DE2139302A1

DE2139302A1 - Optisch mechanische Spannungs oder Dehnungsanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2139302A1
Application number: DE19712139302
Authority: DE
Inventors: Charles H Bethesda Popenoe, Md (VStA) P GOIn 27 02
Original assignee: GYRFALCON Inc
Current assignee: GYRFALCON Inc
Priority date: 1970-08-06
Filing date: 1971-08-05
Publication date: 1972-02-10
Also published as: JPS5113672B1; IL37434A; ES196704Y; SE361090B; ES196704U; DE2139302C3; CA930619A; GB1316899A; AU3190271A; ZA715052B; BE771045A; US3602186A; AU449200B2; FR2104032A5; DE2139302B2; IL37434A0; BR7105034D0

Description

PATENTANWÄLTE

DR. O. DnTMANN K. L. SCHIFF DR. A. ν. FÜNE3R DIPL. ING. P. STRBHL

PATENTANWÄLTE 8 MtTNCHBN OB POSTFACH QB OIΘ0 . Q MÜNCHEN Θ0 MARIAHILPPLATZ 2 & 3

TELEFON: (0811) 45 40 40 & 4432 44 TELEGR.: EUROMABCPAT MÜNCHEN

GYRFALCON, INCORPORATION 5. August 1971

Unsere Akte: DA-K795 KLS:Ki/M

Optisch-mechanische Spannungs- oder Deh*nungsanzeigevorrichtung

(Priorität: 6.8.1970, USA, Nr. 61 764)

Die Erfindung betrifft eine optisch-mechanische Spannungsoder Dehnungs-Anzeigevorrichtung, und insbesondere eine Gruppe Befestigungsmittel, bei denen die Spannung oder die Dehnung, die auf das Befestigungsmittel ausgeübt wird, sichtbar angezeigt wird-.

Ein Zweck der Erfindung ist es, ein Mittel zum Festziehen eines Befestigungsmittels auf eine Torbestimmte-Spannung zu schaffen, ohne daß ein besonderes Instrument, wie ein Drehmomentschlüssel notwendig.ist. Darüberhinaus s.oll eine Spannungsanzeige-Vorrichtung geschaffen werden, bei der eine Farbänderung in einem Anzeigefenster bei einer vorbestimmten Spannung in dem Körper der Vorrichtung auftritt. Wenn die Spannung an der Vorrichtung daher später nachläßt, wird dies bei einer Sicht_inspektion oder bei einer Inspektion mit einer automati-sehen Vorrichtung deutlich, weil wiederum die ursprüngliche Farbe angezeigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsfomi wird ein nicht unter Spannung stehender Stift in ein Loch mit kleinem Durchmesser, das axial in dem Befestigungsmittel angeordnet ist,, eingesetzt und an einen Ende befestigt, während der sich an dem

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anderen Ende gegenüber dem unter Spannung stehenden Körper des Befestigungsmittels bewegen kann. Nach, dem HOOK¹ sehen Gesetz ist die differenzielle Bewegung des freien Zapfenendes gleich der angelegten Spannung dividiert durch den Elastizitätsmodul. ^Relativbewegung beträgt bei Stahl etwa

ο 0,0025 cm für eine angelegte Spannung von 21.100 kg/cm pro 2,54· cm Länge des Stiftes. Daher verlängert sich ein

2,45 cm langer Bolzen, der mit 42.200 kg/cm festgezogen ist, um etwa 0,005 cm. Die Hauptausführungsform der Erfindung betrifft ein Mittel, um einfach und ohne große Kosten diese kleine Verlängerung zu messen und anzuzeigen.

Erfindungogemäß hat das freie Ende*des nicht unter Spannung stehenden Stiftes eine Anzeigeflache, vorzugsweise in der Form einer an dem Stift befestigten Scheibe, so daß die Ebene der Scheibe senkrecht zu der Stiftachse liegt. Die außenliegende Fläche der Scheibe ist vorzugsweise mit einem reflektierenden Überzug in einer leuchtenden Farbe, beispielsweise rot, orange, gelb oder einer anderen Farbe überzogen, die gewöhnlich mit Gefahr oder Warnung in Verbindung gebracht v/ird. Die Scheibe ist in dem Körper des Befestigungsmittel versenkt und mit einem transparenten Fenster bedeckt. Der den Zapfen und die Scheibe umgebende Raum ist mit einem Strömungsmittel dunkler Farbe, beispielsweise dunkelblau ., angefüllt, das die Wellenlänge des von dem Stiftkopf Überzug reflektierten Lichtes stark obsorbiert. Das Fenster ist vorzugsweise versenkt und in bündigem Kontakt mit dem Stiftkopf, wenn das Befestigungsmittel nicht unter Spannung steht. Der Strömungsmittelfilm zwischen der Innenfläche des Fensters und dem Stiftkopf ist sehr dünn oder vernachlässigbar in diesem Zustand und die Farbe des Kopfes wird stark durch das Fenster reflektiert. Wenn eine Spannung durch Festziehen des Befestigungsmittels angelegt wird, wird der Kopf des nicht unter Spannung stehenden Stiftes von dem transparenten Fenster weg zurückgezogen, so daß die Dicke der Schicht des absorbierenden Strömungsmittels zwischen dem Farbkopf und dem Fenster vergrößert wird, bis diese Schicht bei der richtigen

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Spannung für die Farbe des Kopfes undurchlässig wird. Dadurch tritt eine starke Farbänderung, beispielsweise von heHrot-orange nach dunkelblau ein, die, solange die elastische Grenze des Befestigungsmittels nicht überschritten \iird, vollständig reversibel ist. Wenn das Befestigungsmittel sich lockert, wird. \{ ie der die leuchtende Farbe des nicht unter Spannung stehenden Stiftkopfes sofort sichtbar, so daß eine Warnung über das Lockerwerden gegeben wird. Es wird demnach eine rein mechanische Vorrichtung zur Anzeige des Spannungs zustandes zwischen zwei Abschnitten einer Maschine oder Baueinheiten in einem Befestigungsmittel geschaffen, das gewöhnlich in Form eines Gewindebefestigers oder Gewindezapfens verwendet wird, um zwei Punkte "zu befestigen oder zu verbinden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein nicht unter Spannung stehender Stift lose in eine axiale Bohrung in dem Bolzen eingesetzt und an ihn an einem Ende "befestigt. Das freie Ende des Stiftes endet in einem Anzeigekopf mit einer freiliegenden Fläche, die vorzugsweise eine leuchtende Farbe hat, senkrecht zu der Achse des Stiftes liegt und, wenn der Bolzen nicht unter S-pannung steht glatt an einem transparenten oder durchscheinenden Fenster anliegt, das in dem Kopf des Bolzens eingesetzt ist. Der Raum, der den Stift und den Kopf umgibt, ist mit einem vorzugsweise dunklen Strömungsmittel ausgefüllt, das die Färbe der außen liegenden Anzeigefläche absorbiert. Wenn eine Spannung zwischen den Endeides Bolzens, "beispielsweise durch Festziehen desselben, angelegt wird, wird der Anzeigekopf des nicht unter Spannung stehenden Stiftes von dem Fenster weg zurückgezogen, und das Farb-Strömungsmittel tritt hinter das Fenster ein und absorbiert die Farbe der Anzeigefläche "bei einer vorbestimmten Spannung, so daß eine gut sichbare Farbänderung des Anzeigefensters bewirkt wird. Wenn der Bolzen sich später löst, kehrt das Anzeigefenster zu seiner ursprünglichen leuchtenden Farbe zurück, so daß eine Warnung dafür gegeben wird,· daß der Bolzen lose ist.

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Der Punkt, an dein die Farbänderung auftritt, kann durch Veränderung der Dichte des absoriberenden Materials in dein Strömungsmittel geeicht werden. Auf diese V/eise können Be-, festigungsinittel hergestellt werden, die die Farbänderung bei jedem beliebigen vernünftigen Wert der anliegenden Spannung neigen. Versuche mit solchen Befestigungsmittel!! haben gezeigt, daß die Farbänderung bis auf etwa 10 % bezogen auf die angelegte Spannung_t die durch einen Drehmoment Schlüsse gemessen wurde, reproduzierbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gewindebolzen in- dem nicht unter Spannung stehen-. den Zustand;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kopf desselben Bolzens im gespannten Zustand, wobei die Art dargestellt ist, in der das Anzeigeströmungsmittel sichtbar wird;

Fig. J einen transversalen Schnitt eines erfindungsgemäßen Zapf en's;

Fig. 4 einen transversalen Schnitt durch den Kopf eines Bolzens gemäß einer abgewandelten. Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich wie Figur 4 einer weiteren abgewandelten Ausführungsform; und

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich wie Figur 4 einer v/eiteren Ausführungsform, bei der nicht die Verlängerung des Schaftes des Befestigungsmittels, sondern stattdessen die Auslenkung eines Teiles des Kopfes gemessen werden soll.

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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Schraube 2 mit einem Kopf 3 gezeigt, der gewöhnlich die Form .eines Quadrates oder Sechseckes hat, so daß er mit einem Schraubenschlüssel gedreht v/erden kann. Der Körper der Schraube hat ein Gewinde 4, mit dem sie in eine Gewindebohrung eines zu befestigenden Teiles eingesetzt werden kann* oder das zusammen mit einer Mutter verwendet werden kann, um zwei mechanische Teile in bekannter Weise aneinander zu befestigen. Eine axiale Bohrung 6 ist von dem Kopf der Schraube bis zu einem Punkt nahe dem Gewindeende· der Schraube gebohrt und weist eine Aussenkung 7 auf, um eine größere Bohrung nahe bei dem Kopfende zu schaffen. Ein lose passender Stift 8 ist in die Bohrung 6 eingesetzt und an der Schraube an dem blinden Ende 9 in. beliebiger gewünschten -Weise befestigt, vorzugsweise durch einen Reibungssitz in einem Abschnitt der axialen Bohrung 6 mit kleinem Durchmesser an ihrem blinden Ende. Das Kopfende des Stiftes 8 endet in einer Scheibe 11_;mit einer Stirnseite oder AnzeigeflächG 12, die vorzugsweise mit einem gutsichtbaren Überzug aus einer leuchtenden Farbe beispielsw. rot-orange,, versehen ist. Ein Fenster 13 aus Glas, Kunststoff oder einem anderen geeigneten transparenten oder durchscheinenden Material ist an der sichtbaren Stirnfläche des Schraubenkopfes 3 "befestigt, Vorzugsweise ist das Fenster fluchtgerecht in die Fläche (Fig.1) eingesetzt, obwohl es auch an die Oberfläche der Schraube angeklebt sein kann, wobei in diesem Fall der Stiftkopf verlängert würde, so daß die überdeckte Flache 12 in jedes. Fall glatt an der Innenfläche des Fenster 13 anliegt und in engem Kontakt mit dieser steht. Vor dem Einsetzen des Fensters wird der freie Raum zwischen dem Stift 8 und der V/arid der axialen Bohrung 6 im wesentlichen mit einem lichtabsorbierendem Strömungsmittel 14, das eine andere Farbe als die Fläche 12 hat, beispielsweise mit einem dunkelblauen oder schwarzen Strömungsmittel, ausgefüllt. Das Strömungsmittel sollte nicht die Eigenschaft haben, die Kontaktflächen des Fensters 1j5 und die A:;zeigeflache 12 zu verschmutzen oder zu färben, so daß, wenn diese beiden Flächen in engem Kontakt stehen, das Strömungsmittel im wesentlichen

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vollständig zwischen diesen Flächen verdrängt wird, so daß es nicht sichtbar ist. Wenn die Schraube jedoch verwendet wird, um zwei mechanische Teile aneinander zu befestigen, wird die Schraube 2 beim Festziehen mit dem Schraubenschlüssel geringfügig auf Grund der auf sie ausgeübten Spannung verlängert. Da der Stift 8 jedoch nicht unter Spannung steht, beginnt das Fenster 13 sich von der Anzeigefläche 12 wegzubewegen, so daß das Farb-Strömungsmittel in den freien Raum · zwischen den beiden Flächen eintreten kann. Wenn das Strömungsmittel -sehr undurchlässig oder sehr stark lichtabsorbierend ist, genügt eine sehr dünne Schicht dieses Strömungsnittels in der Größenordnung von 0,0025 cm, um das Aussehen der AnzeigefläciTo gesehen durch das Fenster 13 plötzlich und bedeutsam von hell zu dunkel zu ändern. Die Spannung, bei der die Änderung des Aussehens tatsächlich auftritt, kann gut dadurch gesteuert werden, daß die optische Dichte oder Lichtabsorbtion durch das Strömungsmittel gesteuert vrird. Praktisch kann diese geeicht werden, so daß sie innerhalb ΊΟ % reproduzierbar ist, was für die meisten praktischen Zwecke ausreichend ist.

Fig. 2 zeigt die Schraube unter Spannung, wobei der Kopf 11 von dem Fenster 13 wegbewegt ist, so daß das Strömungsmittel 14 in dem Raum und dem Kopf und dem Fenster eintreten und dadurch das Aussehen, wie es durch das Fenster 13 zu sehen ist, ändern kann. Dies ist selbstverständlich in der Zeichnung zum Zwecke der Darstellung stark übertrieben gezeigt, da die tatsächliche Bewegung gewöhnlich weniger als 0,005 cm ist.

Fig. 3 zeigt eine geringfügig abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, die bei einem Zapfen 22 angev/endet ist, dessen unteres Ende an einem Teil einer Maschine oder Baueinheit befestigt sein kann, während das andere Ende mit Hilfe einer Mutter 23 befestigt werden soll. In diesem Fall, wird^da das mit einem Gewinde versehene Ende sichtbar ist, die Erfindung an diesem Ende in derselben Art wie oben vorgesehen. Entsprechende Teile haben Bezugszeichen, die um 2 Dekaden größer als die entsprechenden Bezugszeichen in Pig- 1 sind. Eine Ausnahme bildet das Element 30» welches eine herkömmliche

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Beilagscheibe zeigt.

Pig. 4- zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, in der der Kopf TT₁ der dem Kopf 11 in Fig. 1 entspricht, geringfügig abgerundet ist, so daß er mit dem Fenster nur an einem Punkt in Berührung steht. Das Maß dor Krümmung ist selbstverständlich stark übertrieben gezeigt. Der tatsächliche maximale Abstand zwischen dem abgerundeten Kopf und dem Fenster an dem äußeren Rand des Kopfes ist so bemessen, daß die lichtabsorbierende Flüssigkeit zu Beginn des in-. teressierenden Spannungsbereiches kaum sichtbar ist. Während die Schraube über diesem Bereich hinaus festgezogen wird, wird die sichtbare Fläche der ursprünglichen Farbe des Kopfes kleiner, so daß eine Anzeige der Spannung an jedem Punkt gegeben wird,- während die Schraube weiter festgezogen -wird,-

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, nach dem gleichen Prinzip, bei dem der Kopf 11" abgestuft statt glatt gerundet ist, so daß bei vorbestimmten Spannungs- oder Dehnungspunkten konzentrische Kreise verschiedener Größe auftreten, während die Schraube festgezogen wird, Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Schraube bis zu einem solchen Grad innerhalb eines bestimmten Bereiches festgezogen wird, daß sie weder zu fest noch zu lose ist.

In Fig. 6 ist das elastisch verformbare Spannungsglied in der Struktur 15 in dem Schraubenkopf, der sieh etwas wie ein Belleville-Teller verbiegt, statt in dem länglichen Schaft des Befestigungsmittels enthalten. Die Spannung an dem Schraubenkopf 3"' beim Festziehen yerformt die Struktur 15 axial, so daß die Anzeigefläche 12"', die an dem Kopf 11"' angebracht ist, sich von dem Fenster 13"' wegbewegt, so daß das Deck-Strömungsmittel 14"' in dem Raum zwischen der Fläche 12"* und dem Fenster 13"' eintritt und die sichtbare Farbe des Kopfes des Befestigungsmittels in der gleichen Weise, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, verändert.

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Statt die Erfindung in einer Sehraube anzuwenden, die zum Befestigen zweier mechanischer Teile verwendet wird, kann sie auch in einem Zustand^in dem sie nicht unter Spannung steht, in einer Baueinheit oder in einer Vorrichtung angeordnet -TiJBTdBTLy die übermäßigen Spannungen unterworfen werden kann-j beispielsweise in einer Brücke» * einem kritischen Abschnitt eines Flugzeugflügels und dergleichen, xfobei diese Bauteile normale-rweise nicht unter Spannung stehen. Wenn die beiden Teile gedoch einer Spannung bis zu einem gefährlichen Maße ausgesetzt werden, kann die Vorrichtung so geeicht wei'den, daß dieser Zustand durch eine Änderung in der Farbe des Kopfes angezeigt wird, wenn das Anzeigeglied auf Grund des gefährlichen Zustandes unter Spannung steht. Dies kann daher durch eine Sichtung jederzeit festgestellt werden, ohne daß zusätzliche Werkzeuge oder Anzeigeeinrichtungen verwendet werden müßten. Dasselbe Prinzip kann natürlich auch an mechanischen Modellen angewendet \\^rerden, die einem Spannungstest unterworfen werden, um ihre Grenzbelastbarkeit zu bestimmen.

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Claims

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Patentansprüche

11, bptisch-mechanische Spannungs- oder Behnungsanzeige- ^ vorrichtung, gekennzeichnet durch einen ersten Spannungsteil (3* 23) und einem zweiten nicht unter Spannung stehenden Teil (8, 28), die an einem Punkt aneinander befestigt sind und an einem anderen Punkt "bei einer elastischen Verformung des ersten Teiles relativ zu einander bewegbar sind, wobei an dem ersten Teil eine Fensteröffnung (13, 33) befestigt ist und der zweite Teil neben der Fensterfläche eine Anzeigefläche" aufweist, die gegenüber der Fensterfläche unter der an dem ersten Teil angelegten Spannung;'"bewegbar ist, ,ein lichtabsorbierendes Anzeige-·" Strömungsmittel (14-, 3²O zwischen der Feiisterfläehe und der Anzeigefläche, wobei die Menge des zwischen den beiden Flächen sichtbaren Strömungsmittels sich mit der Relativ-Bewegung der beiden Flächen ändert, und durch eine Befestigungsvorrichtung, um äen ersten Teil in der Hähe seiner Fensterfläche an einem Bauteil einer'Baueinheit und in der Kähe des nicht unter Spannung stehenden Teiles an einem anderen Bauteil einer Baueinheit zu befestigen, um den Spannungs- oder Behnungszustaiid zwischen den beiden Bauteilen anzuzeigen·
2. Spannungs-Anzeigevorrichtußg, insbesondere nach Anspruch gekennzeichnet durch einen: länglichen: Spannungsteil 0* 25) mit einer axialen Bohrung (6, .26), durch Befeetigungseinrichtungen, um die Enden dieses feiles an entsprechenden: Bauteilen zu befestigen, zwischen denen die Spannung auftreten kann, einen länglichen, stabförmigen Teil (8, 28}* der lose in die axiale Bohrung Ginge set isst ist und an einem Ende der axialen. Bohrung an -.«tem. Ssanmmgstell (3* 2$) befestigt ist* wobei dasandere"Sn&e des stabfÖrmigen Teiles (8, 28} eine Anzeigefläohe quer zu seiner Iiängsaclise" ""--Mt* eis ges Fenster (13» 33)* öas das Eade des?

INSPECTED

- ίο -

an der Anzeigefläche verschließt, wobei die Anzeigefläche des stabförmigen Teiles(8,28)sehr nahe bei der Innenseite des Fensters liegt, wenn der Spannungsteil(3i23)nicht unter Spannung steht, ein lichtabsorbierendes An-zeige-Strömungsiaittel('14,3^z**»)das im wesentliehen den Kaum der axialen Bohrung ausfüllt, der nicht von dem stabförmigen Teil 8»28 eingenommen wird, wobei, wenn der Spannungsteil' durch eine Spannung zwischen seinen entgegengesetzten Enden unter Spannung gesetzt wird, das Ende des stabförmigen Tei»les(8,28)mit der Anzeigefläche sich von dein Fenster(13*33) wegbewegt * so daß ermöglicht wird, daß das Anzeige-Strömungs-. mittel zwischen das Fenster(13,53)und die Anzeigefläche(12,32) eintritt·
3» Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Anzeige fläche (12,32 )als auch die Innenfläche dos Penster(13j33)eben sind und in einem dicht aneinander angreifenden Kontakt liegen·
4. Torrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster(13J eine ebene Innenfläche und die Anzeigefläche (12 * )eine leichte Krümmung oder umgekehrt aufweist, so daß die Anzeigefläche und das Fenster nicht an allen Punkten ihrer nebeneinaoäerliegenden Flächen miteinander in Kontakt stehen.
5· Vorrichtung, fmch Anspruch 2 dadurch, gekennzeichnet, daß die Anzeigefläehe mehrere Stufenflächen unter geringfügig verschiedenen Abständen von dem Fenster hat·
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet» daß der längliche Spanmingsteil eine Schraube ist und UmB das Fenster in einem E&de der Schraube angeordnet ist·
7· Vorrichtung nach Absprach 2 dadurch gekennzeichnet, «tafi der längliche Spannungsteil ein. Gewindezapfea ist, imä. <iass das Fenster in üem Gewin&eesde des Zapfens auge ordnet ist·

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- OFt(GiMALfMSPEeTED

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Teil ein elastisch verformbarer Befestigungsiaittelkopf ist.
9. Vorrichtung nach'Anspruch. 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf ein nachgiebiges scheibenförmiges Bauteil hat, das sich von dem Üaifang des Kopfes zu einem Mittelbereich nach Innen erstreckt und daß der zweite Steil sich von dem Mittelteil zura Fenster erstreckt.

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