DE102010055991A1

DE102010055991A1 - Messschraube zur Ermittlung mehrachsiger Schraubenbelastungen

Info

Publication number: DE102010055991A1
Application number: DE201010055991
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Waltersberger Bernd; Prof. Dr. Daryusi Ali
Original assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG
Current assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: DE102010055991B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messchraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Messschraube umfasst mindestens zwei Dehnungsmesssensoren, die so im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft erfassen, aus denenüber konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen freien Schaftbereich bestimmt werden können. Durch Möglichkeit der Bestimmung mehrachsiger Belastungen lassen sich Schrauben sachgerechter auslegen, so dass die Gefahr von Schraubenbrüchen reduziert wird.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen, die einen Schraubenkopf und einen Schraubenschaft mit einem oberen Schaftbereich aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt anliegt, wobei mindestens zwei Dehnungsmesssensoren im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind. Eine derartige Schraube kann sowohl in Durchsteckverbindungen als auch in Einschraubverbindungen zum Einsatz kommen, um die Belastungen von Schrauben bei den jeweiligen Verbindungen zu messen.
Stand der Technik
Für die sachgerechte Auslegung von Schrauben ist die Kenntnis ihrer Belastung erforderlich. In der Praxis lässt es sich oft nicht vermeiden, dass der Schraubenschaft neben der funktional vorgesehenen Belastung in Längsrichtung auch Nebenbelastungen in Form von Querkräften und Biegemomenten erfährt. Diese können in vielen Fällen nur durch komplexe numerische Berechnung des Belastungsfalls ermittelt werden, wobei bereits für ein solches Vorgehen die Betriebskräfte als bekannt vorausgesetzt werden müssen. Sind sie weitestgehend unbekannt, können sie nur durch Messung ermittelt werden.
Derzeit verfügbare Messschrauben setzen Dehnungsmesssensoren in der neutralen Faser des Schraubenschaftes ein, über die Dehnungen in Längsrichtung der Schraube erfasst werden und somit die Längsbelastung bestimmt werden kann. Zusätzliche Belastungen lassen sich damit nicht erkennen. Weiterhin erfordern die typischerweise zur Dehnungsmessung verwendeten Dehnungsmessstreifen (DMS) vergleichsweise viel Bauraum, so dass sie bei kleineren Schraubennenndurchmessern nicht genutzt werden können.
Trotz des Einsatzes einer derartigen Messschraube und einer Auslegung der Schrauben auf Basis der Messergebnisse kommt es jedoch noch häufig zu Schraubenbrüchen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Messschraube sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die eine verbesserte Auslegung von Schrauben ermöglicht, durch die die Gefahr eines Schraubenbruchs verringert wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Messschraube und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Messschraube sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen weist in bekannter Weise einen Schraubenkopf und einen Schraubenschaft mit einem oberen Schaftbereich auf, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt, d. h. am Gegenstück der Schraubverbindung, anliegt. Die Messschraube weist mindestens zwei Dehnungsmesssensoren auf, die hinsichtlich Position und Orientierung so im Schraubenschaft angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft erfassen, aus denen über konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen Schaftbereich bestimmt werden können.
Mit dieser Messschraube, insbesondere einer Befestigungsschraube, lässt sich eine mehrachsige Schraubenschaftbelastung indirekt bestimmen. Zum einen wurde hierbei berücksichtigt, dass viele Schraubenbrüche nicht auf die Längsbelastung, sondern auf unterschätzte Zusatzbelastungen, beispielsweise durch Biegemomente, zurückzuführen sind. Durch eine Bestimmung der mehrachsigen Belastung der Schraube im oberen Bereich des Schraubenschaftes lassen sich die Schrauben für ihren jeweiligen Einsatz sachgerechter auslegen, so dass die Anzahl unerwünschter Schraubenbrüche reduziert werden kann. Weiterhin wurde erkannt, dass eine Bestimmung dieser mehrachsigen Belastungen über konstitutive Materialgesetze möglich ist, wenn die Dehnungsmesssensoren nicht oder nicht ausschließlich in der neutralen Faser der Schraube, d. h. im Bereich der zentralen Achse des Schraubenschaftes, sondern an unterschiedlichen Stellen von diesem beabstandet angebracht sind. Dies beruht auf der Überlegung, dass zum Erfassen einer vektoriellen Größe oder einiger deren Komponenten mindestens so viele skalare Sensorsignale erfasst werden müssen wie skalare Koordinaten, die sich aus einer Projektion der Vektorgrößen bezüglich linear unabhängiger verallgemeinerter Messrichtungen im Sinne verallgemeinerter Koordinaten ergeben. Die vorgeschlagene Messschraube weist daher mindestens zwei Dehnungsmesssensoren auf, die in linear unabhängigen verallgemeinerten Richtungen messen. Optimale Positionen und Orientierungen der jeweiligen Messsensoren hängen von der zu bestimmenden Belastung ab und lassen sich beispielsweise über Simulationen vorab ermitteln. Weiterhin kann auch der Schluss vom Dehnungszustand auf den Belastungszustand durch Simulation unter Ausnutzung der konstitutiven Materialgleichungen durchgeführt werden. Grundsätzlich sind die Messsensoren so angeordnet, dass unter Ausnutzung der strukturmechanischen konstitutiven Gleichungen des Materialverhaltens mittels der gewonnenen Dehnungsinformationen eindeutig auf die im nicht anliegenden Schaftteil der Schraube vorherrschenden Belastungen geschlossen werden kann. Vorzugsweise sind dabei mindestens drei Dehnungsmesssensoren beabstandet von der zentralen Achse des Schraubenschaftes im Schraubenschaft integriert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Messschraube sind die Dehnungsmesssensoren als faseroptische Sensoren, insbesondere als Faser-Bragg-Gitter (FBG) ausgebildet. Ein Messsensor entspricht dabei einer optischen Gitterstruktur in einer Faser, wobei durch unterschiedliche Gitterstrukturen an unterschiedlichen Stellen entlang der Faser mehrere Messsensoren ausgebildet sein können. Durch entsprechende Dehnungen im Bereich der jeweiligen Messsensoren bzw. Gitterstrukturen verschiebt sich dann die jeweils vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte Wellenlänge, so dass daraus auf den Ort und die Stärke der Dehnung zurück geschlossen werden kann. Der Ort der Dehnung ist dabei vom Ort des Faser-Bragg-Gitters im Schraubenschaft, die Richtung der Dehnung aus der Orientierung der Faser an diesem Ort bekannt. Der faseroptische Sensor erfasst Dehnungen, die tangential zur Faserachse am Ort des Faser-Bragg-Gitters verlaufen. Durch den Einsatz von faseroptischen Sensoren wird das Bauraumproblem der bekannten Dehnungsmessstreifen vermieden. Faseroptische Sensoren beanspruchen deutlich weniger Bauraum und lassen sich damit auch für Schrauben mit relativ geringem Schraubennenndurchmesser einsetzen.
Vorzugsweise weist der Schraubenkopf eine oder mehrere Öffnungen oder Bohrungen auf, über die die eine oder die mehreren optischen Fasern, aus denen die faseroptischen Sensoren gebildet sind, aus dem Schraubenschaft ausgeleitet bzw. in den Schraubenschaft eingeleitet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messschraube werden dabei mindestens drei optische Fasern eingesetzt, die beabstandet von der zentralen Achse des Schraubenschaftes parallel zur zentralen Achse im Schraubenschaft integriert sind. Dabei lassen sich beispielsweise jeweils drei Dehnungsmesssensoren in der gleichen Ebene senkrecht zum Schraubenschaft anordnen. Durch die Ausbildung mehrerer dieser Sensoren entlang der einzelnen optischen Fasern kann eine große Anzahl von Dehnungsmesswerten an unterschiedlichen Positionen im Schraubenschaft erfasst werden, aus denen die mehrachsige Belastung des freien (oberen) Schaftbereiches abgeleitet werden kann. Die mindestens drei optischen Fasern sind hierbei vorzugsweise in gleichem Abstand von der zentralen Achse des Schraubenschaftes im Schraubenschaft integriert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Messschraube wird mindestens eine optische Faser mit den faseroptischen Sensoren eingesetzt, die in die Mantelfläche des Schraubenschaftes eingebettet und um den Schraubenschaft bzw. den inneren Bereich des Schraubenschaftes gewickelt ist. Die Steigung dieser Wicklung ist α < 88°. Durch eine derartige spiral- oder schraubenförmige Wicklung ist eine einzige optische Faser für die Erfassung von Messwerten zur Bestimmung der mehrachsigen Belastungen im oberen Schaftbereich ausreichend. Es lassen sich jedoch auch mehrgängige Wicklungen mit mehreren spiralförmig angeordneten optischen Fasern realisieren. Die einzelnen faseroptischen Sensoren in der Faser bzw. den Fasern sollten dabei selbstverständlich nicht auf einer einzigen Linie parallel zur zentralen Achse liegen.
Beim vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung der Messschraube werden Bohrungen bzw. Kanäle im Schaft erzeugt und/oder ein oder mehrere Schlitze in den Mantel des Schaftes eingebracht. In diese Bohrungen, Kanäle oder Schlitze werden dann die eine oder mehreren optischen Fasern mit den faseroptischen Sensoren eingebracht und dehnungskinematisch mit dem Schraubenmaterial verbunden. Unter der dehnungskinematischen Verbindung wird hierbei verstanden, dass eine Dehnung des Schraubenmaterials in eine proportionale Dehnung der optischen Faser umgesetzt wird. Die optischen Fasern können hierbei beispielsweise in den Schlitz eingeklebt werden, so dass die Dehnung der lokalen Schraubenoberfläche durch den ausgehärteten Klebstoff auf die Faser übertragen wird. Selbstverständlich sollte dies so erfolgen, dass das Gewinde der Messschraube durch diese Maßnahme noch seine Funktion erfüllt. In einer weiteren Ausgestaltung werden die Schlitze durch ein Kaltumformverfahren, beispielsweise das Rotationsschmiedeverfahren, unter Einbettung der Fasern geschlossen und anschließend das Gewinde aufgebracht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Messschraube sowie das Verfahren zu deren Herstellung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für den Aufbau einer Messschraube gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Erfindung in Seitenansicht und in Draufsicht;
2 ein Beispiel für die Messschraube in eingeschraubtem Zustand bei bestimmungsgemäßem Gebrauch;
3 ein Beispiel für eine weitere mögliche Ausgestaltung der Messschraube anhand eines Abschnittes des Schraubenschaftes; und
4 ein Beispiel für die Einbettung einer optischen Faser mit den faseroptischen Sensoren gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt in zwei Teilabbildungen eine mögliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Messschraube in Seitenansicht (Teilansicht) und Draufsicht. Die Messschraube setzt sich in bekannter Weise aus einem Schraubenkopf 8 und einem Schraubenschaft 9 zusammen. Der Schraubenschaft 9 trägt das Gewinde, das in dieser Darstellung nicht zu erkennen ist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist auf einer Seite des Schraubenschaftes 9 eine Kerbe 3 in Längsrichtung des Schraubenschaftes ausgebildet, in die eine optische Faser 1 eingebettet ist. Die optische Faser 1 wird über eine Bohrung 2 im Schraubenkopf 8 durch den Schraubenkopf ausgeleitet, um über dieses Ende der optischen Faser die Dehnungsmessungen vornehmen zu können.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden drei optische Fasern 1 beabstandet von der zentralen Achse 6 des Schraubenschaftes parallel zu dieser zentralen Achse in den Schraubenschaft 9 integriert. Dies ist in der Draufsicht auf den Schraubenkopf 8 im unteren Teil der 1 zu erkennen. Die drei optischen Fasern 1 sind hierbei in gleichem Abstand zur zentralen Achse 6 und in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die dehnungskinematische Kopplung mit dem Schraubenschaft erfolgt dabei über einen geeigneten Klebstoff 4, der in der Figur angedeutet ist. In dieser Ausgestaltung sind entlang jeder optischen Faser 1 mehrere Faser-Bragg-Gitter ausgebildet, um möglichst viele Dehnungsmesswerte gleichzeitig erfassen zu können. Die einzelnen Faser-Bragg-Gitter, die den faseroptischen Sensoren entsprechen, sind in den Figuren nicht explizit dargestellt.
2 zeigt die bestimmungsgemäße Nutzung einer derartigen Schraube zur Verbindung zweier Bauteile 11, 12. Aus der Figur ist der obere Schaftbereich 7 erkennbar, der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Schraube keinen Kontakt zu einem Bauteil hat. In dieser Abbildung ist auch eine der Fasern 1 angedeutet, die aus dem Schraubenkopf 8 herausragt.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Messschraube, bei der lediglich eine optische Faser 1 eingesetzt wird. Die Figur zeigt hierbei lediglich einen Abschnitt des Schraubenschaftes 9 mit dem Verlauf der optischen Faser 1. Die optische Faser 1 ist hierbei in Form einer Spiral- oder Schraubenlinie 5 unter einem Steigungswinkel α um den Schraubenschaft 9 herum gewickelt. Die Faser kann dabei in gleicher Weise durch eine nicht dargestellte Öffnung im Schraubenkopf 8 aus der Schraube herausgeführt werden. Die optische Faser wird bei dieser Ausgestaltung in den Mantelbereich des Schraubenschaftes 9 geeignet eingebettet, wobei die einzelnen faseroptischen Sensoren bzw. Faser-Bragg-Gitter an mehreren Stellen entlang der optischen Faser 1 ausgebildet sind.
Eine Möglichkeit zur Integration der optischen Fasern bei der vorgeschlagenen Messschraube in den Schraubenschaft besteht in der Ausformung von Schlitzen im Mantel des Schraubenschaftes, in die dann die optischen Fasern eingebettet werden. 4 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem zunächst ein Schlitz im Schraubenschaft erzeugt und die optische Faser 1 dann in diesen Schlitz gelegt wird (4a). Anschließend erfolgt durch Kaltumformen, beispielsweise durch Rotationsschmieden, eine vollständige Einbettung der Faser 1 in den Schraubenschaft 9. Dies ist durch die Teilabbildungen 4b und 4c veranschaulicht. Nach dieser Integration der optischen Faser 1 in den Schraubenschaft wird das Gewinde 10 aufgebracht, beispielsweise durch Gewinderollen oder Gewindeschneiden. Ein fertig gestellter Teil des Schraubenschaftes mit der integrierten optischen Faser 1 und dem Gewinde 10 ist in der Teilabbildung 4d schematisch dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: optische Faser
2: Bohrung
3: Kerbe in Längsrichtung
4: Klebstoff
5: Schraubenlinie der Faserwicklung
6: zentrale Achse
7: oberer Schaftbereich
8: Schraubenkopf
9: Schraubenschaft
10: Gewinde
11: Bauteil
12: Bauteil

Claims

Messschraube zur Ermittlung von Schraubenbelastungen, die einen Schraubenkopf (8) und einen Schraubenschaft (9) mit einem oberen Schaftbereich (7) aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Schraube nicht an einem Objekt anliegt, wobei mindestens zwei Dehnungsmesssensoren so im Schraubenschaft (9) angeordnet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) gekoppelt sind, dass sie Dehnungswerte im Schraubenschaft (9) erfassen, aus denen über konstitutive Materialgesetze Belastungen in mehr als einer Achse im oberen Schaftbereich (7) bestimmt werden können.
Messschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Dehnungsmesssensoren beabstandet von einer zentralen Achse (6) des Schraubenschaftes (9) angeordnet sind.
Messschraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmesssensoren faseroptische Sensoren sind.
Messschraube nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Sensoren mehrere optische Fasern (1) umfassen, die durch eine oder mehrere Öffnungen (2) im Schraubenkopf (8) geführt sind.
Messschraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (1) beabstandet von der zentralen Achse (6) des Schraubenschaftes (9) parallel zur zentralen Achse (6) im Schraubenschaft (9) integriert sind.
Messschraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei der optischen Fasern (1) in gleichem Abstand von der zentralen Achse (6) des Schraubenschaftes (9) im Schraubenschaft (9) integriert sind.
Messschraube nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Sensoren mindestens eine optische Faser (1) umfassen, die in Form einer Wicklung mit Steigungswinkel α < 88° in einem Mantelbereich des Schraubenschaftes (9) in den Schraubenschaft (9) integriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Messschraube nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem mehrere Bohrungen und/oder ein oder mehrere Schlitze in den Schraubenschaft (9) eingebracht werden, in die eine oder mehrere optische Fasern (1) mit faseroptischen Sensoren eingelegt oder eingeführt und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die optischen Fasern (1) durch ein Kaltumformverfahren in den Schraubenschaft (9) eingebettet und dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die optischen Fasern (1) durch einen Klebstoff dehnungskinematisch mit dem Schraubenschaft (9) verbunden werden.