EP4702331A1

EP4702331A1 - Unterlegscheibe zum kraftmessen und kraftverteilen bei einem verbinden eines verbindungsmittels mit einem zu verbindenden teil

Info

Publication number: EP4702331A1
Application number: EP24728885.5A
Authority: EP
Inventors: Uwe Steinkamp
Original assignee: Altosens GmbH
Current assignee: Altosens GmbH
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2024-04-24
Publication date: 2026-03-04
Also published as: WO2024223009A1; DE102023110704A1; CN121002355A

Abstract

Die Erfindung betrifft Unterlegscheibe zum Kraftmessen und Kraftverteilen bei einem Verbinden eines Verbindungsmittels mit einem zu verbindenden Teil, wobei die Unterlegscheibe ein Gehäuse mit einem Oberteil und einem Unterteil und innenliegend in dem Gehäuse einen Hohlraum aufweist, und in dem Hohlraum ein Kraftsensorelement angeordnet ist und das Kraftsensorelement zumindest eine Elektrode und ein Dielektrikum aufweist, wobei mindestens eine Aussparung angrenzend an den Hohlraum in dem Gehäuse angeordnet ist, sodass bei einer Einleitung einer außermittigen Kraft bei dem Verbinden des Verbindungsmittels mit dem zu verbindenden Teil die Unterlegscheibe reproduzierbar verformbar und die eingeleitete Kraft mittels des Kraftsensorelementes reproduzierbar messbar ist.

Description

Unterlegscheibe zum Kraftmessen und Kraftverteilen bei einem Verbinden eines Verbindungsmittels mit einem zu verbindenden Teil

[ 01 ] Die Erfindung betri f ft eine Unterlegscheibe zum Kraftmessen und Kraftverteilen bei einem Verbinden eines Verbindungsmittels mit einem zu verbindenden Teil , wobei die Unterlegscheibe ein Gehäuse mit einem Oberteil und einem Unterteil und innenliegend in dem Gehäuse einen Hohlraum aufweist , und in dem Hohlraum ein Kraftsensorelement angeordnet ist und das Kraftsensorelement eine Elektrode und ein Dielektrikum aufweist .

[ 02 ] Eine Unterlegscheibe wird üblicherweise über einen Schaft einer Schraube geführt und dient dazu, die von der Unterseite des Schraubenkopfes ausgehende Kraft im montierten Zustand auf eine größere Fläche eines mit der Schraube zu verbindenden Teils zu übertragen . Vor allem bei sicherheitskritischen Schraubverbindungen (Kategorie A) sind die Sicherheitsanforderungen an die Schraubverbindung sehr hoch . Dies ist beispielsweise bei Windenergieanlagen der Fall , bei denen eine Verminderung der Kraft oder ein vollständiges Versagen der Schraubverbindung zu erheblichen Folgekosten führen kann . Vor allem stellen ungeplante Wartungsarbeiten bei Of fshore- Windenergieanlagen ein hohes Kostenrisiko und einen hohen Aufwand dar .

[ 03 ] Bei der Montage kann mittels verschiedener Anziehverfahren, wie drehwinkelgesteuerte , streckgrenzengesteuerte , hydraulische , thermische , drehmomentgesteuerte und/oder impulsgesteuerte Anziehverfahren, die in einer Schraube erzeugte Vorspannkraft indirekt gemessen werden, um sicherzustellen, dass die geforderte Vorspannkraft einerseits aufgebracht und andererseits die Schraubverbindung nicht überlastet wird . Dadurch lässt sich j edoch nicht im Betrieb ein Unterschreiten der geforderten Vorspannkraft oder sogar ein Versagen der Schraubverbindung erkennen . Ein Verlust der Vorspannkraft im Betrieb kann beispielsweise durch ein Setzen in den Kontakt- und Auflageflächen durch Einebnung von Oberflächenunebenheiten und/oder Gewindeflanken auftreten . Neben der aufwändigen manuellen Schraubenkontrolle ist es bekannt , Kraftmessringe in der Schraubverbindung oder Dehnungsmessstrei fen an einer Schraube anzuordnen oder eine Ultraschall-Längenmessung der Schraube durchzuführen . Nachteilig hierbei ist , dass diese Messtechnik zusätzlich zu der eigentlichen Schraubengarnitur installiert werden muss und den Bauraum erhöht . Ein Kraftmessring weist üblicherweise eine zwei- bis drei fach größere Bauteilhöhe als eine Standardunterlegscheibe auf . Auch der Durchmesser des Kraftmessringes ist üblicherweise größer als der Durchmesser der entsprechenden Standardunterlegscheibe , da ein entsprechend großer Hohlraum zur Aufnahme eines Messsensors nach dem Stand der Technik bereitgestellt werden muss . Durch das Einbringen eines separaten Messkörpers , wie beispielsweise eines Kraftmessringes , erhöht sich somit zumindest die geklemmte Länge des Klemmpaketes . Dadurch kann üblicherweise nicht mehr die originale und freigetestete Schraubenkombination verwendet werden . Zudem erhöht sich durch das Einbringen des separaten Messkörpers in den Schraubverbund die Anzahl der Fugen und somit verändert sich das Setzverhalten des Schraubverbundes . Des Weiteren wird durch das Einbringen eines Messkörpers nach dem Stand der Technik die Stei figkeit des Klemmpaketes deutlich vermindert .

[ 04 ] Die DE 10 2011 005 371 Al of fenbart eine Vorrichtung zum Überwachen einer Integrität einer Schraubverbindung, wobei eine Umhüllung als Sicherungsscheibe ausgebildet ist und einen Drucksensor zur Aufnahme von Druck von Komponenten einer Schraubverbindung, wenn der Drucksensor zwischen den Komponenten der Schraubverbindung angeordnet und die Schraubverbindung angezogen ist , eine Recheneinheit zur Ermittlung einer Sicherheitsinformation aus einer Druckinformation des Drucksensors und eine Funkschnittstelle zum Übertragen der Sicherheitsinformation an ein externes Lesegerät aufweist .

[ 05 ] In der WO 2019/ 154827 Al ist eine Unterlegscheibeneinheit zum Verwenden an einer Schraube of fenbart , wobei die Unterlegscheibeneinheit eine Unterlegscheibe und ein Dehnungserfassungselement aufweist und das Dehnungserfassungselement innerhalb eines Durchgangs innerhalb eines Körpers der Unterlegscheibe angeordnet ist und sich mindestens ein Ende des Durchgangs zu einer Kante des Körpers der Unterlegscheibe öf fnet und das Dehnungserfassungselement zum Erfassen einer Dehnung in Richtung des Durchganges konfiguriert ist . Das Dehnungserfassungselement nimmt eine Länge und eine Breite von j eweils mindestens 1 mm bis 10 mm und eine Höhe von mindestens 0 , 01 mm bis höchstens 1 , 0 mm ein . Nachteilig hierbei ist , dass durch die Aufnahme des Dehnungserfassungselementes in dem Durchgang, durch den Durchgang die Stei figkeit des Körpers der Unterlegscheibe vermindert wird . Zudem ist ein Erfassen der Dehnung nur in Richtung des Durchganges möglich . Da der mindestens eine Durchgang zentral über eine Höhe des Körpers der Unterlegscheibe verläuft , ist mit dieser Unterlegscheibeneinheit eine außermittige Krafteinleitung nicht erfassbar .

[ 06 ] Aus der DE 41 42 141 Al ist eine Einrichtung zum Messen von Kräften bekannt , welche in Form einer Unterlegscheibe ausgebildet sein kann, und ein kraftminderndes Mittel aufweist , welches einem Messwertgeber zugeordnet ist und bewirkt , dass der Messwertgeber nur mit einem Teil der insgesamt auf die Messeinrichtung einwirkenden Kraft beaufschlagt wird . Das kraftvermindernde Mittel ausgebildet als Krafteinleitungselement umgibt einen massiven Grundkörper in Form eines zylindrischen Ringes , wobei die Unterseite des Krafteinleitungselementes auf dem Messwertgeber aufliegt und der Messwertgeber wiederum auf einer Trägerplatte angeordnet ist , welche wenigstens einen über einen Außenumfang des krafteinleitenden Mittels herausragenden Abschnitt aufweist , auf welchem Referenzwiderstände zu den Messwiderständen des Messwertgebers angeordnet sind . Somit weist diese Messeinrichtung nicht die Form und Abmaße einer Standardunterlegscheibe auf . Zudem weist das kraftvermindernde Mittel gezielt eine geringere Federstei figkeit als der Grundkörper auf .

[ 07 ] Die DE 10 2019 103 625 Al beansprucht eine Kraftmessvorrichtung zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, wobei die Kraftmesseinrichtung zwei scheibenförmige Kraftaufnahmekörper mit einer zentralen Durchgangsö f fnung zum Durchführen einer Gewindestange entlang einer Kraftmessvorrichtungslängsachse aufweist , wobei zwi schen den beiden scheibenförmigen Kraftaufnahmekörpern mehrere Sensorelemente angeordnet sind, welche j eweils radial zur Kraftmessvorrichtungslängsachse beabstandet sind und zwischen dem ersten und zweiten scheibenförmigen Kraftaufnahmekörper ein elastisch deformierbares Lastelement zur Übertragung der durch die Gewindestange aufgebrachte Vorspannung von dem ersten auf den zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet ist , wobei die Sensorelemente in einem äußeren lastfreien Bereich, der keine Vorspannungskraft zwischen den beiden scheibenförmigen Kraftaufnahmekörpern überträgt , angeordnet sind, um eine Schädigung der Sensorelemente zu verhindern .

[ 08 ] Die DE 10 2016 219 953 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, welche als flaches Unterlegelement mit einer Durchgangsöf fnung für das Verbindungselement ausgebildet ist und eine kapazitiven Drucksensor aufweist , wobei der kapazitive Drucksensor wenigstens drei drucksensitive Kondensatoren um die Durchgangsöf fnung herum und elektrische Anschlüsse aufweist , über die Kapaz itäten des Kondensators erfasst werden können . Der Drucksensor weist eine erste Platine und eine zweite Platine auf , zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist , wobei beim Anziehen einer Schraube eine Druckkraft entsprechend der Vorspannkraft der Schraube auf das Dielektrikum des Drucksensors ausgeübt wird, wodurch sich die Abstände zwischen den Metallisierungen auf den beiden Platinen ändern, welche mit dem zwischenliegenden Dielektrikum einen Messkondensator ausbilden . Ein Referenzkondensator ist in einem durch die zu messende Schraubverbindung nicht belasteten Bereich des Unterlegelementes angeordnet , wodurch eine der Platinen über eine Scheibenform hinausragt und verlängert .

[ 09 ] Aus DE 198 31 372 Al ist eine Vorrichtung zur Kontrolle kraf tschlüssiger Verbindungen mit mindestens einem unterlegscheibenförmigen Bauteil bekannt , in welchem eine innere Scheibe integriert ist . Die innere Scheibe i st außen mit einer hochfesten I solationsbeschichtung mit Ausnahme eines Ringes ausgebildet , während auf einer Unterseite der inneren Scheibe eine Messschicht umgeben von dem Bauteil angeordnet ist .

[ 10 ] Die DE 11 24 729 A of fenbart eine Vorrichtung zum Messen der Kräfte zwischen Bauteilen innerhalb einer Baugruppe mit einer Unterlegscheibe , welche aus zwei Teilscheiben und einer dazwischen angeordneten piezoelektrischen Kristallanordnung besteht . Am äußeren und inneren Umfang sind zwei Hülsen angeordnet , welche als Rohrfeder wirken, um die beiden Teilscheiben unter Druck gegen die dazwischen angeordnete Kristallanordnung mit einer Vorspannung zu drücken . In einer Alternativ sind Ausnehmungen gegenüberliegend an einer Mantel fläche der oberen Teilscheibe angeordnet , in welche hülsenartige , sich senkrecht zur Scheibenoberfläche erstreckende Ansät ze der unteren Teilscheibe umgebördelt sind, um wiederum eine Vorspannung zu erzielen .

[ 11 ] GB 2 394 289 A beschreibt eine kraftempfindliche Vorrichtung zum Messen von Schraubkräften, bei welcher zwischen zwei kraftübertragenden, scheibenförmigen Elementen eine Schicht eines kraf tsensitiven Materials angeordnet ist . Die kraf tsensitive Schicht ist auf ihrer Ober- und Unterseite j eweils mit einer Elektrode verbunden . Ein Raum zwischen den beiden kraftübertragenden Elementen um die kraf tsensitive Schicht ist mit einem zusätzlichen Material ausgefüllt .

[ 12 ] Aufgabe der Erfindung ist es , den Stand der Technik zu verbessern .

[ 13 ] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Unterlegscheibe zum Kraftmessen und Kraftverteilen bei einem Verbinden eines Verbindungsmittels mit einem zu verbindenden Teil , wobei die Unterlegscheibe ein Gehäuse mit einem Oberteil und einem Unterteil und innenliegend in dem Gehäuse einen Hohlraum aufweist , und in dem Hohlraum ein Kraftsensorelement angeordnet ist und das Kraftsensorelement mindestens eine Elektrode und ein Dielektrikum aufweist , wobei mindestens eine Aussparung angrenzend an den Hohlraum in dem Gehäuse derart angeordnet ist , dass bei einer Einleitung einer außermittigen Kraft bei dem Verbinden des Verbindungsmittels mit dem zu verbindenden Teil die Unterlegscheibe reproduzierbar verformbar und die eingeleitete Kraft mittels des Kraftsensorelementes reproduzierbar messbar ist .

[ 14 ] Somit wird eine kraftmessende Unterlegscheibe bereitgestellt , welche flach, stei f und überlastfähig ausgebildet und einfach herstellbar ist . Es ist besonders vorteilhaft , dass die geometrischen Abmessungen der erfindungsgemäßen kraftmessenden Unterlegscheibe im Wesentlichen gleich zu den Abmessungen einer Standardunterlegscheibe sind . Dadurch ist die kraftmessende Unterlegscheibe direkt anstelle einer herkömmlichen Standardunterlegscheibe einsetzbar und ermöglicht ein kontinuierliches Messen der Vorspannkraft einer Schraubverbindung sowohl bei der Montage als auch im langfristigen Betrieb . Folglich ist auch bei bestehenden Anlagen, beispielsweise einer Of f shore-Windenergieanlage , eine herkömmliche Unterlegscheibe in einfacher Weise und Montage durch eine erfindungsgemäße kraftmessende Unterlegscheibe austauschbar . Zudem ist eine kundenspezi fische Bauteilanpassung, beispielsweise mittels einer Scheuerplatte , realisierbar . Folglich ist die erfindungsgemäß kraftmessende Unterlegscheibe sowohl von ihren Abmessungen als auch von ihrer Verwendung wie eine normale , standardmäßige Unterlegscheibe einsetzbar .

[ 15 ] Die kraftmessende Unterlegscheibe verteilt die Kraft eines Schraubenkopfes gleichmäßig auf das zu verbindende Teil als Unterlage , gewährleistet einen Schutz des zu verbindenden Teiles vor mechanischen Beschädigungen durch die Schraube , vor allem bei dem Schraubvorgang, und stellt eine Stei figkeit bereit , welche ausreichend hoch ist gegenüber einer Stei figkeit der Schraube , um eine sichere Schraubverbindung zu gewährleisten . Hierbei wird das Drehmoment bei dem Verschrauben an die Unterlage ohne Schädigung der kraftmessenden Unterlegscheibe übertragen . Die kraftmessende Unterlegscheibe ist mit einer geringen Anzahl oder gar keinen Fugen ausgebildet , um ein Setzen oder Kriechen der Unterlegscheibe zu vermeiden, da dieses zu Verlust der Vorspannkraft und folglich zum Aus fall der Schraubverbindung führen könnte .

[ 16 ] Dadurch ist eine kraftmessende Unterlegscheibe realisierbar, welche in ihren geometrischen Abmessungen, vor allem ihrer Höhe und ihrem Außendurchmesser, den standardisierten Schraubengarnituren gleicht , wie beispielsweise gemäß DIN EN 14399 , DIN 125 TI , DIN 125 T2 , DIN 433 TI , DIN 433 T2 , DIN 126 , DIN 1440 , DIN 1441 und/oder DIN 7989 definiert . Dementsprechend ist die kraftmessende Unterlegscheibe in allen bekannten Verschraubungsgrößen, beispielsweise von M8 bis M36 , vorzugsweise > M36 ausbildbar .

[ 17 ] Als Referenz ist eine Standardunterlegscheibe M30 angegeben, welche einen Außendurchmesser von 55 mm, einen Innendurchmesser von 31 mm und eine Höhe von 5 mm aufweist . Bei der Ausbildung dieser Standardunterlegscheibe mit feuerverzinktem Stahl als Material ergibt sich eine rechnerische Stei figkeit von 75 kN/pm . Die erfindungsgemäße kraftmessende Unterlegscheibe weist dieselben Innen- und Außendurchmesser sowie dieselbe Höhe wie die Standard-M30- Unterlegscheibe ohne Mess funktion auf . Durch das in dem Hohlraum des Gehäuses aufgenommene Kraftsensorelement ist die Stei figkeit der erfindungsgemäßen kraftmessenden Unterlegscheibe lediglich etwas geringer, beispielsweise 50 kN/pm, als bei der Standard-M30-Unterlegscheibe . Dafür erreicht die erfindungsgemäße kraftmessende Unterlegscheibe eine hohe Uberlastf ähigkeit , welche mit dem Faktor l Ox im Bereich der Standardunterlegscheibe liegt . Im Vergleich zu konventionellen Kraftmess zellen, beispielsweise mit Dehnungsmessstrei fen, welche mit einer Höhe von 16 mm und einem Außendurchmesser von 72 mm deutlich über der Höhe von 5 mm und dem Außendurchmesser von 55 mm der erfindungsgemäßen kraftmessenden Unterlegscheibe und der standardmäßigen M30- Unterlegscheibe liegen, wird bei der erfindungsgemäße kraftmessende Unterlegscheibe auch deutlich die niedrige Stei figkeit von 9 , 9 kN/pm und der niedrige Überlast faktor von l , 5x der konventionellen Kraftmess zelle überschritten .

[ 18 ] Zudem bietet die erfindungsgemäße kraftmessende Unterlegscheibe die Vorteile der direkten Messung der Schraubenvorspannungskraft , der Möglichkeit der vorausschauenden Instandhaltung, der Ermittlung der Restlebensdauer und der Diagnosefähigkeit des Zustandes der Schraubverbindung auch während des Betriebes . Zusät zlich besteht die Option der sensorintegrierten Messdatenverwaltung und somit der Auswertung der Messdaten direkt im Kraftsensorelement mittels eines Mikroprozessors und Speichers .

[ 19 ] Durch die im Wesentlichen bauraumneutrale Integration des Kraftsensorelementes ist die Bauteilstei figkeit , wenn überhaupt nur geringfügig geringer als bei einer Standard- Unterlegscheibe , und eine hohe Überlast f ähigkeit mit dem Faktor l Ox des Nennlastbereiches ist erzielbar . [ 20 ] Dadurch, dass mindestens eine Aussparung angrenzend an den Hohlraum innerhalb des Gehäuses angeordnet ist , wobei in dem Hohlraum das Kraftsensorelement aufgenommen ist , wird sichergestellt , dass sich auch bei Einleitung einer außermittigen Kraft beim Verschrauben die Unterlegscheibe reproduzierbar verformt und die eingeleitete außermittige Kraft mittels des Kraftsensorelementes reproduzierbar gemessen wird .

[ 21 ] Ein wesentlicher Gedanke der Erf indung beruht darauf , dass eine Unterlegscheibe direkt als Kraftmesser derart ausgestaltet ist , dass diese durch bauraumneutrale Integration des Kraftmesssensors in ihren geometrischen Abmessungen identisch oder zumindest wesentlich gleich zu der entsprechenden Standard-Unterlegscheibe ist und durch gezielte räumliche Anordnung zumindest einer zusätzlichen Aussparung angrenzend an dem Hohlraum, in dem das Kraftsensorelement aufgenommen ist , auch eine außermittige Messung ermöglicht ist . Dadurch, dass die kraftmessende Unterlegscheibe eben gerade nicht einen separaten Messkörper aufweist , wird die Anzahl der Fugen und somit das Setzverhalten des Schraubenverbunds reduziert und eine hohe Stei figkeit und Überlast fähigkeit bereitgestellt . Durch die kontinuierliche Erfassung der Vorspannkraft beim Verschrauben ist unabhängig von dem Anziehverfahren eine geringe Streuung der Vorspannkraft erzielbar (Anziehfaktor 1 , 0 ) . Aufgrund der mindestens einen an dem Hohlraum angrenzenden Aussparung sind geringfügige Lastveränderungen trotz hoher Vorlasten gut detektierbar und eine hohe Empfindlichkeit , beispielsweise von E = l , 96E- 07 mm, erreichbar .

[ 22 ] Folgendes Begri f fliche sei erläutert :

[ 23 ] Eine „Unterlegscheibe" ist insbesondere eine ringförmige , über einen Schaft eines Verbindungsmittels schiebbare Scheibe . Beim Verbinden und im Betrieb ist die Unterlegscheibe insbesondere zwischen einem Schraubenkopf oder einer Mutter und einem zu verbindenden Teil angeordnet . Die Unterlegscheibe ist insbesondere eine kraftmessende Unterlegscheibe und dient neben der Übertragung der von einer Unterseite eines Schraubenkopfes oder einer Mutter ausgehenden Kraft auf eine üblicherweise größere Fläche eines zu verbindenden Teils auch zum Messen der Vorspannkraft , eingeleiteten Kraft und/oder Druckkraft . Die Unterlegscheibe kann auch direkt in einer Schraube integriert sein, beispielsweise wenn die Schraube einen größeren und runden Kopf aufweist . Die Unterlegscheibe weist insbesondere einen größeren Außendurchmesser als der Schraubenkopf oder die Mutter auf . Die Unterlegscheibe ist insbesondere eine genormte Unterlegscheibe und entspricht in ihren Abmessungen den oben genannten DIN-Vorschri ften . Die Unterlegscheibe weist für Metallverbindungen insbesondere einen Außendurchmesser in einem Bereich von 1 , 8- bi s 2- fach den Bohrungsdurchmesser auf . Für Hol zverbindungen weist die Unterlegscheibe insbesondere ein

Außendurchmesser/Bohrungsdurchmesser-Verhältnis von circa 3 : 1 auf . Die Unterlegscheibe weist insbesondere eine Höhe in einem Bereich von 0 , 3 mm bis 12 mm, j e nach Standardgröße , auf . Bevorzugt liegt die Höhe der Unterlegscheibe als Standard-M30-Unterlegscheibe in einem Bereich von 4 , 0 mm bis 6, 0 mm, bevorzugt von 4 , 5 mm bis 5 , 5 mm . Die Unterlegscheibe kann als Material insbesondere Metall , wie Messing, Stahl und/oder rostfreien Edelstahl aufweisen . Zudem kann die Unterlegscheibe feuerverzinkt sein . Ebenso kann die Unterlegscheibe andere Metalle , wie Aluminium und/oder Kupfer, aufweisen . Auch kann die Unterlegscheibe Kunststof f aufweisen, beispielsweise Polyamid, oder vollständig aus Kunststof f gefertigt sein .

[ 24 ] Ein „Gehäuse" ist insbesondere eine feste Hülle der Unterlegscheibe . Das Gehäuse weist insbesondere ein Oberteil und ein Unterteil auf . In dem Gehäuse ist insbesondere innenliegend ein Hohlraum zum Aufnehmen des Kraftsensorelementes angeordnet . Im Verbindungs fall steht die Oberseite des Oberteils insbesondere mit dem Verbindungsmittel in Kontakt und das Unterteil liegt mit seiner Unterseite an dem zu verbindenden Teil an . Prinzipiell ist heraus zustellen, dass das die Begri f fe Oberteil und Unterteil vorliegend nur zur Unterscheidung dienen und die Unterlegscheibe prinzipiell auch um 180 ° gedreht verwendet werden kann, sodass das Unterteil an dem Verbindungsmittel und das Oberteil an dem verbindenden Teil im Verbindungs fall anliegt . Das Oberteil kann insbesondere als Gehäusedeckel und das Untertei l als Gehäuseboden ausgebildet sein . Das Oberteil und/oder das Unterteil können auch teilwei se oder vollständig eine Innenwand der Unterlegscheibe am Innendurchmesser und/oder eine Außenwand der Unterlegscheibe am Außendurchmesser ausbilden . Das Oberteil oder das Unterteil ist insbesondere als Krafteinleitungsstempel ausgebildet . Um eine drehende Relativbewegung zu verhindern und damit das Kraftsensorelement während des Montagevorganges durch das übertragene Drehmoment keinen Schaden nimmt , ist das Oberteil fest mit dem Unterteil verbunden . Das Verbinden des Oberteils und des Unterteils kann beispielsweise mittels Presspassung, Laserschweißen und/oder einem ähnlichen Verbindungsverfahren reali siert sein . Das Oberteil und das Unterteil weisen insbesondere Metall , bevorzugt Edelstahl , auf und sind somit elektrisch leitend .

[ 25 ] Bei einem „Kraftsensorelement" ( auch „Kraftmesssensor" genannt ) handelt es sich insbesondere um j egliche Art von Sensor und/oder Messaufnehmer, mittels welchem eine Krafteinleitung messbar ist . Bei einem Kraftsensorelement handelt es sich insbesondere um einen Drucksensor . Bevorzugt ist das Kraftsensorelement ein kapazitiver Drucksensor, welche auf Basis einer Veränderung der elektrischen Kapazität mindestens eines einzelnen Kondensators arbeitet . Bei der Ausbildung als kapazitiver Drucksensor wird die Kapazitätsänderung insbesondere infolge eines Durchbiegens einer Membran und/oder eines Dielektrikums und der resultierenden Änderung eines Plattenabstandes eines elektrischen Kondensators , beispielsweise ausgebildet als zwei Elektroden, als Sensoref fekt ausgewertet . Insbesondere dient das Oberteil oder das Unterteil als eine der beiden Elektroden des kapazitiven Drucksensors . Das Kraftsensorelement weist insbesondere eine Höhe in einem Bereich von 0 , 30 mm bis 1 , 50 mm, bevorzugt in einem Bereich von 0 , 54 mm bis 1 , 25 mm, auf . Das Kraftsensorelement weist insbesondere einen Flächenbedarf von 2,81 mm² bis 515,22 mm² oder ein Sensorvolumen von 1,51 mm³ bis 644,02 mm³ auf. Als Halbzeug des Kraftsensorelementes kann insbesondere eine Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) oder eine Mehrschicht folie eingesetzt sein.

[26] Unter einem „Dielektrikum" wird insbesondere eine elektrisch schwach oder nichtleitende Substanz verstanden, in welcher vorhandene Ladungsträger nicht frei beweglich sind. Das Dielektrikum ist insbesondere als Feststoff ausgebildet. Bei dem Dielektrikum handelt es sich insbesondere um einen Isolierstoff. Das Dielektrikum weist insbesondere einen Kunststoff, beispielsweise ein Elastomer, auf. Das Dielektrikum weist als Material beispielsweise Silikon, Naturkautschuk, Polyethylen oder LCP (Liquid Crystal Polymer) auf. Das Dielektrikum weist insbesondere eine Höhe in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,40 mm, insbesondere von 0,04 mm bis 0,25 mm, bevorzugt von 0,1 mm bis 0,20 mm, auf. Eine Schicht des Dielektrikums ist insbesondere zwischen der Elektrode und dem Gehäuse angeordnet und dient sowohl zur Isolation als auch als Anschlagspuffer und Steifigkeitselement. Bei der Ausbildung der kraftmessenden Unterlegscheibe als Standard-M30- Unterlegscheibe weist das Dielektrikum eine Fläche von 200 mm² auf.

[27] Eine „Elektrode" ist insbesondere ein Elektronenleiter. Die Elektrode weist insbesondere einen elektrischen Leiter, beispielsweise Metall oder Graphit, auf. Die Elektrode steht insbesondere im Zusammenspiel mit einer Gegenelektrode, wobei die Gegenelektrode als Oberteil oder Unterteil ausgebildet sein kann . Die Elektrode und/oder die Gegenelektrode kann oder können auch als Metallisierung ausgebildet sein . Die Elektrode ist insbesondere von dem Gehäuse der Unterlegscheibe elektrisch isoliert . Bevorzugt ist die Elektrode als Metallisierung auf einer Leiterplatte ( PCB ) ausgebildet . Alternativ kann die Elektrode zusammen mit dem Dielektrikum auch als Mehrschicht folie ausgeführt sein .

[ 28 ] Optional kann die Unterlegscheibe auch mindestens ein elektronisches Bausteil zur sensorintegrierten Digitalisierung und/oder Datenverarbeitung, einen Sender und/oder eine Steckverbindung für eine externe Kommunikation aufweisen .

[ 29 ] Ein „Hohlraum" ist insbesondere ein ausgesparter , mit dem Sensorkraftelement gefüllter Raum im Inneren des Gehäuses der Unterlegscheibe . Das Kraftsensorelement ist insbesondere passgenau in dem Hohlraum des Gehäuses der Unterlegscheibe angeordnet .

[ 30 ] Eine „Aussparung" ist insbesondere ein Einschnitt in eine Innenoberfläche des Gehäuses . Bevorzugt ist die Aussparung innenliegend in eine Oberfläche des Oberteils und/oder des Unterteils eingebracht . Die mindestens eine Aussparung kann auch partiell oder vollständig in einer Innenseitenwand um den Hohlraum angeordnet sein . Ebenso kann die mindestens eine Aussparung an einem Übergang zwischen Innenwand an dem Hohlraum und Oberteil oder Unterteil angeordnet sein . Die Unterlegscheibe kann insbesondere zwei oder mehrere Aussparungen angrenzend an den Hohlraum aufweisen . Unter dem Merkmal , dass „die mindestens eine Aussparung angrenzend an den Hohlraum in dem Gehäuse angeordnet ist" , wird verstanden, dass die Aussparung direkt benachbart an dem Hohlraum ausgebildet ist . Somit steht die Aussparung in einem direkten Kontakt zum Hohlraum und die j eweilige Aussparung und der Hohlraum bilden eine Kavität aus . Die Aussparung kann j egliche Form aufweisen, beispielsweise ist die Aussparung V- förmig, halbkreis förmig, kreis förmig oder oval in die Oberfläche des Gehäuses eingeschnitten . Die Aussparung kann j edoch auch rechteckig, quadratisch, mehreckig oder gebogen ausgeführt sein . Ebenso ist die Aussparung neben ihrer Form auch in ihrer Größe und Abmessung flexibel ausgestaltbar . Die Aussparung ist insbesondere derart ausgestaltet , dass beim Einleiten einer außermittigen Kraft die Unterlegscheibe und/oder das Dielektrikum sich reproduzierbar verformt und die eingeleitete außermittige Kraft reproduzierbar mittels des Kraftsensorelementes messbar ist . Die Aussparung und/oder die Aussparungen ist oder sind insbesondere mit Luft gefüllt .

[ 31 ] Im Falle einer einzigen Aussparung, welche außen an einem Radius R2 der Unterlegscheibe angeordnet ist und deren Abstand da als Mittelpunkt der Unterlegscheibe zum Mittelpunkt des Radius R2 und deren Lage wie für die unten beschriebene Aus führungs form mit zwei zueinander beabstandeten Aussparungen ausgebildet sein kann, ist ebenfalls eine eingeleitete außermittige Kraft reproduzierbar mittels des Kraftsensorelementes mes sbar . Hierzu ist die einzige Aussparung mit einer reduzierten Höhe Hda = H - R2 ausgebildet , welche die verbliebene Materialdicke der Unterlegscheibe zwischen der Aussparung R2 und einer ringförmigen Außenfläche der Unterlegscheibe ist, wobei die Höhe H die konstante Materialdicke zwischen dem Hohlraum frei von der Aussparung und der ringförmigen Außenfläche der Unterlegscheibe ist. Die reduzierte Höhe Hda ist derart eingestellt, dass eine Steifigkeit an dem Radius an der Position R2 gleich groß ist wie eine Steifigkeit an einem Radius an einer innenliegenden Position RI frei von einer Aussparung an dem Hohlraum (RI gleich Null im Vergleich zu der unten beschriebenen Aus führungs form mit zwei zueinander beabstandeten Aussparungen) . Im Falle der Unterlegscheibe als Standard-M30-Unterlegscheibe beträgt beispielsweise H = 2,10 mm und R2 = 0,55 mm, sodass die reduzierte Höhe Hda = 1,55 mm bei einer identischen Steifigkeit von 243 kN/pm ist. Diese Steifigkeit ist insbesondere durch ein sehr geringes Volumen des Kraftmesssensors von 1,52 mm³ und einer Höhe des Kraftsensorelementes von nur 0, 6 mm bedingt. Im Falle der Unterlegscheibe als Standard-Ml O-Unterlegscheibe beträgt beispielsweise H = 0, 60 mm und R2 = 0,19 mm, sodass die reduzierte Höhe Hda = 0,41 mm bei einer gleichen Steifigkeit von ca. 23 kN/pm ist.

[32] Somit ist bei einer alleinigen außenliegenden Aussparung ein Volumen durch diese Aussparung an der Position R2 in einem Bereich von 5,00 % bis 20,0% gezielt reduziert, um einen Einfluss einer außermittigen Krafteinleitung bei der Kraftmessung zumindest zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Im Falle der Unterlegscheibe als Standard-M30- Unterlegscheibe beträgt die prozentuale Volumenreduktion am Vollmaterial der Unterlegscheibe durch die einzige Aussparung an der Position R2 beispielsweise 6 , 9 % , bei einer Standard-Ml O-Unterlegscheibe 10 , 0 % und bei einer Standard- M36-Unterlegscheibe 6 , 3 % .

[ 33 ] In einer weiteren Aus führungs form der Unterlegscheibe sind zwei radial zueinander beabstandete Aussparungen angrenzend an den Hohlraum angeordnet .

[ 34 ] Dadurch kann das Kraftsensorelement auch reproduzierbare Messwerte bereitstellen, wenn aufgrund von schwankenden Durchmessertoleranzen der Schrauben und/oder der Unterlegscheibe eine genaue Zentrierung der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht gewährleistet werden kann . Durch die zwei zueinander radial beabstandeten Aussparungen ist die kraftmessende Unterlegscheibe und/oder das Kraftsensorelement unempfindlich gegenüber einer außermittigen Montage .

[ 35 ] Die zwei radial zueinander beabstandeten Aussparungen angrenzend an dem Hohlraum sind in dem Gehäuse , dem Oberteil und/oder dem Unterteil derart ausgeführt , dass bei Einleiten einer Kraft auf das Oberteil oder das Unterteil sich das Oberteil oder das Unterteil unabhängig von der Schraubenposition und abhängig von der eingeleiteten Kraft reproduzierbar verformt . Hierzu ist bevorzugt das Oberteil als das Teil , auf welchem die Kraft eingeleitet wird, als Stempel ausgebildet .

[ 36 ] Um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen, weisen die zwei radial zueinander beabstandeten Aussparungen unterschiedliche Hohlvolumina derart auf , dass eine jeweilige Steifigkeit des Gehäuses an den beiden radial beabstandeten Aussparungen im Wesentlichen gleich ist.

[37] Um eine planparallele Verschiebung des Krafteinleitungsstempels (Oberteil oder Unterteil) zu realisieren, sind der Radius RI der ersten weiter innen liegenden Aussparung und der Radius R2 der zweiten weiter außen liegenden Aussparung so ausgeführt, dass die Steifigkeit an der Position RI identisch zur Steifigkeit an der Position R2 ist. Idealerweise beträgt das Verhältnis der Abstände der Radien der beiden Aussparungen: da > R1(H - RI) ~di ~ R2(H - R2) mit da = Abstand des Mittelpunkts der Unterlegscheibe zum Mittelpunkt des Radius R2, di = Abstand des Mittelpunkts der Unterlegscheibe zum Mittelpunkt des Radius RI und H = Höhe der Unterlegscheibe.

[38] Entsprechend der einzustellenden lokalen Steifigkeiten weisen die beiden radial zueinander beabstandeten Aussparungen unterschiedliche Hohlvolumina auf.

[39] Bei der Unterlegscheibe als Standard-M30- Unterlegscheibe weist die innenliegende Aussparung insbesondere einen Radius RI in einem Bereich von 0,0 mm bis 2,0 mm, einem maximalen Durchmesser in einem Bereich von 35, 0 mm bis 39, 0 mm und einer maximalen Höhe in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,7 mm auf. Die außenliegende Aussparung weist insbesondere einen Radius R2 in einem Bereich von 1,0 mm bis 2,5 mm, einen maximalen Durchmesser in einem Bereich von 40,0 mm bis 46,0 mm und eine maximale Höhe in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,7 mm auf. Die räumliche Lage der innenliegenden Aussparung an der Position RI ist insbesondere in einem Bereich von dem Abstand di von 1,1 * ri < di < 1,2 * ri mit ri gleich Innenradius der Unterlegscheibe, wobei der Innenradius ri direkt an dem mittigen Bohrungsdurchmesser der Unterlegscheibe anliegt. Die räumliche Lage der außenliegenden Aussparung an der Position R2 liegt insbesondere in einem Bereich von dem Abstand da von 0,8 * ra < da < 0,9 * ra mit ra gleich Außenradius der Unterlegscheibe. Bei einer Standard-M30- Unterlegscheibe beträgt beispielsweise di = 36,95 mm und da = 50,06 mm.

[40] Das Radien-Verhältnis R1/R2 der beiden Aussparungen ist bevorzugt kleiner als 1, um bei einer außermittigen Krafteinleitung eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Kraftsensorelementes zu erreichen.

[41] Bevorzugt weist die innenliegende Aussparung ein geringeres Hohlvolumen als die weiter außen liegende Aussparung auf. Insbesondere liegt die Messfläche des Kraftsensorelementes im Wesentlichen zwischen den beiden Aussparungen. Sind RI und R2 gleich und somit auch die Wandstärken, so würde sich aufgrund des größeren Außendurchmessers der weiter außen liegenden Aussparung ein größeres Widerstandsmoment und daraus resultierend eine höhere Steifigkeit ergeben. Durch die geeignete Wahl des Radien-Verhältnis und/oder des Hohlvolumens der jeweiligen Aussparung wird das größere Widerstandsmoment kompensiert, sodass die vorliegenden Stei figkeiten an beiden Aussparungen gleich sind .

[ 42 ] Grundsätzlich ergibt sich die Gesamtstei figkeit aus der Summe der Einzelstei figkeit des Gehäuses und der Einzelstei figkeit des Kraftsensorelementes . Zur Steigerung der Gehäusestei figkeit ist das Kraftsensorelement derart ausgeführt , dass der Hohlraum in seiner Höhe und seinem Durchmesser minimiert ist , in welchem das Kraftsensorelement auf genommen ist . Die Minimierung des Hohlraums ist insbesondere über die Höhe des Dielektrikums , die Permittivität des Dielektrikums und/oder die Wahl des Sensorelement-Halbzeuges einstellbar . Durch die Breite der mindestens einen Aussparung und deren Position in der Unterlegscheibe oder die Breite und die Radien RI und R2 der beiden radial zueinander beabstandeten Aussparungen ist die Gehäusestei figkeit eingestellt . Je geringer die Höhe des Dielektrikums ist , desto kleiner sind die Breite der j eweiligen Aussparung sowie die Radien RI und R2 realisierbar .

[ 43 ] Prinzipiell ist die Unterlegscheibe bevorzugt derart ausgebildet , dass diese so nahe wie möglich die bekannten mechanischen Eigenschaften einer üblichen Standard- Unterlegscheibe aufweist . Diesbezüglich ist insbesondere ein geringes Volumen des Hohlraums für das Kraftsensorelement und ein geringes Volumen der Aussparung oder der Aussparungen vorteilhaft und demgemäß eine einzige Aussparung gegenüber zwei beabstandeten Aussparungen bevorzugt . [ 44 ] In einer weiteren Aus führungs form der Unterlegscheibe ist der Hohlraum in dem Oberteil und/oder zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet .

[ 45 ] Bei Anordnung des Hohlraums , in dem das Kraftsensorelement aufgenommen ist , in dem Oberteil ist die j eweilige Aussparung bevorzugt in der Unterseite des Oberteils direkt benachbart zum Hohlraum angeordnet . Da die Unterlegscheibe symmetrisch ausgebildet ist , kann der Hohlraum anstelle der Ausbildung in dem Oberteil auch im Unterteil ausgebildet sein, sodass die j eweilige Aussparung entsprechend in die innere Oberfläche des Unterteil s eingebracht ist . Ebenso kann der Hohlraum zwi schen dem Oberteil und dem Unterteil oder partiell im Oberteil und partiell im Unterteil ausgebildet sein .

[ 46 ] Um die Überlast fähigkeit des Kraftsensorelementes zu verbessern, ist das Kraftsensorelement zumindest seitlich im Wesentlichen quer zu einer axialen Kraftrichtung kraf tschlüssig und/oder formschlüssig in dem Hohlraum angeordnet .

[ 47 ] Durch den kraf tschlüssigen und/oder formschlüssigen Einbau des Kraftsensorelementes in dem Hohlraum zumindest seitlich und somit in radialer Richtung werden auftretende Zugbelastungen im Wesentlichen quer zu der axialen Kraftrichtung beschränkt , welche auftreten, wenn das Kraftsensorelement auf Druck bei der Krafteinleitung beansprucht wird . Durch das zumindest seitliche bündige Einpassen des Kraftsensorelementes in dem Hohlraum des Gehäuses wird eine Dehnung in Querrichtung zur axialen Kraftrichtung und somit eine Zugbelastung der Komponenten des Kraftsensorelementes minimiert . Im Falle der Ausbildung des Kraftsensorelementes mit einer Mehrschicht folie reicht bereits ein Reibwert zwischen dem Kraftsensorelement und dem Gehäuse aus . Optional oder ergänzend kann das Kraftsensorelement auch an seiner Ober- und/oder Unterseite in axialer Kraftrichtung kraf tschlüssig und/oder formschlüssig in dem Hohlraum eingebaut sein .

[ 48 ] Somit kann die axiale Kraft sowie Biege- und Kippmomente , welche bei der Krafteinleitung auf die Außenoberfläche des Oberteils des Gehäuses als Flächenlast eingeleitet werden, von dort mittels des Kraftsensorelementes übertragen und in das Unterteil des Gehäuses weitergeleitet werden . Dadurch wird die Überlast fähigkeit des Gehäuses durch das Kraftsensorelement abgefangen und das Kraftsensorelement wirkt wie ein Anschlag .

[ 49 ] Die „axiale Kraftrichtung" ist insbesondere die Richtung quer zum Durchmesser der Unterlegscheibe . Die axiale Kraftrichtung ist insbesondere auch eine Richtung entlang oder parallel zur Längsmittelachse des Verbindungsmittels , beispielsweise einer Schraube , welche durch die mittige Öf fnung der Unterlegscheibe durchgeführt ist . Die „axiale Kraftrichtung" ist insbesondere auch die Richtung der Krafteinleitung im Verbindungs fall .

[ 50 ] „Seitlich im Wesentlichen quer zu einer axialen Kraftrichtung" bedeutet , dass das Kraftsensorelement mit seinen innen und außen liegenden Seitenwänden nicht exakt senkrecht zur axialen Kraftrichtung ausgerichtet und in dem Hohlraum angeordnet sein muss .

[ 51 ] Unter „formschlüssig" wird insbesondere verstanden, dass die beiden Verbindungspartner ineinandergrei fen . Somit wird durch das Ineinandergrei fen des Kraftsensorelementes und der Innenwand oder Formgebung des Hohlraumes zumindest eine seitliche Bewegung des Kraftsensorelementes verhindert . Bei einer formschlüssigen Verbindung werden beispielsweise die Wirkflächen des Kraftsensorelementes und die eine Innenwand des Hohlraumes einer Flächenpressung unterworfen . Bei einer formschlüssigen Verbindung blockiert insbesondere die Ausgestaltung mindestens einer Innenwand des Hohlraums die Bewegung des Kraftsensors oder umgekehrt .

[ 52 ] Unter „kraf tschlüssig" wird verstanden, dass eine Normalkraft auf die miteinander verbindenden Flächen vorliegt . Die gegenseitige Verschiebung einer Außenfläche des Kraftsensorelementes und einer Innenfläche des Hohlraums werden insbesondere verhindert , solange eine durch die Haftreibung wirkende Gegenkraft nicht überschritten wird . Hierbei bewirkt insbesondere die Haftreibung zwischen den Wirkflächen, dass ein seitliches Verschieben des Kraftsensorelementes in den Hohlraum erfolgt .

[ 53 ] Somit wird durch die formschlüssige und/oder kraf tschlüssige Verbindung zwischen einer Außenoberfläche des Kraftsensorelementes und der Innenoberfläche um den Hohlraumes eine Zugdehnung des Kraftsensorelementes quer zur axialen Krafteinleitungsrichtung verhindert oder zumindest gemindert . [54] In einer weiteren Aus führungs form weist die Unterlegscheibe, insbesondere ausgebildet als Standard-M30- Unterlegscheibe, eine Steifigkeit in einem Bereich von 30,0 kN/gm bis 70,0 kN/gm, insbesondere von 40,0 kN/gm bis 60,0 kN/gm, bevorzugt von 45,0 kN/gm bis 55,0 kN/gm, auf.

[55] Somit wird eine kraftmessende Unterlegscheibe bereitgestellt, welche die ab einer konventionellen Unterlegscheibe und nur eine geringfügig geringere oder höhere Steifigkeit aufweist, beispielsweise im Vergleich zu einer M30-Standardunterlegscheibe mit 75 kN/gm. Diese Wertebereiche der Steifigkeit gelten insbesondere für ein großes Volumen von 644,0 mm³ und eine große Höhe von 1,25 mm des Kraftmesssensors.

[56] Um das Oberteil als Stempel auszubilden und/oder gezielt eine Zugbelastung des Kraftsensorelementes in seitlicher, radialer Richtung zu begrenzen, bildet das Oberteil teilweise oder vollständig eine Außenseitenfläche und/oder eine Innenseitenfläche der Unterlegscheibe aus.

[57] In einer weiteren Aus führungs form der Unterlegscheibe weist das Kraftsensorelement eine Höhe in einem Bereich von 5,0 % bis 40,0 %, insbesondere von 10,0 % bis 30,0 %, bevorzugt von 15,0 % bis 25,0 %, einer Höhe der Unterlegscheibe auf und/oder die Unterlegscheibe weist eine Höhe in einem Bereich von 90,0 % bis 110 %, insbesondere von 95,0 % bis 105,0 % , bevorzugt von 98,0 % bis 102,0 % , einer Standardunterlegscheibe mit einem gleichen Außendurchmesser auf . [58] Somit entspricht die geklemmte Länge des

Verbindungsklemmpaketes der einer originalen und freigetesteten Schraubengarnitur .

[59] Zum Erreichen der geforderten Steifigkeit und Überlast fähigkeit weist das Dielektrikum eine relative Permittivität in einem Bereich von 0,5 bis 100,0, insbesondere von 1,0 bis 80,0, bevorzugt von 2,5 bis 10,0, auf .

[60] Die Geometrie, das Material und somit die Eigenschaften des Dielektrikums werden für die Steifigkeit des Gehäuses derart abgestimmt, dass die Steifigkeit des Dielektrikums bis zu einem bestimmten Wert in einem Bereich von 30% bis 80 % des Nennlastbereiches der Unterlegscheibe kleiner als die Steifigkeit des Gehäuses ist. In diesem Bereich trägt somit das Gehäuse der Unterlegscheibe weitgehend zur Systemsteifigkeit bei. Ab dem bestimmten Wert in einem Bereich von 30 % bis 80 % des Nennlastbereiches bis zum Uberlastbereich leitet das Dielektrikum einen wachsenden Anteil der Kraft zum Gehäuseunterteil und verhindert dadurch die permanente Verformung der Unterlegscheibe und folglich eine Zerstörung des Kraftsensorelementes.

[61] In einer weiteren Aus führungs form der Unterlegscheibe weist das Dielektrikum ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 0,2 MPa bis 12.000 MPa, insbesondere von 30,0 MPa bis 5.000 MPa, bevorzugt von 60,0 MPa bis 1.500 MPa, auf.

[62] Damit ist über das E-Modul des Dielektrikums die Steifigkeit des Kraftsensorelementes und dadurch die Gesamtsteifigkeit der Unterlegscheibe einstellbar. Je höher das E-Modul des Dielektrikums ist, desto geringer ist die Dehnung des Kraftsensorelementes bei einer eingeleiteten Kraft in axialer Kraftrichtung und folglich umso höher ist die Steifigkeit des Kraftsensorelementes. Bei Ausführung des Dielektrikums aus LCD (Liquid Crystal Polymer) mit einem E- Modul von 11.700 beträgt die Dehnung in Kraftrichtung 0,19 mm bei Ausbildung als M30-Standardunterlegscheibe . Bei Ausführung des Dielektrikums in Naturkautschuk mit einem E- Modul von 64,5 beträgt die Dehnung in Kraftrichtung bereits 34,88 mm.

[63] Die „relative Permittivität" des Dielektrikums (auch Dielektrizitätszahl genannt) ist insbesondere das dimensionslose Verhältnis der Permittivität des Dielektrikums zur Permittivität eines Vakuums. Die Permittivität gibt allgemein insbesondere die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder an. Durch die Permittivität wird insbesondere die elektrisch isolierende Materialeigenschaft des Dielektrikums angegeben .

[64] Das „Elastizitätsmodul" (auch E-Modul genannt) beschreibt insbesondere bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung des Dielektrikums. Das Elastizitätsmodul steigt insbesondere mit dem Widerstand an, den ein Material und/oder das Dielektrikum seiner elektrischen Verformung entgegensetzt. Je höher das Elastizitätsmodul ist, desto steifer ist das Dielektrikum. [ 65 ] Optional kann die Unterlegscheibe ein zusätzliches elektronisches Bauteil aufweisen, um beispielsweise mittels RFID oder anderer kabelloser Kommunikation die Messdaten des Kraftsensorelementes extern an eine Datenverarbeitung zu übertragen . Eine Digitalisierung und Auswerteeinheit kann j edoch auch direkt in dem Kraftsensorelement oder in der Unterlegscheibe integriert sein . Ebenso kann die Unterlegscheibe an ihrem Außenumfang eine Steckverbindung zum Auslesen von Daten und zur Kommunikation aufwei sen . In diesem Fall kann das elektronische Bauteil und/oder die Steckverbindung in einem kleinen Bereich des Umfangs über den Außendurchmesser der Unterlegscheibe radial nach außen überstehen .

[ 66 ] Durch kommunikative Verbindung der kraftmessenden Unterlegscheibe mit einem externen Datenverarbeitungs- und Auswertesystem und/oder einem cloudbasierten Zustandsmonitoringsystem können die bereitgestellten Messdaten für zeitliche Trendanalysen, gezielte Überwachungen von Strukturbelastungen und/oder mechanischer Betriebslast , Berechnung der Restlebensdauer der Anlage , in welcher die kraftmessende Unterlegscheibe eingesetzt ist , und/oder für eine vorausschauende Wartungsplanung genutzt werden . Dadurch werden die Service- und Wartungskosten reduziert und ungeplante Wartungsarbeiten vermieden . Zudem wird eine Schadens früherkennung und Schadens fortschrittermittlung zur Ermittlung des optimalen Wartungsintervalls ermöglicht . Folglich werden ungeplante Still zeiten, beispielsweise bei Of fshore- Windenergieanlagen, minimiert . [ 67 ] Im Weiteren wird die Erf indung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Es zeigen

Figur 1 eine stark schematische dreidimensionale

Darstellung mit einem Querschnitt durch eine kraftmessende Unterlegscheibe ,

Figur 2 eine stark schematische Schnittdarstellung einer Alternative der kraftmessenden Unterlegscheibe gezeigt ohne einen Kraftsensor im Hohlraum,

Figur 3 eine stark schematische Schnittdarstellung der kraftmessenden Unterlegscheibe aus Figur 2 montiert zwischen einem Schraubenkopf einer Schraube und einer Unterlage ,

Figur 4 eine stark schematische Schnittdarstellung einer weiteren Alternative der kraftmessenden Unterlegscheibe aus Figur 3 mit einem elektrischen Bauteil und einer Steckverbindung,

Figur 5 eine schematische , dreidimensionale

Darstellung der Alternative der Unterlegscheibe aus Figur 3 im Querschnitt und Draufsicht , und

Figur 6 eine stark schematische dreidimensionale

Darstellung der Alternative der Unterlegscheibe aus Figur 3 in seitlicher Draufsicht von oben .

[ 68 ] Eine kraftmessende Unterlegscheibe 101 weist ein Oberteil 103 mit einer Oberseite 105 und ein Unterteil 107 mit einer Unterseite 109 j eweils aus Edelstahl auf . Das Oberteil 103 bildet eine seitliche Außenseitenwand 129 vollständig aus . Eine Innenseitenwand 131 ist partiell durch das Oberteil 103 und das Unterteil 107 ausgebildet . Das Oberteil 103 und das Unterteil 107 sind miteinander verschweißt und bilden das Gehäuse der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 aus . Innenliegend in der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 ist in dem Oberteil 103 ein Hohlraum 111 eingebracht . Direkt angrenzend an den Hohlraum 111 ist eine innere Aussparung 125 in eine innenliegende Seitenwand des Unterteils 107 um den Hohlraum 111 und eine äußere Aussparung 127 in eine Innenoberfläche des Oberteils 103 eingebracht . Die innere Aussparung 125 und die äußere Aussparung 127 sind mit Luft gefüllt . Ein Kraftsensor 113 ist bündig in dem Hohlraum 111 angeordnet und seitlich kraf tschlüssig zwischen den innenliegenden Seitenwänden des Oberteils 103 und des Unterteils 107 eingeklemmt .

[ 69 ] Der Kraftsensor 113 weist eine Elektrode 115 auf , welche auf einem Dielektrikum 117 angeordnet ist , sowie eine Leiterplatte 119 . Die Elektrode 115 und das Dielektrikum 117 sind als Mehrschicht folie ausgeführt . Das Dielektrikum 117 dient als I solator gegenüber der Elektrode 115 und als Anschlagspuf fer und Stei figkeitselement . Des Weiteren weist die kraftmessende Unterlegscheibe 101 ein elektroni sches Bauteil 121 zur sensorintegrierten Digitalisierung und Datenverarbeitung auf , wobei das elektronische Bauteil innerhalb des Unterteils 107 angeordnet ist ( siehe Figur 1 ) .

[ 70 ] Die kraftmessende Unterlegscheibe 101 weist einen Außendurchmesser von 55 mm und einen Innendurchmesser von 31 mm sowie eine Höhe von 5 mm auf und entspricht in ihren Abmessungen somit einer M30-Standard-Unterlegscheibe .

[ 71 ] Die kraftmessende Unterlegscheibe 101 wird mit ihrem inneren freien Durchmesser über den Schaft einer in Figur 1 nicht gezeigten Schraube geschoben und die Schraube in eine ebenfalls nicht gezeigte Unterlage eingeschraubt (vergleiche Figur 3 ) . Aufgrund von Fertigkeitstoleranzen erfolgt eine Krafteinleitung auf die Oberseite 105 des Oberteils 103 leicht außermittig beim Verschrauben, wobei eine Kraft von 450 kN eingeleitet wird . Aufgrund der radial beabstandeten inneren Aussparung 125 und der äußeren Aussparung 127 , welche annähernd gleiche Stei figkeiten aufweisen, misst der Kraftsensor 113 trotz der leicht außermittigen Krafteinleitung reproduzierbar die eingeleitete Kraft, wobei es aufgrund der Druckkraft zu einer Verformung des Dielektrikums 117 und dadurch bedingt zu einer Änderung des Abstandes zwischen der Elektrode 115 und einer zweiten auf der Leiterplatte 119 aufgebrachten Metallisierung kommt . Somit ist eine kraftmessende Unterlegscheibe 101 bereitgestellt , welche eine hohe Gesamtstei figkeit , eine hohe Überlast fähigkeit und reproduzierbare Druckmes sung mittels des Kraftsensors 113 ermöglicht .

[ 72 ] In einer in Figur 2 gezeigten Alternative weist eine kraftmessende Unterlegscheibe einen ähnlichen Aufbau wie oben beschrieben auf . Jedoch sind die innere Aussparung 125 und die äußere Aussparung 127 angrenzend zum Hohlraum 111 beide in die Unterseite des Oberteils 103 eingebracht ( die Figur 2 zeigt den Hohlraum 111 ohne den Kraftsensor 113 ) . Die innere Aussparung 125 und die äußere Aussparung 127 sind halbkreis förmig im Querschnitt ausgeführt . Die äußere Aussparung 127 weist ein größeres Hohlvolumen auf als die innere Aussparung 125 , um an der j eweiligen Mitte der j eweiligen Aussparung 125 , 127 annähernd die gleiche Stei figkeit bereitzustellen . Auch der Hohlraum 111 ist hier vollständig im Oberteil 103 ausgebildet . Das Oberteil 103 ist wiederum als Krafteinleitungsstempel ausgebildet und nimmt vollständig die Außenseitenwand 129 und partiell die Innenseitenwand 131 der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 ein . Des Weiteren weist die kraftmessende Unterlegscheibe 101 wie oben beschrieben einen Kraftsensor 113 mit einer Leiterplatte 119 auf ( siehe Figur 3 ) . In einem kurzen Bereich an der Außenseitenwand 129 durchbricht die Leiterplatte 119 die Außenseitenwand 129 und weist eine in Figur 3 nicht im Detail gezeigte Steckverbindung zur externen Kommunikation auf .

[ 73 ] Die Figur 3 zeigt die kraftmessende Unterlegscheibe 101 aus Figur 2 in einem montiertem Zustand, bei dem eine Schraube 141 mit ihrem Schraubenkopf auf die Oberseite 105 des Oberteils 103 der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 drückt und die Unterseite 109 des Unterteils 107 der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 auf einer Unterlage 143 anliegt . Im montierten Zustand wird mittels des Kraftsensors 113 eine kontinuierliche Messung der Druckkraft auf die kraftmessende Unterlegscheibe 101 erfasst und erlaubt somit ein Langzeitmonitoring der Schraubverbindung .

[ 74 ] In einer weiteren in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Alternative der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 bildet das Unterteil 107 eine Außenseitenwand 129 aus und das Oberteil 103 bildet vollständig die Innenseitenwand 131 aus . Die innere Aussparung 125 ist in dieser Alternative neben dem Kraftsensor 113 und somit als seitliche Erweiterung des Hohlraums 111 ausgebildet , während die äußere Aussparung 127 zwischen dem Unterteil 107 und dem Oberteil 103 ausgebildet ist . Die Unterlegscheibe 101 weist wie oben beschrieben einen Kraftsensor 113 mit einer Leiterplatte 119 auf , welche partiell in einem kurzen Bereich die Außenseitenwand 129 durchbricht und dort eine Steckverbindung 123 zur äußeren Kommunikation aufweist ( Figur 5 und 6 ) . Des Weiteren weist die Unterlegscheibe 101 ein elektronisches Bauteil 121 zur Messwerterfassung und Auswertung auf . Somit können bei Einsatz der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 in einer Of f shore-Windenergieanlage durch Verbinden eines externen Laptops mit der Steckverbindung 123 die gespeicherten Messwerte aus der kraftmessenden Unterlegscheibe 101 von dem elektronischen Bauteil 121 ausgelesen werden .

[ 75 ] Somit werden kraftmessende Unterlegscheiben 101 bereitgestellt , welche die gleiche Abmessung wie die entsprechende Standard-Unterlegscheibe aufweisen und somit eine Verwendung von üblichen Schraubengarnituren ermöglichen, wobei die kraftmessenden Unterlegscheiben eine hohe Stei figkeit , eine hohe Überlast fähigkeit und eine hohe Messgenauigkeit bereitstellen . Bezugs zeichenliste

101 Kraftmessende Unterlegscheibe

103 Oberteil

105 Oberseite 107 Unterteil

109 Unterseite

111 Hohlraum

113 Kraftsensor

115 Elektrode 117 Dielektrikum

119 Leiterplatte

121 elektronisches Bauteil

123 Steckverbindung

125 innere Aussparung 127 äußere Aussparung

129 Außenseitenwand

131 Innenseitenwand

141 Schraube

143 Unterlage

Claims

Patentansprüche :

1. Unterlegscheibe (101) zum Kraftmessen und Kraftverteilen bei einem Verbinden eines Verbindungsmittels (141) mit einem zu verbindenden Teil (143) , wobei die Unterlegscheibe (101) ein Gehäuse mit einem Oberteil (103) und einem Unterteil (05) und innenliegend in dem Gehäuse einen Hohlraum (111) aufweist, und in dem Hohlraum (111) ein Kraftsensorelement (113) angeordnet ist und das Kraftsensorelement (113) mindestens eine Elektrode (115) und ein Dielektrikum (117) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aussparung (125, 127) angrenzend an den Hohlraum (111) in dem Gehäuse derart angeordnet ist, dass bei einer Einleitung einer außermittigen Kraft bei dem Verbinden des Verbindungsmittels (141) mit dem zu verbindenden Teil (143) die Unterlegscheibe (101) reproduzierbar verformbar und die eingeleitete Kraft mittels des Kraftsensorelementes (113) reproduzierbar messbar ist.

2. Unterlegscheibe (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei radial zueinander beabstandete Aussparungen (125, 127) angrenzend an den Hohlraum (111) angeordnet sind.

3. Unterlegscheibe (101) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei radial zueinander beabstandete Aussparungen (125, 127) unterschiedliche

Hohlvolumen derart aufweisen, dass eine jeweilige Steifigkeit des Gehäuses an den beiden radial beabs tandeten Aussparungen (125, 127) im Wesentlichen gleich ist.

4. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (111) in dem Oberteil (103) und/oder zwischen dem Oberteil (103) und dem Unterteil (107) angeordnet ist.

5. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftsensorelement (113) zumindest seitlich im Wesentlichen quer zu einer axialen Kraftrichtung kraf tschlüssig und/oder formschlüssig in dem Hohlraum (111 angeordnet ist.

6. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlegscheibe (101) , insbesondere ausgebildet als Standard-M30-Unterlegscheibe, eine Steifigkeit in einem Bereich von 30,0 kN/pm bis 70,0 kN/pm, insbesondere von 40,0 kN/pm bis 60,0 kN/pm, bevorzugt von 45,0 bis 55,0 kN/pm, aufweist.

7. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (103) teilweise oder vollständig eine Außenseitenfläche (129) und/oder eine Innenseitenfläche (131) der Unterlegscheibe (101) ausbildet .

8. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftsensorelementes (113) eine Höhe in einem Bereich von 5, 0 % bis 40,0%, insbesondere von 10,0 % bis 30,0 %, bevorzugt von 15,0 % bis 25,0 % einer Höhe der Unterlegscheibe (101) aufweist und/oder die Unterlegscheibe (101) eine Höhe in einem Bereich von 90,0 % bis 110 %, insbesondere von 95,0% bis 105,0 %, bevorzugt von 98,0 % bis 102,0%, einer Standard-Unterlegscheibe mit einem gleichen Außendurchmesser aufweist.

9. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikums (117) eine relative Permittivität in einem Bereich von 0,5 bis 100,0, insbesondere von 1,0 bis 80,0, bevorzugt von 2,5 bis 10,0, aufweist .

10. Unterlegscheibe (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikums (117) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von 0,2 MPa bis 12.000

MPa, insbesondere von 30,0 MPa bis 5.000 MPa, bevorzugt von 60,0 MPa bis 1.500 MPa, aufweist.