DE102016012564A1

DE102016012564A1 - Verbindungselement mit integriertem Sensor

Info

Publication number: DE102016012564A1
Application number: DE102016012564.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brenneis
Original assignee: Glbs Patentverwertungsgesellschaft GbR (vertretungsber Gesellschafter Dr Jorg Stahlmann 64546 Morfelden-Walldorf und Dr Matthias Brenneis 63776 Mombris); Glbs Patentverwertungsgesellschaft GbR Vertretungsber Ges Dr Joerg Stahlmann 64546 Moerfelden Walldo
Current assignee: Glbs Patentverwertungsgesellschaft GbR (vertretungsber Gesellschafter Dr Jorg Stahlmann 64546 Morfelden-Walldorf und Dr Matthias Brenneis 63776 Mombris); Glbs Patentverwertungsgesellschaft GbR Vertretungsber Ges Dr Joerg Stahlmann 64546 Moerfelden Walldo
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26
Also published as: JP2019536014A; CN109844478B; CN109844478A; KR102234823B1; JP6728492B2; WO2018073031A1; KR20190072581A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement (10) mit einem längserstreckten Verbindungskörper (11) und mit einem Sensor (12), sowie ein Verfahren und Messsystem, welches mit einem solchen Verbindungselement (10) ausgestattet ist. Das Verbindungselement (10) weist einen längserstreckten Verbindungskörper (11) und einen Sensor (12) auf, welcher in einem Hohlraum (14) des Verbindungskörpers (11) angeordnet und fest mit dem Verbindungskörper (11) verbunden ist, wobei der Sensor (12) zumindest ein Sensorelement (22, 24) mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul aufweist, welcher sich in Abhängigkeit einer einwirkenden mechanischen Kraft ändert und wobei das Sensorelement (22, 24) mit einer Messanordnung (30) signalübertragend koppelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement mit einem längserstreckten Verbindungskörper und mit einem Sensor, welcher in einem Hohlraum des Verbindungskörpers angeordnet und fest mit dem Verbindungskörper verbunden ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kraftmessbolzen, wobei der Bolzen zugleich als Verbindungselement für miteinander zu verbindende Bauteile fungiert. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messsystem mit einer Messanordnung und mit einem Verbindungselement sowie ein Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden mechanischen Kraft.
Hintergrund
Verbindungselemente mit integrierten Sensoreinrichtungen, wie zum Beispiel Kraftmessbolzen sind im Stand der Technik, so zum Beispiel aus der WO 2013/139464 A1 bekannt. Dort wird ein Aufbau vorgeschlagen, der im Wesentlichen aus einer längsorientierten Tragstruktur und einer Sensoreinheit besteht. Für die Sensoreinheit wird dort die Applikation von Dehnmessstreifen auf einem Träger vorgeschlagen. Die Sensoreinheit ist dabei zur Erfassung mechanischer und/oder thermischer Messgrößen ausgebildet.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbindungselement und ein verbessertes Messsystem sowie ein verbessertes Verfahren zur Messung einer auf einem Verbindungselement einwirkenden Kraft bereitzustellen, mittels welchen eine langzeitstabile und besonders präzise Messung einer auf das Verbindungselement einwirkenden mechanischen Kraft erfolgen kann. Das Verbindungselement soll sich dabei durch einen gut reproduzierbaren Aufbau auszeichnen. Das Messsystem und das Messverfahren sollen sich zudem durch eine hohe Präzision und durch ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit auszeichnen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabe wird mit einem Verbindungselement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Messsystem nach Anspruch 8 und mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Demgemäß ist nach einem Aspekt ein Verbindungselement mit einem längserstreckten Verbindungskörper und mit einem Sensor vorgesehen. Der Sensor ist in einem Hohlraum des Verbindungskörpers angeordnet. Der Sensor ist ferner fest mit dem Verbindungskörper verbunden. Der Sensor weist zumindest ein Sensorelement mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul auf. Dies bedeutet, dass sich der Elastizitätsmodul des Materials des Sensorelements in Abhängigkeit einer auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ändert.
Das Sensorelement ist ferner mit einer Messanordnung signalübertragend koppelbar. Bei dem Sensorelement handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisches Sensorelement, welches elektrisch signalübertragend mit der Messanordnung koppelbar ist. Die Kopplung kann hierbei kabelgebunden oder auch drahtlos erfolgen. Der Sensor befindet sich typischerweise in einem sacklochartig ausgestalteten Hohlraum des Verbindungskörpers. Der Hohlraum kann insbesondere als axiale Bohrung in den Verbindungskörper eingebracht sein. Der Verbindungskörper kann insbesondere die Form einer längserstreckten Schraube oder eines längserstreckten zylindrischen Bolzens aufweisen.
Typischerweise weist der Verbindungskörper zumindest einen Außengewindeabschnitt und/oder einen radial verbreiterten Kopfabschnitt auf. Der Verbindungskörper, mithin das gesamte Verbindungselement kann beispielsweise als Verbindungsschraube oder als Verbindungsbolzen verwendet werden, um zumindest zwei Bauteile miteinander zu verbinden.
Der belastungsabhängige Elastizitätsmodul des Sensorelements verleiht dem Sensorelement eine Schwingungseigenfrequenz, die sich in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden mechanischen Belastung ändert. Typischerweise ist das Sensorelement mittels eines oszillierenden elektrischen Eingangssignals zu mechanischen Schwingungen anregbar. Eine Resonanz- oder Eigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ist aufgrund des belastungsabhängigen Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit der momentan auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft veränderbar.
Mittels der Messanordnung ist typischerweise die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements z.B. nach einem Impedanz-Reflexions-Messverfahren messtechnisch bestimmbar. Aus einer gemessenen Schwingungseigenfrequenz lassen sich unmittelbare Rückschlüsse über die Höhe der momentan auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ziehen.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass sich die Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements weitgehend ausschließlich durch eine Änderung der auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ändert. Über einen langen Zeitraum wiederholt durchzuführende Messungen einer auf das Sensorelement einwirkenden Kraft führen daher stets zu gleichbleibenden Ergebnissen. Auf diese Art und Weise wird eine besonders langzeitstabile und präzise Messung der auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ermöglicht.
Dadurch dass sich der Sensor und sein Sensorelement in einem Hohlraum des Verbindungskörpers befindet und dadurch dass der Sensor und sein Sensorelement fest mit dem Verbindungskörper verbunden sind, befindet sich das Sensorelement quasi im Lastpfad des Verbindungselements, mithin im Lastpfad des Verbindungskörpers. Das Sensorelement ist folglich im gleichen Maße wie der Verbindungskörper selbst einer mechanischen Spannung oder einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt. Das mit dem Verbindungselement durchführbare Messverfahren erfordert die Einbettung des zumindest einen Sensorelements im Lastpfad oder im Kraftfluss des Verbindungskörpers. Auf diese Art und Weise können Veränderungen der auf das zumindest eine Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft unmittelbar in eine Veränderung der mittels der Messanordnung messbaren Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements übertragen werden.
Eine entsprechende Eichung oder Kalibrierung vorausgesetzt, ist eine elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ein direktes quantitatives Maß für die auf das zumindest eine Sensorelement und damit auch auf den Verbindungskörper einwirkenden mechanischen Kraft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor einen ersten Sensorabschnitt und einen zweiten Sensorabschnitt auf. Erster und zweiter Sensorabschnitt sind in Längsrichtung des Verbindungskörpers, typischerweise auch in Längsrichtung des Hohlraums voneinander beabstandet. Der erste Sensorabschnitt und der zweite Sensorabschnitt sind dabei jeweils fest mit dem Verbindungskörper verbunden oder sie sind hieran fixiert. Der erste Sensorabschnitt und der zweite Sensorabschnitt können zugleich auch Endabschnitte des Sensors bezüglich der Längsrichtung des Verbindungskörpers darstellen oder mit entsprechenden Längsenden zusammenfallen.
Es ist aber auch denkbar, dass lediglich einer von erstem und zweitem Sensorabschnitt mit einem Längsende des Sensors zusammenfällt. Dadurch dass sowohl der erste als auch der zweite Sensorabschnitt in Längsrichtung voneinander beabstandet und jeweils mit dem Verbindungskörper entweder direkt oder mittelbar verbunden und dementsprechend am Verbindungskörper fixiert ist, können etwaige in Längsrichtung auf den Verbindungskörper einwirkende mechanische Spannungen entsprechend auf den Sensor übertragen werden. Durch diese Art der Anordnung und Fixierung des Sensors im Hohlraum befindet sich der Sensor sozusagen in einem Nebenkraftfluss des Verbindungskörpers, während der Verbindungskörper selbst den eigentlichen Hauptkraftfluss darstellt. Eine auf den Verbindungskörper einwirkende mechanische Spannung oder Kraft in Längsrichtung wird aufgrund der jeweiligen Verbindung von erstem und zweitem Sensorabschnitt mit dem Verbindungskörper auf die ersten und zweiten Sensorabschnitte entsprechend übertragen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das zumindest eine Sensorelement eine abhängig von einer mechanischen Krafteinwirkung veränderliche elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz auf. Diese Eigenschaft des Sensorelements macht sich die Messanordnung zunutze. Mittels der Messanordnung kann das zumindest eine Sensorelement des Sensors zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Entsprechend der momentan auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ist mittels der Messanordnung die jeweilige Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements als charakteristische Kenngröße desselben messbar. Die Schwingungseigenfrequenz ist dabei ein direktes Maß für die auf das betreffende Sensorelement derzeit einwirkende mechanische Kraft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das zumindest eine Sensorelement einen piezoelektrischen Kristall oder eine piezoelektrische Keramik auf. Das Sensorelement kann insoweit auch aus einem oder mehreren piezoelektrischen Kristallen oder aus einer oder mehreren piezoelektrischen Keramiken bestehen. Bei Implementierung des zumindest einen Sensorelements als piezoelektrische Keramik kann diese beispielsweise ein Blei-Zirkonat-Titanat und/oder ein Blei-Magnesium-Niobat oder andere, für die Herstellung von piezoelektrischen Keramiken geeignete Werkstoffe aufweisen.
Obschon piezoelektrische Kristalle oder piezoelektrische Keramiken weitreichend steif oder inelastisch sind, weisen sie dennoch einen belastungsabhängigen Elastizitätsmodul auf.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement in Längsrichtung elektrisch kontaktiert ist und dass eine Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Kristalls bzw. der piezoelektrischen Keramik im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Verbindungskörpers ausgerichtet ist. Durch eine derartige Orientierung und Ausrichtung wird erreicht, dass der piezoelektrische Kristall oder die piezoelektrische Keramik des zumindest einen Sensorelements in Longitudinalrichtung, das heißt in Längsrichtung des Verbindungskörpers zu Schwingungen gemäß dem piezoelektrischen Längs- oder Longitudinaleffekt anregbar ist. Auf diese Art und Weise ist das zumindest eine Sensorelement zur Messung und Bestimmung vorzugsweise einer in Längsrichtung des Verbindungskörpers wirkenden mechanischen Kraft ausgebildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein mit der Messanordnung elektrisch leitend verbindbarer elektrischer Kontakt an einem Längsende des zumindest einen Sensorelements angeordnet. Der elektrische Kontakt an beispielsweise einem proximalen Längsende des Sensorelements ist mit der Messanordnung verbunden, während ein gegenüberliegendes distales Ende des Sensorelements beispielsweise elektrisch leitend mit dem Verbindungskörper verbunden sein kann. Der Verbindungskörper kann hierbei ein Massepotenzial darstellen, während der elektrische Kontakt am proximalen Ende des Sensorelements vorzugsweise gegenüber dem Verbindungskörper elektrisch isoliert ist.
Mittels eines einzelnen elektrischen Kontakts kann das Sensorelement zu Schwingungen angeregt werden. Gemäß des in Reflexionsanordnung ausgestalteten Messsystems oder einer entsprechenden Messanordnung kann eine Reaktion, mithin eine Reflexionsantwort des zumindest einen Sensorelements mit demselben elektrischen Kontakt aufgenommen und an die Messanordnung übertragen werden. Ein einziges Signalübertragungskabel oder eine einzige signalübertragende Verbindung bzw. Kopplung zwischen Messanordnung und dem zumindest einen Sensorelement ist folglich für die Durchführung einer Kraftmessung prinzipiell ausreichend.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor zumindest zwei in Längsrichtung des Verbindungskörpers voneinander beabstandete Sensorelemente auf, zwischen welchen ein elektrischer Kontakt angeordnet ist. Dieser ist mit beiden Sensorelementen in elektrischem Kontakt. Es handelt sich hierbei quasi um eine Reihenschaltung zweier Sensorelemente. Mittels des, bezogen auf die Längsrichtung oder Axialrichtung zwischen den Sensorelementen befindlichen elektrischen Kontakts können beide Sensorelemente gleichzeitig zu Schwingungen angeregt werden. Der elektrische Kontakt kann dabei zugleich als Messaufnehmer fungieren, um die Schwingungseigenfrequenzen der Sensorelemente zu bestimmen. Die beiden Sensorelemente sind aufgrund ihrer jeweiligen Anordnung und Fixierung im Hohlraum des Verbindungskörpers weitreichend identischen, in Längsrichtung wirkenden mechanischen Kräften ausgesetzt. Ihr belastungsabhängiger Elastizitätsmodul ändert sich infolge einer Änderung der externen Krafteinwirkung folglich gleichermaßen.
Mittels zumindest zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten und durch einen elektrischen Kontakt voneinander separierten Sensorelementen können größere Signalamplituden am elektrischen Kontakt gemessen werden. Die Sensitivität und Messgenauigkeit kann hierdurch gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Sensor innerhalb des Hohlraums einer mechanischen Kompression in Längsrichtung ausgesetzt. Mithin kann der Sensor in Längsrichtung vorgespannt sein. In einem Ur- oder Ausgangszustand des Verbindungselements unterliegt das Sensorelement folglich einer axial komprimierenden Vorspannung. Bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Verbindungselements wirken auf dieses axiale Zugkräfte ein. Diese wirken der Vorspannung des Sensorelements entgegen. Das Maß einer hierdurch messbaren Verschiebung der Schwingungseigenfrequenz des zumindest eines Sensorelements ist insoweit ein direktes Maß für die auf den Verbindungskörper einwirkenden mechanischen Kraft in Längsrichtung.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Messsystem vorgesehen, welches zumindest ein zuvor beschriebenes Verbindungselement und welches zumindest eine Messanordnung, typischerweise in Form eines Messgeräts aufweist. Die Messanordnung bzw. das Messgerät ist mit dem zumindest einen Sensorelement des Sensors des Verbindungselements signalübertragend koppelbar. Die signalübertragende Kopplung kann insbesondere kabelgebunden, aber auch drahtlos implementiert sein. Die Messanordnung ist dazu ausgestaltet, die elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements des Sensors des Verbindungselements zu bestimmen. Aus der messbaren Schwingungseigenfrequenz ist alsdann eine in Längsrichtung auf den Verbindungskörper, mithin auf das Verbindungselement einwirkende mechanische Kraft ableitbar.
Nach einer Weiterbildung weist die Messanordnung des Messsystems zumindest einen elektrischen Signalerzeuger zur Erzeugung eines zeitlich variierenden elektrischen Eingangssignals auf. Das elektrische Eingangssignal ist typischerweise ein oszillierendes, ggf. periodisch oszillierendes elektrisches Signal. Die Messanordnung weist ferner zumindest einen ersten Signalempfänger auf. Der erste Signalempfänger und der Signalerzeuger sind mit dem zumindest einen Sensorelement des Sensors des Verbindungselements koppelbar. Im Betrieb des Messsystems sind der erste Signalempfänger und der Signalerzeuger mit dem zumindest einem Sensorelement elektrisch verbunden. Der erste Signalempfänger ist ferner zur Auswertung eines Antwortsignals des zumindest eines Sensorelements in Erwiderung auf das Eingangssignal ausgebildet.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass der Signalerzeuger eine Sequenz von Eingangssignalen unterschiedlicher Frequenz erzeugt und dass der Signalempfänger eine Signalamplitude des Antwortsignals in Abhängigkeit der Frequenz des jeweils zugehörigen Eingangssignals ermittelt und bestimmt. Auf diese Art und Weise sind mittels des Signalerzeugers und mittels des Signalempfängers die Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements bestimmbar.
Es ist ferner vorgesehen, dass das Sensorelement als Komponente eines Montageverbunds ausgestaltet ist. Der Montageverbund kann neben dem Sensorelement noch eine Montagekappe oder ein Funktionsbauteil aufweisen. Die Montagekappe und/oder das Funktionsbauteil können mit dem zumindest einen Sensorelement kraftschlüssig gekoppelt sein. Insbesondere kann das zumindest einen Sensorelement axial an zumindest einem von Montagekappe und Funktionsbauteil anliegen. Es kann auch axial zwischen der Montagekappe und dem Funktionsbauteil klemmende im Inneren des Hohlraums angeordnet sein.
Der von dem Sensorelement und zumindest einem von Funktionsbauteil und Montagekappe gebildete Montageverbund kann eine Eigenschwingungsfrequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 500 kHz oder z.B. zwischen 10 kHz und 100 kHz aufweisen. Dieser Bereich ist messtechnisch besonders gut und mit kostengünstig zu implementierenden Messgeräten messbar. So kann anstelle oder ergänzend zur Bestimmung einer Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements auch die entsprechende Schwingungseigenfrequenz des Montageverbunds von Sensorelement mit dem Funktionsbauteil und/oder mit der Montagekappe gemessen und bestimmt werden.
Eine signalübertragende Kopplung zwischen dem zumindest einen Sensorelement und der Messanordnung erfolgt typischerweise mittels eines Signalkabels. Das Signalkabel stellt insoweit eine kabelgebundene signalübertragende Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Messanordnung bereit. Die Verbindung des Signalkabels mit dem Sensorelement und/oder mit der Messanordnung kann als lösbare Steckverbindung mit einem Stecker und mit einer hierzu korrespondierenden Steckbuchse ausgeführt sein. Die Verbindung kann aber auch einen oder mehrere Federkontakte und/oder eine Kontaktplatte aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind der Signalerzeuger und der erste Signalempfänger über ein gemeinsames Signalkabel mit dem zumindest einen Sensorelement koppelbar. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Messanordnung zur Durchführung einer Impedanz-Reflexionsmessung ausgestaltet ist. Das Eingangssignal zur Schwingungsanregung des zumindest einen Sensorelements als auch ein quasi vom ersten Sensorelement reflektiertes Antwortsignal ist über ein und dasselbe Signalkabel zwischen dem Signalerzeuger, dem Signalempfänger und dem Sensorelement übertragbar. Die Verwendung lediglich eines einzigen Signalkabels erweist sich in montagetechnischer und fertigungstechnischer Hinsicht für das Verbindungselement als vorteilhaft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Messsystems ist vorgesehen, dass der Signalerzeuger und der erste Signalempfänger über einen elektrischen Widerstand in Reihe geschaltet sind. Der erste Signalempfänger ist dabei ferner unmittelbar mit dem zumindest einen Sensorelement elektrisch verbunden. Ein elektrischer Verbindungspfad zwischen dem Signalerzeuger und dem zumindest einen Sensorelement verläuft gleichermaßen durch den elektrischen Widerstand. Mittels des elektrischen Widerstands sind der Signalerzeuger und der erste Signalempfänger quasi voneinander entkoppelbar. Der Anteil des Eingangssignals kann hierdurch am ersten Signalempfänger gemindert oder abgeschwächt werden. Gleichermaßen kann der Anteil des Antwortsignals aufseiten des Signalerzeugers gemindert oder abgeschwächt werden.
Es ist nach einer weiteren Ausführungsform ferner vorgesehen, dass die Messanordnung neben dem ersten Signalempfänger noch einen zweiten Signalempfänger aufweist, welcher zur Messung einer Frequenz des vom Signalerzeuger erzeugten Ausgangssignals ausgebildet ist. Der zweite Signalempfänger kann quasi parallel zum Signalerzeuger geschaltet sein. Er kann sich auf derselben Seite des elektrischen Widerstands wie der Signalerzeuger befinden. Mittels des zweiten Signalempfängers kann die tatsächlich vom Signalerzeuger erzeugte Frequenz des Eingangssignals präzise gemessen werden. Für eine Signalauswertung sind folglich lediglich die Messsignale von erstem und zweitem Signalempfänger miteinander zu vergleichen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Signalempfänger zur Messung eines Frequenzspektrums des Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements ausgebildet. Gleichermaßen kann auch der zweite Signalempfänger zur Messung eines Frequenzspektrums des von dem Signalerzeuger erzeugten Eingangssignals ausgebildet sein. Zumindest einer von erstem und zweitem Signalempfänger kann mit einer Auswerteeinheit ausgestattet oder mit einer externen Auswerteeinheit signalübertragend gekoppelt sein, die dazu ausgestaltet ist, die Schwingungseigenfrequenz des mit dem Eingangssignal angeregten Sensorelements quantitativ zu ermitteln.
Nach einem weiteren Aspekt ist ferner ein Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden Kraft vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellen eines zuvor beschriebenen Verbindungselements sowie das elektrische Verbinden des zumindest einen Sensorelements des Verbindungselements mit einer Messanordnung, typischerweise mit einer dem zuvor beschriebenen Messsystem zugehörigen Messanordnung. Das Verfahren umfasst ferner das Beaufschlagen des zumindest einen Sensorelements mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal. Typischerweise wird das zumindest eine Sensorelement mit einem oszillierenden elektrischen Eingangssignal variabler Frequenz beaufschlagt.
Das Verfahren umfasst ferner ein Messen eines von zumindest einem Sensorelement reflektierten Antwortsignals sowie das Auswerten des Antwortsignals zur Bestimmung einer in Längsrichtung auf das Verbindungselement bzw. auf dessen Sensorelement einwirkenden Kraft. Das Verfahren ist insbesondere rechnergestützt durchführbar. Insoweit können die Schritte des Beaufschlagens des zumindest einen Sensorelements mit dem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal, das Messen des reflektierten Antwortsignals sowie das Auswerten des Antwortsignals rechnerimplementiert, insbesondere softwareimplementiert ausgestaltet sein.
Die Messanordnung weist typischerweise zumindest einen Prozessor, etwa einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sowie einen Speicher auf. Die Messanordnung kann ferner einen speicherprogrammierbare Steuerung und/oder einen FPGA-Baustein (Field Programmable Gate Array) aufweisen. Die Messanordnung kann als Computer oder als Tablet Computer ausgestaltet sein.
Das beschriebene Messverfahren ist insbesondere mit einem zuvor beschriebenen Messsystem, zumindest aber mit einem zuvor beschriebenen Verbindungselement durchführbar. Insoweit gelten sämtliche in Bezug auf das Verbindungselement und auf das Messsystem genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile auch gleichermaßen für das Messverfahren; und umgekehrt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens umfasst das Auswerten des Antwortsignals eine Spektralanalyse des Antwortsignals. Zur Bestimmung der in Längsrichtung auf das Verbindungselement bzw. auf das zumindest eine Sensorelement einwirkenden Kraft wird eine Resonanz- oder Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements gemessen. Die Resonanz- oder Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ist aufgrund des belastungsabhängigen Elastizitätsmoduls des zumindest einen Sensorelements ein direktes Maß für die in Längsrichtung auf das Sensorelement und auf den längserstreckten Verbindungskörper einwirkenden Kraft.
Das Verfahren kann vor Durchführung der Messung natürlich auch eine Kalibrierung und/oder Eichung des zur Anwendung kommenden Verbindungselements umfassen. Auf diese Art und Weise kann jeder messbaren Schwingungseigenfrequenz entsprechend einer vorab durchgeführten Charakterisierung des Verbindungselements eine mechanische Kraft zugeordnet sein. Bei Anwendung des Messverfahrens sind die zuvor beispielsweise in einem Speicher hinterlegten Zuordnungen von Schwingungseigenfrequenzen und hiermit jeweils einhergehenden mechanischen Kräften lediglich nach Messung einer Schwingungseigenfrequenz auszulesen.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Merkmale sowie vorteilhafte Eigenschaften des Verbindungselements, des Messsystems sowie des hiermit durchführbaren Messverfahrens werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein zwei Bauteile miteinander verbindenden Verbindungselements,
2 einen der 1 entsprechenden Querschnitt, jedoch mit einer geringfügig abweichenden Ausgestaltung des Verbindungselements,
3 eine schematische vergrößerte Darstellung der Fixierung eines Sensors im Hohlraum des längserstreckten Verbindungskörpers nach einer ersten Ausführungsform,
4 eine weitere Ausführungsform zur Fixierung des Sensors im Hohlraum,
5 eine weitere Ausführungsform zur Fixierung des Sensors im Hohlraum,
6 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des Sensors mit zwei Sensorelementen,
7 eine weitere Ausführungsform eines Sensors mit insgesamt zwei Sensorelementen,
8 eine schematische Darstellung einer mit dem Sensor signalübertragend zu verbindenden Messanordnung,
9 ein Diagramm einer Messung bei Vorliegen einer ersten Kraft,
10 ein Diagramm einer Kraftmessung bei Vorliegen einer zweiten Kraft,
11 ein Diagramm mit insgesamt vier grafischen Darstellungen von gemessenen Schwingungseigenfrequenzen bei unterschiedlichen vorherrschenden Kräften und
12 ein Flussdiagramm des Messverfahrens.

Detaillierte Beschreibung
In den 1 und 2 ist ein Messsystem zur Messung und Bestimmung einer in Axial- oder Längsrichtung auf ein Verbindungselement 10 einwirkenden Kraft schematisch gezeigt. Das Messsystem 50 umfasst ein Verbindungselement 10 mit einem längserstreckten Verbindungskörper 11 sowie eine, typischerweise in Form eines Messgeräts ausgestaltete Messanordnung 30. Das Verbindungselement 10 ist als Kraftmessbolzen ausgestaltet. Der längserstreckte Verbindungskörper 11 weist eine schrauben- oder bolzenartige längserstreckte zylindrische Gestalt auf.
Im Ausführungsbeispiel der 1 weist der Verbindungskörper 11 einen längserstreckten Schaft 17 mit einem an einem oberen Schaftende angeordneten radial verbreiterten Kopf 18 auf. Der Schaft 17 weist zumindest abschnittsweise ein Außengewinde 25 auf, welches in ein hierzu korrespondierend ausgestaltetes Innengewinde 29 eines ersten Bauteils 1 eingeschraubt bzw. in dieses einschraubbar ist. Das erste Bauteil 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Durchgangsöffnung 3 auf, die fluchtend zu einer Durchgangsöffnung 4 eines zweiten Bauteils angeordnet ist. Der Schaft 17 durchsetzt die Durchgangsöffnung 4 des zweiten Bauteils 2. Der radial verbreiterte Kopf 18 ist mit einer dem ersten Bauteil abgewandten Öffnungsberandung der Durchgangsöffnung 4 axial in Anlagestellung.
Durch ein Verschrauben des Verbindungskörpers 11 kann das Verbindungselement 10 eine das erste und das zweite Bauteil zusammenfügende Kraft aufbringen. Mithin wird mittels des Verbindungselements 10 das zweite Bauteil 2 zwischen dem Kopf 18 und dem ersten Bauteil 1 klemmend gehalten. Zum Einschrauben des Verbindungselements 10 in das erste Bauteil 1 kann der Kopf 18 z.B. eine radial außenliegende Schlüsselfläche aufweisen.
Alternativ und wie in 1 gezeigt, kann eine Stirnfläche des Kopfs 18 eine Aufnahme 28 aufweisen, die mit einer mit einem Schraubwerkzeug korrespondierenden Formschlussstruktur 27, bzw. mit einer Schlüsselfläche versehen ist. Das Einschrauben des Verbindungselements 10 und das Aufbringen eines Anzugsmoments geht mit der Erzeugung einer in Längsrichtung oder Axialrichtung ausgerichteten mechanischen Spannung durch den Verbindungskörper 11 einher. Durch das Ein- und Festschrauben des Verbindungselements 10 erfährt der Verbindungskörper 11 eine Zugspannung in Längs- oder Axialrichtung.
Der Verbindungskörper 11 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel radial zentrisch einen in Längsrichtung verlaufenden Hohlraum 14 auf, welcher in Axialrichtung nach oben bis in die Stirnfläche des Kopfs 18 mündet. Der Hohlraum kann als eine Art axiale Sacklochbohrung im Verbindungskörper 11 ausgestaltet sein. In dem Hohlraum 14 ist ein Sensor 12 fest angeordnet. Der Sensor 12 weist, wie in den 3 bis 7 näher verdeutlicht, zumindest ein Sensorelement 22, ggf. auch zwei Sensorelemente 22, 24 auf. Das zumindest eine Sensorelement 22, ggf. auch beide Sensorelemente 22, 24 weisen ein Material mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul auf.
Das Material des Sensorelements 22 ändert seine Elastizität oder Steifigkeit in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden mechanischen Kraft. Die Änderung des Elastizitätsmoduls schlägt sich insbesondere im Schwingungsverhalten des Sensorelements 22, 24 nieder. Die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements 22, 24 bei einer zum Beispiel elektrischen oder elektromechanischen Schwingungsanregung ändert sich in Abhängigkeit von der momentan auf das Sensorelement 22, 24 einwirkenden mechanischen Kraft oder Spannung. Eine Schwingungseigenfrequenz des zumindest eines Sensorelements 22, 24 ist mittels der Messanordnung 30 und der zum Beispiel mittels eines Signalkabels 36 gebildeten signalübertragenden elektrischen Kopplung zwischen dem Sensor 12 und der Messanordnung 30 messbar.
Zur Bestimmung der Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements 22, 24 ist die Durchführung einer Impedanz-Reflexionsmessung vorgesehen. Das heißt über die Signalleitung 36 wird das zumindest eine Sensorelement 22, 24 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Ein Reflexionssignal als Antwortsignal wird alsdann gleichermaßen vom Signalkabel 36 an die Messanordnung 30 übertragen. Mittels eines Durchstimmens durch ein vorgegebenes Frequenzband ist auf diese Art und Weise die Schwingungseigenfrequenz des unter mechanischer Spannung stehenden Sensors 12 bestimmbar.
Der Aufbau des Messsystems 50 gemäß 2 ist analog dem Aufbau des Messsystems nach 1. Hier jedoch im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 anstelle eines mit einem Kopf versehenen Verbindungskörpers 11 ein im Wesentlichen vollständig zylindrischer Verbindungskörper 111 vorgesehen, der an gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils ein Außengewinde 25, 45 aufweist. Das von einer dem ersten Bauteil 1 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 2 hervorstehende Ende des Verbindungskörpers 111 ist vorliegend mit einem Außengewinde 45 versehen, welches mit einem Innengewinde 46 einer Schraubenmutter 42 zusammenwirkt. Die Schraubenmutter 42 weist an ihrem Außenumfang eine Formschlussstruktur 47 auf, mittels derer unter Zuhilfenahme eines geeigneten Schraubwerkzeugs ein Drehmoment auf die Schraubenmutter 42 aufbringbar ist.
Der Hohlraum 14 für den Sensor 12 ist auch hier als zylindrische Sacklochbohrung radial zentrisch in dem Verbindungskörper 111 vorgesehen.
In den 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen zur Fixierung und Halterung des Sensors 12 innerhalb des Hohlraums 14 gezeigt. Der Sensor 12, welcher in den 3 bis 5 als monolithischer Sensor dargestellt ist, kann ein einziges Sensorelement 22, etwa in Form eines piezoelektrischen Kristalls oder in Form einer piezoelektrischen Keramik aufweisen. Der Sensor 12 kann aber zwei oder mehrere Sensorelemente 22, 24 aufweisen, wie dies in den 6 und 7 exemplarisch gezeigt ist.
Der Sensor 12 ist in elektrischer Hinsicht mit seinen gegenüberliegenden Längsenden kontaktiert. Ein unteres Ende des Sensors 12, welches auf einem Boden 60 des Hohlraums 14 steht, ist unmittelbar elektrisch leitend mit dem Boden 60 und damit mit dem typischerweise aus einem Metall gefertigten Verbindungskörper 11 kontaktiert. Ein gegenüberliegendes Ende des Sensors 12 steht mit einem elektrischen Kontakt 26 in Verbindung. Der elektrische Kontakt 26 ist über ein Signalkabel 36 mit der Messanordnung 30 elektrisch verbunden.
Der Sensor 12 ist innerhalb des Hohlraums 14 mit Hilfe einer Montagekappe 64 fixiert. Zwischen der Montagekappe 64, welche ebenfalls aus Metall gefertigt sein kann und dem elektrischen Kontakt 26 ist ferner ein elektrischer Isolator 66 angeordnet. Auf diese Art und Weise ist der elektrische Kontakt 26 vom metallischen Verbindungskörper 11 elektrisch isoliert. Die Montagekappe 64 weist eine Kabeldurchführung 65 auf. Der elektrische Isolator 66 weist gleichermaßen eine Kabeldurchführung 67 auf. Somit kann das Signalkabel 36 durch die Montagekappe 64 und durch die elektrische Isolierung 66 hindurchgeführt werden.
Für die mechanische Fixierung des Sensors 12 innerhalb des Hohlraums 14 ist vorliegend eine plastische Deformation des Verbindungskörpers 11 vorgesehen. Fertigungstechnisch kann in einen zunächst hohlzylindrischen Hohlraum 14 der Sensor 12 zusammen mit dem elektrischen Kontakt 26, 27, dem Signalkabel 36 sowie mit dem elektrischen Isolator 66 und der Montagekappe 64 eingeführt werden. Alsdann erfolgt ein radial nach innen gerichtetes Verformen der Innenwand 62 des Hohlraums 14 derart, dass auch die Montagekappe 64 und somit auf die gesamte Anordnung von Montagekappe 64, elektrischer Isolator 66 und Sensor 12 eine in Axial- oder Längsrichtung wirkende Vorspannkraft ausgeübt wird. Mit anderen Worten wird der Sensor 12 in Axialrichtung oder Längsrichtung des Verbindungskörpers 11 komprimiert. Die Innenwand 62 weist nach der erfolgten plastischen Deformation zumindest einen oder mehrere radial nach innen ragende Vorsprünge 63 auf, die den Sensor 12 unter Vorspannung stehend in den Hohlraum 14 fixiert halten.
In mechanischer Hinsicht wird der Sensors 12 zwischen dem Boden 60 und zumindest einem radial nach innen ragenden Vorsprung 63, welcher auch ringförmig ausgestaltet sein kann, in Axialrichtung komprimiert. Infolgedessen sind ein erster Sensorabschnitt 15 und ein zweiter Sensorabschnitt 16, welche bezogen auf die Längsrichtung des Verbindungskörpers 11 voneinander beabstandet sind, jeweils gesondert mit dem Verbindungskörper 11 verbunden bzw. hieran fixiert. Der zweite Sensorabschnitt 16, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Längsende des Sensors 12 zusammenfällt, befindet sich in unmittelbarer Anlagestellung mit dem Boden 60 des Hohlraums 14. Der erste Sensorabschnitt 15, welcher mit dem gegenüberliegenden Längsende des Sensors 12 zusammenfällt, befindet sich in unmittelbarer Anlagestellung zum elektrischen Isolator 66 oder zur Montagekappe 64.
Der erste Sensorabschnitt 15 ist insoweit über die Montagekappe 64 und über den elektrischen Isolator 66 mittelbar fest mit einem in Längsrichtung vom Boden 60 beabstandeten Bereich des Verbindungskörpers 11, beispielsweise mit dem Vorsprung 63 verbunden oder hieran fixiert. Eine in Längsrichtung oder Axialrichtung auf den Verbindungskörper 11 einwirkende Kraft, beispielsweise eine Zugbelastung auf den Verbindungskörper 11 hat unmittelbare Auswirkungen auf die axiale Kompression des Sensors 12. Eine Zugbelastung auf den Verbindungskörper 11 wirkt insbesondere der Vorspannung des Sensors 12 entgegen. Dies führt unweigerlich zu einer Veränderung der auf den Sensor 12 einwirkenden axialen und in Längsrichtung wirkenden mechanischen Kraft. Demzufolge ändert der Sensor 12 bzw. sein Sensorelement 22, 24 seine elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz. Die Veränderung der Schwingungseigenfrequenz ist somit ein unmittelbares Maß und Indiz für eine Veränderung der auf den Verbindungskörper 11 einwirkenden Zugbeanspruchung.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist anstelle einer plastischen Deformation der Innenwand 62 des Hohlraums 14 ein kraftschlüssiges Halten der Anordnung von Sensor 12, elektrischem Isolator 66 und Montagekappe 64 vorgesehen. Anstelle einer plastischen Deformation zur Erzeugung eines radial nach innen ragenden Vorsprungs 63 von der Innenwand 62 ist nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine stoffschlüssige Verbindung der Montagekappe 64 und der Innenwand 62 vorgesehen. Diese kann beispielsweise mittels Verschweißen und unter Bildung von Schweißstellen 163 erfolgen. Die stoffschlüssige Verbindung von Montagekappe 64 und Innenwand 62 erfolgt auch hier unter axialer Kompression des Sensors 12.
Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß 5 sieht anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung vor, die Montagekappe 64 in den Hohlraum 14 einzuschrauben und diese quasi mittels einer Schraubverbindung mi Hohlraum 14 zu fixieren. Hierzu weist die Montagekappe 64 an ihrer Außenseite ein Außengewinde 165 auf, welches mit einem an der Innenwand 62 vorgesehenen Innengewinde 166 in Eingriff bringbar ist. Ähnlich wie der Kopf 18 gemäß 1 weist auch hier die dem Sensor abgewandte Stirnseite der Montagekappe 64 eine Formschlussstruktur für eine drehmomentübertragende Kopplung mit einem Schraubwerkzeug auf. Hiermit kann dem Montagekörper 64 unter Erzeugung einer auf den Sensor 12 einwirkenden axialen Kompression in den Hohlraum 14 eingeschraubt werden.
In den Ausführungsbeispielen gemäß der 6 und 7 sind zwei Sensorvarianten 12 gezeigt, bei welchen der Sensor 12 anstelle eines einzigen Sensorelements 22 zwei elektrisch in Reihe geschaltete Sensorelemente 22, 24 aufweist. Die Sensoren 12 gemäß der 6 und 7 können nach einem der in den 3 bis 5 beschriebenen Verfahren unter Vorspannung stehend im Hohlraum 14 fixiert sein, ohne dass dies unter Bezugnahme auf die 6 oder 7 näher zu erläutern wäre.
Wie in 6 dargestellt, befindet sich zwischen einem ersten Sensorelement 22 und einem zweiten Sensorelement 24 der elektrische Kontakt 26, welcher mit dem Signalkabel 36 elektrisch verbunden ist. Insoweit weist das erste Sensorelement 22 eine axiale Kabeldurchführung 23 auf. Ähnlich wie zu den 3 bis 5 erläutert, bewirkt auch hier die Montagekappe 64, dass der Sensor 12 mit seinen beiden Sensorelementen 22, 24 unter einer axialen Vorspannung, insbesondere unter einer axialen Kompression im Hohlraum 14 fixiert ist. Das erste Sensorelement 22 und das zweite Sensorelement 24 sind in Längsrichtung des Verbindungskörpers 11 als auch in Längsrichtung des Hohlraums 14 durch den elektrischen Kontakt 26 voneinander separiert.
Durch die gleichzeitige elektrische Kontaktierung mit dem elektrischen Kontakt 26 können das erste Sensorelement 22 und das zweite Sensorelement 24 gleichartig mit einem oszillierenden Eingangssignal beaufschlagt werden. Infolge der mechanischen Reihenschaltung von erstem und zweitem Sensorelement 22, 24 und der Tatsache, dass das erste und das zweite Sensorelement 22, 24 mittels der Montagekappe 64 axial aneinander angrenzend im Hohlraum 14 befindlich axial vorgespannt sind, unterliegen diese auch weitreichend gleichen mechanischen Druckbeanspruchungen in Längsrichtung. Folglich ist auch die Antwort der Sensorelemente 22, 24 weitreichend identisch, sodass die Schwingungseigenfrequenzen von erstem Sensorelement 22 und zweitem Sensorelement 24 mit ein und demselben elektrischen Kontakt 26 aufgenommen und über das Signalkabel 36 der Messanordnung 30 zugeführt werden können.
Die dem elektrischen Kontakt 26 abgewandten Längsenden von erstem Sensorelement 22 und zweitem Sensorelement 24 sind elektrisch mit der Montagekappe 64 und mit dem Boden 60 des Hohlraums 14 verbunden. Sie können beide sozusagen auf Massepotenzial liegen.
In der weiteren Ausgestaltung gemäß 7 ist ergänzend zum Aufbau gemäß 6 noch ein weiteres Funktionsbauteil 68 zwischen dem zweiten Sensorelement 24 und dem Boden 60 des Hohlraums 14 angeordnet. Das Funktionsbauteil 68 kann eine definierte Elastizität oder Steifigkeit aufweisen und somit die Gesamtelastizität des Aufbaus des Sensors 12 weitreichend beeinflussen. In mechanischer Hinsicht und im Hinblick auf eine Zug- oder Druckbelastung sind die Montagekappe 64, das erste Sensorelement 22, der elektrische Kontakt 26, das zweite Sensorelement 24 und das Funktionsbauteil 68 quasi in Reihe geschaltet.
Durch geeignete Wahl eines Funktionsbauteils 68 mit variabler Elastizität bzw. Geometrie kann die Art der mechanischen Kopplung zwischen dem Verbindungskörper 11 und dem Sensor 12 an unterschiedliche Messanforderungen angepasst werden. Insbesondere kann durch Wahl eines Funktionsbauteils 68 aus einer Reihe zur Verfügung stehender Funktionsbauteile mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften oder Geometrien die Sensitivität des Sensors auf Veränderung mechanischer Spannungen und mechanischer Belastungen des Verbindungskörpers 11 variabel angepasst werden.
In 8 ist schließlich schematisch der Aufbau der Messanordnung 30 gezeigt. Ausgangsseitig und über ein Signalkabel 36 ist die Messanordnung 30 mit dem Sensor 12 signalübertragend koppelbar. Die Messanordnung 30 weist einen Signalerzeuger 32 sowie einen ersten Signalempfänger 34 und einen zweiten Signalempfänger 35 auf. Zwischen dem ersten Signalempfänger 34 und dem zweiten Signalempfänger 35 ist ein ohmscher oder elektrischer Widerstand 38 angeordnet, der im Wesentlichen für eine Entkopplung von Eingangssignalen und Antwortsignalen sorgt. Der zweite Signalempfänger 35 dient vornehmlich einer Überwachung und einer Frequenzmessung der von dem Signalerzeuger 32 generierten Eingangssignale. Die Eingangssignale werden vom ersten Signalempfänger 34 aufgrund des Widerstands 38 nur vermindert oder abgeschwächt gemessen. Der erste Signalempfänger 34 ist hingegen direkt mit dem Signalkabel 36, mithin mit dem Ausgang bzw. Eingang der nach dem Reflexionsverfahren arbeitenden Messanordnung 30 gekoppelt.
Die vom Sensor 12 reflektierten und die Schwingungseigenfrequenz des Sensors 12 charakterisierenden Antwortsignale werden vornehmlich vom ersten Signalempfänger 34 empfangen. Aufgrund des Widerstands 38 werden die reflektierten Antwortsignale des Sensors 12 im zweiten Signalempfänger 35 nur vermindert oder abgeschwächt empfangen.
Im Betrieb der Messanordnung 30 und des gesamten Messsystems 50 ist vorgesehen, die Frequenz des Eingangssignals über einen vorgegebenen Frequenzbereich durchzustimmen, um diejenige Schwingungsfrequenz ausfindig zu machen, bei welcher der Sensor 12 seine Resonanz oder seine Schwingungseigenfrequenz aufweist.
In der Darstellung zweier Diagramme in den 9 und 10 ist die Amplitude A eines Signals für zwei unterschiedliche auf das Verbindungselement 10 einwirkenden axialen Kräfte F1 und F2 gezeigt. Bei der Kraft F1 liegt die Schwingungseigenfrequenz des Sensors 12 bzw. seines Sensorelements 22, 24 bei einer Frequenz f1. Bei Einwirkung einer Kraft F2 liegt die Schwingungseigenfrequenz gemäß der Darstellung nach 10 bei einer Frequenz f2. Die Frequenz f1 ist größer als die Frequenz f2. Folglich ist die in Summe auf den Sensor 12 einwirkende Kraft im Beispiel der 10 geringer als in 9.
Im Hinblick darauf, dass die von extern auf das Verbindungselement 10 einwirkende oder extern aufgebrachte Kraft, mithin die über das Verbindungselement 10 auf die Bauteile 1, 2 zu übertragende Zugkraft der Vorspannung des Sensors 12 entgegengerichtet ist, kann die Konfiguration gemäß 10 eine Kraft F2 darstellen, die größer ist als die Kraft F1 gemäß 9 ist. So kann die Kraft F1 eine unbelastete Ausgangssituation der Verbindungsanordnung 10 darstellen, in welcher das Sensorelement 22, 24 bzw. ein von Sensorelement 22, Montagekappe 64 und/oder Funktionsbauteil 68 gebildeter Montageverbund mit einer axialen Vorspannung im Hohlraum 14 angeordnet ist fixiert ist. Eine etwa durch Anziehen einer Schraubverbindung erzeugte Zugkraft auf das Verbindungselement 10 wirkt der ursprünglichen Vorspannkraft entgegen. Die Gesamtbelastung auf das Sensorelement 22 und/oder auf den Montageverbund wird hierdurch reduziert. Als Folge hiervon verringert sich die Schwingungseigenfrequenz von f1 auf f2. Eine solche Abhängigkeit ist insbesondere bei einer progressiven Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von einer aufgebrachten Kraft zu beobachten. Bei einer degressiven Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von einer aufgebrachten Kraft würde die Frequenz bei dem zuvor geschilderten Szenario steigen.
Im Diagramm gemäß der 11 sind insgesamt vier Messungen bei unterschiedlichen auf das Verbindungselement aufgebrachten Kräften dargestellt. Die einzelnen Graphen geben Kräfte oder Anzugsmomente von 0 bis 60 kN wieder. Das gestrichelte Diagramm entspricht einem Verbindungselement im Urzustand, die gestrichelte Linie stellt eine Messung bei einer Kraft von 20 kN dar. Das mit Rauten versehene Diagramm stellt eine Messung bei 40 kN dar und die durchgezogene Linie steht für eine Messung bei einer extern aufgebrachten Kraft von 60 kN. Es ist unmittelbar aus dem Diagramm gemäß 11 ersichtlich, dass die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Graphen verschoben sind. Im unbelasteten Zustand, das heißt bei 0 kN beträgt die Schwingungseigenfrequenz f0 etwa 85 kHz. Bei einer Zugbelastung von 20 kN liegt die Schwingungseigenfrequenz f20 bei etwa 80 kHz. Bei einer mechanischen Last von 40 kN liegt die Schwingungseigenfrequenz f40 bei etwa 76 kHz und bei einer Belastung von 60 kN beträgt die Schwingungseigenfrequenz f60 etwa 71 kHz.
Versuche haben gezeigt, dass die Messungen beliebig oft und zu verschiedenen Zeiten wiederholbar sind und dabei jeweils gleichbleibende Messergebnisse liefern. Mithin ist mit dem hier beschriebenen Messsystem eine langzeitstabile und überaus präzise Messung einer axial auf ein Verbindungselement einwirkenden mechanischen Kraft bestimmbar.
Die hier angegebenen Frequenzbereiche sind rein beispielhaft für einen Prototypen. Die Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements kann auch in einem gänzliche anderen Frequenzbereich, bspw. in einem Bereich oberhalb von 100 kHz oder auch unterhalb von 10 kHz liegen. Auch sind je nach konkreter Bauart des Verbindungselements Messung in unterschiedlichen Kraftbereichen denkbar.
Im Flussdiagramm gemäß 12 ist das grundlegende Verfahren zur Messung der auf ein Verbindungselement 10 einwirkenden Kraft schematisch gezeigt. In einem ersten Schritt 100 wird ein Verbindungselement 10 bereitgestellt und sein Sensor 12 bzw. dessen Sensorelement 22, 24 wird mit einer Messanordnung 30 elektrisch signalübertragend verbunden. In einem weiteren Schritt 102 wird das zumindest eine Sensorelement 22, 24 mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal, insbesondere mit einem vom Signalerzeuger 32 erzeugten Eingangssignal beaufschlagt. In einem weiteren Schritt 104, welcher zeitgleich zum Schritt 102 ablaufen kann, wird das vom Sensorelement 22, 24 reflektierte Antwortsignal gemessen.
Die Schritte 102 und 104 werden typischerweise für ein ganzes Frequenzspektrum durchgeführt. Nachdem ein Frequenzspektrum analysiert wurde, wird in einem abschließenden Schritt 106 die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements 22, 24 aus den gemessenen Antwortsignalen ermittelt. Die Schwingungseigenfrequenz kann als diejenige Frequenz bestimmt werden, bei welcher die Amplitude des Antwortsignals für den gemessen Frequenzbereich maximal ist.
Die Zuordnung der gemessenen Schwingungseigenfrequenz zu einer tatsächlich auf das Verbindungselement einwirkenden Kraft erfolgt dann gemäß einer vorab durchgeführten Kalibrierung oder Eichung.
Wie ferner in 2 angedeutet kann das Messsystem auch neben der bereits beschriebenen ersten Messanordnung 30 noch eine weitere, nämlich eine zweite Messanordnung 130 aufweisen. Das Signalkabel 35 des Sensors 12 ist dabei wahlweise mit entweder der ersten oder mit der zweiten Messanordnung 30, 130 koppelbar bzw. verbindbar. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Signalauswertung ohne Wechsel des Sensors umgeschaltet werden kann. So kann z.B. für langzeitstabile Messungen die erste Messanordnung 30 verwendet werden, während für hochdynamische oder besonders sensitive Messungen ein anderes Messverfahren gemäß der zweiten Messanordnung 130 eingesetzt werden kann, z.B. auf Basis eines kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärkers. Ein Umschalten zwischen den Messanordnungen kann mittels z.B. eines Schalters erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Bauteil
3: Durchgangsöffnung
4: Durchgangsöffnung
10: Verbindungselement
11: Verbindungskörper
12: Sensor
14: Hohlraum
15: Sensorabschnitt
16: Sensorabschnitt
17: Schaft
18: Kopf
22: Sensorelement
23: Kabeldurchführung
24: Sensorelement
25: Außengewinde
26: elektrischer Kontakt
27: Formschlussstruktur
28: Aufnahme
29: Innengewinde
30: Messanordnung
32: Signalerzeuger
34: Signalempfänger
35: Signalempfänger
36: Signalkabel
38: Widerstand
42: Schraubenmutter
45: Außengewinde
46: Innengewinde
47: Formschlussstruktur
50: Messsystem
60: Boden
62: Innenwand
63: Vorsprung
64: Montagekappe
65: Kabeldurchführung
66: elektrische Isolation
67: Kabeldurchführung
68: Funktionsbauteil
111: Verbindungskörper
130: Messanordnung
163: Schweißstelle
165: Außengewinde
166: Innengewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/139464 A1 [0002]

Claims

Verbindungselement (10) mit einem längserstreckten Verbindungskörper (11) und mit einem Sensor (12), welcher in einem Hohlraum (14) des Verbindungskörpers (11) angeordnet und fest mit dem Verbindungskörper (11) verbunden ist, wobei der Sensor (12) zumindest ein Sensorelement (22, 24) mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul aufweist, welcher sich in Abhängigkeit einer einwirkenden mechanischen Kraft ändert und wobei das Sensorelement (22, 24) mit einer Messanordnung (30) signalübertragend koppelbar ist.
Verbindungselement (10) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (12) einen ersten Sensorabschnitt (15) und einen zweiten Sensorabschnitt (16) aufweist, die in Längsrichtung des Verbindungskörpers (11) voneinander beabstandet sind und wobei der erste Sensorabschnitt (15) und der zweite Sensorabschnitt (16) jeweils fest mit dem Verbindungskörper (11) verbunden oder hieran fixiert sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (22, 24) eine abhängig von einer mechanischen Krafteinwirkung veränderliche elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz aufweist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (22, 24) einen piezoelektrischen Kristall oder eine piezoelektrische Keramik aufweist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein mit der Messanordnung (30) elektrisch leitend verbindbarer elektrischer Kontakt (26) an einem Längsende des zumindest einen Sensorelements (22, 24) angeordnet ist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12) zumindest zwei in Längsrichtung des Verbindungskörpers (11) voneinander beabstandete Sensorelemente (22, 24) aufweist, zwischen welchen ein elektrischer Kontakt (26) angeordnet ist, welcher mit beiden Sensorelementen (22, 24) in elektrischem Kontakt steht.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12) innerhalb des Hohlraums (14) einer mechanischen Kompression in Längsrichtung ausgesetzt ist.
Messsystem mit zumindest einem Verbindungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit zumindest einer Messanordnung (30), welche mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) des Sensors (12) des Verbindungselements (10) signalübertragend koppelbar ist.
Messsystem nach Anspruch 8, wobei die Messanordnung (30): - zumindest einen elektrischen Signalerzeuger (32) zur Erzeugung eines zeitlich variierenden elektrischen Eingangssignals aufweist, - und zumindest einen ersten Signalempfänger (34) aufweist, - wobei der erste Signalempfänger (34) und der Signalerzeuger (32) mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) elektrisch koppelbar sind und wobei der erste Signalempfänger (34) zur Auswertung eines Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements (22, 24) ausgebildet ist.
Messsystem nach Anspruch 9, wobei der Signalerzeuger (32) und der erste Signalempfänger (34) über ein gemeinsames Signalkabel (36) mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) koppelbar sind.
Messsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Signalerzeuger (32) und der erste Signalempfänger (34) über einen elektrischen Widerstand (38) in Reihe geschaltet sind.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem zweiten Signalempfänger (35), welcher zur Messung einer Frequenz des vom Signalerzeuger (32) erzeugten Ausgangssignals ausgebildet ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Signalempfänger (34) zur Messung eines Frequenzspektrums des Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements (22, 24) ausgebildet ist.
Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden Kraft, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Verbindungselements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, - elektrisches Verbinden des zumindest einen Sensorelement (22, 24) mit einer Messanordnung (30), - Beaufschlagen des zumindest einen Sensorelements (22, 24) mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signals, - Messen eines vom Sensorelement (22, 24) reflektierten Antwortsignals und - Auswerten des Antwortsignals zur Bestimmung einer in Längsrichtung auf das Verbindungselement (10) einwirkenden Kraft.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auswerten des Antwortsignals eine Spektralanalyse des Antwortsignals umfasst und wobei zur Bestimmung der in Längsrichtung auf das Verbindungselement (10) einwirkenden Kraft eine Resonanz- oder Eigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements (22, 24) gemessen wird.