DE19831270B4

DE19831270B4 - Anordnung und Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines Befestigungselementes

Info

Publication number: DE19831270B4
Application number: DE1998131270
Authority: DE
Inventors: Peter Haug
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: DE19831270A1

Abstract

Anordnung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines zugbelasteten Befestigungselements (10), insbesondere einer Schraube, die folgende Merkmale aufweist:
– wenigstens ein Sensorelement (2, 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 3) zur Erfassung einer Verformung des Befestigungselements (10), wobei das Sensorelement (2,...,3) ein piezoelektrisches Element (2b, 2₁b, 3b, 4₁b, 4₂b, 5b, 6b, 7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b) aus einem piezoelektrischen Kunststoff aufweist, das mit dem Befestigungselement (10) in Verbindung steht und das durch Kräfte an dem Befestigungselement (10) elastisch verformbar ist;
– eine an das Sensorelement (2,...,3) angeschlossene Auswerteschaltung (AS, AS1, AS2, AS3, AS4) zur Ermittlung einer an dem Sensorelement (2,...,6₂) abgreifbaren elektrischen Spannung (U), die abhängig von der Verformung des piezoelektrischen Elements (2b,..., 7₄b) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes zugbelasteter Befestigungselemente wie Schrauben, Stifte, o. ä.

Aus der EP 0 459 068 A1 ist ein Kraftsensor zur Messung der zwischen einem Schraubenkopf und dem zu verschraubenden Bauteil wirkenden Kraft bekannt. Der Kraftsensor weist eine Metallringscheibe nach Art einer Beilagscheibe auf, die zwischen dem Schraubenkopf und dem zu verschraubenden Bauteil angeordnet ist und die ringsum eine Anzahl kreisförmiger Aussparungen aufweist, in die Meßelemente eingebracht sind, welche mit der Metallringscheibe verschweißt sind. Als Meßelemente werden Kristallscheiben, vorzugsweise aus Piezokeramik, wie Quarzkristall (SiO₂) verwendet, an denen eine elektrische Spannung abgreifbar ist, die von der durch den Schraubenkopf auf die Meßelemente wirkenden Kraft abhängig ist.

Nachteilig bei diesem bekannten Kraftsensor ist, dass die Messung des Spannungszustandes nur indirekt über die zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil wirkende Kraft möglich ist. Diese Kraft gibt jedoch nur bedingt Aufschluss über den tatsächlichen Spannungszustand bzw. die Längendehnung der Schrauben bzw. des Schraubenschaftes. Verringert sich die zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil wirkende Kraft, so kann dies durch eine Lockerung der Schraubenverbindung oder auch durch eine dauerhafte plastische Verformung des Schraubenschaftes durch zu starkes Anziehen begründet sein. Eine Unterscheidung dieser beiden Möglichkeiten ist mit dem bekannten Kraftsensor nicht möglich.

Aus der DE 44 10 722 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Spannungszustandes einer Schraube bekannt, wobei die Vorrichtung einen Sensor aufweist, der eine stirnseitig an einem Schraubenkopf angeordnete, von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossene Spule aufweist, die Wirbelströme in den Schraubenkopf induziert, wobei das von den Wirbelströmen ausgehende Feld wiederum den Wechselstromwiderstand der Spule beeinflusst, der mittels einer an die Spule angeschlossenen Auswerteelektronik messbar ist. Zur Messung des Spannungszustandes der Schraube macht man sich hierbei zu Nutze, dass mit zunehmender Schraubenspannung eine Einwölbung der Stirnseite des Schraubenkopfes auftritt, aus der eine Änderung des auf die Spule rückwirkenden Feldes resultiert, die als Änderung des Wechselstromwiderstandes der Spule messbar ist.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist der komplexe Aufbau des Sensors sowie die Notwendigkeit, eine Aussteuer- und Auswerteelektronik vorzusehen, die zum einen zur Ansteuerung der Spule mit hochfrequenten Wechselstromsignalen und zum anderen zur Auswertung des Wechselstromwiderstandes der Spule dient Des Weiteren muss bei dieser bekannten Vorrichtung die Oberfläche des Schraubenkopfes aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.

Aus der EP 0 381 791 A1 ist eine Anordnung zur Messung des Spannungszustandes einer Schraube bekannt, wobei die Anordnung eine erste und zweite Elektrode mit einer dazwischenliegenden piezoelektrischen Folie aufweist, wobei die Anordnung stirnseitig an einem Schraubenkopf angebracht ist und angeregt durch eine elektronische Ansteuerschaltung Ultraschallsignale in axialer Richtung in die Schraube einleitet, die an dem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Ende der Schraube reflektiert und in der Vorrichtung wieder detektiert werden. Aus den Laufzeitänderungen der reflektierten Ultraschallsignale bei Festziehen der Schraube wird hierbei die Längendehnung des Schraubenschaftes bzw. der Spannungszustand der Schraube festgestellt.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist insbesondere die Notwendigkeit einer komplizierten Ansteuer- und Auswerteschaltung, die zum einen zur Anregung des Sensors zur Aussendung von Ultraschallsignalen und zum anderen zur Laufzeitberechnung der am Schraubenende reflektierten Ultraschallsignale dient und der komplexe Aufbau des Sensors, bei dessen Herstellung ein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren als Ultraschallsensor zu gewährleisten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines zugbelasteten Befestigungselementes zur Verfügung zu stellen, die zum einen einfach und kostengünstig realisierbar ist und die zum anderen eine Überprüfung und Bestimmung des Spannungszustandes des Befestigungselementes auf verschiedene Weisen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.

Danach besitzt die Vorrichtung. wenigstens ein Sensorelement zur Erfassung einer Verformung des Befestigungselements, wobei das Sensorelement ein piezoelektrisches Element aus einem piezoelektrischen Kunststoff aufweist, das mit dem Befestigungselement in Verbindung steht und das durch Kräfte an dem Befestigungselement elastisch verformbar ist. Das Sensorelement ist hierzu fest mit dem Befestigungselement verbunden oder ist an einem zu verschraubenden Bauteil angeordnet und liegt beim Festziehen des Befestigungselements an letzterem an. An dem Sensorelement ist mittels einer daran angeschlosse nen Auswerteschaltung eine elektrische Spannung abgreifbar, die abhängig von der Verformung des piezoelektrischen Elements ist.

Das piezoelektrische Element ist vorzugsweise als piezoelektrische Folie ausgebildet. In piezoelektrischen Folien, die beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) bestehen, bildet sich bei Einwirken äußerer Kräfte senkrecht zu diesen Kräften ein elektrisches Feld aus, das proportional zu den äußeren Kräften ist. Die piezoelektrische Folie verhält sich aus elektrotechnischer Sicht wie ein Kondensator, der bei mechanischer Laständerung mit einer proportionalen elektrischen Ladungsänderung reagiert.

Die piezoelektrische Folie des Sensorelementes, die vorzugsweise direkt auf der Oberfläche des Befestigungselementes angebracht ist, erfasst die Änderung des Spannungszustandes des Befestigungselementes, indem sie aus den Spannungsänderungen resultierende Verformungen der Oberfläche der Schraubenverbindung in ein sich änderndes elektrisches Feld umsetzt, welches als Spannung an dem Sensorelement abgreifbar ist. Zum Abgreifen der elektrischen Spannung weist das Sensorelement zwei Elektroden auf, wobei bei direktem Aufbringen der piezoelektrischen Folie auf die Oberfläche der Schraubenverbindung eine der beiden Elektroden durch die Schraubenverbindung selbst gebildet sein und die andere der Elektroden aus einem metallischem Kontakt auf der der Oberfläche der Schraubenverbindung abgewandten Oberfläche der piezoelektrischen Folie bestehen kann, wobei letzterer Kontakt vorzugsweise durch Aufdampfen einer Metallisierung auf die piezoelektrische Folie gebildet ist.

Zur Auswertung des Spannungszustandes genügt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine elektronische Schaltung, die die von dem wenigstens einem Sensorelement gelieferte und von dem Spannungszustand der Schraubenverbindung abhängige elektrische Spannung verstärkt und auswertet und die im einfachsten Fall aus einem empfindlichen Spannungsmessgerät besteht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes von Schraubenverbindungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das wenigstens eine Sensorelement stirnseitig an dem Befestigungselementes, beispielsweise an einem Schraubenkopf bei Verwendung der Anordnung an einer Schraubenverbindung, anzuordnen. Bei Festdrehen der Schraubenverbindung entsteht eine Einwölbung an der Stirnseite des Schraubenkopfes, die eine Dehnung der vorzugsweise direkt auf den Schraubenkopf aufgebrachten piezoelektrischen Folie des Sensorelementes bewirkt. Die Einwölbung des Schraubenkopfes und damit die Dehnung der piezoelektrischen Folie hängt von der Spannung bzw. Dehnung der Schraube ab.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Sensorelemente streifenförmig auszubilden und an einem Schaft des Befestigungselementes anzuordnen.

Eine Änderung der Längsdehnung des Schaftes, bzw. eines Schraubenschaftes, wird bei dieser Ausführungsform direkt in eine Änderung der Dehnung der piezoelektrischen Folie des streifenförmig ausgebildeten Sensorelementes und damit in eine Änderung der an dem Sensorelement abgreifbaren elektrischen Spannung umgesetzt.

Durch Vorsehen eines weiteren Sensorelementes ist bei dieser Ausführungsform zudem eine durch Torsionskräfte bedingte Verdrehung des Schraubenschaftes registrierbar. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass piezoelektrische Folien eine Art Vorzugsrichtung besitzen, wobei eine Dehnung der Folie in diese Vorzugsrichtung in größere Spannungen umgesetzt wird als eine Dehnung der Folie senkrecht zu dieser Vorzugsrichtung. Die piezoelektrische Folie des streifenförmigen Sensorelementes zur Messung der Längendehnung des Schraubenschaftes ist daher vorzugsweise so gewählt, dass ihre Vorzugsrichtung in axialer Richtung des Schaftes verläuft, während die Vorzugsrichtung der piezoelektrischen Folie des streifenförmigen Sensorelementes zur Messung der Torsion des Schraubenschaftes radial zu dem Schraubenschaft verläuft.

Vorteilhafterweise sind vier streifenförmige Sensorelemente vorgesehen, die gleichmäßig beabstandet über den Umfang des Schraubenschaftes verteilt sind, wobei vorzugsweise jeweils zwei gegenüberliegende Sensorelemente zum Bestimmung und Überprüfung der Schraubenschaftdehnung und zwei zur Bestimmung und Überprüfung der Schraubenschafttorsion dienen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das wenigstens eine Sensorelement teilweise zwischen einer unteren Stirnseite eines Kopfes des Befestigungselementes und einem zu befestigenden Bauteil anzuordnen. An der piezoelektrischen Folie des Sensorelementes entsteht hierbei eine Druckbelastung, wobei eine zu dieser Belastung proportionale Spannung an dem Sensorelement abgreifbar ist. Das Sensorelement, weist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise eine Ringscheibe mit einer Anzahl über den Umfang verteilter Aussparungen auf, in denen piezoelektrische Folien bündig zu einer Oberfläche der Ringscheibe angeordnet sind.

Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, das piezoelektrische Element als piezoelektrischen Faden auszubilden, an dem, entsprechend der piezoelektrischen Folie, bei Dehnung eine elektrische Spannung abgreifbar ist und der so ebenfalls zur Erfassung der Verformung des Befestigungselements dient. Die elektrische Spannung, die aus einer Dehnung des piezoelektrischen Fadens resultiert, ist zwischen Enden des piezoelektrischen Fadens abgreifbar. Der piezoelektrische Faden kann, wie auch die piezoelektrische Folie, direkt auf eine Oberfläche des zu kontrollierenden Befestigungselements aufgebracht werden. Des weiteren ist vorgesehen, den piezoelektrischen Fadens in das Befestigungselement zu integrieren. Geeignet für diese Anwendung sind insbesondere Befestigungselemente aus Schäumteilen oder Polyfaserverbunden, bei welchen der piezoelektrische Faden während des Herstellungsprozesses zerstörungsfrei integiert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, wenigstens einen piezoelektrischen Faden in axialer Richtung zentral in das Befestigungselement zu integrieren, wobei bei Zugbelastung des Befestigungselementes und der daraus resultierenden Längendehnung eine von dieser Längendehnung abhängige Spannung an dem piezoelektrischen Faden abgreifbar ist. Wenigstens ein weiterer piezoelektrischer Faden der außerhalb der Mitte ebenfalls in axialer Richtung in das Befestigungselement integriert ist, dient zur Erfassung einer Verdrehung des Schaftes des Befestigungselements. Dieser außerhalb der Mitte angeordnete piezoelektrische Faden erfährt neben einer aus der Längendehnung des Befestigungselementes resultierenden Dehnung einen zusätzlichen Dehnungsanteil, der aus einer Verdrehung des Schraubenschaftes resultiert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes einer Schraubenverbindung, gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 14.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schraubenverbindung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes in Seitenansicht (1a) und in Draufsicht (1b);
2 Detaildarstellung eines Schraubenkopfes mit Sensorelement in Seitenansicht;
3 Schraubenverbindung mit Sensorelement in Schnittdarstellung im entspannten (3a) und angezogenen Zustand (3b);
4 Schraube mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (4a, b) und elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung (4c);
5 Schraubenverbindung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
6 Schraubenverbindung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes gemäß einer vierten Ausführungsform, bei welcher piezoelektrische Fäden zur Erfassung einer Verformung des Befestigungselementes vorgesehen sind;
7 Schraubenverbindung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1a zeigt eine als Schraubenverbindung ausgebildete Befestigungsvorrichtung mit einem als Schraube 10 ausgebildeten Befestigungselement und einer Mutter 12 zur Verschraubung zweier Bauteile 20, 22. Zur Detektion des Spannungszustandes der Schraubenverbindung ist ein Sensorelement 2 vorgesehen, das stirnseitig an einem Schraubenkopf 10a der Schraube 10 angeordnet ist und im Wesentlichen die Form einer Kreisscheibe besitzt, wie insbesondere aus 1b hervorgeht. 2 zeigt eine Detaildarstellung des Schraubenkopfes 10a mit dem Sensorelement 2, welches eine piezoelektrische Folie 2b und eine Kontaktelektrode 2a aufweist, wobei die piezoelektrische Folie 2b in dem dargestellten Ausführungsbeispiel direkt auf die Stirnseite des Schraubenkopfes aufgebracht ist. Die Dicke der piezoelektrischen Folie 2b beträgt üblicherweise zwischen einigen Mikrometern und einigen Milimetern. Bei Dehnung der piezoelektrischen Folie 2b kommt es innerhalb der Folie 2b zur Ausbildung eines elektrischen Feldes senkrecht zur Dehnungsrichtung. Bei Festdrehen der in 1 und 2 dargestellten Schraubverbindung wird zum einen ein Schaft 10b der Schraube 10 gedehnt, zum anderen bildet sich an einer Stirnseite des Schraubenkopfes 10a eine Einwölbung in Richtung des Schaftes 10b aus, die um so tiefer ist, je stärker die Schraubenverbindung verspannt und damit die Schraube 10 gedehnt wird. Beispielhaft ist dies anhand einer weiteren Schraubenverbindung in 3 dargestellt, wobei bei dieser Schraubenverbindung anstelle der nach 1 vorgesehenen Mutter 12 ein Innengewinde in dem Bauteil 22 zur Verschraubung mit der Schraube 10 vorgesehen ist. 3a zeigt die nicht festgezogene Schraube 10 im Querschnitt, an deren Schraubenkopf 10a, an dessen Stirnseite das Sensorelement 2 angeordnet ist, keine Einwölbung ausgebildet ist. 3b zeigt diese Schraubenverbindung bei angezogener Schraube, wobei durch Dehnung des Schraubenschaftes 10b eine Einwölbung der Stirnseite des Schraubenkopfes 10a in Richtung des Schraubenschaftes 10b gebildet ist. Die fest mit der Stirnseite des Schraubenkopfes 10a verbundene piezoelektrische Folie 2b wird hierdurch sowohl in Richtung des Schraubenschaftes, also senkrecht zur Folienoberfläche als auch senkrecht hierzu, d. h. parallel zur Folienoberfläche gedehnt. In 3c sind beispielhaft zwei Vektoren der in der piezoelektrischen Folie 2b wirkenden Dehnungskräfte eingezeichnet.
Die Dehnung der piezoelektrischen Folie 2b bei Einwölbung des Schraubenkopfes 10a bewirkt die Ausbildung eines elektrischen Feldes in der piezoelektrischen Folie 2b, die als Spannung U zwischen der ersten Kontaktelektrode 2a und dem als zweite Kontaktelektrode wirkenden Schraubenkopf 10a abgreifbar ist. Eine Auswertung dieser von der Dehnung der piezoelektrischen Folie 2b und damit der Einwölbung des Schraubenkopfes 10a abhängigen Spannung U erfolgt mittels einer Auswerteschaltung AS der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei die Auswerteschaltung AS im einfachsten Fall aus einem empfindlichen Spannungsmessgerät besteht. Die erste Kontaktelektrode 2a verformt sich mit der piezoelektrischen Folie 2b und ist vorzugsweise als Metallisierung auf die piezoelektrische Folie 2b aufgedampft oder besteht beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff.
Nicht näher dargestellt ist die Möglichkeit, neben der ersten Kontaktelektrode eine weitere Kontaktelektrode zwischen der piezoelektrischen Folie 2b und dem Schraubenkopf 10a vorzusehen, die dann anstelle des Schraubenkopfes 10a an die Ansteuerschaltung AS angeschlossen ist. Das Vorsehen einer derartigen zweiten Kontaktelektrode findet insbesondere dann Verwendung, wenn die Oberfläche des Schraubenkopfes 10a an der der Sensor 2 angebracht ist, nicht elektrisch leitend ist.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung und Überprüfung des Spannungszustandes eines als Schraube 10 ausgebildeten Befestigungselementes erfasst direkt die Dehnung des Schraubenschaftes 10b bei Festziehen der Schraubenverbindung. Hierzu sind bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel vier Sensorelemente 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ an dem Schraubendschaft 10b angeordnet, wobei der Aufbau der Sensorelemente 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ dem Aufbau des für 2 beschriebenen Sensorelements 2 entspricht. Die Sensorelemente 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ weisen also eine piezoelektrische Folie 2₁a und wenigstens eine Kontaktelektrode 2₁b auf, die in 4 lediglich für eines der Sensorelemente 2₁ mit Bezugszeichen versehen sind. Die Kontaktelektrode kann auch nur einen Teil der Oberfläche der piezoelektrischen Folie überdecken.
Die Sensoren 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ sind bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel als längliche Streifen ausgebildet, die in axialer Richtung des Schraubenschaftes 10b gleichmäßig beabstandet an der Umfangsfläche des Schraubenschaftes 10b an geordnet sind. Bei Verwendung der in 4 dargestellten Schraube 10 für eine der Schraubenverbindungen gemäß 1 oder 2 kommt es bei Festziehen der Schraubenverbindung zu einer Dehnung des Schraubenschaftes 10b, wobei durch die hieraus resultierenden Kräfte auch eine Dehnung der piezoelektrischen Folien 2₁b der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ resultiert. Auch bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Folien 2₁b der jeweiligen Sensorelemente 2₁ bis 2₄ direkt an der Oberfläche des Schraubenschaftes 10b befestigt.
4c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der dargestellten Vorrichtung zur Bestimmung und Überprüfung des Spannungszustandes einer Schraubenverbindung, wobei die einzelnen Sensorelemente 2₁ bis 2₄ aus elektrotechnischer Sicht die Funktion eines Kondensators besitzen, wobei die in dem Kondensator gespeicherte Ladung von der Dehnung der piezoelektrischen Folien 2₁b der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ abhängig ist. Jedes der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ besitzt eine eigene erste Kontakt elektrode 2₁a, während der Schraubenschaft 10b bzw. die Schraube 10 die Funktion einer gemeinsamen zweiten Kontaktelektrode für alle vier Sensorelemente erfüllt. Jedem der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ ist eine Ansteuerschaltung AS1 bis AS4 zugeordnet, wobei jeweils eine Anschlussklemme der Auswerteschaltung AS1 bis AS4 an die erste Kontaktelektrode der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ und eine zweite Anschlussklemme an ein gemeinsames Bezugspotential angeschlossen ist, welches durch die Schraube repräsentiert wird.
Piezoelektrische Folien besitzen eine Art Vorzugsrichtung, wobei bei Dehnung der Folie in dieser Vorzugsrichtung ein größeres elektrisches Feld zwischen den Oberflächen der piezoelektrischen Folie ausgebildet wird als bei Dehnung der piezoelektrischen Folie senkrecht zu dieser Vorzugsrichtung. Die piezoelektrischen Folien für die in 4 dargestellten Sensoren 2₁ bis 2₄ sind vorzugsweise so gewählt, dass die Vorzugsrichtung der piezoelektrischen Folien bei jeweils zwei der Sensorelemente 2₁ bis 2₄ in axialer Richtung der Schraube und bei jeweils zwei der piezoelektrischen Folien in radialer Richtung verlaufen. Hierdurch ist eine Erfassung sowohl der Längendehnung des Schraubenschaftes 10b (durch die piezoelektrischen Folien, deren Vorzugsrichtung in axialer Richtung verläuft) und einer Verdrehung des Schraubenschaftes durch Torsionskräfte (durch die Sensorelemente mit piezoelektrischen Folien, deren Vorzugsrichtung radial verläuft) möglich.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines als Schraube ausgebildeten Befestigungselementes, wobei ein Sensorelement 3 hier zwischen dem Schraubenkopf 10a und einem der zu verschraubenden Bauteile 20 angeordnet ist. Wie aus dem in Draufsicht in 5b vergrößert dargestellten Sensorelement 3 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 3 eine Metallscheibe 3a mit einer Anzahl von Aussparungen 3c auf, die gleichmäßig beabstandet zum Mittelpunkt der Metallringscheibe 3a angeordnet sind. 5c zeigt einen Querschnitt durch die Ringscheibe 3a entlang der in 3b eingezeichneten Schnittlinie A-A'. In die Aussparungen 3c sind piezoelektrische Folien 3b eingepasst, wobei diese piezoelektrischen Folien 3b bei Verschrauben der in 5a dargestellten Schraubenverbindung druckbelastet bzw. leicht deformiert werden. Aus dieser Deformation resultiert an jeder der in den Aussparungen 3c befindlichen piezoelektrischen Folien 3b ein elektrisches Feld, das über Kontaktelektroden, wie in 5c für eine der piezoelektrischen Folien 3b dargestellt ist, abgreifbar ist.
6 zeigt eine Schraubenverbindung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und Erfassung des Spannungszustandes eines Befestigungselementes 10, bei welcher Sensoren mit piezoelektrischen Fäden 4₁b, 4₂b, 5b zur Erfassung einer Verformung des Befestigungselementes 10 vorgesehen sind. Die Darstellungen in 6 und 7 beschränken sich darauf, lediglich die piezoelektrischen Elemente jeweiliger Sensoren darzustellen. Selbstverständlich sind auch hier Elektroden, die an den piezoelektrischen Fäden angebracht sind, zum Abgreifen einer elektrischen Spannung und Auswerteschaltungen zum Auswerten der Spannung erforderlich. Die aus einer Dehnung der piezoelektrischen Fäden 4₁b, 4₂b, 5b, 6b, 7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b resultierende elektrische Spannung ist zwischen den Enden der piezoelektrischen Fäden 4₁b, 5b, 6b, 7₄b abgreifbar.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei piezoelektrische Fäden 4₁b, 4₂b an der oberen Stirnfläche des Schraubenkopfes 10a und zwei piezoelektrische Fäden 5b, von denen in der Schnittdarstellung in 6a lediglich einer dargestellt ist, in den Schraubenkopf 10a integriert angeordnet, wobei die beiden integrierten piezoelektrischen Fäden 5b im wesentlichen parallel zu den an der Stirnfläche angebrachten piezoelektrischen Fäden 4₁b, 4₂b verlaufen. Bei Festdrehen der Schraube 10 ergibt sich, wie in 6c dargestellt ist, eine Durchbiegung des Schraubenkopfes 10a, aus welcher eine Längendehnung der piezoelektrischen Fäden 4₁b, 4₂b, 5b resultiert, wobei eine zu dieser Längendehnung proportionale Spannung an den piezoelektrischen Fäden 4₁b, 4₂b, 5b abgreifbar ist.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Bestimmung und Erfassung des Spannungszustandes einer Schraubenverbindung unter Verwendung piezoelektrischer Fäden 6b, 7₁b,...,7₄b dargestellt. Ein piezoelektrischer Faden 6b ist hierbei in axialer Richtung verlaufend zentral in dem Schraubenschaft 10b angeordnet und dient zur Erfassung einer Längendehnung der Schraube bei Festdrehen. Vier weitere piezoelektrische Fäden 7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b, die gleichmäßig beabstandet zu dem zentralen piezoelektrischen Faden 6b angeordnet sind, dienen zur Erfassung einer Verdrehung des Schraubenschaftes 10b beim Festziehen. Diese außerhalb der Mitte angeordneten piezoelektrischen Fäden 7₁b,...,7₄b erfahren bei Festdrehen der Schraube eine Längendehnung, die zum einen aus der Längendehnung des Schraubenschaftes 10b resultiert und die zum anderen aus der Verdrehung des Schraubenschaftes 10b resultiert. Hierdurch werden die außerhalb der Mitte angeordneten piezoelektrischen Fäden 7₁b,..,7₄b stärker als der zentrale piezoelektrische Faden 6b gedehnt. Die aus der Längendehnung der piezoelektrischen Fäden 6b,...,7₄b resultierende elektrische Spannung ist zwischen der Schraube als einer Elektrode und den jeweils aus dem Schraubenkopf 10a herausragenden Enden der piezoelektrischen Fäden 6b,..., 7₄b abgreifbar.
Der Einsatz piezoelektrischer Folien bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschränkt sich nicht darauf, diese an einer Oberfläche des Befestigungselementes anzuordnen. Vielmehr ist auch für piezoelektrische Folien vorgesehen, diese, beispielsweise entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 7, in das Befestigungselement zu integrieren.
Wie den erläuterten Darstellungsbeispielen zu entnehmen ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders flexibel hinsichtlich des jeweiligen Einsatzzweckes. Sie ermöglicht eine Bestimmung und Überprüfung des Spannungszustandes einer Schraubenverbindung direkt am Schraubenschaft, am Schraubenkopf oder auch indirekt durch Ermittlung der Kraft zwischen Schraubenkopf und zu verschraubendem Bauteil und ist so bei verschiedensten Schraubenverbindungen einsetzbar.
Die piezoelektrische Folie ist je nach Einsatzzweck des zu überwachenden Befestigungselementes durch Kleben, Schweißen, Aufdampfen, Beschichten oder durch galvanische Verfahren an dem Befestigungselement aufbringbar.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, die Auswerteschaltungen zum Auswerten der an den Sensoren abgreifbaren elektrischen Spannungen nicht mittels Leitungsverbindungen sondern drahtlos, beispielsweise induktiv, an die Sensoren zu koppeln.

2: Sensorelement
2a: erste Kontaktelektrode
2b: piezoelektrische Folie
3a: Ringelement
3b: piezoelektrische Folie
3c: Aussparung
2₁, 2₂, 2₃, 2₄: Sensorelemente
2₁a: erste Kontaktelektrode
4₁b, 4₂b: piezoelektrische Fäden
5b: piezoelektrischer Faden
6b: piezoelektrischer Faden
7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b: piezoelektrische Fäden
10: Schraube
10a: Schraubenkopf
10b: Schraubenschaft

20, 22: zu verschraubende Bauteile
AS: Auswerteschaltung

AS1, AS2, AS3, AS4: Auswerteschaltungen
U: elektrische Spannung

Claims

Anordnung zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines zugbelasteten Befestigungselements (10), insbesondere einer Schraube, die folgende Merkmale aufweist: – wenigstens ein Sensorelement (2, 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ , 3) zur Erfassung einer Verformung des Befestigungselements (10), wobei das Sensorelement (2,...,3) ein piezoelektrisches Element (2b, 2₁b, 3b, 4₁b, 4₂b, 5b, 6b, 7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b) aus einem piezoelektrischen Kunststoff aufweist, das mit dem Befestigungselement (10) in Verbindung steht und das durch Kräfte an dem Befestigungselement (10) elastisch verformbar ist; – eine an das Sensorelement (2,...,3) angeschlossene Auswerteschaltung (AS, AS1, AS2, AS3, AS4) zur Ermittlung einer an dem Sensorelement (2,...,6₂ ) abgreifbaren elektrischen Spannung (U), die abhängig von der Verformung des piezoelektrischen Elements (2b,..., 7₄b) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2b, 2₁b, 3b) als piezoelektrische Folie ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (4₁b, 4₂b, 5b, 6b, 7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b) als piezoelektrischer Faden ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2b,...,7₄b) direkt auf die Oberfläche des Befestigungselementes (10) aufgebracht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement stirnseitig an dem Befestigungselement (10) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ ) streifenförmig ausgebildet und an einer Umfangsfläche eines Schaftes (10b) des Befestigungselementes (10) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere streifenförmig ausgebildete Sensorelemente (2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ ) an der Umfangsfläche des Schaftes angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vier Sensorelemente (2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ ) an der Umfangsfläche des Schaftes angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet; dass die Sensorelemente (2₂ , 2₂ , 2₃ , 2₄ ) gleichmäßig zueinander beabstandet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) wenigstens teilweise zwischen einer unteren Stirnseite eines Kopfes (10a) des Befestigungselements (10) und einem zu befestigenden Bauteil (20) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine Ringscheibe (3a) mit einer Anzahl Aussparungen (3c) aufweist, in denen die piezoelektrische Folie (3b) bündig zu einer Oberfläche der Ringscheibe (3a) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Oberfläche des Befestigungselementes (10) abgewandten Seite der piezoelektrischen Folie (2b) des Sensorelementes (2, 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ ) eine elektrisch leitfähige Kontaktelektrode (2a) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelektrode (2a) durch Bedampfen der piezoelektrischen Folie (2b) mit einer Metallisierung ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2b,..., 7₁b) in das Befestigungselement (10) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein in axialer Richtung verlaufender piezoelektrischer Faden (6b) und daß wenigstens ein weiterer piezoelektrischer Faden (7₁b, 7₂b, 7₃b, 7₄b) in axialer Richtung verlaufend in das Befestigungselement (10) integriert sind.
Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Spannungszustandes eines zugbelasteten Befestigungselementes (10), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Sensorelements (2, 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ , 3) das ein piezoelektrisches Element (2b,..., 7₄b) aufweist und an dem eine von einer Verformung des piezoelektrischen Elements (2b,...,7₄b) abhängige elektrische Spannung (U) abgreifbar ist; – Anbringen des Sensorelements (2, 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ , 3) an dem Befestigungselement (3) oder benachbart zu dem Befestigungselement (3) derart, dass das piezoelektrische Element (2b, 7₁b) abhängig von einer Verformung des Befestigungselements (10) verformbar ist; – Abgreifen der an dem Sensorelement (2, 2₁ , 2₂ , 2₃ , 2₄ , 3) anliegenden elektrischen Spannung (U) mittels einer Auswerteschaltung (AS, AS1, AS2, AS3, AS4).