Schraubenmutter

Die Erfindung betrifft eine intelligente Schraubenmutter die an den Seitenflächen mit Sensoren in Schraubenachse (2) und/oder Sensoren quer zur Schraubenachse (3) ausgestattet wird. Als Alternative zur intelligenten Schraubenmutter können die Sensoren auch an die Seitenflächen einer gewöhnlichen Schraube (am Schraubenkopf) fixiert werden. Zusätzlich wird ein RFID-Transponder (auch genannt RFID-Tag) (5) und/oder ein Mikrocontroller (5) an den Seitenflächen der intelligenten Schraubenmutter angebracht. Im Fall der RFID-Transponder Ausführung handelt sich vorzugsweise um passive RFID-Tags (5) die keine eigene Stromversorgung benötigen.

Mit der intelligenten Mutter ist eine Überprüfung der Größe der Vorspannkraft im Gewindebolzen (7) oder in einer Schraube (7), auf dem die intelligente Mutter aufgeschraubt wird, möglich.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine intelligente Schraubenmutter, die auf einen Gewindestab aufgeschraubt wird oder eine intelligente Schraube selbst mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.

Schraubenmuttern werden im Stand der Technik üblicherweise in Kombination mit einer Schraube oder einem Gewindebolzen zum Verbinden von zwei oder mehr Elementen eingesetzt. Beim Anziehen der Schraube oder Mutter kommt es zu einer Stauchung der Schraubenmutter und diese Stauchung wird mit der vorliegenden Erfindung messtechnisch direkt an der Schraubenmutter ermittelt. Die Erfindung betrifft eine intelligente Schraubenmutter (1) die an den Seitenflächen mit Sensoren (2) in Schraubenachse (4) und Sensoren (3) quer zur Schraubenachse (4) ausgestattet wird. Als Sensortyp kommen vorzugsweise Dehnmesstreifen (2) und (3) zum Einsatz, es können aber auch andere Sensortypen an die Schraubmutter fixiert werden. Es werden vorzugsweise passive Sensoren, die keine eigene Stromversorgung benötigen, an die Seitenflächen der Schraubenmuttern fixiert. Die Dehnmessstreifen werden mit einem Kleber oder mittels Schweißverbindung auf die Seitenflächen fixiert. Die Fixierung erfolgt vorzugsweise zentrisch, d.h. in der halben Höhe und halben Breite der Schraubenmutterseitenfläche. Zusätzlich wird an den Seitenflächen ein RFID- Transponder (5) oder ein Mikrocontroller (5) fixiert. Die Sensoren werden mit dem RFID-Transponder oder mit dem Mikrocontroller mittels Sensorleitungen (6) verbunden. Beim Anziehen der intelligenten Schraubmutter (1) kommt es zu einer Materialstauchung der Mutter und die Größe dieser Stauchung wird von den Sensoren gemessen. Zwischen der Größe der Stauchung und der Vorspannkraft im Gewindebolzen oder in der Schraube existiert eine funktionale mathematische Beziehung und der gemessene Wert der Stauchung wird in eine äquivalente Vorspannkraft umgerechnet. Mit einem RFID-Lesegerät oder über einen Kabelanschluss wird die aktuelle Größe der Schraubenmutterstauchung bzw. der Vorspannkraft im Gewindebolzen oder in der Schraube abgefragt.

Mit der Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, alle Konstruktionen bei denen Befestigungselemente mit Schraubenmuttern ausgeführt werden, messtechnisch in Bezug auf die Größe der aktuell vorhandenen Vorspannkraft im Gewindebolzen oder in der Schraube zu ermittelt bzw. zu überprüfen. Es handelt sich daher um eine radikale Innovation.

Gegebenenfalls wird eine intelligente Schraubenmutter bereitgestellt, wobei die Schraubenmutter mit Sensoren und an den Seitenflächen der Schraubenmutter ausgestattet ist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Schraubenmutter mit einem RFID- Transponder (5) oder mit einem Mikrokontroller ausgestattet ist. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die fixierten Sensoren in Schraubenachse (4) und quer zur Schraubenachse ausgerichtet werden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der RFID-Transponder oder der Mikrokontroller mit einem Sensorkabel mit den Sensoren verbunden wird.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der RFID-Transponder (5) oder der Mikrokontroller an jeder beliebigen und/oder an mehreren Seitenflächen der intelligenten Schraubenmutter fixiert wird.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensormesssignale von einer Seitenfläche zu einer beliebigen anderen Seitenfläche der Schraubenmutter mit Sensorkabel übertragen werden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensormesssignale von einer Seitenfläche zu einer beliebigen anderen Seitenfläche der Schraubenmutter mittels Funktechnologie übertragen werden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Sensoren und an die Seitenfläche geklebt oder geschweißt werden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass vorzugsweise Dehnmesstreifen und als Sensoren die die Stauchung der intelligenten Schraubenmutter messen an die Seitenflächen fixiert werden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der RFID-Transponder einen Analog-Digital- Wandler und einen Verstärker umfasst.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der RFID-Transponder ein passiver RFID- Transponder ist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Schraubenmutter (1) zusätzlich einen Temperatursensor umfasst. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Temperatursensor dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Schraubenmutter zu messen.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der RFID-Transponder (5) oder der Mikrokontroller (5) dazu ausgebildet ist, Messsignale der Sensoren kabellos an eine Empfängereinrichtung zu übertragen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Figuren sowie den Patentansprüchen. Ebenfalls geoffenbart sind Merkmale und Ausführungsformen, die in der prioritätsbegründenden österreichischen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen A 60182/2019 vom 4. August 2019 beschrieben sind.

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement bzw. ein Befestigungsmittel. Das Befestigungsmittel kann insbesondere eine Schraubenmutter oder eine Schraube sein. Eine Schraubenmutter weist üblicherweise eine Schraubenrichtung bzw. eine Schraubrichtung auf, entlang derer die Schraubenmutter auf ein Gewinde eines Gewindebolzens und dergleichen geschraubt werden kann. Gleichermaßen weist eine Schraube üblicherweise eine Schraubenrichtung bzw. eine Schraubrichtung auf, entlang derer die Schraube in ein Innengewinde, eine Freistellung oder in einen anderen Gegenstand oder ein Element geschraubt oder geführt werden kann.

Beim Festziehen des Befestigungselements treten unter anderem Kräfte in Schraubenrichtung oder in Schraubrichtung auf. Diese Kräfte bestehen insbesondere in einer Zugspannung entlang der Schraubenrichtung bzw. der Schraubrichtung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass die Zugspannung gleichzeitig eine Stauchung eines Teils des Befestigungselements bewirkt. Es wurde gefunden, dass diese Stauchung zur Zugspannung proportional ist und daher für die Bestimmung der Zugspannung herangezogen werden kann.

Die Stauchung kann insbesondere durch Dehnungsmess-Sensoren bestimmt werden, deren Messrichtung im Wesentlichen parallel zur Schraubrichtung bzw. zur Schraubenrichtung angeordnet ist. Dehnungsmess-Sensoren können insbesondere Dehnmessstreifen sein, jedoch beliebige andere Vorrichtungen zur Messung einer Dehnung oder Stauchung, etwa Faser-Bragg-Gitter-Sensoren.

Bevorzugt sind mehrere Sensoren mit gleicher Messrichtung am Befestigungselement angeordnet. Dadurch können Variationen der Messwerte durch Bildung eines Mittelwerts ausgeglichen werden.

Die Auslesung der Messwerte erfolgt bevorzugt kabellos, insbesondere über einen RFID-Transponder oder einen Mikrokontroller. Der RFID-Transponder kann ein RFID- Sensor-Transponder sein. Der RFID-Transponder kann ein passiver RFID-Transponder sein. Der RFID-Transponder kann einen Analog-Digital-Wandler und einen Verstärker umfassen. Die Auslesung der Messwerte kann alternativ jedoch auch kabelgebunden über einen Kabelanschluss erfolgen.

Ein passiver RFID-Transponder mit Analog-Digital-Wandler und Verstärker bietet den Vorteil, dass am Befestigungselement keine Stromversorgung notwendig ist. Die notwendige Energie zum Auslesen eines Messwerts kann beispielsweise durch ein Lesegerät bereitgestellt werden. Dadurch werden mögliche technische Probleme aufgrund mangelnder Stromversorgung minimiert. Zudem kann das Befestigungselement an Orten eingesetzt werden, die keine durchgehende Stromversorgung ermöglichen.

Gegebenenfalls kann zusätzlich zum Dehnungsmess-Sensor ein Temperatursensor vorgesehen sein, um die Materialtemperatur des Befestigungselements zu messen. Messfehler, die sich aus einer temperaturbedingten Dehnung oder Stauchung des Befestigungselements ergeben könnten, können dadurch ausgeglichen werden. Insbesondere kann der Messwert des Dehnungsmess-Sensors um den Faktor der temperaturbedingten Dehnung bzw. Stauchung des Befestigungselements korrigiert werden. Die temperaturbedingte Dehnung bzw. Stauchung des Befestigungselements ist abhängig von Materialparametern, wie beispielsweise dem Ausdehnungskoeffizienten. Diese Materialparameter können von einem Fachmann empirisch bestimmt werden. Wenn das Befestigungselement mehrere Sensoren umfasst, können diese über einen Sensordraht oder über mehrere Sensordrähte miteinander verbunden sein. Dadurch können die Messwerte mehrerer Sensoren über ein Sendeelement, beispielsweise einen RFID-Transponder, ausgelesen werden. Die Signalübertagung zwischen mehreren Sensoren kann auch kabellos, beispielsweise mittels eine Funkeinrichtung, erfolgen.

Nachfolgend werden die technischen Merkmale ausgewählter Ausführungsformen beschrieben. Beliebige Kombinationen von zwei, drei oder mehr der beschriebenen Ausführungsformen sind hier ebenfalls geoffenbart.

Ausführungsform 1. Befestigungselement, wobei am Befestigungselement wenigstens ein Sensor angeordnet ist.

Ausführungsform 2. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 1 , wobei das Befestigungselement eine Schraubenmutter ist.

Ausführungsform 3. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 2, wobei der Sensor an einer Seitenfläche der Schraubenmutter angeordnet ist.

Ausführungsform 4. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 1 , wobei das Befestigungselement eine Schraube ist.

Ausführungsform 5. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 4, wobei der Sensor an einer Seitenfläche der Schraube angeordnet ist, insbesondere an einer Seitenfläche des Kopfes der Schraube.

Ausführungsform 6. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei der Sensor ein Dehnungsmess-Sensor ist.

Ausführungsform 7. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 6, wobei der Sensor ein Dehnmessstreifen ist. Ausführungsform 8. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 6 oder 7, wobei der Dehnungsmess-Sensor eine Messrichtung aufweist.

Ausführungsform 9. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 8, wobei der Dehnmessstreifen eine Messrichtung aufweist.

Ausführungsform 10. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 9, wobei das Befestigungselement eine Schraubachse oder eine Schraubenachse aufweist.

Ausführungsform 11. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 10, wobei der Sensor, insbesondere die Messrichtung des Sensors, im Wesentlichen parallel zur Schraubachse und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist.

Ausführungsform 12. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 10, wobei der Sensor, insbesondere die Messrichtung des Sensors, im Wesentlichen orthogonal zur Schraubachse und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist.

Ausführungsform 13. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 12, wobei mehrere Sensoren vorgesehen sind.

Ausführungsform 14. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 13, wobei wenigstens ein erster Sensor, insbesondere die Messrichtung wenigstens eines ersten Sensors, im Wesentlichen parallel zur Schraubachse und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist, und wobei wenigstens ein zweiter Sensor, insbesondere die Messrichtung wenigstens eines zweiten Sensors, im Wesentlichen orthogonal zur Schraubachse und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist.

Ausführungsform 15. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 14, wobei ein Transponderelement vorgesehen ist.

Ausführungsform 16. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 15, wobei das Transponderelement dazu ausgebildet ist, Messdaten wenigstens eines Sensors kabellos und/oder kontaktlos zu übertragen. Ausführungsform 17. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 15 oder 16, wobei das Transponderelement ein RFID-Transponder, ein RFID-Sensor-Transponder, oder ein Mikrocontroller ist.

Ausführungsform 18. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 17, wobei das Transponderelement ein RFID-Transponder ist, der einen Analog-Digital-Wandler und einen Verstärker umfasst.

Ausführungsform 19. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis

18, wobei mehrere Sensoren über ein Sensorkabel miteinander verbunden sind.

Ausführungsform 20. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis

19, wobei wenigstens ein Sensor ein passiver Sensor ist.

Ausführungsform 21. Befestigungselement, wobei das Befestigungselement eine Schraubenmutter oder eine Schraube ist, wobei am Befestigungselement wenigstens ein Sensor angeordnet ist, wobei der Sensor als Dehnmess-Sensor, insbesondere als Dehnmessstreifen, ausgeführt ist, wobei der Sensor an einer Seitenfläche der Schraubenmutter oder an einer Seitenfläche der Schraube, insbesondere an einer Seitenfläche des Kopfes der Schraube, angeordnet ist, wobei ein wobei ein Transponderelement vorgesehen ist, wobei das Transponderelement ein RFID- Transponder, ein RFID-Sensor-Transponder, oder ein Mikrocontroller ist.

Ausführungsform 22. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 21 , wobei das Transponderelement dazu ausgebildet ist, Messdaten wenigstens eines Sensors kabellos und/oder kontaktlos zu übertragen.

Ausführungsform 23. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 21 oder 22, wobei das Transponderelement ein RFID-Transponder ist, der einen Analog-Digital-Wandler und einen Verstärker umfasst. Ausführungsform 24. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 21 bis

23, wobei der Sensor, insbesondere die Messrichtung des Sensors, im Wesentlichen parallel zur Schraubachse der Mutter und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist.

Ausführungsform 25. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis

24, wobei wenigstens zwei Sensoren vorgesehen sind, wobei ein erster Sensor als Dehnungsmess-Sensor ausgebildet ist, und wobei ein zweiter Sensor als Temperatursensor ausgebildet ist.

Ausführungsform 26. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 25, wobei der Sensor, insbesondere die Messrichtung des Sensors, im Wesentlichen parallel zur Schraubachse und/oder zur Schraubenachse angeordnet ist.

Ausführungsform 27. Befestigungselement, wobei das Befestigungselement eine Schraubenmutter oder eine Schraube ist, wobei am Befestigungselement wenigstens ein Sensor angeordnet ist, wobei der Sensor als Dehnmess-Sensor ausgeführt ist, wobei der Sensor an einer Seitenfläche der Schraubenmutter oder an einer Seitenfläche der Schraube, insbesondere an einer Seitenfläche des Kopfes der Schraube, angeordnet ist, wobei ein wobei ein Transponderelement vorgesehen ist, und wobei ein Temperatursensor vorgesehen ist.

Ausführungsform 28. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 27, wobei das Transponderelement ein RFID-Transponder, ein RFID-Sensor-Transponder, oder ein Mikrocontroller ist, insbesondere ein passiver RFID-Transponder.

Ausführungsform 29. Befestigungselement gemäß Ausführungsform 27 oder 28, wobei der Temperatursensor dazu ausgebildet ist, die Materialtemperatur des Befestigungselements zu messen.

Ausführungsform 30. Befestigungselement gemäß einer der Ausführungsformen 27 bis 29, wobei das Transponderelement dazu ausgebildet ist, die Messdaten des Dehnmess-Sensors und des Temperatursensors zu übertragen. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand exemplarischer Beispiele im Detail erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 -4 schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter gemäß einem ersten Beispiel in unterschiedlichen Projektionsansichten;

Fig. 5 und 6 schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter gemäß einem zweiten Beispiel;

Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter gemäß einem dritten Beispiel;

Fig. 8 und 9 schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter gemäß einem vierten Beispiel in unterschiedlichen Projektionsansichten;

Fig. 10 eine schematische Aufsicht einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter gemäß einem fünften Beispiel.

Die Fig. 1-4 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter 1 gemäß einem ersten Beispiel in unterschiedlichen Projektionsansichten, in seitlicher Ansicht (Fig. 1 und 3) sowie in Aufsicht von oben und unten (Fig. 2 und 4).

Die Schraubenmutter 1 umfasst zwei an gegenüberliegenden Seitenflächen 8 der Schraubenmutter 1 angeordnete Sensoren 2, die als Dehnmessstreifen ausgeführt sind. Die Messrichtung 9 der Dehnmessstreifen verläuft im Wesentlichen parallel zur Schraubachse bzw. zur Schraubenachse 4 der Mutter 1, die im Wesentlichen durch die Ausrichtung des innenliegenden Gewindes der Mutter 1 definiert wird.

Die beiden Sensoren 2 sind über Sensorkabel miteinander verbunden, sodass ein Auslesen des Messsignals über ein einziges Sendeelement möglich ist. Das Sendeelement ist als passiver RFID-Transponder 5 mit einem Analog-Digital-Wandler und einem Verstärker ausgeführt. Dadurch erfordert die Messanordnung keine dauerhafte Stromversorgung, sondern die zur Messung und zum Auslesen des Messwerts benötigte Energie wird von einem externen Auslesegerät (nicht gezeigt) zugeführt. Fig. 5 und 6 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter 1 gemäß einem zweiten Beispiel. Die Schraubenmutter 1 ist auf einen Gewindebolzen 7 geschraubt und drückt über eine Beilagscheibe 11 gegen ein zu befestigendes Element 12. Die Stauchung der Mutter 1 ist umgekehrt proportional zur Spannkraft. Im Gegensatz zum ersten Beispiel umfasst diese Schraubenmutter 1 nur einen Sensor 2 und zwei RFID-Transponder 5.

Fig. 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter 1 gemäß einem dritten Beispiel. An einer Seitenfläche 8 ist ein RFID- Transponder 5 angeordnet, der Sensor 2 ist nicht gezeigt.

Fig. 8 und 9 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter 1 gemäß einem vierten Beispiel in Aufsicht (Fig. 8) sowie in seitlicher Ansicht (Fig. 9).

Die Schraubenmutter 1 umfasst zwei an gegenüberliegenden Seitenflächen 8 der Schraubenmutter 1 angeordnete Sensoren 2, die als Dehnmessstreifen ausgeführt sind. Ferner ist an einer Seitenfläche 8 mit einem Sensor 2 ein weiterer Sensor 3 vorgesehen, der als Dehnmessstreifen ausgeführt ist. Die Messrichtung 9 der Sensoren 2 verläuft im Wesentlichen parallel zur Schraubachse bzw. zur Schraubenachse 4 der Mutter 1 , während die Messrichtung 9 des Sensors 3 im Wesentlichen quer bzw. orthogonal zur Schraubachse bzw. zur Schraubenachse 4 der Mutter 1 verläuft.

Zur Übertragung der Messwerte sind zwei RFID-Transponder 5 vorgesehen.

Der Sensor 3 dient unter anderem der Feststellung von Dehnungen und Stauchungen der Schraubenmutter 1 , die nicht durch eine Änderung der Spannkraft bedingt werden, sondern beispielsweise durch Temperaturschwankungen.

In einem nicht dargestellten Beispiel kann der Sensor 3 durch einen Temperatursensor ersetzt werden, um Temperaturschwankungen feststellen und die daraus resultierende Dehnung bzw. Stauchung der Schraubenmutter 1 bestimmen zu können. Fig. 10 zeigt eine schematische Aufsicht einer erfindungsgemäßen Schraubenmutter 1 gemäß einem fünften Beispiel. Hier sind zwei Sensoren 2 vorgesehen, die als Dehnmessstreifen ausgeführt sind und deren Messrichtung parallel zur Schraubenachse 4 verläuft. Ferner sind zwei Sensoren 3 vorgesehen, die als Dehnmessstreifen ausgeführt sind und deren Messrichtung orthogonal zur Schraubenachse 4 verläuft. RFID-Transponder 5 und andere Elemente sind zur Vereinfachung nicht dargestellt.

Bezugszeichenliste

1 Schraubenmutter

2 Sensor

3 Sensor

4 Schraubenachse

5 RFID-T ransponder / Mikrocontroller

6 Sensorleitung

7 Gewindebolzen / Schraube

8 Seitenfläche

9 Messrichtung

10 Schraube

11 Beilagscheibe

12 Element