EP3500763A1 - Schraubverbindung mit einer überwachungseinrichtung - Google Patents

Schraubverbindung mit einer überwachungseinrichtung

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Publication number
EP3500763A1
EP3500763A1 EP17745339.6A EP17745339A EP3500763A1 EP 3500763 A1 EP3500763 A1 EP 3500763A1 EP 17745339 A EP17745339 A EP 17745339A EP 3500763 A1 EP3500763 A1 EP 3500763A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
screw
connection
sensor
encoder
screw connection
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Withdrawn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
EP17745339.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Homann
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.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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 Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP3500763A1 publication Critical patent/EP3500763A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/14—Cap nuts; Nut caps or bolt caps
    • 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
    • F16B41/00—Measures against loss of bolts, nuts, or pins; Measures against unauthorised operation of bolts, nuts or pins
    • F16B41/005—Measures against unauthorised operation of bolts, nuts or pins

Definitions

  • the invention relates to a screw connection, formed from a screw element and a counter element with a monitoring device, in detail with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a use of such a screw connection in a rail-bound vehicle.
  • the connection of coupling devices on a rail vehicle is realized inter alia via fastening devices in the form of screw.
  • the coupling device itself consists of a plurality of individual components, which are also connected to each other by means of screw. Additional components are often also connected via screw with the coupling device. Screw connections are also used in the direct connection of components or the clamping of components against each other use. For example, reference is made to securing a pull rod relative to another component via a securing element in the form of a lock nut.
  • the screw for this purpose include a threaded element, which is referred to as a screw member and a counter-element, which is designed for example as a mother or is formed by a component.
  • the screw element can be designed as a screw, with respect to the nature and design of this no restrictions exist. Conceivable, however, is the design as a bolt with thread-bearing portion.
  • Such screw are subjected to very high stresses, especially since these serve in the power flow of the transmission of tensile and compressive forces and other influences, such as vibrations are exposed. The monitoring of such screw is usually done by optical inspections.
  • the problem is the monitoring of screw connections, which are either not freely accessible, as they are installed by other components such that they are not visible. Also problematic is the monitoring of screw that, although freely accessible, but should be continuously monitored due to the high safety relevance, which is not possible with the manual optical detection. Also, it is difficult with a variety of screw due to their arrangement and design difficult to automate the monitoring, since the required arrangement of sensors is not readily possible or for this, the components in the environment must be specified to receive a sensor. Another problem is the possibility of retrofitting in existing systems.
  • the invention is therefore based on the object to provide a screw connection with a monitoring device for continuous monitoring during operation of a system with such a screw connection. It should be possible to detect early changes to the screw and signal to initiate preventive measures.
  • a screw is to be further developed for use in and for connection of coupling systems of rail vehicles such that optimal monitoring of this is given even with difficult accessibility to the individual screw and the monitoring device can be retrofitted with little effort.
  • a screw connection formed by a thread-carrying element extending along a longitudinal axis, in particular a screw element and a counter element and having a monitoring device for monitoring the integrity of the screw connection, comprising a detection device, arranged twisting and / or shifting one of the elements of the screw against each other or opposite
  • the detection device has at least one on one of the elements of the screw - screw or counter element - arranged or integrated transmitter and a sensor for detecting the encoder, and the sensor on or in the arrangement region of the encoder attached to an element of the screw cover is attached, wherein the cover mit casserolefest with one of the elements of the screw - screw element or counter element - is connected.
  • a thread-carrying element in particular a screw element, is understood to mean an element which has a cylindrical or hollow-cylindrical region extending along a longitudinal axis, which is formed with a thread at least over a partial region of its extension in the longitudinal direction.
  • the screw element is designed as a screw formed from screw head and shank or bolt or threaded rod which carries at least in a portion of its extension in the longitudinal direction of a thread executed.
  • the function of the screw element can also be taken over by functional components, for example a pull rod or a tie rod.
  • a counter element is understood to be a component which forms the second element of the screw pairing realized with the screw connection.
  • This may be a securing element in the form of a nut or another component, which has a thread complementary to the screw element and designed to cooperate with this thread.
  • Screw element and counter element each carry a threaded area.
  • each one of the elements - screw element or counter element - an external thread and the other - counter element or screw element - the complementary internal thread on.
  • Carrying in the sense of the invention means that an attachment, fixation or connection is made such that the connection is free from the possibility of relative movement of the two components to be connected, in particular between the cover and one of the elements of the screw connection.
  • the solution according to the invention offers the advantage that the provision of a cover makes it possible to position sensors in a simply selectable way and to select them with little effort.
  • the arrangement of the required sensors can be carried out regardless of the configuration of the environment of the screw.
  • the arrangement of a sensor in or on one of the screw associated and connected to an element of this cover offers the advantage of creating a monitoring device, which is easy to retrofit in existing systems, units or assemblies and also a continuous monitoring during operation of the respective component allowed. Since the cover usually does not have to be particularly space-consuming, this can also be used for screw, which are not freely accessible.
  • covers are preferably designed so as to observe the arrangement region of the encoder in the circumferential direction about the longitudinal axis of the screw element and to enclose in the longitudinal direction at least over the extension region of the arrangement region of the transmitter while forming a distance to the encoder.
  • This version protects the encoder from environmental influences.
  • this also has the advantage of shielding the screw connection and the most essential components of the monitoring device - encoder and sensor - against environmental influences. Therefore, covers are preferably selected which provide encapsulation of the arrangement area for the encoder and the sensor. This is particularly advantageous in applications such as coupling devices of rail vehicles, since these are often exposed to weather conditions, not optimal environmental influences such as dust, etc.
  • the cover of a one-sided open and at least one interior for receiving the arrangement region of the encoder on the screw member or the counter element and the sensor forming cap-like member is formed, which has a connection region for connection to the screw member or the counter element at the opening end portion ,
  • the tamper-proof connection between the cover and an element of the screw connection - screw element or counter element is preferably formed as a compound or combination of compounds selected from the following group of compounds:
  • the tamper-resistant connection between the cover and an element of the screw - screw element or counter element - designed as a detachable connection. This allows one if necessary Access to the screw free from destruction of the cover or the connection and the reuse of the cover and the sensor arranged on or in this.
  • the attachment of the individual encoder on one of the elements of the screw - screw element or counter element - and / or the sensor is on or in the cover solvable.
  • the advantage here is also in the interchangeability, especially if it is to be switched to monitoring systems for other physical principle or defect. Inseparable compounds are chosen in particular if it does not depend on the reusability in the exchange.
  • the encoder is designed as an optical encoder, in particular as attached to an element of the screw - screw element or counter element - mounted mark, a color wheel or a color scale and the sensor of an optical sensor.
  • the sensor for contactless detection of the transmitter is set up on the basis of the field, wherein the transmitter and the sensor are preferably designed according to one of the following embodiments:
  • the transmitter comprises a permanent magnet for providing a magnetic field and the sensor comprises a magnetic field sensor;
  • the sensor comprises a coil for providing an electromagnetic field and the encoder comprises an element for influencing the electromagnetic field;
  • the sensor comprises a voltage source and the encoder comprises a dielectric element.
  • a magnetic determination is performed.
  • the encoder may comprise a permanent magnet for providing a magnetic field and the sensor may comprise a magnetic field sensor.
  • the magnetic field sensor can be made active, for example as a Hall sensor, or passively, for example as a reed contact.
  • the magnetic field can be easily and reliably detected as long as the sensor is attached to the encoder.
  • a magnetic guide element may be provided to shape the magnetic field in the region of the sensor, so that it is amplified in the region of the sensor, as long as no dissolution has taken place.
  • the senor may comprise a coil for providing an electromagnetic field and the encoder an element for influencing the electromagnetic field.
  • the encoder may comprise a soft magnetic element to form the electromagnetic field, so that the field strength in the region of the sensor or a current consumption of the coil may be influenced in the presence of the encoder.
  • the coil is driven with an alternating current, wherein the voltage source comprises the sensor or can be realized externally.
  • the electromagnetic field is preferably determined on the basis of a current flowing through the coil or a voltage applied to the coil. In further embodiments, however, a dedicated sensor for determining the electromagnetic field may also be provided.
  • a capacitive determination is carried out, the sensor preferably being a voltage source and the encoder being a dielectric element includes. There is an electric field between the sensor and the transmitter whose field strength can be influenced and in particular amplified by the dielectric element. If the transmitter is disconnected from the sensor, in particular a change in the capacitance between terminals of the voltage source can take place, which can be determined by means of a suitable evaluation device.
  • the evaluation device can be comprised by the sensor or provided externally.
  • a further sensor in the form of a magnetic field sensor for absolute position determination of the elements of the screw connection is provided to one another.
  • the counter-element is formed by a nut and the transmitter is preferably arranged on the shaft end, in particular the end face of the shank of the screw element, wherein the cover is connected with the mother taker-proof.
  • a second variant is characterized in that the screw element is formed by a screw and the counter element by a female thread having a base body, wherein the encoder is arranged on the screw head, in particular the front side or the outer periphery and the cover is connected to the base body.
  • a third possible variant is characterized in that the encoder is attached to a counter element in the form of a nut or a base body and the cover on the screw member. All versions have the advantage of being able to design the cover with an integrated or attached sensor as a complete unit. This can be provided for example as a preassembled unit.
  • the monitoring device comprises at least one further sensor for monitoring the environment of the screw connection. Such sensors can also be easily obtained from the Cover taken or arranged on this.
  • the cover may additionally have prepared receiving or arrangement regions for further sensors.
  • the cover is designed so as to have a plurality of prepared arrangement areas for the standardized embodiment of covers. These can then be occupied by the sensors depending on the arrangement of the encoder and assignment to this in mounted position.
  • the power supply of the individual sensor can be done locally by a battery or a rechargeable battery and / or by the electrical supply of the train when used in a traction coupling or by the electrical supply of a system.
  • the energy supply can also be done by energy harvesting.
  • the sensor can be set up in particular for connection to an electrical evaluation device in that the sensor provides a signal which indicates a deviation from the nominal state of the screw connection (change in position between screw element and counter element in the longitudinal direction and / or circumferential direction).
  • the evaluation device may be part of a controller or else be integrated into a higher-level control and / or regulating system for the module in which the monitoring of the screw connection takes place.
  • a prescribed screw with monitoring device with arranged in or on a cover sensor according to one of claims in a coupling device, in particular central buffer coupling of a rail vehicle for connecting and / or clamping of components of the coupling device with each other, the connection of the coupling device to a rail-bound vehicle and / or the connection of connection components with the coupling device.
  • the use in rail-bound vehicles allows a continuous and automated monitoring and detection of relative movements of the elements of the screw to each other also in the Operation of the vehicle.
  • the complex manual control can be omitted and it can be relatively quickly responding to an impending failure of safety-relevant compounds.
  • a particularly advantageous application is the monitoring of a screw connection, in which the screw element is formed by a pull rod and the counter element by a lock nut.
  • FIG. 1a shows by way of example a screw connection
  • Figure 1 b shows in a view of the end face of a screw head the
  • Figure 1 c illustrates an embodiment of the cover in three views
  • Figure 2 shows an example of a screw
  • FIG. 3 shows an example of a screw according to Figure 2 with a
  • Figure 4 shows an example of a screw according to Figure 1 with a
  • FIG. 5 shows a design of a screw connection with an alternative
  • Figure 6 shows an example of a screw for use in a
  • Rail vehicle in particular formed between a pull rod and a lock nut.
  • FIG. 1a illustrates, in a greatly simplified schematic illustration, a screw connection 1 formed by a screw element 2 and a counter element 3 with a monitoring device 4 in a first embodiment.
  • the screw member 2 is extended by an extension in a longitudinal direction characterized.
  • the longitudinal axis is denoted by L.
  • the screw element 2 extends with its shaft 5 through in each case one through opening 9 and 10 of the components 7, 8 and is by means of the counter element. 3 secured in the form of a nut relative to the components 7 and 8.
  • the screw head is supported on an end face 1 1 of a component 7, while the fuse is made via the counter element 3, which braces the two components 7, 8 against each other.
  • the arrangement of the counter-element 3 takes place on the front side facing away from the end face 1 1 12 on the component 8.
  • the screw shaft 5 stands on the interconnected components 7 and 8 also.
  • the monitoring device 4 is provided.
  • This comprises a detection device, configured to detect a twisting and / or axial displacement of the two elements of the screw connection - screw element 2 and / or counter element 3.
  • This has one, on an element of the screw 1, here on the screw member 2, preferably the end face 13, arranged on the end portion of the shaft 5 encoder 14.
  • the detection device further comprises at least one sensor 15 for detecting at least one of the following variables:
  • the sensor is designated 15, the active sensor surface 15a.
  • the arrangement of the sensor 15 is carried out on or in a cover 17, preferably on a provided on the inner circumference 16 of the cover 17 arrangement area.
  • the cover 17 is in this case with a Element of the screw 1 - screw 2 or counter element 3 -, here the counter element 3 in the form of the nut 6, connected.
  • the cover 17 surrounds the arrangement region 24 of the encoder 14 on the screw member 2 in the circumferential direction about the longitudinal axis L of the screw member 2 and viewed in the longitudinal direction at least over the arrangement region of the encoder 14 on the screw member 2.
  • the cover 17 thus encloses the end portion of the screw 1, in particular the freely over the interconnected components 7, 8 protruding parts of the screw. 1
  • the cover 17 is formed by a cap-like element 18 to form an inner space 19, which is attached to an element of the screw 1, in this case the mating element 4 mit casserolefest.
  • the interior space 19 is designed to enclose the arrangement area 24 of the sensor 14 and furthermore to receive the sensor 15.
  • the cap-like element 18 is characterized by a wall area which extends circumferentially around the longitudinal axis L at least over the extent of the arrangement area 24.
  • the cap-like member 18 is further formed open to receive the locating portion 24 and the sensor 15 into the inner space 19 at an end portion 20. In this end region, the cap-like element has a connection region to 26.
  • connection means for cooperation and the formation of a catch connection 21 of the cap-like element 18 with the counter element 3, here the nut 6.
  • the cap-like element 18 at the of the connection 1 cybersecurity end area executed closed.
  • the cap-like element 18 can be designed in many forms.
  • the wall area in the attachment area on the counter element 3 when mounted on the outer circumference of the counter element 3 with respect to the inner circumference is complementary to the outer circumference of the counter element. 3 educated.
  • the cap-like element 18 is attached in this case to the counter element 3 in the axial direction.
  • the connection 21 may be formed by selecting the fits as a press connection, Preferably, the connection 21 is realized as a cohesive connection by gluing. Thereby, a relative movement between the counter-element and the cover 17 is avoided both in the longitudinal direction and in the circumferential direction, that is, the cover 17 is firmly connected with the mating element 3. It is also conceivable to make the fits between the inner circumference of the cap-like element in the connection region 26 and on the outer circumference of the counter element 3 such that a press fit is produced. Another possibility is to realize the connection 21 by positive engagement.
  • a cover 17 formed by a cap-like element 18 is shown by way of example in Figure 1 c in three views. Visible is complementary design of the wall profile on the inner circumference 16 to the outer periphery of the counter element. 3
  • the arrangement of the sensor 15 is preferably carried out contactless to the encoder 14, preferably at a distance opposite the encoder 14. In the case shown, the arrangement is carried out in a particularly advantageous manner on the bottom 22 of the cap-like element 18 via corresponding through holes 23 on the cap-like element 18 takes place the power supply and / or coupling of the sensor to corresponding means for forwarding and evaluation of the detected variables, such as a Evaluation device 25.
  • the coupling is denoted by 28.
  • the evaluation device 25 can also enable the function of displaying a case of relative movement of the elements of the screw connection to each other, in particular optically or acoustically or otherwise.
  • the evaluation device may be part of a control and / or regulating device assigned to the respective module.
  • the encoder 14 there are a number of possibilities.
  • This can be either an optical encoder, for example in the form of a marking applied to the screw element 2, in particular the end face 13, or a color wheel or a color scale.
  • the encoder 14 can also be applied magnetically or capacitively.
  • the sensor 15 then performs a position determination. Twists an element of the screw 1, in particular the screw element 2, then the position of the encoder 14 is changed relative to the sensor 15, so that the sensor 15 can detect a change and this can report a parent device, such as control.
  • FIG. 1 a schematically illustrates in simplified form the arrangement of the monitoring device 4 on a screw connection 1 by means of encoders 14 and sensors 15 arranged in a cover 17,
  • FIG. 2 illustrates the monitoring on the screw head of the screw element 2.
  • the screw element 2 is in the counter element in the illustrated case 3 screwed.
  • the screw head is provided with an encoder 14 on its end face 27 oriented perpendicular to the longitudinal axis.
  • the arrangement of the cooperating with this sensor 15 is carried out in analogy to the training described in Figure 1 a by arranging on or in a cover 17 which is fixed to the counter element 3.
  • the attachment can be non-positive or positive or cohesive.
  • the operation is analogous to that described in Figures 1 a to 1 c.
  • FIG. 1 and 2 show simple embodiments of the cover 17 in the form of cap-like elements 18. These are either hollow cylindrical in design according to Figure 2 or adapted at least on the inner circumference 16 to the contour of the counter element 3, as in Figure 1 a and via connecting devices 21 connected to an end face or an outer periphery of the counter element 3.
  • FIG. 3 illustrates an alternative arrangement of sensor 14 and sensor 15 of monitoring device 4 in a mounting situation of a screw connection 1 according to FIG. 2.
  • Connection region 26 of the cover with an element of screw connection 1 and the arrangement of the unit consisting of sensor 15 and sensor 14 takes place here radial direction with offset, but preferably in an axial extension region based on the extension of the longitudinal axis.
  • the screw element 2 extends with the longitudinal axis L through a threaded through hole 29 on a counter element 3 and is secured thereto.
  • This may be a base body or another component, for example a wall region of a component, etc.
  • the screw head bears against an end face of the main body or counter element 3.
  • the cover 17 is here connected to the screw head 30 and adapted to detect a sensor 15 for detecting an encoder information of an arranged on the counter-element 3 encoder.
  • the cover 17 is for this purpose designed such that it has a connection region 26 for connection to the screw head 30 and also a further region 31 for the arrangement of the sensor and for receiving or enclosing the encoder 14 when mounted on the screw head 30.
  • the encoder 14 relative to the longitudinal axis L of the screw member 2 outside the screw head 30 mounted on the end face 32 of the base body or counter element 3, preferably the arrangement is in a plane with the contact surface of the screw head 30 on the end face 32 of the main body or counter element.
  • the cover 17 comprises for this purpose two wall regions, a first wall region and a second wall region, wherein the first wall region has a first interior 19.1 for receiving the screw head 30 and a second interior 19.2, which in the radial direction relative to the longitudinal axis L of the cover 17 on a larger diameter than the first, is arranged.
  • the second interior space 19.2 serves to receive the encoder 14 and the sensor 15.
  • connection 21 of the cover 17 with the screw head 30 takes place, for example, by gluing, that is, by material bonding.
  • Other designs, for example by adhesion or positive locking, are conceivable, however, require a corresponding design of cover and Screw head 30 with press fit or with additional connecting elements.
  • the cover 17 is formed attachable to the connecting portion 26 on the screw head 30.
  • the encoder 314 is arranged here on the counter element 3, in particular the end face 32.
  • FIG. 4 illustrates a design of the use of a cover 17 according to FIG. 3 in a design of the screw connection 1 according to FIG. 1.
  • the cover 17 forms here also two interiors 19.1, 19.2, each of which serves to enclose an arrangement region 24 of an encoder 14 on an element of the screw 1 in the circumferential direction about the longitudinal axis L and the arrangement or assignment of a sensor 15 to this encoder 14 to detect a relative movement between the elements of the screw pairing.
  • the other further sensor 33 is arranged here on the component 8 and connected thereto.
  • the connection can be made non-positively or positively or materially or a combination of these. With the sensor 33, the component 7 can be monitored.
  • FIG. 1 illustrates a design of the use of a cover 17 according to FIG. 3 in a design of the screw connection 1 according to FIG. 1.
  • FIG. 5 illustrates an alternative arrangement of an encoder and sensor on the screw element and counter element or cover in a situation according to FIG. 1, that is to say in the end region of a shank 5 of a screw connection 1, which is secured by a securing element in the form of a nut 6.
  • the attachment of the cover 17 takes place here on the counter element 3, but on the screw member 2, wherein the attachment via a through the screw member, in particular the screw shaft, perpendicular to the longitudinal direction extending pin takes place.
  • FIG. 6 illustrates an example of an embodiment according to Figure 1, in which the screw member 2 is formed by a tie rod or tie rod and the counter element 3 of a lock nut, wherein the tie rod is guided by a base body and this braced against another, not shown here component.
  • the solution according to the invention is not limited to the embodiments shown in FIGS. 1 to 6. Furthermore, this includes all embodiments, which are characterized by the arrangement of a sensor 14 on an element of the screw 1 - screw 2 or counter element 3 -, wherein the arrangement of the encoder 14 takes place in a region which is normally cantilevered, which is why the arrangement of the The sensor 15 detecting the sensor information takes place on or in a cover 17, which surrounds the arrangement region 24 of the sensor 14 in the circumferential direction and is further connected with an element of the screw connection 1 - screw element 2 or counter element 3.
  • This connection 21 may be formed non-positively, positively or materially. There are no restrictions in this regard.
  • releasable compounds are chosen. These are then formed non-positively or cohesively.
  • a material connection will be used alternatively or additionally.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schraubverbindung (1), gebildet von einem sich entlang einer Längsachse (L) erstreckenden Gewinde tragenden Element, insbesondere Schraubenelement (2) und einem Gegenelement (3), mit einer Überwachungseinrichtung (4) zur Überwachung der Integrität der Schraubverbindung (1), umfassend eine Detektionseinrichtung, eingerichtet ein Verdrehen und/oder Verschieben eines der Elemente der Schraubverbindung (1) gegeneinander oder gegenüber einem Bezugselement zu detektieren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung zumindest einen an einem der Elemente der Schraubverbindung (1) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - angeordneten oder integrierten Geber (14) und einen Sensor (15) zur Detektion des Gebers (14) bzw. einer Geberinformation aufweist, und der Sensor (15) an oder in einer dem Anordnungsbereich (24) des Gebers (14) an einem Element der Schraubverbindung (1) zugeordneten Abdeckung (17) befestigt ist, wobei die Abdeckung (17) mitnahmefest mit einem der Elemente der Schraubverbindung (1) – Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) – verbunden ist.

Description

Schraubverbindung mit einer Überwachungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung, gebildet aus einem Schraubenelement und einem Gegenelement mit einer Überwachungseinrichtung, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff von Anspruch 1 . Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer derartigen Schraubverbindung in einem schienengebundenen Fahrzeug. Die Anbindung von Kupplungseinrichtungen an einem Schienenfahrzeug wird unter anderem über Befestigungseinrichtungen in Form von Schraubverbindungen realisiert. Die Kupplungseinrichtung selbst besteht aus einer Vielzahl einzelner Komponenten, die auch mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Zusatzkomponenten werden häufig ebenfalls über Schraubverbindungen mit der Kupplungseinrichtung verbunden. Schraubverbindungen finden ferner auch in der direkten Verbindung von Bauteilen oder der Verspannung von Bauteilen gegeneinander Verwendung. Beispielsweise wird auf die Sicherung einer Zugstange gegenüber einem anderen Bauteil über ein Sicherungselement in Form einer Sicherungsmutter verwiesen. Die Schraubverbindungen umfassen dazu ein Gewinde tragendes Element, welches als Schraubenelement bezeichnet wird und ein Gegenelement, welches beispielsweise als Mutter ausgeführt ist oder von einem Bauteil gebildet ist. Das Schraubenelement kann dabei als Schraube ausgeführt sein, wobei bezüglich der Art und Ausbildung dieser keine Restriktionen bestehen. Denkbar ist jedoch auch die Ausführung als Bolzen mit Gewinde tragendem Teilbereich. Derartige Schraubverbindungen sind sehr hohen Beanspruchungen unterworfen, insbesondere da diese im Kraftfluss der Übertragung von Zug- und Druckkräften dienen und auch anderen Einflüssen, wie Vibrationen ausgesetzt sind. Die Überwachung derartiger Schraubverbindungen erfolgt in der Regel durch optische Inspektionen. Dazu werden beispielsweise Markierungen an einem der Elemente, insbesondere Schraubenelement oder Mutter angeordnet und deren Ausgangslage als Referenzlage gewählt, die in gewissen vordefinierten zeitlichen Abständen inspiziert werden und eine Lageveränderung der beiden Elemente der Schraubverbindung damit anzeigen. Problematisch gestaltet sich dabei die Überwachung von Schraubverbindungen, welche entweder nicht frei zugängig sind, da diese durch andere Bauelemente derart verbaut sind, dass diese nicht einsehbar sind. Ebenfalls problematisch ist die Überwachung von Schraubverbindungen, die zwar frei zugängig sind, jedoch aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz fortlaufend überwacht werden sollten, was mit der manuell erfolgenden optischen Erkennung nicht möglich ist. Auch gestaltet es sich bei einer Vielzahl von Schraubverbindungen aufgrund von deren Anordnung und Ausbildung schwierig, die Überwachung zu automatisieren, da die erforderliche Anordnung von Sensoren nicht ohne weiteres möglich ist bzw. hierzu die Bauteile in der Umgebung derart spezifiziert werden müssen, einen Sensor aufzunehmen. Ein weiteres Problem stellt dabei auch die Möglichkeit einer Nachrüstbarkeit in bereits bestehenden Systemen dar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraubverbindung mit einer Überwachungseinrichtung zur kontinuierlichen Überwachung während des Betriebes eines Systems mit einer derartigen Schraubverbindung bereitzustellen. Dabei soll es möglich sein, frühzeitig Veränderungen an der Schraubverbindung zu erkennen und zu signalisieren, um vorbeugende Maßnahmen einleiten zu können. Insbesondere soll eine Schraubverbindung für den Einsatz in und zur Anbindung von Kupplungssystemen von Schienenfahrzeugen derart weiterentwickelt werden, dass eine optimale Überwachung dieser auch bei schwerer Zugängigkeit zur einzelnen Schraubverbindung gegeben ist und die Überwachungseinrichtung mit geringem Aufwand nachrüstbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 und 14 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Eine Schraubverbindung, gebildet von einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Gewinde tragendem Element, insbesondere Schraubenelement und einem Gegenelement und mit einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Integrität der Schraubverbindung, umfassend eine Detektionseinrichtung, eingerichtet ein Verdrehen und/oder Verschieben eines der Elemente der Schraubverbindung gegeneinander oder gegenüber einem Bezugselement zu detektieren, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung zumindest einen an einem der Elemente der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement - angeordneten oder integrierten Geber und einen Sensor zur Detektion des Gebers aufweist, und der Sensor an oder in einer dem Anordnungsbereich des Gebers an einem Element der Schraubverbindung zugeordneten Abdeckung befestigt ist, wobei die Abdeckung mitnahmefest mit einem der Elemente der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement - verbunden ist.
Unter einem Gewinde tragenden Element, insbesondere Schraubenelement wird ein Element verstanden, welches einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden zylindrischen oder hohlzylindrischen Bereich aufweist, welcher zumindest über einen Teilbereich seiner Erstreckung in Längsrichtung mit einem Gewinde ausgebildet ist. Je nach Ausführung und Einsatzzweck ist das Schraubenelement als Schraube, gebildet aus Schraubenkopf und Schaft oder Bolzen oder Gewindestange, welcher zumindest in einem Teilbereich seiner Erstreckung in Längsrichtung ein Gewinde trägt, ausgeführt. Die Funktion des Schraubenelementes kann auch von Funktionskomponenten, beispielsweise einer Zugstange oder einem Zuganker übernommen werden.
Unter einem Gegenelement wird ein Bauteil verstanden, welches das zweite Element der mit der Schraubverbindung realisierten Schraubpaarung bildet. Bei diesem kann es sich um ein Sicherungselement in Form einer Mutter oder ein anderes Bauteil handeln, welches ein zum Schraubenelement komplementär ausgebildetes und zum Zusammenwirken mit diesem ausgebildeten Gewinde aufweist. Schraubenelement und Gegenelement tragen jeweils einen Gewindebereich. Dabei weist jeweils eines der Elemente - Schraubenelement oder Gegenelement - ein Außengewinde und das andere - Gegenelement oder Schraubenelement - das dazu komplementäre Innengewinde auf.
Mitnahmefest im Sinne der Erfindung bedeutet, dass eine Befestigung, Fixierung oder Verbindung derart erfolgt, dass die Verbindung frei von der Möglichkeit einer Relativbewegung der beiden zu verbinden Bauteile, insbesondere zwischen Abdeckung und einem der Elemente der Schraubenverbindung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass durch das Vorsehen einer Abdeckung eine einfach vornehmbare frei wählbare Positionierung von Sensoren mit geringem Aufwand ermöglicht wird. Die Anordnung der erforderlichen Sensoren kann dabei unabhängig von der Ausgestaltung der Umgebung der Schraubverbindung erfolgen. Die Anordnung eines Sensors in oder an einer der Schraubverbindung zugeordneten und mit einem Element dieser verbundenen Abdeckung bietet den Vorteil der Schaffung einer Überwachungseinrichtung, welche zum einen einfach in bestehenden Systemen, Aggregaten oder Baueinheiten nachrüstbar ist und ferner auch eine fortlaufende Überwachung im Betrieb des jeweiligen Bauteiles erlaubt. Da die Abdeckung in der Regel nicht besonders bauraumeinnehmend ausgebildet sein muss, kann diese auch für Schraubverbindungen zum Einsatz gelangen, welche nicht frei zugängig sind.
Bezüglich der Ausbildung der Abdeckung besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Diese ist vorzugsweise derart ausgebildet, den Anordnungsbereich des Gebers in Umfangsrichtung um die Längsachse des Schraubelementes betrachtet und in Längsrichtung zumindest über den Erstreckungsbereich des Anordnungsbereiches des Gebers unter Ausbildung eines Abstandes zum Geber zu umschließen. Mit dieser Ausführung wird der Geber vor Umwelteinflüssen geschützt. In Abhängigkeit der geometrischen Ausgestaltung der Abdeckung und/oder des gewählten Materials bietet diese ferner den Vorteil, die Schraubverbindung und die wesentlichsten Komponenten der Überwachungseinrichtung - Geber und Sensor - gegenüber Umwelteinflüssen abzuschirmen. Daher werden vorzugsweise Abdeckungen gewählt, die eine Kapselung des Anordnungsbereiches für den Geber und den Sensor bieten. Dies ist insbesondere in Einsatzfällen, wie Kupplungseinrichtungen von schienengebundenen Fahrzeugen von Vorteil, da diese neben Witterungseinflüssen auch häufig nicht optimalen Umgebungseinflüssen, wie Staub etc. ausgesetzt sind.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist dazu die Abdeckung von einem einseitig offenen und zumindest einen Innenraum zur Aufnahme des Anordnungsbereiches des Gebers am Schraubenelement oder dem Gegenelement und des Sensors ausbildenden kappenartigen Element gebildet, welches am öffnungsseitigen Endbereich einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Schraubenelement oder dem Gegenelement aufweist.
Die mitnahmefeste Verbindung zwischen Abdeckung und einem Element der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement ist vorzugsweise als eine Verbindung oder Kombination von Verbindungen ausgewählt aus der nachfolgenden Gruppe von Verbindungen ausgebildet:
- als stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise in Form einer Klebverbindung;
- als kraftschlüssige Verbindung, vorzugsweise in Form einer
Pressverbindung;
- als formschlüssige Verbindung, vorzugsweise in Form einer Bajonett - oder Rastverbindung. In besonders vorteilhafter Ausbildung ist die mitnahmefeste Verbindung zwischen Abdeckung und einem Element der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement - als lösbare Verbindung ausgeführt. Dies erlaubt bei Bedarf einen Zugang zur Schraubverbindung frei von einer Zerstörung der Abdeckung oder der Verbindung und die Wiederverwendung der Abdeckung sowie des an oder in dieser angeordneten Sensors. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Überwachungseinrichtung erfolgt die Befestigung des einzelnen Gebers an einem der Elemente der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement - und/oder des Sensors an oder in der Abdeckung lösbar. Der Vorteil besteht auch hier in der Austauschbarkeit, insbesondere, wenn auf Überwachungssysteme nach anderem physikalischen Prinzip umgestellt werden soll oder bei Defekt. Unlösbare Verbindungen werden insbesondere dann gewählt, wenn es beim Austausch nicht auf die Wiederverwendbarkeit ankommt.
Bezüglich der Art der verwendeten Geber und Sensoren und der Verfahren zum Detektieren bestehen keine Restriktionen. Vorzugsweise werden kontaktlos wirkende Geber/Sensoreinheiten eingesetzt. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit bei der Positionierung der jeweiligen Sensoren in der Abdeckung sind dann nicht so hoch. In einer ersten Ausführung ist der Geber als optischer Geber ausgebildet, insbesondere als an einem Element der Schraubverbindung - Schraubenelement oder Gegenelement - angebrachte Markierung, ein Farbrad oder eine Farbskala und der Sensor von einem optischen Sensor gebildet. In einer zweiten Ausführung ist der Sensor zur kontaktlosen Detektion des Gebers auf der Basis des Feldes eingerichtet, wobei der Geber und der Sensor vorzugsweise gemäß einer der nachfolgend genannten Ausführungen ausgebildet sind:
- der Geber einen Permanentmagneten zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes und der Sensor einen Magnetfeldsensor umfasst; - der Sensor eine Spule zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Feldes und der Geber ein Element zur Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes umfasst;
- der Sensor eine Spannungsquelle und der Geber ein dielektrisches Element umfasst.
In einer ersten Variante wird eine magnetische Bestimmung durchgeführt. Dazu kann der Geber einen Permanentmagneten zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes und der Sensor einen Magnetfeldsensor umfassen. Der Magnetfeldsensor kann aktiv ausgeführt sein, beispielsweise als Hall-Sensor, oder passiv, etwa als Reed-Kontakt. Das magnetische Feld kann einfach und sicher detektiert werden, solange der Sensor am Geber angebracht ist. In einer weiteren Ausführungsform kann ein magnetisches Leitelement vorgesehen sein, um das Magnetfeld im Bereich des Sensors zu formen, sodass es im Bereich des Sensors verstärkt ist, solange keine Auflösung stattgefunden hat.
In einer zweiten Variante wird eine induktive Bestimmung durchgeführt. Dabei kann der Sensor eine Spule zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Feldes und der Geber ein Element zur Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes umfassen. Insbesondere kann der Geber ein weichmagnetisches Element umfassen, um das elektromagnetische Feld zu formen, sodass die Feldstärke im Bereich des Sensors oder eine Stromaufnahme der Spule in Anwesenheit des Gebers beeinflusst sein können. Üblicherweise wird die Spule mit einem Wechselstrom angesteuert, wobei die Spannungsquelle vom Sensor umfasst oder extern realisiert werden kann. Das elektromagnetische Feld wird bevorzugt auf der Basis eines durch die Spule fließenden Stroms oder einer an der Spule anliegenden Spannung bestimmt. In weiteren Ausführungsformen kann jedoch auch ein dedizierter Sensor zur Bestimmung des elektromagnetischen Feldes vorgesehen sein.
In einer dritten Variante erfolgt eine kapazitive Bestimmung, wobei der Sensor bevorzugt eine Spannungsquelle und der Geber ein dielektrisches Element umfasst. Zwischen dem Sensor und dem Geber besteht dabei ein elektrisches Feld, dessen Feldstärke durch das dielektrische Element beeinflusst und insbesondere verstärkt werden kann. Wird der Geber vom Sensor getrennt, so kann insbesondere eine Änderung der Kapazität zwischen Anschlüssen der Spannungsquelle erfolgen, die mittels einer geeigneten Auswerteeinrichtung bestimmt werden kann. Die Auswerteeinrichtung kann vom Sensor umfasst sein oder extern bereitgestellt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist ein weiterer Sensor in Form eines Magnetfeldsensors zur absoluten Lagebestimmung der Elemente der Schraubverbindung zueinander vorgesehen.
Bezüglich der Ausgestaltung von Schraubenelement und Gegenelement besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. In einer ersten Variante ist das Gegenelement von einer Mutter gebildet und der Geber vorzugsweise am Schaftende, insbesondere der Stirnseite des Schaftes des Schraubenelementes angeordnet, wobei die Abdeckung mit der Mutter mitnahmefest verbunden ist.
Eine zweite Variante ist dadurch charakterisiert, dass das Schraubenelement von einer Schraube und das Gegenelement von einem ein Innengewinde aufweisenden Grundkörper gebildet ist, wobei der Geber am Schraubenkopf, insbesondere der Stirnseite oder dem Außenumfang angeordnet ist und die Abdeckung mit dem Grundkörper verbunden ist. Eine dritte mögliche Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Geber an einem Gegenelement in Form einer Mutter oder einem Grundkörper befestigt ist und die Abdeckung am Schraubenelement. Alle Ausführungen bieten den Vorteil, die Abdeckung mit integriertem oder angebrachtem Sensor als Gesamteinheit aufsteckbar gestalten zu können. Diese kann beispielsweise als vormontierte Baueinheit bereitgestellt werden. In einer weiteren Weiterbildung umfasst die Überwachungseinrichtung zumindest einen weiteren Sensor zur Überwachung der Umgebung der Schraubverbindung. Derartige Sensoren können ebenfalls auf einfache Art und Weise von der Abdeckung aufgenommen oder an dieser angeordnet werden. Die Abdeckung kann dazu beispielsweise zusätzlich vorbereitete Aufnahme- bzw. Anordnungsbereiche für weitere Sensoren aufweisen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung ist zur standardisierten Ausführung von Abdeckungen die Abdeckung derart ausgebildet, eine Vielzahl vorbereiteter Anordnungsbereiche aufzuweisen. Diese können dann je nach Anordnung der Geber und Zuordnung zu diesem in montierter Stellung von den Sensoren belegt werden.
Die Energieversorgung des einzelnen Sensors kann lokal durch eine Batterie oder einen Akku und/oder durch die elektrische Versorgung des Zuges beim Einsatz in einer Zugkupplung oder durch die elektrische Versorgung eines Systems erfolgen. Die Energieversorgung kann ferner durch Energie Harvesting erfolgen.
Der Sensor kann insbesondere zum Anschluss an eine elektrische Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, indem der Sensor ein Signal bereitstellt, das auf eine Abweichung vom Sollzustand der Schraubverbindung (Lageänderung zwischen Schraubenelement und Gegenelement in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung) hinweist. Die Auswerteinrichtung kann Bestandteil einer Steuerung sein oder aber in ein übergeordnetes Steuer- und/oder Regelsystem für die Baugruppe, in welcher die Überwachung der Schraubverbindung erfolgt, integriert sein.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer vorbeschriebenen Schraubverbindung mit Überwachungseinrichtung mit in oder an einer Abdeckung angeordneten Sensor gemäß einem der Ansprüche in einer Kupplungseinrichtung, insbesondere Mittelpufferkupplung eines schienengebundenen Fahrzeuges zum Verbinden und/oder zum Verspannen von Bauteilen der Kupplungseinrichtung miteinander , der Anbindung der Kupplungseinrichtung an ein schienengebundenes Fahrzeug und/oder dem Verbinden von Anschlussbauteilen mit der Kupplungseinrichtung. Der Einsatz in schienengebundenen Fahrzeugen ermöglicht eine fortlaufende und automatisierte Überwachung und Erkennung von Relativbewegungen der Elemente der Schraubverbindungen zueinander auch im Betrieb des Fahrzeuges. Die aufwendige manuelle Kontrolle kann entfallen und es kann relativ schnell auf einen sich anbahnenden Defekt sicherheitsrelevanter Verbindungen reagiert werden. Ein besonders vorteilhafter Einsatzfall stellt die Überwachung einer Schraubverbindung dar, bei welcher das Schraubelement von einer Zugstange und das Gegenelement von einer Sicherungsmutter gebildet sind.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 a zeigt beispielhaft eine Schraubverbindung mit
Überwachungseinrichtung und Abdeckung in einer ersten Ausbildung; Figur 1 b zeigt in eine Ansicht auf die Stirnseite eines Schraubenkopfes die
Anordnung eines Gebers;
Figur 1 c verdeutlicht eine Ausbildung der Abdeckung in drei Ansichten;
Figur 2 zeigt beispielhaft eine Schraubverbindung mit
Überwachungseinrichtung und Abdeckung in einer zweiten Ausbildung; Figur 3 zeigt beispielhaft eine Schraubverbindung gemäß Figur 2 mit einer
Abdeckung in einer Weiterbildung;
Figur 4 zeigt beispielhaft eine Schraubverbindung gemäß Figur 1 a mit einer
Abdeckung in einer Weiterbildung;
Figur 5 zeigt eine Ausbildung einer Schraubverbindung mit einer alternativen
Fixierung der Abdeckung;
Figur 6 zeigt beispielhaft eine Schraubverbindung für den Einsatz in einem
Schienenfahrzeug, insbesondere gebildet zwischen einer Zugstange und einer Sicherungsmutter.
Die Figur 1 a verdeutlicht in schematisiert stark vereinfachter Darstellung eine Schraubverbindung 1 , gebildet von einem Schraubenelement 2 und einem Gegenelement 3 mit einer Überwachungseinrichtung 4 in einer ersten Ausbildung. Das Schraubenelement 2 ist durch eine Erstreckung in einer Längsrichtung charakterisiert. Die Längsachse ist mit L bezeichnet. Derartige Schraubverbindungen 1 dienen dabei beispielsweise der Verbindung oder Verspannung zweier Bauelemente, hier den Bauelementen 7 und 8. Im dargestellten Fall erstreckt sich das Schraubenelement 2 mit seinem Schaft 5 durch jeweils eine Durchgangsöffnung 9 und 10 der Bauelemente 7, 8 und wird mittels des Gegenelementes 3 in Form einer Mutter gegenüber den Bauelementen 7 und 8 gesichert. Der Schraubenkopf stützt sich an einer Stirnseite 1 1 des einen Bauelementes 7 ab, während die Sicherung über das Gegenelement 3 erfolgt, welches die beiden Bauelemente 7, 8 gegeneinander verspannt. Die Anordnung des Gegenelementes 3 erfolgt auf der von der Stirnseite 1 1 wegweisenden Stirnseite 12 am Bauelement 8. Der Schraubenschaft 5 steht dabei über die miteinander verbundenen Bauelemente 7 und 8 hinaus. Um eine Überwachung der Integrität der Schraubverbindung 1 zu ermöglichen, ist die Überwachungseinrichtung 4 vorgesehen. Diese umfasst eine Detektionseinrichtung, eingerichtet, ein Verdrehen und/oder axiales Verschieben der beiden Elemente der Schraubverbindung - Schraubenelement 2 und/oder Gegenelement 3 - zu erfassen. Diese weist dazu einen, an einem Element der Schraubverbindung 1 , hier am Schraubenelement 2, vorzugsweise der Stirnfläche 13, am Endbereich des Schaftes 5 angeordneten Geber 14 auf. Die Detektionseinrichtung umfasst ferner zumindest einen Sensor 15 zur Erfassung zumindest einer der nachfolgenden Größen:
- einer einen Zustand oder Eigenschaft des Gebers 14 wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe
- einer eine Lage des Gebers 14 wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe; - einer die Signalstärke des Gebers 14 wenigstens mittelbar charakterisierenden
Größe.
Der Sensor ist mit 15, die aktive Sensorfläche mit 15a bezeichnet.
Um bei frei herausragendem Ende des Schraubenelementes 2 trotzdem eine Überwachung zu ermöglichen, erfolgt die Anordnung des Sensors 15 an oder in einer Abdeckung 17, vorzugsweise an einem am Innenumfang 16 der Abdeckung 17 vorgesehenen Anordnungsbereich. Die Abdeckung 17 ist dabei mit einem Element der Schraubverbindung 1 - Schraubenelement 2 oder Gegenelement 3 -, hier dem Gegenelement 3 in Form der Mutter 6, verbunden. Die Abdeckung 17 umschließt den Anordnungsbereich 24 des Gebers 14 an dem Schraubenelement 2 in Umfangsrichtung um die Längsachse L des Schraubenelementes 2 betrachtet und in Längsrichtung zumindest über den Anordnungsbereich des Gebers 14 am Schraubenelement 2. Die Abdeckung 17 umschließt damit den Endbereich der Schraubverbindung 1 , insbesondere den frei über die miteinander verbundenen Bauelemente 7, 8 hinausragenden Teile der Schraubverbindung 1 .
Vorzugsweise ist die Abdeckung 17 von einem kappenartigen Element 18 unter Ausbildung eines Innenraumes 19 gebildet, welches an einem Element der Schraubverbindung 1 , hier dem Gegenelement 4 mitnahmefest befestigt ist. Der Innenraum 19 ist zum Umschließen des Anordnungsbereiches 24 des Gebers 14 ausgeführt und ferner zum Aufnehmen des Sensors 15. Das kappenartige Element 18 ist dazu durch einen Wandbereich charakterisiert, welches in Umfangsrichtung um die Längsachse L zumindest über die Erstreckung des Anordnungsbereiches 24 erstreckend ausgeführt ist. Das kappenartige Element 18 ist ferner zum Aufnehmen des Anordnungsbereiches 24 und des Sensors 15 in den Innenraum 19 an einem Endbereich 20 offen ausgebildet. In diesem Endbereich weist das kappenartige Element einen Verbindungsbereich auf 26 auf. Dieser dient der Aufnahme oder zur Ausbildung von Verbindungseinrichtungen zum Zusammenwirken und der Ausbildung einer mitnahmefesten Verbindung 21 des kappenartigen Elementes 18 mit dem Gegenelement 3, hier der Mutter 6. Zum Schutz vor Verunreinigungen und zur Anordnung des Sensors 15 ist das kappenartige Element 18 an dem von der Verbindung 1 wegweisenden Endbereich geschlossen ausgeführt.
Das kappenartige Element 18 kann vielgestaltig ausgeführt sein. Im einfachsten Fall wird der Wandbereich im Befestigungsbereich am Gegenelement 3 bei Befestigung am Außenumfang des Gegenelementes 3 hinsichtlich des Innenumfanges komplementär zum Außenumfang des Gegenelementes 3 ausgebildet. Das kappenartige Element 18 ist in diesem Fall auf das Gegenelement 3 in axialer Richtung aufgesteckt. Die Verbindung 21 kann durch Wahl der Passungen als Pressverbindung ausgebildet sein, Vorzugsweise ist die Verbindung 21 als stoffschlüssige Verbindung durch Verkleben realisiert. Dadurch wird eine Relativbewegung zwischen dem Gegenelement und der Abdeckung 17 sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung sicher vermieden, das heißt die Abdeckung 17 ist mitnahmefest mit dem Gegenelement 3 verbunden. Denkbar ist es auch, die Passungen zwischen Innenumfang des kappenartigen Elementes im Verbindungsbereich 26 und am Außenumfang des Gegenelementes 3 derart zu gestalten, dass eine Presspassung erzeugt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verbindung 21 durch Formschluss zu realisieren.
Eine von einem kappenartigen Element 18 gebildete Abdeckung 17 ist beispielhaft in Figur 1 c in drei Ansichten wiedergegeben. Erkennbar ist komplementäre Ausführung des Wandprofils am Innenumfang 16 zum Außenumfang des Gegenelementes 3.
Die Anordnung des Sensors 15 erfolgt vorzugsweise kontaktlos zum Geber 14, vorzugsweise in einem Abstand dem Geber 14 gegenüberliegend. Im dargestellten Fall erfolgt die Anordnung in besonders vorteilhafter Weise am Boden 22 des kappenartigen Elementes 18. Über entsprechende Durchgangsöffnungen 23 an dem kappenartigen Element 18 erfolgt dabei die Energieversorgung und/oder Ankopplung des Sensors an entsprechende Einrichtungen zur Weiterleitung und Auswertung der erfassten Größen, beispielsweise eine Auswerteinrichtung 25. Die Ankopplung ist mit 28 bezeichnet. Die Auswerteinrichtung 25 kann ferner die Funktion einer Anzeige eines Falles von Relativbewegung der Elemente der Schraubverbindung zueinander, insbesondere optisch oder akustisch oder anderer Art ermöglichen. Die Auswerteinrichtung kann Bestandteil einer der jeweiligen Baugruppe zugeordneten Steuer- und/oder Regeleinrichtung sein. Bezüglich der Ausbildung des Gebers 14 besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Bei diesem kann es sich entweder um einen optischen Geber, beispielsweise in Form einer auf das Schraubenelement 2, insbesondere der Stirnseite 13 aufgebrachten Markierung oder eines Farbrades oder einer Farbskala handeln. Der Geber 14 kann ferner magnetisch oder kapazitiv aufgebracht werden. Der Sensor 15 führt dann eine Lagebestimmung durch. Verdreht sich ein Element der Schraubverbindung 1 , insbesondere das Schraubenelementes 2, dann wird die Lage des Gebers 14 relativ zum Sensor 15 verändert, sodass der Sensor 15 eine Veränderung feststellen kann und diese einer übergeordneten Einrichtung, beispielsweise Steuerung melden kann.
Verdeutlicht die Figur 1 a schematisiert vereinfacht die Anordnung der Überwachungseinrichtung 4 an einer Schraubverbindung 1 mittels in einer Abdeckung 17 angeordneten Gebern 14 und Sensoren 15 , verdeutlicht die Figur 2 die Überwachung am Schraubenkopf des Schraubenelementes 2. Das Schraubenelement 2 ist im dargestellten Fall in das Gegenelement 3 eingeschraubt. Um ein Verdrehen gegenüber dem Gegenelement 3 zu detektieren, ist der Schraubenkopf an seiner senkrecht zur Längsachse ausgerichteten Stirnfläche 27 mit einem Geber 14 versehen. Die Anordnung des mit diesem zusammenwirkenden Sensors 15 erfolgt in Analogie zu der in der Figur 1 a beschriebenen Ausbildung durch Anordnen an oder in einer Abdeckung 17, die am Gegenelement 3 befestigt ist. Die Befestigung kann kraft- oder formschlüssig oder aber auch stoffschlüssig erfolgen. Die Funktionsweise gestaltet sich analog zu der in den Figuren 1 a bis 1 c beschriebenen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einfache Ausbildungen der Abdeckung 17 in Form von kappenartigen Elementen 18. Diese sind entweder bei Ausführung gemäß Figur 2 hohlzylindrisch ausgebildet oder aber zumindest am Innenumfang 16 an die Kontur des Gegenelementes 3 angepasst, wie in Figur 1 a und über Verbindungseinrichtungen 21 an einer Stirnseite oder einem Außenumfang des Gegenelementes 3 verbunden. Die Figur 3 verdeutlicht eine alternative Anordnung von Geber 14 und Sensor 15 der Überwachungseinrichtung 4 in einer Einbausituation einer Schraubverbindung 1 gemäß Figur 2. Verbindungsbereich 26 der Abdeckung mit einem Element der Schraubverbindung 1 und die Anordnung der Einheit aus Sensor 15 und Geber 14 erfolgt hier in radialer Richtung mit Versatz, vorzugsweise jedoch in einem axialen Erstreckungsbereich bezogen auf die Erstreckung der Längsachse. Auch hier erstreckt sich das Schraubenelement 2 mit der Längsachse L durch eine Gewinde tragende Durchgangsöffnung 29 an einem Gegenelement 3 bzw. ist an diesem gesichert. Bei diesem kann es sich um einen Grundkörper oder aber ein anderes Bauteil, beispielsweise ein Wandbereich eines Bauteils etc. handeln. Der Schraubenkopf liegt an einer Stirnseite des Grundkörpers bzw. Gegenelementes 3 an. Die Abdeckung 17 ist hier mit dem Schraubenkopf 30 verbunden und eingerichtet, einen Sensor 15 zur Detektion einer Geberinformation eines am Gegenelement 3 angeordneten Gebers zu erfassen. Die Abdeckung 17 ist dazu derart ausgebildet, dass diese einen Verbindungsbereich 26 zur Verbindung mit dem Schraubenkopf 30 aufweist und ferner einen weiteren Bereich 31 zur Anordnung des Sensors sowie zur Aufnahme bzw. dem Umschließen des Gebers 14 bei Montage am Schraubenkopf 30. Der Geber 14 ist dabei an der Stirnseite 32 des Grundkörpers bzw. Gegenelementes 3 in radialer Richtung bezogen zur Längsachse L des Schraubenelementes 2 außerhalb des Schraubenkopfes 30 angebracht, vorzugsweise erfolgt die Anordnung in einer Ebene mit der Anlagefläche des Schraubenkopfes 30 an der Stirnseite 32 des Grundkörpers bzw. Gegenelementes 3. Die Abdeckung 17 umfasst dazu zwei Wandbereiche, einen ersten Wandbereich und einen zweiten Wandbereich, wobei der erste Wandbereich einen ersten Innenraum 19.1 zur Aufnahme des Schraubenkopfes 30 und einen zweiten Innenraum 19.2, der in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse L der Abdeckung 17 auf einen größeren Durchmesser als der erste liegt, angeordnet ist. Der zweite Innenraum 19.2 dient der Aufnahme von Geber 14 und Sensor 15. Die Verbindung 21 der Abdeckung 17 mit dem Schraubenkopf 30 erfolgt beispielsweise durch Verkleben, das heißt stoffschlüssig. Andere Ausführungen, beispielsweise durch Kraftschluss oder Formschluss, sind denkbar, bedingen jedoch eine entsprechende Ausgestaltung von Abdeckung und Schraubenkopf 30 mit Presspassung oder mit zusätzlichen Verbindungselementen. Vorzugsweise ist die Abdeckung 17 mit dem Verbindungsbereich 26 auf den Schraubenkopf 30 aufsteckbar ausgebildet.
Der Geber 314 ist hier am Gegenelement 3, insbesondere der Stirnseite 32 angeordnet.
Demgegenüber verdeutlicht die Figur 4 eine Ausbildung des Einsatzes einer Abdeckung 17 gemäß Figur 3 in einer Ausbildung der Schraubverbindung 1 gemäß Figur 1 . Diese kann dazu verwendet werden, um einen zusätzlichen Geber 33 zu platzieren. Dazu bildet die Abdeckung 17 auch hier zwei Innenräume19.1 , 19.2 aus, die jeweils dem Umschließen eines Anordnungsbereiches 24 eines Gebers 14 an einem Element der Schraubverbindung 1 in Umfangsrichtung um die Längsachse L dienen sowie der Anordnung bzw. Zuordnung eines Sensors 15 zu diesem Geber 14, um eine Relativbewegung zwischen den Elementen der Schraubenpaarung zu detektieren. Der andere weitere Sensor 33 ist hier an dem Bauteil 8 angeordnet und mit diesem verbunden. Die Verbindung kann kraftschlüssig oder formschlüssig oder stoffschlüssig oder einer Kombination aus diesen erfolgen. Mit dem Sensor 33 kann das Bauteil 7 überwacht werden. Die Figur 5 verdeutlicht eine alternative Anordnung eines Gebers und Sensors am Schraubenelement und Gegenelement bzw. Abdeckung in einer Situation gemäß Figur 1 , das heißt im Endbereich eines Schaftes 5 einer Schraubverbindung 1 , welche durch ein Sicherungselement in Form einer Mutter 6 gesichert ist. Die Befestigung der Abdeckung 17 erfolgt hier am Gegenelement 3, sondern am Schraubenelement 2, wobei die Befestigung über einen durch das Schraubenelement, insbesondere den Schraubenschaft, senkrecht zur Längsrichtung erstreckenden Splint erfolgt. Die Anordnung des Gebers 14 erfolgt am Gegenelement 3, insbesondere Außenumfang einer Mutter 6, während der Sensor 15 an der diesem gegenüberliegenden Fläche an der Abdeckung 17 angebracht ist, das heißt, nicht am Bodenbereich, sondern in einem den Anordnungsbereich 24 des Gebers 14 in Umfangsrichtung schließenden Bereich des Gegenelementes 3. Figur 6 verdeutlicht beispielhaft eine Ausführung gemäß Figur 1 , bei welcher das Schraubenelement 2 von einem Zuganker oder Zugstange gebildet ist und das Gegenelement 3 von einer Sicherungsmutter, wobei der Zuganker durch einen Grundkörper geführt ist und diesen gegenüber einem anderen, hier nicht dargestellten Bauteil verspannt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausbildungen beschränkt. Ferner beinhaltet diese alle Ausführungen, die durch die Anordnung eines Gebers 14 an einem Element der Schraubverbindung 1 - Schraubenelement 2 oder Gegenelement 3 - charakterisiert sind, wobei die Anordnung des Gebers 14 in einem Bereich erfolgt, welcher im Normalfall freitragend ist, weshalb die Anordnung des die Geberinformation erfassenden Sensors 15 an oder in einer Abdeckung 17 erfolgt, die den Anordnungsbereich 24 des Gebers 14 in Umfangsrichtung umschließend ausgebildet ist und ferner mit einem Element der Schraubverbindung 1 - Schraubenelement 2 oder Gegenelement 3 - mitnahmefest verbunden ist. Diese Verbindung 21 kann kraft-, form- oder stoffschlüssig ausgebildet sein. Diesbezüglich bestehen keine Restriktionen. Vorzugsweise werden lösbare Verbindungen gewählt. Diese sind dann kraft- oder stoffschlüssig ausgebildet. Um eine hermetisch feste Abdichtung zu gewährleisten, wird vorzugsweise ein Stoffschluss alternativ oder zusätzlich zum Einsatz gelangen.
Bezugszeichenliste
I Schraubverbindung
2 Schraubenelement
3 Gegenelement
4 Überwachungseinrichtung
5 Schaft
6 Mutter
7 Bauelement
8 Bauelement
9 Durchgangsöffnung
10 Durchgangsöffnung
I I Stirnseite
12 Stirnseite
13 Stirnfläche am Endbereich des
Schraubenelementes/Schaftes
14 Geber
15 Sensor
16 Innenumfang
17 Abdeckung
18 kappenartiges Element
19 Innenraum
19.1 , 19.2 Innenraum
20 Endbereich
21 Verbindung
22 Boden
23 Durchgangsöffnung
24 Anordnungsbereich
25 Auswerteinrichtung
26 Verbindungsbereich
27 Stirnfläche Schraubenkopf 28 Anschluss
29 Durchgangsöffnung am Gegenelement
30 Schraubenkopf
31 Bereich
32 Stirnseite
33 weiterer Geber
34 Sensor
L Längsachse

Claims

Ansprüche
Schraubverbindung (1 ), gebildet von einem sich entlang einer Längsachse (L) erstreckenden Gewinde tragenden Element, insbesondere Schraubenelement (2) und einem Gegenelement (3),
mit einer Überwachungseinrichtung (4) zur Überwachung der Integrität der Schraubverbindung (1 ), umfassend eine Detektionseinrichtung, eingerichtet ein Verdrehen und/oder Verschieben eines der Elemente der Schraubverbindung (1 ) gegeneinander oder gegenüber einem Bezugselement zu detektieren,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionseinrichtung zumindest einen an einem der Elemente der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - angeordneten oder integrierten Geber (14) und einen Sensor (15) zur Detektion des Gebers (14) bzw. einer Geberinformation aufweist, und der Sensor (15) an oder in einer dem Anordnungsbereich (24) des Gebers (14) an einem Element der Schraubverbindung (1 ) zugeordneten Abdeckung (17) befestigt ist, wobei die Abdeckung (17) mitnahmefest mit einem der Elemente der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - verbunden ist.
Schraubverbindung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abdeckung (17) ausgebildet ist, den Anordnungsbereich (24) des Gebers (14) in Umfangsrichtung um die Längsachse (L) des Schraubelementes (9) und in Längsrichtung zumindest über den Erstreckungsbereich des Anordnungsbereiches (24) unter Ausbildung eines Abstandes zum Geber (14) zu umschließen.
Schraubverbindung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (17) von einem einseitig offenen und zumindest einen Innenraum (19, 19.1 , 19.2) zum Umschließen des Anordnungsbereiches (24) des Gebers (14) am Schraubenelement (2) oder dem Gegenelement (3) und zum Aufnehmen des Sensors (15) ausbildenden kappenartigen Element (18) gebildet ist, welches am öffnungsseitigen Endbereich (20) einen Verbindungsbereich (26) zur Verbindung mit dem Schraubenelement (2) oder dem Gegenelement (3) aufweist.
4. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mitnahmefeste Verbindung (21 ) zwischen Abdeckung (17) und einem Element der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (2) - als eine Verbindung oder Kombination von Verbindungen ausgewählt aus der nachfolgenden Gruppe von Verbindungen ausgebildet ist:
- als stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise Klebverbindung;
- als kraftschlüssige Verbindung, vorzugsweise Pressverbindung;
- als formschlüssige Verbindung, insbesondere Rastverbindung.
5. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mitnahmefeste Verbindung (21 ) zwischen Abdeckung (17) und einem Element der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - als lösbare Verbindung ausgeführt ist.
6. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Geber (14) an einem der Elemente der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - und/oder der Sensor (15) an oder in der Abdeckung (17) lösbar oder unlösbar befestigt ist.
7. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (14) als optischer Geber ausgebildet ist, insbesondere als an einem Element der Schraubverbindung (1 ) - Schraubenelement (2) oder Gegenelement (3) - angebrachte Markierung, ein Farbrad oder eine Farbskala und der Sensor (15) von einem optischen Sensor gebildet ist.
8. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (15) zur kontaktlosen Detektion des Gebers (14) auf der Basis des Feldes eingerichtet ist, wobei der Geber (14) und der Sensor (15) vorzugsweise gemäß einer der nachfolgend genannten Ausführungen ausgebildet sind:
- der Geber (14) einen Permanentmagneten zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes und der Sensor (15) einen Magnetfeldsensor umfasst;
- der Sensor (15) eine Spule zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Feldes und der Geber (14) ein Element zur Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes umfasst;
- der Sensor (15) eine Spannungsquelle und der Geber (14) ein dielektrisches Element umfasst.
9. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein weiterer Sensor (33) in Form eines Magnetfeldsensors zur absoluten Lagebestimmung der Elemente der Schraubverbindung (1 ) zueinander vorgesehen ist.
10. Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gegenelement (3) von einer Mutter (6) gebildet wird und der Geber (14) am Schaftende (5), insbesondere der Stirnseite des Schaftes (5) des Schraubenelementes (2) angeordnet ist, und die Abdeckung (17) mit der Mutter (6) mitnahmefest verbunden ist oder das Schraubenelement (2) von einer Schraube und das Gegenelement (3) von einem ein Innengewinde aufweisenden Grundkörper gebildet ist, wobei der Geber (14) am Schraubenkopf (30), insbesondere der Stirnseite oder dem Außenumfang angeordnet ist und die Abdeckung (17) mit dem Grundkörper verbunden ist.
Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Geber (14) an einem Gegenelement (3) in Form einer Mutter (6) oder einem Grundkörper befestigt ist und die Abdeckung (17) am Schraubenelement (2).
Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Überwachungseinrichtung (4) zumindest einen weiteren Sensor (33) zur Überwachung der Umgebung der Schraubverbindung (1 ) umfasst.
Schraubverbindung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (15) zum Anschluss an eine elektrische Auswerteeinrichtung (25) als Bestandteil der Überwachungseinrichtung (4) eingerichtet ist, indem der Sensor (15) ein Signal bereitstellt, das auf eine Abweichung vom Sollzustand der Schraubverbindung (Lageänderung zwischen Schraubelement (2) und Gegenelement (3) in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung) hinweist.
Verwendung einer Schraubverbindung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Kupplungseinrichtung, insbesondere Mittelpufferkupplung eines schienengebundenen Fahrzeuges mit zum Verbindung und/oder zum Verspannen von Bauteilen der Kupplungseinrichtung miteinander oder von Anschlussbauteilen mit der Kupplungseinrichtung.
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei das Schraubelement (2) von einer Zugstange und das Gegenelement (3) von einer Sicherungsmutter gebildet ist.
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