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Kraftmesseinrichtung für Schrauben, Dübel und
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dergleichen Befestigungselemente
Kraftmesseinrichtung
für Schrauben, Dübel und dergleichen Befestigungselemente Die Erfindung betrifft
eine Kraftmesseinrichtung für Schrauben, Dübel und dergleichen Befestigungselemente,
mit einem zwischen zwei Scheiben angeordneten Federelement.
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Bei hochbeanspruchten Befestigungselementen ist es üblich, den Spannungszustand
des Elementes zu erfassen. Dies erfolgt einerseits dadurch, dass das Anzugs-Drehmoment
beispielsweise mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels begrenzt wird.
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Theoretisch besteht zwischen dem Anzugsmoment und dem Spannungszustand
ein direkter Zusammenhang. Da dabei jedoch die von verschiedenen Faktoren abhängige
Reibung mit hineinspielt, ist der Spannungszustand über das Drehmoment nur ungefähr
erfassbar. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, ist es bereits bekannt, Anzeigeelemente
für den im Befestigungselement vorhandenen Spannungszustand vorzusehen. Diese können
entweder im Befestigungselement selbst eingebaut oder als separater Zusatz ausgelegt
werden. Der Einbau eines Anzeigeelementes im Befestigungselement selbst bedeutet
jedoch stets eine erhebliche Verteuerung, da somit keine Normteile verwendet werden
können. Ein separates Anzeigeelement hat dagegen den Vorteil, dass es nur dann angewendet
werden muss, wenn dies für die Funktion des Befestigungselementes erforderlich ist.
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Aus der Literatur sind bereits zahlreiche Anzeigeelemente bekannt.
Die meisten de bekannten Elemente haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder zu
aufwendig und daher nicht wirtschaftlich oder zu grob und ungenau sind. Zur ersten
Gruppe gehören beispielsweise sogenannte Dehnmessstreifen, welche in der Forschung
häufig verwendet werden; in der Praxis jedoch aus Kostengründen meist nicht anwendbar
sind.
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Aus einer Anwendung im Bergbau ist es beispielsweise bekannt, zwischen
zwei Scheiben aus Metall ein elastisch verformbares Element anzuordnen. Für das
verformbare Element wird beispielsweise eine Gummischeibe vorgeschlagen. Da dieses
Material praktisch nicht komprimierbar ist und das Volumen somit konstant bleibt,
erfolgt durch die bei axialer Belastung entstehende Stauchung in axialer Richtung
eine Formänderung in radialer Richtung. Diese Verformung in radialer Richtung ermöglicht
somit Rückschlüsse auf die
axiale Belastung der Scheibe beziehungsweise
des Befestigungselementes. Das Messen der Durchmesseränderung ist jedoch relativ
schwierig und in der Praxis meist nicht durchführbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Messeinrichtung
für in Befestigungselementen vorhandene Axialkräfte zu schaffen.
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Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass zwischen den
Scheiben ein sich bei deren gegenseitiger Annäherung radial verformendes Anzeigeelement
vorgesehen ist.
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Durch die erfindungsgemässe Lösung werden die beiden Funktionen der
Kraftübertragung und der Kraftanzeige durch zwei separate Elemente übernommen. Dadurch
kann für jede Funktion das dafür am besten geeignete Element vorgesehen werden.
Die Funktion im allgemeinen eher beschränkende Kompromisse bei der Auslegung der
Elemente sind somit nicht notwendig. Für die Kraftübertragung ist eine grosse Steifigkeit
des Federelementes erforderlich. Das Anzeigeelement soll sich dagegen durch eine
hohe Elastizität auszeichnen.
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Die Anzeige des Spannungszustandes erfolgt bei der erfindungsgemässen
Lösung nicht digital, sondern analog. Dabei bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten.
Für die Praxis ist es zweckmässig, wenn sich das Anzeigeelement bei gegenseitiger
Annäherung der Scheiben radial verengt. Gegenüber dem spannungslosen Zustand wird
das Anzeigeelement somit bei zunehmender Spannung im Durchmesser kleiner. Der maximal
dafür erforderliche Raum ist daher bereits zu Beginn des Anziehens bekannt. Es wird
also verhindert, dass das Anzeigeelement während des Anziehens plötzlich irgendwo
anstösst. Dadurch könnte die Anzeige verfälscht oder das Anzeigeelement beschädigt
werden. Für die Ueberwachunc eines Elementes ergibt diese Lösung ferner den Vorteil,
dass bei abnehmender Spannung ein Teil des Anzeigeelementes sichtbar
wird.
Erfahrungsgemäss wird eine solche Veränderung eher wahrgenommen, als das Verschwinden
von etwas bisher stets Vorhandenem.
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Neben der genannten besteht eine weitere, für gewisse Fälle ebenfalls
vorteilhafte Möglichkeit darin, dass sich das Anzeigeelement bei gegenseitiger Annäherung
der Scheiben radial erweitert. Diese Lösung ergibt insbesondere Vorteile in der
Phase des Anziehens eines Befestigungselementes. Mit Hilfe einer entsprechenden
Skala sind beim selben Element der Anwendung angepasste Variationen des Anzugsmomentes
möglich. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, die Absolutwerte zu kennen, sondern
es genügt im allgemeinen die Lage innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, welcher
beispielsweise durch Farbmarkierungen gekennzeichnet werden kann.
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Um keine unnötig langen Anzugswege zu erhalten, ist, wie bereits erwähnt,
die Steifigkeit der Federelemente im allgemeinen recht gross. Daraus ergibt sich,
dass die gegenseitige Annäherung der Scheiben beim Anziehen des Befestigungselementes
relativ gering ist. In der Praxis bedeutet dies, dass diese Annäherung je nach Baugrösse
des Elementes zwischen Bruchteilen eines Millimeters und einigen Millimetern beträgt.
Dieser Messwert ist jedoch von Auge meist kaum feststellbar. Um daraus eine für
die optische Anzeige brauchb.re Grösse zu erhalten, ist es zweckmässig, dass das
Anzeiqeelement als Kniehebel ausgebildet ist. Ein Kniehebel zrmijglicht eine sehr
starke Uebersetzung. Ein weiterer Jor vil des Kniehebels besteht darin, dass sich
das Uebern4 agsverhältnis praktisch stetig verändert. Dies hat den ti, dass im unteren
Lastbereich die Uebersetzung e iv direkt erfolgt, während im oberen Lastbereich,
das 'lei st bei stärker gestrecktem Kniehebel eine geringe axiale L; verschiebung
der Scheiben eine grosse Veränderung der Anzeige ergibt.
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Eine geringe Lageveränderung eines Kniehebels ist von aussen im allgemeinen
relativ schlecht erkennbar. Um die Ablesbarkeit zu verbessern, ist es daher zweckmässig,
wenn das als Kniehebel ausgebildete Anzeigeelement einen Anzeigearm aufweist. Der
Anzeigearm wird an einem freien Ende des Kniehebels befestigt. Der Anzeigearm soll
frei beweglich sein und keine Kraft übertragen. Durch die Wahl der Längenverhältnisse
zwischen dem Kniehebel und dem Anzeigearm ist eine weitere Vergrösserung des Messweges
möglich. Für eine sichere Ablesung soll der Anzeigearm eine genügende Eigensteifigkeit
aufweisen. Falls das Befestigungselement mit einer Schutzkappe versehen wird, kann
darin ein Fenster für den Anzeigearm vorgesehen werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemässe Kraftmesseinrichtung
in ungespanntem Zustand, teils in Ansicht, teils im Schnitt dargestellt, Fig. 2
einen Schnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Kraftmesseinrichtung entlang der
Linie 11-11, Fig. 3 die in Fig. 1 dargestellte Kraftmesseinrichtung in gespanntem
Zustand, im Schnitt dargestellt, Fig. 4 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemässen
Kraftmesseinrichtung, in ungespanntem Zustand, Fig. 5 die Kraftmesseinrichtung gemäss
Fig. 4 in gespanntem Zustand,
Fig. 6 einen Schnitt durch die in
Fig. 5 dargestellte Kraftmesseinrichtung entlang der Linie VI-VI.
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Das aus Fig. 1 ersichtliche Element besteht aus einer insgesamt mit
1 bezeichneten Schraube. Die Schraube 1 weist einen Schaft la mit daran anschliessendem
Bund lb und einem als Sechskant ausgebildeten Kopf lc auf. Auf dem Schaft la der
Schraube 1 sind zwei Scheiben 2, 3 im Abstand voneinander angeordnet. Die obere
Scheibe 2 liegt am Bund lb der Schraube 1 an. Zwischen den Scheiben 2, 3 ist ein
Paket von Tellerfedern 4 sowie eine Zentrierscheibe 5 angeordnet. Die Tellerfedern
4 dienen zur Kraftübertragung vom Kopf la der Schraube 1 auf eine an die Scheibe
3 anliegende Unterlage beziehungsweise ein mittels der Schraube 1 zu befestigendes,
nicht dargestelltes Bauteil. Zwischen den Scheiben 2, 3 ist weiterhin ein insgesamt
mit 6 bezeichnetes Anzeigeelement angeordnet. Das Anzeigeelement 6 besteht im Prinzip
aus einem Kniehebel 6a, dessen Gelenkpunkte zur Verdeutlichung mit A, B, C bezeichnet
sind. Die Punkte A und B liegen auf der obersten Tellerfeder 4 auf. Bei Belastung
des Elementes werden die Tellerfedern 4 flachgedrückt und der Hebel A-B dabei praktisch
um den Gelenkpunkt A im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt. Dabei wandert der Gelenkpunkt
C radial auf der Scheibe 2 nach aussen. Ein Anzeigearm 6b ist mit dem Hebel B-C
verbunden. Wenn der Punkt C radial nach aussen wandert, schwenken der Hebel B-C
und damit auch der Anzeigearm 6b im Uhrzeigersinn. Aus optischen Gründen und um
das Element gegen äussere Einflüsse, wie Witterung oder dergleichen, zu schützen,
ist das Element mit einer insgesamt mit 7 bezeichneten Schutzkappe versehen. Die
Schutzkappe 7 ist beispielsweise mit Hilfe einer zwischen der Schutzkappe 7 und
dem Kopf lc der Schraube 1 angeordneten Haftmasse 8 befestigt.
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Anstelle der Haftmasse 8 sind jedoch auch andere Befestigungen, wie
beispielsweise Magnet- oder Rastverbindungen, möglich. Damit auch bei aufgesetzter
Schutzkappe 7 der
Spannungszustand des Befestigungselementes erkennbar
wird, ist an wenigstens einem der Anzeigearme 6b eine Zunge 6c angeordnet. In entspanntem
Zustand des Befestigungselementes ist die Zunge 6c in einem in der Schutzkappe 7
dafür vorgesehenen Fenster 7a sichtbar. Wird dagegen eine erforderliche Spannung
erreicht, so verschwindet die Zunge 6c in der Schutzkappe 7. Anstelle eines Fensters
7a kann die Schutzkappe 7 auch aus transparentem Material, beispielsweise aus Plexiglas
bestehen. Durch entsprechende Markierungen, beispielsweise mittels verschiedener
Farben, können einzelne Bereiche abgegrenzt werden.
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Aus dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt durch das Befestigungselement
gemäss Fig. 1, ist die Form des Anzeigeelementes 6 deutlich erkennbar. An einem
zentralen, scheibenförmigen Teil sind eine Vielzahl von Kniehebeln 6a angeordnet.
Die Kniehebel 6a sind ihrerseits wiederum mit Anzeigearmen 6b versehen. Für die
Verwendung der Einrichtung zusammen mit einer Schutzkappe 7 ist einer der Anzeigearme
6b mit einer Zunge 6c versehen. Es können jedoch auch mehrere Zungen 6c am Umfang
verteilt werden.
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Fig. 3 zeigt die Kraftmesseinrichtung gemäss Fig. 1 in gespanntem
Zustand. Dies ist erkennbar durch die flachgedrückten Tellerfedern 4. Durch das
dabei erfolgte Strecken der Kniehebel 6a sind die Anzeigearme 6b des Anzeigeelementes
6 radial nach innen geschwenkt. Die Zunge 6c verschwindet dabei unter der Schutzkappe
7. Lässt der Spannungszustand nach, so entfernen sich die Scheiben 2, 3 wieder weiter
voneinander, so dass der Kniehebel 6a wiederum gestaucht und der Anzeigearm 6b in
Gegenuhrzeigersinn geschwenkt wird. Die Zunge 6c wird damit wieder sichtbar, wie
dies in Fig. 1 ersichtlich ist.
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Aus Fig. 4 ist eine weitere Ausführung der erfindungsgemässen Kraftmesseinrichtung
ersichtlich. Das Befestigungselement besteht wiederum aus einer insgesamt mit 11
bezeichneten Schraube, die aus einem Schaft lla, einem daran an-* ft A A a A
schliessenden
Bund llb und einem als Sechskant ausgebildeten Kopf llc besteht. Auf dem Schaft
lla der Schraube 11 sind zwei Scheiben 12, 13 im Abstand voneinander angeordnet.
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Zwischen den Scheiben 12, 13 befindet sich eine Druckfeder 14. Beim
Anziehen der Schraube 11 nähern sich die beiden Scheiben 12, 13 einander. Die Druckfeder
14 wird dabei axial zusammengedrückt. Die Druck feder 14 ist von einem insgesamt
mit 15 bezeichneten Anzeigeelement umgeben. Das Anzeigeelement 15 besteht aus zwei
einander diametral gegenüberliegenden Kniehebeln 15a und einem damit verbundenen
Anzeigearm 15b. Die Gelenkpunkte des Kniehebels 15a sind mit den Buchstaben D, E
und F bezeichnet. Wenn sich die beiden Scheiben 12, 13 einander nähern, wandern
die Gelenkpunkte E und F radial nach aussen. Dabei erstreckt sich der Anzeigearm
15b über den Umfang der Scheibe 13 hinaus.
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Fig. 5 zeigt das Element gemäss Fig. 4 in gespanntem Zustand.
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Dabei haben die Scheiben 12, 13 sich einander genähert. Dies hat wiederum
bewirkt, dass sich die Gelenkpunkte E und F vom Gelenkpunkt D radial entfernt haben.
Der Anzeigearm 15b des Anzeigeelementes 15 ragt nun radial nach aussen.
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Der in Fig. 6 dargestellte Schnitt durch das Element gemäss Fig. 5
zeigt die Form des Anzeigeelementes 15. An einem den Schaft lla der Schraube 11
umgebenden Ring 15c sind die beiden einander diametral gegenüberliegenden Kniehebel
15a angeordnet. Die freien Encen der Kniehebel 15a sind je mit einem Anzeigearm
15b versehen. Die symmetrische Ausbildung des Anzeigeelementes 15 dient lediglich
dazu, um ein Schiefstíll-n des Anzeigeelementes 15 zu verhindern. Bei genügendcr.F
Fr'hrung am Schaft lla der Schraube 11 des Anzeigeelerc es 15 kann dieses auch einseitig
ausgebildet werden. In dicr Darstellung sind die in gespanntem Zustand über den
Umfang der Scheiben 12, 13 hinausragenden Anzeigearme 15b deutlich erkennbar.