch voneinander isolierte segmentierte
Bereiche auf dem Meßelement 2 vorzusehen, welche jeweils
mit einem korrespondierenden Kontaktstift 14a, 14b in
Verbindung stehen).
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Kontaktstiftes 14c, welcher sich von der oben genannten
Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß
an seiner Spitze eine hakenartige Vorrichtung als
Klemmkontakt zur besseren Fixierung/Kontaktierung des
Meßelementes 2 gegeben ist.
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Fig. 4a und 4b zeigen Ansichten einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Einstellen der Axialkraft in
Schraubverbindungen.
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Fig. 4a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in
Form eines Schraubenschlüssels. Dieser weist einen
Handgriff 21 auf, welcher mit einem Bauteil 3 zur
Fixierung (einem Schraubaufsatz, siehe Fig. 1)
verbunden ist. Der Handgriff 21 ist mit dem Schraubaufsatz
3 drehfest verbunden. Alternativ hierzu ist es auch
möglich, den Schraubenschlüssel als "Ratsche"
vorzusehen, bei dem eine einseitig sperrende
Drehverbindung vorgesehen ist. Abhängig von der Art der
Verbindung ist auch die elektrische Verbindung von
Schraubaufsatz 3 und Handgriff 1 zu wählen. In Fig. 4a ist
zu sehen, daß die Feder 5 linksseitig an einem
Kontakt zum Handgriff 6 elektrisch leitend befestigt
ist, dieser Kontakt ist über eine elektrische
Verbindung mit einer Anzeigevorrichtung 10 verbunden,
welche zusätzlich über einen Masseanschluß zur
Schraubverbindung hin verbunden ist. Somit sind Änderungen
des elektrischen Widerstandes im Meßelement 2 als
Potentialänderung für die Anzeigevorrichtung 10 meßbar.
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Die Anzeigevorrichtung 10, welche zur
erfindungsgemäßen Steuereinrichtung gehört, verfügt über eine
alphanumerische optische Anzeige zur Anzeige in der
Schraubverbindung bestehender bzw. eingestellter
Axialkraftwerte. Hierbei werden, sobald der
Schraubaufsatz 3 auf dem Schraubenkopf 7 aufgesteckt ist
und die Kontaktstifte 14a (und weitere) auf das
Meßelement 2 gedrückt, Werte für die in der
Schraubverbindung bestehende Axialkraft angegeben.
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Selbstverständlich sind auch andere
Anzeigemöglichkeiten, etwa durch eine Kontrollleuchte zur Angabe
eines einfachen Grenzwertes oder auch akustische
Anzeigen möglich.
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Fig. 5a und 5b zeigen weitere Details der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Fig. 5a ist wiederum der
Schraubaufsatz 3 (als Steckschlüssel) dargestellt.
Die Isolierschichten 16 und 18 fassen auf die oben
beschriebene Weise einen Ringraum ein, aus welchem
nach rechts hin durch die entspannte Feder 5 die
Kontaktstifte 14a etc. herausgedrückt sind zur
Kontaktaufnahme mit einem Meßelement 2. Die Feder 5 bzw. ein
linksseitig der Feder angeordnetes elektrisch
leitendes Element treten mit dem elektrischen Kontakt 6 zur
elektrischen Verbindung mit der Anzeigevorrichtung 10
in Verbindung. Der Kontakt 6 ist als Stift
ausgeführt, welcher durch eine Feder 22 aus dem Handgriff
21 des Schlüssels herausgedrückt wird, um den
elektrischen Kontakt mit dem Stift 14a zu verbessern.
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Fig. 5b zeigt eine weitere Anordnung des Ringraums,
in welcher der Kontaktstift 14a beispielhaft
dargestellt ist. Es ist hier eine revolvermäßige Anordnung
gezeigt, bei welcher mehrere Kontaktstifte über den
Umfang des Ringraums verteilt untergebracht sind.
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Fig. 6 zeigt schließlich eine weitere Art der
Verbindung zwischen Steckschlüssel 3 (zu welchem die Mittel
zur Signalwertaufnahme, also Kontaktstifte mit darum
liegenden Isolatoren gehören). Ein mit dem
Kontaktstift 14a über die Feder 5 elektrisch verbundenes
Bauteil kann hierbei auch berührungslos mit einem
Kontakt 6' am Handgriff 21 verbunden sein. Der
Kontakt 6' ist auch hier über eine Anschlußleitung mit
Anzeigevorrichtung 10 verbunden. Zwischen dem Kontakt
6' und dem links der Feder 5 gezeigten elektrisch
leitenden Element ist ein Spalt vorgesehen, über
welchen eine kapazitive oder induktive Ankopplung
erfolgen kann (siehe auch Beschreibungseinleitung).
Alternativ ist selbstverständlich auch die galvanische
Ankopplung stets möglich.