Titel Übertragungsabschnitt für ein Befestigungsmittel, insbesondere einen Anker oder eine Schraube, sowie Befestigungsmittel

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Übertragungsabschnitt für ein Befestigungsmittel, insbesondere einen Anker oder eine Schraube, sowie ein Befestigungsmittel nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.

Befestigungsmittel, beispielsweise Anker und Schrauben, werden dazu eingesetzt, um zwei Elemente sicher und fest miteinander zu verbinden. Beispielsweise werden Anker verwendet, um Fassadenelemente an Bauten zu fixieren. Dabei ist es üblich, zwischen beispielsweise einem Schraubenkopf und ein von der Schraube zu befestigendes Element eine Unterlegscheibe anzuordnen. Vom Markt her bekannt sind ferner sogenannte „smarte“ Unterlegscheiben, in die mindestens eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Größe integriert ist, die einen Zustand der Unterlegscheibe oder des Befestigungsmittels charakterisiert. Mit solchen Unterlegscheiben kann beispielsweise eine Kraft gemessen werden, also beispielsweise die Vorspannkraft einer Schraube.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch einen Übertragungsabschnitt sowie ein Befestigungsmittel mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Durch eine geeignete Form wird die Sensoreinrichtung unabhängig von der Kippung / Verkantung des Befestigungsmittels relativ zum Gegenstück (beispielsweise aufgrund einer schief eingebrachten Befestigungsbohrung) gleichmäßig belastet und liefert so ein stabiles und robustes Signal. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Sensoreinrichtung eine Sensorschicht umfasst. Durch den Ausgleichsabschnitt wird die Kraftübertragung von der Anlagefläche in das Gegenstück deutlich verbessert und sowohl durch eine ausreichende Vorspannkraft bei der Installation als auch durch eine gleichmäßigere Kraftübertragung im Betrieb die Auftretenswahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Versagens des Befestigungsmittels verringert.

Letztlich wird so die Sicherheit des Befestigungsmittels erhöht, und es werden Kosten für Wartung und Reparaturen eingespart. Zudem wird durch den Ausgleichsabschnitt eine definierte Kontaktfläche zur Verfügung gestellt, welche sich für zuverlässige Sensoreinrichtungen nutzen lässt. Auch wird die Aussagekraft der von der Sensoreinrichtung erfassten Größe unabhängig von der Ausrichtung der Anlagefläche relativ zum Gegenstück gemacht. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Ausgleichsabschnitt kann auch die „Verpackung“ der Sensoreinrichtung verbessert werden, wodurch diese noch zuverlässiger gegen Witterungs- und Umwelteinflüsse geschützt wird.

Konkret wird dies erreicht durch einen Übertragungsabschnitt für ein Befestigungsmittel. Ein solcher Übertragungsabschnitt kann beispielsweise ringförmig in der Art einer Unterlegscheibe sein, der in Betriebslage radial außerhalb eines Bolzenabschnitts und anliegend an einem Kopfabschnitt des Befestigungsmittels angeordnet ist. Als Befestigungsmittel werden insbesondere ein Anker oder eine Schraube bevorzugt. Der Übertragungsabschnitt liegt in Betriebslage mittels einer Anlagefläche am Befestigungsmittel, beispielsweise einem Kopfabschnitt des Befestigungsmittels an, und liegt in Betriebslage mittels einer Gegenfläche an einem Gegenstück an, welches durch das Befestigungsmittel an einem weiteren Element befestigt wird.

Zu dem Übertragungsabschnitt gehört eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer einen Zustand des Übertragungsabschnitts und/oder des Befestigungsmittels charakterisierenden Größe. Der Übertragungsabschnitt ist also ein „smarter“ Übertragungsabschnitt, beispielsweise eine „smarte Unterlegscheibe“. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Übertragungsabschnitt einen Ausgleichsabschnitt zum Ausgleich einer Schrägstellung zwischen der Anlagefläche und der Gegenfläche umfasst. Dies hat zur Folge, dass selbst dann, wenn die Anlagefläche und die Gegenfläche relativ zueinander schräg und nicht absolut planparallel stehen, dennoch die Anlagefläche flächig am Befestigungsmittel und die Gegenfläche flächig am Gegenstück anliegen können.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Ausgleichsabschnitt einen anlageflächenseitigen Abschnitt und einen gegenflächenseitigen Abschnitt umfasst, wobei eine Winkellage des anlageflächenseitigen Abschnitts relativ zum gegenflächenseitigen Abschnitt veränderbar ist und sich der anlageflächenseitige Abschnitt mindestens mittelbar am gegenflächenseitigen Abschnitt abstützt. Dies ist mechanisch besonders einfach zu realisieren. Der anlageflächenseitige Abschnitt und der gegenflächenseitigen Abschnitt können separate Elemente sein, können aber auch einstückig durch einen beispielsweise flexiblen oder verformbaren Ausgleichsabschnitt miteinander verbunden sein.

Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der anlageflächenseitige oder der gegenflächenseitigen Abschnitt eine konvexe Kugelfläche umfasst, die sich an einer komplementären konkaven Kugelfläche des gegenflächenseitigen bzw. anlageflächenseitigen Abschnitts abstützt. Ein solches Kugelgelenk ist sehr stabil und gestattet einen Ausgleich einer Schrägstellung in beliebige Richtungen.

Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung wenigstens zum Teil im Bereich der Kugelfläche angeordnet ist. Im Bereich der Kugelfläche kann die Sensoreinrichtung zum einen sehr geschützt untergebracht werden, und zum anderen können dort zentral ganz unterschiedliche und wichtige bzw. aussagekräftige Zustandsgrößen erfasst werden.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung wenigstens zum Teil im Bereich der Anlagefläche und/oder wenigstens zum Teil im Bereich der Gegenfläche angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird die relative Bewegung des Übertragungsabschnitts zwischen Anlagefläche und Gegenfläche durch die Sensoreinrichtung nicht beeinflusst. Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung angeordnet und eingerichtet ist, um eine Schrägstellung zwischen der Anlagefläche und der Gegenfläche mindestens mittelbar zu erfassen, und/oder angeordnet und eingerichtet ist, um eine Kraft mindestens mittelbar zu erfassen. Diese beiden Größen sind für die Bewertung des Zustands des Übertragungsabschnitts und/oder des Befestigungsmittels besonders aussagekräftig.

Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung eine erste Teil-Sensoreinrichtung im Bereich des anlageflächenseitigen Abschnitts und eine zweite Teil-Sensoreinrichtung im Bereich des gegenflächenseitigen Abschnitts aufweist. Dies gestattet eine besonders einfache Erfassung insbesondere einer Kraft oder eines Winkels. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem anlageflächenseitigen Abschnitt und dem gegenflächenseitigen Abschnitt erfasst werden, was die Ermittlung einer Kraft ermöglicht, oder es kann der Winkel zwischen dem anlageflächenseitigen Abschnitt und dem gegenflächenseitigen Abschnitt ermittelt werden.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung einen elektrischen Widerstand, eine elektrische Kapazität, eine Induktivität, eine optische Durchlässigkeit und/oder ein frequenzabhängiges Verhalten erfasst. Diese Größen sind für die Charakterisierung des Zustands des Übertragungsabschnitts und/oder des Befestigungsmittels besonders einfach und mit vergleichsweise kleinen, beispielsweise schichtartigen Sensoreinrichtungen erfassbar.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung in den anlageflächenseitigen Abschnitt und/oder in den gegenflächenseitigen Abschnitt des Ausgleichsabschnitts integriert ist. In diesem Fall ist die Sensoreinrichtung sehr gut vor äußeren Einflüssen geschützt. Denkbar ist sogar, dass die Sensoreinrichtung durch den gegenflächenseitigen Abschnitt und/oder den anlageflächenseitigen Abschnitt selbst gebildet wird. Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Ausgleichsabschnitt wenigstens zum Teil in einen Abschnitt des Befestigungsmittels integriert ist. Dies erleichtert die Montage sowie Transport und Lagerung.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Anker und/oder einem externen Gerät, insbesondere einem Smartphone oder einer Cloud, aufweist. Hierdurch wird die Erfassung des Zustands des Übertragungsabschnitt und/oder des Befestigungsmittels und somit des Zustands der Befestigung als solcher erheblich vereinfacht.

Bei einer Weiterbildung ist der Übertragungsabschnitt so ausgebildet, dass er für eine Mehrzahl von Befestigungsmitteln eingesetzt werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise Zweier- oder Vierergruppen von Befestigungsmitteln insgesamt ausgeglichen werden.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch ein Befestigungsmittel in Form einer Schraube und einen Übertragungsabschnitt, der zwischen einem Kopfabschnitt des Befestigungsmittels und einem Gegenstück, an dem das Befestigungsmittel befestigt ist, angeordnet ist;

Figur 2 eine Darstellung ähnlich zu Figur 1 einer abgewandelten Ausführungsform; und

Figur 3 einen Schnitt durch eine zu Figur 2 ähnliche Ausführungsform eines Befestigungsmittels mit einem Übertragungsabschnitt.

Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche auch in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Außerdem sind in unterschiedlichen Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht immer sämtliche Bezugszeichen eingetragen. Ein Befestigungsmittel in Form einer Schraube trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kopfabschnitt 12 und einen Bolzenabschnitt 14, der durch ein Gegenstück 16 hindurchgeführt ist. In einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte es sich bei dem Befestigungsmittel auch um eine Schraube mit einer Mutter oder einen Anker, beispielsweise einen Maueranker handeln. Beim Gegenstück 16 kann es sich beispielsweise um ein Fassadenteil handeln, welches an einem Gebäudeteil 17 beispielsweise aus Beton oder Stein befestigt ist. Der Bolzenabschnitt 14 ist also in das Gebäudeteil 17 beispielsweise eingeschraubt.

Der Kopfabschnitt 12 umfasst zum Gegenstück 16 hin eine Ringfläche 18, und das Gegenstück 16 umfasst zum Kopfabschnitt 12 hin eine ebene Auflagefläche 20. Zwischen dem Kopfabschnitt 12 und dem Gegenstück 16 ist ein Übertragungsabschnitt 22 angeordnet. Dieser ist insgesamt ringscheibenförmig und vorliegend beispielhaft 2-teilig mit zwei Abschnitten 24 und 26 ausgebildet. Ein mit einer Anlagefläche 28 zum Kopfabschnitt 12 hin weisender Abschnitt wird als „anlageflächenseitiger“ Abschnitt 24 bezeichnet, ein mit einer Gegenfläche 30 zum Gegenstück 16 hin weisender Abschnitt wird als „gegenflächenseitiger“ Abschnitt 26 bezeichnet. Man erkennt, dass in der in Figur 1 gezeichneten Betriebslage die Anlagefläche 28 des Übertragungsabschnitt 22 an der Ringfläche 18 des Kopfabschnitts 12 flächig anliegt, und dass die Gegenfläche 30 des Übertragungsabschnitt 22 an der Auflagefläche 20 des Gegenstücks 16 flächig anliegt.

Der anlageflächenseitige Abschnitt 24 und der gegenflächenseitiger Abschnitt 26 bilden zusammen einen Ausgleichsabschnitt 32 zum Ausgleich einer möglichen Schrägstellung zwischen der Anlagefläche 28 und der Gegenfläche 30 (in der in Figur 1 gezeigten Betriebslage liegt eine solche Schrägstellung jedoch nicht vor). Hierzu verfügt der anlageflächenseitige Abschnitt 24 zum gegenflächenseitigen Abschnitt 26 hin über eine konkave Kugelfläche 34, und verfügt der gegenflächenseitige Abschnitt 26 zum anlageflächenseitigen Abschnitt 24 hin über eine komplementäre konvexe Kugelfläche 36.

Die konvexe Kugelfläche 36 liegt flächig an der konkaven Kugelfläche 34 an, wodurch eine Art Kugelgelenk gebildet wird. Die beiden Kugelflächen 34 und 36 bilden also gleitfähige gewölbte Grenzflächen, die eine Winkelbewegung zwischen dem gegenflächenseitigen Abschnitt 26 und dem anlageflächenseitigen Abschnitt 24 gestatten, ohne dass sich ein Spalt zwischen den beiden Abschnitten 24 und 26 bildet. Um eine Beweglichkeit des anlageflächenseitigen Abschnitts 24 relativ zum gegenflächenseitigen Abschnitt 26 zu gewährleisten, verfügen die beiden Abschnitte 24 und 26 jeweils über Durchgangsöffnungen 38 und 40, deren Innenweite etwas größer ist als der Außendurchmesser des Bolzenabschnitts 14. Darüber hinaus sind die beiden Durchgangsöffnungen 38 und 40 leicht konisch bzw. kegelig ausgebildet.

Auf die Gegenfläche 30 ist vorliegend beispielhaft eine duktile und dünne Ausgleichsschicht 41 aufgebracht, um Rauigkeiten der Auflagefläche 20 am Gegenstücks 16 auszugleichen.

Der Übertragungsabschnitt 22 umfasst vorliegend eine insgesamt mit 42 bezeichnete Sensoreinrichtung, mit der ein Zustand des Übertragungsabschnitts 22 und vorliegend auch des Befestigungsmittels 10 mindestens mittelbar ermittelt werden kann, indem eine den Zustand des Übertragungsabschnitts 22 bzw. des Befestigungsmittels 10 charakterisierende Größe erfasst wird. Dabei kann die Sensoreinrichtung 42 an unterschiedlichen Stellen des Übertragungsabschnitts 22 angeordnet sein. Vorliegend sind in Figur 1 sämtliche Stellen eingezeichnet und die entsprechenden Sensoreinrichtungen 42 durch zusätzliche Indices a-g bezeichnet. Es versteht sich jedoch, dass in der Realität auch nur an einer einzigen der bezeichneten Stellen eine Sensoreinrichtung 42 vorhanden sein kann. Die Sensoreinrichtung 42 ist vorzugsweise als Sensorschicht bzw. als schichtartiges und extrem dünnes Sensorelement ausgebildet. Vorzugsweise kann mittels der Sensoreinrichtung 42 eine Vorspannkraft des Befestigungsmittels 10 und/oder eine Verkippung bzw. Schrägstellung zwischen der Anlagefläche 28 und der Gegenfläche 30 ermittelt werden.

Die Sensoreinrichtung 42a ist auf der Anlagefläche 28 zum Kopfabschnitt 12 des Befestigungsmittels 10 hin angeordnet. Die Sensoreinrichtung 42b ist auf der konkaven Kugelfläche 34 und/oder der konvexen Kugelfläche 36 angeordnet. Dies ist vorteilhaft aufgrund des vergleichsweise großen Flächeninhaltes der Kugelflächen 34 und 36. Die Sensoreinrichtung 42c ist auf der Gegenfläche 30 zum Gegenstück 16 hin angeordnet. Die Sensoreinrichtung 42d ist auf der Innenseite der Durchgangsöffnung 40 angeordnet, wobei sie auch auf der Innenseite der Durchgangsöffnung 38 angeordnet sein könnte. Insbesondere die Sensoreinrichtung 42d eignet sich besonders gut zur Erfassung einer Verkippung bzw. einer Schrägstellung zwischen der Anlagefläche 28 und der Gegenfläche 30.

Die Sensoreinrichtung 42e ist in den gegenflächenseitigen Abschnitt 26 integriert, und die Sensoreinrichtung 42f ist in den anlageflächenseitigen Abschnitt 24 integriert. Dabei ist auch denkbar, dass der anlageflächenseitige Abschnitt 24 selbst als Sensoreinrichtung ausgebildet ist. Gleiches gilt auch für den gegenflächenseitigen Abschnitt 26. Die Sensoreinrichtung 42g ist als Paket beispielhaft an mehreren Stellen vorhanden und umfasst insoweit mehrere Teil- Sensoreinrichtungen, nämlich sowohl auf der Gegenfläche 30, als auch auf der Anlagefläche 28 und den Kugelfläche 34 bzw. 36.

Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung getrennt vom Übertragungsabschnitt angeordnet in einer anderen Komponente, die für die Befestigung verwendet wird, beispielsweise einer Unterlegscheibe, einer separaten Sensorplatte, oder ähnlichem. Die Sensoreinrichtung 42 kann grundsätzlich einen elektrischen Widerstand, eine elektrische Kapazität, eine Induktivität, eine optische Durchlässigkeit und/oder ein frequenzabhängiges Verhalten erfassen. Entsprechende Sensoreinrichtungen 42 sind grundsätzlich vom Markt her bekannt. Ergänzend können weitere Schichten vorgesehen werden, um die Funktion und die Zuverlässigkeit zu verbessern, bspw. dünne, weiche Schichten, um Rauigkeiten zu füllen, wie die Ausgleichsschicht 41 , sowie Haftverbesserungs- oder Schutzschichten gegen Umwelteinflüsse.

Als Materialien für derartige schichtartige Sensoreinrichtungen 42 kommen insbesondere Kohlenstoffschichten (bspw. DLC - diamond like carbon) oder Keramiken (bspw. AI2O3, YSZ, ZTA, ATZ, ...) in frage. Im Bereich der piezoresistiven Materialien sind für die Sensoreinrichtungen 42 folgende Schichtmaterialien grundsätzlich denkbar: Konstantan, Nichrome V, Chromol C, Platin-Wolfram, Platin, Silizium, Diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC, Diamond Like Carbon) auch mit Dotierungen von Silizium, Metallen (Chrom, Titan, Wolfram, ...), Stickstoff. lm Bereich der piezokapazitiven Materialien sind für die Sensoreinrichtungen 42 folgende Schichtmaterialien, welche teilweise auch für die Kondensatorfertigung verwendet werden, grundsätzlich denkbar: Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2), Zirkoniumdioxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC, Diamond Like Carbon) - auch mit Dotierungen von Silizium, Metallen (Chrom, Titan, Wolfram, ...), Stickstoff. Im Bereich der Sensorschichten, die auf magnetischen Effekten beruhen, sind die gleichen Materialien zur magnetischen Entkopplung zwischen Bauteil, also dem Übertragungsabschnitt 22, und der magnetisch aktiven Schicht geeignet, wie oben im Hinblick auf die piezokapazitiven Materialien beschrieben wurde. Als magnetisch aktive Schicht eignen sich Dünnschichten bestehend aus Eisen- Kobalt- H afni u m-Sti ckstoff .

Wie oben bereits erwähnt wurde, kann bei einer nicht gezeigten Ausführungsform auch der anlageflächenseitige Abschnitt und der gegenflächenseitige Abschnitt, also sozusagen das „Vollmaterial“, des Übertragungsabschnitts insgesamt die Sensoreinrichtung bilden: Eine einfache Ausführungsform nutzt den anlageflächenseitigen Abschnitt und den gegenflächenseitigen Abschnitt jeweils als Kontakt und misst den Abstand zwischen den beiden, bspw. über eine Wiederstands-, Kapazitäts- oder Magnetfeldmessung. Weitere nicht gezeigte Ausführungsformen sehen vor, dass der anlageflächenseitige Abschnitt und/oder der gegenflächenseitige Abschnitt aus den beschriebenen geeigneten Materialien gefertigt sind. Über geeignete Abgriffe, vorzugsweise Kontaktflächen, werden geeignete Parameter ausgelesen, um die Auswirkung der Vorspannkraft auf das Vollmaterial zu messen.

Bei den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 ist der anlageflächenseitige Abschnitt 24 einstückig mit dem Kopfabschnitt 12 ausgebildet, also insoweit in einen Abschnitt des Befestigungsmittels 10 integriert. Denkbar, jedoch nicht dargestellt, ist ferner, dass die Sensoreinrichtung eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Anker und/oder einem externen Gerät, insbesondere einem Smartphone oder einer Cloud, aufweist. Außerdem ist denkbar, dass der Übertragungsabschnitt so ausgebildet ist, dass er gleichzeitig für eine Mehrzahl von Befestigungsmitteln eingesetzt werden kann.