DE4030720A1 - Anordnung, enthaltend eine schraube und mittel zur erfassung von laengenaenderungen des schafts - Google Patents

Description

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.

Claims (3)

1. Anordnung, enthaltend eine Schraube mit Kopf und Schaft sowie Dehnungsmeßstreifen umfassende Mittel zur Ermittlung im Einbau­ zustand auftretender mechanischer Beanspruchungen der Schraube durch Erfassung von Längenänderungen des Schafts, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Axialbohrung (4) der Schraube (1) mit Spiel eine Gewindestange (5) geführt ist, die sich im Bereich der Schraubenenden einenends über einen starren Stangenkopf (6), anderenends über eine membranartige, mit den Dehnungsmeßstrei­ fen (10) belegte Scheibe (9) abstützt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (9) auf einer auf das gewindetragende andere Ende der Gewindestange (5) aufgeschraubten Gewindehülse (8) sitzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (9) von einer Vertiefung (12) des ihr benachbarten Schraubenendes aufgenommen ist.