EP1495296A1 - Vorrichtung zum Einstellen und Pr fen der Spannkraft von Sch raubverbindungen - Google Patents

Vorrichtung zum Einstellen und Pr fen der Spannkraft von Sch raubverbindungen

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Publication number
EP1495296A1
EP1495296A1 EP03727291A EP03727291A EP1495296A1 EP 1495296 A1 EP1495296 A1 EP 1495296A1 EP 03727291 A EP03727291 A EP 03727291A EP 03727291 A EP03727291 A EP 03727291A EP 1495296 A1 EP1495296 A1 EP 1495296A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
force application
screw
fixing
axial force
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03727291A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Lüthje
Jan-Hinrich Sick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1495296A1 publication Critical patent/EP1495296A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed

Definitions

  • the present invention relates to a device for adjusting or checking the axial clamping forces in screw connections.
  • the invention relates above all to mechanical screw connections which are used in different designs and in various ways in the field of mechanics. In principle, it can be used for all known types of threads or screw connections.
  • This task is accomplished by a device according to spell 1 solved.
  • the control device has means for recording the signal value of a measuring element, the electrical resistance of which can vary as a function of the acting axial force, enables the axial force to be determined directly (without going through a torque measurement).
  • the axial force can be applied by any force attachment elements (the shape and number of which can be arbitrary, it is essential that a resulting axial force is generated.
  • An electrical resistance measurement or a resulting change in voltage in a measuring element which is mechanically loaded by the axial force is used as the starting value
  • the measuring element can consist of a material or can be coated with a material as shown in DE 199 54 164. It can be, for example, an amorphous diamond-like carbon compound Materials which are listed in DE 199 54 164 AI are referred to, of course, other piezoresistive materials are also possible for forming the measuring element.
  • the device according to the invention has a component for fixing a rotatable force application element.
  • the device can be configured, for example, as a screw-wrench-like element which, as a component for fixing a rotatable force application element, for example a nut, has a screw for gripping around it.
  • This nut can take the form of have known socket wrench attachments, corresponding attachments for slotted or Phillips screws are also possible. It goes without saying that any other shapes, such as imbus interventions, are also possible.
  • the component for fixing the rotatable force application element (for example a screw head) can be rotatable relative to the rest of the wrench (principle of a "ratchet”), but it can also be firmly connected to it.
  • the component for fixing contains means for recording signals.
  • the component for fixing contains means for recording signals.
  • the signal transmission can take place on the one hand via direct contacting of electrically conductive surfaces.
  • inductive or capacitive coupling of different signal value-transmitting line sections is also possible (these variants are particularly useful when the device is used in moist media or to reduce wear on components rotating relative to one another).
  • a further advantageous development provides that the means for recording the signal value, for example, determine an axial force at only one point.
  • a contact pin is connected to a measuring element according to the invention (the voltage is then determined with respect to a ground connection, which is via an electrical connection insulated from the contact pin, for example via electrically conductive screw heads or related nuts is given.
  • the component is designed for fixing a rotatable force application element for fixing a screw head, a nut or the like. It is advantageous that the means for recording the signal value are also accommodated in the component for fixing the rotatable force application element (e.g. integrally in a nut) and that these means for recording the signal value via e.g. Grip the contact pins directly on a washer, to which an axial force is applied by the force application element (ie screw head etc.).
  • Display of set or existing axial force values is provided.
  • a control lamp or a signal tone device is necessary for the determination of exceeding the basic values.
  • An alphanumeric display is also conceivable for specifying exact numerical values.
  • the device according to the invention is designed in such a way that on the basic tool, for example a ratchet, a cordless screwdriver or other screwing tools (up to automatic screwing machines) electronic circuit with a corresponding signal evaluation and display and the required power supply is provided.
  • the energy can be provided with the aid of a battery or can be optically, capacitively or inductively coupled in by means of telemetric devices using rechargeable batteries or other energy stores.
  • the electrical supply of the measuring element can take place either via a direct or an alternating current connection.
  • the device according to the invention can be used for all screw connections according to the prior art, ie for screw connections with force application elements made of wood, metal or
  • FIGS. 2a and 2b details of a component for fixing rotatable force application element
  • 3 shows a detail of a contact pin for the electrical contacting of a washer
  • FIGS. 4a and 4b views of a device according to the invention for adjusting the axial force
  • FIGS. 5a and 5b show details of the electrical connection between a contact pin and a display device according to the invention.
  • FIG. 6 shows various possibilities for the electrical connection of a component for fixing a rotatable force application element to a display device according to the invention.
  • the screw connection is realized by a screw shaft 9, at the upper end of which a hexagon screw head 7 is attached and at the lower end of which a nut 8 is screwed onto a thread.
  • a component 11a, a component 11b, an auxiliary washer 12, an annular measuring element with a piezoresistive coating, and another auxiliary disc are attached (starting from the bottom).
  • the axial force applied by rotation of the screw head 7 thus primarily serves to suitably adjust the connection of the components 11a and 11b.
  • the nut 8 is open way not shown attached to the component 11a.
  • the screw connection in FIG. 1 is only shown by way of example. It can have any other shape, for example a screw with its thread can also be screwed directly into the component 11a, in this case the screw head 7 forms a first force application element and the component 11a itself forms the corresponding second force application element, with an axial force between the force application elements is built up.
  • any other screw connections with different embodiments of bolts, nuts and materials of these elements wood, metal or plastic
  • the screw head 7 can of course also be designed as a Phillips, slot, square, Allen screw or the like.
  • the means according to the invention for recording the signal value of the control device belonging to the device are connected to a measuring element 2 in FIG. 1.
  • This measuring element has the property that its electrical resistance is variable as a function of the acting axial force.
  • An amorphous carbon layer with graphitic structures sp 2 hybridization in combination with diamond-like structures with sp 3 hybridization can be suitable for this.
  • other piezoresistive materials known to the person skilled in the art are also possible.
  • the measuring element 2 is essentially designed as a hollow circular cylinder, with the central opening for Implementation of the screw shaft 9 is used.
  • the core of the hollow circular cylinder is made of a commercially available steel (eg ST37). Of course, stainless steel, hardened steel, titanium, aluminum etc. are also possible as materials, but also glass fiber reinforced plastics.
  • the contact pin 14a a change in voltage by changing the electrical resistance in the force measuring layers 13 can be measured.
  • the contact pin is connected to a control device of the device according to the invention in a manner to be explained later. Also connected to this control device is a ground connection, this electrical connection takes place via electrically conductive components between the control device and measuring element 2 (ie screw attachment 15, screw head 7, auxiliary washers 12, etc.).
  • Screw attachment 3 received. On the one hand, this has a shape that is at least partially complementary to the screw head 7 for rotating the screw head about the screw shaft axis.
  • the screw attachment 3, which thus represents a component for fixing the force application element 7, is made of an electrically rically conductive material, usually hardened stainless steel.
  • the screw attachment can have a circular cylindrical shape and is coated on its outer lateral surface with an insulator 16 (for example AL203 or an electrically non-conductive polymer).
  • One or more spring-driven contact pins 14a, 14b are accommodated in an annular space which, viewed radially outward, is delimited by a further insulator layer in the form of a hollow circular cylinder.
  • contact pins 14a, 14b and washer 2 shown here is only to be understood as an example. It is of course also possible to provide a different shape of a measuring element or to provide the washer in a protective sleeve to protect against twisting.
  • FIGS. 2a and 2b show partial views of the surroundings of the contact pins 14a, 14b.
  • FIG. 2a shows how an arrangement made of a spring 5 and the contact pin 14a is arranged between the cylindrical insulator layers 16 and 18.
  • the spring 5 is electrically conductive to establish a connection between the measuring element 2 and the control device, not shown here.
  • the contact pin 14a has a tip at its projecting end for better fixing to the washer and thus ensuring a better measurement connection.
  • the fixation can also be carried out with magnets 20 attached to the tip (this, however, requires a ferromagnetic measuring device).
  • FIG. 2b shows a top view of several contact pins, including the contact pins 14a and 14b.
  • it is sufficient to provide a single contact pin 14a.
  • FIG 3 shows a further embodiment of a contact pin 14c, which differs from the above-mentioned embodiment only in that a hook-like device is provided at its tip as a clamping contact for better fixing / contacting of the measuring element 2.
  • FIGS. 4a and 4b show views of a device 1 according to the invention for adjusting the axial force in screw connections.
  • 4a shows a device 1 according to the invention in the form of a wrench.
  • This has a handle 21 which is connected to a component 3 for fixing (a screw attachment, see Fig. 1).
  • the handle 21 is rotatably connected to the screw attachment 3.
  • the wrench as a "ratchet", in which a one-way locking rotary connection is provided.
  • the electrical connection of screw attachment 3 and handle 1 must also be selected. 4a that the spring 5 is on the left on a contact is attached to the handle 6 in an electrically conductive manner, this contact is connected via an electrical connection to a display device 10, which is additionally connected via a ground connection to the screw connection. Changes in the electrical resistance in the measuring element 2 can thus be measured as a change in potential for the display device 10.
  • the display device 10 which belongs to the control device according to the invention, has an alphanumeric optical display for displaying existing or set axial force values in the screw connection. As soon as the screw attachment 3 is attached to the screw head 7 and the contact pins 14a (and others) are pressed onto the measuring element 2, values are given for the axial force existing in the screw connection.
  • FIGS. 5a and 5b show further details of the device according to the invention.
  • 5a shows the screw attachment 3 (as a socket wrench).
  • the insulating layers 16 and 18 enclose an annular space, from which the contact pins 14a etc. are pressed out to the right by the relaxed spring 5 for contacting a measuring element 2.
  • the spring 5 or a left-hand side of the spring arranged electrically conductive element come into contact with the electrical contact 6 for the electrical connection to the display device 10.
  • the contact 6 is designed as a pin, which is removed from the handle by a spring 22 21 of the key is pushed out to improve electrical contact with the pin 14a.
  • FIG. 5b shows a further arrangement of the annular space, in which the contact pin 14a is shown as an example.
  • a revolver-like arrangement is shown here, in which several contact pins are accommodated distributed over the circumference of the annular space.
  • Fig. ⁇ finally shows another type of connection between socket wrench 3 (to which the means for recording signal values, that is, contact pins with insulators around them).
  • a component which is electrically connected to the contact pin 14a via the spring 5 can also be in contact-free manner with one
  • the contact 6 ' connected to the handle 21.
  • the contact 6 ' is also connected to the display device 10 via a connecting line.
  • a gap is provided between the contact 6 'and the electrically conductive element shown on the left of the spring 5, via which a capacitive or inductive coupling can take place (see also introduction to the description).
  • galvanic coupling is of course always possible.
  • the device shown in the figures is a device 4 for setting and checking the axial force in screw connections, the device being a control device for limiting a force application element between the
  • the control device having means 4, 5 for recording the signal value of a measuring element 2, the electrical resistance of which is variable as a function of the acting axial force, the device comprising a component 3 for fixing a rotatable one Has force application element and the component for fixing a rotatable force application element for fixing a screw head 7, a nut 8 or the like is formed and the means 4, 5 for receiving signal values are also accommodated in the component 3 for fixing a rotatable force application element for contacting one arranged between the force application elements Washer 2.
  • a washer 2 is used to determine the force, and because of its large circumference (this must necessarily be larger than the screw shank), the information can be averaged. This averaging can be determined on the one hand because of the wide spatial extent of the washer and also because of the large number of several contact pins 14 which can come into electrical contact with the washer 2. It should also be taken into account here that due to the rotation of component 3, a resilient mounting of the contact pins to compensate for unevenness in the washer during a rotational movement is expedient. It also makes sense to design the washer so that it is rotationally symmetrical so that the tips of the contact pins can slide on it and still be able to transmit electrical currents.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Einstellen und/oder Prüfen der Axialkraft in Schraubverbindungen. Die Vorrichtung enthält eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer Zwischen Zwei Kraftaufbringungselementen der Schraubverbindung wirkenden Axialkraft. Die Kontrolleinrichtung weist hierbei erfindungsgemäss Mittel (4, 5) zur Signalwertaufnahme von einem Messelement (2) auf, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist.

Description

Vorrichtung zum Einstellen und Prüfen der Spannkraft von Schraubverbindungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen bzw. Prüfen der axialen Spannkräfte bei Schraubverbindungen.
Die Erfindung betrifft vor allem mechanische Schraubverbindungen, die unterschiedlicher Ausführung und in vielfältiger Weise im Bereich der Mechanik angewandt werden. Sie ist prinzipiell für alle bekannten Arten von Gewinden bzw. Schraubverbindungen anwendbar.
Es sind bereits Vorrichtungen zum Einstellen der Axi- alkraft in Schraubverbindungen bekannt, welche eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer zwischen z.B. zwei Kraftaufbringungselementen der Schraubverbindung wirkenden Axialkraft enthalten. So sind sogenannte "Drehmomentschlüssel" bekannt, welche eine me- chanische Überlastregelung bei Überschreitung eines
vorgegebenen Drehmomentes für eine Schraubverbindung ermöglichen. Auf diese Weise ist eine genaue Feststellung der zwischen den Kraftaufbringungselementen (z.B. einem Schraubenkopf an einem Schraubenschaft als erstem Kraftaufbringungselement und einer Mutter auf einem Gewinde des Schraubenschaftes als zweites Kraftaufbringungselement) nicht sicher möglich. Das Drehmoment, welches zum Anziehen einer Schraubenverbindung aufgewendet wird, bewirkt zwar eine Änderung der Axialkraft zwischen den Kraftaufbringungselementen, da durch die Steigung des Gewindes eines Schraubenschaftes eine Drehbewegung eine Abstandsänderung der Kraftaufbringungselemente und dadurch eine Axialkraft Veränderung erzeugt. Die Korrelation zwischen Axialkraft und Drehmoment ist jedoch unter Umständen sehr fehlerbehaftet, da die Reibkräfte eines Kraftaufbringungselementes auf einem Gewinde das Drehmoment maßgeblich beeinflussen. Bei identischen Drehmomenten kann die Spannkraft einer Schraubverbindung erheblich variieren, so daß für gut gleitende Schrauben die Gefahr der Überdehnung besteht, während bei schwergängigen Schrauben das vorgewählte Drehmoment bereits erreicht wird, wenn die zu verbindenden Teile noch lose sind. Abgesehen von dieser Ungenauigkeit besteht bei dem mechanischen Überlastschutz der Nachteil, daß lediglich eine Grenzüberschreitung möglich ist, jedoch keine exakte Messung der Axialkraft.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Einstellen und/oder Prüfen der axialen Kräfte in Schraubverbindungen vorzuschlagen, welche auf schnelle und kostengünstige Art und Weise exakt die Axialkräfte einer Schraubverbindung ermitteln kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach An- spruch 1 gelöst.
Dadurch, daß die Kontrolleinrichtung Mittel zur Signalwertaufnahme von einem Meßelement aufweist, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist, ist eine direkte Ermittlung der Axialkraft (ohne Umweg über eine Drehmomentmessung) möglich. Die Axialkraft ist durch beliebige Kraftanbringungselemente (die in ihrer Form und Anzahl beliebig sein können aufbringbar, wesentlich ist, daß eine resultierende Axialkraft entsteht. Als Ausgangswert wird eine elektrische Widerstandsmessung bzw. eine dadurch entstehende Spannungsänderung in einem Meßelement herangezogen, welches durch die Axialkraft mechanisch belastet wird. Das Meßelement kann hierbei aus einem Material bestehen bzw. mit einem Material beschichtet sein, wie es in der DE 199 54 164 AI gezeigt ist. Es kann sich hierbei z.B. um eine amorphe diamantähnliche Kohlenstoffverbindung handeln. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hier auf sämtliche Materialien, welche in der DE 199 54 164 AI aufgezählt sind, Bezug genommen. Selbstverständlich sind auch weitere piezoresistive Materialien zur Ausbildung des Meßelementes möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bauteil zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes aufweist. Die Vorrichtung kann z.B. als ein schrau- benschlüsselför iges Element ausgestaltet sein, welches als Bauteil zur Fixierung eines drehbaren Kraft- aufbringungsele entes, z.B. eine Nuß, zur Umgreifung einer Schraube aufweist. Diese Nuß kann die Form von bekannten Steckschlüsselaufsätzen haben, es sind auch entsprechende Aufsätze für Schlitz- bzw. Kreuzschlitzschrauben möglich. Selbstverständlich sind auch beliebige weitere Formen, wie z.B. Imbuseingrif- fe möglich. Das Bauteil zur Fixierung des drehbaren Kraftaufbringungselementes (also z.B. eines Schraubenkopfes) kann gegenüber dem restlichen Schraubenschlüssel drehbar sein (Prinzip einer "Ratsche"), es kann aber auch fest mit diesem verbunden sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß das Bauteil zur Fixierung Mittel zur Signalaufnahme enthält. So kann z.B. eine Nuß integrierte bzw. als Ummantelung aufgebrachte elektrische Leitung so- wie Kontaktstifte aufweisen, welche einerseits mit dem Meßelement in elektrischer Verbindung stehen und andererseits mit einer zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörenden Meß- und Steuereinrichtung. Hierbei kann die Signalübertragung einerseits über direk- te Kontaktierung elektrisch leitender Flächen erfolgen. Neben der galvanischen Übertragung ist jedoch auch eine induktive bzw. kapazitive Kopplung verschiedener Signalwert übertragender Leitungsabschnitte möglich (diese Varianten bieten sich insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung in feuchten Medien bzw. zur Verschleißminderung bei sich relativ zueinander drehenden Bauelementen an) .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Mittel zur Signalwertaufnahme z.B. an lediglich einer Stelle eine Axialkraft ermitteln. Hierzu wird z.B. ein Kontaktstift an ein erfindungsgemäßes Meßelement angeschlossen (die Spannung wird dann gegenüber einem Masseanschluß ermittelt, welcher über eine zu dem Kontaktstift isolierte elektrische Verbindung, z.B. über elektrisch leitende Schraubenköpfe bzw. damit in Verbindung stehende Nüsse gegeben ist.
Es ist jedoch auch möglich, z.B. mehrere Kontaktstifte zur gleichzeitigen Messung mehrerer Signalwerte vorzusehen, um auf diese Weise ein noch genaueres ge- mitteltes Meßsignal (zur Kompensation von Temperaturschwankungen bzw. geometrischen Unebenheiten) zu erreichen.
Eine besonders für die Praxis taugliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Bauteil zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes zur Fixierung eines Schraubenkopfes, einer Mutter oder dergleichen ausgebildet ist. Vorteilhaft ist, daß hierbei die Mittel zur Signalwertaufnahme ebenfalls in dem Bauteil zur Fixierung des drehbaren Kraftaufbringungselementes untergebracht sind (z.B. integral in einer Nuß) und daß diese Mittel zur Signalwertaufnahme über z.B. Kontaktstifte direkt auf eine Unter- legscheibe greifen, auf welche durch das Kraftaufbringungselement (also Schraubenkopf etc.) eine Axialkraft aufgebracht wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß eine Vorrichtung zur akustischen oder optischen
Anzeige eingestellter bzw. bestehender Axialkraftwerte vorgesehen ist. Hierfür ist in einfachen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Feststellung von Eckwertüberschreitungen eine Kon- trollleuchte oder eine Signaltonvorrichtung notwendig. Zur Angabe genauer Zahlenwerte ist auch eine alphanumerische Anzeige denkbar. Das erfindungsgemäße Werkzeug/bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erfahrungsgemäß so gestaltet, daß am Grundwerkzeug, z.B. einer Ratsche, einem Akkuschrauber oder anderen Schraubwerkzeugen (bis hin zu Schraubautomaten) eine elektronische Schaltung mit einer entsprechenden Signalauswertung und Anzeige sowie der erforderlichen Energieversorgung vorgesehen wird. Die Energie kann mit Hilfe einer Batterie bereitgestellt werden oder auch durch telemetrische Vorrichtungen unter Anwendung von Akkus oder anderen Energiespeichern optisch, kapazitiv oder induktiv eingekoppelt werden. Die e- lektrische Versorgung des Meßelementes kann hierbei wahlweise über eine Gleich- oder eine Wechselstrom- Verbindung erfolgen.
Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für sämtliche Schraubverbindungen nach dem Stand der Technik anwendbar, also für Schraubverbindungen mit Kraftaufbringungselementen aus Holz, Metall oder
Kunststoff. Zur Fixierung dieser Schraubverbindungen können ebenfalls beliebige Elemente nach dem Stand der Technik, also Kreuzschlitz-, Schlitz-, Sechskant-, Vierkant-, Imbusschrauben oder dergleichen zur Anwendung kommen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teil der Vorrichtung zum Einstellen der Axialkraft in einer auf eine Schraubverbindung aufgesetzten Stellung,
Fign. 2a und 2b Details eines Bauteils zur Fixierung drehba- rer Kraftaufbringungselement, Fig. 3 ein Detail eines Kontaktstiftes zur elektrischen Kontaktierung einer Unterlegscheibe,
Fign. 4a und 4b Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen der Axialkraft,
Fign. 5a und 5b Details zur elektrischen Verbindung zwischen einem Kontaktstift und einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, und
Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten zur elektrischen Anbindung eines Bauteils zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes an eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung .
Fig. 1 zeigt eine Schraubverbindung mit einem Teil einer Vorrichtung 1 zum Einstellen und/oder Prüfen der Axialkraft in Schraubverbindungen, wobei die Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer zwischen zwei Kraftaufbringungselementen der Schraubverbindung wirkenden Axialkraft enthält. Die Schraubverbindung wird durch einen Schraubenschaft 9 realisiert, an dessen oberem Ende ein Sechskantschraubenkopf 7 angebracht ist und an dessen unterem Ende auf einem Gewinde eine Mutter 8 aufgeschraubt ist. Zwischen der Mutter und dem Schraubenkopf 7 sind (in der Aufzählung von unten beginnend) ein Bauteil 11a, ein Bauteil 11b, eine Hilfsunterlegscheibe 12, ein kreisringförmiges Meßelement mit piezoresistiver Beschichtung, sowie eine weitere Hilfsscheibe angebracht. Die durch Drehung des Schraubenkopfes 7 aufgebrachte Axialkraft dient also primär der geeignet einstellbaren Verbindung der Bauteile 11a und 11b. Zur leichteren Einstellbarkeit ist die Mutter 8 auf nicht mehr dargestellte Weise verdrehsicher am Bauteil 11a angebracht.
Die Schraubverbindung in Fig. 1 ist lediglich bei- spielhaft dargestellt. Sie kann beliebige andere Formen aufweisen, z.B. kann eine Schraube mit ihrem Gewinde auch direkt in das Bauteil 11a hineingeschraubt werden, in diesem Falle bildet der Schraubenkopf 7 ein erstes Kraftaufbringungselement und das Bauteil 11a selbst das hierzu korrespondierende zweite Kraftaufbringungselement, wobei zwischen den Kraftaufbringungselementen eine Axialkraft aufgebaut wird. Es sind aber auch beliebige andere Schraubverbindungen denkbar mit unterschiedlichen Ausführungsformen von Bolzen, Muttern sowie Materialien dieser Elemente (Holz, Metall oder Kunststoff) . Statt eines Sechskantkopfes kann der Schraubenkopf 7 selbstverständlich auch als Kreuzschlitz-, Schlitz-, Vierkant-, Im- busschraube oder dergleichen ausgeführt sein. Die er- findungsgemäßen Mittel zur Signalwertaufnahme der zur Vorrichtung gehörenden Kontrolleinrichtung stehend in Fig. 1 mit einem Meßelement 2 in Verbindung. Dieses Meßelement weist die Eigenschaft auf, daß sein elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist. Hierfür geeignet kann eine amorphe KohlenstoffSchicht mit graphitischen Strukturen sp2-Hybridisierung in Kombination mit diamantähnlichen Strukturen mit sp3-Hybridisierung sein. Bezüglich der möglichen Vielfalt von weiteren Materi- alien wird voll umfänglich auf die Deutsche Offenle- gungsschrift 199 54 164 AI verwiesen. Es sind jedoch auch andere dem Fachmann bekannte piezoresistive Materialien möglich.
Das Meßelement 2 ist im Wesentlichen als Hohlkreiszylinder ausgeführt, wobei die zentrale Öffnung zur Durchführung des Schraubenschaftes 9 dient. Der Kern des Hohlkreiszylinders ist aus einem handelsüblichen Stahl (z.B. ST37) . Es sind selbstverständlich auch Edelstahle, gehärtete Stähle, Titan, Aluminium etc. als Materialien möglich, aber auch glasfaserverstärkte Kunststoffe. Auf der Ober- bzw. der Unterseite dieses Hohlkreiszylinders sind Schichten aus Material, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist (wie oben beschrieben) . Diese Schichten reichen allerdings nicht bis zum äußerste Umfang des Meßelementes 2, der bis zum Rand des Meßelementes 2 verbleibende Ringraum ist ein segmentierter oder nicht segmentierter Ringbereich zur elektrischen Kontaktierung. Dieser be- reich ist zur Verbindung mit Kontaktstiften 14a bzw. 14b geeignet.
Über z.B. den Kontaktstift 14a ist eine Spannungsänderung durch Änderung des elektrischen Widerstandes in den Kraftmeßschichten 13 meßbar. Der Kontaktstift ist auf später noch zu erklärende Weise mit einer Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden. Ebenfalls mit dieser Steuereinrichtung verbunden ist ein Masseanschluß, diese elektrische Verbindung findet über elektrisch leitfähige Komponenten zwischen Steuereinrichtung und Meßelement 2 (also Schraubaufsatz 15, Schraubenkopf 7, Hilfsscheiben 12 etc.) statt.
Im Folgenden wird genauer auf die Ausbildung des
Schraubaufsatzes 3 eingegangen. Dieser weist zum einen eine dem Schraubenkopf 7 zumindest bereichsweise komplementäre Form auf zur Drehung des Schraubkopfes um die Schraubenschaftachse. Der Schraubaufsatz 3, welcher somit ein Bauteil zur Fixierung des Kraftaufbringungselementes 7 darstellt, ist aus einem elekt- risch leitenden Material, üblicherweise gehärtetem Edelstahl. Der Schraubaufsatz kann eine kreiszylindrische Form aufweisen und ist an seiner äußeren Mantelfläche mit einem Isolator 16 (z.B. AL203 oder ei- nem elektrisch nicht leitenden Polymer) beschichtet. Eine oder mehrere federgetriebene Kontaktstifte 14a, 14b sind in einem Ringraum untergebracht, welcher radial nach außen gesehen von einer weiteren Isolatorschicht in Form eines Hohlkreiszylinders begrenzt wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß die hier gezeigte Anordnung von Kontaktstiften 14a, 14b sowie Unterlegscheibe 2 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine andere Form eines Meßelementes vorzusehen bzw. die Unterlegscheibe zum Schutz vor Verdrehungen in einer Schutzhülse vorzusehen.
Fign. 2a und 2b zeigen Teilansichten der Umgebung der Kontaktstifte 14a, 14b. In Fig. 2a ist zu sehen, wie eine zwischen den zylindrischen Isolatorenschichten 16 und 18 angebrachte Anordnung aus einer Feder 5 und dem Kontaktstift 14a untergebracht ist. Die Feder 5 ist elektrisch leitend, um eine Verbindung zwischen dem Meßelement 2 und der hier nicht gezeigten Steuereinrichtung herzustellen. Der Kontaktstift 14a weist an seinem vorstehenden Ende eine Spitze auf zur besseren Fixierung an der Unterlegscheibe und somit der Sicherstellung einer besseren Meßverbindung. Anstelle und/oder zusätzlich zu der Feder kann die Fixierung auch mit an der Spitze angebrachten Magneten 20 erfolgen (dies setzt allerdings eine ferromagnetische Meßeinrichtung voraus) .
Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf mehrere Kontakt- stifte, unter anderem die Kontaktstifte 14a und 14b. Prinzipiell ist es ausreichend, einen einzigen Kontaktstift 14a vorzusehen. Es können jedoch auch zur Verbesserung der Meßgüte (Ausgleich geometrischer Un- ebenheiten bzw. Temperaturkompensationen) mehrere Kontaktstifte angewandt werden, welche elektrisch miteinander verbunden sind oder voneinander elektrisch isoliert sind (hierzu sind gegebenenfalls e- lektrisch voneinander isolierte segmentierte Bereiche auf dem Meßelement 2 vorzusehen, welche jeweils mit einem korrespondierenden Kontaktstift 14a, 14b in Verbindung stehen) .
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kon- taktstiftes 14c, welcher sich von der oben genannten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, daß an seiner Spitze eine hakenartige Vorrichtung als Klemmkontakt zur besseren Fixierung/Kontaktierung des Meßelementes 2 gegeben ist.
Fign. 4a und 4b zeigen Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Einstellen der Axialkraft in Schraubverbindungen .
Fig. 4a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in Form eines Schraubenschlüssels. Dieser weist einen Handgriff 21 auf, welcher mit einem Bauteil 3 zur Fixierung (einem Schraubaufsatz, siehe Fig. 1) verbunden ist. Der Handgriff 21 ist mit dem Schraubaufsatz 3 drehfest verbunden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Schraubenschlüssel als "Ratsche" vorzusehen, bei dem eine einseitig sperrende Drehverbindung vorgesehen ist. Abhängig von der Art der Verbindung ist auch die elektrische Verbindung von Schraub- aufsatz 3 und Handgriff 1 zu wählen. In Fig. 4a ist zu sehen, daß die Feder 5 linksseitig an einem Kon- takt zum Handgriff 6 elektrisch leitend befestigt ist, dieser Kontakt ist über eine elektrische Verbindung mit einer Anzeigevorrichtung 10 verbunden, welche zusätzlich über einen Masseanschluß zur Schraub- Verbindung hin verbunden ist. Somit sind Änderungen des elektrischen Widerstandes im Meßelement 2 als Potentialänderung für die Anzeigevorrichtung 10 meßbar.
Die Anzeigevorrichtung 10, welche zur erfindungsgemä- ßen Steuereinrichtung gehört, verfügt über eine alphanumerische optische Anzeige zur Anzeige in der Schraubverbindung bestehender bzw. eingestellter Axi- alkraftwerte. Hierbei werden, sobald der Schraubaufsatz 3 auf dem Schraubenkopf 7 aufgesteckt ist und die Kontaktstifte 14a (und weitere) auf das Meßelement 2 gedrückt, Werte für die in der Schraubverbindung bestehende Axialkraft angegeben.
Selbstverständlich sind auch andere Anzeigemöglich- keiten, etwa durch eine Kontrollleuchte zur Angabe eines einfachen Grenzwertes oder auch akustische Anzeigen möglich.
Fign. 5a und 5b zeigen weitere Details der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung. In Fig. 5a ist wiederum der Schraubaufsatz 3 (als Steckschlüssel) dargestellt. Die Isolierschichten 16 und 18 fassen auf die oben beschriebene Weise einen Ringraum ein, aus welchem nach rechts hin durch die entspannte Feder 5 die Kon- taktstifte 14a etc. herausgedrückt sind zur Kontaktaufnahme mit einem Meßelement 2. Die Feder 5 bzw. ein linksseitig der Feder angeordnetes elektrisch leitendes Element treten mit dem elektrischen Kontakt 6 zur elektrischen Verbindung mit der Anzeigevorrichtung 10 in Verbindung. Der Kontakt 6 ist als Stift ausgeführt, welcher durch eine Feder 22 aus dem Handgriff 21 des Schlüssels herausgedrückt wird, um den elektrischen Kontakt mit dem Stift 14a zu verbessern.
Fig. 5b zeigt eine weitere Anordnung des Ringraums, in welcher der Kontaktstift 14a beispielhaft dargestellt ist. Es ist hier eine revolvermäßige Anordnung gezeigt, bei welcher mehrere Kontaktstifte über den Umfang des Ringraums verteilt untergebracht sind.
Fig. β zeigt schließlich eine weitere Art der Verbindung zwischen Steckschlüssel 3 (zu welchem die Mittel zur Signalwertaufnähme, also Kontaktstifte mit darum liegenden Isolatoren gehören) . Ein mit dem Kontaktstift 14a über die Feder 5 elektrisch verbundenes Bauteil kann hierbei auch berührungslos mit einem
Kontakt 6' am Handgriff 21 verbunden sein. Der Kontakt 6' ist auch hier über eine Anschlußleitung mit Anzeigevorrichtung 10 verbunden. Zwischen dem Kontakt 6' und dem links der Feder 5 gezeigten elektrisch leitenden Element ist ein Spalt vorgesehen, über welchen eine kapazitive oder induktive Ankopplung erfolgen kann (siehe auch Beschreibungseinleitung) . Alternativ ist selbstverständlich auch die galvanische Ankopplung stets möglich.
Bei der in den Figuren gezeigten Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung 4 zum Einstellen und Prüfen der Axialkraft in Schraubverbindungen, wobei die Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer zwischen Kraftaufbringungselementen der
Schraubverbindung wirkenden Axialkraft enthält, wobei die Kontrolleinrichtung Mittel 4, 5 zur Signalwertaufnahme von einem Messelement 2 aufweist, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der wir- kenden Axialkraft veränderlich ist, wobei die Vorrichtung ein Bauteil 3 zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes aufweist und das Bauteil zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes zur Fixierung eines Schraubenkopfes 7, einer Mutter 8 oder dergleichen ausgebildet ist und die Mittel 4, 5 zur Signalwertaufnahme ebenfalls in dem Bauteil 3 zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes untergebracht sind zur Kontaktierung einer zwischen den Kraftaufbringungselementen angeordneten Unterlegscheibe 2.
Hiermit sind insbesondere für den praktischen Einsatz handhabbare Vorrichtungen bereitgestellt, mit welchen etwa in einem Industriebetrieb die Axialkraft einer Schraube auf die gewünschte Höhe eingestellt werden kann. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass völlig handelsübliche Schrauben verwendet werden können, welche auch nicht mit zusätzlichen Kraftaufnehmern etc. belegt werden müssen. Zur Kraftermittlung dient eine Unterlegscheibe 2, welche aufgrund ihres großen Umfanges (dieser uss zwangsläufig größer sein als der Schraubenschaft) eine Mittelung der Angaben ermöglicht. Diese Mittelung ist einerseits aufgrund der weiten räumlichen Ausdehnung der Unterlegscheibe und außerdem aufgrund der Vielzahl mehrerer Kontaktstifte 14 festzustellen, welche mit der Unterlegscheibe 2 elektrisch in Kontakt treten können. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass aufgrund der Drehung des Bauteils 3 eine federnde Lagerung der Kontaktstifte zum Ausgleich von Unebenheiten der Unterlegscheibe bei einer Drehbewegung sinnvoll ist. Auch ist es sinnvoll, die Unterlegscheibe so rotationssymmetrisch auszulegen, dass die Spitzen der Kontaktstifte hierauf abgleiten können und dabei trotzdem elektrische Ströme übertragen können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (4) zum Einstellen und Prüfen der Axialkraft in Schraubverbindungen, wobei die Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung zur Begrenzung einer zwischen Kraftaufbringungselementen der Schraubverbindung wirkenden Axialkraft ent- hält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontrolleinrichtung Mittel (4, 5) zur Signalwertaufnahme von einem Meßelement (2) aufweist, dessen elektrischer Widerstand in Abhän- gigkeit von der wirkenden Axialkraft veränderlich ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Bauteil (2) zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) zur Fixierung Mittel (4, 5) zur Signalaufnahme enthält.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
(4, 5) zur Signalwertaufnahme Kontakte zur galvanischen, kapazitiven oder induktiven Signalwertübertragung aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Signalwertaufnahme zur gleichzeitigen Messung eines oder mehrerer Signalwerte ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselements zur Fixierung eines Schraubenkopfes (7), einer Mutter (8) oder dergleichen ausgebildet ist und die
Mittel (4, 5) zur Signalwertaufnahme ebenfalls in dem Bauteil (3) zur Fixierung eines drehbaren Kraftaufbringungselementes untergebracht sind zur Kontaktierung einer zwischen den Kraftauf- bringungselementen angeordneten Unterlegscheibe
(2) .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine elektrische Verbindung " zum elekt- rischen Masseanschluß an das Meßelement (3) vorsieht.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubverbindung Kraftaufbringungselemente (7, 8) bzw. Verbindungselemente (9) zwischen den
Kraftaufbringungselementen aus Holz, Metall oder Kunststoff enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) zur Fixierung von Kreuzschlitz-, Schlitz-, Sechskant-, Vierkant- sowie Imbusschrauben oder dergleichen ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vor- richtung zur akustischen oder optischen Anzeige
(10) eingestellter Axialkraftwerte vorgesehen ist .
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