EP1495298A1 - Vorrichtung zur kontrolle kraftschlüssiger verbindungen - Google Patents

Vorrichtung zur kontrolle kraftschlüssiger verbindungen

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Publication number
EP1495298A1
EP1495298A1 EP03722444A EP03722444A EP1495298A1 EP 1495298 A1 EP1495298 A1 EP 1495298A1 EP 03722444 A EP03722444 A EP 03722444A EP 03722444 A EP03722444 A EP 03722444A EP 1495298 A1 EP1495298 A1 EP 1495298A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
measuring element
layer
elevations
application elements
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Withdrawn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
EP03722444A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Lüthje
Saskia Biehl
Ralf Bandorf
Jan-Heinrich 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 Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung 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 Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1495298A1 publication Critical patent/EP1495298A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01L5/243—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 using washers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/028—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load with a load-indicating washer or washer assembly

Definitions

  • the invention relates to a device for checking non-positive connections, advantageously screw connections.
  • Bolted connections are based on the conversion of a torque into an axial force via a thread. This force leads to elastic stretching of the
  • Screw shaft presses the components to be connected to each other. Screw connections are among the detachable connections in construction technology, which is also the greatest danger. These compounds may lose their function through vibration, settlement procedures or 'like.
  • Pins can be placed across the screw to prevent them from falling out.
  • connection is actually already broken.
  • Various types of adhesives are also used, which are intended to prevent loosening by vibration.
  • Resilient screws are also used to maintain tension and thus prevent vibrations from starting.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for checking non-positive connections, which provides a cost-effective and precise determination of the axial force introduced into the non-positive connection, in particular screw connection.
  • a measuring element on which force is Bringing elements act is provided with a layer that has a force-sensory effect, and the surface of the force-sensory layer has flat elevations designed to receive a force applied by the force-applying elements Force
  • the core of the measuring element and / or an intermediate layer and / or the force-sensitive layer to have flat elevations which are designed as support profiles. This provides a targeted adjustment by specifying the desired receiving area for the force to be applied.
  • “force application elements” is understood to mean all elements (regardless of their shape and number) which can apply a force to the measuring element according to the invention.
  • force-sensory effect can be understood to mean any material that changes its electrical resistance under the influence of mechanical stress.
  • a well-known subgroup on this are e.g. piözoresistive substances.
  • the force application elements are part of a screw connection.
  • the first force application element can be the head of a socket head screw and the second force application element can be a nut of the socket head screw that is complementary thereto.
  • the force application elements can be provided by two nuts which enclose the measuring element (and the component to be connected).
  • the invention can be used for all non-positive connections, e.g. also for any supports, supports and stands.
  • the connection can also be used for rivet connections etc. for strength control.
  • the measuring element has opposing upper and lower sides, the upper and / or lower side each being provided with a layer which has a force sensor effect.
  • the measuring element which preferably has a flat cross-section (for example, is provided with a round or square cut or is provided with an additional anti-rotation device), the elevations, which represent the "force sensor", are on the top or bottom of the measuring element can be arranged.
  • the signal processing can then be evaluated either in a common or in a separate circuit for the oven and underside.
  • the measuring element can either have an electrically insulating layer in the areas that are not covered by a force-sensitive layer (ie, for example, more than 10 15 Ohm-cm) or be uncoated in these remaining areas (with an electrical insulator).
  • the shape of the measuring element is particularly favorable.
  • the measuring element has the shape of a disc with a central hole, which is used to carry out a bolt or a screw.
  • the elevations are arranged in a ring on the upper or lower side of the measuring element, e.g. concentric with the hole for the passage of the screw. It is also possible for this purpose to provide a plurality of ring-shaped elevations, which in turn are arranged concentrically to one another.
  • these ring-shaped elevations can have a rectangular, triangular or rounded cross section perpendicular to the circumferential direction.
  • a plurality of elevation areas can also be provided, which also have completely different geometries.
  • individual areas can accumulate adjacent cylindrical elements on the surface of the measuring element. mentes, rectangular elements, etc.
  • the type and / or number of the support profile of these elevations can be varied as desired. With the help of methods known from structuring technology, virtually any shape can be produced. Known
  • Procedures are e.g. Embossing, forming, pressing and grinding and machining processes as well as etching, laser structuring and spark erosion.
  • the different survey areas (regardless of whether they are housed on a common side of the measuring element or not) can also be controlled electrically separately from one another if required.
  • the areas on the top and bottom can be electrically controlled separately and processed together in terms of signals in a parallel connection.
  • the layer thickness on the top and bottom sides can also be designed differently.
  • the measuring element which has, for example, the shape of a washer
  • the measuring element is accommodated in an eyelet to avoid changes in position of the measuring element when the force application elements move relative to one another.
  • Such rotation can be particularly harmful if the force-sensitive layer consists of a material that is not very wear-resistant. This can lead to breaks in the layer itself, which falsify the measured values or mechanically damage the screw connection and its adjacent parts.
  • the measuring element has a core to which the force-sensitive coating is applied.
  • the core is preferably made of hardened or unhardened steel as well as alloyed steels or stainless steel or of ceramic materials or also glass fiber reinforced plastics etc.
  • it is useful in the case of diamond-like carbon compounds in the force-sensitive layer not to provide core materials that are too easily deformable, such as eg Lead.
  • the core can even be produced from materials with a low melting point, since if force-sensitive diamond-like carbon layers are used, the layer can also be applied in cold processes (preferably below 150 degrees Celsius).
  • the force sensor layer can be formed from different materials. For example, mechanically solid semiconductors or known piezoresistive materials.
  • the force-sensitive layer can be produced with the aid of known CVD- and PVD-
  • Processes are carried out, for diamond-like piezoresistive layers the production is carried out, for example, by means of a Plas-CVD technique.
  • Metal-doped, diamond-like force-sensitive layers can be produced, for example, by means of ARC, sputtering and gas flow processes.
  • ARC sputtering
  • gas flow processes With respect to possible coating materials is expressly made to DE 199 54 164 AI, is given in which an abundance of 'materials. To avoid repetition, only reference is made to this published application, the details of which are all related to the material to be incorporated into the present application. It should be emphasized that the formation of the force-sensitive layer from amorphous carbon is particularly advantageous. For example, graphitic structures with sp 2 hybridization in combination with diamond-like structures with sp 3 hybridization can be provided.
  • the device according to the invention can also contain fresh connections and an electrical circuit for signal acquisition, transmission and evaluation.
  • the signal value transmission can also take place telemetrically.
  • Figure 1 shows an inventive device for checking non-positive connections in the installed state
  • Figures 2a and 2b are a plan view and a cross section of a first embodiment of a measuring element according to the invention
  • FIGS. 3a to 3f further embodiments of a measuring element according to the invention.
  • Figure 1 shows a device 1 for checking non-positive connections.
  • a screw connection is shown.
  • a screw shaft 6 has a screw head 2a firmly connected to it at its upper end and a nut 2b screwed on by means of a thread at its lower end.
  • Screw head 2a and nut 2b represent two force application elements in the sense of the invention.
  • a measuring element 3 is provided within a sleeve 10 on the upper component 12a.
  • the measuring element 3 is covered over the entire surface by a layer 4.
  • concentric ring-shaped elevations 5a (outside) and 5b (inside) are provided concentrically with a central bore for the passage of the screw shaft 6.
  • the layer 4 comprises a force sensory effect in the sense of the definition given above on.
  • Layer 4 is formed here by an amorphous carbon, as can be seen, for example, from De 199 54 164 AI. In principle, however, all materials are conceivable for this purpose, which show a change in their electrical resistance value under mechanical load.
  • the area over which the pressure force of the " force application elements is distributed can be varied within practically any limits. As already explained above, this is useful in order to determine a range of the relationship between the applied force and the electrical resistance changes which is favorable for evaluation. maintenance.
  • the electrical contact is made via the core of the measuring element 3 and the second contact is made via the mass of the device.
  • other metrological evaluations are also possible.
  • the metrological evaluation takes place via electrical contacts 11a and 11b.
  • the electrical contacts 11a and 11b are initially electrically insulated from one another. They are in each case connected to the mutually electrically insulated force-sensor layers on the top and bottom.
  • the layers on the top and on the bottom form mutually independent measuring sensors of the measuring element 3, each of which is connected to a further pole, not shown (ground pole, for this purpose, commercially available electrically conductive materials have to be selected for the adjacent components).
  • ground pole for this purpose, commercially available electrically conductive materials have to be selected for the adjacent components.
  • the measuring element 3 can of course also have a force-sensitive layer only on the top or only on the bottom, for this purpose reference is made to the embodiments shown later.
  • the embodiment according to FIG. 1 shows a particular advantage, since the measuring element 3 is accommodated in a sleeve 10 to prevent rotation.
  • the sleeve 10 (as well as the screw shaft 6 and the force application elements 2a and 2b) can consist of an electrically conductive metal.
  • an anti-rotation device is achieved.
  • an additional anti-rotation device can also be provided between the sleeve 10 and the component 12a by means of corresponding positive interventions.
  • the sleeve 10 is not an essential feature of the overall invention, i.e. that all of the embodiments shown here also without sleeve 10, i.e. are therefore directly suitable for resting on the component 12a or the screw head 2a.
  • the core is made of simple unhardened steel, however, depending on the application, any hardened stainless steel and steel alloys are also possible, as well as ceramic materials or glass fiber reinforced plastics (see above in the introduction to the description).
  • Figures 2a and 2b show a further embodiment of a measuring element according to the invention.
  • This has an electrically insulating layer 9 on its flat underside 8.
  • a substance of 10 15 ohm-cm or more resistivity can be seen as an electrical insulator.
  • Suitable insulators are, for example, A1 2 0 3 -, TiO 2 , SiO 2 , SiN or a material made of high-resistance diamond-like carbon, which is sold under the "SiCON®" brand.
  • the measuring element 3 shows a hollow cylindrical flat cross-section with an elevation on the upper side arranged concentrically only around a central opening. The upper side is covered with a force-sensitive layer 4.
  • the cross section of the elevations 5a perpendicular to the circumferential direction of these annular elevations can have a different shape. Rectangular cross-sectional shapes, as can be seen in FIG. 2b, are possible for relatively large-area pressure introduction, but triangular or rounded shapes can also be selected for a greater pressure increase.
  • FIGS. 3a to 3f show further embodiments of measuring elements 3 according to the invention. What they all have in common is that, at least in some areas, in the area of elevations of the measuring element 3 they see layer which is connected to an electrical contact.
  • the force-sensitive layer should advantageously have a specific electrical resistance of less than 10 8 to -10 "2 ohm-cm.
  • FIG. 3a again shows a hollow cylindrical design of the measuring element 3 with three concentric ring-shaped elevations 5a, 5b, 5c which are rectangular in cross section.
  • the underside of the measuring element 3 is covered with an insulator 9.
  • FIG. 3b shows a further embodiment with only two concentric elevations on the upper side, but the circular disk is covered with a continuous force-sensitive layer .4 over its entire surface.
  • FIG. 3c shows a further embodiment with only an annular elevation 5a on the top, the underside of the measuring element 3 is not coated (neither with a force-sensitive nor with an insulating layer).
  • FIG. 3d shows a further embodiment, in which the top and bottom are each provided with concentrically shaped, raised elevations.
  • FIGS. 3e and 3f show further embodiments in which the underside consists either of an insulator or a force-sensitive layer, the multiple elevations on the upper side are either triangular or rounded in cross section perpendicular to the circumferential direction of the annular elevations.
  • FIG. 4 shows a further embodiment Shape of a measuring element 3 according to the invention in plan view.
  • This has no rotationally symmetrical configuration with respect to the central axis for carrying out the screw shank.
  • several elevation areas 5a 'to 5e' are shown. These each consist of fields with supporting profiles, which each have a different type and / or number of surveys.
  • Any knob-shaped or strip-shaped elements visible in the plan view can be considered as the shape, for example those with a round, rectangular plan view in the form of a segment of a circle.
  • the supporting figures can have different cross-sectional profiles. Profiles with vertical and oblique edges as well as rounded cross-sectional profiles are feasible.
  • the different survey areas can have identical or different support profiles.
  • One purpose for this is e.g. in compensating for measurement inaccuracies due to temperature fluctuations.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, insbesondere Schraubverbindungen. Die Vorrichtung weist zwei Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) sowie ein dazwischenliegendes Messelement (3) auf, wobei das Messelement zumindest bereichsweise mit einer Schicht (4) versehen ist, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist. Die Oberfläche der Schicht zeigt Erhebungen (5a, 5b) zur Aufnahme einer durch die Kraftaufbringungselemente aufgebrachten Kraft.

Description

Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, vorteilhafterweise von Schraubverbindunge .
Schraubverbindungen beruhen auf der Umwandlung eines Drehmomentes in eine Axialkraft über ein Gewinde . Diese Kraft führt zu einer elastischen Dehnung des
Schraubenschaftes und preßt die zu verbindenden Bauteile kraftschlüssig aufeinander. Schraubverbindungen gehören zu den lösbaren Verbindungen in der Konstruktionstechnik, worin auch ihre größte Gefahr begründet liegt. Diese Verbindungen können ihre Funktion durch Vibration, Setzungsvorgänge oder' ähnliches verlieren.
Zur Verhinderung des unabhängigen Lösens werden verschiedene Methoden angewandt. Es können Splinte quer durch die Schraube gesetzt werden, die ein Herausfal-
len verhindern. Die Verbindung ist dann jedoch eigentlich schon gelöst. Ferner werden verschiedene Arten von Klebstoffen verwandt, welche ein Lockern durch Vibration unterbinden sollen. Des weiteren kom- men federnde Schrauben zum Einsatz, welche eine Spannung aufrecht erhalten und so ein Losvibrieren verhindern sollen.
Alle diese Methoden geben aber keinen Aufschluß über den Zustand einer Schraubverbindung, sondern sollen
• einen einmal eingestellten Status Quo aufrecht erhalten. Die Qualität einer Schraubverbindung ist jedoch durch die axiale Vorspannung determiniert, welche sich bei anspruchsvolleren Konstruktionen auch noch in einem bestimmten Bereich bewegen muß.' Zu einer ständigen Überwachung muß also eine axiale Kraft fortlaufend gemessen werden.
Zur Messung der axialen Kraft von Schraubverbindungen sind Verfahren bekannt, bei der das Anzugsdrehmoment in eine Axialkraft umgerechnet wird. Diese Verfahren liefern nur unzuverlässige Ergebnisse und sind beispielsweise sehr abhängig von Reibungskoeffizienten zwischen Schraubkopf und Unterlage, welcher sich mit der Betriebszeit stark ändert.
Weiterhin ist bekannt, zur Messung der Axialkraft ein piezoelektrisches Schichtsystem auf den Schraubenkopf zu applizieren. Über ein Ultraschall-Lesegerät erhält man so eine recht genaue Angabe der Axiallast in der Schraubverbindung. Eine derartige Vorgehensweise bringt jedoch einige Nachteile mit sich. Zum einen ist sie nicht für jede Kopfform geeignet, zum anderen muß für jeden Schraubentyp eine neue Kennlinie aufge- riommen werden. Ferner ist durch die recht aufwendige Ultraschallauslesung eine Dauerüberwachung vieler Schraubverbindungen kaum wirtschaftlich realisierbar.
Bekannte Lösungen sind in der DE 198 31 372 und DE 199 54 164 beschrieben worden. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß eine größere Verformung und damit Meßstrecke aufgewandt werden muß, wie in DE 198 31 372 anhand von Fig. lb oder 1c erkennbar. Ein großer Nachteil der bekannten Lösungen besteht auch darin, daß keine optimierte Anpassung der Axialkraftm.es- sung erfolgen kann. Bei Verwendung der piezoresisti- ven Meßschicht auf einer U-Scheibe wie in DE 199 54 164 dargestellt wurden, zeigt die Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Kraft einen exponentiellen Verlauf. Bei großer Belastung reduziert sich folglich die Empfindlichkeit der Messung, da die Steigerung der Kurven erheblich flacher ausfällt. Um trotzdem noch genaue Ergebnisse über die eingeleitete Axialkraft in den Schraubenschaft zu erhalten, ist eine empfindliche Meßelektronik notwendig bzw. es sind be- sonders aufwendige Rahmenbedingungen zu schaffen, um trotzdem eine ausreichend genaue und aussagekräf ige Messung durchführen zu können. Hierdurch resultieren hohe Kosten bei trotzdem noch u.U. ungenauen Messungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen vorzusehen, welche eine kostengünstige und genaue Ermittlung der in die kraftschlüssige Verbindung, insbesondere Schraubverbindung eingebrachten Axialkraft liefert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, daß ein Meßelement, auf welches Kraftauf- bringungselemente wirken, mit einer Schicht versehen ist, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, und die Oberfläche der kraftsensorischen Schicht als flächige Erhebungen ausgestaltete Schichterhebungen zur Aufnahme einer durch die Kraftaufbringungselemente aufgebrachten Kraft aufweist, kann durch die Vorsehung bestimmter Tragprofile der Kurvenverlauf (Widerstandsänderung in Abhängigkeit der eingeleiteten Kraft) eingestellt werden. Es ist somit möglich, be- stimmte Erhebungsprofile so zu variieren (z.B. in ihrer Fläche bzw. Form) , daß die Messung stets in einem optimalen Kurvenbereich möglich ist, bei der zur Auswertung günstige Steigung der Kurve benutzt werden kann, ohne daß aufwendige Auswertemethoden notwendig sind. Somit ist es also möglich, daß der Kern des Me- ßelements und/oder eine Zwischenschicht und/oder die kraftsensorische Schicht flächige Erhebungen aufweisen, welche als Tragprofile ausgebildet sind. Hiermit ist eine gezielte Anpassung durch Vorgabe der ge- wünschten Aufnahmeflache für die aufzubringende Kraft gegeben. Unter "Kraftaufbringungselementen" sind im Sinne der vorliegenden Erfindung sämtliche Elemente (unabhängig von deren Form und Anzahl) zu verstehen, welche eine Kraft auf das erfindungsgemäße Meßelement aufbringen können.
Diese erfindungsgemäße Lehre ist prinzipiell für alle Schichten möglich, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweisen. In der vorliegenden Anmeldung kann unter "kraftsensorischem Effekt" ein beliebiges Material verstanden werden, welches unter dem Einfluß mechanischer Beanspruchung seinen elektrischen Widerstand ändert. Eine bekannte Untergruppe hierzu sind z.B. piözoresistive Stoffe.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin- dung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Kraftaufbringungselemente Teile einer Schraubver- bindung sind. Hierbei kann das erste Kraftaufbringungselement der Kopf einer Schaftschraube und das zweite Kraftaufbringungselement eine dazu komplementäre Mutter der Schaftschraube sein. Alternativ ist es auch möglich, einen Schraubbolzen vorzusehen, wo- bei die Kraftaufbringungselemente durch zwei Muttern gegeben sind, welche das Meßelement (sowie die zu verbindenden Bauelement) einschließen. Die Erfindung ist aber prinzipiell für sämtliche kraftschlüssigen Verbindungen nutzbar z.B. auch für beliebige Stützen, Auflagen und Ständer. Prinzipiell kann die Verbindung auch für Nietverbindungen etc. zur Festigkeitskontrolle genutzt werden.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, daß das Meßele- ment sich gegenüber liegende Ober- und Unterseiten aufweist, wobei die Ober- und/oder Unterseite jeweils mit einer Schicht, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, versehen sind. Dies bedeutet, daß bei dem Meßelement, welches vorzugsweise einen Flachquer- schnitt aufweist (z.B. mit rundem oder quadratischem Zuschnitt bzw. mit einer zusätzlichen Verdrehsicherung versehen ist) , wahlweise die Erhebungen, welche quasi den "Kraftsensor" darstellen, an der Ober- oder Unterseite des Meßelements angeordnet sein können. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß diese beidseitig auf dem Meßelement angegeben sind, die Signalverarbeitung kann dann entweder in einem gemeinsamen oder einem getrennten Stromkreis für die Ofoer- und Unterseite ausgewertet werden.
Abhängig vom Material des Kerns des Meßelementes, auf welchem die kraftsensorische Schicht aufgebracht ist (also primär abhängig davon, ob dieser Kern elektrisch leitend ist oder nicht) kann das Meßelement in den Bereichen, welche nicht mit einer kraftsensorischen- Schicht belegt sind, entweder mit einer elektrische isolierenden Schicht (d.h. z.B. mehr als 1015 Ohm-cm) versehen sein oder auch in diesen Restbereichen unbeschichtet sein (bei einem elektrischen Isolator) .
Für die Form des Meßelementes sind unterschiedliche Ausführungen möglich, besonders günstig ist eine hohlkreiszylindrische Form. Hierbei hat das Meßelement die Form einer Scheibe mit einem zentralen Loch, welches dem durchführen eines Bolzens bzw. einer Schraube dient.
Insbesondere hierzu sieht eine Weiterbildung vor, daß die Erhebungen ringförmig auf der Ober- oder Unter- seite des Meßelementes angeordnet sind, also z.B. konzentrisch bezüglich des Lochs zum Durchführen der Schraube. Es ist hierzu auch möglich, daß mehrere - ringförmige Erhebungen vorgesehen sind, welche wiederum konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Je nach gewünschter Auflagefläche bzw. Kraft- Verformungsbeziehung können diese ringförmigen Erhebungen senkrecht zur Umfangsrichtung einen rechteckigen, dreieckigen oder gerundeten Querschnitt aufwei- sen.
Unabhängig davon können auch mehrere Erhebungsbereiche vorgesehen sein, welche auch völlig unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können z.B. einzelne Bereiche Ansammlungen nebeneinander liegender zylin- derförmiger Elemente auf der Oberfläche des Meßele- mentes aufweisen, rechteckförmige Elemente etc. Prinzipiell ist das Tragprofil dieser Erhebungen in Art und/oder Anzahl beliebig variierbar. Mit Hilfe von aus der Strukturierungstechnik bekannten Verfahren sind quasi beliebige Formen herstellbar. Bekannte
Verfahren sind z.B. Präge-, Umform-, Pressverfahren und Verfahren der Schleif- und zerspanenden Technik sowie Ätzverfahren, Laserstrukturierung und Funkenerosion. Die unterschiedlichen Erhebungsbereiche sind (egal ob sie auf einer gemeinsamen Seite des Meßelementes untergebracht sind oder nicht) bei Bedarf auch elektrisch voneinander getrennt ansteuerbar.
Dies kann sinnvoll sein zur Temperaturkompensation bzw. zur Mittelwertbildung (Ausgleich von z.B. geometrischen Toleranzen einer Schraube bzw. eines zu verbindenden Bauteils) . Prinzipiell können die auf der Ober- und Unterseite befindlichen Bereiche jeweils getrennt elektrisch angesteuert werden und in einer Parallelschaltung gemeinsam signalmäßig verarbeitet werden. Zur gezielten Beeinflussung des Widerstandes kann hierbei auch die Schichtdicke auf der Ober- bzw. Unterseite jeweils unterschiedlich ausgeführt werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß das Meßelement, welches z.B. die Form einer Unterlegscheibe hat, in einer Öse zur Vermeidung von Lageänderungen des Meßelementes bei einer Relativbewegung der Kraftaufbringungselemente zueinander un- tergebracht ist. Hierdurch wird vermieden, daß z.B. bei Drehung eines Schraubenkopfes das Meßelement in Form einer Unterlegscheibe automatisch mitgedreht wird. Ein solches Mitdrehen kann insbesondere dann schädlich sein, wenn die kraftsensorische Schicht aus nicht sehr verschleißfestem Material besteht. Es kann hierbei zu Brüchen der Schicht selbst kommen, welche die Meßwerte verfälschen bzw. die Schraubverbindung und deren angrenzenden Teile mechanisch schädigen.
Eine übliche Ausführungsform sieht vor, daß das Meße- lement einen Kern aufweist, auf den die kraftsensorische Beschichtung aufgebracht ist. Der Kern ist vorzugsweise aus gehärtetem oder ungehärtetem Stahl sowie legierten Stählen oder Edelstahl bzw. aus keramischen Werkstoffen oder auch glasfaserverstärkten Kunststoffen etc. Zur Vermeidung von Sprödbrüchen der Beschichtung ist es bei diamantähnlichen Kohlenstoffverbindungen in der kraftsensorischen Schicht jedoch nützlich, keine zu leicht verformbaren Kernmaterialien vorzusehen wie z.B. Blei. Prinzipiell ist der Kern sogar aus Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt herstellbar, da im Falle der Anwendung von kraftsensitiven diamantartigen Kohlenstoffschichten die Schicht auch in kalten Verfahren aufbringbar ist (vorzugsweise unter 150 Grad Celsius) .
Die kraftsensorische Schicht kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein. Denkbar sind z.B. mechanisch feste Halbleiter bzw. bekannte piezoresistive Werkstoffe. Die Herstellung der kraftsensorischen Schicht kann mit Hilfe bekannter CVD- μnd PVD-
Verfahren erfolgen, für diamantartige piezoresistive Schichten erfolgt die Herstellung zum Beispiel mittels einer Plas a-CVD-Technik. Metalldotierte diamantartige kraftsensorische Schichten können z.B. mittels ARC-, Sputter- und Gasflußverfahren hergestellt werden. Bezüglich möglicher Schichtmaterialien wird ausdrücklich auf die DE 199 54 164 AI verwiesen, in welcher eine Fülle von' Materialien angegeben ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird lediglich Be- zug auf diese veröffentlichte Anmeldung genommen, deren sämtliche Einzelheiten in Bezug auf das Material in die vorliegende Anmeldung inkorporiert werden soll. Es ist zu betonen, daß die Ausbildung der kraftsensorischen Schicht aus amorphem Kohlenstoff besonders vorteilhaft ist. Es können z.B. graphiti- sehe Strukturen mit sp2-Hybridisierung in Kombination mit diamantähnlichen Strukturen mit sp3- Hybridisierung vorgesehen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem elek- frische Anschlüsse und eine elektrische Schaltung zur Signalgewinnung, -Übertragung und -auswertung enthalten. Um Probleme durch Flüssigkeitseintrag bzw. Drehbarkeit einzelner Elemente gegeneinander zu vermeiden, kann die Signalwertübertragung auch telemetrisch • erfolgen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen im eingebauten Zustand; Figuren 2a und 2b eine Draufsicht sowie einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßelementes;
Figuren 3a bis 3f weitere Ausführungs ormen eines exfin- dungsgemäßen Meßelementes;
Figur 4 verschiedene Erhebungsbereiche in der 751
10
Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßelementes.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen. Gezeigt ist eine Schraubverbindung. Ein Schraubenschaft 6 weist an seinem oberen Ende ein fest damit verbundenen Schraubenkopf 2a sowie an seinem unteren Ende eine mittels eines Gewindes aufgeschraubte Mutter 2b auf. Schraubenkopf 2a und Mutter 2b stellen zwei Kraftaufbringungselemente im Sinne der Erfindung dar.
Zwischen diesen Kraftaufbringungselementen sind zwei kraftschlüssig zu verbindende Bauelemente 12a und 12b angebracht, welche über korrespondierende Öffnungen zur Durchführung des Schraubenschaftes 6 verfügen. Auf dem oberen Bauelement 12a ist ein erfindungsgemäßes Meßelement 3 innerhalb einer Hülse 10 vorgesehen. Das Meßelement 3 ist im wesentlichen ganzflächig von einer Schicht 4 überzogen. An der Ober- sowie an der Unterseite des Meßelementes 3 sind konzentrisch zu eine-r zentralen Bohrung zum Durchführen des Schraubenschaftes 6 konzentrische ringförmige Erhebungen 5a (außen) und 5b (innen) angebracht. Diese ragen aus der Ober- bzw. Unterseite des Meßelementes 3 heraus und stehen mit den Innenseiten der Hülse 10 in Verbindung, d.h. daß lediglich die Erhebungen mit der oberen bzw. unteren Innenwand der Hülse verbunden sind und somit auch nur diese bei Verkürzung des Ab- standes zwischen den beiden Kraftaufbringungselementen eine Druckkraft erfahren.
' Zur Detektierung der Höhe einer Druckkraft auf das Meßelement 3 weist die Schicht 4 einen kraftsensorischen Effekt im Sinne der oben angegebenen Definition auf. Die Schicht 4 ist hier durch einen amorphen Kohlenstoff gebildet, wie er z.B. der De 199 54 164 AI entnehmbar ist. Denkbar sind für diesen Einsatzzweck aber prinzipiell sämtliche Werkstoffe, welche bei e- chanischer Belastung eine Änderung ihres elektrischen Widerstandswertes zeigen.
Wesentlich ist für die vorliegende Erfindung, daß durch die Ausbildung der Tragprofile auf dem Meßele- ment 3, d.h. die kraftaufnehmenden Erhebungen (z.B.
5a und 5b) die Fläche, auf welche die Druckkraft der " Kraftaufbringungselemente verteilt wird, in praktisch beliebigen Grenzen variiert werden kann. Dies ist, wie bereits oben ausgeführt, nützlich, um einen zur Auswertung günstigen Bereich der Beziehung zwischen aufgebrachter Kraft und elektrischer Widerstandsände- rung zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die elektri- sehe Kontaktierung über den Kern des Meßelements 3 und die zweite Kontaktierung über die Masse der Vorrichtung. Es sind jedoch auch andere meßtechnische Auswertungen möglich.
Die meßtechnische Auswertung erfolgt über elektrische Kontakte 11a und 11b. Hierbei sind der elektrische Kontakt 11a und 11b zunächst elektrisch voneinander isoliert. Sie stehen jeweils mit den voreinander elektrisch isolierten kraftsensorischen Schichten der Ober- bzw. Unterseite in Verbindung. Prinzipiell bilden die Schichten auf der Ober- sowie auf der Unterseite voneinander unabhängige Meßsensoren des Meßelementes 3, welche jeweils mit einem nicht dargestellten weiteren Pol (Massepol, hierzu sind bei den an- grenzenden Bauteilen fachübliche elektrisch leitende Materialien zu wählen) verbunden sind. Zur Verbesse- rung der Signalgüte können die Signale der kraftsensorischen Schichten der Ober- bzw. Unterseite in einer gemeinsamen Parallelschaltung aufgenommen und später ausgewertet werden.
Das Meßelement 3 kann selbstverständlich auch lediglich auf der Ober- bzw. nur auf der Unterseite eine kraftsensorische Schicht aufweisen, hierzu wird auf die später gezeigten Ausführungsformen verwiesen .
Eine besonderen Vorteil zeigt die Ausführungsform nach Figur 1, da das Meßelement 3 in einer Hülse 10 zur Verdrehsicherung untergebracht ist. Die Hülse 10 kann (wie auch der Schraubenschaft 6. sowie die Kraft- aufbringungselemente 2a und 2b) aus einem elektrisch leitenden Metall bestehen. Durch Zwischenschaltung der Hülse 10 wird einerseits eine Relativbewegung zwischen Schraubenkopf 2a und beschichteten Erhebungen 5b bzw. 5a vermieden sowie eine Verdrehsicherung erreicht. Hierzu kann zwischen Hülse 10 und Bauteil 12a auch eine zusätzliche Verdrehsicherung mittels korrespondierender formschlüssiger Eingriffe vorgesehen sein.
Es wird aber ausdrücklich betont, daß die Hülse 10 kein wesentliches Merkmal der Gesamterfindung darstellt, d.h. daß sämtliche der hier gezeigten Ausführungsformen auch ohne Hülse 10, d.h. also direkt zur Auflage auf dem Bauteil 12a bzw. dem Schraubenkopf 2a geeignet sind.
Für den Aufbau des Meßelementes 3 sind - neben der Art der Erhebungen 5a und 5b - auch unterschiedliche Bauformen in Bezug auf das Material eines Kerns 3' des Meßelementes 3 sowie der darauf aufgebrachten kraftsensorischen bzw. elektrisch isolierenden Schichten möglich. Vorliegend ist der Kern aus einfachem ungehärtetem Stahl, es sind jedoch auch je nach Anwendung beliebige gehärtete Edelstahle sowie Stahllegierungen möglich, ferner keramische Werkstoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (siehe oben in der Beschreibungseinleitung) .
Figur 2a und 2b zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßelementes. Dieses weist an seiner flachen Unterseite 8 eine elektrisch isolierende Schicht 9 auf. Als elektrischer Isolator ist hierbei eine Substanz von 1015 Ohm-cm oder mehr spezifischem Widerstand zu sehen. Als Isolatoren kommen z.B. A1203- ,Ti02, Si02, SiN oder ein Material aus hochohmigem diamantartigem Kohlenstoff, welches unter der Marke "SiCON®" vertrieben wird, in Betracht. Das Meßelement 3 zeigt einen hohlzylindrischen Flachquerschnitt mit lediglich um eine zentrale Öffnung konzentrisch angeordneten Erhebung auf der Oberseite. Die Oberseite ist hierbei mit einer kraftsensorischen Schicht 4 überzogen. Je nach Verlauf der gewünschten Kurve zwischen Druckkraft und Änderung des elektrischen Widerstandes sowie abhängig von der Här- te/Sprödigkeit der kraftsensorischen Schicht 4 kann der Querschnitt der Erhebungen 5a senkrecht zur Um- fangsrichtung dieser kreisringförmigen Erhebungen eine unterschiedliche Form aufweisen. Für eher großflächige Druckeinleitung sind rechteckige Querschnittsformen wie in Figur 2b ersichtlich möglich, es sind jedoch auch dreieckige oder gerundete Formen für eine stärkere Drucküberhöhung wählbar.
Figuren 3a bis 3f zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Meßelemente 3. Ihnen allen ist ge- meinsam, daß sie zumindest bereichsweise im Bereich von Erhebungen des Meßelementes 3 eine kraftsensori- sehe Schicht aufweisen, welche mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung steht. Die kraftsensorische Schicht sollte vorteilhafterweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 108 bis -10"2 Ohm-cm aufweisen.
Figur 3a zeigt wiederum eine hohlkreiszylindrisc e Ausführung des Meßelementes 3 mit drei konzentrischen ringförmigen und im Querschnitt rechteckigen Erhebun- gen 5a, 5b, 5c. Die Unterseite des Meßelementes 3 ist mit einem Isolator 9 belegt. Figur 3b zeigt eine weitere Ausführungsform mit lediglich zwei konzentrischen Erhebungen auf der Oberseite, die Kreisringscheibe ist jedoch über ihre gesamte Fläche mit einer durchgängigen kraftsensorischen Schicht .4 ummantelt.
Figur 3c zeigt eine weitere Ausführungsform mit lediglich einer kreisringförmigen Erhebung 5a auf der Oberseite, die Unterseite des Meßelementes 3 ist nicht beschichtet (weder mit einer kraftsensorischen noch mit einer isolierenden Schicht) .
Figur 3d zeigt eine weitere Ausführungsform, bei wel- eher Ober- sowie Unterseite jeweils mit gleich gestalteten konzentrischen kreisringförmigen Erhebungen versehen sind.
Figur 3e und 3f zeigen weitere Ausführungsformen, bei welchen die Unterseite entweder aus einem Isolator oder einer kraftsensorischen Schicht besteht, die mehreren Erhebungen auf der Oberseite sind wahlweise im Querschnitt senkrecht zur Umfangsrichtung der kreisringförmigen Erhebungen dreieckig oder gerundet.
Schließlich zeigt Figur 4 eine weitere Ausführungs- form eines erfindungsgemä en Meßelementes 3 in der Draufsicht. Dieses weist keine bezüglich der Zentralachse zur Durchführung des Schraubenschaften ro- tationssymetrische Ausgestaltung auf. Statt dessen sind mehrere Erhebungsbereiche 5a' bis 5e' gezeigt. Diese bestehen jeweils aus Feldern mit Tragprofilen, welche eine jeweils unterschiedliche Art und/oder Anzahl von Erhebungen aufweisen. Als Form kommen beliebige in. der Draufsicht sichtbare noppen- bzw. strei- fenförmige Elemente in Betracht, z.B. solche mit rundem, rechteckigem, kreissegmentbogenförmiger Draufsicht in Betracht. Die Tragfiguren können unterschiedliche Querschnittsprofile aufweisen. So sind Profile mit senkrechten und schrägen Kanten sowie ge- rundete Querschnittsprofile machbar.
Es ist auch möglich, verschiedene Erhebungsbereiche elektrisch voneinander zu trennen (unabhängig davon, ob diese auf der Ober- und/oder Unterseite des Meße- lementes 3 angebracht sind) . Die verschiedenen Erhebungsbereiche können hierbei identische oder auch unterschiedliche Tragprofile aufweisen. Ein Einsatzzweck hierfür liegt z.B. darin, Meßungenauigkeiten infolge von TemperaturSchwankungen auszugleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, insbesondere Schraubverbindungen, wobei die Vorrichtung Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) sowie mindestens ein Meßelement (3) aufweist, wobei das Meßelement zumindest be- reichsweise mit einer Schicht (4) versehen Ist, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schicht als Tragprofile zur Kraftaufnahme ausgebildete flächige Erhebungen (5a, 5b) zur Aufnah- e einer durch die Kraftaufbringungselemente aufgebrachten Kraft aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kraftsensorische Effekt in einer elektrischen Widerstandsänderung der Schicht bei Änderung einer aufgebrachten Kraft besteht.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftsensitive Schicht aus diamantähnlichen kohlenstoffbasierenden Schichten mit amorpher und/oder nanokristalliner Struktur besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) der Kopf (2a) einer Schaftschraube (6) sowie die dazu komplementäre Mutter (2b) der Schaft- schraube sind..
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (3) sich gegenüberliegende Ober- (7) und 18
Unterseiten (8) aufweist, wobei die Ober- und/oder Unterseite jeweils zumindest teilweise mit einer Schicht, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, versehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Messelement in den Bereichen, welche nicht mit einer kraftsensorischen Schicht belegt ist, mit einer elektrisch isolierenden Schicht (9) versehen ist oder in diesen Restbereichen unbeschichtet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (3) die Form einer Scheibe mit einem zentralen Loch aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen ringförmig auf der Oberfläche des Messelementes angeordnet sind (Figuren 2b - 3f) .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß mehrere- ringförmige Erhebungen
(5a, 5b) vorgesehen sind, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind.'
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen senk- recht zur Umfangsrichtung der ringförmigen Erhebung eine rechteckige, dreieckige oder gerundete Form aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Er- hebungsbereich (5a'-5e') vorgesehen sind, wobei diese jeweils unterschiedlicher Art und/oder Anzahl von Erhebungen aufweisen. 51
17
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungsbereiche elektrisch voneinander getrennt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement in einer Hülse 10 zur Vermeidung von Lageänderungen des Meßelementes bei einer Relativbewegung der Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) zueinander untergebracht ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement einen Kern (3') aufweist, auf den die kraftsensorische (4) Beschichtung aufgebracht ist .
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3') aus gehärtetem oder ungehärtetem Stahl, legierten Stählen oder Edelstahl, aus keramischen Werkstoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen etc. ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftsensorische Schicht aus amorphem Kohlenstoff ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese elektrische Anschlüsse und eine elektrische Schaltung zur Signalgewinnung, -Übertragung und —aus- wertung enthält.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwertübertragung telemetrisch erfolgt.
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