WO2018104511A2 - Verbindungsvorrichtung, überwachungsverfahren und montagewerkzeug für eine verbindungsvorrichtung - Google Patents

Verbindungsvorrichtung, überwachungsverfahren und montagewerkzeug für eine verbindungsvorrichtung Download PDF

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WO2018104511A2
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Thorsten Meiss
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iq contec GmbH
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    • H04Q2209/40—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture

Definitions

  • connection devices in particular screws, for mechanical connection see at least a first and a second component and method for monitoring a mechanical connection. Furthermore, the invention relates to a mounting tool for mounting a connecting device.
  • the connecting device comprises at least one connection sensor, which is designed to detect at least one parameter of a mechanical connection.
  • DE 10 2014 217 076 A1 relates to a system for monitoring a mechanical connection, in which a sensor-transmitter arrangement is integrated, for example, in a screw head.
  • the disclosure of DE 10 2014 217 076 A1 in particular with regard to the advantages and refinements of such a monitoring system, is explicitly included in this application.
  • DE 10 2014 217 076 A1 only one type of sensor is always provided. This may be, for example, a pressure sensor.
  • connection devices and monitoring methods in which the state of a mechanical connection can be reliably determined. Furthermore, a mounting tool is to be provided, which also allows for the monitoring of a parameter of the mechanical connection during assembly of a connecting device.
  • the connecting device comprises at least one connection sensor, in particular strain sensor, preferably strain gauges, which is designed to detect at least one momentary parameter of a mechanical connection, wherein a momentary tightening force of the mechanical connection can be determined via the parameter.
  • the current parameter may be, for example, the elongation of the connection device and thus the expansion of a strain sensor.
  • the momentary tightening force can then be determined via these expansion values.
  • tightening force is to be understood broadly and includes, for example, a preload force, contact pressure or contact pressure.
  • the tightening force thus forms a parameter by means of which, in particular, it can be ascertained whether the connecting device, eg a screw, is tightened to the correct extent, ie not too tight and also not too loose.
  • the connection device also includes a temperature sensor for determining the temperature.
  • the temperature sensor can be arranged in the region of the connection sensor. In this way it can be ensured that the same temperatures are measured, which act on the connection sensor.
  • the temperature sensor can be arranged in the vicinity of the connection sensor.
  • the temperature sensor may comprise at least one appropriately positioned temperature sensor.
  • the temperature sensor may also be formed as part of the connection sensor itself.
  • the temperature can be determined by a voltage drop of one or more strain gauges (DMS).
  • DMS strain gauges
  • the total resistance changes with a temperature change.
  • the resistor is arranged directly on the strain gauge or a bridge with several strain gauges.
  • the temperature may be e.g. for semiconductor strain gages on a diode or at a parallel or at a specific angle, e.g. 45 °, to the measuring resistors arranged temperature measuring resistance are measured.
  • the temperature can also be detected in or at the transmitting unit, provided that their distance from the sensor is small and / or the transmitting unit is coupled to the sensor via materials which conduct good heat.
  • the connecting device comprises at least one transmitting unit for wireless transmission of temperature-based temperature data as well as the current parameter and / or the current tightening force.
  • the temperature data can be the temperature itself, which is sent immediately. Alternatively, evaluations of the temperature can already be made before the transmission, so that only the result, for example a warning signal, is sent.
  • the temperature data are sent in addition to the parameters determined by the connection sensor or the determined tightening force. Subsequently, the temperature data can continue to be used. So an immediate use of the temperature data is possible. For example, the temperature can be displayed.
  • an evaluation can take place, for example, to generate a temperature-related warning signal. It can be determined whether the temperature exceeds or falls below a threshold. For example, a warning signal may be issued when the connection device becomes too hot, eg when an axle is running hot or a brake is stuck. The warning signal can in particular be transmitted to a central system of a vehicle. The temperature data can be sent with the same transmitting unit with which the current parameter or the current tightening force is sent. Alternatively, a separate transmitting unit may be provided.
  • the connecting device may in particular comprise a receiving unit. Accordingly, data, preferably wirelessly, can also be received.
  • at least one transmission unit can be activated by an external interrogation signal and excited to transmit.
  • the receiving unit may be formed with at least one transmitting unit, in particular as a combined transmitting / receiving unit.
  • the connecting device can be designed in particular as a screw, for example wheel bolt of a vehicle, as a bolt or connecting pin. These elongated connection devices are well suited to connect several components together. These also provide sufficient space for recesses in which a small temperature sensor, a small connection sensor and at least one small transmission unit can be arranged.
  • the connecting device may also have a plurality of components, for example a screw and a nut.
  • connection device can be optimally monitored.
  • the state of a mechanical connection can be reliably determined by the sensors. Even in the event that one system fails, it is still possible to resort to the data of the other system in order to learn more about the current state of the connection device.
  • the connecting device is designed to transmit a warning signal and / or the temperature as temperature data wirelessly when the temperature falls below a temperature limit value.
  • an internal evaluation device can be provided, which evaluates the measured temperature.
  • the internal evaluation device can include a database or have access to a database in which the temperature limits are stored. By comparing the temperature with the temperature limit, it can be determined whether the temperature is within a permissible range. If the temperature exceeds or falls below the specified temperature limit, a warning signal can be generated and transmitted wirelessly. Alternatively or additionally, the temperature can also be sent wirelessly.
  • the warning signal or the temperature can be displayed, preferably acoustically, optically and / or haptically, in particular vibrationally. Also, the warning signal or the temperature can be forwarded to appropriate monitoring devices.
  • the temperature data for determining a warning signal can be sent wirelessly when the temperature limit is exceeded or undershot.
  • an external evaluation device is provided, which evaluates the temperature data. The temperature data are therefore sent first and evaluated only after the transmission.
  • the external evaluation device can include a database or have access to a database in which the temperature limits are stored. By comparing the temperature with the temperature limit, it can be determined whether the temperature is in is within a permissible range. If the temperature exceeds or falls below the predetermined temperature limit value, then a warning signal can be generated.
  • the warning signal or the temperature can in particular be displayed, preferably acoustically, optically and / or haptically, in particular vibrationally. Also, the warning signal or the temperature can be forwarded to appropriate monitoring devices.
  • the connecting device is designed to compensate for a temperature influence on the instantaneous parameter and / or to transmit wirelessly temperature data for compensation of a temperature influence on the instantaneous parameter.
  • a connection sensor such as a strain sensor, changes its behavior depending on the temperature. For example, as the temperature increases, the sensitivity of a DMS decreases. Additionally, with a temperature change due to material expansion, the actual biasing force of a fitting may also change. The latter changes are taken into account in the dimensioning of a screw connection, so that these changes occur in regular operation, but are of no relevance to the user. In order to obtain both unadulterated measurement results and to be able to distinguish regular and irregular from actual irregular changes and / or to report them specifically, the temperature influences on the instantaneous parameter must be compensated.
  • the compensation of the temperature influence can be done in an internal evaluation device.
  • the corrected, current parameter or the corrected, current tightening force can thus be determined and sent.
  • the measured data can also be sent uncorrected. Since the temperature data are also sent, an evaluation including compensation of the temperature influence can take place in an external evaluation device. The corrected momentary tightening force is therefore only present in the external evaluation device.
  • the temperature sensor fulfills a dual function, since the temperature data on the one hand are used on their own, for example to measure overheating. On the other hand, the temperature data are used to compensate for the temperature influence on the data determined by the connection sensor.
  • the temperature sensor of the connecting device which effectively forms a multitool, is therefore used to determine the temperature as a measured quantity per se, as an additional parameter for the tightening force, and moreover to compensate for the temperature influence.
  • connection sensors preferably strain gauges
  • the strain gauges may be a half bridge or full bridge, e.g. Wheatstone Bridge.
  • the use of multiple strain sensors is more reliable than using a single strain sensor. Also, such arrangements for determining temperature, e.g. over the bridge voltage, to be used.
  • connection sensors may comprise at least one active, e.g. voltage and / or current fed connection sensor, in particular strain sensor, e.g. Strain gauge, which is adapted to detect long-term changes of at least one parameter, in particular a tightening force, a mechanical connection.
  • the connection sensor may comprise at least one passive, in particular when changing the parameter to be detected energy generating, connection sensor, which is adapted to detect changes in the time of change of the parameter of the mechanical connection.
  • connection device comprises an energy storage device and / or an energy recovery device.
  • energy storage e.g. an accumulator, a battery, in particular thin-film battery, a capacitor and / or supercap serve.
  • a piezoelectric element can serve as the energy recovery device.
  • Other possibilities for so-called “Energy Harvesting” such as the use of Vibrational energy, vibration, electrodynamic generators, thermoelectric generators, eg based on the Seebeck effect, or optical converters such as solar cells are conceivable.
  • capacitive generators eg using an electret, as well as pyroelectric generators and a multiplicity of further conversion principles, eg electrostriction, magnetostriction or piezo magnetism coupled with electrodynamic induction, can be used.
  • the connection device thus operates autonomously. An external power supply is not necessary. Also, the maintenance is reduced because, for example, no batteries need to be changed.
  • the energy obtained can be stored in particular in the energy storage.
  • the transmitting unit may comprise an activating device, preferably an internal one, which is designed to activate the transmitting unit when a limit value, in particular a temperature limit value and / or a tightening force limit value, is exceeded or undershot.
  • a limit value in particular a temperature limit value and / or a tightening force limit value
  • the transmitting unit can be in a state of rest and be activated in exceptional cases. Energy can be saved in this way.
  • the transmitting unit may have a receiving unit which responds to an external signal and then sends measured values, for example.
  • measured values can be requested from an external device with low energy consumption.
  • the temperature sensor comprises a, preferably calibrated, diode, which is arranged in particular in a vicinity of the connection sensor or forms part of the connection sensor.
  • the diode may be used, for example, in electronics, e.g. a chip, be near a strain sensor proceed. Alternatively, it may for example also be a diode of a semiconductor strain gauge.
  • the temperature data is based on at least one electrical characteristic, in particular the electrical voltage, the electric current, e.g. a short-circuit current, and / or the noise behavior, a diode or a resistor.
  • the electric current e.g. a short-circuit current
  • the noise behavior e.g. a diode or a resistor.
  • an electric property is first measured. From this, the temperature is finally determined.
  • the Seebeck effect can be used.
  • the resistance of the temperature sensor can be arranged in particular in a vicinity of the connection sensor or form part of the connection sensor.
  • the resistor for temperature measurement with the resistors for strain measurement can be arranged parallel or preferably in the 45 ° direction to the resistors.
  • the temperature can also be determined from the temperature-dependent resistance of a bridge or half-bridge circuit which is present anyway for the strain measurement.
  • the temperature may be determined via integrated or attached elements on the transmitting unit, e.g. via semiconductor sensors such as diodes or transistors, or via resistors such as Negative Temperature Coefficient (NTC) resistors or NTC thermistors or Positive Temperature Coefficient (PTC) resistors or PTC thermistors.
  • semiconductor sensors such as diodes or transistors
  • resistors such as Negative Temperature Coefficient (NTC) resistors or NTC thermistors or Positive Temperature Coefficient (PTC) resistors or PTC thermistors.
  • NTC Negative Temperature Coefficient
  • PTC Positive Temperature Coefficient
  • a conversion device which is designed to convert a temperature-based electrical voltage, in particular digital, temperature data measured at the diode.
  • This can be an analog-digital converter.
  • the invention also relates to a system for monitoring a mechanical connection, comprising at least one connection device according to the invention and an external evaluation device which can be wirelessly coupled or coupled to the transmission unit.
  • the raw data can be sent to the external evaluation device.
  • the evaluation can then take place in the external evaluation device.
  • the evaluation can at least partially already take place in the connecting device itself.
  • the data is only sent if limit values are exceeded.
  • the external evaluation device comprises a display device, which is designed to display the temperature data received from the transmission unit and / or the current tightening force.
  • the user thus receives information about the state of the connection device. This can for example serve for maintenance purposes.
  • this information can be retrieved when there is a warning, e.g. if a limit has been exceeded.
  • an evaluation device in particular the external evaluation device or an internal evaluation device of the connection device, comprises a database or allows access to a database, which at least one electrical property, in particular the electrical voltage, the electrical current and / or the noise behavior, a diode or a resistor, in particular at low temperatures without acting tightening force, at low temperatures with acting tightening force, at room tempera- ture without effective tightening force and / or at room temperature with acting tightening force.
  • the temperature can be determined from at least one electrical property.
  • these values can be stored in the application area in the form of a general calculation rule for arbitrary temperatures and values of the tightening force, so that it is possible to determine the tightening force and the temperature independently of each other.
  • the database can preferably be stored on a memory of the external evaluation device.
  • a deposit on an external, especially central, memory e.g. a server, possible.
  • This external memory can be accessed, for example, wirelessly, in particular by means of mobile transmission technologies such as UMTS, GSM, LTE, 5G, Bluetooth, infrared, WLAN or the like.
  • an evaluation device in particular the external evaluation device or an internal evaluation device of the connection device, is adapted to output a signal, in particular a warning signal, when a temperature limit and / or a tightening force limit is exceeded or undershot.
  • the generation of the warning signal can be effected by means of an internal evaluation device in the connecting device or by means of the external evaluation device.
  • the warning signal may e.g. acoustically, optically and / or haptically, in particular vibratory, output.
  • the warning signal can be transmitted to a, in particular central, monitoring system.
  • the evaluation device is designed as a mobile phone, in particular a smartphone. This is particularly cost effective because a mobile phone already provides the required hardware. For example, by means of an app can finally the Evaluation done.
  • the evaluation device can also be integrated into an existing evaluation unit of a vehicle.
  • the invention also relates to a method for monitoring a mechanical connection, in particular with a system according to the invention.
  • the temperature is determined by means of a temperature sensor of a connecting device mechanically connecting at least one first and one second component. Furthermore, at least one momentary parameter is detected by means of a connection sensor of the connection device. This can preferably be done in parallel to the temperature determination.
  • temperature-based temperature data as well as the instantaneous parameter and / or a momentary tightening force determined from the instantaneous parameter are transmitted wirelessly to an external evaluation unit.
  • a connecting device in particular screw, is provided for the mechanical connection of at least one first and one second component.
  • the connecting device comprises at least one active connection sensor, in particular a strain sensor, preferably strain gauges, which is designed to detect long-term changes of at least one parameter, in particular a tightening force, of a mechanical connection. Furthermore, the connecting device comprises at least one passive connection sensor, which is designed to detect changes in the time of change of the parameter of the mechanical connection.
  • the parameter of the active connection sensor and / or the passive connection sensor can be determined from at least one momentary state of the mechanical connection.
  • the current state can be, for example, the elongation of the connection device and thus the expansion of a strain sensor. It may also be, for example, an electrical voltage of a piezoelectric element.
  • the tightening force can then be determined via the expansion values or tension values.
  • the connection sensors can thus be used to monitor whether the connection device satisfactorily fulfills its function of mechanically connecting components, in particular over a longer period of time. For example, over time, the tightening force of the connecting device may decrease.
  • tightening force is to be understood broadly and includes, for example, a biasing force, contact pressure or a contact pressure.
  • the tightening force thus forms a parameter by which it can be determined whether the connecting device, e.g. a screw is properly tightened, i. not too tight and not too loose.
  • the connecting device can be designed in particular as a screw, in particular wheel bolt of a vehicle, as a bolt or connecting pin.
  • These elongated connection devices are well suited to connect several components together. These also provide sufficient space for recesses in which the different, small connection sensors and at least one small transmission unit can be arranged.
  • the connection device may also have several components, e.g. a screw and a nut.
  • the connecting device comprises at least one transmitting unit for wireless transmission of the parameter and / or the current state.
  • the long-term changes and short-term changes can be sent by means of the same or by different transmitting units.
  • the connecting device according to the invention can be monitored by two different sensor types.
  • the sensor types preferably operate by means of different conversion principles.
  • the tightening force of the connection can be detected and / or quantified by means of an active conversion principle in order to monitor a long-term change in the connection.
  • the tightening force of the connection is detected by means of a passive conversion principle and / or recorded qualitatively in order to monitor a short-term change, ie a rapid change of the parameter.
  • the passive connection sensor can deliver a voltage pulse when the connection device is torn off or loosened.
  • the passive connection sensor can in particular be interrupt-controlled.
  • the voltage pulse can be used to wake up an active connection sensor in sleep mode or energy-saving mode or to trigger a corresponding electronic system.
  • the energy consumption can be kept low because in sleep mode, only little energy is consumed. So it is sufficient for the determination of long-term changes, if the active sensor makes a measurement every few minutes and then falls back into sleep mode. However, if something changes, the active sensor becomes active immediately and in particular can instantaneously send a warning signal.
  • the active sensor may have a high internal resistance in the range between 100 kohms and 1,000 Mohms, as long as the parameter is within normal operating limits. However, if the parameter changes, the resistance decreases and the sensor is awakened from sleep mode. This can be achieved for example by a mechanically biased contact area. Active converters with resistance values between 1 kOhm and 100 kOhm can preferably be used for the regular measurement. The higher the resistance, the lower the energy consumption during the measurement, which is why strain sensors down to 120 ohms can usually only be used to advantage when using Energy Harvesting.
  • the passive connection sensor can only measure comparatively fast changes. An essentially static, ie slow change of a parameter can not be detected. If, for example, the tightening force decreases creepingly, this would not be noticed by the passive connection sensor. In the present case, this task is fulfilled by the active connection sensor.
  • the state of a mechanical connection can always be reliably determined.
  • the connection device comprises a temperature sensor for determining the temperature. Temperature data which are based on the temperature can in particular be transmitted wirelessly via at least one transmission unit.
  • the connecting device is designed to transmit a warning signal and / or the temperature as temperature data wirelessly when the temperature falls below a temperature limit value.
  • an internal evaluation device can be provided, which evaluates the measured temperature.
  • the internal evaluation device can include a database or have access to a database in which the temperature limits are stored. By comparing the temperature with the temperature limit, it can be determined whether the temperature is within a permissible range. If the temperature exceeds or falls below the specified temperature limit, a warning signal can be generated and transmitted wirelessly. Alternatively or additionally, the temperature can also be sent wirelessly.
  • the warning signal or the temperature can be displayed, preferably acoustically, optically and / or haptically, in particular vibrationally. Also, the warning signal or the temperature can be forwarded to appropriate monitoring devices.
  • the temperature data for determining a warning signal can be sent wirelessly when the temperature limit is exceeded or undershot.
  • an external evaluation device is provided, which evaluates the temperature data. The temperature data are therefore sent first and evaluated only after transmission.
  • the external evaluation device can include a database or have access to a database in which the temperature limits are stored. By comparing the temperature with the temperature limit, it can be determined whether the temperature is within a permissible range. If the temperature exceeds or falls below the predetermined temperature limit value, then a warning signal can be generated.
  • the warning signal or the temperature can in particular be displayed, preferably acoustically, optically and / or haptically, in particular vibrationally. Also, the warning signal or the temperature can be forwarded to appropriate monitoring devices.
  • the connecting device is designed to compensate for a temperature influence on the instantaneous parameter and / or to transmit wirelessly temperature data for compensation of a temperature influence on the instantaneous parameter.
  • a connection sensor such as a strain sensor, may change its behavior depending on the temperature. For example, as the temperature increases, the sensitivity of a DMS decreases. To obtain unaltered measurement results, the temperature influences on the current parameter must be compensated.
  • the biasing force can change with a change in temperature, but within the range of allowable limits. As a rule, this change should not be communicated to the user, which is why a specific, wheel-dependent calibration may be useful. This can be done by an automated calibration during the first hours of use.
  • both the temperature by means of the integrated temperature sensor and the biasing force can be detected. It is assumed that the tightening torque of the connecting element itself does not change.
  • the measured values temperature and preload force can then be used to interpolate linearly, for example, and to suppress or compensate for the systematic change in preload force above the temperature.
  • the compensation of the temperature influence can be done in an internal evaluation device.
  • the corrected, current parameter or the corrected, current tightening force can thus be determined and sent.
  • the measured data can also be sent uncorrected. Since the temperature data are also sent, an evaluation including compensation of the temperature influence can take place in an external evaluation device. The corrected instantaneous tightening force is therefore only present in the external evaluation device.
  • An internal evaluation can first be carried out to see if limit values, e.g. Temperature or tightening force limits are exceeded or fallen below. If so, the original data may be transferred to the external evaluation device for further analysis.
  • limit values e.g. Temperature or tightening force limits
  • the temperature sensor can perform a dual function, since the temperature data are used on the one hand taken to measure, for example, overheating.
  • the temperature data are used to compensate for the temperature influence on the data determined by the connection sensor.
  • the temperature sensor of the connecting device which effectively forms a multitool, is thus used to determine the temperature as a measured quantity per se, as an additional parameter for the tightening force, and moreover to compensate for the influence of temperature or on the representation of the parameter of the tightening force, in particular with reference thereto. This may vary depending on the temperature, but the user should not be aware of this because it is permissible in the design of the connection device.
  • the transmitting unit may in particular comprise an activating device which is designed to activate the transmitting unit when a limit value, in particular a temperature limit value and / or a tightening force limit value, is exceeded or undershot.
  • a limit value in particular a temperature limit value and / or a tightening force limit value
  • the transmitting unit can be in a state of rest and be activated only in exceptional cases. Energy can be saved in this way.
  • the active connection sensor comprises a strain sensor, in particular strain gauges, preferably an arrangement of at least two, in particular four, strain gauges. It can be provided individual or combined or integrated strain sensors. In particular, semiconductor strain gages can be used. The strain gauges may thus have a half bridge or full bridge, e.g. Wheatstone Bridge, form. The use of multiple strain sensors is more reliable than using a single strain sensor. Also, such arrangements for determining temperature, e.g. via the detection of the electrical supply voltage for a given current or by measuring a total bridge resistance.
  • the passive connection sensor comprises a piezoelectric or electrodynamic connection sensor. The piezoelectric connection sensor may preferably be a piezoelectric element. Also, piezoelectric longitudinal transducers, polymeric piezoelectric films and / or ceramic piezoelectric sensor elements are conceivable.
  • the active connection sensor can be activated via the passive connection sensor and / or a temperature sensor.
  • An active connection sensor in a sleep mode can thus be activated if parameters of the connection device change rapidly. If, for example, a temperature limit value and / or a voltage limit value are exceeded, then the active connection sensor can become turn on and, for example, send his data. Accordingly, the active connection sensor may be in a sleep mode most of the time, saving energy.
  • the passive connection sensor comprises an energy extraction device or is designed as an energy recovery device.
  • a piezoelectric transducer can be designed both for energy production and as a passive connection sensor.
  • the passive connection sensor thus fulfills a dual function.
  • a piezoelectric longitudinal transducer may be fastened on one side to the connection sensor and be applied with mass on the other side or over the entire length. In particular, by vibration and / or rotation of this can be stimulated to generate energy.
  • the energy may be provided to the active connection sensor. The number of transmissions of the parameter per unit of time can thereby be increased.
  • connection sensors via rotation and / or vibration In contrast to the generation of energy by rotation and / or vibration, the system thus remains at standstill, e.g. active for theft monitoring for a long time.
  • a power supply of the connection sensors via rotation and / or vibration is also basically possible.
  • the invention also relates to a method for monitoring a mechanical connection, in particular with a connecting device according to the invention.
  • At least one active connection sensor in particular strain sensor, preferably strain gauges, of a connecting device mechanically connecting at least one first and one second component detects long-term changes of at least one parameter, in particular a tightening force, of a mechanical connection.
  • At least one passive connection sensor detects changes in the time of the mechanical connection parameter. This double monitoring significantly increases the reliability.
  • a further aspect of the invention for which independent protection is also claimed, relates to a connecting device, in particular a screw, for mechanically connecting at least one first and one second component, comprising at least one connecting element.
  • sensor in particular strain sensor, which is designed to detect at least one momentary parameter of a mechanical connection, wherein a momentary tightening force of the mechanical connection can be determined via the parameter.
  • the connecting device comprises a display device, which is designed to indicate when a tightening force corresponds to a desired value and / or when a tightening force does not correspond to a desired value.
  • the display device may comprise at least one LED.
  • an LED may be lit or a tone may be generated to issue a warning if the tightening force does not correspond to the desired value.
  • the signal output is possible in particular during assembly and / or during operation as a regular check.
  • Such a display device on the connecting device itself is particularly cost-effective, since it can be dispensed with an external evaluation device.
  • a corresponding connection device can be used, for example, in emerging markets.
  • connection sensor may be an active and / or passive connection sensor.
  • a temperature sensor for determining the temperature may also be provided.
  • the display device may also indicate whether the temperature corresponds to a desired value and / or whether the temperature does not correspond to a desired value.
  • at least one transmitting unit may be provided for wireless transmission of the instantaneous parameter and / or the momentary tightening force.
  • temperature-based temperature data may also be sent wirelessly. The data can hereby be received by an external evaluation unit and e.g. be analyzed in more detail.
  • the invention also relates to an assembly tool for mounting a, in particular according to the invention, connecting device.
  • the assembly tool may be a torque wrench.
  • the mounting tool comprises an engagement device for engaging in a mounting portion, in particular screw head, the connecting device.
  • the engagement device is designed such that a signal transmitted wirelessly by a transmission unit of the connection device is received and / or not disturbed.
  • the signal may be, for example, temperature-based temperature data, a momentary parameter, and / or an instantaneous tightening force of the connection.
  • parameters of the connection e.g. the tightening force
  • parameters of the connection e.g. the tightening force
  • a calibration stored in the connection device can be checked, for example based on a correspondence of a measured value of the assembly tool and reported data of the connection within certain limits.
  • a recalibration or calibration with the mounting tool is possible.
  • the transmitted measurement data can be connected to the measurement data in the assembly tool, compensation lines can be calculated using linear equations and the corresponding coefficients can be returned to the connection device and stored there.
  • the engagement device comprises an at least partially opened nut or a nut with a signal-transparent material, in particular plastic and / or ceramic.
  • the nut may therefore be e.g. Slots and / or recesses have, through which the signal of the connecting device penetrates to the outside or to a receiving unit.
  • the assembly tool comprises a receiving unit, an evaluation device, in particular with a calibration device, a display device, an energy converter and / or a signal transmitter.
  • the signal transmitter may in particular be a so-called repeater, which amplifies the received signal.
  • the amplified signal can for example be received and evaluated by an external evaluation device. This is particularly advantageous if the surrounding device should be performed completely metallic and the signal would be excessively shielded.
  • the assembly tool itself may include an evaluation device.
  • an evaluation device For example, can be displayed directly on the assembly tool, whether a desired tightening force is reached. A separate torque sensor in the assembly tool is not required.
  • the assembly tool may comprise an energy converter, which allows an energy input into the connection device to be mounted.
  • An energy harvesting device of the connection device is energized by the assembly tool and receives sufficient energy for continuous operation during setup and / or assembly.
  • a coil is provided for this purpose in the assembly tool, which generates a magnetic alternating field and located in the connecting device
  • the mounting tool can couple mechanical vibrations and thus generate energy in a piezoelectric transducer or a thermal generator.
  • a calibration setup tool may be configured as a separate device.
  • the assembly tool may include a calibration device.
  • an evaluation device of the assembly tool can receive an identifier, preferably an individual identification signal.
  • the connection device can in this case emit the identifier, which allows an association of the connection device. In this way it can be ensured that e.g. the right screw is removed.
  • a blocking device may be provided, i.
  • An assembly tool can only disassemble the connection devices for which the corresponding identifier is stored and released.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a
  • Fig. 2 is a perspective view of an embodiment of various components
  • Fig. 3 is a schematic plan view of an embodiment of a
  • Fig. 4 shows a detail of an embodiment of a
  • Fig. 5 is a perspective view of an embodiment of a
  • FIG. 6 is a perspective view of an embodiment of a
  • Fig. 7 is a front view of an embodiment of an inventive
  • FIG. 8 is a side view of the assembly tool of FIG .. 7
  • Fig. 1 shows a connecting device designed as a screw with an elongated base body 10, which may have an external thread 12, and a screw head 13, which may be formed as a hexagon and forms a mounting portion.
  • the main body 10 comprises a first recess 14 and a second recess 16.
  • the first recess 14 has a smaller diameter and / or a smaller cross-sectional area than the second recess 16.
  • the first recess 14 may be formed as a blind hole 18.
  • the second recess 16 may be arranged in the screw head 13.
  • FIG. 2 shows an active sensor 20, a passive sensor 22 and a temperature sensor 24.
  • the temperature sensor 24 is purely optional and can serve to determine the temperature.
  • an active sensor 20 or a passive sensor 22 may be provided.
  • a single sensor 20, 22 is sufficient.
  • the active sensor 20 may be a strain sensor, in particular a strain gauge or an arrangement of a plurality of strain gauges.
  • the active sensor 20 can detect long-term changes of at least one parameter, in particular a tightening force, of a mechanical connection.
  • the passive sensor 22 may be formed as a piezoelectric or electrodynamic connection sensor.
  • the passive sensor 22 can detect changes in the time of the mechanical connection parameter and / or generate electrical impulses when the parameter changes.
  • the active sensor 20 may be activated via the passive sensor 22 and / or the temperature sensor 24.
  • the temperature sensor 24 may include a temperature sensor. Alternatively, the temperature sensor 24 may also be formed as part of the active sensor 20 itself.
  • the temperature can be determined via a voltage drop of one or more strain gauges 20. In particular, the total resistance changes with a temperature change. The resistance is directly at the DMS or a bridge arranged with several strain gages. The temperature can also be measured, for example, in the case of semiconductor strain gages on a diode or at a temperature measuring resistor arranged parallel or at a specific angle, for example 45 °, to the measuring resistors.
  • the sensors 20, 22, 24 are preferably mounted on a web 26, which is formed for example as a board material, flexible circuit board or preformed to the bore cross-section flexible tube or rigid mandrel. This can be performed slightly conical, for example, for pressing the sensors 20, 22, 24 during insertion of the electronic unit in the connecting device during assembly to the first recess 14.
  • the sensors 20, 22, 24 can be placed through the web 26 in the first recess 14 of the connecting device.
  • the transmitting unit 28 may include a radio module 30 with an antenna 32.
  • the antenna 32 may be divided into two areas. Thus, a first area can serve to receive signals from the evaluation device 34 and a second area to send data to the evaluation device 34. In this way, the communication can be made bidirectional and the evaluation device 34 can request measured values from the connection device if required.
  • the radio module 30 may include a controller with an electromagnetic shield.
  • the transmitting unit 28 may wirelessly transmit the current parameter and / or the current state of the connecting device.
  • the transmitter unit 28 may also wirelessly transmit temperature-based temperature data determined by the temperature sensor 24.
  • the temperature can also be detected by a temperature sensor 24 mounted in or on the controller.
  • a warning signal and / or the temperature as temperature data can be sent wirelessly.
  • temperature data for determining a warning signal can be sent wirelessly if the temperature limit is exceeded or undershot.
  • the temperature influence on the current parameter can still be compensated in the connection device.
  • the temperature data for compensation of a temperature influence on the current parameter can be sent wirelessly, for example to an external evaluation device 34, as described in more detail in connection with FIG. 3.
  • the connecting device may comprise a battery formed as a button cell 36 energy storage.
  • energy storage 36 it is also possible to use e.g. an accumulator, a battery, in particular thin-film battery, a capacitor and / or supercap serve.
  • the passive sensor 22 can also serve as an energy recovery device and, for example, charge the energy store 36 or serve for the direct supply of energy to the electronics, in particular the transmitting unit 28 and / or the active sensor 20.
  • the passive sensor 22 is disposed in an oscillatable region of the connection device and is set in motion by means of inertial forces.
  • the energy store 36 may be received in a holder 38.
  • the energy storage device 36 can be releasably held. A quick exchange is made possible.
  • an analogue electronics 40 may be provided with an analog preamplifier 42.
  • the transmitting unit 28 is designed to transmit the data of the at least one sensor 20, 22, 24 wirelessly.
  • an evaluation device may also be provided in the second recess 16, which first at least partially evaluates the data before it is sent.
  • the current parameter or state e.g. the momentary tightening force, as well as possibly the temperature data can be transmitted wirelessly via the transmitting unit 28, for example to an external evaluation device 34, a display device and / or a central system of a vehicle.
  • an external evaluation device 34 is shown. This can be, for example, a smartphone or a tablet.
  • the evaluation device 34 includes a receiving unit 44, a computing unit 46 designed as a display 48 display device.
  • the signals of the transmitting unit 28 can be received wirelessly by the receiving unit 44 and forwarded to the arithmetic unit 46.
  • the arithmetic unit 46 can evaluate the received data.
  • the arithmetic unit 46 can access, for example, a database.
  • the evaluated data can be graphically displayed, for example, and output on the display 48. For example, it can be shown how high the tightening force and / or temperature of the connecting devices is or whether the tightening force and / or temperature reach a critical value.
  • the strain gauge 20 may be attached to an end face at the bottom of the blind hole 18, in particular glued, welded, screwed, pressed, riveted and / or jammed. Alternatively or additionally, the strain gauge 20 may also be attached to a side wall of the blind hole 18. At least one sensor 20, 22, 24 is in contact with the transmitting unit 28.
  • the second recess 16 can be closed by a closure element 50.
  • a closure element 50 is shown by way of example in FIG. 5.
  • the closure element 50 can be clipped onto the connection device.
  • a plurality of locking lugs 51 may be provided, which are preferably arranged distributed uniformly. In this way, the second recess 16, in particular detachable, closed and the electronics are protected in particular against water ingress.
  • the recess 16 can also be completely cast with a protective compound.
  • the closure element 50 is signal-transparent, ie the data transmitted by the transmission unit 28 can penetrate the closure element 50.
  • Fig. 6 shows a connecting device with attached closure element 50. For example, for maintenance purposes, the closure element 50 can be easily removed.
  • FIGS. 7 and 8 show various views of a connecting tool assembly tool designed as a torque wrench 52.
  • the torque wrench has an engagement device 54 that can receive, for example, a screw head.
  • the engagement device 54 includes a nut having slots 56. Through the slots 56, a signal transmitted by a transmitting unit 28 of a connecting device can pass undisturbed.
  • a receiving unit 44 can thus receive the signals undisturbed.
  • the signals can be displayed in a display device 48, possibly after evaluation in an evaluation device 34.
  • the receiving unit 44 may also be designed as a signal transmitter 58.
  • the received signals can be received and forwarded to an external evaluation device 34, as illustrated in FIG. 3, by way of example.
  • a user also knows during assembly whether a desired tightening force of the connecting device has been reached.
  • the assembly tool 52 may optionally include an energy converter 60, which allows an energy input into the connection device to be mounted.
  • an energy store 36 of the connection device can be charged in this way during assembly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verbindungsvorrichtungen, insbesondere Schrauben, zum mechanischen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils sowie Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung. Ferner betrifft die Erfindung ein Montagewerkzeug zur Montage einer Verbindungsvorrichtung.

Description

Verbindungsvorrichtung, Überwachungsverfahren und Montagewerkzeug für eine Verbindungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft Verbindungsvorrichtungen, insbesondere Schrauben, zum mechani- sehen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils sowie Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung. Ferner betrifft die Erfindung ein Montagewerkzeug zur Montage einer Verbindungsvorrichtung.
Die Verbindungsvorrichtung umfasst zumindest einen Verbindungssensor, welcher dazu aus- gebildet ist, wenigstens einen Parameter einer mechanischen Verbindung zu detektieren.
Mechanische Verbindungen finden sich in großer Zahl in allerlei denkbaren industriell oder handwerklich hergestellten Gütern und Maschinen. Lediglich als Beispiel seien an dieser Stelle der Maschinenbau, Brückenbau sowie der Fahrzeug- und/oder Flugzeugbau genannt. Viele dieser mechanischen Verbindungen stellen sicherheitsrelevante Komponenten dar. Es besteht daher ein Bedarf, solche sicherheitsrelevanten mechanischen Verbindungen geeignet zu überwachen, um ein katastrophales Versagen der Verbindungen entweder verhindern zu können oder wenigstens seine Auswirkungen einzudämmen. Es ist aus Anlagen wie beispielsweise Kernkraftwerken bekannt, besonders sicherheitskritische mechanische Verbindungen mittels dedizierter Sensoren zu überwachen, welche von extern bestimmte Parameter der mechanischen Verbindung bestimmen und die derart gewonnenen Daten kabelgebunden an eine Datenverarbeitungsanlage weiterleiten. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zum Überwachen von mechanischen Verbindungen sind allerdings störungsanfällig, aufwendig zu installieren, unflexibel in ihren Einsatzmöglichkeiten und erfordern insbesondere durch ihre Kabel zur Datenübertragung einen erhöhten Bauraum, der sie für viele denkbare Anwendungen ungeeignet macht. DE 10 2014 217 076 A1 betrifft ein System zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, bei dem eine Sensor-Sender-Anordnung beispielsweise in einen Schraubenkopf integriert ist. Die Offenbarung der DE 10 2014 217 076 A1 , insbesondere im Hinblick auf die Vorteile und Ausgestaltungen eines derartigen Überwachungssystems, wird explizit in diese Anmeldung miteinbezogen. In der DE 10 2014 217 076 A1 ist stets lediglich ein Sensortyp vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln.
Nachteilig daran ist, dass beispielsweise lediglich Druckdaten erfasst und übertragen werden. Ist der Sensor defekt, fällt somit das gesamte System aus. Andere zusätzliche Daten, beispielsweise Temperaturdaten, welche ebenfalls einen Hinweis auf mögliche Störungen der Verbindung liefern können, werden hingegen nicht übertragen.
Gemäß der DE 10 2014 217 076 A1 können zudem lediglich Kurzzeitveränderungen festge- stellt werden, beispielsweise ein Bruch eines Verbindungsstifts. Langzeitveränderungen werden hingegen nicht erfasst. Dies kann dazu führen, dass z.B. eine schleichende Materialermüdung nicht rechtzeitig erkannt wird.
Als Montagewerkzeuge für Verbindungsvorrichtungen sind Drehmomentschlüssel bekannt. Diese sind jedoch nicht für Signale durchlässig. Werden drahtlos Signale von der Verbindungsvorrichtung gesendet, so werden diese abgeschirmt und erreichen keine externe Auswerteeinheit. Gerade bei der Montage ist eine unmittelbare, latenzfreie Überwachung eines Parameters der mechanischen Verbindung jedoch besonders wichtig, um festzustellen, ob die Verbindungsvorrichtung bereits fest ist oder ob gegebenenfalls noch nachgezogen werden muss.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Verbindungsvorrichtungen und Überwachungsverfahren zu schaffen, bei denen der Zustand einer mechanischen Verbindung zuverlässig bestimmt werden kann. Ferner soll ein Montagewerkzeug bereitgestellt werden, welches auch während der Montage einer Verbindungsvorrichtung eine Überwachung eines Parameters der mechanischen Verbindung ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Gegenstände und Verfahren der unabhängigen Ansprüche.
Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst die Verbindungsvorrichtung zumindest einen Verbindungssensor, insbesondere Dehnungssensor, vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, welcher dazu ausgebildet ist, wenigstens einen momentanen Parameter einer mechanischen Verbindung zu detektieren, wobei über den Parameter eine momentane Anzugskraft der mechani- sehen Verbindung bestimmbar ist. Bei dem momentanen Parameter kann es sich beispielsweise um die Dehnung der Verbindungsvorrichtung und somit die Dehnung eines Dehnungssensors handeln. Über diese Dehnungswerte kann dann die momentane Anzugskraft bestimmt werden. Mithilfe des Verbindungssensors kann überwacht werden, ob die Verbindungsvorrichtung ihre Funktion, nämlich Bauteile mechanisch zu verbinden, hinreichend erfüllt, insbesondere auch über eine längere Zeitdauer hinweg. So kann im Laufe der Zeit beispielsweise die Anzugskraft der Verbindungsvorrichtung abnehmen. Der Begriff Anzugskraft ist breit zu verstehen und um- fasst beispielsweise auch eine Vorspannkraft, Anpresskraft oder einen Anpressdruck. Die An- zugskraft bildet somit einen Parameter, über den insbesondere festgestellt werden kann, ob die Verbindungsvorrichtung, z.B. eine Schraube, im richtigen Maße angezogen ist, d.h. nicht zu fest und auch nicht zu locker sitzt.
Die Verbindungsvorrichtung umfasst zudem einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur. Vorzugsweise kann der Temperatursensor im Bereich des Verbindungssensors angeordnet sein. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass dieselben Temperaturen gemessen werden, welche auf den Verbindungssensor wirken.
Vorzugsweise kann der Temperatursensor im Nahbereich des Verbindungssensors angeord- net sein. Beispielswiese kann der Temperatursensor zumindest einen entsprechend positionierten Temperaturfühler umfassen.
Alternativ kann der Temperatursensor auch als Bestandteil des Verbindungssensors selbst ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Temperatur über einen Spannungsabfall eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen (DMS) bestimmt werden. Insbesondere ändert sich nämlich der Gesamtwiderstand bei einer Temperaturänderung. Der Widerstand ist dabei unmittelbar am DMS bzw. einer Brücke mit mehreren DMS angeordnet. Auch kann die Temperatur z.B. bei Halbleiter DMS an einer Diode oder an einem parallel oder in einem spezifischen Winkel, z.B. 45°, zu den Messwiderständen angeordneten Temperaturmesswiderstand ge- messen werden.
Alternativ kann die Temperatur auch in oder an der Sendeeinheit erfasst werden, sofern deren Abstand zum Sensor klein ist und/oder die Sendeeinheit über gut wärmeleitende Materialien an den Sensor angekoppelt ist. Die Verbindungsvorrichtung umfasst zumindest eine Sendeeinheit zum kabellosen Senden von auf der Temperatur basierenden Temperaturdaten sowie des momentanen Parameters und/oder der momentanen Anzugskraft. Bei den Temperaturdaten kann es sich um die Temperatur selbst handeln, welche unmittelbar gesendet wird. Alternativ können vor dem Senden bereits Auswertungen der Temperatur vorgenommen werden, sodass lediglich das Ergebnis, beispielsweise ein Warnsignal, gesendet wird. Die Temperaturdaten werden zusätzlich zu den vom Verbindungssensor ermittelten Parametern bzw. der ermittelten Anzugskraft gesendet. Anschließend können die Temperaturdaten weiter verwendet werden. So ist eine unmittelbare Verwendung der Temperaturdaten möglich. Beispielsweise kann die Temperatur angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswertung erfolgen, um z.B. ein die Temperatur betreffendes Warnsignal zu erzeugen. Dabei kann ermittelt werden, ob die Temperatur einen Grenzwert über- oder unterschreitet. Beispielsweise kann ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn die Verbindungsvorrichtung zu heiß wird, z.B. wenn eine Achse heiß läuft oder eine Bremse festsitzt. Das Warnsignal kann insbesondere an ein zentrales System eines Fahrzeugs übermittelt werden. Die Temperaturdaten können mit derselben Sendeeinheit gesendet werden, mit der auch der momentane Parameter bzw. die momentane Anzugskraft gesendet wird. Alternativ kann auch eine separate Sendeeinheit vorgesehen sein.
Die Verbindungsvorrichtung kann insbesondere eine Empfangseinheit umfassen. Es können demnach auch Daten, vorzugsweise kabellos, empfangen werden. Beispielsweise kann zumindest eine Sendeeinheit durch ein externes Abfragesignal aktiviert und zum Senden angeregt werden. Die Empfangseinheit kann mit zumindest einer Sendeeinheit insbesondere als kombinierte Sende-/Empfangseinheit ausgebildet sein. Die Verbindungsvorrichtung kann insbesondere als Schraube, z.B. Radschraube eines Fahrzeugs, als Bolzen oder Verbindungsstift ausgebildet sein. Diese länglichen Verbindungsvorrichtungen sind gut geeignet, um mehrere Bauteile miteinander zu verbinden. Auch bieten diese genügend Raum für Aussparungen, in denen ein kleiner Temperatursensor, ein kleiner Verbindungssensor sowie zumindest eine kleine Sendeeinheit angeordnet werden können. Die Verbindungsvorrichtung kann auch mehrere Komponenten aufweisen, z.B. eine Schraube und eine Schraubenmutter. Dadurch, dass Daten unterschiedlicher Sensoren gesendet werden, kann die Verbindungsvorrichtung optimal überwacht werden. Der Zustand einer mechanischen Verbindung kann durch die Sensoren zuverlässig bestimmt werden. Auch für den Fall, dass ein System ausfällt, kann immer noch auf die Daten des anderen Systems zurückgegriffen werden, um mehr über den aktuellen Zustand der Verbindungsvorrichtung in Erfahrung zu bringen.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet, bei Über- o- der Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes ein Warnsignal und/oder die Temperatur als Temperaturdaten kabellos zu senden. So kann insbesondere eine interne Auswertevorrichtung vorgesehen sein, welche die gemessene Temperatur auswertet.
Die interne Auswertevorrichtung kann dabei eine Datenbank umfassen oder Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Temperaturgrenzwerte hinterlegt sind. Durch einen Vergleich der Temperatur mit dem Temperaturgrenzwert kann ermittelt werden, ob sich die Temperatur in einem zulässigen Bereich befindet. Überschreitet bzw. unterschreitet die Temperatur den vor- gegebenen Temperaturgrenzwert, so kann ein Warnsignal erzeugt und dieses kabellos gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Temperatur kabellos gesendet werden.
Das Warnsignal bzw. die Temperatur kann angezeigt werden, vorzugsweise akustisch, optisch und/oder haptisch, insbesondere vibratorisch. Auch kann das Warnsignal bzw. die Temperatur an entsprechende Überwachungsvorrichtungen weitergeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die Temperaturdaten zur Bestimmung eines Warnsignals bei Über- oder Unterscheiten eines Temperaturgrenzwertes kabellos gesendet werden. Insbesondere ist hierbei eine externe Auswertevorrichtung vorgesehen, welche die Temperaturdaten auswertet. Die Temperaturdaten werden also zunächst gesendet und erst nach der Übertragung ausgewertet.
Die externe Auswertevorrichtung kann dabei eine Datenbank umfassen oder Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Temperaturgrenzwerte hinterlegt sind. Durch einen Vergleich der Temperatur mit dem Temperaturgrenzwert kann ermittelt werden, ob sich die Temperatur in einem zulässigen Bereich befindet. Überschreitet bzw. unterschreitet die Temperatur den vorgegebenen Temperaturgrenzwert, so kann ein Warnsignal erzeugt werden.
Das Warnsignal bzw. die Temperatur kann insbesondere angezeigt werden, vorzugsweise akustisch, optisch und/oder haptisch, insbesondere vibratorisch. Auch kann das Warnsignal bzw. die Temperatur an entsprechende Überwachungsvorrichtungen weitergeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet, einen Temperatureinfluss auf den momentanen Parameter zu kompensieren und/oder Temperatur- daten zur Kompensation eines Temperatureinflusses auf den momentanen Parameter kabellos zu senden.
Ein Verbindungssensor, beispielsweise ein Dehnungssensor, ändert sein Verhalten abhängig von der Temperatur. So nimmt beispielsweise bei steigender Temperatur die Empfindlichkeit eines DMS ab. Zusätzlich kann sich bei einer Temperaturänderung aufgrund von Materialdehnungen auch die tatsächliche Vorspannkraft einer Verschraubung ändern. Letztgenannte Änderungen sind in der Dimensionierung einer Schraubenverbindung berücksichtigt, sodass diese Änderungen im regulären Betrieb vorkommen, aber für den Anwender nicht von Relevanz sind. Um sowohl unverfälschte Messergebnisse zu erhalten als auch reguläre von irregu- lären tatsächlichen Änderungen unterscheiden und/oder spezifisch melden zu können, müssen die Temperatureinflüsse auf den momentanen Parameter kompensiert werden.
Die Kompensation des Temperatureinflusses kann in einer internen Auswertevorrichtung erfolgen. Der korrigierte, momentane Parameter bzw. die korrigierte, momentane Anzugskraft kann somit ermittelt und gesendet werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch die gemessenen Daten unkorrigiert gesendet werden. Da auch die Temperaturdaten gesendet werden, kann eine Auswertung samt Kompensation des Temperatureinflusses in einer externen Auswertevorrichtung erfolgen. Die korrigierte mo- mentane Anzugskraft liegt hierbei folglich erst in der externen Auswertevorrichtung vor.
Auch eine Kombination beider Systeme ist denkbar. Dabei kann zunächst eine interne Auswertung erfolgen, um zu sehen, ob Grenzwerte, insbesondere Temperatur- und/oder Anzugskraftgrenzwerte, über- oder unterschritten werden. Falls dies zutrifft, können die ursprüngli- chen Daten an die externe Auswertevorrichtung gesendet werden, um diese näher zu analysieren. In allen Fällen erfüllt der Temperatursensor eine Doppelfunktion, da die Temperaturdaten einerseits für sich genommen verwendet werden, um z.B. Überhitzungen zu messen. Andererseits werden die Temperaturdaten zur Kompensation des Temperatureinflusses auf die vom Verbindungssensor bestimmten Daten verwendet.
Der Temperatursensor der Verbindungsvorrichtung, der gewissermaßen ein Multitool bildet, wird also zur Bestimmung der Temperatur als Messgröße an sich, als zusätzlicher Parameter zur Anzugskraft, verwendet und darüber hinaus zur Kompensation des Temperatureinflusses.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zumindest zwei, insbesondere vier, Dehnungssensoren, vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, als Verbindungssensoren vorgesehen. Es können einzelne oder kombinierte bzw. integrierte Dehnungssensoren vorgesehen sein. Die Dehnungsmessstreifen können eine Halbbrücke oder Vollbrücke, z.B. Wheatstone'sche Brü- cke, bilden. Die Verwendung von mehreren Dehnungssensoren ist zuverlässiger als die Verwendung eines einzigen Dehnungssensors. Auch können derartige Anordnungen zur Temperaturbestimmung, z.B. über die Brückenspannung, verwendet werden.
Es können unterschiedliche Sensortypen als Verbindungssensoren eingesetzt werden. So ist beispielsweise denkbar, dass die Verbindungsvorrichtung zumindest einen aktiven, z.B. mit Spannung und/oder Strom gespeisten, Verbindungssensor, insbesondere Dehnungssensor, z.B. Dehnungsmessstreifen, umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung zu detektieren. Zudem kann der Verbindungssensor zumindest einen passiven, insbe- sondere bei Änderung des zu erfassenden Parameters energieerzeugenden, Verbindungssensor umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung zu detektieren.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Verbindungsvorrichtung einen Energiespei- eher und/oder eine Energiegewinnungsvorrichtung. Als Energiespeicher kann z.B. ein Akkumulator, eine Batterie, insbesondere Dünnschichtbatterie, ein Kondensator und/oder Supercap dienen.
Als Energiegewinnungsvorrichtung kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element dienen. Auch andere Möglichkeiten zum so genannten„Energy Harvesting" wie z.B. die Nutzung von Schwingungsenergie, Vibration, elektrodynamische Generatoren, thermoelektrische Generatoren, z.B. auf Basis des Seebeck-Effekts, oder optische Wandler wie Solarzellen sind denkbar. Ebenso sind kapazitive Generatoren, z.B. unter Verwendung eines Elektrets, sowie pyroelekt- rische Generatoren und eine Vielzahl weiterer Wandlungsprinzipien, z.B. Elektrostriktion, Mag- netostriktion oder Piezomagnetismus gekoppelt mit elektrodynamischer Induktion, anwendbar. Die Verbindungsvorrichtung arbeitet somit autark. Eine externe Stromversorgung ist nicht notwendig. Auch wird der Wartungsaufwand reduziert, da beispielsweise keine Batterien gewechselt werden müssen. Die gewonnene Energie kann insbesondere im Energiespeicher gespeichert werden.
Die Sendeeinheit kann insbesondere eine, vorzugsweise interne, Aktivierungsvorrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit zu aktivieren, wenn ein Grenzwert, insbesondere ein Temperaturgrenzwert und/oder ein Anzugskraftgrenzwert, überschritten oder unterschritten wird. So kann sich die Sendeeinheit in einem Ruhezustand befinden und in Aus- nahmefällen aktiviert werden. Energie kann auf diese Weise gespart werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sendeeinheit eine Empfangseinheit aufweisen, die auf ein externes Signal reagiert und daraufhin zum Beispiel Messwerte versendet. Hierdurch können mit geringem Energieverbrauch Messwerte von einer externen Einrichtung angefordert wer- den.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Temperatursensor eine, vorzugsweise kalibrierte, Diode, die insbesondere in einem Nahbereich des Verbindungssensors angeordnet ist oder einen Teil des Verbindungssensors bildet. Die Diode kann beispielsweise in der Elekt- ronik, z.B. einem Chip, in der Nähe eines Dehnungssensors vorgehen sein. Alternativ kann es sich beispielsweise auch um eine Diode eines Halbleiter-Dehnungsmessstreifens handeln.
Nach einer weiteren Ausführungsform basieren die Temperaturdaten auf zumindest einer elektrischen Eigenschaft, insbesondere der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom, z.B. einem Kurzschlussstrom, und/oder dem Rauschverhalten, einer Diode oder eines Widerstands. Gemessen wird somit zunächst eine elektrische Eigenschaft. Daraus wird schließlich die Temperatur ermittelt. Insbesondere kann der Seebeck- Effekt genutzt werden.
Der Widerstand des Temperatursensors kann insbesondere in einem Nahbereich des Verbin- dungssensors angeordnet sein oder einen Teil des Verbindungssensors bilden. Vorzugsweise kann der Widerstand zur Temperaturmessung mit den Widerständen zur Dehnungsmessung parallel oder bevorzugt in 45° Richtung zu den Widerständen angeordnet sein.
Auch kann die Temperatur aus dem ohnehin zur Dehnungsmessung vorhandenen temperatur- abhängigen Widerstand einer Brücken- oder Halbbrückenschaltung bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur über integrierte oder angebrachte Elemente an der Sendeeinheit bestimmt werden, z.B. über Halbleitersensoren wie Dioden oder Transistoren, oder über Widerstände wie Negative Temperature Coefficient (NTC)-Widerstände oder NTC-Thermistoren bzw. Positive Temperature Coefficient (PTC)-Widerstände oder PTC-Ther- mistoren.
Insbesondere kann eine Wandlungsvorrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, eine an der Diode gemessene, auf der Temperatur basierende elektrische Spannung in, ins- besondere digitale, Temperaturdaten zu wandeln. Hierbei kann es sich um einen Analog-Digi- tal-Wandler handeln.
Die Erfindung betrifft auch ein System zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung und eine externe Auswer- tevorrichtung, welche mit der Sendeeinheit drahtlos gekoppelt oder koppelbar ist.
Es können hierbei die Rohdaten an die externe Auswertevorrichtung gesendet werden. Die Auswertung kann dann in der externen Auswertevorrichtung erfolgen. Alternativ kann die Auswertung zumindest teilweise bereits in der Verbindungsvorrichtung selbst erfolgen. Insbeson- dere werden die Daten hierbei nur dann gesendet, wenn Grenzwerte überschritten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die externe Auswertevorrichtung eine Anzeigevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die von der Sendeeinheit empfangenen Temperaturdaten und/oder die momentane Anzugskraft anzuzeigen.
Der Benutzer erhält somit Informationen über den Zustand der Verbindungsvorrichtung. Dies kann beispielsweise zu Wartungszwecken dienen. Insbesondere können diese Informationen abgerufen werden, wenn eine Warnung vorliegt, z.B. wenn ein Grenzwert überschritten wurde.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Auswertevorrichtung, insbesondere die externe Auswertevorrichtung oder eine interne Auswertevorrichtung der Verbindungsvorrichtung, eine Datenbank oder ermöglicht Zugriff auf eine Datenbank, welche zumindest eine elektrische Eigenschaft, insbesondere die elektrischen Spannung, den elektrischen Strom und/oder das Rauschverhalten, einer Diode oder eines Widerstands, insbesondere bei tiefen Temperaturen ohne wirkende Anzugskraft, bei tiefen Temperaturen mit wirkender Anzugskraft, bei Raumtem- peratur ohne wirkende Anzugskraft und/oder bei Raumtemperatur mit wirkender Anzugskraft, aufweist. Anhand dieser hinterlegten Daten kann aus zumindest einer elektrischen Eigenschaft die Temperatur ermittelt werden.
Zur Bestimmung der Kalibrierfaktoren sind insbesondere lediglich drei Zustände notwendig, nämlich ein kalter Zustand ohne Anzugsspannung, ein warmer Zustand ohne Anzugsspannung sowie ein warmer Zustand mit einer Anzugsspannung.
Alternativ können diese Werte in Form einer allgemeinen Rechenvorschrift für beliebige Temperaturen und Werte der Anzugskraft im Anwendungsbereich hinterlegt sein, sodass eine Be- Stimmung der Anzugskraft und der Temperatur unabhängig voneinander möglich ist.
Die Datenbank kann vorzugsweise auf einem Speicher der externen Auswertevorrichtung hinterlegt sein. Alternativ ist auch eine Hinterlegung auf einem externen, insbesondere zentralen, Speicher, z.B. einem Server, möglich. Auf diesen externen Speicher kann beispielsweise draht- los, insbesondere mittels mobiler Übertragungstechniken wie UMTS, GSM, LTE, 5G, Bluetooth, Infrarot, WLAN oder dergleichen, zugegriffen werden.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist eine Auswertevorrichtung, insbesondere die externe Auswertevorrichtung oder eine interne Auswertevorrichtung der Verbindungsvorrichtung, dazu ausgebildet, ein Signal, insbesondere ein Warnsignal, auszugeben, wenn ein Temperaturgrenzwert und/oder ein Anzugskraftgrenzwert überschritten oder unterschritten wird.
Die Erzeugung des Warnsignals kann dabei mittels einer internen Auswertevorrichtung in der Verbindungsvorrichtung oder aber mittels der externen Auswertevorrichtung erfolgen. Das Warnsignal kann z.B. akustisch, optisch und/oder haptisch, insbesondere vibratorisch, ausgegeben werden. Ferner kann das Warnsignal an ein, insbesondere zentrales, Überwachungssystem übermittelt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung als Mobiltelefon, insbeson- dere Smartphone, ausgebildet. Dies ist besonders kostengünstig, da ein Mobiltelefon bereits die erforderliche Hardware bereitstellt. Beispielsweise mittels einer App kann schließlich die Auswertung erfolgen. Alternativ kann die Auswertevorrichtung auch in eine vorhandene Auswerteeinheit eines Fahrzeugs integriert sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen System.
Mittels eines Temperatursensors einer wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil mechanisch verbindenden Verbindungsvorrichtung wird die Temperatur bestimmt. Ferner wird mittels eines Verbindungssensors der Verbindungsvorrichtung wenigstens ein momentaner Parame- ter detektiert. Dies kann vorzugsweise parallel zur Temperaturbestimmung erfolgen.
Mittels einer Sendeeinheit der Verbindungsvorrichtung werden auf der Temperatur basierende Temperaturdaten sowie der momentane Parameter und/oder eine aus dem momentanen Parameter bestimmte momentane Anzugskraft kabellos an eine externe Auswerteeinheit gesen- det.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere Schraube, zum mechanischen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils vorgesehen.
Die Verbindungsvorrichtung umfasst zumindest einen aktiven Verbindungssensor, insbesondere Dehnungssensor, vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, welcher dazu ausgebildet ist, Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung zu detektieren. Ferner umfasst die Verbindungsvorrichtung zumin- dest einen passiven Verbindungssensor, welcher dazu ausgebildet ist, Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung zu detektieren.
Insbesondere kann der Parameter des aktiven Verbindungssensors und/oder des passiven Verbindungssensors aus wenigstens einem momentanen Zustand der mechanischen Verbin- dung bestimmt werden.
Bei dem momentanen Zustand kann es sich beispielsweise um die Dehnung der Verbindungsvorrichtung und somit die Dehnung eines Dehnungssensors handeln. Auch kann es sich z.B. um eine elektrische Spannung eines Piezoelements handeln. Über die Dehnungswerte bzw. Spannungswerte kann dann die Anzugskraft bestimmt werden. Mithilfe der Verbindungssensoren kann somit überwacht werden, ob die Verbindungsvorrichtung ihre Funktion, nämlich Bauteile mechanisch zu verbinden, hinreichend erfüllt, insbesondere auch über eine längere Zeitdauer hinweg. So kann im Laufe der Zeit beispielsweise die Anzugskraft der Verbindungsvorrichtung abnehmen.
Der Begriff Anzugskraft ist breit zu verstehen und umfasst beispielsweise auch eine Vorspannkraft, Anpresskraft oder einen Anpressdruck. Die Anzugskraft bildet somit einen Parameter, über den festgestellt werden kann, ob die Verbindungsvorrichtung, z.B. eine Schraube, im richtigen Maße angezogen ist, d.h. nicht zu fest und auch nicht zu locker sitzt.
Die Verbindungsvorrichtung kann insbesondere als Schraube, insbesondere Radschraube eines Fahrzeugs, als Bolzen oder Verbindungsstift ausgebildet sein. Diese länglichen Verbindungsvorrichtungen sind gut geeignet, um mehrere Bauteile miteinander zu verbinden. Auch bieten diese genügend Raum für Aussparungen, in denen die unterschiedlichen, kleinen Ver- bindungssensoren sowie zumindest eine kleine Sendeeinheit angeordnet werden können. Die Verbindungsvorrichtung kann auch mehrere Komponenten aufweisen, z.B. eine Schraube und eine Schraubenmutter.
Vorzugsweise umfasst die Verbindungsvorrichtung zumindest eine Sendeeinheit zum kabello- sen Senden des Parameters und/oder des momentanen Zustande. Die Langzeitveränderungen und Kurzzeitveränderungen können mittels derselben oder durch unterschiedliche Sendeeinheiten gesendet werden.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung kann durch zwei unterschiedliche Sensortypen überwacht werden. Die Sensortypen arbeiten vorzugsweise mittels unterschiedlicher Wandlungsprinzipien. Einerseits kann z.B. die Anzugskraft der Verbindung mittels eines aktiven Wandlungsprinzips detektiert und/oder quantitativ erfasst werden, um eine Langzeitveränderung der Verbindung zu überwachen. Andererseits kann z.B. die Anzugskraft der Verbindung mittels eines passiven Wandlungsprinzips detektiert und/oder qualitativ erfasst werden, um eine Kurzzeitveränderung, also eine schnelle Änderung des Parameters, zu überwachen.
Durch die Kombination der beiden Sensortypen kann die Anzugskraft zu jedem Zeitpunkt exakt gemessen werden und/oder Energiespareffekte können bei gleichzeitig sehr schnellem Ansprechverhalten erzielt werden. Auch kann schnell auf Änderungen reagiert werden, z.B. wenn ein Schraubenkopf abreißt o- der eine Schraube aktiv gelöst wird. Beispielsweise kann der passive Verbindungssensor bei einem Abreißen oder Lösen der Verbindungsvorrichtung einen Spannungsimpuls liefern. Der passive Verbindungssensor kann insbesondere interrupt-gesteuert sein. Der Spannungsim- puls kann dazu dienen, einen im Schlafmodus bzw. Energiesparmodus befindlichen aktiven Verbindungssensor aufzuwecken bzw. eine entsprechende Elektronik auszulösen. Damit kann der Energieverbrauch gering gehalten werden, da im Schlafmodus nur wenig Energie verbraucht wird. So reicht es für die Bestimmung von Langzeitveränderungen aus, wenn der aktive Sensor alle paar Minuten eine Messung vornimmt und dann wieder in den Schlafmodus fällt. Ändert sich jedoch etwas, so wird der aktive Sensor sofort aktiv und kann insbesondere instantan ein Warnsignal versenden.
Der aktive Sensor kann beispielsweise einen hohen Innenwiderstand im Bereich zwischen 100 kOhm und 1.000 MOhm aufweisen, solange sich der Parameter in den normalen Betriebs- grenzen befindet. Erfährt der Parameter jedoch eine Änderung, sinkt der Widerstand und der Sensor wird aus dem Schlafmodus geweckt. Dies kann beispielsweise durch einen mechanisch vorgespannten Kontaktbereich erzielt werden. Für die reguläre Messung sind vorzugsweise aktive Wandler mit Widerstandswerten zwischen 1 kOhm und 100 kOhm einsetzbar. Je höher der Widerstand, desto geringer ist der Energieverbrauch bei der Messung, weshalb Dehnungs- sensoren mit bis hinunter zu 120 Ohm in der Regel nur bei der Anwendung von Energy Harves- ting vorteilhaft einsetzbar sind.
Der passive Verbindungssensor kann hingegen nur vergleichsweise schnelle Änderungen messen. Eine im Wesentlichen statische, also langsame Änderung eines Parameters kann nicht erfasst werden. Wenn die Anzugskraft somit beispielsweise schleichend abnimmt, würde dies vom passiven Verbindungssensor nicht bemerkt werden. Diese Aufgabe erfüllt vorliegend der aktive Verbindungssensor.
Durch die Kombination der unterschiedlichen Sensortypen kann der Zustand einer mechani- sehen Verbindung stets zuverlässig bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsvorrichtung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur. Temperaturdaten, welche auf der Temperatur basieren, können insbesondere über zumindest eine Sendeeinheit kabellos gesendet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet, bei Über- o- der Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes ein Warnsignal und/oder die Temperatur als Temperaturdaten kabellos zu senden. So kann insbesondere eine interne Auswertevorrichtung vorgesehen sein, welche die gemessene Temperatur auswertet.
Die interne Auswertevorrichtung kann dabei eine Datenbank umfassen oder Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Temperaturgrenzwerte hinterlegt sind. Durch einen Vergleich der Temperatur mit dem Temperaturgrenzwert kann ermittelt werden, ob sich die Temperatur in einem zulässigen Bereich befindet. Überschreitet bzw. unterschreitet die Temperatur den vor- gegebenen Temperaturgrenzwert, so kann ein Warnsignal erzeugt und dieses kabellos gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Temperatur kabellos gesendet werden.
Das Warnsignal bzw. die Temperatur kann angezeigt werden, vorzugsweise akustisch, optisch und/oder haptisch, insbesondere vibratorisch. Auch kann das Warnsignal bzw. die Temperatur an entsprechende Überwachungsvorrichtungen weitergeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die Temperaturdaten zur Bestimmung eines Warnsignals bei Über- oder Unterscheiten eines Temperaturgrenzwertes kabellos gesendet werden. Insbesondere ist hierbei eine externe Auswertevorrichtung vorgesehen, welche die Temperaturdaten auswertet. Die Temperaturdaten werden also zunächst gesendet und erst nach dem Senden ausgewertet.
Die externe Auswertevorrichtung kann dabei eine Datenbank umfassen oder Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Temperaturgrenzwerte hinterlegt sind. Durch einen Vergleich der Temperatur mit dem Temperaturgrenzwert kann ermittelt werden, ob sich die Temperatur in einem zulässigen Bereich befindet. Überschreitet bzw. unterschreitet die Temperatur den vorgegebenen Temperaturgrenzwert, so kann ein Warnsignal erzeugt werden.
Das Warnsignal bzw. die Temperatur kann insbesondere angezeigt werden, vorzugsweise akustisch, optisch und/oder haptisch, insbesondere vibratorisch. Auch kann das Warnsignal bzw. die Temperatur an entsprechende Überwachungsvorrichtungen weitergeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet, einen Temperatureinfluss auf den momentanen Parameter zu kompensieren und/oder Temperatur- daten zur Kompensation eines Temperatureinflusses auf den momentanen Parameter kabellos zu senden. Ein Verbindungssensor, beispielsweise ein Dehnungssensor, kann sein Verhalten abhängig von der Temperatur ändern. So nimmt beispielsweise bei steigender Temperatur die Empfindlichkeit eines DMS ab. Um unverfälschte Messergebnisse zu erhalten, müssen die Tempera- tureinflüsse auf den momentanen Parameter kompensiert werden. Ebenso kann sich die Vorspannkraft bei einer Temperaturänderung ändern, allerdings im Bereich der zulässigen Grenzen. Diese Änderung sollte dem Anwender in der Regel nicht mitgeteilt werden, weshalb eine spezifische, radabhängige Kalibrierung sinnvoll sein kann. Dies kann durch eine automatisierte Kalibrierung während der ersten Anwendungsstunden erfolgen. Auch kann während der dauerhaften Anwendung eine weitere Nachführung erfolgen. Dabei können sowohl die Temperatur mittels des integrierten Temperatursensors als auch die Vorspannkraft erfasst werden. Dabei wird angenommen, dass sich das Anzugsmoment des Verbindungselementes selbst nicht ändert. Über die Messwerte Temperatur und Vorspannkraft kann dann beispielsweise linear interpoliert und die systematische Änderung der Vorspannkraft über der Temperatur aus- geblendet bzw. kompensiert werden.
Die Kompensation des Temperatureinflusses kann in einer internen Auswertevorrichtung erfolgen. Der korrigierte, momentane Parameter bzw. die korrigierte, momentane Anzugskraft kann somit ermittelt und gesendet werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch die gemessenen Daten unkorrigiert gesendet werden. Da auch die Temperaturdaten gesendet werden, kann eine Auswertung samt Kompensation des Temperatureinflusses in einer externen Auswertevorrichtung erfolgen. Die korrigierte momentane Anzugskraft liegt hierbei folglich erst in der externen Auswertevorrichtung vor.
Auch eine Kombination beider Systeme ist denkbar. Dabei kann zunächst eine interne Auswertung erfolgen, um zu sehen, ob Grenzwerte, z.B. Temperatur- oder Anzugskraftgrenzwerte, über- oder unterschritten werden. Falls dies zutrifft, können die ursprünglichen Daten an die externe Auswertevorrichtung übertragen werden, um diese näher zu analysieren.
In allen Fällen kann der Temperatursensor eine Doppelfunktion erfüllen, da die Temperaturdaten einerseits für sich genommen verwendet werden, um z.B. Überhitzungen zu messen. Andererseits werden die Temperaturdaten zur Kompensation des Temperatureinflusses auf die vom Verbindungssensor bestimmten Daten verwendet. Der Temperatursensor der Verbindungsvorrichtung, der gewissermaßen ein Multitool bildet, wird also zur Bestimmung der Temperatur als Messgröße an sich, als zusätzlicher Parameter zur Anzugskraft, verwendet und darüber hinaus zur Kompensation des Temperatureinflusses bzw. auf die Darstellung des Parameters der Anzugskraft, insbesondere bezugnehmend da- rauf, dass diese sich temperaturabhängig ändern darf, der Nutzer dies aber nicht mitbekommen sollte, weil sie im Rahmen der Auslegung der Verbindungsvorrichtung zulässig ist.
Die Sendeeinheit kann insbesondere eine Aktivierungsvorrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, die Sendeeinheit zu aktivieren, wenn ein Grenzwert, insbesondere ein Temperatur- grenzwert und/oder ein Anzugskraftgrenzwert, überschritten oder unterschritten wird. So kann sich die Sendeeinheit in einem Ruhezustand befinden und nur in Ausnahmefällen aktiviert werden. Energie kann auf diese Weise gespart werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der aktive Verbindungssensor einen Deh- nungssensor, insbesondere Dehnungsmessstreifen, vorzugsweise eine Anordnung von zumindest zwei, insbesondere vier, Dehnungsmessstreifen. Es können einzelne oder kombinierte bzw. integrierte Dehnungssensoren vorgesehen sein. Dabei können insbesondere Halbleiter DMS verwendet werden. Die Dehnungsmessstreifen können somit eine Halbbrücke oder Vollbrücke, z.B. Wheatstone'sche Brücke, bilden. Die Verwendung von mehreren Dehnungs- sensoren ist zuverlässiger als die Verwendung eines einzigen Dehnungssensors. Auch können derartige Anordnungen zur Temperaturbestimmung, z.B. über die Erfassung der elektrischen Versorgungsspannung bei gegebenem Strom bzw. durch Messung eines Gesamt-Brü- ckenwiderstands, verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich umfasst der passive Verbindungssensor einen piezoelektrischen o- der elektrodynamischen Verbindungssensor. Bei dem piezoelektrischen Verbindungssensor kann es sich vorzugsweise um ein Piezoelement handeln. Auch piezoelektrische Längswandler, polymere piezoelektrische Folien und/oder keramische piezoelektrische Sensorelemente sind denkbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der aktive Verbindungssensor über den passiven Verbindungssensor und/oder einen Temperatursensor aktivierbar. Ein sich in einem Schlafmodus befindlicher, aktiver Verbindungssensor kann somit aktiviert werden, wenn sich Parameter der Verbindungsvorrichtung schnell ändern. Wird beispielsweise ein Temperaturgrenzwert und/oder ein Spannungsgrenzwert überschritten, so kann sich der aktive Verbindungssensor einschalten und beispielsweise seine Daten senden. Der aktive Verbindungssensor kann sich demnach die meiste Zeit in einem Schlafmodus befinden, wodurch Energie gespart wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der passive Verbindungssensor eine Energie- gewinnungsvorrichtung oder ist als Energiegewinnungsvorrichtung ausgebildet. So kann beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler sowohl zur Energiegewinnung als auch als passiver Verbindungssensor ausgebildet sein. Der passive Verbindungssensor erfüllt somit eine Doppelfunktion. Ein piezoelektrischer Längswandler kann beispielsweise auf einer Seite am Verbindungssensor befestigt sein und auf der anderen Seite bzw. auf der gesamten Länge mit Masse beaufschlagt sein. Insbesondere durch Vibration und/oder Rotation kann dieser zur Energiegewinnung angeregt werden. Vorzugsweise kann die Energie für den aktiven Verbindungssensor bereitgestellt werden. Die Anzahl an Übertragungen des Parameters pro Zeiteinheit können dadurch erhöht werden.
Im Gegensatz zur Energieerzeugung durch Rotation und/oder Vibration bleibt das System somit auch bei Stillstand z.B. zur Diebstahlüberwachung lange aktiv. Eine Stromversorgung der Verbindungssensoren über Rotation und/oder Vibration ist jedoch ebenso grundsätzlich möglich.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
Zumindest ein aktiver Verbindungssensor, insbesondere Dehnungssensor, vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, einer wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil mechanisch verbindenden Verbindungsvorrichtung detektiert Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung. Zumindest ein passi- ver Verbindungssensor detektiert Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung. Durch diese doppelte Überwachung wird die Zuverlässigkeit deutlich erhöht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, für welchen auch unabhängig Schutz beansprucht wird, betrifft eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere Schraube, zum mechanischen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils, umfassend zumindest einen Verbindungs- sensor, insbesondere Dehnungssensor, welcher dazu ausgebildet ist, wenigstens einen momentanen Parameter einer mechanischen Verbindung zu detektieren, wobei über den Parameter eine momentane Anzugskraft der mechanischen Verbindung bestimmbar ist. Ferner umfasst die Verbindungsvorrichtung eine Anzeigevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, anzu- zeigen, wenn eine Anzugskraft einem Sollwert entspricht und/oder wenn eine Anzugskraft einem Sollwert nicht entspricht.
Es kann eine optische und/oder akustische Anzeigevorrichtung vorgesehen sein. Insbesondere kann die Anzeigevorrichtung zumindest eine LED umfassen. So kann insbesondere eine LED leuchten bzw. ein Ton erzeugt werden, um eine Warnung auszugeben, wenn die Anzugskraft nicht dem Sollwert entspricht. Die Signalausgabe ist insbesondere während einer Montage und/oder während des Betriebs als regelmäßige Kontrolle möglich.
Eine derartige Anzeigevorrichtung an der Verbindungsvorrichtung selbst ist besonders kosten- günstig, da auf eine externe Auswertevorrichtung verzichtet werden kann. So kann eine entsprechende Verbindungsvorrichtung beispielsweise in Schwellenländern eingesetzt werden.
Bei dem Verbindungssensor kann es sich um einen aktiven und/oder passiven Verbindungssensor handeln. Insbesondere kann auch ein Temperatursensor zur Bestimmung der Tempe- ratur vorgesehen sein.
Nach einer Ausführungsform kann die Anzeigevorrichtung auch anzeigen, ob die Temperatur einem Sollwert entspricht und/oder ob die Temperatur einem Sollwert nicht entspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eine Sendeeinheit zum kabellosen Senden des momentanen Parameters und/oder der momentanen Anzugskraft vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können auch auf der Temperatur basierende Temperaturdaten kabellos gesendet werden. Die Daten können hierbei von einer externen Auswerteeinheit empfangen und z.B. näher analysiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Montagewerkzeug zur Montage einer, insbesondere erfindungsgemäßen, Verbindungsvorrichtung. Vorzugsweise kann es sich bei dem Montagewerkzeug um einen Drehmomentschlüssel handeln.
Das Montagewerkzeug umfasst eine Eingreifvorrichtung zum Eingreifen in einen Montageabschnitt, insbesondere Schraubenkopf, der Verbindungsvorrichtung. Die Eingreifvorrichtung ist derart ausgebildet, dass ein von einer Sendeeinheit der Verbindungsvorrichtung kabellos gesendetes Signal empfangen und/oder nicht gestört wird. Bei dem Signal kann es sich z.B. um auf der Temperatur basierende Temperaturdaten, um einen mo- mentanen Parameter und/oder eine momentane Anzugskraft der Verbindung handeln.
Während der Montage der Verbindungsvorrichtung können somit Parameter der Verbindung, z.B. die Anzugskraft, überwacht werden. So kann beispielsweise latenzfrei überprüft werden, ob eine Schraube fest genug angezogen ist. Ebenso ist eine in der Verbindungsvorrichtung gespeicherte Kalibrierung überprüfbar, beispielsweise anhand einer Übereinstimmung eines Messwerts des Montagewerkzeugs und gemeldeten Daten der Verbindung in bestimmten Grenzen. Auch ist eine Rekalibrierung oder eine Kalibrierung mit dem Montagewerkzeug möglich. Hierbei können die gesendeten Messdaten mit den Messdaten im Montagewerkzeug in Verbindung gesetzt, über lineare Gleichungen Ausgleichsgeraden berechnet und die entspre- chenden Koeffizienten in die Verbindungsvorrichtung zurückgespielt und dort gespeichert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Eingreifvorrichtung eine zumindest teilweise geöffnete Nuss oder eine Nuss mit einem signaldurchlässigen Material, insbesondere Kunststoff und/oder Keramik. Die Nuss kann demnach z.B. Schlitze und/oder Aussparungen aufweisen, durch welche das Signal der Verbindungsvorrichtung nach außen bzw. zu einer Empfangseinheit dringt.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das Montagewerkzeug eine Empfangseinheit, eine Auswertevorrichtung, insbesondere mit einer Kalibrierungsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung, einen Energiewandler und/oder einen Signalwiedergeber.
Bei dem Signalwiedergeber kann es sich insbesondere um einen so genannten Repeater handeln, welcher das empfangene Signal verstärkt. Das verstärkte Signal kann beispielsweise von einer externen Auswertevorrichtung empfangen und ausgewertet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die umgebende Einrichtung vollständig metallisch ausgeführt werden soll und das Signal übermäßig abgeschirmt werden würde.
Alternativ oder zusätzlich kann auch das Montagewerkzeug selbst eine Auswertevorrichtung umfassen. So kann beispielsweise unmittelbar am Montagewerkzeug angezeigt werden, ob eine gewünschte Anzugskraft erreicht ist. Ein separater Drehmomentsensor im Montagewerkzeug ist nicht erforderlich.
Das Montagewerkzeug kann einen Energiewandler umfassen, der einen Energieeintrag in die zu montierende Verbindungsvorrichtung ermöglicht. Eine Energiegewinnungsvorrichtung der Verbindungsvorrichtung wird durch das Montagewerkzeug angeregt und erhält während der Einrichtung und/oder Montage ausreichend Energie zum kontinuierlichen Betrieb.
Beispielsweise ist hierfür im Montagewerkzeug eine Spule vorgesehen, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und einen in der Verbindungsvorrichtung befindlichen
elektrodynamischen Generator zur Energieproduktion anregt.
Alternativ kann das Montagewerkzeug mechanische Schwingungen einkoppeln und auf diese Weise Energie in einem piezoelektrischen Wandler oder einem Thermogenerator erzeugen. Somit ist eine einfache Registrierung der Verbindungsvorrichtung bei einer externen
Auswertevorrichtung, ein einfaches Einrichten des Systems und/oder ein kontrolliertes Herstellen der Verbindung unter kontinuierlicher Auswertung des relevanten Parameters möglich, ohne dass die Verbindungsvorrichtung vor der Einrichtung und/oder Montage einen geladenen Energiespeicher benötigt. Ein Einrichtungswerkzeug zur Kalibrierung kann als separate Vorrichtung ausgebildet sein. Alternativ kann auch das Montagewerkzeug eine Kalibrierungsvorrichtung umfassen.
Insbesondere kann eine Auswertevorrichtung des Montagewerkzeugs eine Kennung, vorzugsweise ein individuelles Identifikationssignal, empfangen. Die Verbindungsvorrichtung kann hierbei die Kennung aussenden, welche eine Zuordnung der Verbindungsvorrichtung ermöglicht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass z.B. die richtige Schraube entfernt wird. Hierbei kann auch eine Sperrvorrichtung vorgesehen sein, d.h. ein Montagewerkzeug kann nur die Verbindungsvorrichtungen demontieren, für welche die entsprechende Kennung hinterlegt und freigegeben ist.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtungen und Systeme sind insbesondere dazu ausgebildet, nach einem oder mehreren der hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtungen und Systeme sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Verfahren jeweils mitei- nander kombiniert werden, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung,
Fig. 2 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform verschiedener
Elektronikkomponenten einer erfindungsgemäßen
Verbindungsvorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform einer
Auswertevorrichtung für eine erfindungsgemäße
Verbindungsvorrichtung,
Fig. 4 ein Ausschnitt einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung,
Fig. 5 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines
Verschlusselements einer erfindungsgemäßen
Verbindungsvorrichtung,
Fig. 6 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung,
Fig. 7 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Montagewerkzeugs, und
Fig. 8 eine Seitenansicht des Montagewerkzeugs gemäß Fig. 7.
Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind.
Fig. 1 zeigt eine als Schraube ausgebildete Verbindungsvorrichtung mit einem länglichen Grundkörper 10, welcher ein Außengewinde 12 aufweisen kann, sowie einem Schraubenkopf 13, welcher als Sechskant ausgebildet sein kann und einen Montageabschnitt bildet. Der Grundkörper 10 umfasst eine erste Aussparung 14 und eine zweite Aussparung 16. Die erste Aussparung 14 weist einen kleineren Durchmesser und/oder eine kleinere Querschnittsfläche als die zweite Aussparung 16 auf. Die erste Aussparung 14 kann als ein Sackloch 18 ausgebildet sein. Die zweite Aussparung 16 kann im Schraubenkopf 13 angeordnet sein.
Die Aussparungen 14, 16 sind miteinander verbunden. Ein Übergangsbereich 19 zwischen der ersten Aussparung 14 und der zweiten Aussparung 16 kann trichterförmig ausgebildet sein. In Fig. 2 sind ein aktiver Sensor 20, ein passiver Sensor 22 sowie ein Temperatursensor 24 dargestellt. Der Temperatursensor 24 ist rein optional und kann dazu dienen, die Temperatur zu bestimmen.
Auch kann lediglich ein aktiver Sensor 20 oder ein passiver Sensor 22 vorgesehen sein.
Grundsätzlich reicht ein einzelner Sensor 20, 22.
Bei dem aktiven Sensor 20 kann es sich um einen Dehnungssensor, insbesondere Dehnungsmessstreifen bzw. eine Anordnung von mehreren Dehnungsmessstreifen handeln. Der aktive Sensor 20 kann Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung detektieren.
Der passive Sensor 22 kann als piezoelektrischer oder elektrodynamischer Verbindungssensor ausgebildet sein. Der passive Sensor 22 kann Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung detektieren und/oder bei Änderung des Parameters elektrische Impulse generieren.
Der aktive Sensor 20 kann über den passiven Sensor 22 und/oder den Temperatursensor 24 aktiviert werden. Der Temperatursensor 24 kann einen Temperaturfühler umfassen. Alternativ kann der Temperatursensor 24 auch als Bestandteil des aktiven Sensors 20 selbst ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Temperatur über einen Spannungsabfall eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen 20 bestimmt werden. Insbesondere ändert sich nämlich der Gesamtwiderstand bei einer Temperaturänderung. Der Widerstand ist dabei unmittelbar am DMS bzw. einer Brü- cke mit mehreren DMS angeordnet. Auch kann die Temperatur z.B. bei Halbleiter DMS an einer Diode oder an einem parallel oder in einem spezifischen Winkel, z.B. 45°, zu den Messwiderständen angeordneten Temperaturmesswiderstand gemessen werden. Die Sensoren 20, 22, 24 sind vorzugsweise an einem Steg 26 angebracht, der beispielsweise als Platinenmaterial, flexible Leiterplatte oder passend zum Bohrungsquerschnitt vorgeformtes flexibles Röhrchen oder rigider Dorn ausgebildet ist. Dieser kann beispielsweise zum Andrücken der Sensoren 20, 22, 24 beim Einführen der Elektronikeinheit in die Verbindungsvorrichtung bei der Montage an der ersten Aussparung 14 leicht konisch ausgeführt sein. Die Senso- ren 20, 22, 24 können durch den Steg 26 in der ersten Aussparung 14 der Verbindungsvorrichtung platziert werden.
Oberhalb des Stegs 26 ist eine Sendeeinheit 28 vorgesehen. Diese befindet sich, zusammen mit weiteren Elektronikkomponenten, im montierten Zustand in der zweiten Aussparung 16. Die Sendeeinheit 28 kann ein Funkmodul 30 mit einer Antenne 32 umfassen. Optional kann die Antenne 32 in zwei Bereiche aufgeteilt sein. So kann ein erster Bereich dem Empfangen von Signalen der Auswertevorrichtung 34 und ein zweiter Bereich zum Senden von Daten an die Auswertevorrichtung 34 dienen. Auf diese Weise kann die Kommunikation bidirektional gestaltet werden und die Auswertevorrichtung 34 kann bei Bedarf Messwerte von der Verbin- dungsvorrichtung anfragen. Das Funkmodul 30 kann einen Controller mit einer elektromagnetischen Abschirmung aufweisen.
Die Sendeeinheit 28 kann den momentanen Parameters und/oder den momentanen Zustand der Verbindungsvorrichtung kabellos senden.
Die Sendeeinheit 28 kann insbesondere auch auf der Temperatur basierende Temperaturdaten, die vom Temperatursensor 24 bestimmt werden, kabellos senden. Optional kann die Temperatur auch durch einen im oder am Controller angebrachten Temperatursensor 24 er- fasst werden.
Beispielsweise kann bei Über- oder Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes ein Warnsignal und/oder die Temperatur als Temperaturdaten kabellos gesendet werden. Alternativ o- der zusätzlich können Temperaturdaten zur Bestimmung eines Warnsignals bei Über- oder Unterscheiten eines Temperaturgrenzwertes kabellos gesendet werden. Der Temperatureinfluss auf den momentanen Parameter kann noch in der Verbindungsvorrichtung kompensiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Temperaturdaten zur Kompensation eines Temperatureinflusses auf den momentanen Parameter kabellos gesendet werden, beispielsweise an eine externe Auswertevorrichtung 34, wie sie im Zusammen- hang mit Fig. 3 noch genauer beschrieben wird.
Die Verbindungsvorrichtung kann einen als Knopfzelle 36 ausgebildeten Energiespeicher umfassen. Als Energiespeicher 36 kann auch z.B. ein Akkumulator, eine Batterie, insbesondere Dünnschichtbatterie, ein Kondensator und/oder Supercap dienen.
Der passive Sensor 22 kann auch als Energiegewinnungsvorrichtung dienen und beispielsweise den Energiespeicher 36 laden bzw. zur unmittelbaren Energieversorgung der Elektronik, insbesondere der Sendeeinheit 28 und/oder des aktiven Sensors 20, dienen. Alternativ ist der passive Sensor 22 in einem schwingfähigen Bereich der Verbindungsvorrichtung angeordnet und wird über Trägheitskräfte in Bewegung versetzt.
Der Energiespeicher 36 kann in einer Halterung 38 aufgenommen sein. In dieser Halterung 38 kann der Energiespeicher 36 lösbar gehalten werden. Ein schneller Austausch wird dadurch ermöglicht.
Zwischen dem Energiespeicher 36 und der Sendeeinheit 28 kann eine Analogelektronik 40 mit einem Analogvorverstärker 42 vorgesehen sein.
Die Sendeeinheit 28 ist dazu ausgebildet, die Daten des zumindest einen Sensors 20, 22, 24 kabellos zu senden. Optional kann in der zweiten Aussparung 16 auch eine Auswertevorrichtung vorgesehen sein, welche die Daten zunächst zumindest teilweise auswertet, ehe diese gesendet werden.
Der momentane Parameter bzw. momentane Zustand, z.B. die momentane Anzugskraft, so- wie ggf. die Temperaturdaten können über die Sendeeinheit 28 kabellos gesendet werden, beispielsweise an eine externe Auswertevorrichtung 34, eine Anzeigevorrichtung und/oder ein zentrales System eines Fahrzeugs.
In Fig. 3 ist eine externe Auswertevorrichtung 34 gezeigt. Dabei kann es sich z.B. um ein Smartphone oder ein Tablet handeln. Die Auswertevorrichtung 34 umfasst eine Empfangseinheit 44, eine Recheneinheit 46 eine als Display 48 ausgebildete Anzeigevorrichtung.
Die Signale der Sendeeinheit 28 können von der Empfangseinheit 44 kabellos empfangen werden und an die Recheneinheit 46 weitergeleitet werden. Die Recheneinheit 46 kann die empfangenen Daten auswerten. Dabei kann die Recheneinheit 46 beispielsweise auf eine Datenbank zugreifen. Die ausgewerteten Daten können beispielsweise graphisch dargestellt und am Display 48 ausgegeben werden. So kann beispielsweise dargestellt werden, wie hoch jeweils die Anzugskraft und/oder Temperatur der Verbindungsvorrichtungen ist bzw., ob die An- zugskraft und/oder Temperatur einen kritischen Wert erreichen.
Es kann beispielsweise auf einfache Weise überprüft werden, ob die Schrauben eines Reifens bzw. aller Reifen eines Fahrzeugs fest genug angezogen sind und ein sicherer Betrieb möglich ist. Weiterhin kann ein Lösen der Schrauben und somit ein Diebstahl der Radschrauben detektiert werden. Durch die Kombination von passivem und aktivem Sensor 22, 20 lässt sich das langsame und plötzliche Lösen der Schrauben instantan detektieren, sodass auch ein plötzliches Abreißen des Schraubenkopfes 13 oder ein Diebstahl der Schrauben bei längerem Stillstand des Wagens energiearm detektiert werden kann. In Fig. 4 ist ein montierter Zustand dargestellt. Zu sehen sind die in der zweiten Aussparung 16 angeordneten Elektronikkomponenten, z.B. die Sendeeinheit 28. Darunter, in der ersten Aussparung 18, sind die Sensoren 20, 22, 24 vorgesehen.
Der Dehnungsmessstreifen 20 kann an einer Stirnseite am Boden des Sacklochs 18 befestigt, insbesondere verklebt, verschweißt, verschraubt, verpresst, vernietet und/oder verklemmt, sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Dehnungsmessstreifen 20 auch an einer Seitenwandung des Sacklochs 18 befestigt sein. Zumindest ein Sensor 20, 22, 24 steht mit der Sendeeinheit 28 in Kontakt. Die zweite Aussparung 16 kann durch ein Verschlusselement 50 verschlossen werden. Ein Verschlusselement 50 ist beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Das Verschlusselement 50 kann auf die Verbindungsvorrichtung geclipst werden. Dazu können mehrere Rastnasen 51 vorgesehen sein, welche vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Auf diese Weise kann die zweite Aussparung 16, insbesondere lösbar, verschlossen und die Elektronik insbesondere vor Wassereintritt geschützt werden. Alternativ kann die Aussparung 16 auch vollständig mit einer Schutzmasse eingegossen werden. Vorzugsweise ist das Verschlusselement 50 signaldurchlässig, d.h. die von der Sendeeinheit 28 gesendeten Daten können das Verschlusselement 50 durchdringen. Fig. 6 zeigt eine Verbindungsvorrichtung mit aufgesetztem Verschlusselement 50. Beispielsweise zu Wartungszwecken kann das Verschlusselement 50 einfach abgenommen werden.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen verschiedene Ansichten eines als Drehmomentschlüssel 52 ausgebildeten Montagewerkzeugs für eine Verbindungsvorrichtung. Der Drehmomentschlüssel weist eine Eingreifvorrichtung 54 auf, die beispielsweise einen Schraubenkopf aufnehmen kann.
Die Eingreifvorrichtung 54 umfasst eine Nuss, welche Schlitze 56 aufweist. Durch die Schlitze 56 kann ein von einer Sendeeinheit 28 einer Verbindungsvorrichtung gesendetes Signal ungestört hindurchtreten.
Eine Empfangseinheit 44 kann die Signale folglich ungestört empfangen. Die Signale können, ggf. nach einer Auswertung in einer Auswertevorrichtung 34, in einer Anzeigevorrichtung 48 angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Empfangseinheit 44 auch als Signalwiedergeber 58 ausgebildet sein. Die empfangenen Signale können dabei empfangen und an eine externe Auswertevorrichtung 34, wie sie beispielhalft in Fig. 3 dargestellt ist, weitergeleitet werden.
Ein Benutzer weiß bei beiden Varianten auch während der Montage, ob eine gewünschte An- zugskraft der Verbindungsvorrichtung erreicht ist.
Das Montagewerkzeug 52 kann optional einen Energiewandler 60 umfassen, welcher einen Energieeintrag in die zu montierende Verbindungsvorrichtung ermöglicht. Beispielsweise ein Energiespeicher 36 der Verbindungsvorrichtung kann auf diese Weise während der Montage geladen werden. Bezugszeichenliste
10 Grundkörper
12 Außengewinde
13 Schraubenkopf, Sechskant, Montageabschnitt
14 erste Aussparung
16 zweite Aussparung
18 Sackloch
19 Übergangsbereich
20 aktiver Sensor, Dehnungssensor, Dehnungsmessstreifen
22 passiver Sensor, piezoelektrischer oder elektrodynamischer Verbindungssensor
24 Tem peratu rsen sor
26 Steg, flexible Leiterplatte, Röhrchen, konischer Dorn
28 Sendeeinheit
30 Funkmodul
32 Antenne
34 Auswertevorrichtung
36 Batterie, Energiespeicher
38 Halterung
40 Analogelektronik
42 Analogvorverstärker
44 Empfangseinheit
46 Recheneinheit
48 Display, Anzeigevorrichtung
50 Verschlusselement
51 Rastnase
52 Drehmomentschlüssel, Montagewerkzeug
54 Eingreifvorrichtung, Nuss
56 Schlitz
58 Signalwiedergeber
60 Energiewandler

Claims

Ansprüche
Verbindungsvorrichtung, insbesondere Schraube, zum mechanischen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils, umfassend
zumindest einen Verbindungssensor (20, 22), insbesondere Dehnungssensor (20), welcher dazu ausgebildet ist, wenigstens einen momentanen Parameter einer mechanischen Verbindung zu detektieren, wobei über den Parameter eine momentane Anzugskraft der mechanischen Verbindung bestimmbar ist,
einen Temperatursensor (24) zur Bestimmung der Temperatur, und
zumindest eine Sendeeinheit (28) zum kabellosen Senden von auf der Temperatur basierenden Temperaturdaten sowie des momentanen Parameters und/oder der momentanen Anzugskraft.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, bei Über- oder Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes ein Warnsignal und/oder die Temperatur als Temperaturdaten kabellos zu senden und/oder
dass die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, Temperaturdaten zur Bestimmung eines Warnsignals bei Über- oder Unterscheiten eines Temperaturgrenzwertes kabellos zu senden.
3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Temperatureinfluss auf den momentanen Parameter zu kompensieren und/oder Temperaturdaten zur Kompensation eines Temperatureinflusses auf den momentanen Parameter kabellos zu senden. 4. Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest zwei, insbesondere vier, Dehnungssensoren (20), vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, als Verbindungssensoren vorgesehen sind. 5. Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Energiespeicher (36) und/oder eine Energiegewinnungsvorrichtung.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Temperatursensor (24) eine Diode umfasst, die insbesondere in einem Nahbereich des Verbindungssensors (20, 22) angeordnet ist oder einen Teil des Verbindungssensors (20, 22) bildet.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturdaten auf zumindest einer elektrischen Eigenschaft, insbesondere der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und/oder dem Rauschverhalten, einer Diode oder eines Widerstands basieren.
System zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, umfassend
zumindest eine Verbindungsvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, und
eine externe Auswertevorrichtung (34), welche mit der
Sendeeinheit (28) drahtlos gekoppelt oder koppelbar ist.
System nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die externe Auswertevorrichtung (34) eine Anzeigevorrichtung (48) umfasst, die dazu ausgebildet ist, die von der Sendeeinheit (28) empfangenen Temperaturdaten und/oder die momentane Anzugskraft anzuzeigen.
System nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Auswertevorrichtung (34) eine Datenbank umfasst oder Zugriff auf eine Datenbank ermöglicht, welche zumindest eine elektrische Eigenschaft, insbesondere die elektrischen Spannung, den elektrischen Strom und/oder das Rauschverhalten, einer Diode oder eines Widerstands, insbesondere bei tiefen Temperaturen ohne wirkende Anzugskraft, bei tiefen Temperaturen mit wirkender Anzugskraft, bei Raumtemperatur ohne wirkende Anzugskraft und/oder bei Raumtemperatur mit wirkender Anzugskraft, aufweist. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Auswertevorrichtung (34) dazu ausgebildet ist, ein Signal, insbesondere ein Warnsignal, auszugeben, wenn ein Temperaturgrenzwert und/oder ein Anzugskraftgrenzwert überschritten oder unterschritten wird.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswertevorrichtung (34) als Mobiltelefon ausgebildet ist oder in eine vorhandene Auswerteeinheit eines Fahrzeugs integriert ist.
Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, insbesondere mit einem System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem
mittels eines Temperatursensors (24) einer wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil mechanisch verbindenden Verbindungsvorrichtung die Temperatur bestimmt wird, mittels eines Verbindungssensors (20, 22) der Verbindungsvorrichtung wenigstens ein momentaner Parameter detektiert wird, und
mittels einer Sendeeinheit (28) der Verbindungsvorrichtung auf der Temperatur basierende Temperaturdaten sowie der momentane Parameter und/oder eine aus dem momentanen Parameter bestimmte momentane Anzugskraft kabellos an eine externe Auswerteeinheit (34) gesendet werden.
14. Verbindungsvorrichtung, insbesondere Schraube, zum mechanischen Verbinden wenigstens eines ersten und eines zweiten Bauteils, umfassend
zumindest einen aktiven Verbindungssensor (20), insbesondere Dehnungssensor, welcher dazu ausgebildet ist, Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung zu detektieren, und zumindest einen passiven Verbindungssensor (22), welcher dazu ausgebildet ist, Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung zu detektieren.
15. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch
einen Temperatursensor (24) zur Bestimmung der Temperatur. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aktive Verbindungssensor (20) einen Dehnungssensor, insbesondere Dehnungsmessstreifen, vorzugsweise eine Anordnung von zumindest zwei, insbesondere vier, Dehnungsmessstreifen, umfasst, und/oder dass der passive Verbindungssensor (22) einen piezoelektrischen oder elektrodynamischen Verbindungssensor umfasst.
Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aktive Verbindungssensor (20) über den passiven Verbindungssensor (22) und/oder einen Temperatursensor (24) aktivierbar ist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass der passive Verbindungssensor (22) eine Energiegewinnungsvorrichtung umfasst oder als Energiegewinnungsvorrichtung ausgebildet ist, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für den aktiven Verbindungssensor (20).
Verfahren zum Überwachen einer mechanischen Verbindung, insbesondere mit einer Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem
zumindest ein aktiver Verbindungssensor (20), insbesondere Dehnungssensor, einer wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil mechanisch verbindenden Verbindungsvorrichtung Langzeitveränderungen wenigstens eines Parameters, insbesondere einer Anzugskraft, einer mechanischen Verbindung detektiert, und
zumindest ein passiver Verbindungssensor (22) Kurzeitveränderungen des Parameters der mechanischen Verbindung detektiert.
Montagewerkzeug (52), insbesondere Drehmomentschlüssel, zur Montage einer Verbindungsvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 14 bis 18, aufweisend
eine Eingreifvorrichtung (54) zum Eingreifen in einen Montageabschnitt (13), insbesondere Schraubenkopf, der Verbindungsvorrichtung, wobei die Eingreifvorrichtung (54) derart ausgebildet ist, dass ein von einer Sendeeinheit (28) der Verbindungsvorrichtung kabellos gesendetes Signal empfangen und/oder nicht gestört wird. Montagewerkzeug (52) nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Eingreifvorrichtung (54) eine zumindest teilweise geöffnete Nuss oder eine Nuss mit einem signaldurchlässigen Material, insbesondere Kunststoff und/oder Keramik, umfasst.
Montagewerkzeug (52) nach Anspruch 20 oder 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Montagewerkzeug (52) eine Empfangseinheit (44), eine Auswertevorrichtung (34), insbesondere mit einer Kalibrierungsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung (48), einen Energiewandler (60) und/oder einen Signalwiedergeber (58) umfasst.
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