螺栓夹紧力感应垫圈的制作方法

本申请提供一种螺栓夹紧力感应垫圈，尤指一种可防松与监控螺栓的紧固状态的螺栓夹紧力感应垫圈。

背景技术：

在螺栓的锁固作业上，如何将螺栓锁紧到均一的夹紧力一直都是锁固技术的终极目的。另外，锁紧后的螺栓是否会因振动而导致松脱而造成巨大的工安事故与损害等，更是业界关切的重要议题。

时下对于螺栓的锁紧力的控制精度最精确的当属利用超音波技术设计的螺栓张力检测仪，但其制作与施工成本高昂，始终难以普及。另外，以具感测螺栓夹紧力的感应螺栓(在螺栓轴心适当位置粘贴一形变感测元件以侦测其夹紧力)，亦受限于价格高昂以及仅能使用开口板手进行锁固，以致施工不便与效率不彰，也难以普及。对螺栓的紧固力的控制与侦测，还可以使用螺栓压力传感器(bolttransducer)或通孔式荷重元(center-holetypecompressionloadcell)或是压电式感测环等轴力感测装置为替代方案。但是在实务上，以上几种方案姑且不论其制作成本的高低、使用上的难易与否以及控制精度的高低等等，都会因振动或人为破坏导致松脱造成危险等问题。如果没有防止松脱的设计与远端监控紧固状态的机制做即时的异常通报，再精确的扭力或紧固力的控制也是徒劳无功。

另外，使用螺栓压力传感器或通孔式荷重元等，虽可监控螺栓锁固的夹紧力变化，但却因螺栓压力传感器或通孔式荷重元与防松垫片的硬度接近，以致螺栓锁紧时，防松垫片的锯齿状肋条无法嵌入螺栓压力传感器或通孔式荷重元的端面而无法达到防止螺栓松脱的效果。

技术实现要素：

经申请人悉心研究，进而研发出一种螺栓夹紧力感应垫圈，使其兼具有防松与监控螺栓的紧固状态的功能。本申请的螺栓夹紧力感应垫圈可改善现有技术的缺失，增进产业上的有效利用，以迎合工业4.0的趋势发展需要。本申请的螺栓夹紧力感应垫圈，除了能在螺栓锁固的过程中做夹紧力的控制，更能在锁固后防止螺栓紧固件因震动导致松脱，更可持续以有线或无线方式，监测螺栓的锁固状态是否因振动或人为的破坏导致的松脱，以确保结构的安全，还能对施工的记录与责任做追踪查核。

本申请提供一种螺栓夹紧力感应垫圈，其包含：感应垫圈，其具有本体、感测元件、衬套；该本体为金属材质，其搭配螺栓的螺纹外径而具有同轴的轴孔，该本体与该轴孔垂直的两端面分别具有防松结构；该本体的外环具有内凹形状的环槽，该感测元件贴附于该环槽内，以测量该本体轴向受力产生的形变感测值；该衬套为金属或塑胶材质制成或以塑性绝缘材料浇注成型以包覆该感测元件；信号处理器，其具有信号放大器、微处理器、配对按键开关、电源电路单元、信号传输单元、记忆单元、rf天线及警示单元；以及连接线组合，其设置于该衬套，以电性连接该感测元件及该信号处理器。

在一实施例中，该本体与该轴孔垂直的两端面的防松结构同为弧形肋条面或同为楔形凸轮面，或一端面的防松结构为弧形肋条面，另一端面的防松结构为楔形凸轮面。

在一实施例中，该本体与该轴孔垂直的端面的防松结构为弧形肋条面，该弧形肋条面的弧形截面的斜坡角度大于该螺栓的导程角度且与该螺栓的螺旋方向无关。

在一实施例中，该本体与该轴孔垂直的端面的防松结构为楔形凸轮面，该楔形凸轮面的楔形凸轮的倾斜角度大于该螺栓的导程角度，且该楔形凸轮的倾斜方向与该螺栓的螺旋方向相同。

在一实施例中，该本体与该轴孔垂直的端面的防松结构为楔形凸轮面，该楔形凸轮面搭配防松垫片，该本体的楔形凸轮面与该防松垫片的楔形凸轮面相互对应嵌合。

在一实施例中，该防松垫片的楔形凸轮面的背面的锯齿状肋条面的锯齿状肋条的截面的倾斜角度大于该螺栓的导程角度，该锯齿状肋条的截面的倾斜方向与该螺栓的螺旋方向相反。

在一实施例中，该本体与该防松垫片的硬度相同，该本体与该防松垫片的硬度皆大于该螺栓的螺栓头的硬度及被固定件的表面硬度。

在一实施例中，该感测元件为电阻式应变规或压力感测元件，以测量该本体轴向受力产生的形变感测值。

在一实施例中，该信号处理器将该形变感测值以无线方式传输至扭力工具的控制器，以控制该螺栓的夹紧力；该信号处理器以有线或无线方式传输至网关将该形变感测值上传至监控装置，该形变感测值超过预设值时，该监控装置发出警讯。

借此，本申请的螺栓夹紧力感应垫圈可防松与监控螺栓的紧固状态。

附图说明

图1为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的各式防松结构示意图。

图2a为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈搭配使用于右螺旋螺栓的防松垫片示意图。

图2b为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈搭配使用于左螺旋螺栓的防松垫片示意图。

图3为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈与应用于右螺旋螺栓的组合示意图。

图4为图3的螺栓夹紧力感应垫圈与应用于左右螺旋螺栓的分解示意图。

图5为图3左右旋螺栓都通用的本体的组合应用的防松结构截面图。

图6为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈与应用于右螺旋螺栓的组合示意图。

图7为图6的螺栓夹紧力感应垫圈与应用于右螺旋螺栓的分解示意图。

图8为图6右螺旋螺栓用的感应垫圈的组合应用的防松结构截面图。

图9为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈与应用于左螺旋螺栓的组合示意图。

图10为图9的螺栓夹紧力感应垫圈与应用于左螺旋螺栓的分解示意图。

图11为图9的左螺旋螺栓用的感应垫圈的组合应用的防松结构截面图。

图12为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈与应用于右螺旋螺栓的另一组合示意图。

图13为图12的螺栓夹紧力感应垫圈与应用于右螺旋螺栓的另一分解示意图。

图14为图12的右螺旋螺栓用的感应垫圈的组合应用的另一防松结构截面图。

图15为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈与应用于左螺旋螺栓的另一组合示意图。

图16为图15的螺栓夹紧力感应垫圈与应用于左螺旋螺栓的另一分解示意图。

图17为图15的左螺旋螺栓用的感应垫圈的组合应用的另一防松结构截面图。

图18为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的组成示意图。

图19为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的另一组成示意图。

图20为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的感应垫圈的校验示意图。

图21为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的感应垫圈的另一校验示意图。

图22为本申请具体实施例螺栓夹紧力感应垫圈的应用示意图。

附图标记说明：

1感应垫圈

11本体

111轴孔

112环槽

113弧形肋条面

1131弧形肋条(radiusribs)

1132斜坡角度

114楔形凸轮面

1141楔形凸轮(wedgecam)

1142倾斜角度

12感测元件

121感测信号线

13衬套

2信号处理器

20连接头

21微处理器

22信号放大器

23配对按键开关

24电源电路单元

25信号传输单元

26记忆单元

27rf天线

28警示单元

29网关

3连接线组合

31单接头连接线

32双接头连接线

311连接器

312连接头

4防松垫片

41楔形凸轮面

411楔形凸轮

412倾斜角度

42锯齿状肋条面

421锯齿状肋条(serattedribs)

422倾斜角度

5螺栓

51螺栓头

52螺纹

53导程角度

6外部装置

7被固定件

71贯孔

72标准荷重元

721贯孔

73施力工件

8被锁固件

81螺孔

91控制器

92云端服务器

具体实施方式

为充分了解本申请的目的、特征及功效，兹借由下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本申请做一详细说明，说明如后：

请参考图1、图2a、图2b、图5、图8、图11、图14、图17，如图所示，其为本申请所提供的一种螺栓夹紧力感应垫圈的本体11及其防松结构。金属材质制成的本体11与其轴孔111同轴且垂直的两端面制成有如图1的1a的两端面皆为弧形肋条面113或如图1的1b及1c的两端面皆为楔形凸轮面114或如图1的1d及1e的两端面分别为楔形凸轮面114及弧形肋条面113的组合应用。图1的1a利用弧形肋条面113的弧形肋条1131的斜坡角度1132大于该螺栓5的导程角度53，图1的1a的防松结构适用于左螺旋或右螺旋的螺栓，而图1的1b及1c的楔形凸轮面114的楔形凸轮1141的倾斜角度1142大于该螺栓5的导程角度53，以借由张力而非摩擦力防止该螺栓5松脱，图1的1b及1c的防松结构则可搭配图2a及图2b的防松垫片4使用。图1的1d及1e的防松结构则为一面制成弧形肋条面113，另一面制成楔形凸轮面114以搭配图2a及图2b的防松垫片4的其中一片使用。图1的1b、1c、1d及1e的本体11的楔形凸轮面114皆与所搭配的防松垫片4的楔形凸轮面41的尺寸与硬度相符，且较使用的螺栓5与被固定件7的表面的硬度高。本体11的楔形凸轮1141的倾斜角度1142皆与使用的螺栓5的螺旋方向相同。而防松垫片4的楔形凸轮面41背面的锯齿状肋条面42的锯齿状肋条421的倾斜角度422与该防松垫片4的另一端面的楔形凸轮411的倾斜角度412相同，但倾斜方向相反。

请参考图3、图4、图5及图22，如图所示，本申请提供一种螺栓夹紧力感应垫圈(boltforcesensingwasher)，其包含感应垫圈1、信号处理器2及连接线组合3。该感应垫圈1具有本体11、感测元件12、衬套13；该本体11搭配螺栓5的螺纹52外径而具有同轴的轴孔111，该本体11的外环具有内凹形状的环槽112，该本体11与该轴孔111垂直的两端面分别具有防松结构，该防松结构可为弧形肋条面113；该感测元件12贴附于该环槽112内，以感测该本体11受到该螺栓5锁紧时产生的夹紧力导致的形变感测值；该衬套13为金属或塑胶材质制成或以塑性绝缘材料浇注成型，以包覆及保护该感测元件12；该信号处理器2具有微处理器21、信号放大器22、配对按键开关23、电源电路单元24(可为市电或电池)、信号传输单元25(可为传输接口卡)、记忆单元26(可为存储器或存储卡)、rf天线27(或蓝牙)及警示单元28(可为蜂鸣器或警示灯)，该信号放大器22、该配对按键开关23、该电源电路单元24、该信号传输单元25、该记忆单元26、该rf天线27及该警示单元28电性连接该微处理器21，该配对按键开关23可以射频标签取代以供识别用，另外，该信号处理器2亦可具有显示、配对识别、定位及避雷…等功能以供户外使用，以依预设的参数将该螺栓5的位置及夹紧力的状态传送到云端服务器92(如图16所示)做远端监控，或在该螺栓5紧固力的变异量超出预设范围时提出警讯，再者，该感应垫圈1可经校验以得到其轴向受力的大小与产生的形变感测值间的关系式，并储存于该信号处理器2的记忆单元26；该连接线组合3可穿过该衬套13电性连接该感测元件12与该信号处理器2。

如上所述，当该螺栓5穿越该感应垫圈1的本体11的轴孔111、被固定件7的贯孔71及被锁固件8的螺孔81以进行锁固时，过程中，通过该信号处理器2的信号传输单元25接收来自该感应垫圈1的形变感测值，该信号处理器2的微处理器21持续运算得到紧固力的变化，并同步以无线(如rf天线)方式传递到控制器91(该控制器为气动、电动或油压扭力锁紧工具的控制器)，当锁紧到该控制器91上设定的目标紧固力时，该控制器91即时切断动力源，同时以响声或灯号提示作业人员。锁固后，该感应垫圈1的两端面的弧形肋条面113的多个弧形状肋条1131(如图5所示)会分别嵌入该螺栓5的螺栓头51的底部及该被固定件7的表面，该感应垫圈1便可借其两端面的防松结构防止该螺栓5因振动而松脱，另外，该感应垫圈1的两端面具有该弧形肋条面113时，该螺栓5可为右螺旋或左螺旋的螺栓。如图22所示，该感应垫圈1并可通过该信号处理器2以有线(如rs485)或无线(如rf天线)方式电性连接网关29(gateway)及周边的监控装置(如云端服务器92)做远端监控，该网关29可视需要增设定位装置(如gps)或避雷装置以供户外使用，依预设的参数将该螺栓5的位置及夹紧力的状态传送到云端服务器92做远端监控。当该螺栓5的紧固力变异量超出设定范围时，该信号处理器2的警示单元28或该控制器91可立即发出警报。另外，多个信号处理器2可电性连接到同一个网关29，再转传到该控制器91或该云端服务器92等周边设施。再者，该信号处理器2与该感应垫圈1亦可分开取用，但是，在该感应垫圈1的本体11的端面或该衬套13上的适当位置，应贴附可供辨识或读取该感应垫圈1的校验相关参数的元件，例如该感应垫圈1的出厂序号、一或二维条码或射频标签等，使该感应垫圈1电性连接该信号处理器2时，可取得该感应垫圈1的校验参数，据以做夹紧力值的运算及其他相关的处理，例如存储、传输与监控…等。如此，本申请的螺栓夹紧力感应垫圈除了可掌握该螺栓5锁紧过程中产生的夹紧力变化，锁固后，还可以持续监视其紧固的状态，更能防止其因震动而导致的松脱或遭人为破坏时即时发出警讯，以确保结构的永续安全。另外，该信号处理器2的记忆单元26所储存的施工信息，更可提供相关责任的追踪查核。

请参考图1、图2a、图2b、图6、图7、图8、图9、图10及图11，如图所示，在此实施例中，该感应垫圈1的本体11与该轴孔111垂直的两端面的防松结构可为楔形凸轮面114，该楔形凸轮面114具有多个楔形凸轮(wedgecam)1141，以圆环形放射状排列于两端面。该本体11的楔形凸轮面114的楔形凸轮1141的倾斜角度1142大于该螺栓5的导程角度53。

请参考图1、图2a、图2b、图6、图7、图8、图9、图10及图11，如图所示，该夹紧力感应垫圈1可搭配防松垫片4使用，该防松垫片4分开设置于该本体11的两端面，以防松垫片4的楔形凸轮面41与本体11的楔形凸轮面114相互嵌合以防松。该本体11为金属材质，且该本体11的硬度与该防松垫片4的硬度相同(其硬度的变异量在容许的设计范围内)，且该本体11的硬度大于该螺栓5的螺栓头51的硬度及被固定件7的硬度。

请参考图1、图2a、图2b、图6、图7、图8、图9、图10及图11，如图所示，在此实施例中，该本体11搭配使用的防松垫片4的楔形凸轮面41具有与本体11的楔形凸轮面114同样尺寸结构的多个楔形凸轮411，亦以圆环形放射状排列。该防松垫片4的另一面为锯齿状肋条面42，其具有多个锯齿状肋条421，以圆环形放射状排列且朝向该被固定件7的端面，在螺栓5锁紧时，借该锯齿状肋条421咬入被固定件7的表面。

请参考图2a、图6、图7、图8及图14，如图所示，在此实施例中，使用的螺栓5为右旋螺纹，本体11的楔形凸轮1141的倾斜角度1142与防松垫片4的楔形凸轮411的倾斜角度412的倾斜方向与该该螺栓5的螺旋方向相同。而防松垫片4的锯齿状肋条面42的锯齿状肋条421的倾斜角度422与该防松垫片4的楔形凸轮41的倾斜角度412相同，但倾斜方向相反。

请参考图1、图2a、图2b、图12、图13、图14、图15、图16及图17，如图所示，在此实施例中，该本体11与该轴孔111垂直的两端面的防松结构可为如前述两形式的混合应用，本体11朝向该螺栓5的螺栓头51的底部的端面为弧形肋条面113，螺栓5锁紧时，弧形肋条1131直接嵌入螺栓头51的底部，不需使用防松垫片4；另外，朝向被固定件7的端面为楔形凸轮面114，该楔形凸轮面114具有多个楔形凸轮(wedgecam)1141，该等楔形凸轮1141以圆环形放射状排列于该本体11的端面，其倾斜角度1142大于该螺栓5的导程角度53。

请参考图1、图2a、图2b、图12、图13、图14、图15、图16及图17，如图所示，在此实施例中，该本体11朝向被固定件7的端面为楔形凸轮面114可搭配一组两片式防松垫片4的其中一片使用，该防松垫片4以楔形凸轮面41与本体11的楔形凸轮面114相互嵌合以防松。防松垫片4以楔形凸轮面41背面的锯齿状肋条面42的锯齿状肋条421嵌入被固定件7的端面，该锯齿状肋条421的斜坡角度422大于该螺栓5的导程角度53，该锯齿状肋条421的截面的倾斜方向与该螺栓5的螺旋方向相反。其作用原理同前述说明。

请参考图4、图7、图10、图13、图16、图18及图19，如图所示，在一实施例中，该连接线组合3可为连接器311结合双接头连接线32，或该连接线组合3可为单接头连接线31，该感测元件12的感测信号线121(如图4所示)电性连接该连接器311，如图18所示该感测元件12通过该衬套13上的连接器311与双接头连接线32的连接头312电性连接该信号处理器2的连接头20，或如图19所示以单接头连接线31电性连接该感测信号线121，单接头连接线31穿过衬套13电性连接该信号处理器2的连接头20。

请参考图4、图7、图10、图13、图16，如图所示，在一实施例中，该感测元件12为电阻式应变规或压力感测元件(例如压电片)，以测量该本体11轴向受力产生的形变感测值。

请参考图20及图21，如图所示，在一实施例中，该信号处理器2与该感应垫圈1配对电性相连。该感应垫圈1经校验后，该信号处理器2的记忆单元26储存该本体11的形变感测值与对应的轴向夹紧力的关系曲线，且每一感应垫圈1与其电性连接的信号处理器2皆可配对使用。如图20所示，本申请的螺栓夹紧力感应垫圈校验时，以螺栓5、感应垫圈1、标准荷重元72、被固定件7及被锁固件8锁紧至该感应垫圈1与该标准荷重元72的设计能力范围内，该螺栓5穿过该感应垫圈1的轴孔111、该标准荷重元72的贯孔721、该被固定件7的贯孔71以锁固于该被锁固件8的螺孔81，之后施以扭力产生轴向负载，以取得该感应垫圈1的形变感测值及该标准荷重元72的轴向力的数值，以建立该感应垫圈1的形变感测值与夹紧力的关系曲线，并储存于与该感应垫圈1电性连接的信号处理器2的记忆单元26或周边的记忆装置，而该感应垫圈1的序号与相关的校验参数一并储存。另外，如图21所示，本申请的螺栓夹紧力感应垫圈校验时亦可以通过施力工件73施加轴向力于感应垫圈1与同轴定位的标准荷重元72，下压被固定件7至该感应垫圈1与该标准荷重元72的设计能力范围内，以取得该感应垫圈1的形变感测值及该标准荷重元72的轴向力的数值，以建立该感应垫圈1的形变感测值与夹紧力的关系曲线，并储存于与该感应垫圈1电性连接的信号处理器2的记忆单元26或周边的记忆装置，而该感应垫圈1的序号与相关的校验参数一并储存。校验多个感应垫圈1时，各该感应垫圈1的编码连同校验参数输入于该信号处理器2的记忆单元26做配对记录。另外，各该感应垫圈1的编码连同校验参数亦可储存于周边记忆装置或云端数据库以供施工时下载输入至该信号处理器2运算使用。再者，各该感应垫圈1的编码连同校验参数亦可制成一或二维条码贴附于该衬套13外围或连接该衬套13的连接信号线31上，使用者可以有线或无线的扫瞄器扫瞄条码以将该感应垫圈1的编码与校验参数输入至该信号处理器2做配对后运算。

请参考图3、图6、图9、图12及图15，如图所示，在一实施例中，该电源电路单元24为充电电池、市电或太阳能发电源，该微处理器21在该电源电路单元24的容量下限时通过该警示单元28发报提示以更换或维修该电源电路单元24。

请参考图22，如图所示，在一实施例中，该信号处理器2于预设时程检视该感应垫圈1的紧固状态是否在预设范围内并传输数据至外部装置(例如控制器91或云端服务器92)，或该外部装置(例如控制器91或云端服务器92)以有线或无线方式电性相连该信号处理器2的记忆单元26以检视该感应垫圈1的紧固状态是否在预设范围内。如上所述，当该螺栓5进行锁紧作业时，该螺栓5穿越该本体11的轴孔111、被固定件7的贯孔71及被锁固件8的螺孔81以锁紧该被固定件7及该被锁固件8。过程中，通过该信号处理器2的信号传输单元25接收来自该感应垫圈1的形变感测值，该信号处理器2的微处理器21持续运算得到紧固力的变化，并同步以有线(如rs485)或无线(如rf天线)方式传递到电动冲击式扭力工具内建的控制器91(如图22所示)或连接到气动冲击板手的控制器91(如图22所示)，该控制器91为气动、电动或油压动力源的控制器。当该螺栓5达到该控制器91上设定的紧固力的目标值时，该控制器91即时切断动力源，同时以响声或灯号提示作业人员。该螺栓5锁固后，该感应垫圈1的两端面的弧形肋条面113的多个弧形肋条1131(如图1及图4所示)会分别嵌入该螺栓5的螺栓头51的底部及该被固定件7的顶部，该感应垫圈1便可借其两端面的防松结构防止该螺栓5因振动而松脱。如图22所示，该感应垫圈1并可通过该信号处理器2与其电性连接的网关29(gateway)及周边的监控装置(如云端服务器92)做远端监控，该网关29可视需要增设定位装置(如gps)或避雷装置以供户外使用，以依预设的参数将该螺栓5的位置及夹紧力的状态传送到云端服务器92做远端监控。当该螺栓5的紧固力变异量超出设定范围时，该信号处理器2的警示单元28或该控制器91可立即发出警报。另外，多个信号处理器2可电性连接到一个网关29再转传到该控制器91或该云端服务器92等周边设施。再者，该信号处理器2与该感应垫圈1亦可分开取用，但是，在该感应垫圈1的端面或该衬套13上的适当位置应贴附可供辨识或读取该感应垫圈1的校验相关参数的元件，例如该感应垫圈1的出厂序号、二维条码或射频标签等，使该感应垫圈1电性连接该信号处理器2时可取得该感应垫圈1的校验参数，据以做夹紧力值的运算及其他相关的处理，例如存储、传输与监控…等。如此，本申请的螺栓夹紧力感应垫圈除了可掌握该螺栓5的施工品质，还得以持续监视其紧固后的状态，确保结构的永续安全。另外，该信号处理器2的记忆单元26所储存的施工信息更可提供相关责任的追踪查核。

本申请在上文中已以较佳实施例公开，然而本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本申请，而不应解读为限制本申请的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖在本申请的范畴内。因此，本申请的保护范围当以权利要求书所界定的为准。