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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Anrisses in einer ein Gewinde aufweisenden Schraube beim Belasten der Schraube mit einer Kraft.
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Zur Planung des Einsatzes von Schrauben in unterschiedlichsten Anwendungen ist es wünschenswert, das Verhalten der Schraube unter einsatznahen Bedingungen zu testen und/oder vorherzusagen. Wünschenswert ist es insbesondere, ein Langzeitverhalten der Schraube zu bestimmen, um den Einsatz der Schraube in der jeweiligen Anwendung besser planen zu können.
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Aus der
DE 10 2014 214 931 A1 ist es bekannt, in eine Schraube eine Bohrung einzubringen und einen Dehnungsmessstreifen in die Bohrung einzuführen, um eine Vorspannkraft der Schraube zeitabhängig, temperaturabhängig und feuchtigkeitsabhängig zu bestimmen.
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Von Vorteil ist es, ein Anrissverhalten von Schrauben zu bestimmen, insbesondere einen Anriss der Schraube zu detektieren, um beispielsweise eine maximale Last für die Schraube festlegen zu können. Hierzu ist es vorstellbar, die zu untersuchende Schraube mit einer steigenden Kraft zu belasten bis sie gänzlich gerissen bzw. gebrochen ist. Nachteilig hierbei ist, dass nach erfolgtem Riss bzw. Bruch der Schraube keine genaue Bestimmung der maximalen Last bzw. der maximalen Kraft, mit der die Schraube belastet werden kann, möglich ist. Darüber hinaus weisen viele Schrauben eine äußere Lage bzw. Schicht auf, welche es nicht erlaubt, einen solchen Riss zuverlässig zu erkennen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, ein Verfahren zum Detektieren eines Anrisses einer Schraube anzugeben, das sich durch eine erhöhte Präzision und/oder eine einfache Durchführung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Anriss in einer Schraube mit Hilfe zumindest eines Dehnungsmessstreifens zu detektieren, wobei aus dem lokalen Dehnungsverhalten der Schraube auf einen solchen Anriss geschlossen wird. Die Erfindung nutzt die Kenntnis, dass eine Schraube beim Belasten derselben mit einer Kraft zunächst eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit von der Kraft aufweist, die beim Entstehen bzw. Auftreten eines Anrisses von der linearen Abhängigkeit abweicht, so dass bei einer solchen Abweichung auf einen Anriss der Schraube geschlossen werden kann. Hierdurch kann ein solcher Anriss mit erhöhter Präzision und auf einfache Weise bestimmt werden. Die Schraube weist zweckmäßig ein Gewinde, insbesondere ein Außengewinde, mit mehreren Gewindegängen auf. Erfindungsgemäß wird zunächst eine Bohrung in die Schraube eingebracht. Die Bohrung erstreckt sich, vorzugsweise axial, von einer Stirnseite der Schraube in das Innere der Schraube. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Bohrung entlang einer Längsmittelachse der Schraube verläuft. Ist die Bohrung in der Schraube eingebracht, wird zumindest ein solcher Dehnungsmessstreifen in die Bohrung eingebracht, wobei zumindest ein solcher Dehnungsmessstreifen auf Höhe eines maximal belasteten Bereichs der Schraube positioniert wird. Hierbei wird die Kenntnis genutzt, dass ein solcher Anriss zunächst in einem solchen, maximal belasteten Bereich der Schraube auftritt. Insbesondere wird zumindest ein solcher Dehnungsmessstreifen auf Höhe eines ersten tragenden Gewindegangs des Gewindes positioniert, wobei die Kenntnis genutzt wird, dass der erste tragende Gewindegang des Gewindes gewöhnlich den maximal belasteten Bereich der Schraube bildet. Die Höhe bezieht sich insbesondere auf die Achse der Schraube, verläuft also in Axialrichtung. Zum Detektieren des Anrisses wird die Schraube mit der Kraft belastet, wobei die lokale Dehnung der Schraube mit dem zumindest einen auf der Höhe des maximal belasteten Bereichs positionierten Dehnungsmessstreifen gemessen wird. Ein solcher Anriss wird festgestellt, wenn die gemessene Dehnung von einer linearen Abhängigkeit von der die Schraube belastenden Kraft abweicht, insbesondere wenn die Dehnung einen Sprung aufweist.
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Die die Schraube belastende Kraft kann insbesondere eine Vorspannkraft sein. Die Kraft wird während der Messung der Dehnung der Schraube zweckmäßig variiert, insbesondere gesteigert und/oder oszilliert. Dabei kann das Anrissverhalten der Schraube abhängig von einer Schwingspielzahl bei definierter Kraft detektiert werden, insbesondere indem bei einer Abweichung der gemessenen Dehnung ein solcher Anriss festgestellt wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der maximal durch die Kraft belastete Bereich der Schraube zunächst numerisch bestimmt, wobei wenigstens ein solcher Dehnungsmessstreifen in der Bohrung auf Höhe des somit bestimmten maximal belasteten Bereichs positioniert wird. Dies ermöglicht eine präzisere Bestimmung des Anrisses der Schraube. Besonders bevorzugt wird der maximal durch die Kraft belastete Bereich der Schraube mit einer Finite-Element-Methode bestimmt, die ein einfaches und zugleich präzises Bestimmen des maximal belasteten Bereichs erlaubt.
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Vorzugsweise kommen zwei oder mehr solche Dehnungsmessstreifen zum Einsatz, welche jeweils in die Bohrung eingebracht und positioniert werden. Hierdurch können ein festgestellter Anriss auf Plausibilität überprüft und/oder Anrisse an unterschiedlichen Positionen der Schraube festgestellt werden.
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Bevorzugt wird zumindest ein solcher Dehnungsmessstreifen, wie vorstehend beschrieben, zum Detektieren des Anrisses auf Höhe des maximal belasteten Bereichs positioniert. Zumindest ein weiterer solcher Dehnungsmesstreifen wird außerhalb des maximal belasteten Bereichs, insbesondere dazu axial bzw. in der Höhe versetzt, positioniert. Diese Positionierung des zumindest eines weiteren Dehnungsmessstreifens wird verwendet, um anhand der mit dem zumindest einen dort positionierten Dehnungsmessstreifen bestimmten lokalen Dehnung der Schraube die die Schraube belastende Kraft zu ermitteln. Somit ist es möglich, neben dem Anrissverhalten der Schraube auch die die Schraube belastende Kraft zu bestimmen. Es ist also nicht zwingend notwendig, eine bekannte Kraft vorzugeben oder die Kraft zuvor anderweitig zu bestimmen. Zudem lassen sich somit dynamische Kräfte ermitteln, wobei der Zusammenhang zwischen diesen dynamischen Kräften und dem Anriss und somit das Anrissverhalten bestimmt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 einen Schnitt durch einen Messaufbau mit einer Schraube,
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2 ein Diagramm zur Erläuterung der Detektion eines Anrisses der Schraube.
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1 zeigt einen Messaufbau 1 zum Detektieren eines Anrisses in einer Schraube 2. Die beispielhaft dargestellte Schraube 2 weist einen Schraubenkopf 3 sowie einen Schraubenschaft 4 auf. Außenseitig am Schraubenschaft 4 ist ein Gewinde 5 bzw. Außengewinde 5 mit mehreren Gewindegängen 6 eingebracht. Die dargestellte Schraube 2 ist rein beispielhaft als eine Radschraube 7 zum Befestigen eines nicht gezeigten Rads eines nicht gezeigten Fahrzeugs am Fahrzeug ausgebildet. Zum Detektieren eines Anrisses der Schraube 2 beim Belasten der Schraube mit einer Kraft zum Nachbilden des Verhaltens der Schraube 2 unter realen Belastungen wird die Schraube 2 zunächst mit einer Bohrung 8 versehen, die sich von einer Stirnseite 9, vorliegend des Schraubenkopfs 3, der Schraube 2 in das Innere der Schraube 2 erstreckt. Im gezeigten Beispiel verläuft die Bohrung 8 entlang einer Längsmittelachse 10 der Schraube 2. Anschließend wird zumindest ein Dehnungsmessstreifen 11 in die Bohrung 8 eingebracht, wobei im gezeigten Beispiel zwei solche Dehnungsmessstreifen 11 in die Bohrung 8 eingebracht sind. Zumindest eine der Dehnungsmessstreifen 11 wird auf einer axial verlaufenden Höhe eines maximal belasteten Bereichs der Schraube 2 positioniert, wobei der maximal belastete Bereich der Schraube 2 im Bereich eines ersten tragenden Gewindegangs 6 der Schraube 2 angeordnet ist. Die genaue Bestimmung des maximal belasteten Bereichs der Schraube 2 erfolgt zuvor durch numerische Methoden, insbesondere durch eine Finite-Element-Methode, wobei zumindest eine der Dehnungsmessstreifen 11 auf der somit bestimmten Höhe positioniert wird. Zudem kann zumindest ein solcher Dehnungsmessstreifen 11 zum maximal belasteten Bereich, insbesondere axial bzw. in der Höhe, versetzt positioniert sein, um die Kraft zu ermitteln, mit der die Schraube 2 belastet wird.
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2 zeigt, dass eine mit einem solchen Dehnungsmessstreifen 11 gemessene lokale Dehnung der Schraube 2 von der Kraft, mit der die Schraube 2 belastet wird, abhängt. Dabei ist entlang einer Abszissenachse 12 des gezeigten Diagramms 13 die Schwingspielzahl der die Schraube 2 aufgetragen. Die Schraube 2 wird also vorliegend oszillierend bzw. periodisch mit der Kraft belastet, um beispielsweise das Anrissverhalten der Radschraube 7 im Betrieb zu simulieren. Entlang einer Ordinatenachse 14 des Diagramms 3 ist die gemessene lokale Dehnung aufgetragen. Das Diagramm zeigt also insbesondere eine Dehnungs-Zeitverlauf. Es ergibt sich für die Schraube 2 ein von der Schwingspielzahl abhängiger Verlauf 15 der gemessenen, lokalen Dehnung, nachfolgend auch Dehnungsverlauf 15 genannt. Es ist zu erkennen, dass die Dehnung zunächst, wie mit einer Geraden 16 angedeutet, einen linearen Verlauf 15 aufweist. Beim Erreichen einer bestimmten Schwingspielzahl 17, nachfolgend Anriss-Schwingspielzahl 17 genannt, weicht die gemessene Dehnung vom linearen Verlauf 15 ab und weist insbesondere einen Sprung auf. Beim Auftreten dieser Abweichung wird ein Anriss der Schraube 2 festgestellt. Der auf der Abszissenachse aufgetragene Wert ergibt die Anriss-Schwingspielzahl 17 der Schraube 2.
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In 2 sind zwei weitere Dehnungsverläufe 15', 15'' für jeweils andere Schrauben 2 gezeigt, wobei der jeweilige Dehnungsverlauf 15', 15'' entsprechend der jeweils zugehörigen Gerade 16', 16'' zunächst linear verläuft und beim Erreichen einer zugehörigen Anriss-Schwingspielzahl 17', 17'' vom linearen Verlauf 15', 15'' abweicht und einen Sprung aufweist, so dass festgestellt werden kann, dass beim Erreichen der entsprechenden Anriss-Schwingspielzahl 17', 17'' ein Anriss der Schraube 2 erfolgt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also unterschiedliche Schrauben 2 hinsichtlich ihres Anrissverhaltens beim Belasten mit einer Kraft untersucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214931 A1 [0003]
