DE4419009A1

DE4419009A1 - Kraftmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4419009A1
Application number: DE19944419009
Authority: DE
Inventors: Juergen Blumenauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßeinrichtung, die insbe sondere als Vorspannkraft-Meßwertaufnehmer für Schraubver bindungen eine Meßscheibe benutzt.

Die verbreitetste Methode zum Einstellen der richtigen Schraubenvorspannung ist das Anziehen mit einem Drehmoment schlüssel, was wegen der nicht genau bekannten Reibung am Schraubenkopf und im Gewinde sehr stark fehlerbehaftet sein kann. Das Anziehen unter Drehmomentkontrolle bis zu Füge moment und das Weiterschrauben unter Drehwinkelkontrolle vermindert den fehlererzeugenden Einfluß der Reibung, aber bei kurzen Schrauben muß der Drehwinkel sehr genau eingehal ten werden. Beim streckgrenzengesteuerten Verschrauben, wo durch Vergleich von Drehmoment und Drehwinkel das Steifig keitsverhalten der Schraube gemessen wird, muß der Reibungs koeffizient zwar nicht bekannt sein, aber er muß konstant sein, was z. B. bei Radschrauben nicht der Fall ist. Die Messung der Schraubenverlängerung infolge der Vorspannung arbeitet zwar fehlerfrei, aber das Ultraschallmeßverfahren verteuert die Verschraubung zu sehr.

Bekannt sind auch messende Unterlegscheiben als Vorspann kraft-Meßwertaufnehmer, welche zwischen Schraubenkopf und Werkstück gelegt die Zugkraft der Schraube als Druckkraft messen. Dies messenden Unterlegscheiben mit Dehnungsmeßstreifen als Kraftsensor sind so teuer, daß sie nur für Testzwecke eingesetzt werden können.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Kraft meßeinrichtung mit einer messenden Unterlegscheibe zu schaf fen, bei der die messende Unterlegscheibe nur unwesentlich mehr kostet als eine gewöhnliche Unterlegscheibe.

Im folgenden wird die Lösung der Aufgabe und die Erfindung gemeinsam beschrieben anhand einer Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Meßscheibe mit radialer Bohrung,

Fig. 2 einen Schnitt mit sekantenartiger Bohrung,

Fig. 3 eine radiale Draufsicht auf die radiale Bohrung der Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Elektrodenanordnung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine andere Elektrodenanordnung,

Fig. 6 den Mittenkontakt der verschlossenen Bohrung,

Fig. 7 einen Schnitt der Elektrodenanordnung der Fig. 5,

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Verschraubung mit Meßscheibe und Maßkragen,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Verschraubung mit gewölbten tragenden Flächen,

Fig. 10 einen Schnitt wie Fig 9,

Fig. 11 eine skizzierte Anordnung von Meßkragen und Meß scheibe in axialer Sicht,

Fig. 12 ein Kapazitätsmeßverfahren,

Fig. 13 die Vorstufe eines Kapazitätsmeßverfahrens.

Die Meßscheibe wird vorzugsweise mit einer radialen Bohrung (Fig. 1) oder mit einer Bohrung mit sekantanartigem Verlauf (Fig. 2) versehen. Bei Scheiben für Senkkopfschrauben kann die Bohrung auch als Sackloch beliebig schräg vom Außenrand her in die Scheibe eindringen.

Fig. 3 zeigt vergrößert in radialer Sicht die Bohrung der Fig. 1. Unter Last wird die Scheibe zusammengedrückt und die unbelastet runde Bohrung verliert an Höhe und nimmt an Breite zu. Diese lastabhängige Verformung der Bohrung wird kapazitiv erfaßt und in einem externen Meßgerät ausgewertet.

Fig. 4 zeigt die Bohrung der Fig. 3 noch weiter vergrößert, jetzt mit einer Elektrodenanordnung in Form eines Differen tialkondensators. Die Winkelektrode 1 bildet die Mittelelek trode, die Elektroden 2 und 3 bilden die Gegenelektroden. Unter Last wird der Spalt 7 weiter und der Spalt 8 enger. Der Differentialkondensator wird also lastabhängig verstimmt.

Um die Verstimmung des Differentielkondensators in ein elektrisches Signal zu verwandeln, muß eine externe Kapazi tätsmeßeinrichtung angeschlossen werden. In diesem Fall müssen drei Elektroden des Differentialkondensators in der Bohrung der Meßscheibe mit den entsprechenden drei Anschlüssen der Kapazitätsmeßeinrichtung verbunden werden. Das Herstellen dieser Verbindungen auf engem Raum erfordert große Sorgfalt, weshalb sich diese Elektrodenanordnung eher für Präzisions messungen eignet.

Eine einfachere Elektrodenanordnung zeigt Fig. 5. Der Körper 9 ist elektrisch leitend und liegt auf dem Potential der Meßscheibe. Mit der Elektrode 10 bildet der Körper 9 einen Kondensator, dessen Kapazität sich unter Last vergrö ßert. Bei dieser Elektrodenanordnung wird nur die eine Elek trode 10 mit einer externen Kapazitätsmeßeinrichtung verbun den.

Der Zusammenhang zwischen der lastproportionalen Abstands änderung im Spalt 12 der Fig. 5 und der Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 10 und 9 ist stark nichtlinear. Dies ist aber kein Nachteil, denn bei einer Verschraubung kommt es nur auf das Erreichen einer bestimmten Vorspannungskraft an bzw. auf die Gewißheit, daß die Vorspannungskraft inner halb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. Vorteilhaft bei der Einelektrodenanordnung gemäß Fig. 5 ist, daß beim Anziehen der Schraube die Kondensatorkapazität ansteigt, wodurch die Messung weniger störanfällig und genauer wird. Voraussetzung fuhr des Erkennen des richtigen Wertes der Vorspannkraft ist eine exakt vorgegebene Spaltweite 12 in unbelastetem Zustand. Die korrekte Spaltweite 12 ergibt sich auf folgende Weise: die starren Teile 9 und 11 werden mit engtolerierten Maßen im Strang hergestellt und in eine Art Kabel eingelagert derart daß der Spalt 12 von kompressiblem Schaum mit großem E-Modul und die restlichen weißen Teile der Fig. 5 mit Silikonkautschuk oder ähnlichem Material ange füllt sind. Dieses Kabel wird so hergestellt, daß der Spalt 12 etwas weiter ist, solange das Kabel nicht in der Bohrung sitzt. Vor dem Einführen in die Bohrung wird des Kabelende um 100° oder mehr abgekühlt, so daß sein Durchmesser entspre chend seinem Temperaturausdehnungskoeffizient kleiner wird und das Kabel sich leicht einführen läßt in die Bohrung. Beim Erwärmen preßt der Schaum in Spalt 12 die Teile 8 und 11 gegen die Innenwand der Bohrung, so daß sich die Spaltweite auf des vorgegebene Maß einstellt.

Die Elektrodenanordnung gemäß Fig. 5 endet kurz vor dem Innenkreis 16 der Meßscheibe, wie die Fig. 7, der Schnitt I-II der Fig. 5, zeigt. Die Bohrung wird zum Innenkreis 16 hin mit einem isolierenden Stopfen verschlossen. Die Elek trode 10 wird als bohrungsmittige elektrisch leitende Kon taktfläche 15 gemäß Fig. 6 und 7 nach draußen geführt, wobei die Kontaktfläche 15, eingebettet in einen isolierenden Ring 14, nach außen mit der Mantelfläche der Scheibe bündig abschließt.

Während der Messung der Vorspannkraft wird die Kontakt fläche 15 über einen mit der Meßscheibe 33 verriegelten Meßkragen 34 über eine Meßzange und ein Kabel mit einem Meß gerät verbunden. Der Meßkragen 34 rund um die Meßscheibe 33 gemäß Fig. 11 erleichtert das Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen Meßscheibe und Meßgerät, weil der Meß kragen einfach auf die Meßscheibe gedrückt wird und dann der Meßkragen relativ zur Meßscheibe gedreht wird, bis die feder belasteten Halbrundstifte 35, 36 und 37 des Meßkragens fühl bar in die Randmulden der Meßscheibe einschnappen. Erst wenn alle drei Halbrundstifte in die zugehörigen Randmulden einge schnappt sind, gibt der Meßkragen den Kapazitätsstift 38, die die Meßkapazität vor äußeren unbekannten Streukapazitäten schützende Abschirmhülse 35 und die Identifizier- und Kor rekturstifte 40, 41, 42 . . . frei. Der Kapazitätsstift stößt auf die Kontaktfläche 15 und die Identifizier- und Kontroll stifte stoßen in die vorgesehenen Randkerben oder direkt auf den Rand der Meßscheibe. Der korrekte Sitz der Identifizier- und Korrekturstifte ist dann gesichert, wenn jeder dieser Stifte niederohmigen Kontakt mit der Meßscheibe hat. Ist z. B. eine Randkerbe verschmutzt und der Stift kann nicht bis auf den Grund der Kerbe vordringen, dann bleibt dieser Stift hochohmig und das Meßgerät meldet, welcher Stift nicht richtig sitzt.

Der Kapazitätsstift trägt vorn zwei unabhängig voneinander gefederte Spitzen, die erst über die Berührung der Kontakt fläche 15 miteinander elektrisch verbunden werden. Wenn dieser elektrische Kontakt besteht, dann ist die meßkrageneigene Kapazitätsmeßeinrichtung fehlerfrei mit der Kontaktfläche 15 und mit der Elektrode 10 verbunden.

Die Kontaktprüfeinrichtung des Kapazitätsmeßstiftes 38 ist durch Induktivitäten wechselspannungsmäßig getrennt vom Kapa zitätsstift, so daß die Kapazitätsmessung nicht gestört wird durch die Kontaktprüfung.

Der Vorteil des Meßkragens besteht darin, daß er ohne Kabel ist und deshalb leicht aufgesetzt und drehend mit der mit unbekanntem Drehwinkel stehenden Meßscheibe verriegelt werden kann. Die Meßzange kann rundum an jeder beliebigen Stelle des Meßkragens angeklemmt worden, da die Kontakte des Meß kragens als konzentrische Kreise auf dem Kragenrand angebracht sind.

Um die Sicherheit und einfache Handhabung dieses kontrol lierten Verschraubungsverfahrens zu zeigen, wird im folgenden das kontrollierte Anschrauben eines Laufrades an einem PKW beschrieben: zuerst sucht der Monteur die zum PKW-Typ passen den richtigen Meßscheiben aus und schiebt diese auf die Rad schrauben und zieht die Schrauben nach Gefühl an bis zu dem Punkt, wo er nach herkömmlicher Methode einen auslösenden Drehmomentschlüssel benutzt, den er erst auf das vorgegebene Drehmoment einstellen müßte, was neben dem systembedingten Reibungsfehler eine weitere Fehlermöglichkeit darstellt.

Bei der Meßscheibenmethode schiebt der Monteur jetzt über jeden Schraubenkopf einen Meßkragen bis zum Anschlag an die Felge und verriegelt drehend den Meßkragen mit der Meßscheibe. Dann klemmt er die Meßzange an die nächste auf Sollvorspan nungskraft anzuziehende Schraube an. Das Meßgerät "fragt" jetzt den Monteur nach dem PKW-Typ, den der Monteur eintippt. Passen die Meßscheiben nicht zu dem eingetippten PKW-Typ, dann meldet dies das Meßgerät dem Monteur. Passen die Meß scheiben und der eingetippte PKW-Typ zusammen, dann signali siert das Meßgerät durch einen LCD-Balken oder durch farbiges Blinklicht oder akustisch dem Monteur den ungefähren Abstand der momentanen Vorspannkraft von der Sollvorspannkraft. Erreicht der Monteur die Sollvorspannkraft und bleibt innerhalb des Toleranzfeldes, dann signalisiert das Meßgerät für diese Schraube "fest".

Da das Meßgerät die zum PKW-Typ richtige Vorspannungskraft für die Radverschraubung kennt, braucht sich der Monteur darum nicht zu kümmern. Außerdem kann der Monteur keine Schraube vergessen anzuziehen, ohne daß das Meßgerät Alarm schlägt, denn das Meßgerät erkennt jeden Meßkragen und re gistriert die gemessene Vorspannkraft eines jeden Meßkragens.

Jede Meßscheibe wird beim Hersteller geeicht, d. h. es wird die zur Sollvorspannkraft gehörende Kapazität gemessen. Bei idealen Herstellungsbedingungen ergibt sich bei jeder Meß scheibe die Sollkapazität. Bei realen Herstellungsbedingungen streuen die bei der Sollvorspannungskraft gemessenen Kapa zitäten. Liegt nun eine gemessene Kapazität außerhalb des Toleranzfeldes, dann wird die Abweichung der Kapazität über Korrekturkerben im Rand der Meßscheibe dem Meßgerät mitge teilt.

Bei Präzisionsverschraubungen verläßt sich das Meßgerät nicht auf die Angaben des Herstellers der Meßscheibe. Der Monteur schiebt die Meßscheibe in den Prüfschlitz des Meß gerätes, welches die Meßscheibe einer ansteigenden Vorspann kraft aussetzt. Der zugehörige Kapazitätsverlauf wird im Meßgerät gespeichert und die Speicheradresse wird auf dem Rand der Meßscheibe eingekerbt. Beim anschließenden Verschrau ben hat das Meßgerät eine exakte Kontrolle über den Anstieg der Vorspannkraft, wobei als zusätzliche Sicherheit mit einem Drehwinkelmeßgerät der Schraubendrehwinkel gemessen werden kann.

Jeder Meßkragen hat dicht hinter dem Kapazitätsstift eine Kapazitätsmeßeinrichtung. Fig. 12 zeigt eine geeignete Kapa zitätsmeßeinrichtung 45, die in der Pat. Anm. "Meßeinrichtung" P 43 22 867.4 ausführlich beschrieben ist. Das Potential der Meßscheibe 33 ist über den Meßkragen 34 und die nicht gezeich nete Meßzange über die Leitung 43 automatisch mit dem Masse- Potential 44 des Meßgerätes verbunden.

Eine ganz andere Meßeinrichtung zeigt Fig. 13. Es ist ein invertierender Schmitt-Trigger 46, der als RC-Oszillator ge schaltet ist. Die Kapazität ein Eingang diese Schmitt-Triggers, der z. B. aus 1/6 40106 bestehen kann, bestimmt zusammen mit R die Oszillatorfrequenz, die so ein Maß für die Kapazität zwischen der Elektrode 10 und dem Körper 9 ist und damit auch ein Maß für die Schraubenvorspannkraft darstellt. Die Wandlung dieser Frequenz, die leicht fehlerfrei übertragen werden kann, erfolgt im Meßgerät.

Claims

1. Meßeinrichtung zum Messen einer Kraft, insbesondere der Vorspannungskraft einer Verschraubung, wobei eine Meßscheibe die Kraft mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßscheibe mit einer Bohrung versehen ist, deren lastabhängige Verformung kapazitiv gemes sen wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßscheibe als vorzugsweise zur Unterleg scheibe mit einem zentralen Schraubenloch und radialer oder sekantenähnlicher Bohrung vorzugsweise mittig zwischen den tragenden der Unterlegscheibe ausgeführt ist (Fig. 1, Fig. 2).

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßscheibe konisch geformt ist und die Bohrung parallel zu einer Mantellinie verläuft.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gewölbten tragenden Flächen (25), (26) der Meßscheibe (24) eine Bohrung (27) schräg vom Außen kreis der Meßscheibe bis zum Innenkreis der Meßscheibe innerhalb der Scheibe verläuft (Fig. 9).

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gewölbten tragenden Flächen die Bohrung (32) sekantenartig in der Meßscheibe (31) verläuft (Fig. 10).

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung in der Bohrung der der Meßscheibe aus einer Winkelektrode (1) und den beiden Gegenelektroden (2) und (3) besteht, wobei die Winkelelektrode (1) mit der Gegenelektrode (2) den Spalt (7) und mit der Gegenelektrode (3) den Spalt (8) und mit den beiden Gegenelektroden (2) und (3) zusammen einen Differentialkondensator bildet (Fig. 4).

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckbelastung der Meßscheibe die Spaltweite des einen Spaltes (7) weiter und die Spaltweite des anderen Spaltes (8) enger wird.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung in der Bohrung aus einem starren, elektrisch leitenden und auf Meßscheiben potential liegenden Körper (9) und eine Elektrode (10) besteht, wobei der Körper (9) mit der Elektrode (10) einen Spalt (12) bildet, der unter Druckbe lastung der Meßscheibe enger wird (Fig. 5).

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (10) mit der Kontaktfläche (15) elektrisch leitend verbunden ist (Fig. 6, 7).

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (15) mittig in der Bohrung sitzt und eingebettet in einen isolierenden Ring (14) nach außen bündig mit dem Außenmantel der Meßscheibe abschließt.

11. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Meßscheibe verriegelnder Meßkragen (34) auf seinem abstehenden Rand konzentrische rundum verlaufende Kontaktkreise trägt, an denen die Kontakte einer Meßzange angreifen, die über ein Kabel mit dem Meßgerät verbunden ist.

12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkragen (34) nur in einer Stellung relativ zur Meßscheibe (33) mit dieser verriegelt, wobei die federbelasteten Halbrundstifte (35), (36) und (37) des Meßkragens in die zugehörigen Mulden der Meßscheibe einschnappen und die Verriegelung bewirken.

13. Meßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätsstift (38) und die Identifizier- und Korrekturstifte des Meßkragens erst nach der Verriegelung des Meßkragens mit der Meßscheibe freigegeben werden.

14. Meßeinrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (39) des Meßkragens den Kapazi tätsstift (38) und die Kontaktfläche (15) ab schirmt.

15. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßscheibe bei der Herstellung am äußeren Scheibenrand Identifizierungskerben und Korrektur kerben erhält.

16. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät mit einer Kalibriervorrichtung für die Meßscheiben versehen ist, in der die Meßscheibe einer ansteigenden Vorspannkraft ausgesetzt wird und der Kapazitätsverlauf der Meßscheibe in einem meßgeräteigenen Speicher abgelegt und die Speicher adresse auf dem Meßscheibenrand eingekerbt wird.

17. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkragen dicht am Kapazitätsstift (38) eine Kapazitätsmeßeinrichtung enthält, die in der Patentanmeldung "Meßvorrichtung" P 43 22 867.4 aus führlich beschrieben ist (Fig. 12).

18. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkragen die Vorstufe einer Kapazitätsmeß einrichtung enthält, wobei der Eingang eines als RC-Oszillator geschalteten invertierenden Schmitt- Triggers (46) mit dem Kapazitätsstift (38) verbunden ist und wobei die Oszillatorfrequenz über die Meßzange und ein Kabel zum Meßgerät übertragen wird.

19. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät erst dann meßbereit ist, wenn der Monteur die jetzt zu kontrollierende Verschraubung, deren Daten im Meßgerät gespeichert sind, mit der richtigen Bezeichnung ins Meßgerät eingetippt hat.

20. Meßeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät bei fehlerhafter Verschraubung Alarm schlägt.