DE4311956A1

DE4311956A1 - Arrangement for determining the loading condition of connecting elements

Info

Publication number: DE4311956A1
Application number: DE19934311956
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Dettmann; Uwe Loreit
Original assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Current assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Priority date: 1993-04-10
Filing date: 1993-04-10
Publication date: 1994-10-13

Abstract

A description is given of an arrangement for determining the loading condition of connecting elements such as screws or pins. In the loading element, in the loading direction, there is a thin bore, to the bottom of which a pin is fastened. The surface of the pin and of the element lie in one plane when not loaded. Under loading, the surfaces are displaced and twisted with respect to each other. The measurement of the displacement and of the twisting permits the determination of the loading caused by expansion and torsion, independently of each other. <IMAGE>

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.With the invention it is possible to determine the loading condition of connecting elements to be determined by direct measurement. To the fasteners where the Invention that can be applied include screws, pins and all connecting Parts that are subjected to tensile, compressive or torsional stress during the duration of their function become. Such fasteners are becoming large in all of technology Diversity and needed in very large numbers. The clear statement of the Load condition of the fasteners is necessary in order to on the one hand for the necessary security for the operation of the respective technical system guarantee and on the other hand with a minimal expenditure of material this To be able to achieve the goal.

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.Arrangements for determining the loading condition of fasteners are known. This is how to determine the load on screws in general Torque measured when tightening the screws. But this torque will to a large extent due to the friction on the screw head and the screw thread determined so that only with great inaccuracy on the strain or Torsional state of the screw shaft can be closed. Besides, it can a measurement can only be made while the connection is being made. A subsequent control of the existing connection is only possible through its solution possible. This applies in particular if environmental influences occur when the connection is used have caused corrosion of the surfaces and thus strong static friction is enlarged. Another shortcoming of this measurement method is that between the load on the screw due to torsion and tension cannot be distinguished, but only the stress on the connecting element on train for the Stability of the connection is essential.

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.Measuring arrangements are also known which can be determined by exact determination of the geometric dimensions of fasteners the load condition make determinable. However, their application always means a significant one Effort and their use is in most cases due to a lack of space in the Junction or made impossible by the harsh environmental conditions.

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. The object of the invention is therefore an arrangement for determination to indicate the load condition of fasteners, which under the Operating conditions of the same to exact measurement results that the different types of stress allowed to be distinguished and both during the Production as well as provides measurement results during the duration of the connection.

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.The object is achieved by the arrangement characterized in the claims. In the connecting element is a hole small in the direction of loading Diameter introduced. Measuring the change in depth of this hole reveals directly the elongation in the direction of the load, i.e. the size, the value of which at a stable connection must not be exceeded. Advantageously, on A pin attached to the bottom of the hole. Its length is preferably the same as Depth of the hole in the unloaded state of the connecting element. The exact match can be easily and without application of Measuring equipment can be produced by a grinding process after mounting the pin. The measurement of the change in depth of the hole is now determined by the Change in level of the pin end face compared to the surface surrounding the hole possible. The level difference occurring here as a measured variable is determined by the depth the bore, but not the length, cross section and material of the Connection element, determined. According to the material for the pen Connection element used. This gives the measured level difference Elongation is always correct regardless of the temperature. By setting one certain drilling depth taking into account the specific material properties it is possible to use the same for all connecting elements of one type (e.g. screws) allowable level difference for the limit load. This leads to a uniform solution for the length measuring arrangement to be used and easy handling of those equipped with the arrangement according to the invention Fasteners.

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.Because there is no level difference without load, the Check the load condition of the connecting element at any time. A The element may become overloaded during use after Evidence of expansion. This statement is the prerequisite for one Reuse of the connecting element.

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.A torsion in fasteners, such as during screws in particular the assembly is generated, leads to a rotation of the pin face against the surface surrounding the bore. By marking them according to the invention The twist angle can be measured on surfaces.

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.To further explain the invention, an embodiment is given below. Fig. 1 is a schematic diagram showing to a screw connection and Fig. 2 shows an enlarged detail thereof.

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.The connecting element in the screw connection is screw 1 . This contains a bore 2 in which the pin 3 is located, which is attached to the bottom 6 of the bore 2 by a welding or gluing point. The pin end face 5 and the surface 4 of the screw head surrounding the bore 2 are ground together flat in the unloaded state of the screw 1 . Furthermore, in the unloaded state, a straight notch was worked into the surfaces, which consists of a notch part 7 (see FIG. 2) in the surface 4 surrounding the bore 2 and a notch part 8 in the pin end face 5 . In Fig. 1, the screw 1 is shown in the loaded state. The expansion of the screw shank that occurs under load leads to a lowering dL of the pin end face 5 , since the pin 3 itself remains unloaded. The reduction dL is measured with a length measuring arrangement. If the screw 1 is made of steel, for example, a maximum permissible elongation in the range of 0.2% is permissible. At a depth L of the bore 2 of 30 mm, this permissible expansion is reached when the reduction amounts to a value of 60 µm. The accuracy with which the load limit can be set does not depend on the arrangement described, but on the length measuring method used, which is not the subject of the invention.

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.A rotation 9 of the pin end face 5 relative to the surrounding surface 4 can be seen in FIG. 2. This results from torsion of the shaft of screw 1 due to friction in the screw thread. The twist 9 is optically recognized. The existing torsion can be measured independently of the tensile stress in the shaft and can thus also be independently set to a lower value. The torsion is irrelevant for the connection strength. If it is completely withdrawn, this reduces the material load on the screw 1 and thus increases the stability of the connection.

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.The separate measurement of elongation and torsion is also advantageous if due to a faulty surface in the thread (dirt, corrosion, bad Machining) very large torsions when tightening the screw, but small ones Stretches result and a firm connection actually does not come about.

Claims

1. Arrangement for determining the loading condition of connecting elements, characterized in that there is a thin bore ( 2 ) of defined depth in the connecting element ( 1 ) in the loading direction.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a pin ( 3 ) is attached to the bottom ( 6 ) of the bore ( 2 ).

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that in the unloaded state, the bore ( 2 ) surrounding the surface ( 4 ) and the pin end face ( 5 ) lie in one plane.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the connecting element ( 1 ) and the pin ( 3 ) consist of the same material.

5. Arrangement according to claim 2, characterized in that the surrounding surface ( 4 ) and the pin end face ( 5 ) with a structure ( 7 ; 8 ), which has the same direction in the unloaded state, are provided.