CN109724742A - 一种用于螺栓轴力测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺纹紧固件试验技术领域，涉及一种用于螺栓轴力测量的方法，包括以下步骤：1、通过工装夹具标定出标定用的螺栓的超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线；2、在实际装配中测出实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据；3、将实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据与标定曲线相比较，得到实际装配螺栓的轴力。本发明可以避免破坏被连接件以产生浪费，同时可以保证标定和装配时拧紧设备的统一，避免***误差以得到更准确的试验数据；另外还可以通过调整夹具的组合实现对不同规格、连接长度的螺栓的标定，有利于获得准确的标定曲线以支撑产品设计。结构简单，组装方便，互换性好，操作简便。

Description

一种用于螺栓轴力测量的方法

技术领域

本发明属于螺纹紧固件试验技术领域，涉及一种用于螺栓轴力测量的方法，具体地涉及一种利用超声波传播时间和可调节连接长度标定工装的轴力测量方法。

背景技术

螺纹连接是汽车零部件之间最常用的连接方式之一，其目的是使被连接零件保持在一起且能克服连接零件所产生的外力，具有精度高、装配方便、零件拆装便利等优点，因此，装配拧紧的实质是要将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围。从装配方法由扭矩法向扭矩-转角法、屈服点法及轴力法发展的历程可知，装配工具和拧紧方法的发展趋势就是从利用扭矩对轴力进行间接控制到对轴力进行直接控制的过程。

轴向预紧力的下限是由连接结构的功能决定的，该下限值必须保证被连接件在工作过程中始终可靠贴合。轴向预紧力的上限是由螺栓(螺母)和被连接件的强度决定的，该上限值必须保证螺栓及被连接件在预紧和服役的过程中不发生破坏。螺栓轴向预紧力设计的高低是产品设计和材料工艺水平的综合体现。

在螺纹连接的设计中，除对连接的受力进行理论计算和软件模拟分析外，利用超声波对螺栓的轴力进行试验验证是目前最为常用和有效的方式，因其能够实现轴力静态测量和动态监控而在工业生产中得到了广泛的应用。但利用超声波进行夹紧力测量的重要环节是测量前需要对同批次试验螺栓进行标定以获得平均标定曲线。目前多采用专用设备进行卧式单独标定或利用垫片式传感器和被连接零件的一部分进行标定。这两种方法不仅操作不便、试验成本很高、需要破坏被连接零件，且存在标定设备和实际拧紧设备不统一造成的***误差问题。通过查阅大量国内外资料，目前尚未查到在超声波夹紧力测量试验中，标定试验螺栓的有效工装和方法。

专利文献1(CN1068255790A)中公开了一种六角头螺栓紧固轴力检测装置，包括套筒、承载垫块、筒式传感器和传感器显示器。此发明中的六角头螺栓紧固轴力检测装置，结构简单、合理，能适应不同长短六角头螺栓的紧固轴力测量；但该发明局限于六角头螺栓，且不能用于实际工作场合的装配测量。专利文献2(202560875U)中公开了一种用于螺栓轴力测量的固定装置和螺栓轴力测量装置，用于螺栓轴力测量的固定装置包括螺头固定件和螺杆固定件。此实用新型提供的固定装置能够固定螺栓的螺头和螺杆，当采用拉伸机等测量装置拉伸固定装置时，能够模拟螺栓装配过程中的螺栓的拉伸效果。本文献中的测量装置可应用超声波测量轴力技术，但无法模拟和测量装配至螺栓屈服点以上的螺栓的轴力。专利文献3(CN106011520A)中公开了一种测量高强度大六角头螺栓连接副紧固轴力的装置，包括中心开设有方孔的底板、安装于底板上的套筒、可设置于套筒上的应变感应环、对称贴在应变感应环两侧外壁上并连接应变仪的应变片。本文献中测量轴力需要使用应变片，操作复杂，且不能用于实际工作场合的装配测量。

本发明主要为一种用于螺栓轴力测量的方法。本发明基于利用超声波测量螺栓轴力的原理，在不改变装配拧紧设备和试验零件的前提下，通过使用工装夹具，实现对试验螺栓的标定和测量操作。本发明可以解决文献1中试验螺栓形状受局限，不能用于实际工作场所的装配测量问题；可以避免文献2中无法模拟和测量装配至屈服点以上的螺栓的轴力的问题；可以解决文献3中操作复杂，不能用于实际工作场所的装配测量问题。本发明具有结构简单、组装方便、互换性好、成本低、操作方法灵活简便、可减小或避免不同设备的***误差以及节省试验样品等优点，十分有利于应用在利用超声波测量螺纹连接夹紧力的工作中，有利于装配质量的提升。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的在于提供一种用于试验螺栓轴力测量的方法，其可以避免破坏被连接件以产生浪费，同时可以保证标定和装配时拧紧设备的统一，避免***误差以得到更准确的试验数据；另外还可以通过调整垫片、卡盘和螺母夹具的组合互换实现对不同规格、不同连接长度的试验螺栓的标定，有利于获得准确的标定曲线以支撑产品设计。

一种用于螺栓轴力测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：通过工装夹具标定出标定用的螺栓的超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线；

步骤二：在实际装配中测出实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据；

步骤三：将步骤二中测出的实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据与步骤一中的标定曲线相比较，得到实际装配螺栓的轴力。

技术方案步骤一中所述的工装夹具，由以下六部分组成：调整垫片、卡盘、螺母夹具、支撑板、支撑杆、形块；

调整垫片放置在卡盘上的槽内固定；螺母夹具设置在轴力传感器一侧，轴力传感器设置在卡盘、支撑板之间；支撑杆两端加工螺纹并通过两端的螺纹分别与支撑板和形块连接。

技术方案中调整垫片上加工通孔，并设计为具有8～25mm不同厚度、5～15不同孔数、φ6.6～φ26不同孔径的组合。

技术方案中所述卡盘上表面加工与调整垫片a宽度一致的凹槽，在中心和与轴力传感器螺纹孔对应的位置加工通孔，并设计为具有10～30mm不同厚度、30～50mm不同槽宽、φ6.6～φ26不同中心孔径的组合。

技术方案中所述卡盘放置在轴力传感器一侧并利用螺钉或其他方式可靠连接，用于承载和固定调整垫片a。

技术方案中所述螺母夹具一侧加工与试验螺母对边宽度一致的凹槽，在中心和与轴力传感器定位销对应的位置加工通孔，并设计为具有25～35mm不同厚度、10～36mm不同槽宽、φ6.6～φ26不同中心孔径的组合。

技术方案中所述螺母夹具放置在轴力传感器另一侧并利用螺钉可靠连接，用于固定试验螺母并传递夹紧力和扭矩。

技术方案中所述支撑板中心加工通孔，在与轴力传感器定位孔对应的位置加工螺纹孔，在外侧加工与支撑杆螺纹部分一致的通孔；

所述支撑板上表面与轴力传感器通过螺钉可靠连接；底面与支撑杆连接，用于承载轴力传感器；

所述支撑杆两端加工螺纹并通过两端的螺纹分别与支撑板和形块连接，用于承载支撑板及与其连接的部件；

所述形块中心加工内螺纹孔，并通过内螺纹孔与支撑杆连接，用于将整套工装固定在试验台或铁地板上。

技术方案中所述标定用的螺栓与实际装配螺栓为同一批次且两端加工为平行平面的螺栓；

所述标定用的螺栓连接长度与实际装配螺栓连接长度相同。

技术方案中所述的超声波传播时间增量与轴力的标定曲线是多个标定用的螺栓的超声波传播时间增量与轴力之间的关系曲线的多项式拟合曲线。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

(1)结构简单，组装方便，互换性好，操作方法灵活简便；

(2)成本低；

(3)可减小或避免不同设备的***误差，节省试验样品。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述一种用于螺栓轴力测量的方法中的螺栓标定安装正视图；

图2为本发明所述一种用于螺栓轴力测量的方法中的螺栓标定安装仰视图；

图3为本发明所述一种用于螺栓轴力测量的方法中的标定曲线；

图中：

a是调整垫片；b是卡盘；c是螺母夹具；d是支撑板；e是支撑杆，f是T形块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明为一种用于螺栓轴力测量的方法，包括：通过工装夹具标定出螺栓的超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线；在实际装配中测出螺栓的超声波信号传播时间增量数据；为得到螺栓轴力，将数据与标定曲线相比较。

本发明中标定用的工装夹具的特征为：由调整垫片a、卡盘b、螺母夹具c、支撑板d、支撑杆e、形块f等六部分组成。

调整垫片a上加工通孔，并设计为具有不同厚度(8～25mm)、不同孔数(5～15)、不同孔径(φ6.6～φ26)的组合；

厚度为垫片a的厚度，孔数为垫片上开孔个数，这两个参数可以在范围内任意组合，孔径是所开孔的孔径，需要根据螺栓的直径选择，否则粗的螺栓穿不过垫片。

调整垫片a放置在卡盘b上的槽内固定，用于调节螺纹连接长度并作为拧紧螺栓时的支撑面；

卡盘b上表面加工与调整垫片a宽度一致的凹槽，在卡盘b凹槽的中心和与轴力传感器螺纹孔对应的位置加工通孔，并设计为具有不同厚度(10～30mm)、不同槽宽(30～50mm)、不同中心孔径(φ6.6～φ26)的组合；

卡盘b放置在轴力传感器一侧并利用螺钉或其他方式可靠连接，用于承载和固定调整垫片a；

螺母夹具c一侧加工与试验螺母对边宽度一致的凹槽，在螺母夹具c凹槽的中心和与轴力传感器定位销对应的位置加工通孔，并设计为具有不同厚度(25～35mm)、不同槽宽(10～36mm)、不同中心孔径(φ6.6～φ26)的组合；

拧紧螺栓时螺母有可能会和螺栓一起旋转，螺母夹具c就也有可能跟转，传感器上设有一个定位销将螺母夹具c卡住，定位销孔在螺母夹具c的外缘，定位销主要是为了固定夹具，防止夹具运动。

这里的厚度、槽宽和中心孔径均是螺母夹具c三个尺寸的搭配，不同厚度是为了保证夹具强度的条件下模拟不同的连接长度，因为规格小的螺栓可以用薄一点夹具，而规格大的螺栓就得用厚一点的夹具，而槽宽和孔径要对应于螺栓的的直径和螺母的对边距，所以这些尺寸的组合是为了适应不同规格大小的螺栓，要加工大量的夹具才能满足不同规格螺栓的试验；

这三个夹具的是有各自的组合，但是当试验时，一旦确定了要进行试验的螺栓的尺寸后，中心孔径就确定了，就要选择这三个孔径一致的一套夹具进行试验

螺母夹具c放置在轴力传感器另一侧并利用螺钉或其他方式可靠连接，用于固定试验螺母并传递夹紧力和扭矩；

支撑板d中心加工通孔，在与传感器定位孔对应的位置加工螺纹孔，在外侧加工与支撑杆e螺纹部分一致的通孔；支撑板d上表面与轴力传感器通过螺钉或其他方式可靠连接；底面与支撑杆e连接，用于承载传感器；

轴力传感器在卡盘b、支撑板d之间，当进行试验时，螺栓拧紧时会旋转，这些被夹紧的传感器、卡盘、夹具都需要相互固定连接来保持整个连接结构的稳定，轴力传感器上设有用于固定自身到支撑板的定位孔，也设有用于固定螺母夹具的定位销，也设有用于定位卡盘的定位孔，这样才能将它们互相连接起来。

支撑杆e两端加工螺纹并通过两端的螺纹分别与支撑板d和形块f连接，用于承载支撑板d及与其连接的部件；

形块f中心加工内螺纹孔，并通过内螺纹孔与支撑杆连接，用于将整套工装固定在试验台或铁地板上。

本发明中所述标定用的螺栓与实际装配用的螺栓为同一批次且两端加工为平行平面的螺栓。

标定用的螺栓，是指选择同一批次且两端加工为平行平面的螺栓，安装在标定夹具(包含调整垫片a、卡盘b、螺母夹具c、支撑板d、支撑杆e、形块f六大部分的)上的螺栓；

实际装配螺栓，是指被连接件都是实车样件，所有条件都与产品状态一致，所使用的螺栓，也是从同一批次且两端加工为平行平面的螺栓中选择使用。

本发明中所述标定用的螺栓连接长度与实际装配用的螺栓连接长度相同。

本发明中所述的超声波传播时间增量与轴力的关系曲线是多个螺栓的超声波传播时间增量与螺栓轴力之间的关系曲线的多项式拟合曲线。

螺栓拧紧一次后是不能重复使用的，因此不能保证每次拧紧的螺栓状态完全相同，只能用同一批次的尽量保证相同。

拟合是用最小二乘法进行曲线拟合。

如图1～图3所示，一种用于利用超声波测量螺纹连接夹紧力工作中试验螺栓标定的工装，由调整垫片a、卡盘b、螺母夹具c、支撑板d、支撑杆e、形块f等6部分组成。

参阅图1，a是调整垫片，用于调节螺纹连接长度并作为拧紧螺栓时的支撑面。

b是卡盘，与传感器连接，用于固定调整垫片。

参阅图2，c是螺母夹具，与传感器连接，用于固定试验螺母并传递夹紧力和扭矩。

d是支撑板，与传感器和支撑杆连接，用于承载传感器。

e是支撑杆，与支撑板和T形块连接，用于承载支撑板及与其连接的部件。

f是T形块，与支撑杆连接，用于将整套工装固定在试验台或铁地板上。

在操作时，应将支撑杆e一端螺纹拧入T形块f的内螺纹孔内，并***试验台或铁地板中固定；并将支撑杆e另一端通过螺纹拧入支撑板d内并可靠拧紧固定；将螺母夹具c和卡盘b利用螺钉或其他可靠连接方式连接到传感器上后，将传感器连接在支撑板d上；将调整垫片a放置在卡盘b中的凹槽内；将螺栓穿入并与固定在螺母夹具c内的螺母拧紧，即可利用装配工具实现试验螺栓的标定过程。

通过工装夹具标定出螺栓的超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线，在实际装配中测出螺栓的超声波信号传播时间增量数据，将数据与标定曲线相比较，得到实际装配中螺栓轴力。

实施例为进一步阐明本发明的特点，不等同于限制本发明，对于本领域的技术人员依照本发明进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例

在产品开发过程中对于重要位置连接需要根据轴力设计装配扭矩或对已知装配扭矩进行验证，以M10×1.5的螺栓为例，利用本发明方法进行实际装配轴力测量，试验包含以下步骤：

1)将标定螺栓的工装夹具进行安装，将支撑杆e一端螺纹拧入形块f的内螺纹孔内，并***试验台或铁地板中固定；并将支撑杆e另一端通过螺纹拧入支撑板d内并可靠拧紧固定；

将螺母夹具c和卡盘b利用螺钉或其他可靠连接方式连接到轴力传感器上后，将轴力传感器连接在支撑板d上；

将调整垫片a放置在卡盘b中的凹槽内；将螺栓穿入并与固定在螺母夹具c内的螺母拧紧；

2)从同一批次且两端加工为平行平面的螺栓中选择出螺栓，将螺栓进行表面加工，做为标定用的螺栓，并贴上陶瓷超声波贴片，以便后续使用超声波传感器采集超声波信号，利用装配工具和步骤1)安装的工装夹具对标定用的螺栓进行拧紧，用超声波传感器采集标定用的螺栓的超声波信号传播时间增量数据，用轴力传感器采集标定用的螺栓的轴力数据，将数据整理成超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线，参阅图3，图中横坐标为时间，单位：nSec(纳米秒)，纵坐标为轴力，单位：kN(千牛)；

3)从同一批次且两端加工为平行平面的螺栓中选择出螺栓，做为实际装配螺栓，在实际装配中测出实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据。

因为如果要在实际装配中测量螺栓轴力需要破坏连接状态(在连接***中加入轴力传感器)，会导致连接***刚度、连接长度等不同，所测的螺栓的轴力就可能与实际产品的不一样，所以要取消掉连接***中的轴力传感器，而超声波传感器是放置在螺栓头部的，不会参与到连接***中，所以不会影响连接***的刚度、连接长度等，而超声波传感器无法直接测量螺栓的轴力只能接受超声波信号，因此要在标定过程中用相同的螺栓把超声波传递的时间和轴力建立联系，这样当在实际装配中没有轴力传感器时可以用超声波传递的时间进行间接测量。

4)将步骤3)中的实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据与步骤2)所得的“超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线”相比较，得到实际装配螺栓的轴力；

超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线”相比较，是指实际装配测出超声波信号传播时间增量是X，去此标定曲线上去找超声波信号传播时间增量是X时对应的轴力Y。

因为实际装配就是产品状态，产品中是没有空间和位置放置轴力传感器的，但是可以在螺栓末端放置超声波传感器，因此通过标定曲线找到超声波和轴力的关系，这样在产品上测出超声波就能知道轴力。

5)利用垫片式传感器对同一批次的螺栓进行装配试验测量轴力，将试验结果与通过本发明测量的数据进行对比，结果如表1。

这个结果证明了这个方法误差或精度是在可接受的范围。

表1两种测量方法测量结果对比

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过工装夹具标定出标定用的螺栓的超声波信号传播时间增量与轴力之间的标定曲线；

步骤二：在实际装配中测出实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据；

步骤三：将步骤二中测出的实际装配螺栓的超声波信号传播时间增量数据与步骤一中的标定曲线相比较，得到实际装配螺栓的轴力。

2.根据权利要求1所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

步骤一中所述的工装夹具，由以下六部分组成：调整垫片、卡盘、螺母夹具、支撑板、支撑杆、形块；

调整垫片放置在卡盘上的槽内固定；螺母夹具设置在轴力传感器一侧，轴力传感器设置在卡盘、支撑板之间；支撑杆两端加工螺纹并通过两端的螺纹分别与支撑板和形块连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述调整垫片上加工通孔，并设计为具有8～25mm不同厚度、5～15不同孔数、φ6.6～φ26不同孔径的组合。

4.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述卡盘上表面加工与调整垫片宽度一致的凹槽，在中心和与轴力传感器螺纹孔对应的位置加工通孔，并设计为具有10～30mm不同厚度、30～50mm不同槽宽、φ6.6～φ26不同中心孔径的组合。

5.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述卡盘放置在轴力传感器一侧并利用螺钉或其他方式可靠连接，用于承载和固定调整垫片。

6.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述螺母夹具一侧加工与试验螺母对边宽度一致的凹槽，在中心和与轴力传感器定位销对应的位置加工通孔，并设计为具有25～35mm不同厚度、10～36mm不同槽宽、φ6.6～φ26不同中心孔径的组合。

7.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述螺母夹具放置在轴力传感器另一侧并利用螺钉可靠连接，用于固定试验螺母并传递夹紧力和扭矩。

8.根据权利要求2所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述支撑板中心加工通孔，在与轴力传感器定位孔对应的位置加工螺纹孔，在外侧加工与支撑杆螺纹部分一致的通孔；

所述支撑板上表面与轴力传感器通过螺钉可靠连接；底面与支撑杆连接，用于承载轴力传感器；

所述支撑杆两端加工螺纹并通过两端的螺纹分别与支撑板和形块连接，用于承载支撑板及与其连接的部件；

所述形块中心加工内螺纹孔，并通过内螺纹孔与支撑杆连接，用于将整套工装固定在试验台或铁地板上。

9.根据权利要求1所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述标定用的螺栓与实际装配螺栓为同一批次且两端加工为平行平面的螺栓；

所述标定用的螺栓连接长度与实际装配螺栓连接长度相同。

10.根据权利要求1所述的一种用于螺栓轴力测量的方法，其特征在于：

所述的超声波传播时间增量与轴力的标定曲线是多个标定用的螺栓的超声波传播时间增量与轴力之间的关系曲线的多项式拟合曲线。