一种螺纹结构扭拉关系的测量装置及测量方法与流程

本发明涉及机械工程技术领域，特别是一种螺纹结构扭拉关系的测量装置及测量方法。

背景技术：

螺纹连接是机电产品中应用最广泛的装配连接方式之一。据统计，每辆汽车上的螺纹紧固件多达4000件至7000件，螺纹连接装配作业量也占整个汽车装配作业量的70％。螺纹紧固件在拧紧过程中，由于材料被拉伸而在内部产生具有紧固效果的力(该力称为预紧力)，并依靠摩擦力实现自锁，从而达到保持预紧力的目的。合适的预紧力不仅可以有提升螺纹连接的防松性能，确保机械装配的可靠性，而且可以控制装配应力大小，保证装配精度。

但由于预紧力不易直接测量和控制，实际工程中通常采用其它方法间接控制预紧力。常用的方法包括：扭矩法、转角法、伸长法和屈服法。扭矩法通过控制拧紧力矩来间接控制预紧力。该方法具有工具简单、操作灵活、成本低等特点，因此被广泛应用于工程实践中；但由于摩擦系数等因素的不稳定性，使得预紧力离散度通常较大。因此，扭矩法测量预紧力控制精度不高。

目前为了提高扭矩法装配时的预紧力控制精度，采用较为常见的抽样实验测量每批次的螺纹结构的扭拉关系，然后利用该扭矩法精确控制螺纹结构的预紧力。如图1所示的传统扭拉实验，通过传统的螺栓轴力扭拉试验机的螺栓103与内螺纹试件101(螺母等)之间夹设的轴力传感器104和试件垫块102测量螺栓的预紧力，一般的轴力传感器104具有一定的厚度，同时试件垫块102也需要一定的厚度，通过电机107驱动拧紧件105拧紧螺栓103，利用扭矩传感器106测量拧紧力矩，该扭拉实验机能够测量的螺栓103长度必须较长，因此该螺栓扭拉实验机不能够对长度较短的螺栓103以及结构较为紧凑的螺纹结构进行测量。

综上所述，传统扭拉实验测量存在的问题是：只能够测量较大尺寸的螺栓(尤其长度较长的螺栓结构)的扭拉关系，不能够对长度较短的螺栓以及结构较为紧凑的螺纹结构的扭拉关系进行测量。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种螺纹结构扭拉关系的测量装置及测量方法，以解决传统的扭拉仅能测量较大尺寸的螺栓、不能够对长度较短的螺栓以及结构较为紧凑的螺纹结构的扭拉关系进行测量的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的一种螺纹结构扭拉关系的测量装置，应用于螺栓，所述螺纹结构扭拉关系的测量装置包括：

固定支架，与所述螺栓配合安装的内螺纹试件设置于所述固定支架内；

固定件，设置于所述固定支架内，其中，所述螺栓插设所述固定件后，与所述内螺纹试件连接；

扭矩施加结构，用于所述扭矩施加结构在所述螺栓上施加扭矩，使所述螺栓相对于所述内螺纹试件及所述固定件拧紧；

扭矩测量结构，与所述扭矩施加结构连接，用于检测所述扭矩；

声波轴力测量仪，固定于所述螺栓的螺杆的端面上，所述声波轴力测量仪用于检测当所述螺栓相对于所述内螺纹试件及所述固定件拧紧时，所述螺栓上的预紧力。

进一步的，所述声波轴力测量仪为超声波轴力测量仪。

进一步的，所述超声波轴力测量仪包括：设置在所述螺栓的螺杆的端面上的压电陶瓷片；

与所述压电陶瓷片连接的、为所述压电陶瓷片施加电压信号的声波发生/接收器；以及

设置在所述螺栓的螺杆的端面上的、检测所述螺栓的螺杆温度的温度传感器和与所述温度传感器连接的、比较获得的温度值的温度检测器。

进一步的，所述扭矩施加结构包括：卡接于所述螺栓的螺栓头部的扭矩施加结构拧紧件；

与所述拧紧件连接的扭矩测量结构；

与所述扭矩测量结构连接的减速器；

与所述减速器连接的电机；其中，

所述电机转动，驱动所述减速器转动，依次带动所述扭矩测量结构、所述拧紧件、以及与所述拧紧件卡接的所述螺栓相对于所述内螺纹试件转动，所述扭矩测量结构测量使所述螺栓紧固的所述扭矩。

进一步的，所述扭矩测量结构包括：转角测量机构，连接于所述减速器与扭矩传感器之间，用于测量所述拧紧件的转动角度；

所述扭矩传感器，连接于所述转角测量机构与所述拧紧件之间，用于检测所述拧紧件的扭矩。

进一步的，所述固定件包括：垫块试件，用于插设所述螺栓；

所述固定支架，包括两个安装孔，所述垫块试件在所述两个安装孔的一个安装孔中固定，所述内螺纹试件装配于所述两个安装孔的另一个安装孔，且沿所述两个安装孔的另一个安装孔的孔壁抽插。

进一步的，所述声波轴力测量仪，通过测量仪夹具固定于所述螺栓的螺杆的端面上。

进一步的，所述螺栓为铁质或钢质螺栓，所述测量仪夹具包括：磁铁块，所述声波轴力测量仪夹设在所述磁铁块与所述螺栓的螺杆的端面之间。

进一步的，所述测量仪夹具包括：具有多个安装孔的夹块，通过固定件穿设所述夹块的安装孔，夹设固定所述声波轴力测量仪于所述螺栓的螺杆的端面与所述夹块之间。

本发明实施例还提供一种采用如上述的螺纹结构扭拉关系的测量装置的测量方法，其中，包括：

将内螺纹试件设置于固定支架内；

将待检测的螺栓插设固定件后，与所述内螺纹试件连接；

扭矩施加结构与所述螺栓连接后施加扭矩，所述螺栓相对于所述内螺纹试件及所述固定件拧紧；

获取根据扭矩测量结构检测的扭矩和根据声波轴力测量仪检测的预紧力，得到所述扭矩与所述预紧力之间的扭拉关系。

本发明实施例的上述技术方案的有益效果如下：

本发明实施例的方案中，通扭矩施加结构在螺栓的螺栓头部施加扭矩，使螺栓相对于内螺纹试件及固定件拧紧产生拧紧力矩，扭矩测量结构测量拧紧螺栓所施加的拧紧力矩，并且当螺栓相对于内螺纹试件及固定件拧紧时，声波轴力测量仪测量螺栓上的预紧力，最后可以通过扭矩与预紧力，确定扭矩与预紧力之间的比例关系。并且由于该声波轴力测量仪设置在螺栓的螺杆的端面，不占用螺栓的螺杆的杆长，这样可以对较短的螺栓进行测量，从而消除了轴力传感器厚度对螺栓长度的限制，实现结构较为紧凑的螺纹结构扭拉关系的测量。

附图说明

图1为传统的轴力传感器测量预紧力的扭拉试验机结构示意图；

图2为本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置的测量方法的流程示意图。

附图标记说明：

101-内螺纹试件，102-试件垫块，103-螺栓，104-轴力传感器，105-拧紧件，106-扭矩传感器，107-电机，11-螺栓，12-内螺纹试件，13-垫块试件，14-声波轴力测量仪，15-固定支架，141-测量仪夹具，21-拧紧件，22-扭矩传感器，23-电机，24-减速器，25-转角测量机构。

具体实施方式

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。

如图2所示，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置，大部分规格的螺栓11(尤其适用于长度较短的螺栓11)，其中螺纹结构扭拉关系的测量装置包括：设置有与螺栓11配合安装的内螺纹试件12的固定支架15；设置于所述固定支架15内，螺栓11插设固定件后，与内螺纹试件12连接的固定件；在螺栓上施加扭矩，使螺栓相对于内螺纹试件12及固定件拧紧的扭矩施加结构；与扭矩施加结构连接，用于检测扭矩的扭矩测量结构；固定于所述螺栓11的螺杆的端面上，用于检测当螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧时，螺栓11上的预紧力的声波轴力测量仪14。

需要说明的是：如图2所示，这里的内螺纹试件12可以在固定支架15内左右滑动移动，但在固定支架15内不能转动，以保证内螺纹试件12能够方便拆卸移出，不能转动是防止内螺纹试件12因螺栓11转动而转动，影响正常的测量。

还需要说明的是：上述扭矩施加结构可拆卸地设置于螺栓11上，方便测量过程中，被测量的螺纹结构的拆卸与安装。

本发明实施例中，通过扭矩施加结构在所述螺栓11的螺栓头部上施加扭矩，使螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧产生拧紧力矩，扭矩测量结构测量扭矩施加结构的扭矩，即测量拧紧螺栓11的拧紧力矩，并且当螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧时，声波轴力测量仪14测量螺栓上的预紧力，最后可以通过扭矩与预紧力，确定扭矩与预紧力之间的比例关系。并且由于该声波轴力测量仪14设置在螺栓11的螺杆的端面，不占用螺栓11的螺杆的杆长，这样可以对较短的螺栓11进行测量，从而消除了轴力传感器厚度对螺栓11长度的限制，实现结构较为紧凑的螺纹结构扭拉关系的测量。

优选的，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述声波轴力测量仪14为超声波轴力测量仪。

本发明实施例中，超声波轴力测量仪14只需要连接在螺栓11进行预紧力的测量，可以减少对螺栓11的长度要求。

优选的，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述超声波轴力测量仪包括：设置在螺栓11的螺杆的端面上的压电陶瓷片；

与所述压电陶瓷片连接的、为所述压电陶瓷片施加电压信号的声波发生/接收器；以及

设置在所述螺栓11的螺杆的端面上的、检测所述螺栓11的螺杆温度的温度传感器和与所述温度传感器连接的、比较获得的温度值的温度检测器。

本发明实施例中，通过对位于螺栓11的螺杆一端上的压电陶瓷片施加一电压信号，使得压电陶瓷片产生一声波信号，利用声波信号测量未施加预紧力拧紧的螺栓11的第一长度，然后利用声波信号测量施加预紧力拧紧的螺栓11的第二长度，根据第二长度、第一长度的差值，温度变化导致的螺栓11的螺杆长度的改变，以及相应的弹性系数，计算获得螺栓11的预紧力。

需要说明的是：具体的第一长度及第二长度的测量是在拧紧螺栓11时，通过超声波轴力测量仪检测声波发生/接收器的发射和接收超声的时间间隔，测量出螺栓11的长度。

本发明实施例中，使用超声波轴力测量仪实时测量预紧力的大小，不需要额外安装轴力传感器，同时垫块试件13就可以根据实际的螺纹结构的进行相应的设计与加工，使得测量结果更加贴近真实的扭拉关系。

本发明实施例中，在螺栓11进行转动时，利用测量仪夹具固定声波轴力测量仪14，使声波轴力测量仪14能够准确地测量预紧力。

本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述扭矩施加结构包括：卡接于螺栓11的螺栓头部上的拧紧件21、与拧紧件21连接的扭矩测量结构、与扭矩测量结构连接的减速器24、与减速器24连接的电机23；其中，所述电机23转动，驱动所述减速器24转动，依次带动所述扭矩测量结构、拧紧件21、以及与拧紧件21卡接的螺栓11相对于内螺纹试件12转动，扭矩测量结构测量使螺栓11紧固的所述扭矩。

需要说明的是：所述拧紧件21设置有与所述螺栓11的螺栓头部配合的结构，方便拧紧件21与螺栓11的相互配合，完成螺栓11的拧紧安装，进而准确地测量拧紧力矩。

这里的减速器24可以用于降低电机23转速，同时传递并放大的电机23扭矩。

还需要说明的是，该拧紧件21可拆卸地卡接于螺栓11的螺栓头部上，不仅方便测量过程中被测量螺栓11的安装与拆卸，而且也有利于调节拧紧件21与螺栓11配合连接，提高了扭矩施加结构的施力的准确性。

本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述的扭矩测量结构包括：连接于所述减速器24与扭矩传感器22之间，用于测量所述拧紧件的转动角度的转角测量机构25；所述扭矩传感器，连接于转角测量机构25与拧紧件21之间，用于检测拧紧件21的扭矩。

需要说明的是，所述转角测量机构25可以是角度编码器，以方便对转角的测量。

还需要说明的是：该转角测量机构25可以单独设置，也可以与扭矩传感器22一体设置，任何可以实现记录螺栓11转动角度的方式，均属于本发明实施例的保护范围，在此不一一举例。

本发明实施例中，通过设置在螺栓11的螺杆端面上的超声波轴力测量仪14进行预紧力测量，同时通过扭矩传感器22测量拧紧螺栓11的拧紧力矩，还利用转角测量机构测量拧紧件21的转动角度，进而计算出螺纹的扭拉关系。

本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述固定件包括：设置于内螺纹试件12与螺栓11的螺栓头部之间的垫块试件13，且螺栓11插设垫块试件13；以及包括两个安装孔的固定支架15，垫块试件13固定安装在两个安装孔的一个安装孔中固定中，该内螺纹试件12装配于两个安装孔的另一个安装孔，且沿两个安装孔的另一个安装孔的孔壁抽插。

需要说明的是：该内螺纹试件12可以为螺母，用来与螺栓11配合。该垫块试件13可以为金属垫块，用于模拟实际工况中的金属被压件，任何可以实现模拟实际螺纹结构工况中的金属被压件的金属垫块，均属于本发明实施例的保护范围。

还需要说明的是：上述固定支架15也可以是一体支架，也可以是分离为安装内螺纹试件12的第一固定支架及固定垫块试件13的第二固定支架。如图2所示，内螺纹试件12装配于右侧固定支架(即，固定支架15的第一固定支架)，且沿右侧固定支架的孔壁抽插，但是不会沿所述右侧固定支架的孔壁转动。均可以方便实现螺栓11的安装，而固定支架15大小与垫块试件13有关，任何可以实现内螺纹试件12及垫块试件13固定的固定支架15的大小，均属于本发明实施例的保护范围。

还需要说明的是，如图2所示，该第一固定支架和第二固定支架均可以沿同一轴左右滑动，便于拧紧件21与螺栓11头部的连接与脱离，便于螺栓11以及内螺纹试件12的安装。

优选的，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述声波轴力测量仪14，通过测量仪夹具141固定于所述螺栓11的螺杆的端面上。

本发明实施例，通过测量仪夹具141使得声波轴力测量仪14位置固定，防止测量过程中声波轴力测量仪14晃动而影响测量数据的准确性。

优选的，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，该螺栓11为铁质和/或钢质螺栓11，所述测量仪夹具141包括：磁铁块，声波轴力测量仪14夹设在磁铁块与螺栓11的螺杆的端面之间。

本发明实施例中，利用螺栓11本身的材料特性，通过磁铁块夹设声波轴力测量仪14，来固定声波轴力测量仪14，这样测量仪夹具的结构简单，也方便用户试验操作。

优选的，本发明实施例的螺纹结构扭拉关系的测量装置中，所述测量仪夹具141包括：具有多个安装孔的夹块，通过固定件穿设该夹块的安装孔，夹设固定该声波轴力测量仪14于该螺栓11的螺杆的端面与该夹块之间。其中，该固定件可以为螺钉等连接件，以方便连接。

本发明实施例中，在螺栓11非金属材质时，需要通过其他辅助的夹块，将声波轴力测量仪14固定在螺栓11的螺杆端面上，防止出现声波轴力测量仪14晃动而影响测量的情况，提高测量的准确性。

需要说明的是，上述螺纹结构扭拉关系的测量装置，应用于螺纹结构扭拉关系的测量机。

如图3所示，本发明实施例还提供一种采用如上述的螺纹结构扭拉关系的测量装置的测量方法，其中，包括：

步骤31，将内螺纹试件12设置于固定支架15内。

步骤32，将待检测螺栓11插设固定件后，与内螺纹试件12连接。

步骤33，扭矩施加结构与螺栓11连接后施加扭矩，螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧；

步骤34，获取根据扭矩测量结构检测的扭矩和根据声波轴力测量仪14检测的预紧力，得到所述扭矩与所述预紧力之间的扭拉关系。

需要说明的是：这里的步骤34中，通过获取的扭矩和预紧力，可以利用电子设备计算得到扭矩和预紧力之间的扭拉关系，这样可以准确地得到扭拉关系。其中，电子设备可以是指手机、计算机或计算器，在此不一一例举。

本发明实施例中，通过扭矩施加结构在所述螺栓11的螺栓头部上施加扭矩，使螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧产生拧紧力矩，扭矩测量结构测量扭矩施加结构的扭矩，即测量拧紧螺栓11的拧紧力矩，并且当螺栓11相对于内螺纹试件12及固定件拧紧时，声波轴力测量仪14测量螺栓上的预紧力，最后可以通过扭矩与预紧力，确定扭矩与预紧力之间的比例关系。并且由于该声波轴力测量仪14设置在螺栓11的螺杆的端面，不占用螺栓11的螺杆的杆长，这样可以对较短的螺栓11进行测量，从而消除了轴力传感器厚度对螺栓11长度的限制，实现结构较为紧凑的螺纹结构扭拉关系的测量。

利用图2对整个安装执行流程说明如下：首先分别移动固定支架15(具体的，对于第一固定支架向右移动，带动第二固定支架向右移动，此时没有安装测量仪夹具141、声波轴力测量仪14与垫块试件13)，然后装夹上合适的垫块试件13及内螺纹试件12；然后将螺栓11插设过垫块试件13，手动拧紧螺栓11，在产生预紧力前停止拧紧；再然后，使用测量仪夹具141将声波轴力测量仪14装夹在螺栓11的螺杆的端面上；再然后，向左移动固定支架15(具体的，第一固定支架向左移动，带动第二固定支架、垫块试件13、螺栓11、内螺纹试件12、测量仪夹具141以及声波轴力测量仪14向左移动)，使得螺栓11的螺栓头部对准拧紧件21且与拧紧件21连接；最后启动电机23，利用拧紧件21拧紧螺栓11(利用预紧力来紧固螺栓11)，实现实时测量螺栓11的拧紧力矩与预紧力，绘制预紧力随拧紧力矩的变化关系曲线，得到螺栓11的扭拉关系。一般在测量得到测量结果的情况下，预紧力随拧紧力矩的变化关系为正比关系。

相应的，由于本发明实施例的采用如上述的螺纹结构扭拉关系的测量装置的测量方法，应用于螺纹结构扭拉关系的测量装置，因此上述螺纹结构扭拉关系的测量装置的所述实现实施例均适用于该采用如上述的螺纹结构扭拉关系的测量装置的测量方法的实施例中，也能达到相同的技术效果。

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。