DE69112856T2 - Lastanzeigendes Bauelement mit Ultraschall. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf lastanzeigende Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art und auf ein Verfahren zum Messen einer Verformung in einem lastanzeigenden Bauteil.
• Ein lastanzeigendes Bauteil dieser Art und ein Verfahren zum Messen der Verformung sind in der US-A-4 294 122 beschrieben.
• In vielen Arbeitsgängen ist es wünschenwert, den Betrag einer Längslast zu bestimmen, denen ein in Längsrichtung belastetes Teil ausgesetzt ist. Diese Information ist besonders zweckmäßig, wenn das in Längsrichtung belastete Teil ein Befestigungsteil ist, da die Messung der Längsspannung ein Nachweis für eine korrekte Verbindung ist.
• Eine Vielzahl vorbekannter Techniken wurden entwickelt, um den Betrag einer auf einen Befestiger einwirkenden Längsbelastung anzuzeigen, indem man den Befestiger selbst eine lastanzeigende Maßnahme zuordnete. Dies wird gewöhnlich durch die Verbindung eines Endes eines langgestreckten Teils, wie beispielsweise eines Stiftes, mit einem Bereich des Befestigers vor der Installation des Befestigers durchgeführt. Während jede der im Stand der Technik bekannten, verschiedenen, stiftähnlichen lastanzeigenden Bauteile und lastmessenden Einrichtungen seine eigenen Vorteile im Hinblick auf Genauigkeit, leichte Herstellung oder leichte Ablesung zeigt, sind sie immer noch teuer in der Herstellung, da jede von ihnen umfangreiche Modifikationen und die zusätzliche Anordnung eines zentralpositionierten Stiftteils am lastanzeigenden Bauteil erfordert. Dadurch werden diese lastanzeigenden Bauteile in der Praxis nur selektiv genutzt, entweder dort, wo eine spezifische, Sofortdiagnose erforderlich ist, oder wo eine ernsthaft festzustellende Sicherheitsbeeinträchtigung besteht. Diese Bauteile sind einfach zu teuer für Routinegebrauch in Einrichtungen, die nur gelegentlich von einer derartigen Überwachung profitieren können. Eine weitere Möglichkeit, die Verlängerung eines Bauteils oder eines Befestigers zu messen, ist die Verwendung von Ultraschallmeßgeräten. Gewöhnlich wird dies durchgeführt, indem man einen Ultraschallgeber mit einem Ende des zu messenden Bauteils, gewöhnlich der Kopf des Befestigers, wieder entfernbar verbindet. Um eine zuverlässige Anzeige zu bekommen, muß der Kopf des Bolzens extrem eben geschliffen werden, und ein geeignetes Ultraschallübertragungsmedium muß auf den Kopf des Bolzens aufgebracht werden. Der Geber muß exakt auf dem Bolzen positioniert und in seiner Lage gehalten werden, während die Messungen durchgeführt werden. Die unterschiedlichen Beispiele von Techniken und Vorrichtungen, die dieses Verfahren verwenden, sind im Stand der Technik bekannt. Weiterhin gibt es in den Vorschlägen des Standes der Technik die Auffassung, das Meßgerät mit einem Festziehwerkzeug zu kombinieren, so daß die Information, die beim Messen der Verlängerung des Bolzens erhalten wird, zur Bestimmung verwendet werden kann, wenn das Festziehwerkzeug abgestellt werden soll, oder, alternativ, zum Überwachen des Festziehprozesses, um festzustellen, ob eine korrekte Verbindung ausgebildet wurde.
• Obwohl die obenbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sichere Informationen über einen Befestiger und eine Verbindung liefern können, haben sie einen sehr begrenzten Einsatzbereich. Dies liegt hauptsächlich daran, daß der Bolzen sorgfältig gefertig und für die Instrumente leicht zugänglich sein muß. Die Ultraschallzugfestigkeitsmessung wurde deshalb als hochgenaue, labortechnische Befestigungsmethode zum Kalibrieren von Anwendungsprüfen und zum Festziehen sehr kritischer Verbindungen angesehen. Sie ersetzt verformungsindizierende Bolzen in verschiedenen Kalibrations- und kritischen Qualtitätskontroll-Anwendungen. Die praktischen Schwierigkeiten, die mit der Durchführung von Ultraschallzugfestigkeitsmessungen zusammenhängen, haben jedoch ihre Anwendung als allgemeine Befestigungstrategie für Baugruppen verhindert. Diese praktischen Schwierigkeiten umfassen die Schwierigkeit eine sichere akustische Kopplung während des Festziehens aufrechtzuerhalten, die Schwierigkeiten, die durch die teure und komplexe Ausrüstung verursacht werden, und die Schwierigkeiten, die sich bei der experimentiellen Bestimmung der Parameter für jede Verbindung ergeben.
• Vorschläge des Standes der Technik für Bauteile vom ultraschall-lastindizierenden Typ, die einen piezoelektrischen oder einen anderen Ultraschallsensor verwenden, enthalten die oben erwähnte US-A-4 294 122, die einen Gewindebolzen mit einer Öffnung entweder im Kopf oder dem gegenüberliegenden Ende beschreiben, in der ein Ultraschallwandler befestigt ist, durch den sowohl Vorlast-Messungen als auch andere Messungen für eine Qualitätskontrolle oder für Überwachungszwecke erhalten werden können. Die Ultraschallwelle wird an einer sich radial erstreckenden Stirnfläche des Bolzens reflektiert. Weiterhin zeigt die US-A-4 569 229 ein Verfahren zum Messen von Verformungen in einem Teil, bei dem innerhalb eines Mediums eines oder eine Mehrzahl von Enden rechtwinkliger Meßdurchgänge ausgewählt wurde, wobei die Enden durch einen inneren, künstlichen Reflektor verkörpert werden, ein Strahl akustischer Wellen ausgegeben wird, so daß die genügend Energie aufweisenden, akustischen Strahlen die verwendeten Reflektoren treffen, die den Reflektoren zugeordneten Echos ausgewählt werden, die Laufzeiten, die charakteristisch sind für die verwendeten akustischen Strahlen, bis zu den inneren, künstlichen Reflektoren durch Messen bestimmt werden, und die Laufzeiten für jeden inneren Reflektor, die individuell berücksichtigt werden, oder die entsprechenden Unterschiede der Laufzeiten für jedes Paar von Reflektoren in einen äußeren Verformungswert oder in einen Verformungswert für den durch jedes Paar von Reflektoren begrenzten Bereich umgerechnet werden. Das Teil zum Durchführen eines derartigen Verfahrens hat Reflektoren, die insbesondere aus Perforationen oder Bohrungen in das Teil bestehen.
• Weiterhin zeigt die US-A-4 601 207 einen Bolzen für die Firste in einem Bergwerk und ein Verfahren zum Messen der Verformung in diesen Bolzen, wobei ein flacher Teil am Kopf des First-Bolzens erst bearbeitet wird und dann eine Bohrung radial durch den Bolzen mit einem vorbestimmten Abstand vom Bolzenkopf gebohrt wird. Nach dem Einbau des First-Bolzens im Bergwerk und der Belastung wird die Verformung des Bolzens gemessen, indem ein Ultraschallpuls am flachen Bereich erzeugt wird. Die Laufzeit des von der Bohrung reflektierten Ultraschallpulses wird gemessen. Diese Laufzeit ist eine Funktion des Abstandes vom flachen Bereich zur Bohrung und erhöht sich, wenn der Bolzen belastet wird. Demgemäß steht die Zeitmessung im Zusammenhang mit der Verformung im Bolzen. Es sind weiterhin Kompensationsmöglichkeiten für unterschiedliche, die Laufzeit beeinflussende Faktoren vorgesehen.
• Weiterhin lehrt die US-A-4 846 001 die Verwendung eines dünnen piezoelektrischen Sensors, der aus einem piezoelektrischen Film besteht, der zwischen zwei dünne Elektroden eingefügt ist, und der permanent mechanisch und akustisch an die äußere Oberfläche eines Bauteils gekoppelt und verwendet wird, um die Länge, die Zugbelastung, die Spannung oder andere von der Zugbelastung abhängige Merkmale des Teils durch Ultraschalltechniken festzustellen.
• Gemäß Anspruch 1 bezieht sich diese Erfindung auf ein lastanzeigendes Bauteil mit einem Schaft, der mindestens eine äußere Nut und einen Ultraschallwandler aufweist, der mit dem lastanzeigenden Bauteil gekoppelt ist, so daß eine Ultraschallwelle auf die Nut gerichtet ist. Benachbart zu einem Längsende des Schaftes kann eine Oberfläche ausgebildet sein, an die der Ultraschallwandler gekoppelt werden kann. Weiterhin kann der Ultraschallwandler so an diese Oberfläche gekoppelt werden, daß die Ultraschallwelle ebenso zum anderen Längsende des Schaftes, entfernt von der Oberfläche, gerichtet wird. Die Nut kann am Schaft unter einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche angeordnet werden, um das Bauteil zu identifizieren. Weiterhin kann die Oberfläche eine Vertiefung aufweisen, wobei der Ultraschallwandler in der Vertiefung angeordnet ist. Zweckmäßigerweise kann die Nut eine ringförmige Nut sein oder die Nut kann aus einem am Schaft angeordneten Gewinde bestehen. Der Schaft kann weiterhin zwei oder mehrere ringförmige Nuten umfassen. Diese Nuten können am Schaft unter einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sein, um das lastanzeigende Bauteil zu identifizieren. Bevorzugt ist der Ultraschallwandler ein piezoelektrischer Film-Wandler. Zusätzlich ist das bevorzugte lastanzeigende Bauteil ein Befestiger gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Verglichen mit ultraschall-lastanzeigenden Bauteilen des Standes der Technik, sind mit der Erfindung verschiedenen Vorteile verbunden. Diese Vorteile beinhalten die Lastbestimmung, da die Last aus Ultraschall-Laufzeitmessungen über einen definierten Bereich des Schaftes dieser Erfindung berechnet wird, und dadurch die Lastberechnung nicht im allgemeinen durch die Klemmlänge der Verbindung, einer Biegung und Veränderungen in der Spannungsverteilung, die auf Trag- und Gewindeeingriffsflächen zurückzuführen sind, beeinflußt wird. Weiterhin können die Herstellungskosten des lastanzeigenden Bauteils der vorliegenden Erfindung geringer als bei bekannten Bauteilen sein, da die Nuten während des Gewindewalzschrittes mit eingewalzt werden können und ein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Ausbilden eines zugespitzen Endes des lastanzeigenden Bauteiles nicht erforderlich ist. Weiterhin kann in das Bauteil der vorliegenden Erfindung eine Identifikationscodierung für das lastanzeigende Bauteil eingearbeitet werden, so daß eine vorherige Kenntnis des Bauteils oder der Verbindung nicht erforderlich ist, um die Last zu messen. Weiterhin kann für einige Anwendungszwecke eine Lastspezifizierung nicht erforderlich sein, da Befestigungseinrichtungen verwendet werden können, um die maximal gestattete Zugebelastung für das Bauteil automatisch anzuzeigen.
• Zusätzlich ist es möglich, die Last in einem bereits eingebauten erfindungsgemäßen Bauteil zu messen, ohne vorherige Kenntnis über das Bauteil oder die Verbindung, da es möglich ist, den Abstand zwischen den Nuten zu kontrollieren. Indem man die Ultraschall-Laufzeit-Messung an einer ersten Nut von derjenigen einer zweiten Nut gemäß der vorliegenden Erfindung subtrahiert, können eine elektronische Schaltung und Kabelverzögerungen eliminiert werden. Dadurch können die Lastmessungen unabhängig von elektronischen Bauteilen für den Ultraschallimpuls/-fühlung und Kabellängen durchgeführt werden. Darüber hinaus ist die Eichung stark vereinfacht, da nur ein einziger Meßfaktor bezüglich der Änderung der Ultraschall- Laufdauer zur Zugbelastung experimentiell für jedes lastanzeigende Bauteil der vorliegenden Erfindung bestimmt werden muß.
• Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein lastanzeigendes Bauteil vorzusehen, das einen Schaft mit mindestens einer Nut und einen Ultraschallwandler aufweist, der mit dem Bauteil gekoppelt ist, so daß eine Ultraschallwelle auf die Nut gerichtet ist, wodurch genaue Lastmessungen erhalten werden können. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ein lastanzeigendes Bauteil vorzusehen, bei dem Lastmessungen im allgemeinen nicht durch die Klemmlänge der Verbindung, Biegungen und Veränderungen in der Spannungsverteilung, die von Trag- und Gewindeeingriffsflächen herrührt, beeinflußt werden. Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung eine lastanzeigendes Bauteil zu schaffen, das kostengünstig produziert werden kann. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein lastanzeigendes Bauteil zu schaffen, das eine Identifikationscodierung aufweist, so daß keine vorherige Kenntnis über das Bauteil oder die Verbindung erforderlich ist, um die Last zu messen. Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann klar bei Bezugnahme auffolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
• Es zeigen (gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente):
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen lastanzeigenden Bauteiles mit einer Nut;
• Fig. 2 einen Schnitt durch das lastanzeigende Bauteil der Fig. 1;
• Fig. 3 - 6 Teil-Schnittansichten anderer Beispiele von erfindungsgemäßen lastanzeigenden Bauteilen mit einer Nut;
• Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen lastanzeigenden Bauteils mit zwei Nuten;
• Fig. 8 eine Schnittansicht des lastanzeigenden Bauteils der Fig. 7;
• Fig. 9 eine grafische Darstellung der durch das lastanzeigende Bauteil der Fig. 7 erzeugten Ultraschallpulse und Echosignale;
• Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen lastanzeigenden Bauteils mit einem Wandler an dem dem Kopf gegenüberliegenden Ende des Bauteils;
• Fig. 11-24 sind Teil-Schnittdarstellungen alternativer Beispiele erfindungsgemäßer lastanzeigender Bauteile mit zwei Nuten;
• Fig. 25 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen lastanzeigenden Bauteils mit einem Gewinde; und
• Fig. 26+27 Teil-Schnittdarstellungen verschiedener Beispiele erfindungsgemäßer lastanzeigenden Bauteile mit Gewinde.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein lastanzeigendes Bauteil, das einen Schaft mit mindestens einer Nut und einen Ultraschallwandler aufweist, der mit dem lastanzeigenden Bauteil gekoppelt ist, so daß eine Ultraschallwelle auf die Nut gerichtet ist. Der Ultraschallwandler kann mit dem lastanzeigenden Bauteil an jeder geeigneten Stelle am Bauteil gekoppelt werden, vorausgesetzt, daß die durch den Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwelle auf die Nut gerichtet ist. Mehr als ein Ultraschallwandler kann erfindungsgemäß verwendet werden. So kann beispielsweise mit dem lastanzeigenden Bauteil ein erster Ultraschallwandler zum Erzeugen einer Ultraschall-Ansteuerungs-Pulswelle, so daß die Ansteuerungs- Pulswelle auf die Nut gerichtet ist, und es kann ein zweiter Ultraschallwandler zum Empfangen der von der Nut reflektierten Echowellen am Bauteil an einer anderen Stelle des Bauteils, die geeignet ist, Echowellen zu empfangen, gekoppelt werden. Die Verwendung eines einzigen Ultraschallwandlers sowohl zum Erzeugen der Ansteuerungs-Pulswelle als auch zum Empfangen der Echowellen ist jedoch bevorzugt. Es ist weiterhin bevorzugt, daß der Ultraschallwandler an einer benachbart zu einem Längsende des Schaftes ausgebildeten Oberfläche gekoppelt ist. Der Ultraschallwandler kann weiterhin mit dieser Oberfläche derart gekoppelt werden, daß die Ultraschall- Pulswelle zum anderen Längsende des Schaftes, das entfernt ist von der Oberfläche, zusätzlich zur Ausrichtung auf die Nut gerichtet wird. Weiterhin kann die Nut am Schaft unter einem vorbestimmten Abstand von dieser Oberfläche angeordnet sein, wodurch ein Identifikationsmittel des lastanzeigenden Bauteils geschaffen wird. Der Ultraschallwandler kann ebenfalls in einer Vertiefung angeordnet sein, um den Wandler gegen die Gefahren der Umgebung zu schützen.
• Das lastanzeigende Bauteil kann aus einer Schraube, einer Stange, einem Niet, einer Stiftschraube oder einem anderen Konstruktionsteil gebildet werden, das modifiziert wurde, um eine Anzeige der Zugbelastung, der Spannung, der Verlängerung oder anderer Merkmale des Bauteils während des Festziehvorganges als auch an unterschiedlichen Zeiten während der Lebensdauer der Verbindung, in der das Bauteil installiert wurde, zu schaffen. Weiterhin kann das lastanzeigende Bauteil aus Metall, Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien hergestellt werden, die für die Übertragung von Ultraschallwellen geeignet sind.
• Die Nut wirkt als ein künstlicher Reflektor und bildet mindestens eine Fläche zum Reflektieren der durch den Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallwelle zum Wandler zurück. Bevorzugt ist die Wellenreflektionsfläche der Nut im wesentlichen parallel zu demjenigen Teil der Oberfläche des lastanzeigenden Bauteils, an die der Ultraschallwandler gekoppelt ist. Bevorzugt ist die Nut eine Ringnut am Schaft, obwohl andere geeignete Nutenausbildungen am Schaft erfindungsgemäß verwendet werden können. So kann beispielsweise die Nut eine Teilnut sein, die sich über 30º, 60º, 90º, 120º, 180º usw. um den Umfang des Schaftes erstreckt. Es gilt jedoch, daß je kleiner die Nut desto schwächer die sich ergebenden Signale sind, die durch die Reflektion der Ultraschallwelle durch die Nut erzeugt werden. Alternativ dazu, kann die Nut aus einem am Schaft angeordneten Gewinde bestehen. Zwei oder mehrere ringförmige Nuten können ebenfalls mit Vorteil verwendet werden, da diese Nuten am Schaft unter einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand angeordnet werden können, um das lastanzeigende Bauteil zu identifizieren. Die Nut oder die Nuten können am Schaft durch konventionelles Walzen oder spanabhebende Bearbeitungsverfahren ausgebildet werden. Weiterhin kann die Nut oder die Nuten auf einfache Weise am lastanzeigenden Bauteil während eines Gewindewalzschrittes am Bauteil eingewalzt werden.
• Der Ultraschallwandler kann jede geeignete, im Stand der Technik bekannte Wandlerart sein, die hergestellt werden kann, um direkte Ultraschallwellen zu erzeugen. So können beispielsweise kleine Wandlerelemente oder -ringe verwendet werden. Der Wandler kann entweder dauernd am Schaft angeordnet sein, oder er kann von Zeit zu Zeit mit dem lastanzeigenden Bauteil gekoppelt werden, vorausgesetzt, daß der Wandler fähig ist, eine Ultraschallwelle auf die Nut zu richten und ein geeignetes, akustisches Kupplungsmedium vorgesehen ist. Der Ultraschallwandler kann vorteilhafterweise ein piezoelektrischer Film-Wandler sein.
• Das lastanzeigende Bauteil der vorliegenden Erfindung kann mit einem Festziehwerkzeug, einschließlich eines konventionellen, angetriebenen Werkzeuges, verwendet werden, das mit dem lastanzeigenden Bauteil sowohl elektrisch als auch mechanisch in Eingriff bringbar ist, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Weiterhin kann eine elektronische Steuereinrichtung mit dem Ultraschallwandler durch bekannte Techniken elektrisch verbunden werden. Die elektronische Steuereinrichtung liefert und mißt elektronische Signale des Ultraschallwandlers, so daß eine Ultraschallmessung der Zugbelastung, der Spannung oder der Verlängerung des Schaftes des lastanzeigenden Bauteils vorgesehen wird. Weiterhin kann die elektronische Steuereinrichtung verwendet werden, um den Typ oder die Größe des lastanzeigenden Bauteils automatisch zu identifizieren, da der vorbestimmte Abstand zwischen den Nuten am Schaft ein erfindungsgemäßes Mittel zur Identifikation darstellt.
• Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß das Festziehwerkzeug mit einer Anzeigeeinheit zum Anzeigen der Ultraschallmessung der Zugbelastung, der Spannung, der Verlängerung oder der Bauteil-Identifikation versehen ist, die während des Betriebs erhalten werden. Alternativ dazu, kann das Festziehwerkzeug so ausgebildet sein, daß es die durch die elektronische Steuereinrichtung kontinuierlich übermittelte Information verwendet, um zu bestimmen, wenn ein vorbestimmter Wert der Zugbelastung oder Verlängerung erreicht wurde und wann deshalb das Festziehen beendet werden sollte. Es ist ferner für den Fachmann selbstverständlich, daß das ausgewählte, angetriebene Werkzeug, in einer Weise, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, andere Merkmale einer auszubildenden Verbindung überwacht, beispielsweise das Drehmoment und den momentanen Winkel des lastanzeigenden Bauteils. Ein Beispiel eines derartig angetriebenen Werkzeuges kann in der US-A-4 344 216 gefunden werden. Diese anderen vom angetriebenen Werkzeug erhältlichen Informationen können mit den Informationen über die Zugbelastung, die Spannung, die Verlängerung oder die Teileidentifikation, die durch die elektronische Steuereinrichtung übermittelt wird, kombiniert werden, um einen präzise kontrollierten Festziehvorgang zu schaffen, wobei die verschiedenen gemessenen Parameter direkt verwendet werden, um die Festziehreihenfolge zu steuern oder die Resultate des Festziehvorganges zu überwachen.
• Ein Beispiel einer Vorrichtung, die mit der vorliegenden Erfindung zum Messen der Laufzeit der Ultraschallwellen entlang des Bauteils verwendet werden kann, ist in der US-A-4 846 001 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Viele unterschiedliche elektronische Techniken zum Messen der Laufzeit sind im Stand der Technik bekannt, als Resultat der Entwicklungen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall. Viele dieser Techniken sind fähig, die erforderliche Auflösung und Genauigkeit zu liefern. Einige dieser Techniken bieten jedoch besondere Vorteile im Hinblick auf die Anzahl der Pulse für eine genaue Messung, die Schaltungskomplexität und die Energieaufnahme. Das lastanzeigende Bauteil der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt mit Puls-Echo-Techniken verwendet, anderer, bekannte Techniken, beispielsweise die Resonanztechnik, kann ebenfalls verwendet werden.
• Ein klares Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die anhängigen Zeichnungen erzielt werden. Obwohl spezielle Formen der Erfindung zur Darstellung in den Zeichnungen selbst ausgewählt wurden, sollen ihre Beschreibungen nicht den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken.
• Die Fig. 1 und 2 stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines lastanzeigenden Bauteils, und insbesondere eines Befestigers 10 dar, der zum Messen der Verformung am Befestiger 10 angepaßt ist. Der Befestiger 10 dieses bevorzugten Ausführungsbeispieles ist eine Schraube mit einem Schaft 11, der eine Längsachse 12 und eine vorbestimmte Länge in Längsrichtung aufweist. Der Schaft 11 soll einer in Längsrichtung gerichtete Verformung entlang der Längsachse 12 ausgesetzt werden. An einem Längsende des Schaftes 11 ist ein Kopf 13 ausgebildet und am anderen Längsende ist ein Gewinde 14 geformt. Der Kopf 13 hat eine Endfläche 15, der am Endbereich des Kopfes 13 ausgebildet ist, und eine Schulter 16 ist zwischen dem Kopf 13 und dem Schaft 11 ausgebildet. Die unter Oberfläche 17 ist an dem gegenüberliegenden Ende des Schaftes 11 ausgebildet. Der Kopf 13 ist weiterhin mit einer Eingriffsfläche 18 für einen Schraubenschlüssel oder ein Werkzeug, wie beispielsweise eine sechseckige Schraubfläche, versehen, die um seinen Umfang angeordnet ist. Im nicht mit Gewinde versehenen Teil des Schaftes 11 ist eine ringförmige Nut 19 ausgebildet. Weiterhin ist die ringförmige Nut 19, die am Befestiger während des Gewindewalzens eingewalzt werden kann, ausgebildet, um Flächen 20 und 21 zu bilden, wie dies im Querschnitt der Fig. 2 dargestellt ist, die eine Ultraschallwelle auf einen piezoelektrischen Film-Wandler 22 reflektieren und weiterhin unerwünschte Reflektionen so weit wie möglich verringern. Selbstverständlich können die in der Schnittdarstellung der Fig. 2 dargestellten Flächen 20 und 21 eine einzelne Fläche eines dreidimensionalen Befestigers bilden. Die ringförmige Nut 19 kann weiterhin derart ausgebildet sein, daß die maximale Zug- und Ermüdungsfestigkeit des Befestigers 10 nicht verringert wird.
• Der piezoelektrische Film-Wandler 22 ist mit der Endfläche 15 des Kopfes derart gekoppelt, daß eine Ultraschallwelle in Richtung auf die ringförmige Nut 19 gerichtet ist. Weiterhin ist der piezoelektrische Film-Wandler 22 permanent mechanisch und elektrisch mit der Endfläche 15 des Kopfes verbunden. Alternativ dazu kann der piezoelektrische Film-Wandler 22 halbpermanent mit der Endfläche 15 des Kopfes oder nur von Zeit zu Zeit mit der Endfläche 15 des Kopfes gekoppelt werden, wie beispielsweise während des Festziehens des Befestigers 10, vorausgesetzt, daß der Wandler 22 so an der Endfläche 15 des Kopfes gekoppelt ist, daß die Ultraschallwellen auf die ringförmige Nut 19 gerichtet sind, und daß ein geeignetes, akustisches Kopplungsmedium vorgesehen ist, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Vorteilhafterweise besteht der piezoelektrische Film-Wandler 22 aus einer dünnen Schicht eines copolymeren, piezoelektrischen Films, der mit einer dünnen Schicht einer weichen Aluminiumfolie verbunden ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Wandler 22 aus einer etwa 10 um dicken Schicht aus einem VF2/VF3 copolymeren, piezoelektrischen Film, der direkt mit einer etwa 50 um dicken Schicht aus einer weichen Aluminiumfolie verbunden ist, die an der Endfläche 15 des Kopfes befestigt ist, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der dünne Wandler 22 nimmt die Form der Endfläche 15 des Kopfes an, die in der Schnittdarstellung der Fig. 2 aus Flächen 23 und 24 zusammengesetzt ist, wenn während des Befestigungsvorgangs Druck aufgebracht wird. Bevorzugt sind die Nutenflächen 20 und 21 im wesentlichen parallel zu den entsprechenden Flächen 23 und 24 der Endfläche des Kopfes.
• Die Verformung im Befestiger 10 wird durch Ultraschallmeßtechniken gemessen. Diese Technik beinhaltet die anfängliche Erzeugung eines Ultraschallsignals vom Wandler, der an den Flächen 23 und 24 der Endfläche des Kopfes befestigt ist, und das Signal in Richtung auf die entsprechenden Nutflächen 20 und 21 richtet. Das Signal bewegt sich vom Wandler 22 durch den Körper des Befestigers zu den Nutflächen 20 und 21. Das Signal wird dann von den Nutflächen 20 und 21 mindestens einmal zurück zum Wandler 22 reflektiert. Eine Darstellung des Weges 25 des gerichteten Ultraschallsignals ist in Fig. 2 eingetragen. Eine Ultraschall-Elektronikausrüstung (nicht gezeigt) ist am Befestiger 10 angebracht und mit dem Wandler 22 elektrisch verbunden, um die anfänglichen und zurückkehrenden Signale zu übermitteln und zu messen, um Messungen der Ultraschall-Laufzeit vom Wandler 22 zu den Nutflächen 20 und 21 vorzunehmen. Die Differenz der Meßwerte der Ultraschall- Laufzeit vom Wandler 22 zu den Nutflächen 20 und 21 ergibt eine Laufzeitmessung, die proportional der Belastung des Befestigers ist, da sich der Befestiger 10 verlängert und sich die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle mit der Spannung reduziert, die aus der induzierten axialen Belastung während des Festziehens resultiert.
• Es gibt viele unterschiedliche, mögliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, einschließlich der in den Schnittdarstellungen der Fig. 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele. Die dort dargestellten Ausführungsbeispiele haben eine ringförmige Nut. Die Endfläche 15 des Kopfes, an die der Wandler 22 gekoppelt ist, hat eine konische Form und steht in axialer Ausrichtung mit dem Schaft 11. Insbesondere stellt Fig. 3 eine Kopfkonstruktion vom konkav-konischen Typ und Fig. 4 eine Kopfkonstruktion vom konvex-konischen Typ dar. Die Endfläche 15 des Kopfes kann weiterhin in einer im Kopf 13 ausgebildeten Vertiefung angeordnet sein, wie dies in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Die Endfläche 15 des Kopfes kann eine abgerundete Kontur in Axialausrichtung mit dem Schaft 11 aufweisen, wie dies ebenfalls in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Insbesondere zeigt Fig. 5 eine Kopfgestaltung des konkav-konisch-abgerundeten Typs, und Fig. 6 eine Kopfgestaltung des konvex-konisch-abgerundeten Typs. Anderer Kopfgestaltungen können erfindungsgemäß verwendet werden, wie dies für den Fachmann verständlich ist.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Befestiger 10 zwei ringförmige Nuten 26 und 27 aufweist, die am Schaft 11 zwischen dem Kopf 13 und dem Gewinde 14 angeordnet sind. Die ringförmigen Nuten 26 und 27 bilden Bezugspunkte für die Messung der Verformung im Befestiger 10 unter Verwendung der obenbeschriebenen Ultraschall-Meßtechniken. Weiterhin ist die erste ringförmige Nut 26 so gestaltet, daß sie Flächen 28 und 29 bildet, und die zweite ringförmige Nut 27 ist so gestaltet, daß sie Flächen 30 und 31 bildet, die in der Schnittdarstellung der Fig. 8 dargestellt, um die Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Film-Wandler 22 zu reflektieren, der dauernd, mechanisch und elektrisch mit der Endfläche 15 des Kopfes verbunden ist. Selbstverständlich können die Flächen 28 und 29 und die Flächen 30 und 31, die in der Schnittdarstellung der Fig. 8 dargestellt sind, einzelne Flächen der entsprechenden ringförmigen Nuten 26 und 27 bei einem dreidimensionalen Befestiger bilden.
• In dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Film-Wandler 22 mit der Endfläche 15 des Kopfes so gekoppelt, daß eine Ultraschallwelle in Richtung auf die erste ringförmige Nut 26, die zweite ringförmige Nut 27 und die längsseitige Endfläche 32 des Schaftes 11 gerichtet ist. Die längsseitige Endfläche 32 ist von der Endfläche 15 des Kopfes entfernt und stellt einen Bezugspunkt für die Messung der Länge des Befestigers unter Verwendung der Ultraschallmeßtechnik dar. Insbesondere besteht die Endfläche 15 des Kopfes aus einer ersten Fläche 33, die im wesentlichen parallel zu den ringförmigen Nutflächen 28 und 30 verläuft, einer zweiten Fläche 34, die im wesentlichen parallel zu den ringförmigen Nutflächen 29 und 31 verläuft, und einer dritten Fläche 35, die im wesentlichen parallel zur längsseitigen Endfläche 32 des Schaftes verläuft. Das Ultraschallwellensignal läuft von dem mit der ersten Fläche 33 gekoppelten Teil des Wandlers 22 durch den Körper des Befestigers zur ersten Nutfläche 28 und zur zweiten Nutfläche 30, wie durch die Darstellung des gerichteten Ultraschallsignalweges 36 in Fig. 8 gezeigt. Das Ultraschallwellensignal läuft weiterhin von dem mit der zweiten Fläche 34 gekoppelten Teil des Wandlers 22 durch den Körper des Befestigers 10 zur ersten Nutfläche 29 und zur zweiten Nutfläche 31, wie in der Darstellung des gerichteten Ultraschallsignalweges 37 in Fig. 8 gezeigt. Zusätzlich läuft das Ultraschallwellensignal vom mit der dritten Fläche 35 gekoppelten Teil des Wandlers 22 durch den Körper des Befestigers 10 zur längsseitigen Endfläche 32, wie durch die Darstellung des gerichteten Ultraschallsignalweges 38 in Fig. 8 gezeigt. Das Ultraschallwellensignal wird dann von allen oben erwähnten Flächen zum Wandler 22 zurück reflektiert. Die Messung des Ultraschall- Laufweges vom Wandler 22 zur längsseitigen Endfläche 32 wird zum Feststellen der Länge des Befestigers und zum zerstörungsfreien Prüfen des Befestigers verwendet. Diese Messung ist jedoch nicht erforderlich für die Errechnung der Belastung.
• Die erste ringförmige Nut 26 und die zweite ringförmige Nut 27 sind am Schaft 11 unter einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet, um den Befestiger 10 unter Verwendung der Ultraschallmeßtechnik zu identifzieren. So kann beispielsweise, wie in Fig. 8 dargestellt, der Abstand d zwischen der ersten Nutfläche 28 und der zweiten Nutfläche 30 während der Herstellung der Nuten genau kontrolliert werden, da die Profile der ringförmigen Nut in der gleichen Form geschliffen werden können. Deshalb kann dieser Abstand d bei unterschiedlichen Befestigern leicht variiert werden, damit die anfängliche Differenzmessung der Ultraschall-Laufzeit benutzt werden kann, um den Befestiger zu identifizieren. Die mit dem Befestiger verwendete Ultraschalleinrichtung kann die Veränderung in dieser Differenzmessung der Laufzeit während des Festziehens anzeigen, um eine Anzeige der Belastung im Befestiger zu bewirken. Wenn die ringförmigen Nuten mit ausreichender Genauigkeit hergestellt werden können, kann die Belastung an einem bereits installierten Befestiger gemessen werden, ohne das Erfordernis einer Laufzeitmessung ohne Last, wie sie im Stand der Technik verwendet wird.
• Dementsprechend kann eine Einrichtung zum Codieren der Befestigeridentifikation unter Verwendung des Abstandes d zwischen diesen ringförmigen Nuten erfindungsgemäß verwendet werden. Zusätzlich kann darüber hinaus erfindungsgemäß eine Festziehregelung verwendet werden, um den Befestiger durch die Codiereinrichtung automatisch sowohl zu identifizieren als auch aufgrund der Lastmessungen, die von der Ultraschall- Laufdauer vom Wandler zu den ringförmigen Nuten abgeleitet werden, zu berechnen und anzuzeigen oder zu regeln.
• Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel von Ultraschallpuls- und Echosignalen darstellt, die durch die Ausführungsbeispiele der Fig. 7 und 8 erzeugt werden. Immer wenn der Wandler gepulst wird, wird durch den Wandler ein Ultraschall-Ansteuerungs-Pulssignal erzeugt. Das Ansteuerungs- Pulssignal 39 läuft durch den Befestiger und wird an einer Fläche der ersten ringförmigen Nut reflektiert, um ein erstes Echo 40 von der ersten ringförmigen Nut 26 zu erzeugen, und wird dann von einer Fläche der zweiten ringförmigen Nut 27 reflektiert, um ein erstes Echo 41 von der zweiten ringförmigen Nut 27 zu erzeugen. Dieses Signal läuft weiterhin mehrfach vorwärts und zurück, bis das Signal abgeschwächt oder abgedämpft ist. Das zweite Echo 42 von der ersten ringförmigen Nut 26 und das zweite Echo 43 von der zweiten ringförmigen Nut 27 sind ebenfalls in Fig. 9 dargestellt. Zusätzlich läuft das Signal zur längsseitigen Endfläche 32 des Befestigers, um ein erstes Echo 44 vom Ende des Befestigers zu erzeugen.
• Die Position der Nuten ist derart ausgewählt, um ein Zusammenfallen der zweiten und dritten Echos von den näher am Wandler liegenden Nuten mit den ersten Echos von den weiter vom Wandler entfernten Nuten zu verhindern. Die ersten und zweiten Echos werden gemessen und die Laufzeitdifferenz zwischen den Signalen bestimmt. Eine Laufzeitmessung kann zur Identifikation des Befestigers verwendet werden, und die Belastungsberechnung lautet Δt=t&sub2;-t&sub1; wobei Δt die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Echo 40 der ersten Nut 26 und dem ersten Echo 41 der zweiten Nut 27, t&sub2; die Zeitdifferenz zwischen dem anfänglichen Ansteuerungs-Pulssignal 39 und dem ersten Echo 41 der zweiten Nut 27 und t&sub1; die Zeitdifferenz zwischen dem anfänglichen Ansteuerungs-Pulssignal 39 und dem ersten Echo 40 der ersten Nut 26 ist. t&sub1; und t&sub2; können ebenfalls unter Verwendung von zwei Pulsen anstelle des gleichen Pulses gemessen werden, vorausgesetzt, daß keine merkliche Änderung den Belastungsbedingungen während der Zeitspanne zwischen den Pulsen auftritt.
• Andere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Befestigers, in denen die Nuten die Welle auf eine andere reflektierende Oberfläche leiten, anstelle sie zurück zum Wandler zu schikken, sind ebenfalls möglich. So zeigt beispielsweise Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles eines Befestigers, der den Wandler 22 an dem dem Kopf gegenüberliegenden Ende des Befestigers hat. Eine Darstellung des gerichteten Ultraschallsignalweges 25 ist in Fig. 10 eingetragen. Diese Art einer Konstruktion kann verwendet werden, wenn das einzig zugängliche Ende des Befestigers mit Gewinde versehen ist, wie beispielsweise Stiftschrauben oder einige Verbindungsstangenbefestiger, oder wenn dauernd oder zeitweist angeordnete Wandler nur an einer flachen Oberfläche befestigt werden können oder eine Ultraschallwelle in Axialrichtung ausrichten.
• Wie oben erwähnt, können eine oder mehrere ringförmige Nuten als Ultraschallwellen- oder künstliche Reflektoren verwendet werden. Trotzdem kann auch eine Nut die elektronischen Leitungsverzögerungen, die der Differenzmessung mit zwei Nuten innewohnt, nicht verhindern. Puls- und Echosignale von einer Nut können eine Identifikationsinformation für den Befestiger beinhalten, da die Nut in ausgewählter Weise irgendwo am Schaft angeordnet werden kann. Zwei Nuten können jedoch eine genauere Identifkationsinformation über den Befestiger erzeugen. Weiterhin können mehr als zwei Nuten die Ermüdungsfestigkeit des Befestigers verbessern, indem sie die Elastizität der Verbindung verbessern.
• Zusätzliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit zwei ringförmigen Nuten sind in den geschnittenen Teildarstellungen der Fig. 11 bis 24 dargestellt. Darin sind Darstellungen des gerichteten Ultraschallsignalweges 25 eingetragen. Insbesondere zeigt Fig. 11 eine Kopfgestaltung des konkav-konischen Typs und Fig. 12 eine Kopfgestaltung des konkav-konischen Typs mit einer flachen Mittelfläche. Fig. 13 zeigt eine Kopfgestaltung des konkav-kugligen Typs. Fig. 14 zeigt eine Kopfgestaltung des konkav-konischen Typs ohne Vertiefung im Kopf 13, Fig. 15 zeigt eine Kopfgestaltung des konvex-konischen Typs ohne Vertiefung im Kopf 13, weiterhin zeigen die Fig. 16, 18 und 20 unterschiedliche Ausführungsformen von Kopfgestaltungen des konvex-konischen Typs, wobei der Wandler 22 sich in einer Vertiefung im Kopf 13 befindet, darüber hinaus zeigen die Fig. 17, 19 und 21 unterschiedliche Ausführungsformen einer Kopfgestaltung des konkav-konischen Typs, wobei sich der Wandler 22 in einer Vertiefung im Kopf 13 befindet. Fig. 22 zeigt eine Kopfgestaltung des konvex- konischen Typs, ohne jede Vertiefung im Kopf 13. Fig. 23 zeigt eine Kopfgestaltung des konvex-konischen Typs mit einer flachen Mittelfläche. Weiterhin zeigt Fig. 24 eine Kopfgestaltung des konvex-kugligen Typs ohne jede Vertiefung im Kopf 13.
• Fig. 25 zeigt ein anderes Auführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Befestiger 10 in diesem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Schaft 11 mit einer Längsachse 12 und einer vorbestimmten Länge in Längsrichtung. Der Schaft 11 kann einer in Längsrichtung gerichteten Verformung entlang der Längsachse 12 unterworfen werden. Der Kopf 13 ist an einem Längsende des Schaftes 11 ausgebildet, wobei der Kopf 10 eine Endfläche 15 aufweist, die an einem Endbereich des Kopfes 13 ausgebildet ist. Am Schaft 11 ist weiterhin ein Gewinde 45 ausgebildet, und mindestens ein Gewindegang 45 hat eine Fläche 46 zum Reflektieren der Ultraschallwelle zum piezoelektrischen Film-Wandler 22. Es können jedoch mehr als ein Gewindegang die Fläche zum Reflektieren der Welle zum Wandler 22 aufweisen. Bevorzugt sind diese Gewindeflächen im wesentlichen parallel zum Teil der Endfläche 15 des Kopfes, an die der Wandler 22 gekoppelt ist. So kann beispielsweise der Teil der Endfläche 15 des Kopfes, an die der Wandler 22 gekoppelt ist, schraubenförmig geformt sein und der Gewindeschraube folgen, so daß der Hauptteil der Fläche 15 im wesentlichen parallel zur reflektierenden Fläche 46 der Gewindegänge 45 ist. Insbesondere bildet die Endfläche 15 des Kopfes einen schraubenförmigen Kegel in axialer Ausrichtung mit dem Schaft 11, wobei die Steigung der Oberfläche 15 im wesentlichen gleich der Steigung der Gewindegänge 45 ist.
• Der Wandler 22 kann weiterhin mit der Endfläche 15 des Kopfes so gekoppelt werden, daß die Ultraschallwelle in Richtung auf die Gewindegänge 45 gerichtet ist. Die Darstellung des gerichteten Ultraschallsignalweges 47 ist in Fig. 25 eingetragen. Weiterhin sind andere Ausgestaltungen des Befestigers möglich. So kann beispielsweise der Wandler 22 in einer Vertiefung angeordnet sein, der Kopf kann konisch geformt und in axialer Ausrichtung mit dem Schaft sein, oder der Kopf kann eine gekrümmte Kontur in axialer Ausrichtung mit dem Schaft haben. Andere Ausführungsbeispiele sind in Fig. 26 dargestellt, die eine Kopfgestaltung des konkav-konischen Schraubentyps zeigt, und in Fig. 27, die eine Kopfgestaltung des konvex-konischen Schraubentyps zeigt, wobei die Gewindegänge künstliche Reflektoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zum Messen der Verformung in einem lastanzeigenden Bauteil derjenigen Art, das einen Schaft mit mindestens einer Nut und einen Ultraschallwandler aufweist, der mit dem lastanzeigenden Bauteil gekoppelt ist, so daß die Ultraschallwelle auf die Nut gerichtet ist. Das Verfahren umfaßt das Erzeugen eines Ultraschallsignals durch einen Ultraschallwandler, so daß das Signal durch das lastanzeigende Bauteil zur Nut läuft und mindestens einmal zurück zum Ultraschallwandler reflektiert wird, wodurch Messungen vorgesehen werden, die die Verformung am lastanzeigenden Bauteil anzeigen. Wie oben erwähnt, kann der Wandler an einem Längsende des Schaftes angekoppelt werden, so daß das Ultraschallsignal auch vom anderen Längsende des Schaftes reflektiert wird. Weiterhin kann der Schaft zwei oder mehrere ringförmige Nuten zum Reflektieren der Ultraschallwellen aufweisen. Wie ebenfalls oben erläutert, können die ringförmigen Nuten am Schaft unter einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet werden, um Messungen zur Identifikation des lastanzeigenden Bauteils vornehmen zu können. Weiterhin können die Nuten aus am Schaft angeordneten Gewindegängen bestehen.
• Demnach bewirkt die vorliegende Erfindung verschiedene Vorteile gegenüber ultraschall-lastanzeigenden Bauteilen des Standes der Technik. Diese Vorteile umfassen eine Lastbestimmung und Verwendung der vorliegenden Erfindung, da die Last aus den Messungen der Ultraschall-Laufdauer über einen definierten Bereich des Schaftes des Befestigers berechnet wird, wodurch die Lastberechnung im allgemeinen nicht durch die Klemmlänge der Verbindung, Biegung und Veränderungen der Spannungsverteilung, die sich aus den Lager- und Gewindeeingriffsflächen ergeben, beeinflußt wird. Weiterhin können die Herstellungskosten des Befestigers der vorliegenden Erfindung niedriger sein, als diejenigen bekannter Befestiger, da die Nuten während des Gewindewalzens eingewalzt werden können und ein zusätzlicher Arbeitsschritt um ein zugespitztes Ende des Befestigers auszuformen, nicht erforderlich ist. Weiterhin kann eine Codierung zur Identifikation des Befestigers in den Befestiger der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden, so daß keine vorherige Kenntnis des Befestigers oder der Verbindung erforderlich ist, um die Belastung des Befestigers zu messen. Weiterhin kann eine Belastungspezifikation in einigen Anwendungsfällen nicht erforderlich sein, da Festziehgeräte verwendet werden können, um die maximal erlaubte Zugbelastung des Befestigers (d.h. 95% Minimum-Sicherheitsbelastung) automatisch anzuzeigen.
• Es ist weiterhin möglich, die Belastung an einem bereits installierten Befestiger gemäß der vorliegenden Erfindung zu messen, ohne vorherige Kenntniss des Befestigers oder der Verbindung, da es möglich ist, den Abstand zwischen den Nuten zu kontrollieren. Weiterhin können Verzögerungen durch die elektronische Schaltung und die Verkabelung eliminiert werden, indem man die Messung der Ultraschall-Laufdauer an der ersten Nut von derjenigen der zweiten Nut gemäß der vorliegenden Erfindung abzieht. Die Lastmessungen können deshalb unabhängig von Ultraschallpuls-/Fühl-Elektronikbauteilen und Kabellängen durchgeführt werden. Die Kalibrierung des Befestigers ist weiterhin stark vereinfacht, da nur ein einziger Vergleichsfaktor bezüglich der Veränderung der Ultraschall- Laufdauer (t&sub2;-t&sub1;) zur Zugbelastung experimentiell für jede Befestigerkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt werden muß.
• Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es klar, daß sich dem Fachmann eine Vielzahl anderer Formen und Modifikationen dieser Erfindung erschließt. Die anhängigen Ansprüche und diese Erfindung sollten im wesentlichen so ausgelegt werden, daß sie alle offensichtlichen Formen und Modifikationen die innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, abdecken.

Claims (25)

1. Lastanzeigendes Bauteil (10) mit einem Schaft (11), der mindestens eine Fläche (20, 21, 28, 29, 30, 31, 46) zum Reflektieren einer Ultraschallwelle aufweist, die durch einen an das lastanzeigende Bauteil (10) gekoppelten Ultraschallwandler (22) erzeugt wurde, so daß die Ultraschallwelle auf die Fläche (20, 21, 28, 29, 30, 31, 46) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (11) mindestens eine äußere Nut (19, 26, 27, 45) aufweist, die mit der Fläche (20, 21, 28, 29, 30, 31, 46) versehen ist, und daß die Ultraschallwelle auf die Nut (19, 26, 27, 45) gerichtet ist.

2. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) benachbart zu einem Längsende des Schaftes (12) ausgebildet ist, und der Ultraschallwandler (22) an diese Oberfläche gekoppelt ist.

3. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 2, wobei der Ultraschallwandler (22) an diese Oberfläche (35) so gekoppelt ist, daß die Ultraschallwelle auch auf das andere Längsende (32) des Schaftes (11), das entfernt von der Oberfläche (35) angeordnet ist, gerichtet ist.

4. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Nut (19, 26, 27, 45) am Schaft (11) unter einem vorbestimmten Abstand von der Oberfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) zur Identifikation des lastanzeigenden Bauteils (10) angeordnet ist.

5. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Oberfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) eine Vertiefung aufweist und der Ultraschallwandler (22) in dieser Vertiefung angeordnet ist.

6. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nut (45) aus am Schaft (11) angeordneten Gewindegängen besteht.

7. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nut (19, 26, 27) eine ringförmige Nut ist.

8. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schaft (11) zwei oder mehr Nuten (26, 27, 45) hat.

9. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 8, wobei die Nuten (26, 27, 45) am Schaft (11) unter einem vorbestimmten Abstand (d) zur Identifikation des lastanzeigenden Bauteils (10) zueinander angeordnet sind.

10. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Endfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) konisch geformt ist und in axialer Ausrichtung mit dem Schaft (11) steht.

11. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Endfläche (15) eine abgerundete Kontur in axialer Ausrichtung mit dem Schaft (11) aufweist.

12. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Endfläche (15) einen schraubenförmigen Kegel in axialer Ausrichtung mit dem Schaft (11) bildet, wobei die Steigung der Endfläche (15) gleich der Steigung der Gewindegänge ist.

13. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Ultraschallwandler (22) ein piezoelektrischer Film-Wandler ist.

14. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 13, wobei der piezoelektrische Film-Wandler (22) eine dünne Schicht eines copolymeren, piezoelektrischen Films aufweist, der mit einer dünnen Schicht einer weichen Aluminiumfolie verbunden ist.

15. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ausgebildet als Befestiger.

16. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 15, wobei der Befestiger eine Schraube, eine Stange, ein Niet oder eine Stiftschraube ist.

17. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16 mit einem Kopf (13), der an einem Längsende des Schaftes (11) ausgebildet ist, wobei der Kopf (13) eine am Endbereich des Kopfes (13) ausgebildete Oberfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) aufweist, und wobei der piezoelektrische Film-Wandler (22) mit der Endfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) des Kopfes (13) so gekoppelt ist, daß eine Ultraschallwelle auf die ringförmige Nut (19, 26, 27, 45) gerichtet ist.

18. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 17, wobei der piezoelektrische Film-Wandler dauerhaft, mechanisch und elektrisch mit der Endfläche (15, 23, 24, 33, 34, 35) des Kopfes (13) verbunden ist.

19. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Befestiger eine Schraube mit einem entfernt vom Kopf (13) am Schaft angeordneten Gewinde (14) ist.

20. Lastanzeigendes Bauteil nach Anspruch 19, wobei zwei ringförmige Nuten (26, 27) am Schaft (11) zwischen dem Kopf (13) und dem Gewinde (14) angeordnet sind, wobei die ringförmigen Nuten (26, 27) Bezugspunkte für die Messung der Verformung im Befestiger unter Verwendung einer Ultraschallmeßtechnik bilden.

21. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Nut (45) aus Gewindegängen besteht, die am Schaft (11) unter einem vorbestimmten Abstand vom Kopf (13) zur Identifikation des Befestigers unter Verwendung der Ultraschallmeßtechnik angeordnet ist.

22. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 21, wobei der piezoelektrische Film-Wandler (22) dauernd, mechanisch und elektrisch mit der Endfläche (35) des Kopfes (30) verbunden ist, so daß eine Ultraschallwelle auch in Richtung auf das andere Längsende (17) des Schaftes (11) gerichtet ist, das von der Oberfläche (35) entfernt ist, wobei das andere Längsende des Schaftes (11) einen Bezugspunkt zum Messen der Länge des Befestigers unter Verwendung der Ultraschallmeßtechnik bildet.

23. Lastanzeigendes Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Verformung im Befestiger durch eine Ultraschallmeßtechnik gemessen wird, die die Erzeugung eines Ultraschallsignals durch einen piezoelektrischen Film-Wandler (22) umfaßt, wodurch das Signal vom piezoelektrischen Film- Wandler durch den Befestiger mindestens einmal zur Nut (19, 26, 27, 45) und zurück zum piezoelektrischen Film-Wandler (22) läuft.

24. Verfahren zum Messen der Verformung in einem lastanzeigenden Bauteil (10) derjenigen Art, das einen Schaft (11) mit mindestens einer äußeren Nut (19, 26, 27, 45) und einen Ultraschallwandler (22) aufweist, der mit dem lastanzeigenden Bauteil (10) so gekoppelt ist, daß eine Ultraschallwelle auf die Nut (19, 26, 27, 45) gerichtet ist, wobei das Verfahren das Erzeugen eines Ultraschallsignals durch den Ultraschallwandler (22) umfaßt, so daß das Signal durch das lastanzeigende Bauteil (10) zur Nut (19, 26, 27, 45) läuft und mindestens einmal zurück zum Ultraschallwandler (22) reflektiert wird, wodurch Messungen vorgesehen werden, die der Verformung im lastanzeigenden Bauteil (10) entsprechen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Ultraschallwandler (22) mit einem Längsende des Schaftes (11) derart gekoppelt ist, daß das Ultraschallsignal auch vom anderen Längsende des Schaftes (11) reflektiert wird.