DE4311956A1 - Anordnung zur Bestimmung des Belastungszustandes von Verbindungselementen - Google Patents

Description

Mit der Erfindung wird es möglich, den Belastungszustand von Verbindungselementen durch direkte Messung zu bestimmen. Zu den Verbindungselementen, bei denen die Erfindung angewendet werden kann, zählen Schrauben, Stifte und alle verbindenden Teile, die währen der Dauer ihrer Funktion auf Zug, Druck oder Torsion belastet werden. Solche Verbindungselemente werden in der gesamten Technik in großer Vielfalt und in sehr großen Stückzahlen benötigt. Die eindeutige Feststellung des Belastungszustandes der Verbindungselemente ist dabei erforderlich, um einerseits für den Betrieb der jeweiligen technischen Anlage die notwendige Sicherheit zu gewährleisten und um andererseits mit einem minimalen Aufwand an Material dieses Ziel realisieren zu können.

Anordnungen zur Bestimmung des Belastungszustandes von Verbindungselementen sind bekannt. So wird zur Ermittlung der Belastung von Schrauben allgemein das Drehmoment beim Anziehen der Schrauben gemessen. Dieses Drehmoment wird aber in starkem Maße durch die Reibung am Schraubenkopf und am Schraubengewinde bestimmt, so daß nur mit großer Ungenauigkeit auf den Dehnungs- oder Torsionszustand des Schraubenschaftes geschlossen werden kann. Außerdem kann so eine Messung nur während des Anbringens der Verbindung durchgeführt werden. Eine nachträgliche Kontrolle der bestehenden Verbindung ist nur durch ihre Lösung möglich. Das gilt insbesondere, wenn beim Einsatz der Verbindung Umwelteinflüsse eine Korrosion der Oberflächen hervorgerufen haben und dadurch die Haftreibung stark vergrößert ist. Ein weiterer Mangel dieser Meßmethode besteht darin, daß zwischen der Belastung der Schraube durch Torsion und Zug nicht unterschieden werden kann, wobei aber nur die Beanspruchung des Verbindungselementes auf Zug für die Stabilität der Verbindung wesentlich ist.

Es sind auch Meßanordnungen bekannt, die durch genaue Ermittlung der geometrischen Abmessungen von Verbindungselementen den Belastungszustand bestimmbar machen. Ihre Anwendung bedeutet jedoch stets einen erheblichen Aufwand und ihr Einsatz wird in den meisten Fällen durch fehlenden Platz an der Verbindungsstelle oder durch die rauhen Umgebungsbedingungen unmöglich gemacht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung zur Bestimmung des Belastungszustandes von Verbindungselementen anzugeben, die unter den Einsatzbedingungen derselben zu genauen Meßergebnissen kommt, die die verschiedenen Belastungsarten zu unterscheiden gestattet und die sowohl während der Herstellung als auch während der Dauer der Verbindung Meßergebnisse liefert.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen charakterisierte Anordnung gelöst. In das Verbindungselement wird in Belastungsrichtung eine Bohrung geringen Durchmessers eingebracht. Die Messung der Änderung der Tiefe dieser Bohrung ergibt direkt die Dehnung in Belastungsrichtung, also die Größe, deren Wert bei einer stabilen Verbindung nicht überschritten werden darf. Vorteilhafterweise wird dazu am Boden der Bohrung ein Stift befestigt. Dessen Länge stimmt vorzugsweise mit der Tiefe der Bohrung im unbelasteten Zustand des Verbindungselementes überein. Die genaue Übereinstimmung kann in einfacher Weise und ohne Anwendung von Meßmitteln durch einen Schleifvorgang nach Montage des Stiftes hergestellt werden. Die Messung der Änderung der Tiefe der Bohrung ist nun durch Bestimmung der Niveauänderung der Stiftstirnfläche gegenüber der die Bohrung umgebende Oberfläche möglich. Der hier als Meßgröße auftretende Niveauunterschied wird durch die Tiefe der Bohrung, jedoch nicht von der Länge, dem Querschnitt und dem Material des Verbindungselementes, bestimmt. Erfindungsgemäß wird für den Stift das Material des Verbindungselementes verwendet. Dadurch gibt der gemessene Niveauunterschied die Dehnung unabhängig von der Temperatur stets richtig wieder. Durch Festlegung einer bestimmten, die spezifischen Materialeigenschaften berücksichtigenden Bohrungstiefe ist es möglich, für alle Verbindungselemente eines Typs (z. B. Schrauben) denselben zulässigen Niveauunterschied für die Grenzbelastung einzustellen. Dieses führt zu einer einheitlichen Lösung für die anzuwendende Längenmeßanordnung und zur einfachen Handhabung der mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgerüsteten Verbindungselemente.

Dadurch, daß ohne Belastung kein Niveauunterschied vorhanden ist, kann der Belastzustand des Verbindungselementes jederzeit kontrolliert werden. Eine während des Einsatzes eventuell aufgetretene Überlastung des Elementes ist nach dem Ausbau nachweisbar. Diese Feststellung ist die Voraussetzung für eine Wiederverwendung des Verbindungselementes.

Eine Torsion in Verbindungselementen, wie sie insbesondere bei Schrauben während der Montage erzeugt wird, führt zu einer Verdrehung der Stiftstirnfläche gegenüber der die Bohrung umgebenden Oberfläche. Durch die erfindungsgemäße Markierung dieser Flächen wird der Verdrehungswinkel meßbar.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel angegeben. Fig. 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Schraubverbindung und Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt daraus.

Das Verbindungselement in der Schraubverbindung ist die Schraube 1. Diese enthält eine Bohrung 2, in der sich der Stift 3 befindet, der am Boden 6 der Bohrung 2 durch eine Schweiß- oder Klebstelle befestigt ist. Die Stiftstirnfläche 5 und die die Bohrung 2 umgebende Fläche 4 des Schraubenkopfes sind im unbelasteten Zustand der Schraube 1 gemeinsam plan geschliffen. Weiter wurde im unbelasteten Zustand eine gerade Kerbe in die Oberflächen eingearbeitet, die aus einem Kerbenteil 7 (s. Fig. 2) in der die Bohrung 2 umgebenden Oberfläche 4 und aus einem Kerbenteil 8 in der Stiftstirnfläche 5 besteht. In Fig. 1 ist die Schraube 1 im belasteten Zustand dargestellt. Die bei Belastung auftretende Dehnung des Schraubenschaftes führt zu einer Absenkung dL der Stiftstirnfläche 5, da der Stift 3 selbst unbelastet bleibt. Die Absenkung dL wird mit einer Längenmeßanordnung gemessen. Besteht die Schraube 1 beispielsweise aus Stahl, so ist eine maximal zulässige Dehnung im Bereich von 0,2% zulässig. Bei einer Tiefe L der Bohrung 2 von 30 mm ist diese zulässige Dehnung erreicht, wenn sich die Absenkung auf einen Wert von 60 µm beläuft. Mit welcher Genauigkeit die Belastungsgrenze eingestellt werden kann, hängt nicht von der beschriebenen Anordnung ab, sondern von dem eingesetzten Längenmeßverfahren, welches jedoch nicht Inhalt der Erfindung ist.

In Fig. 2 ist eine Verdrehung 9 der Stiftstirnfläche 5 gegenüber der umgebenden Oberfläche 4 erkennbar. Diese resultiert aus einer Torsion des Schaftes der Schraube 1 durch Reibung im Schraubengewinde. Die Verdrehung 9 wird optisch erkannt. Die vorhandene Torsion wird hier unabhängig von der Zugspannung im Schaft meßbar und kann so definiert auch unabhängig auf einen geringeren Wert eingestellt werden. Für die Verbindungsfestigkeit ist die Torsion ohne Bedeutung. Wird sie vollständig zurückgenommen, so verringert das die Materialbelastung der Schraube 1 und erhöht so die Stabilität der Verbindung.

Die getrennte Messung von Dehnung und Torsion ist auch dann vorteilhaft, wenn durch eine fehlerhafte Oberfläche im Gewinde (Verschmutzung, Korrosion, schlechte Bearbeitung) sich beim Anziehen der Schraube sehr große Torsionen, aber geringe Dehnungen ergeben und eine feste Verbindung eigentlich gar nicht zustande kommt.

Claims (5)

1. Anordnung zur Bestimmung des Belastungszustandes von Verbindungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Verbindungselement (1) in Belastungs­ richtung eine dünne Bohrung (2) definierter Tiefe befindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden (6) der Bohrung (2) ein Stift (3) befestigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im unbelasteten Zustand die die Bohrung (2) umgebende Oberfläche (4) und die Stiftstirnfläche (5) in einer Ebene liegen.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs­ element (1) und der Stift (3) aus gleichem Material bestehen.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umgebende Oberfläche (4) und die Stiftstirnfläche (5) mit einer Struktur (7; 8), die im unbelasteten Zustand gleiche Richtung aufweist, versehen sind.