Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung sowie eine Baumaschine, beispielsweise einen Kran, mit einer solchen Schraubverbindung.

Jede Schraubverbindung unterliegt dem Setzkraftverlust. Hierunter versteht man ein eine plastische Längenänderung der Schraube und der damit verspannten Teile. Sie tritt auf, da die Bestandteile der Schraubverbindung eine gewisse Oberflächenrauheit besitzen, die jedoch nach Anziehen der Schraubverbindung plattgedrückt wird, was dazu führt, dass die Verbindungsteile entlastet werden. Dieses Lockern bezeichnet man als Setzkraftverlust. Neben dem Setzkraftverlust unterliegt jede Schraubverbindung auch einer gewissen Materialermüdung, die sich über die Lebenszeit ergibt und die ebenfalls eine Verminderung der Vorspannkraft mit sich bringt.

Bei der Dimensionierung einer Schraubverbindung muss der Setzkraftverlust und die Materialermüdung berücksichtigt werden, womit aber oftmals eine

Überdimensionierung der Schraubverbindung einhergeht. Darüber hinaus ist es erforderlich, Schrauben und Muttern für eine gleichbleibende Sicherheit der Schraubverbindung nach Ablauf eines gewissen Zeitintervalls zu wechseln oder nachvollziehen.

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Kraftmessdosen bekannt, die zur Überwachung von Vorspannkräften einer Schraubverbindung genutzt werden. Dabei wird in der Regel auf ein resistives Messverfahren zurückgegriffen, bei dem die Kraft der Schraubverbindung zu einer Deformation führt, welche über eine Dehnmesstechnik erfasst und über eine entsprechende Verarbeitungselektronik ausgewertet wird. Verändert sich die durch eine Schraubverbindung auf eine Kraftmessdose ausgeübte Kraft, wird dies als Spannkraftverlust interpretiert, sodass entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden können.

Insbesondere ist hierbei nachteilhaft, dass die in der Kraftmessdose angeordnete Messbrücke leistungsbezogen zu dimensionieren ist und somit nur für ein bestimmtes Anwendungsszenario infrage kommt.

Weiter nachteilhaft ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftmessdosen, dass deren Ansprechverhalten recht träge ist und Eckfrequenzen im Bereich von 10 Hz bereits eine technologische Herausforderung darstellen. Insbesondere für hochdynamische Systeme eignen sich daher Kraftmessdosen, die das resistive Messverfahren verwenden, nicht.

Auch ist die fortschreitende Miniaturisierung der Kraftmessdose bei Verwendung des resistiven Messverfahrens problematisch, da dieses aufgrund des genutzten Messprinzips eine gewisse Mindestausdehnung erfordert.

Neben dem resistiven Messverfahren ist aus dem Stand der Technik auch noch die sogenannte Schallemissionsprüfung bekannt. Dieses rein passive Verfahren wird in der Regel bei Verbundwerkstoffen angewandt und macht sich zunutze, dass bei plötzlichen Veränderungen im Gefüge eines Werkstoffs (Riss oder dergleichen), beispielsweise hervorgerufen durch eine mechanische Belastung, eine Schallemission erzeugt wird, die von einem entsprechenden Empfängerbauteil detektiert werden kann. Die Analyse der aufgenommenen Schallemission erlaubt dann einen Rückschluss auf die strukturelle Integrität des Werkstoffs bzw. des Bauteils. Nachteilhaft hieran ist, dass Veränderungen in der Krafteinwirkung auf einen Werkstoff, die nicht zu einer Gefügeveränderung führen, nicht exakt detektiert werden können. Ein Setzkraftverlust einer Schraubverbindung ist nach der aus dem Stand der Technik bekannten Schallemissionsprüfung nicht zu erfassen.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die oben aufgeführten Nachteile zu überwinden oder zumindest abzumildern, um eine verbesserte Schraubverbindung vorzusehen. Vorteilhafterweise sollte diese die dazu in der Lage sein, einen Spannungszustand der Schraubverbindung zu bestimmen.

Dies gelingt mit einer Schraubverbindung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Baumaschine, insbesondere einen Kran, welche die erfindungsgemäße Schraubverbindung enthält. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung finden sich dabei in den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Schraubverbindung umfasst dabei einen Schraubenkörper mit einem Außengewinde, ein Gegenstück, insbesondere eine Schraubenmutter, mit einem auf das Außengewinde abgestimmten Innengewinde, in das der Schraubenkörper eingeschraubt ist, eine Distanzhülse zum Klemmen zwischen einem Schraubenkopf des Schraubenkörpers und dem Gegenstück, und ein Sensorsystem, das dazu ausgelegt ist, einen in dem Schraubenkörper wirkenden Spannungszustand zu bestimmen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem einen in der Distanzhülse angeordneten Sender sowie einen in der Distanzhülse angeordneten Empfänger aufweist, wobei der Sender dazu ausgelegt ist, elektrische Energie in mechanische Oberflächenwellen umzuwandeln, der Empfänger dazu ausgelegt ist, mechanische Oberflächenwellen in elektrische Energie umzuwandeln, und das Sensorsystem ferner dazu ausgelegt ist, anhand der Veränderung der ausgesendeten mechanischen Oberflächenwellen zu den empfangenen mechanische Oberflächenwellen auf den in dem Schraubenkörper und/oder der Distanzhülse wirkenden Spannungszustand zu schließen.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, auf den Spannungszustand der Schraube bzw. auf die Kraft, die auf die Distanzhülse einwirkt, mittels aktiver Schallmesstechnik zu schließen. Anders als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Schallemissionsanalyse wird nach der Erfindung aktiv eine mechanische Oberflächenwelle in das Bauteil induziert und deren (zurückgeworfene) Antwort analysiert. Die reflektierte Welle enthält Informationen über die Strukturerregung der Distanzhülse, sodass auf eine einwirkende Kraft (bzw. den Spannungszustand der Schraube) geschlossen werden kann.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die ausgesandten mechanischen Oberflächenwellen aufgrund der Strukturdämpfung der Distanzhülse, die durch die einwirkende Kraft der Schraubverbindung vorliegt, einer charakteristischen Änderung unterzogen sind, die einen Rückschluss auf den Spannungszustand zulässt.

Durch das Prinzip eines aktiven Aussendens von mechanischen Oberflächenwellen sind auch hochdynamische Veränderungsvorgänge in dem Spannungszustand erfassbar, die das Ansprechverhalten von herkömmlichen resistiven Messverfahren deutlich übertreffen.

Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Sender sowie der Empfänger des Sensorsystems jeweils ein ferroelektrisches Element, insbesondere ein Piezoelement ist. Insbesondere ein Piezoelement eignet sich gut zum Erzeugen von mechanischen Oberflächenwellen, wobei vorteilhafterweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil, in welches die mechanischen Oberflächenwellen zu induzieren sind, und dem Piezoelement besteht, damit die Übertragung der Wellen in das Bauteil bzw. von dem Bauteil zu dem Piezoelement ohne größere Verluste ein- bzw. ausgekoppelt wird. Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Sender dazu ausgelegt ist, mechanische Oberflächenwellen an der Distanzhülse hervorzurufen und/oder der Empfänger dazu ausgelegt ist, mechanische Oberflächenwellen der Distanzhülse aufzunehmen und in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln.

Der Sender ist demnach dazu ausgestaltet, elektrische Signale in eine mechanische Oberflächenwelle der Distanzhülse zu wandeln, wobei entsprechend dazu der Empfänger dazu ausgelegt ist, eine reflektierte mechanische Oberflächenwelle der Distanzhülse aufzunehmen und in ein dazu korrespondierendes elektrisches Signal zu wandeln.

Vorteilhafterweise ist nach der Erfindung vorgesehen, dass der Sender und/oder der Empfänger stoffschlüssig in der Distanzhülse angeordnet ist/sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass sowohl der Sender wie auch der Empfänger allseitig von der Distanzhülse umschlossen sind, sodass der Sender und/oder der Empfänger in dem Material der Distanzhülse eingebettet oder an diesem angebracht ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, da durch das Einbetten kein weiteres externes Gehäuse zum Schutz von Sender und Empfänger erforderlich ist, was die Handhabung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung vereinfacht.

Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sensorsystem dazu ausgelegt ist, eine Spannungszustandsänderung in der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers aufgrund einer Veränderung der Wellen-Charakteristik zwischen den ausgesendeten mechanischen Oberflächenwellen und den empfangenen mechanische Oberflächenwellen zu bestimmen.

Durch den Abgleich der Eigenschaften von den ausgesendeten Oberflächenwelle zu den empfangenen Oberflächenwellen kann auf eine Veränderung im Spannungszustand der Distanzhülse (und damit auch auf den Schraubenkörper) geschlossen werden. Das Sensorsystem kann hierzu eine Analyseeinheit umfassen, die den vorstehend beschriebenen Abgleich vornimmt und aus den detektierten Unterschieden in der Wellen-Charakteristik auf einen Setzkraftverlust oder dergleichen schließen kann.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Wellen-Charakteristik eine Wellenamplitude, eine Ausbreitungsfrequenz, eine Güte, eine relative Phasenlage und/oder die dominante Schwingungsmode berücksichtigt.

Weiter kann nach einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die mechanischen Oberflächenwellen Körperschallwellen, insbesondere Rayleigh- Wellen sind.

Rayleigh-Wellen eignen sich dabei besonders für die vorliegende Erfindung, da mit diesen eine sehr gute Ergebnisgüte erlangt wird.

Ferner kann nach einer Variante der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Sensorsystem ferner dazu ausgelegt ist, eine Gruppenlaufgeschwindigkeit einer Welle, eine obere Einhüllende und/oder eine untere Einhüllende einer Welle, insbesondere Körperschallwelle, zu analysieren, um auf einen veränderten Spannungszustand der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers zu schließen.

So kann beispielsweise die Auswertung der Gruppenlaufgeschwindigkeit einer Körperschallwelle als Strukturdämpfung mittels miniaturisierter Anwendung der experimentellen Modalanalyse interpretiert werden. Zudem kann die Strukturdämpfung in eine Analyse einer oberen Einhüllenden und einer unteren Einhüllenden unterteilt werden, sodass sowohl quasi-statische als auch dynamische Zustandsänderungen sehr schnell ausgewertet werden können.

Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausbreitungsfrequenz der vom Sender abgegebenen mechanischen Oberflächenwellen im Bereich von 20 kHz bis 20 MHz liegt und/oder die Amplitude der vom Sender abgegebenen mechanischen Oberflächenwellen im Bereich weniger Nanometer bis Pikometer liegt.

Dem Fachmann ist klar, dass das vom Sender abgegebene Wellensignal zeitvariant ist und unterschiedliche Muster annehmen kann, um auf eine Zustandsänderung zu schließen.

Ferner kann nach einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Sender und/oder der Empfänger in die Distanzhülse eingebettet ist/sind, vorzugsweise allseitig von dem Material der Distanzhülse umgeben ist/sind.

Vorteilhafterweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Sensorsystem dazu ausgelegt ist, den Spannungszustand der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers in einer Frequenz von mindestens 1 kHz, vorzugsweise in einer Frequenz von mindestens 3 kHz, bevorzugterweise in einer Frequenz von mindestens 8 kHz zu bestimmen.

Diese hohen Frequenzen ermöglichen somit auch ein schnelles Reagieren auf eine detektierte Zustandsänderung der Schraubverbindung. Diese schnelle Reaktionszeit ist ein wesentlicher Vorteil, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, sollte das plötzliche Lösen der Schraubverbindung oder eine ähnliche Situation erfasst werden.

Weiter kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass sich unmittelbar an den Sender und/oder den Empfänger eine Messstrecke in der Oberfläche der Distanzhülse anschließt, die sich vorzugsweise in ihrer Oberflächentopologie gegenüber den anderen Bereichen der Distanzhülse absetzt, insbesondere durch Vorsehen einer Nut, die die Messstrecke definiert und deren Randbereiche zu einem Reflektieren der Oberflächenwellen führen, wobei bevorzugterweise das Nutinnere gegenüber den Randbereichen abgesetzt ist und nach einer optionalen Ausführung eine glattgeschliffen Oberfläche aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Sender und dem Empfänger die Messstrecke angeordnet ist und der Empfänger an einem Ende und der Sender an dem anderen Ende der Messstrecke platziert ist. Dies ist aber nicht notwendigerweise erforderlich, da auch das Platzieren von Sender und Empfänger an einem gemeinsamen Ende der Messstrecke die gewünschte Funktionalität mit sich bringt.

Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sensorsystem ferner dazu ausgelegt ist, beim Erfassen einer Variation des Spannungszustands der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers, die oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt, ein Signal an eine Kontrolleinheit zu senden, vorzugsweise um entsprechende Gegenmaßnahmen anzustoßen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Baumaschine, insbesondere einen Kran, mit mindestens einer Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Signalisierung über die Notwendigkeit einer Wartung auf den von dem Sensorsystem bestimmten Spannungszustand der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers basiert.

Dadurch ist nicht mehr erforderlich an starren Wartungsintervallen festzuhalten, sondern es kann eine Wartung je nach Bedarf erfolgen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Kran mit mindestens einer Schraubverbindung nach einer der vorstehend diskutierten Varianten, wobei eine Traglasttabelle zum zulässigen Ausführen eines Lasthubs des Krans in einer Steuereinheit abgelegt ist und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, auf Grundlage des mindestens einen bestimmten Spannungszustands der Distanzhülse und/oder des Schraubenkörpers die Traglasttabelle zu aktualisieren, vorzugsweise wobei die mindestens eine Schraubverbindung Mastschüsse oder Auslegerelemente des Krans verbindet.

Mit der erfindungsgemäßen Schraubverbindung lassen sich strukturdynamische Grenzfälle erfassen und überwachen. Dadurch ist es möglich, eine Traglasttabelle an das tatsächliche Leistungsniveau des Krans anzupassen, das sich beispielsweise über die Nutzungsdauer des Krans absenken kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine Teildarstellung der Distanzhülse der erfindungsgemäßen

Schraubverbindung,

Fig. 2: eine Teildarstellung der Distanzhülse der erfindungsgemäßen

Schraubverbindung nach einer weiteren Ausführungsform, und

Fig. 3a/b: eine jeweilige Darstellung zur möglichen Anbindung von Sender und/oder Empfänger in der Distanzhülse.

Fig. 1 zeigt eine Teildarstellung der Distanzhülse 1 der erfindungsgemäßen Schraubverbindung. Man erkennt dort den Sender 2, der in einer Sandwichbauweise zusammen mit dem Empfänger 3 angeordnet ist. Sowohl der Sender 2 wie auch der Empfänger 3 sind dabei mit einer entsprechenden elektrischen Leitung 7 ,9 verbunden, über die das elektrische Signal zugeführt bzw. abgeführt wird. Darüber hinaus ist auch ein Masseanschluss 8 vorhanden, der zu der Sende-/ Empfangseinheit geführt ist.

Der Sender 2, der beispielsweise ein Piezoelement ist, wird über ein elektrisches Signal, welches über Leitung 7 an den Sender 2 geführt ist, angeregt und bewirkt eine mechanische Oberflächenwelle auf Distanzhülse 1 . Diese breitet sich dann in dem Material 4 der Distanzhülse 1 aus und wird zumindest teilweise zum Empfänger 3 zurückreflektiert. Aufgrund der Strukturdämpfung der Distanzhülse 1 werden in Abhängigkeit einer auf die Distanzhülse 1 wirkenden Kraft unterschiedliche Charakteristika der ausgesendeten Oberflächenwelle auf spezifische Art und Weise verändert, sodass eine nachlassende Krafteinwirkung auf die Distanzhülse 1 in der Variation der empfangenen Oberflächenwelle erkannt werden kann. Die Wandlereigenschaften des Materials 4 der Distanzhülse 1 sind u.a. abhängig von einer Mindestkorngröße und der entsprechenden Korngrößenverteilung, der Härte, insbesondere der Mikrohärte, der Zähigkeit und Duktilität und der Homogenität, Textur und dem Gefüge. Entsprechenden Anforderungen entspricht insbesondere das Material 42CrMo4, das demzufolge als Material 4 für eine Distanzhülse 1 besonders geeignet ist.

In Fig. 1 ist die besonders platzsparende Sandwichbauweise von Sender 2 und Empfänger 3 dargestellt, bei der der Sender 2 nur durch eine dünne Folie von dem Empfänger 3 getrennt ist, die beiden Bauteile aber übereinander angeordnet sind.

Dem Fachmann ist klar, dass auch eine andere Bauweise von der vorliegenden Erfindung umfasst ist, bei der beispielsweise der Sender 2 einen größeren räumlichen Abstand zu dem Empfänger 3 besitzt. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Empfänger 3 Signale vom Sender 2 empfängt, die auf einem direkten Ausbreitungsweg vom Sender 2 stammen und nicht erst über eine Reflexion den Weg zum Empfänger 3 gefunden haben.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der zur Verbesserung der Signalgüte eine Messstrecke 5 vorgesehen ist, auf der sich die Oberflächenwellen ausbreiten. Die Messstrecke weist dabei einen Randbereiche 6 auf, die für die Oberflächenwellen Reflexionsgrenzen darstellen. Die Reflexionsgrenzen definieren damit einen geometrischen Bereich für die Ausbreitungsfläche der Oberflächenwellen, in denen die Wellen durch die Strukturdynamik der Distanzhülse 1 beeinflusst werden.

Die Messstrecke 5 kann dabei in der Art einer Nut gegenüber der weiteren Topologie der Distanzhülse abgesenkt sein und darüber hinaus auch eine glattgeschliffene Oberfläche aufweisen. Fig. 3a zeigt eine erste drahtgebundene Möglichkeit zur Verbindung der zum Sender 2 führenden Leitung 7 sowie der zum Empfänger 3 führenden Leitung 9. Dargestellt ist eine Kontaktfläche für die Anschlüsse (Leitung 7, Masseanschluss 8 und Leitung 9) die über einen drahtgebundenen Anschluss kontaktierbar ist. Die Bereitstellung der Signale zum Anregen des Senders 2 und zum Auswerten der empfangenen

Signale durch den Empfänger 3 kann dann in einer nachgelagerten Einheit stattfinden, die nicht mehr zwangsläufig in die Distanzhülse integriert sein muss.

Fig. 3b zeigt eine weitere Möglichkeit für die Anbindung des Senders 2 und des Empfängers 3, wobei diese drahtlos ausgestaltet ist. Mit dem Bezugszeichen 10 ist jeweils ein Antennenelement gekennzeichnet, welches Bestandteil der Antennenanordnung 11 ist. Dargestellt sind Dipolantennen, die eine Zuleitung für den Sender 2 und den Empfänger 3 bilden. Die Montage einer solchen Distanzhülse ist einfacher, da das manuelle Kontaktieren mit drahtgebundenen Leitern entfällt.

Bezuqszeichenliste:

1 Distanzhülse

2 Sender 3 Empfänger

4 Material der Distanzhülse

5 Messstrecke

6 Randbereich der Messstrecke

7 elektrische Leitung zum Sender 8 Masseanschluss

9 elektrische Leitung vom Empfänger

10 Antennenelement

11 Antennenanordnung