Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Die Auslegung und Beurteilung von Schraubenverbindungen erfordert
die Kenntnis von Absolutwerten der Vorspann- und Betriebskräfte
sowie ihrer Änderung unter Betriebsbeanspruchung (Setzen). Da die
Unterbringung von Kraftmeßelementen insbesondere im Hinblick darauf,
daß die Verbindungen als solche dadurch nicht beeinträchtigt oder
geändert werden dürfen, insbesondere bei kurzen Klemmlängen Schwie
rigkeiten macht, ist es üblich, den Umweg über eine Drehmomentmessung
zu gehen. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch wegen der hohen
Streuung der Reibwerte an den Auflageflächen der Schrauben bzw.
Muttern qualitativ nur bedingt geeignet; dynamische Messungen sind
überhaupt nicht möglich.
Bei Schraubenverbindungen tritt bei Beanspruchungen eine von der
Klemmlänge und dem Spannungsquerschnitt der Schraube abhängige
Längenänderung ihres Schafts gemäß dem Hooke′schen Gesetz auf,
die als Maß für die Vorspannkraft und ihre Schwankung unter Betriebs
beanspruchung zur Messung herangezogen werden kann. Auch dieses
Verfahren ist jedoch nicht unproblematisch; so sind diese Längenände
rungen insbesondere bei kurzen Schrauben nur von kleiner Größenord
nung, und zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich bei Unzugänglich
keit der Schraubenenden sowie im Hinblick auf Montage- und Betriebs
bedingungen. So kann man daran denken, Dehnungsmeßstreifen an der
Innenwandung der mit einer Axialbohrung versehenen Schraube anzuord
nen. Hier erfolgt aber in nachteiliger Weise eine Erfassung der
Längenänderung nur über eine kurze Meßstrecke; außerdem werden
auch Biegungen erfaßt und ist die Kabelführung schwierig.
Die GB-PS 7 50 445 beschreibt eine Vorrichtung zur Druck- und Zug
kraftmessung mit einem im Wege der zu messenden Kraft einzubauenden
Hohlzylinder, der einen an einem der Zylinderenden festgelegten
Bolzen aufnimmt; dieser arbeitet auf einen am anderen Zylinderende
festgelegten Winkelhebel, der seinerseits einen radial durch den
Hohlzylinder geführten Stößel eines elektromagnetischen Übertragers
in Abhängigkeit von den Längenänderungen des Hohlzylinders beauf
schlagt. Diese bekannte Vorrichtung gestattet also zwar die Auswer
tung von kraftabhängigen Längenänderungen eines relativ langen
Teils, nämlich des Hohlzylinders, jedoch ist sie relativ kompliziert
aufgebaut und stellt eine reine Meßvorrichtung dar, die keine Verbin
dungsanordnung analog einer Schraubenverbindung ist. Ferner ist
aus der DE-OS 31 19 806 ein Meßwertaufnehmer zur Erfassung von
Zug- und/oder Druckkräften bekannt, der im Wege der zu messenden
Kraft einen Dehnungsmeßstreifen-Träger mit im wesentlichen quer
zur Kraftwirkungslinie angeordneten Meßstegen aufweist, die die
Dehnungsmeßstreifen tragen. Auch hierbei handelt es sich jedoch
um eine reine Meßvorrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die im wesent
lichen ohne Beeinträchtigung der Schraube als solcher die Erfassung
von Längenänderungen zumindest eines großen axialen Längenbereichs
ihres Schafts zum Zwecke der Kraftmessung gestattet, ohne daß Schwie
rigkeiten durch die Einbauverhältnisse der Schraube auftreten.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeich
nenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen
der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Da die beiden Enden der Gewindestange im Bereich der beiden Enden
der Schraube abgestützt sind, erfassen die auf der membranartigen,
also relativ nachgiebigen Scheibe angeordneten Dehnungsmeßstreifen
zumindest im wesentlichen Längenänderungen des gesamten Schrauben
schafts, so daß relativ große Meßsignale entstehen. Selbstverständ
lich wird man mehrere Dehnungsmeßstreifen in Brückenschaltung mit
Temperaturkompensation und möglichst geringer Empfindlichkeit gegen
Schraubenbiegung auf der Scheibe anordnen, wie dies an sich aus
der Meßtechnik bekannt und daher hier im einzelnen nicht zu beschrei
ben ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der Zeichnung erläutert, deren
Fig. 1 in Explosionsdarstellung einen Längs
schnitt durch die gesamte Anordnung
und deren
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Scheibe
wiedergeben.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man bei 1 die Schraube
mit dem Kopf 2 und dem ein Außengewinde tragenden Schaft 3. Über
die gesamte Schraubenlänge erstreckt sich die axiale Längsbohrung 4,
die im zusammengebauten Zustand der Anordnung die Gewindestange 5
aufnimmt. Diese stützt sich mittels ihres Stangenkopfes 6 in der
Senkbohrung 7 an dem in Fig. 1 unteren Ende der Schraube 1 ab,
während das obere, gewindetragende Ende der Stange 5 im zusammenge
bauten Zustand der Anordnung in die Gewindehülse 8 eingeschraubt
ist. Diese trägt die membranartige Scheibe 9, die gemäß Fig. 2
in diesem Ausführungsbeispiel mit vier Dehnungsmeßstreifen 10 in
elektrischer Brückenschaltung belegt ist und die sich in der Vertie
fung 11 in dem in Fig. 1 oberen Ende des Schraubenkopfes 2 bzw.
der Schraube 1 abstützt. Damit spannt die durch Gewindestange 5
und Gewindehülse 8 nebst Scheibe 9 gebildete Teilanordnung also
die Schraube 2 über ihre gesamte Länge praktisch ein. Das bedeutet,
daß die Dehnungsmeßstreifen 10 einerseits die durch statische Bean
spruchung der Schraube 1 (Vorspannung) auftretende Längenänderung
derselben als auch diejenigen Längenänderungen der Schraube erfaßt,
die auf dynamische Belastungen im Betrieb zurückgehen. Infolge
der Erfassung der gesamten Länge des Schraubenschafts 3, der bei
dem Abstützbund 12 der Schraube 1 beginnt, sind die so gewonnenen
Meßsignale relativ groß, so daß die Messung mit hoher Genauigkeit
erfolgt.
Wichtig für die Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit ist ferner,
daß die Gewindestange weder Torsions- noch Biegebeanspruchungen
unterliegt, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden und zu
Fehlsignalen führen könnten.
Verständlicherweise kann insbesondere bei langen Schrauben die
durch Gewindestange, Gewindehülse und Scheibe gebildete Teilanordnung
auch etwas kürzer als die Schraube sein, so daß die Enden dieser
Teilanordnung etwas entfernt von den Enden der Schraube abgestützt
sind. Auch dann ergeben sich die aufgezeigten Vorteile.
Wie auch die Zeichnung belegt, ist mit der Erfindung eine gattungsge
mäße Anordnung geschaffen, die den Aufbau der Schraube - abgesehen
von der Axialbohrung 4 und der Ansenkung 11, die einen Bestandteil
eines Innenvielkants für ein Werkzeug darstellen kann - nicht beein
trächtigt. Die von den Dehnungsmeßstreifen 10 ausgehenden, nicht
dargestellten elektrischen Leitungen können leicht von der Stirnseite
des Schraubenkopfes 2 weggeführt werden.