WO2020164933A1 - Kraftmessvorrichtung - Google Patents

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WO2020164933A1
WO2020164933A1 PCT/EP2020/052532 EP2020052532W WO2020164933A1 WO 2020164933 A1 WO2020164933 A1 WO 2020164933A1 EP 2020052532 W EP2020052532 W EP 2020052532W WO 2020164933 A1 WO2020164933 A1 WO 2020164933A1
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WO
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force
measuring device
force measuring
absorbing body
load
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PCT/EP2020/052532
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Freudigmann
Sebastian Horn
Sven RIEXINGER
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Fischerwerke GmbH and Co KG
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Fischerwerke GmbH and Co KG
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/028—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load with a load-indicating washer or washer assembly
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • G01L5/243—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed using washers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation

Definitions

  • the invention relates to a force measuring device for measuring and monitoring a pretensioning force of a mechanical connection with the features of the preamble of claim 1.
  • Such a force measuring device is disclosed in the laid-open specification DE 10 2016 219 953 A1.
  • the invention disclosed in the laid-open specification relates to a device for measuring the prestressing force of a mechanical connection that is established between a component and a fastening base.
  • the pre-tensioning force is generated by a screw that is screwed through the component into the mounting base, with a screw head coming into contact with the component.
  • a sensor element in the form of a washer is arranged between the screw head and the component.
  • This sensor element contains three capacitive sensors, the capacitive sensors being arranged radially with respect to the screw in such a way that tilting of the screw with respect to the ground or tilting of the component with respect to the ground can be detected.
  • the capacitive sensors form the end points of an imaginary equilateral triangle in a plane parallel to the ground. If tilting occurs, the capacitive sensors detect different measurement signals depending on the strength or the position of the tilting due to different distances, whereby conclusions can be drawn about the movement of the component or the change in the preload force of the mechanical connection.
  • the disadvantage of the solution presented in the laid-open specification is that the sensor element can only absorb large pre-tensioning forces to a limited extent, since the pre-tensioning force exerted by the screw on the attachment and the substrate acts directly on the capacitive sensors of the sensor body. If the pre-tensioning force exceeds a limit value that depends on the design of the sensor body, the capacitive sensors are inevitably damaged, in the worst case destroyed.
  • the object of the invention is to propose a force measuring device which is able to absorb uniformly or unevenly distributed prestressing forces of several hundred kilonewtons (kN) and to be able to reliably detect a change of such large prestressing forces.
  • the invention proposes a force measuring device for measuring and monitoring a prestressing force of a mechanical connection.
  • a “mechanical connection” is to be understood in particular as a screw connection in which an add-on part is systematically pressed against a substrate with a prestressing force, but also all screw connections in which a change in the prestressing force is relevant to be detected.
  • the present invention is intended for heavily loaded mechanical connections and mechanical connections in the security area. Such applications can be found, for example, in roller coasters, bridge constructions, aircraft, trains or the like, in which it is of the greatest importance to be able to reliably and immediately detect a change in the prestressing force and even to be able to monitor it in real time.
  • the force measuring device comprises a first, in particular sleeve-like force absorbing body with a first through opening and a second, in particular sleeve-like force absorbing body with a second through opening, the first and second through opening forming a common passage of the force measuring device for receiving a fastening element.
  • the first and the second force absorbing body are designed in particular geometrically identical.
  • the fastening element is in particular a screw with a screw head or a threaded rod on which a nut is arranged.
  • the fastening element can also be designed as an expansion anchor or composite anchor, this list not being exhaustive.
  • the passage of the force measuring device extends along a force measuring device longitudinal axis, wherein the fastening element can be introduced into the passage in the direction of the force measuring device longitudinal axis.
  • the first and the second force-absorbing body can be plugged onto the fastening element.
  • the first force-absorbing body has in particular a first, in particular plane, contact surface, the first contact surface for contact with a nut, a Screw head or the like of the fastening element is used when the first force-absorbing body is plugged onto the fastening element.
  • a washer can also be arranged between the first contact surface and the fastening element.
  • the second force-absorbing body has, in particular, a second, in particular plane, contact surface, the second contact surface being provided for contact with the attachment or the fastening base itself. In particular, when the first and the second force-absorbing body are arranged on the fastening element, that is to say are slipped on, the first and the second contact surface are oriented parallel to one another.
  • a prestressing force caused by the fastening element on the fastening base is transmitted from the fastening element to the fastening base via the first force-absorbing body and the second force-absorbing body.
  • the fastening element braces the first and the second force-absorbing body against one another and against the fastening base.
  • the force-absorbing bodies do not necessarily have to be designed like a sleeve.
  • a plate-like or disk-like design of the receiving body is also possible. It is only essential for the invention that both receiving bodies have a through opening for receiving the fastening element.
  • a plurality of sensor elements are arranged between the first and the second force-absorbing body, each of which, in particular, is arranged at the same distance radially from the longitudinal axis of the force-measuring device.
  • “Between” means that when the first and the second force absorbing body are attached to the fastening element, the sensor elements are located spatially and in relation to the longitudinal axis of the force measuring device between the force absorbing bodies.
  • the sensor elements can also protrude beyond a maximum radial extent of the first and the second force absorbing body with respect to the force measuring device longitudinal axis and, in extreme cases, can be arranged entirely outside the radial extent of the force absorbing body.
  • the sensor elements are also spaced apart from one another in the circumferential direction.
  • the force measuring device has at least two sensor elements. At least two sensor elements are necessary in order to detect a tilting of the first and the second force-absorbing body relative to one another and thus a change in the pretensioning force in at least two directions. However, it is preferred to monitor the pretensioning force in one plane, the plane being oriented orthogonally to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • the force measuring device preferably has at least three sensor elements, the sensor elements in particular are arranged in a circle in the plane at intervals of a maximum of 120 ° from one another.
  • the force measuring device particularly preferably has at least four sensor elements which are arranged in particular on a circle in the plane at a maximum spacing of 90 ° from one another.
  • any type of sensor element which is able to determine a relative movement of the first and second force absorbing bodies to one another when the force absorbing bodies are arranged on the fastening element can serve as sensor elements.
  • sensor elements include, in particular, sensor elements that are designed as capacitors, a sensor element in particular comprising two capacitor surfaces that form a capacitor.
  • Sensor elements that are essentially based on an optical distance measurement, as is the case for example with laser triangulation, are also conceivable.
  • an elastically deformable load element is arranged between the first and the second force absorbing body to transfer the prestressing force applied by the fastening element from the first to the second force absorbing body and that a load-free area is also arranged between the first and the second force absorbing body , which does not transmit any pretensioning force between the first and the second force-absorbing body, the sensor elements being arranged only in the load-free area.
  • the load element is made of a metal which is able to deform elastically at a force of several hundred kN.
  • An elastically deformable ceramic is also conceivable.
  • the load element has, in particular, the shape of a tube, cylinder or cuboid extending in particular in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device, the shape ultimately being able to be configured as desired.
  • the load element thus functions as a kind of "elastic buffer" between the force absorbing bodies, the load element absorbing the pretensioning force, which in particular acts exclusively in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device, and is reversibly compressed by this.
  • the preload force is thus through the fastening element is transmitted via the first force absorbing body to the load element, the second force absorbing body and finally to the attachment and the fastening base.
  • the load element is also designed, in particular, like a sleeve and, in particular, is provided with a load element through-opening for attachment to the fastening element.
  • the load element passage opening corresponds here to the common passage of the force measuring device.
  • the load element can be designed in one piece and, if it is arranged between the first and the second force absorbing body, lie flat with a first end face on the first and planar with a second end face against the second force absorbing body. It is also possible for the load element to be firmly, in particular in one piece, connected to one or both of the force absorbing bodies.
  • the first and the second force-absorbing body and the load element are arranged coaxially on the fastening element.
  • the load element here has in particular a load element area which corresponds to less than 90%, in particular less than 75%, preferably less than 60% of a common top surface that is formed between the first and second force absorbing body when the first and second force absorbing body have are attached to the fastening element.
  • the common top surface corresponds in particular to the radial extension of the first and the second force-absorbing body with respect to the longitudinal axis of the force-measuring device.
  • the common top surface is in particular a circular surface. Due to the ratio of the load element area and the common cover area, in particular the load element does not protrude radially with respect to the longitudinal axis of the force measuring device over the first and the second force absorbing body.
  • the shape of the load-free area between the load-bearing bodies depends on the design of the load-bearing body.
  • a “load-free area” should be understood to mean an area which only absorbs a very small proportion of the pretensioning forces of the mechanical connection, in particular less than 5%, in particular less than 2%, in particular no pretensioning force.
  • the sensor elements are only arranged in the load-free area. As a result, if the force measuring device is used as intended, the sensor elements are not damaged even with prestressing forces of several hundred kN, since these are not in the force flow of the force measuring device and are therefore essentially not loaded.
  • the material and the cross-section of the load elements must be matched to the force to be applied. It It must be ensured that the load elements are always operated in the elastic range and do not deform plastically.
  • the force measuring device has a plurality of elastically deformable load elements. These are, in particular, of identical design and are radially spaced apart with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, and in particular are arranged in a rotationally symmetrical manner between the first and second force absorbing bodies.
  • the rotationally symmetrical arrangement and the, in particular, identical configuration of the load elements ensure that the pretensioning force is transmitted uniformly from the first force-absorbing body to the second force-absorbing body via the load elements.
  • the “particularly identical design” of the load elements is to be understood as meaning that the load elements have an identical cross section and are made of the same material. This ensures that each load element is deformed to the same extent under the same load.
  • the load elements divide the originally, in particular, contiguous load-free area into, in particular, several individual load-free partial areas.
  • the load-free areas and the load elements are arranged, in particular with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, with rotational symmetry between the first and the second force-absorbing body.
  • the number of load-free partial areas corresponds to the number of sensor elements.
  • exactly one sensor element is arranged in each of the load-free partial areas. This ensures that an even or uneven distribution of the pre-tensioning force on the load elements can be reliably detected.
  • An uneven distribution of the preload force on the load elements leads to the load elements being compressed unequally by the "tilting" of the first and second force-absorbing bodies, which consequently leads to a reduction in the corresponding load-free area in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device at the corresponding point.
  • a sensor arranged in the corresponding load-free area detects this tilting and sends a measurement signal via which conclusions can be drawn about the strength of the tilting.
  • the sensor elements are designed as capacitors with a first and a second capacitor area.
  • the capacitors are designed as plate capacitors, which are optional may have a dielectric.
  • the first capacitor surface is in operative connection with the first force absorbing body and the second capacitor surface is in operative connection with the second force absorbing body.
  • “In a working connection” is to be understood as meaning that a movement of the first and / or the second force-absorbing body directly leads to a movement of the first and / or the second capacitor surface relative to one another due to a compression of the load element or the load elements.
  • the corresponding capacitor surfaces are adhesively attached to the respective force absorbing body.
  • the capacitor surfaces in particular have a circular shape and are in particular configured identically. Other shapes, such as the rectangular or square shape customary for plate capacitors, are also possible.
  • the dielectrics optionally arranged between the capacitor surfaces have, in particular, a shape that corresponds to the shape of the capacitor surfaces.
  • the capacitor surfaces are in particular fastened to the force-absorbing bodies in such a way that the capacitor surfaces lie in a plane which, in the unloaded state, are oriented orthogonally to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • a relative position of the first and the second capacitor surface to one another can be changed by a deformation of the elastically deformable load element or by a deformation of one of the elastically deformable load elements.
  • a change in the prestressing force leads to an elastic compression or an elastic expansion of the load element or elements. This compression or expansion corresponds directly to a change in the distance between the capacitor surfaces, so that conclusions can be drawn about the magnitude of the change in the prestressing force. This is done by measuring electronics that are connected to each sensor element.
  • the load elements extend in the direction of the longitudinal axis of the force measuring device and are arranged on the first force-absorbing body with rotational symmetry with respect to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • the load elements protrude from the first force absorbing body in the direction of the second force absorbing body, in particular in the manner of a pin.
  • the rotational symmetry depends on the number of load elements.
  • four load elements are arranged on the first force-absorbing body, each of which has a 90 ° - Include angles to each other and thus have fourfold rotational symmetry with respect to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • load elements can also or alternatively be arranged on the second force-absorbing body without departing from the inventive concept. However, for the sake of clarity, only the case is described below in which the load elements are arranged on the first force-absorbing body.
  • first and the second force absorbing body when they are arranged on the fastening element, can be rotated relative to one another with respect to the longitudinal axis of the force measuring device, which could lead to damage to the sensor elements or at least to measurement inaccuracies, are in a further advantageous embodiment of the invention on the second force-absorbing body bearing elements are arranged in particular rotationally symmetrically with respect to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • the bearing elements protrude from the second force-absorbing body in the direction of the first force-absorbing body, in particular in the manner of a pin.
  • the number of bearing elements corresponds in particular to the number of load elements.
  • the bearing elements have an identical rotational symmetry with respect to the longitudinal axis of the force measuring device as the load elements.
  • the bearing elements can also or alternatively be arranged on the first force-absorbing body. It is generally possible for the load elements and the bearing elements to be arranged in a distributed manner on the first and the second force-absorbing body. Here, too, only the case is described below in which the bearing elements are only arranged on the second force-absorbing body.
  • the bearing elements and the load elements are arranged alternately to one another, the elastically deformable load elements and the bearing elements interlocking, in particular in a form-fitting manner and with a play-fit, similar to a mortise and tenon connection.
  • the first force absorbing body with the load elements arranged thereon and the second force absorbing body with the bearing elements arranged thereon in particular each have a shape similar to a locknut wrench, with one locknut wrench engaging in a groove of the other locknut wrench.
  • a load-free partial area is formed between two adjacent elastically deformable load elements.
  • the load-free subregions are formed in particular in that the bearing elements extend less far from the second force absorbing body in the direction of the first force absorbing body than the load elements extend from the first force absorbing body in the direction of the second force absorbing body.
  • the first and the second force absorbing body are supported on one another via the load elements, whereas the bearing elements do not come into contact with the first force absorbing body.
  • the bearing elements and the elastically deformable load elements have identical cross-sectional areas in a radial plane with respect to the longitudinal axis of the force measuring device in order to ensure the best possible anti-rotation protection of the first and second force absorbing body relative to one another.
  • the cross-sectional areas are designed in particular as segments of a circle of identical size.
  • a simple construction of the force measuring device is realized in a further advantageous embodiment of the invention in that the first and the second force absorbing body are connected to one another in one piece.
  • This can be realized, for example, in that the load-free areas are produced by recesses, for example by millings, which are produced in a direction orthogonal to the longitudinal axis of the force measuring device.
  • Other suitable material-removing processes are also possible.
  • Such a configuration of the force measuring device is characterized by a particular robustness.
  • the load elements are integrally connected to the, in particular, first force-absorbing body and the bearing elements are integrally connected to the, in particular, second force-absorbing body.
  • This can be implemented, for example, by a material connection.
  • the bearing elements and the load elements on the corresponding force absorbing bodies can also be produced by an additive manufacturing process, a sintering process or the like.
  • a large number of material-removing or material-applying methods can be used to produce the load elements on the first force-absorbing body or the bearing elements on the second force-absorbing body.
  • the force measuring device is embedded in a weather-resistant protective layer in a further advantageous embodiment of the invention.
  • This protective layer consists in particular of a weather-resistant plastic, a rubber-like material, a wax layer or the like.
  • a requirement that must be made of the protective layer is only that a function of the force measuring device is not influenced, but that the desired protection is provided.
  • the force measuring device can be protected from dust, moisture and dirt, which enables use in dry and damp areas and even under water.
  • FIG. 1 shows a first force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration
  • FIG. 2 shows a second force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration
  • FIG. 3 shows a third force measuring device according to the invention in a perspective, partially transparent illustration.
  • FIG. 1 shows a first force measuring device 1 according to the invention. This is shown in perspective and, for better illustration of the individual components, partially transparent.
  • the force measuring device 1 comprises a first disk-shaped force absorbing body 2.
  • the first force absorbing body 2 has a first through opening 3 which is arranged centrally in the first force absorbing body 2.
  • the through opening 3 is used to receive a fastening element 4 in the form of a threaded rod 5.
  • the first force-absorbing body 2 also has a first flat contact surface 6 for contact with a washer 7 and a nut 8, the nut 8 being screwed onto the threaded rod 5.
  • the force measuring device 1 further comprises a second disk-shaped force absorbing body 9.
  • the second force absorbing body 9 has a second through opening 10 which is arranged centrally in the second force absorbing body 9 and coaxially to the first through opening 3.
  • the second force absorbing body 9 is pushed onto the threaded rod 5 via the second through opening 10.
  • the second force absorbing body 9 has a second planar contact surface 11 for the contact of the second force absorbing body 9 with an attachment or a mounting base (neither of which is shown).
  • the threaded rod 5 is anchored, for example, in the mounting base and holds the attachment on the mounting base.
  • the first through opening 3 of the first force absorbing body 2 and the second through opening 10 of the second force absorbing body 9 form a common passage 12 for the threaded rod 5.
  • the first force absorbing body 2 and the second force absorbing body 9 are rotationally symmetrical with respect to a force measuring device longitudinal axis 13.
  • a load element 14 is arranged between the first force absorbing body 2 and the second force absorbing body 9.
  • the load element 14 is designed like a sleeve and has a load element through-opening 15 for receiving the threaded rod 5.
  • the load element 14 is also designed to be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 13 of the force measuring device and is arranged coaxially to the first force absorbing body 2 and to the second force absorbing body 9.
  • the load element 14 is integrally connected to the first and the second force-absorbing body 2, 9.
  • the load element 14 has a smaller radial extent with respect to the force measuring device longitudinal axis 13 than the first and second force-absorbing bodies 2, 9 with respect to the force measuring device longitudinal axis 13. This creates a load-free, ring-shaped open one between the first and the second force-absorbing body 2, 9 load-free area 21 is formed.
  • Both the first force absorbing body 2 and the second force absorbing body 9 are made of steel.
  • the threaded rod 5 and the nut 8 are also made of steel.
  • each sensor element 16 which are designed as capacitors 17, is arranged between the first and second force absorption bodies 2, 9, the capacitors 17 each having a first capacitor surface 18 and a second capacitor surface 19.
  • the capacitors 17 are radially spaced at an identical distance from the force measuring device longitudinal axis 13 and enclose a 90 ° angle to the respectively adjacent capacitor 17 in relation to the force measuring device longitudinal axis 13 and the center of the respective capacitor 17.
  • the first capacitor surfaces 18 are connected to the first force absorbing body 2 and the second capacitor surfaces 18 are connected to the second force absorbing body 9.
  • the first capacitor surfaces 18 and the respective associated second capacitor surfaces 19 are congruent and oriented such that an electrical field can be produced between a first capacitor surface 18 and an associated capacitor surface 19 by means of electronics (not shown).
  • the first and the second capacitor surfaces 18, 19 each have a distance D from one another, the distance D extending in the direction of the longitudinal axis 13 of the force measuring device.
  • a desired pretensioning force F is generated, which is applied by the washer 7 to the first force-absorbing body 2, to the load element 14, to the second force-absorbing body 9 and finally to the mounting base and / or the Attachment (both not shown) is transferred.
  • the load element 14 is hereby elastically compressed in the direction of the prestressing force F.
  • the pretensioning force F must not be so great that it compresses the load element 14 in such a way that the first and second capacitor surfaces 18, 19 touch, that is, there is no longer a distance D between them or the load element 14 is plastically deformed.
  • the first capacitor surfaces 18 are in operative connection with the first force absorbing body 2 and the second capacitor surfaces 19 with the second force absorbing body 9, so that the respective capacitor surface 18, 19 is moved along with the respective force absorbing body 2, 9. Because the capacitors 17 are arranged in the load-free area 21, no pretensioning force F is transmitted to the capacitors 17. In the ideal case, the distance D is identical between all the first and second capacitor surfaces 18, 19 after the desired pretensioning force F has been set. In addition, ideally you are in this state the first Force receiving body 2 and the second force receiving body 9 oriented parallel to one another.
  • the load element 14 will elastically deform back and thereby the distance D between the first and second capacitor surfaces 18 , 19 change, which leads to a change in the capacitance of the respective capacitor 17. If the distances D of, for example, two opposing capacitors 17 change differently, the first force absorbing body 2 is tilted with respect to the second force absorbing body 9, as a result of which the first and second force absorbing bodies 2, 9 are no longer oriented parallel to one another.
  • the distances D of all the first and second capacitor surfaces 18, 19 change to the same extent, a general reduction in the prestressing force F can be assumed. This is the case, for example, when the nut 8 is moved uniformly on the threaded rod 5 counter to the direction of the prestressing force F.
  • the first and the second force-absorbing body 2, 9 are furthermore oriented at least almost parallel to one another.
  • FIG 2 shows another embodiment of a force measuring device 1a according to the invention.
  • the force measuring device 1 a is constructed similarly to the force measuring device 1. Therefore, only the differences are discussed below.
  • the force measuring device 1a comprises a first disk-like force absorbing body 2a with a first through opening 3a for receiving a fastening element such as a threaded rod (both not shown) and a first contact surface 6a for contacting the fastening element or a washer (not shown).
  • the force measuring device 1a further comprises a second disk-like force-absorbing body 9a with a second through opening 10a for receiving the fastening element (not shown) and a second contact surface 11a for contact with an attachment or a fastening base (both not shown).
  • the first through opening 3a and the second through opening 10a form a common passage 12a for the fastening element.
  • the first force absorbing body 2a and the second force absorbing body 9a are designed to be rotationally symmetrical with respect to a force measuring device longitudinal axis 13a.
  • On the second force absorbing body 9a four identically configured circular segment-like load elements 14a are arranged, which are integrally connected to the second force absorbing body 9a and extend parallel to the force measuring device longitudinal axis 13a in the direction of the first force absorbing body 2a.
  • the load elements 14a are flush with the second through opening 10a and extend radially with respect to the force measuring device longitudinal axis 13a to an outer circumference of the second force absorbing body 9a.
  • the load elements 14a are arranged on the second force-absorbing body 9a in four-fold rotational symmetry, that is to say, adjacent load elements 14a enclose a 90 ° angle to one another.
  • the first force absorbing body 2a is supported evenly via the load elements 14a on the second force absorbing body 9a, whereby the first and the second force absorbing body 2a, 9a are oriented parallel to one another.
  • Four identically configured circular segment-like bearing elements 20a are arranged on the first force absorbing body 2a, which are shorter than the load elements 14a and also extend parallel to the force measuring device longitudinal axis 13a in the direction of the second force absorbing body 9a.
  • the bearing elements 20a are designed and arranged on the first force absorbing body 2a in such a way that the bearing elements 20a can engage, like a backlash fit, in intermediate spaces which are formed by two adjacent load elements 14a on the second force absorbing body 9a.
  • the first and the second force absorbing body 2a, 9a thus engage in one another in a manner similar to a mortise and tenon connection.
  • the bearing elements 20a prevent the first force absorbing body 2a from being rotated with respect to the second force absorbing body 9a. Because the bearing elements 20a are “shorter” than the load elements 14a in relation to the longitudinal axis 13a of the force measuring device, load-free partial areas 22a are created between two adjacent load elements 14a.
  • the force measuring device 1a has four load-free subregions 22a, in each of which a sensor element 16a designed as a capacitor 17a is arranged.
  • a first capacitor surface 18a is connected to the first force absorbing body 2a and a second capacitor surface 19a is connected to the second force absorbing body 9a. If a force is applied to the first force absorbing body 2a with respect to the second force absorbing body 9a by means of a biasing force F a , only the load elements 14a are elastically deformed, whereby no biasing force F a is transmitted to the capacitors 17a themselves, but there is still a distance D a between the first and the second capacitor surfaces 18a and 19a changes.
  • a third embodiment of a force measuring device 1 b is shown. This differs from the second embodiment of the force measuring device 1a essentially in that a first force absorbing body 2b and a second force absorbing body 9b are integrally formed. As a result, the first and second force absorbing bodies 2b, 9b assume a shape similar to a hollow cylinder.
  • the first force receiving body 2b has a first through opening 3b and the second force receiving body 9b has a second through opening 10b, which form a common passage 12b for a fastening element (not shown).
  • the first force-absorbing body 2b has a first contact surface 6b for contacting the fastening element and the second force-absorbing body 9b has a second contact surface 11b for contacting a substrate or an attachment (both not shown).
  • the force measuring device 1 b is rotationally symmetrical with respect to a force measuring device longitudinal axis 13 b.
  • the load-free partial areas 22b represent recesses in the force measuring device 1b, which can be implemented, for example, by milling out.
  • the force measuring device 1b has four load-free subregions 22b, which have four-fold rotational symmetry with respect to the force measuring device longitudinal axis 13b, whereby adjacent load-free subregions 22b enclose a 90 ° angle to one another.
  • Each load-free sub-area 22b has a sensor element 16b, which is designed as a capacitor 17b with a first capacitor surface 18b and a second capacitor surface 19b.
  • the first capacitor surface 18b is connected to the first force absorbing body 2b and the second capacitor surface 19b is connected to the second force absorbing body 9b.
  • the force measuring device 1 b is particularly characterized by a robust and compact structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung (1), die einen ersten Kraftaufnahmekörper (2) und einen zweiten Kraftaufnahmekörper (9) aufweist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 9) ist ein lastfreier Bereich (21) angeordnet, in welchem Kondensatoren (16) angeordnet sind. Durch die Kondensatoren (16) ist eine Verkippung der Kraftaufnahmekörper (2, 9) zueinander detektierbar, was in einer Abstandsänderung zwischen ersten und zweiten Kondensatorflächen (18, 19) der Kondensatoren (16) resultiert. Durch den lastfreien Bereich (21) werden die Kondensatoren (16) nicht kraftbeaufschlagt.

Description

Beschreibung
Kraftmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine derartige Kraftmessvorrichtung ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2016 219 953 A1 offenbart. Die in der Offenlegungsschrift offenbarte Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, die zwischen einem Bauteil und einem Befestigungsgrund hergestellt wird. Die Vorspannkraft wird hierbei durch eine Schraube erzeugt, die durch das Bauteil in den Befestigungsgrund geschraubt ist, wobei ein Schraubenkopf mit dem Bauteil in Anlage tritt. Zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil ist ein Sensorelement in Form einer Unterlegscheibe angeordnet. Dieses Sensorelement beinhaltet drei kapazitive Sensoren, wobei die kapazitiven Sensoren derart zueinander radial bezüglich der Schraube angeordnet sind, dass eine Verkippung der Schraube bezüglich des Untergrunds, respektive eine Verkippung des Bauteils bezüglich des Untergrunds, detektierbar ist. Die kapazitiven Sensoren bilden hierbei in einer Ebene parallel zum Untergrund die Endpunkte eines gedachten gleichseitigen Dreiecks. Kommt es zu einer Verkippung, detektieren die kapazitiven Sensoren, abhängig von der Stärke bzw. der Position der Verkippung, unterschiedliche Messsignale aufgrund unterschiedlicher Abstände, wodurch auf die Bewegung des Bauteils respektive der Änderung der Vorspannkraft der mechanischen Verbindung rückgeschlossen werden kann.
Nachteilig an der in der Offenlegungsschrift dargestellten Lösung ist jedoch, dass das Sensorelement nur bedingt große Vorspannkräfte aufnehmen kann, da die Vorspannkraft, die von der Schraube auf das Anbauteil und den Untergrund ausgeübt wird, unmittelbar auf die kapazitiven Sensoren des Sensorkörpers einwirkt. Überschreitet die Vorspannkraft einen von der Ausgestaltung des Sensorkörpers abhängigen Grenzwert, werden die kapazitiven Sensoren unweigerlich beschädigt, im schlimmsten Fall zerstört. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftmessvorrichtung vorzuschlagen, die in der Lage ist, gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilte Vorspannkräfte von mehreren hundert Kilonewton (kN) aufzunehmen und eine Änderung derartig großer Vorspannkräfte zuverlässig detektieren zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schlägt eine Kraftmessvorrichtung zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung vor. Unter einer „mechanischen Verbindung“ ist insbesondere eine Schraubverbindung zu verstehen, bei der ein Anbauteil gegen einen Untergrund planmäßig mit einer Vorspannkraft gedrückt wird, aber auch sämtliche Schraubverbindungen, bei denen eine Detektion einer Änderung der Vorspannkraft relevant ist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für stark belastete mechanische Verbindungen sowie mechanische Verbindungen im Sicherheitsbereich vorgesehen. Derartige Anwendungen finden sich beispielsweise bei Achterbahnen, Brückenkonstruktionen, Flugzeugen, Zügen oder dergleichen wieder, bei welchen es von größter Wichtigkeit ist, eine Änderung der Vorspannkraft zuverlässig und unmittelbar zu detektieren und sogar in Echtzeit überwachen zu können.
Die Kraftmessvorrichtung umfasst einen ersten, insbesondere hülsenartigen Kraftaufnahmekörper mit einer ersten Durchgangsöffnung und einen zweiten, insbesondere hülsenartigen Kraftaufnahmekörper mit einer zweiten Durchgangsöffnung, wobei die erste und die zweite Durchgangsöffnung einen gemeinsamen Durchgang der Kraftmessvorrichtung zur Aufnahme eines Befestigungselements bilden. Der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper sind insbesondere geometrisch identisch ausgestaltet. Das Befestigungselement ist insbesondere eine Schraube mit einem Schraubenkopf oder eine Gewindestange, an der eine Mutter angeordnet ist. Das Befestigungselement kann jedoch auch als Spreizanker oder Verbundanker ausgeführt sein, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Der Durchgang der Kraftmessvorrichtung erstreckt sich entlang einer Kraftmessvorrichtungslängsachse, wobei das Befestigungselement in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse in den Durchgang einführbar ist. Anders gesprochen sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufsteckbar.
Der erste Kraftaufnahmekörper weist insbesondere eine erste, insbesondere plane, Anlagefläche auf, wobei die erste Anlagefläche zur Anlage einer Mutter, eines Schraubenkopfes oder dergleichen des Befestigungselements dient, wenn der erste Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufgesteckt ist. Zwischen der ersten Anlagefläche und dem Befestigungselement kann zudem eine Unterlegscheibe angeordnet sein. Der zweite Kraftaufnahmekörper weist insbesondere eine zweite, insbesondere plane, Anlagefläche auf, wobei die zweite Anlagefläche zur Anlage am Anbauteil oder am Befestigungsgrund selbst vorgesehen ist. Insbesondere sind, wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf dem Befestigungselement angeordnet, sprich aufgesteckt sind, die erste und die zweite Anlagefläche parallel zueinander orientiert. Somit wird eine durch das Befestigungselement hervorgerufene Vorspannkraft auf den Befestigungsgrund von dem Befestigungselement über den ersten Kraftaufnahmekörper und den zweiten Kraftaufnahmekörper auf den Befestigungsgrund übertragen. Anders gesprochen verspannt das Befestigungselement den ersten und den zweiten Kraftaufnahmekörper gegeneinander und gegen den Befestigungsgrund. Die Kraftaufnahmekörper müssen nicht zwangsläufig hülsenartig ausgestaltet sein. Eine plattenartige oder scheibenartige Ausgestaltung der Aufnahmekörper ist ebenfalls möglich. Wesentlich für die Erfindung ist lediglich, dass beide Aufnahmekörper eine Durchgangsöffnung zur Aufnahme des Befestigungselements aufweisen.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper sind mehrere Sensorelemente angeordnet, die jeweils und insbesondere in einem gleichen Abstand radial zu der Kraftmessvorrichtungslängsachse beabstandet angeordnet sind. Mit „zwischen“ ist gemeint, dass wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf das Befestigungselement aufgesteckt sind, sich die Sensorelemente räumlich und bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse gesehen zwischen den Kraftaufnahmekörpern befinden. Hierbei können die Sensorelemente auch über eine maximale radiale Ausdehnung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse hervorstehen und im Extremfall gänzlich außerhalb der radialen Ausdehnung der Kraftaufnahmekörper angeordnet sein. Zudem sind die Sensorelemente auch in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Insbesondere weist die Kraftmessvorrichtung mindestens zwei Sensorelemente auf. Mindestens zwei Sensorelemente sind notwendig, um eine Verkippung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander und somit eine Änderung der Vorspannkraft in zumindest zwei Richtungen zu detektieren. Bevorzugt ist jedoch eine Überwachung der Vorspannkraft in einer Ebene, wobei die Ebene orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse orientiert ist. Bevorzugt weist die Kraftmessvorrichtung hierfür mindestens drei Sensorelemente auf, wobei die Sensorelemente insbesondere auf einem Kreis in der Ebene in Abständen von maximal 120° zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt weist die Kraftmessvorrichtung jedoch mindestens vier Sensorelemente auf, welche insbesondere auf einem Kreis in der Ebene in Abständen von maximal 90° zueinander angeordnet sind. Durch die spezielle Anordnung mehrerer Sensorelemente ist es möglich, eine Verkippung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander in der Ebene zu detektieren. Eine Verkippung resultiert in verschieden großen Messsignalen der Sensorelemente, wodurch auf die Änderung der Vorspannkraft rückgeschlossen werden kann. Ändert sich die Vorspannkraft gleichmäßig, werden also der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper gleichmäßig voneinander beabstandet, detektieren alle Sensorelemente näherungsweise gleich große Messsignale. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die beiden Kraftaufnahmekörper durch Anziehen der Mutter des Befestigungselements, gegeneinander verspannt werden. Als Sensorelemente können prinzipiell jede Art von Sensorelementen dienen, die in der Lage sind, eine relative Bewegung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander festzustellen, wenn die Kraftaufnahmekörper am Befestigungselement angeordnet sind. Hierzu zählen insbesondere Sensorelemente, die als Kondensatoren ausgebildet sind, wobei ein Sensorelement insbesondere zwei Kodensatorflächen umfasst, die einen Kondensator bilden. Auch Sensorelemente, die im Wesentlichen auf einer optischen Abstandsmessung basieren, wie es beispielsweise bei der Lasertriangulation der Fall ist, sind vorstellbar.
Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ein elastisch deformierbares Lastelement zur Übertragung der durch das Befestigungselement aufgebrachten Vorspannkraft von dem ersten auf den zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet ist und dass zudem zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ein lastfreier Bereich angeordnet ist, der keine Vorspannkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper überträgt, wobei die Sensorelemente nur in dem lastfreien Bereich angeordnet sind. Das Lastelement ist insbesondere aus einem Metall hergestellt, welches in der Lage ist, sich bei einer Kraft von mehreren Hundert kN elastisch zu verformen. Auch eine elastisch verformbare Keramik ist denkbar. Das Lastelement weist insbesondere die Form eines sich insbesondere in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse erstreckenden Rohrs, Zylinders oder Quaders auf, wobei die Form letztendlich beliebig ausgestaltet sein kann. Bildlich gesprochen, fungiert das Lastelement also als eine Art„elastischer Puffer“ zwischen den Kraftaufnahmekörpern, wobei das Lastelement die Vorspannkraft, die insbesondere ausschließlich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse wirkt, aufnimmt und durch diese reversibel komprimiert wird. Die Vorspannkraft wird somit durch das Befestigungselement über den ersten Kraftaufnahmekörper auf das Lastelement, den zweiten Kraftaufnahmekörper und schließlich auf das Anbauteil und den Befestigungsgrund übertragen.
Das Lastelement ist ebenfalls insbesondere hülsenartig ausgestaltet und insbesondere mit einer Lastelementdurchgangsöffnung zum Aufstecken auf das Befestigungselement versehen. Insbesondere korrespondiert hierbei die Lastelementdurchgangsöffnung mit dem gemeinsamen Durchgang der Kraftmessvorrichtung. Das Lastelement kann einteilig ausgestaltet sein und, wenn es zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet ist, plan mit einer ersten Stirnseite am ersten und plan mit einer zweiten Stirnseite am zweiten Kraftaufnahmekörper anliegen. Auch ist es möglich, dass das Lastelement mit einem oder beiden Kraftaufnahmekörpern fest, insbesondere einstückig, verbunden ist. Insbesondere sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper sowie das Lastelement koaxial auf dem Befestigungselement angeordnet. Das Lastelement weist hierbei insbesondere eine Lastelementfläche auf, die weniger als 90%, insbesondere weniger als 75%, bevorzugt weniger als 60% einer gemeinsamen Deckfläche entspricht, die zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper ausgebildet ist, wenn der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper auf dem Befestigungselement aufgesteckt sind. Die gemeinsame Deckfläche korrespondiert insbesondere mit der radialen Ausdehnung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse. Die gemeinsame Deckfläche ist insbesondere eine Kreisfläche. Durch das Verhältnis der Lastelementfläche und der gemeinsamen Deckfläche steht insbesondere das Lastelement radial bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse nicht über den ersten und den zweiten Kraftaufnahmekörper über. Insbesondere entsteht hierdurch ein lastfreier Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper. Die Gestalt des lastfreien Bereichs zwischen den Kraftaufnahmekörpern ist von der Ausgestaltung des Lastaufnahmekörpers abhängig. Unter einem „lastfreien Bereich“ soll ein Bereich verstanden werden, der nur einen sehr geringen Anteil der Vorspannkräfte der mechanischen Verbindung, insbesondere weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, insbesondere keine Vorspannkraft aufnimmt. Die Sensorelemente sind nur in dem lastfreien Bereich angeordnet. Dies hat zur Folge, dass, wenn die Kraftmessvorrichtung wie vorgesehen eingesetzt wird, die Sensorelemente selbst bei Vorspannkräften von mehreren Hundert kN nicht beschädigt werden, da diese nicht im Kraftfluss der Kraftmessvorrichtung liegen und somit im Wesentlichen nicht belastet sind. Das Material und der Querschnitt der Lastelemente sind auf die aufzuwendende Kraft abzustimmen. Es muss gewährleistet sein, dass die Lastelemente stets im elastischen Bereich betrieben werden und sich nicht plastisch verformen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kraftmessvorrichtung mehrere elastisch deformierbare Lastelemente auf. Diese sind insbesondere identisch ausgestaltet und bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse radial beabstandet, sowie insbesondere drehsymmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet. Durch die drehsymmetrische Anordnung sowie durch die insbesondere identische Ausgestaltung der Lastelemente ist gewährleistet, dass die Vorspannkraft gleichmäßig von dem ersten Kraftaufnahmekörper über die Lastelemente auf den zweiten Kraftaufnahmekörper übertragen wird. Unter der „insbesondere identischen Ausgestaltung“ der Lastelemente ist zu verstehen, dass die Lastelemente einen identischen Querschnitt aufweisen sowie aus dem gleichen Material bestehen. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich jedes Lastelement unter gleicher Lasteinwirkung gleich stark verformt. Die Lastelemente teilen den ursprünglich insbesondere zusammenhängenden lastfreien Bereich in insbesondere mehrere einzelne lastfreie Teilbereiche. Die lastfreien Bereiche und die Lastelemente sind insbesondere bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse drehsymmetrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung korrespondiert die Anzahl der lastfreien Teilbereiche mit der Anzahl der Sensorelemente. Insbesondere ist in jedem der lastfreien Teilbereiche genau ein Sensorelement angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkraft auf die Lastelemente zuverlässig detektiert werden kann. Eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkraft auf die Lastelemente führt dazu, dass die Lastelemente durch das „Verkippen“ des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander ungleich stark komprimiert werden, was folglich an entsprechender Stelle zu einer Verkleinerung des entsprechenden lastfreien Bereichs in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse führt. Ein im entsprechenden lastfreien Bereich angeordneter Sensor detektiert diese Verkippung und sendet ein Messsignal über welches Rückschlüsse auf die Stärke der Verkippung gezogen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensorelemente als Kondensatoren mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche ausgestaltet. Insbesondere sind die Kondensatoren als Plattenkondensatoren ausgeführt, die optional ein Dielektrikum aufweisen können. Eine Änderung eines Abstandes der Kondensatorflächen relativ zueinander, sprich eine Verkleinerung des entsprechenden lastfreien Bereichs in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse, führt zu einer Kapazitätsänderung des jeweiligen Kondensators. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht die erste Kondensatorfläche mit dem ersten Kraftaufnahmekörper und die zweite Kondensatorfläche mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper in Wirkverbindung. Unter „in Wrkverbindung“ ist zu verstehen, dass eine Bewegung des ersten und/oder des zweiten Kraftaufnahmekörpers durch eine Komprimierung des Lastelements beziehungsweise der Lastelemente unmittelbar zu einer Bewegung der ersten und/oder der zweiten Kondensatorfläche zueinander führt. Insbesondere sind die entsprechenden Kondensatorflächen am jeweiligen Kraftaufnahmekörper klebend befestigt. Die Kondensatorflächen weisen insbesondere eine kreisrunde Form auf und sind insbesondere identisch ausgestaltet. Auch andere Formen, wie die für Plattenkondensatoren übliche Rechteck- oder Quadratform, sind möglich. Die optional zwischen den Kondensatorflächen angeordneten Dielektrika weisen insbesondere eine mit der Form der Kondensatorflächen korrespondierende Form auf. Die Kondensatorflächen sind insbesondere derart an den Kraftaufnahmekörpern befestigt, dass die Kondensatorflächen in einer Ebene liegen, die im unbelasteten Zustand orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse orientiert sind.
Eine relative Position der ersten und der zweiten Kondensatorfläche zueinander ist durch eine Deformation des elastisch deformierbaren Lastelements beziehungsweise durch eine Deformation eines der elastisch deformierbaren Lastelemente veränderbar. Eine Änderung der Vorspannkraft führt zu einer elastischen Stauchung oder einer elastischen Expansion des Lastelements oder der Lastelemente. Diese Stauchung oder Expansion korrespondiert unmittelbar mit einer Abstandsänderung der Kondensatorflächen, wodurch auf die Größe der Änderung der Vorspannkraft rückgeschlossen werden kann. Hierzu dient eine Messelektronik, die mit jedem Sensorelement verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Lastelemente in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse und sind am ersten Kraftaufnahmekörper drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse angeordnet. Bildlich gesprochen stehen die Lastelemente insbesondere zapfenartig vom ersten Kraftaufnahmekörper in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers ab. Die Drehsymmetrie ist abhängig von der Anzahl der Lastelemente. Insbesondere sind vier Lastelemente an dem ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet, die jeweils einen 90°- Winkel zueinander einschließen und somit eine vierzählige Drehsymmetrie bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse aufweisen. Sind lediglich drei Lastelemente angeordnet, weisen diese folglich jeweils einen 120°-Winkel zueinander und somit eine dreizählige Drehsymmetrie auf. Die Lastelemente können auch oder alternativ am zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet sein, ohne den erfindungsgemäßen Gedanken zu verlassen. Im Folgenden wird jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich der Fall beschrieben, dass die Lastelemente am ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet sind.
Um zu vermeiden, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper, wenn diese auf dem Befestigungselement angeordnet sind, relativ zueinander bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse verdreht werden können, was zu einer Beschädigung der Sensorelemente oder zumindest zu Messungenauigkeiten führen könnte, sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung am zweiten Kraftaufnahmekörper Lagerelemente insbesondere drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungs längsachse angeordnet. Bildlich gesprochen, stehen auch hier die Lagerelemente insbesondere zapfenartig vom zweiten Kraftaufnahmekörper in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers ab. Die Anzahl der Lagerelemente korrespondiert insbesondere mit der Anzahl der Lastelemente. Insbesondere weisen die Lagerelemente eine identische Drehsymmetrie bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse wie die Lastelemente auf. Die Lagerelemente können auch oder alternativ am ersten Kraftaufnahmekörper angeordnet sein. Es ist generell möglich, dass die Lastelemente und die Lagerelemente auf dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper verteilt angeordnet sind. Auch hier wird im Folgenden lediglich der Fall beschrieben, dass die Lagerelemente nur am zweiten Kraftaufnahmekörper angeordnet sind.
Die Lagerelemente und die Lastelemente sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung alternierend zueinander angeordnet, wobei die elastisch deformierbaren Lastelemente und die Lagerelemente ähnlich einer Nut-Zapfen- Verbindung insbesondere formschlüssig und spielpassungsartig ineinandergreifen. Hierdurch weisen der erste Kraftaufnahmekörper mit den insbesondere daran angeordneten Lastelementen und der zweite Kraftaufnahmekörper mit den insbesondere daran angeordneten Lagerelementen insbesondere jeweils eine Gestalt ähnlich eines Nutmutterschlüssels auf, wobei ein Nutmutterschlüssel jeweils in eine Nut des anderen Nutmutterschlüssels eingreift. Insbesondere ist jeweils zwischen zwei benachbarten elastisch deformierbaren Lastelementen ein lastfreier Teilbereich ausgebildet. Die lastfreien Teilbereiche sind insbesondere dadurch gebildet, dass sich die Lagerelemente weniger weit vom zweiten Kraftaufnahmekörper in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers erstrecken als die Lastelemente vom ersten Kraftaufnahmekörper in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers. Somit stützen sich der erste und der zweite Kraftaufnahmeköper über die Lastelemente aneinander ab, wohingegen die Lagerelemente nicht mit dem ersten Kraftaufnahmekörper in Kontakt treten.
Um eine möglichst optimale Verdrehsicherung des ersten und des zweiten Kraftaufnahmekörpers zueinander zu gewährleisten, weisen in einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Lagerelemente und die elastisch deformierbaren Lastelemente in einer Radialebene bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse identische Querschnittsflächen auf. Die Querschnittsflächen sind insbesondere als identisch große Kreissegmente ausgestaltet.
Eine einfache Konstruktion der Kraftmessvorrichtung wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper einstückig miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die lastfreien Bereiche durch Ausnehmungen, beispielsweise durch Einfräsungen, die in einer Richtung orthogonal zur Kraftmessvorrichtungslängsachse hergestellt werden, hergestellt sind. Auch andere geeignete materialabtragende Verfahren sind möglich. Eine derartige Ausgestaltung der Kraftmessvorrichtung zeichnet sich durch eine besondere Robustheit aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lastelemente einstückig mit dem insbesondere ersten Kraftaufnahmekörper und die Lagerelemente einstückig mit dem insbesondere zweiten Kraftaufnahmekörper verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung realisiert sein. Auch können die Lagerelemente und die Lastelemente an den entsprechenden Kraftaufnahmekörpern durch ein additives Fertigungsverfahren, ein Sinterverfahren oder dergleichen hergestellt sein. Generell kann eine Vielzahl von materialabtragenden oder materialaufbringenden Verfahren angewendet werden, um die Lastelemente an dem ersten Kraftaufnahmekörper respektive die Lagerelemente an dem zweiten Kraftaufnahmekörper herzustellen. Damit äußere Einflüsse auf die Kraftmessvorrichtung, insbesondere auf die Sensorelemente, soweit wie möglich reduziert werden, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Kraftmessvorrichtung in einer witterungsbeständigen Schutzschicht eingebettet. Diese Schutzschicht besteht insbesondere aus einem witterungsbeständigen Kunststoff, einem gummiartigen Material, einer Wachsschicht oder dergleichen. Eine Anforderung, die an die Schutzschicht gestellt werden muss, ist lediglich, dass eine Funktion der Kraftmessvorrichtung nicht beeinflusst wird, jedoch der gewünschte Schutz geboten ist. Durch das Vorhandensein einer Schutzschicht kann die Kraftmessvorrichtung vor Staub, Feuchtigkeit und Schmutz geschützt werden, was einen Einsatz in trockenen sowie feuchten Gebieten und sogar unter Wasser ermöglicht.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in einer Figur gezeichneten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen oder gezeichneten Kombination, sondern auch in grundsätzlich beliebigen anderen Kombinationen oder aber einzeln verwendbar. Es sind Ausführungen der Erfindung möglich, die nicht alle Merkmale eines abhängigen Anspruchs aufweisen. Auch können einzelne Merkmale eines Anspruchs durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Ausführungen der Erfindung, die nicht alle Merkmale des oder der Ausführungsbeispiele, sondern einen grundsätzlich beliebigen Teil der gekennzeichneten Merkmale eines Ausführungsbeispiels gegebenenfalls in Kombination mit einem, mehreren oder allen Merkmalen eines oder mehrerer weiteren Ausführungsbeispiele aufweisen, sind möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen erklärt.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung;
Figur 2 eine zweite erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung; und Figur 3 eine dritte erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung in einer perspektivischen teiltransparenten Darstellung.
Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 1. Diese ist perspektivisch und, zur besseren Darstellung der einzelnen Komponenten, teiltransparent dargestellt. Die Kraftmessvorrichtung 1 umfasst einen ersten scheibenförmigen Kraftaufnahmekörper 2. Der erste Kraftaufnahmekörper 2 weist eine erste Durchgangsöffnung 3 auf, welche mittig im ersten Kraftaufnahmekörper 2 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 3 dient zur Aufnahme eines Befestigungselements 4 in Form einer Gewindestange 5. Weiter weist der erste Kraftaufnahmekörper 2 eine erste plane Anlagefläche 6 zur Anlage einer Unterlegscheibe 7 und einer Mutter 8 auf, wobei die Mutter 8 auf die Gewindestange 5 aufgeschraubt ist. Die Kraftmessvorrichtung 1 umfasst weiter einen zweiten scheibenförmigen Kraftaufnahmekörper 9. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 weist eine zweite Durchgangsöffnung 10 auf, welche mittig im zweiten Kraftaufnahmekörper 9 und koaxial zur ersten Durchgangsöffnung 3 angeordnet ist. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 ist über die zweite Durchgangsöffnung 10 auf die Gewindestange 5 aufgesteckt. Der zweite Kraftaufnahmekörper 9 weist eine zweite plane Anlagefläche 11 zur Anlage des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 an einem Anbauteil oder einem Befestigungsgrund (beides nicht dargestellt) auf. Die Gewindestange 5 ist beispielsweise in dem Befestigungsgrund verankert und hält das Anbauteil am Befestigungsgrund. Die erste Durchgangsöffnung 3 des ersten Kraftaufnahmekörpers 2 und die zweite Durchgangsöffnung 10 des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 bilden einen gemeinsamen Durchgang 12 für die Gewindestange 5. Der erste Kraftaufnahmekörper 2 und der zweite Kraftaufnahmekörper 9 sind bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 drehsymmetrisch. Zwischen dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9 ist ein Lastelement 14 angeordnet. Das Lastelement 14 ist hülsenartig ausgestaltet und weist eine Lastelementdurchgangsöffnung 15 zur Aufnahme der Gewindestange 5 auf. Das Lastelement 14 ist ebenfalls drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 ausgestaltet und koaxial zum ersten Kraftaufnahmekörper 2 und zum zweiten Kraftaufnahmekörper 9 angeordnet. Das Lastelement 14 ist einstückig mit dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 verbunden. Das Lastelement 14 weist bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 eine geringere radiale Ausdehnung als der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 auf. Hierdurch wird zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 ein lastfreier, ringförmiger offener lastfreier Bereich 21 gebildet. Sowohl der erste Kraftaufnahmekörper 2 als auch der zweite Kraftaufnahmekörper 9 sind aus Stahl hergestellt. Ebenfalls bestehen die Gewindestange 5 und die Mutter 8 aus Stahl.
In dem lastfreien Bereich 21 sind zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper 2, 9 vier Sensorelemente 16, die als Kondensatoren 17 ausgebildet sind, angeordnet, wobei die Kondensatoren 17 jeweils eine erste Kondensatorfläche 18 und eine zweite Kondensatorfläche 19 aufweisen. Die Kondensatoren 17 sind in einem identischen Abstand radial von der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 beabstandet und schließen, bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 und die Mitte des jeweiligen Kondensators 17, einen 90°-Winkel zum jeweils benachbarten Kondensator 17 ein. Die ersten Kondensatorflächen 18 sind mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und die zweiten Kondensatorflächen 18 mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9 verbunden. Die ersten Kondensatorflächen 18 und die jeweils zugehörigen zweiten Kondensatorflächen 19 sind deckungsgleich und so orientiert, dass zwischen einer ersten Kondensatorfläche 18 und einer zugehörigen Kondensatorfläche 19 ein elektrisches Feld mittels einer Elektronik (nicht dargestellt) hergestellt werden kann. Die ersten und die zweiten Kondensatorflächen 18, 19 weisen jeweils einen Abstand D zueinander auf, wobei sich der Abstand D in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13 erstreckt.
Wird die Mutter 8 entlang der Gewindestange 5 gegen einen Befestigungsgrund geschraubt, wird eine gewünschte Vorspannkraft F erzeugt, die von der Unterlegscheibe 7 auf den ersten Kraftaufnahmekörper 2, auf das Lastelement 14, auf den zweiten Kraftaufnahmekörper 9 und schließlich auf den Befestigungsgrund und/oder das Anbauteil (beides nicht dargestellt) übertragen wird. Das Lastelement 14 wird hierbei in Richtung der Vorspannkraft F elastisch gestaucht. Die Vorspannkraft F darf nicht derart groß sein, dass sie das Lastelement 14 derart staucht, dass sich die ersten und die zweiten Kondensatorflächen 18, 19 berühren, sprich kein Abstand D mehr zwischen ihnen existiert oder das Lastelement 14 plastisch verformt wird. Die ersten Kondensatorflächen 18 stehen mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2 und die zweiten Kondensatorflächen 19 mit dem zweiten Kraftaufnahmeköper 9 in Wirkverbindung, so dass die jeweilige Kondensatorfläche 18, 19 mit dem jeweiligen Kraftaufnahmeköper 2, 9 mitbewegt wird. Dadurch, dass die Kondensatoren 17 im lastfreien Bereich 21 angeordnet sind, wird keine Vorspannkraft F auf die Kondensatoren 17 übertragen. Der Abstand D ist im Idealfall nach dem Einstellen der gewünschten Vorspannkraft F zwischen allen ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 identisch. Zudem sind im Idealfall in diesem Zustand der erste Kraftaufnahmekörper 2 und der zweite Kraftaufnahmekörper 9 parallel zueinander orientiert.
Verringert sich die Vorspannkraft F, beispielsweise durch eine Verschiebung des Anbauteils bezüglich des Befestigungsgrunds oder aufgrund eines Versagens der Verbindung zwischen der Mutter 8 und der Gewindestange 5, wird sich das Lastelement 14 elastisch zurückverformen und sich dadurch der Abstand D zwischen den ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 ändern, was zu einer Änderung der Kapazität des jeweiligen Kondensators 17 führt. Ändern sich die Abstände D von beispielsweise zwei gegenüberliegenden Kondensatoren 17 unterschiedlich, liegt eine Verkippung des ersten Kraftaufnahmekörpers 2 bezüglich des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9 vor, wodurch der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 nicht länger parallel zueinander orientiert sind. Ändern sich die Abstände D aller ersten und zweiten Kondensatorflächen 18, 19 in gleichem Maße, kann von einer generellen Reduzierung der Vorspannkraft F ausgegangen werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Mutter 8 entgegen der Richtung der Vorspannkraft F gleichmäßig auf der Gewindestange 5 bewegt wird. In diesem Fall sind der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2, 9 weiterhin zumindest nahezu parallel zueinander orientiert.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 1a. Die Kraftmessvorrichtung 1a ist ähnlich zu der Kraftmessvorrichtung 1 aufgebaut. Daher wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Die Kraftmessvorrichtung 1 a umfasst einen ersten scheibenartigen Kraftaufnahmekörper 2a mit einer ersten Durchgangsöffnung 3a zur Aufnahme eines Befestigungselements wie beispielsweise einer Gewindestange (beides nicht dargestellt) sowie eine erste Anlagefläche 6a zur Anlage des Befestigungselements oder einer Unterlegscheibe (nicht dargestellt). Weiter umfasst die Kraftmessvorrichtung 1a einen zweiten scheibenartigen Kraftaufnahmekörper 9a mit einer zweiten Durchgangsöffnung 10a zur Aufnahme des nicht dargestellten Befestigungselements sowie eine zweite Anlagefläche 11 a zur Anlage an einem Anbauteil oder einem Befestigungsgrund (beides nicht dargestellt). Die erste Durchgangsöffnung 3a und die zweite Durchgangsöffnung 10a bilden einen gemeinsamen Durchgang 12a für das Befestigungselement. Der erste Kraftaufnahmekörper 2a und der zweite Kraftaufnahmekörper 9a sind bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a drehsymmetrisch ausgestaltet. Am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a sind vier identisch ausgestaltete kreissegmentartige Lastelemente 14a angeordnet, die einstückig mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a verbunden sind und sich parallel zur Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a in Richtung des ersten Kraftaufnahmekörpers 2a erstrecken. Die Lastelemente 14a schließen bündig mit der zweiten Durchgangsöffnung 10a ab und erstrecken sich radial bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a bis an einem Außenumfang des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a. Bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a sind die Lastelemente 14a vierzählig drehsymmetrisch am zweiten Kraftaufnahmeköper 9a angeordnet, sprich, benachbarte Lastelemente 14a schließen einen 90°-Winkel zueinander ein. Der erste Kraftaufnahmekörper 2a stützt sich gleichmäßig über die Lastelemente 14a am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a ab, wodurch der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2a, 9a parallel zueinander orientiert sind. Am ersten Kraftaufnahmekörper 2a sind vier identisch ausgestaltete kreissegmentartige Lagerelemente 20a angeordnet, die kürzer als die Lastelemente 14a sind und sich ebenfalls parallel zur Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a in Richtung des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a erstrecken. Die Lagerelemente 20a sind derart ausgestaltet und am ersten Kraftaufnahmekörper 2a angeordnet, dass die Lagerelemente 20a spielpassungsartig in Zwischenräume eingreifen können, die von zwei benachbarten Lastelementen 14a am zweiten Kraftaufnahmekörper 9a gebildet werden. Der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2a, 9a greifen somit ähnlich einer Nut-Zapfen-Verbindung ineinander. Die Lagerelemente 20a verhindern, dass der erste Kraftaufnahmekörper 2a bezüglich des zweiten Kraftaufnahmekörpers 9a verdreht werden kann. Dadurch, dass die Lagerelemente 20a bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13a„kürzer“ sind als die Lastelemente 14a, entstehen zwischen zwei benachbarten Lastelementen 14a lastfreie Teilbereiche 22a. Insgesamt weist die Kraftmessvorrichtung 1a vier lastfreie Teilbereiche 22a auf, in welchen jeweils ein als Kondensator 17a ausgestaltetes Sensorelement 16a angeordnet ist. Eine erste Kondensatorfläche 18a ist hierbei mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2a und eine zweite Kondensatorfläche 19a mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a verbunden. Wird der erste Kraftaufnahmekörper 2a gegenüber dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9a mittels einer Vorspannkraft Fa kraftbeaufschlagt, werden lediglich die Lastelemente 14a elastisch deformiert, wobei keine Vorspannkraft Fa auf die Kondensatoren 17a selbst übertragen wird, aber sich trotzdem eine Abstand Da zwischen den ersten und den zweiten Kondensatorflächen 18a und 19a ändert.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kraftmessvorrichtung 1 b dargestellt. Diese unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform der Kraftmessvorrichtung 1a im Wesentlichen dadurch, dass ein erster Kraftaufnahmekörper 2b und ein zweiter Kraftaufnahmekörper 9b einstückig ausgebildet sind. Dadurch nehmen der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper 2b, 9b eine Gestalt ähnlich einem Hohlzylinder an. Der erste Kraftaufnahmekörper 2b weist eine erste Durchgangsöffnung 3b und der zweite Kraftaufnahmekörper 9b eine zweite Durchgangsöffnung 10b auf, die einen gemeinsamen Durchgang 12b für ein Befestigungselement (nicht dargestellt) bilden. Der erste Kraftaufnahmekörper 2b weist eine erste Anlagefläche 6b zur Anlage des Befestigungselements und der zweite Kraftaufnahmekörper 9b eine zweite Anlagefläche 1 1 b zur Anlage an einem Untergrund oder einem Anbauteil (beides nicht dargestellt) auf. Die Kraftmessvorrichtung 1 b ist bezüglich einer Kraftmessvorrichtungslängsachse 13b drehsymmetrisch. Die lastfreien Teilbereiche 22b stellen Ausnehmungen in der Kraftmessvorrichtung 1 b dar, die beispielsweise durch Herausfräsen realisiert werden können. Die Kraftmessvorrichtung 1 b weist vier lastfreie Teilbereiche 22b auf, die bezogen auf die Kraftmessvorrichtungslängsachse 13b eine vierzählige Drehsymmetrie aufweisen, wodurch benachbarte lastfreie Teilbereiche 22b einen 90°-Winkel zueinander einschließen. Vier Lastelemente 14b sind entsprechend zwischen den lastfreien Teilbereichen 22b angeordnet. Ein Lastelement 14b ist stellvertretend durch zwei in Umfangsrichtung der Kraftmessvorrichtung 1 b verlaufende gestrichelte Linien in Figur 3 dargestellt. Jeder lastfreie Teilbereich 22b weist ein Sensorelement 16b auf, welches als Kondensator 17b mit einer ersten Kondensatorfläche 18b und einer zweiten Kondensatorfläche 19b ausgestaltet ist. Die erste Kondensatorfläche 18b ist mit dem ersten Kraftaufnahmekörper 2b und die zweite Kondensatorfläche 19b mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9b verbunden. Wird der erste Kraftaufnahmekörper 2b mit einer Vorspannkraft Fb gegenüber dem zweiten Kraftaufnahmekörper 9b kraftbeaufschlagt, werden die Lastelemente 14b elastisch komprimiert, was zu einer Veränderung eines Abstands zwischen der ersten Kondensatorfläche 18b und der zweiten Kondensatorfläche 19b führt. Die Kraftmessvorrichtung 1 b zeichnet sich besonders durch einen robusten und kompakten Aufbau aus. Bezugszeichenliste
Kraftmessvorrichtung
1 , 1a, 1b Kraftmessvorrichtung
2, 2a, 2b erster Kraftaufnahmekörper
3, 3a, 3b erste Durchgangsöffnung
4 Befestigungselement
5 Gewindestange
6, 6a, 6b erste Anlagefläche
7 Unterlegscheibe
8 Mutter
9, 9a, 9b zweiter Kraftaufnahmekörper
10, 10a, 10b zweite Durchgangsöffnung
11 , 11a, 11 b zweite Anlagefläche
12, 12a, 12b Durchgang
13, 13a, 13b Kraftmessvorrichtungslängsachse
14, 14a, 14b Lastelement
15 Lastelementdurchgangsöffnung
16, 16a, 16b Sensorelement
17 Kondensator
18, 18a, 18b erste Kondensatorfläche
19, 19a, 19b zweite Kondensatorfläche 20a Lagerelement
21 lastfreier Bereich
22a, 22b lastfreier Teilbereich
F, Fa, Fb Vorspannkraft
D, Da, Db Abstand

Claims

Ansprüche
1. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1 b) zur Messung und Überwachung einer Vorspannkraft (F, Fa, Fb) einer mechanischen Verbindung,
wobei die Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) einen ersten, insbesondere hülsenartigen, Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) mit einer ersten
Durchgangsöffnung (3, 3a, 3b) und einen zweiten, insbesondere hülsenartigen, Kraftaufnahmekörper (9, 9a, 9b) mit einer zweiten Durchgangsöffnung (10, 10a, 10b) umfasst,
wobei die erste und die zweite Durchgangsöffnung (3, 3a, 3b, 10, 10a, 10b) einen gemeinsamen Durchgang (12, 12a, 12b) der Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1 b) zur Aufnahme eines Befestigungselements (4) bilden,
wobei sich der Durchgang (12, 12a, 12b) entlang einer
Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) erstreckt, wobei in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) das Befestigungselement (4) in den Durchgang (12, 12a, 12b) einführbar ist,
wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) mehrere Sensorelemente (16, 16a, 16b), die jeweils radial zu der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13, 13a, 13b) beabstandet sind, angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) ein elastisch deformierbares Lastelement (14, 14a, 14b) zur Übertragung derdurch das Befestigungselement (4) aufgebrachten Vorspannkraft (F, Fa, Fb) von dem ersten auf den zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) angeordnet ist und dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) zudem ein lastfreier Bereich (21) angeordnet ist, der keine Vorspannkraft (F, Fa, Fb) zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) überträgt, wobei die Sensorelemente (16) nur in dem lastfreien Bereich (21) angeordnet sind.
2. Kraftmessvorrichtung (1a, 1 b) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (1a, 1b) mehrere elastisch deformierbare Lastelemente (14a, 14b) aufweist.
3. Kraftmessvorrichtung (1a, 1 b) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) den lastfreien Bereich (21) in mehrere lastfreie Teilbereiche (22a, 22b) unterteilen.
4. Kraftmessvorrichtung (1a, 1 b) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der lastfreien Teilbereiche (22a, 22b) mit der Anzahl der Sensorelemente (16a, 16b) korrespondiert.
5. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1 b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (16, 16a, 16b) als Kondensatoren (17) mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorfläche (18, 18a, 18b, 19,19a, 19b) ausgestaltet sind.
6. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatorfläche (18, 18a, 18b) mit dem ersten
Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) und die zweite Kondensatorfläche (19,19a, 19b) mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper (9, 9a, 9b) in Wirkverbindung steht.
7. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Position der ersten und der zweiten Kondensatorfläche (18, 18a, 18b; 19, 19a, 19b) zueinander durch eine Deformation des elastisch deformierbaren Lastelements (14) beziehungsweise durch eine Deformation eines der elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) veränderbar ist.
8. Kraftmessvorrichtung (1a, 1 b) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a, 14b) sich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a, 13b) erstreckend am ersten Kraftaufnahmekörper (2a, 2b) drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a, 13b) angeordnet sind.
9. Kraftmessvorrichtung (1a) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Kraftaufnahmekörper (2a) sich in Richtung der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) erstreckende Lagerelemente (20a) drehsymmetrisch bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) angeordnet sind.
10. Kraftmessvorrichtung (1a) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) und die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) alternierend zueinander angeordnet sind, wobei die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) und die Lagerelemente (20a) ähnlich einer Nut-Zapfen- Verbindung insbesondere formschlüssig und spielpassungsartig ineinandergreifen, wobei insbesondere jeweils zwischen zwei benachbarten elastisch deformierbaren Lastelementen (14a) ein lastfreier Teilbereich (22a) ausgebildet ist.
11. Kraftmessvorrichtung (1a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) und die elastisch deformierbaren Lastelemente (14a) in einer Radialebene bezüglich der Kraftmessvorrichtungslängsachse (13a) identische Querschnittsflächen aufweisen.
12. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b; 9, 9a, 9b) einstückig miteinander verbunden sind.
13. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1 b) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastelemente (14, 14a, 14b) einstückig mit dem ersten Kraftaufnahmekörper (2, 2a, 2b) verbunden sind.
14. Kraftmessvorrichtung (1a) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (20a) einstückig mit dem zweiten Kraftaufnahmekörper (9a) verbunden sind.
15. Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (1 , 1a, 1b) in einer witterungsbeständigen Schutzschicht eingebettet ist.
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