DE4410722A1 - Vorrichtung zur berührungsfreien Bestimmung der Vorspannkraft - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur berührungsfreien Bestimmung der Vorspannkraft nach der Gattung des Hauptanspruchs. In der Praxis wird vielfach zur Qualitätskontrolle von Verschraubungen, d. h. von der Verbindung zweier Bauteile mit Hilfe einer Schraube, das auf die Schraube wirkende Drehmoment oder deren Drehwinkel bestimmt. Unter physikalischen Gesichtspunkten wäre aber die Vorspannkraft der Schrauben als Meßparameter und somit als Qualitätsparamater der Verschraubung heranzuziehen. Dies ist aber meßtechnisch relativ schwierig und aufwendig durchzuführen. So werden hierzu Ultraschallmessungen herangezogen, mit denen die elastische Verlängerung der Schraube erfaßt wird. Ferner ist es auch bekannt, die Messung der Verformung des Schraubenkopfs durch speziell entwickelte und angepaßte Dehnmeßstreifen zu erfassen. Beide Verfahren sind technisch aufwendig und in der Handhabung schwierig.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine genaue Messung der Vorspannkraft in einfacher Weise und ohne großen technischen Aufwand möglich ist. Es ist eine berührungsfreie Messung möglich, die durch Verunreinigungen nicht beeinflußt wird. Durch eine besondere Ausgestaltung können geringe Abstandsschwankungen zwischen der Vorrichtung und dem Kopf der Schraube das Meßsignal nicht beeinflussen bzw. werden eventuelle Abstandsschwankungen kompensiert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine schematische Darstellung der zugrundeliegenden Verformungen, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 sind schematisch die der Messung zugrundeliegenden Verformungen eines Schraubenkopfes und der damit verbundenen Vorspannkraft beschrieben. Die in der Fig. 1 mit 10 bezeichnete Schraube weist einen Schaft mit Gewinde 11 auf, mit dem es in eine Bohrung 12 eines Bauteils 13 eingeschraubt ist. Mit Hilfe des Kopfs 14 der Schraube 10 wird ein zweites Bauteil 15 gegen das erste Bauteil 13 gepreßt. Der Kopf 14 weist auf der dem Bauteil 15 zugewandten Seite einen Bund 16 auf: Dieser Bund 16 ist möglichst weit von der Achse der Schraube 10 entfernt ausgebildet. In Fig. 1 fällt sein äußerer Durchmesser D2 mit dem Durchmesser des Schraubenkopfes zusammen. Sein innerer Durchmesser ist mit D1 bezeichnet. Aufgrund des Bundes 16 und dessen Höhe wird zwischen der Unterseite des Schraubenkopfes 14 und dem Bauteil 15 ein Freiraum 17 erzeugt. Dieser Freiraum 17 kann noch durch eine umlaufende Nut 18 am Schaft vergrößert werden. Wird die Schraube 10 als Bauteil 13 eingeschraubt, so entsteht aufgrund der Vorspannkraft eine mechanische Verformung des Schraubenkopfes. Diese Verformung bewirkt eine Durchbiegung a der Oberfläche des Schraubenkopfes 14. Hervorgerufen durch den Bund 16 und den freien Raum 17 bleibt während der Verformung der äußere Durchmesser D2 des Schraubenkopfes 14 auf konstanter Höhe. Die Durchbiegung h selbst liegt in den Größenordnungen von wenigen µm. Die konstante Höhe beim Durchmesser D2 ist notwendig, um eine reproduzierbare Verformung bei verschiedenen Messungen zu bekommen. Die Durchbiegung a ist somit ein Maß für die Verformung und für die anliegende Vorspannkraft. Der Bund 16 und der Freiraum 17 stellen die einfachste Art dar, eine reproduzierbare Verformung des Schraubenkopfs sicherzustellen. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen denkbar, die eine reproduzierbare Verformung sicherzustellen.

In der Fig. 2 ist auf der Schraube 10 ein Sensor 20 zur Bestimmung der Vorspannkraft der Schraube 10 angeordnet. Der Sensor 20 besteht aus einem Gehäuse 21 und einer in einer Ausnehmung des Gehäuses 21 angeordneten Spule 23. Die Achse der Schraube 10 und die Achse des Gehäuses 10 sind fluchtend angeordnet und die Spule 23 ist ringförmig um die Achse des Gehäuses 20 ausgebildet. Dort befindet sich die Spule 23 im Bereich der relativ größten Durchbiegung des Schraubenkopfs 14. Mit Hilfe des Sensors wird nun die Durchbiegung vor und nach dem Einschraubvorgang erfaßt. Auch ist es möglich, mit Hilfe des Sensors kontinuierlich während des Schraubvorgangs die Durchbiegung des Schraubenkopfs 14 zu ermitteln. Hierbei ist es wichtig, daß der Abstand zwischen der Oberfläche der Spule 23 und der Oberfläche des Schraubenkopfes absolut konstant bleibt. Dieser Grundabstand zwischen der Oberfläche der Sensorspule und dem Schraubenkopf im Ausgangszustand ist mit a bezeichnet. Die Konstanz dieses Grundabstands a ist deshalb notwendig, da die zu bestimmende Durchbiegung nur im Bereich weniger µm liegt und somit jede Änderung des Abstandes a das Meßsignal überlagern und verfälschen würde. Hierzu weist der Sensor auf der der Schraube zugewandten Stirnseite einen Bund 24 auf, mit dem der Sensor 20 direkt auf dem Rand 25 des Schraubenkopfes 14 aufliegt.

Das beim Sensor 20 verwendete Meßprinzip beruht auf der Ausnutzung des Induktiv- und/oder Wirbelstromeffektes mit dessen Hilfe die Durchbiegung h bestimmt wird. Um mit Hilfe des Sensors 20 messen zu können, muß mindestens die Oberfläche des Schraubenkopfs 14 aus ferromagnetischem oder nicht ferromagnetischem, jedoch elektrisch leitendem Material bestehen. Zur Messung wird die Spule 23 von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen, so daß an der Spule magnetische Wechselfelder entstehen. Diese bewirken auf der metallischen Oberfläche des Schraubenkopfs 14 Wirbelströme. Zur Vereinfachung wird im folgenden nur die Messung von Schrauben, die aus elektrisch leitfähigem, jedoch nicht ferromagnetischem Stoff bestehen, so daß sich dort lediglich der Wirbelstromeffekt ausbildet, beschrieben. Der Wirbelstromeffekt ist hierbei abhängig von der Größe der vom Magnetfeld durchsetzten Fläche des Schraubenkopfs 14 und vom Abstand der Oberfläche der Spulen zur Oberfläche des Schraubenkopfs 14. Da die Fläche konstant bleibt, wird das Meßsignal alleine durch die Abstandsänderung h bestimmt.

Durch die erzeugten Wirbelströme wird der Spulen- Wechselstromwiderstand der Spule 23 verringert, was eine Verkleinerung der an der Spule 23 anliegenden Spannung bewirkt. Da die Oberfläche des Schraubenkopfs 14 immer gleich ist, können Änderungen des Wechselstromwiderstandes im wesentlichen nur auf der Abstandsänderung h beruhen. Die Spule 23 kann als kreis-, oval- oder rechteckförmig gewickelte Flachspule dargestellt sein. Wichtig ist hierbei, daß eine möglichst große Spulenoberfläche der Oberseite des Schraubenkopfs 14 zugewandt ist.

Wie bereits erwähnt, ist es bei der Ausbildung nach der Fig. 2 unbedingt notwendig, daß der Grundabstand a während der Messung konstant bleibt. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 sind nun kleine Änderungen dieses Abstandes a möglich, ohne daß das Meßsignal verfälscht wird. Ferner ermöglicht es diese Vorrichtung berührungsfrei zu messen, da ein Aufsetzen des Sensors mit Hilfe eines Bundes 24, um somit den Grundabstand a konstant zu halten, nicht mehr erforderlich ist. Ergänzend zu der Spule 23 weist der Sensor 20a eine zweite Spule 28 auf. Diese Spule 28 ist konzentrisch um die Spule 23 angeordnet und befindet sich möglichst weit von der Achse des Sensors 20 entfernt, so daß sie sich möglichst im Bereich des äußeren Rands des Schraubenkopfs 14 befindet. Die beiden Spulen 28, 23 sind in einer an sich bekannten elektronischen Verschaltung, d. h. einer Differenzschaltung oder einer Brückenschaltung (Wheatston′sche Brücke) so verschaltet, daß die Differenz zwischen dem Meßsignal der Spule 23 und der Spule 28 am Ausgang der Schaltung anliegt. Dadurch wird bewirkt, daß der Abstand aus dem Meßsignal der Spule 23 eliminiert wird und das Meßsignal am Ende der Schaltung nur noch proportional zur Durchbiegung des Schraubenkopfes 14 ist. Wichtig ist hierbei aber, daß innerhalb des erforderlichen Meßbereichs die beiden Spulen 23, 28 ein lineares Meßsignal mit gleicher Empfindlichkeit über den jeweiligen Abstand erzeugen. Hierzu ist die Spulengeometrie und die Spuleninduktivität entsprechend auszulegen. Ferner wäre dieses Erfordernis auch durch elektrische Maßnahmen, insbesondere durch eine getrennte Verarbeitung bzw. Verstärkung des Meßsignals der beiden Spulen zu realisieren.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, bei der Ausbildung nach der Fig. 3 jeweils mehrere Einzelspulen für die dortigen Spulen 23 und 28 anzuordnen. Hierbei sind aber ebenfalls die oben genannten Maßnahmen zur Berücksichtigung der relativen Abstandsänderung a und der notwendigen Empfindlichkeit der Spulen zu beachten.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Vorspannkraft von in einem Bauteil (13) befindlichen Schrauben (10) mit Hilfe mindestens einer wechselstromdurchflossenen Spule (23, 28), wobei die Schrauben (10) mindestens teilweise auf der der Spule(n) zugewandten Oberfläche aus elektrisch leitendem Material bestehen, und ein proportional zur Vorspannkraft der Schrauben (10) sich verändernder Abstand (h) zur mindestens einen Spule (23, 28) von dieser als Meßsignal erfaßt wird, und wobei der Kopf der Schraube (10) einen dem Bauteil (13) zugewandten, überstehenden Bereich (16) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spulen (23, 28) vorhanden sind, wobei die Spulen (23, 28) so elektronisch verschaltet sind, daß die Differenz der Meßsignale der Spulen (23, 28) entsteht.