CN103604545B - 一种螺栓拉力测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺栓拉力测量结构，属于拉力测量技术领域。该结构包括两个对称的金属结构以及可感受螺栓应变的全桥电路。本发明采用分体式螺栓拉力传递和应变桥路保护的结构，解决了拉力传递和实车应变电路安装和保护的难题，使得螺栓拉力实车测试成为可能，具有测试结果精准、机械结构简单、使用方便的优点。

Description

一种螺栓拉力测量结构

技术领域

本发明涉及拉力测量技术领域，具体涉及一种螺栓拉力测量结构。

背景技术

在车辆实车行驶过程中，经常发生因各种原因而导致紧固、连接螺栓及零部件支撑的破坏及断裂等问题，这些问题一般难以在台架上予以复现，只能通过实车跑车来定位。

传统方法一般是通过测试关键位置振动加速度的方式来推算作用能量的大小，但是由于是间接测量，故存在较大的误差，对设计的支撑作用相对也受到一定限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种特种车辆在实车条件下测试螺栓拉力的机械结构。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种螺栓拉力测量结构，包括两个对称的金属结构以及可感受螺栓应变的全桥电路，所述两个金属结构间采用凸凹槽进行配合，配合之后的两个金属结构组成的整体结构上具有可与螺栓配合的六角螺栓卡槽；所述两个金属结构上各设有2个安装槽，以及一个可引出所述全桥电路的接线端子的椭圆形槽孔或长圆形槽孔；每个金属结构上的2个安装槽6分别位于金属结构的中部和底部，所述椭圆形槽孔或长圆形槽孔位于金属结构的两个安装槽之间；组成所述全桥电路的四个应变片分别粘贴于所述螺栓靠近六角端的光滑圆柱面上的四个对称直角点上，且相邻的应变片的布置方向相互垂直。

优选地，所述安装槽为卡箍安装槽或者扎带安装槽。

(三)有益效果

本发明采用分体式螺栓拉力传递和应变桥路保护的结构，解决了拉力传递和实车应变电路安装和保护的难题，使得螺栓拉力实车测试成为可能，具有测试结果精准、机械结构简单、使用方便的优点。

附图说明

图1为本发明保护结构的结构示意图；

图2为本发明保护结构上安装螺栓后的示意图；

图3为本发明全桥电路的组成；

图4为本发明静态松螺栓过程采集数据结果；

图5为本发明动态拉应力测试数据结果；

图6为本发明应变片在螺栓圆柱面上的布置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种螺栓拉力测量结构，利用桥式应力/应变测试原理，在加长螺栓光滑柱面粘贴应变片并组桥的方式，为应变桥提供保护及拉力转换机械结构，从而实现螺栓拉应力测试的目的，包括两个对称的金属结构1以及可感受螺栓应变的全桥电路9(如图3所示)，所述两个金属结构间采用凸凹槽4进行配合，方便定位和组装，配合之后的两个金属结构组成的整体结构(也称为保护结构，具备保护测试电路及传递拉力功能，如图1所示，(a)、(b)表示不同角度的图示)上具有可与螺栓7(如图2所示，(a)、(b)表示不同角度的图示)配合的六角螺栓卡槽3，通过六角螺栓卡槽3使螺栓7在实车安装过程中与该结构同步转动；所述两个金属结构上各设有2个安装槽，以及一个可引出所述全桥电路的接线端子10的椭圆形槽孔或长圆形槽孔2，将桥路的接线端子10引出来，并延长至采集系统，可实现螺栓拉力信号的采集；所述每个金属结构上的2个安装槽6分别位于金属结构的中部和底部，所述椭圆形槽孔或长圆形槽孔位于金属结构的两个安装槽之间；组成所述全桥电路的四个应变片8分别粘贴于所述螺栓靠近六角端的圆柱面上的四个对称直角点上，且相邻的应变片的布置方向相互垂直，应变片按全桥连接，既可提高灵敏度，又可实现温度补偿。所述安装槽为卡箍安装槽或者扎带安装槽，方便对两个金属结构进行有效固定。该螺栓为六角螺栓，包括六角螺栓头和特定加工的或者选型加长的螺杆两个部分。通过在金属结构上部设置扳手卡位5使得扳手工具可应用于该结构的实车安装。

在进行测试时应选用加长的标准的螺栓，并要求螺栓粘贴应变片的非螺纹的圆柱面光滑、均匀、无划痕，为了减小加工对螺栓强度的影响，不建议对粘贴应变片位置进行打磨处理。如为了试验效果更好，且成本允许，可考虑单独加工试验用螺栓。

该保护结构与试验用螺栓安装形式如图2所示(将被试螺栓沿轴向螺纹端向前安装，并使螺栓卡槽与六角头配合完全，并将导线顺出，即可实现完全安装)。螺栓一端由四个粘贴的应变片(垂直对称位置，布置方式见图6，(a)、(b)表示不同角度的图示)组成全桥应力/应变测试电路，导线由椭圆槽引出，从而实现螺栓拉应力的测试。

本发明的工作原理是这样实现的：

在螺栓受到拉力作用情况下，螺栓所受拉力通过保护结构传递到螺栓本体上，通过螺栓光滑部分粘贴的应变片全桥来感受螺栓应变，并通过现有的调理电路将该信号放大及数字化转换，最终实现电信号与机械力的一一对应，从而实现螺栓拉力的测试。

使用脱脂棉、丙酮及酒精等将螺栓靠近六角端的圆柱表面清理干净，并等待清理液体挥发后，在该表面结构上对称四个垂直对称的圆周位置确定应变片粘贴位置，用502胶水(如有必要采用高温胶水)，在标定的位置按粘贴应变片(120Ω)，保证粘贴表层内没有气泡且粘贴牢固，粘贴完成后且干燥后(自然干燥或者用烤箱烘干)，按照图3组成拉力测试全桥电路，实现应变片的粘贴和桥路的构成测量绝缘电阻检查应变片绝缘情况，检查漂移和蠕变情况，如较为理想，采用防水绝缘胶对电路表面进行涂覆，做防水绝缘处理，应用于实际测试。将螺栓按照接线端子对准双片结合的保护结构的孔槽位置，缓缓将处理好的螺栓安放在保护结构内，从孔槽内顺出导线，用胶布等在孔槽处粘贴以便保护导线不被磨损，并保证保护结构一端内六角与螺栓的外六角正确结合。用扎带、卡箍或者细的铁丝在保护结构外部圆周浅槽周向将结构捆扎固定，并将剩余外部螺纹部分放入安装孔槽，用手在另一端将螺母带上。

准备好测试系统，按照系统要求连接桥路四个接口，分别为供电和信号输出端口，完成系统接线定义和实现。考虑到测试精度，推荐使用试验前台架标定的方式来实现应变与物理量的一一对应。在加工工装的基础上，在台架上安装好被试螺栓，在正反两个方向6个力点上实现拉、压力，记录台架给出的拉、压力数值和测试系统得到的电压值，往复三次上述过程，得到标定数据，查看全桥电路标定数据的线性度、重复度等指标，形成全桥电路的校准公式，并代入到采集系统的系数表中去，实现工程量的直接测量。

将采集系统布置在车内，做好防振处理，并采用车内电源为采集系统供电。在车上布置好采集线，并预留足够长的线，为螺栓的安装力及卸载力测试做准备。开启采集系统，用扳手夹紧结构外侧的安装扳手卡位，用另一个扳手夹紧另一侧的螺母，缓缓转动扳手，注意不要绞断导线，完成安装并按照试验规划进行试验，试验过程中记录安装过程的螺栓拉力的变化。将测试螺栓替换实际螺栓后，按照预定的试验方案和步骤实施试验，采集系统全程自动采集并记录动态拉力，并通过事后下载的方式将数据拷贝到计算机中进行进一步的处理。

全桥电路的输出电压计算过程如下：

如图3所示，桥路供电电压为U₀，输出电压为U_SC。

当螺栓不受外力作用时，组桥的应变片的电阻值不发生变化，则有：

R₁＝R₄＝R₂＝R₃

电桥输出为： $U_{\mathrm{SC}}=U_0\frac{(R_1{R}_4-R_2{R}_3)}{(R_1+R_2)(R_4+R_3)}=0$

当螺栓受到拉力作用时，保护结构将力传递到螺栓上，在外力作用下组桥的应变片的电阻值因外力产生的变形而发生变化，全桥电路输出为：

$U_{\mathrm{SC}}=\frac{U_0}{4}(({\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}\right)}_t)-({\left(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}\right)}_t)+({\left(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}\right)}_t)-({\left(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_4}{R_4}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}\right)}_t))$

其中，R₁和R₃的应变片沿着径向及作用力垂直的方向粘贴在靠近六角沉头端的光滑圆周表面上，R₂和R₄的应变片沿着轴向及作用力的方向平行粘贴在螺栓靠近六角沉头端的光滑圆周表面上(其中，R₂和R₄为工作片，R₁和R₃为温度补偿片)，应变片按全桥连接，既可提高灵敏度，又可实现温度补偿。ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄为四个应变片在拉力作用下所产生的电阻变化，t为温度，如分别代表ΔR₁在螺栓拉力和温度变化情况下引起的应变片的电阻变化与初始电阻值的比值，修改下标数字表示其它应变片的比值。

由于选用同一型号的应变片，应变片1和应变片3由应变产生的电阻变化率一样，应变片1和应变片3由应变产生的电阻变化率一样，即：

${\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}={\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}\right)}_{\mathrm{\ϵ}},{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}={\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}\right)}_{\mathrm{\ϵ}}$

4个应变片处于同一温度场中，由温度产生的电阻变化率相等，即：

${\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}\right)}_t={\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}\right)}_t,{\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}\right)}_t={\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}\right)}_t$

应变片的电阻变化率：其中ε为应变，K为应变率。

径向应变ε₂和轴向应变ε₁关系：ε₂＝με₁，μ为全桥电路座的泊松比。

全桥电路的输出公式中的温度影响的电阻变化率相互抵消，只剩下应变引起的电阻变化率。实际的电压输出为：

$U_{\mathrm{SC}}=\frac{U_0\·K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

即： $U_{\mathrm{SC}}=\frac{U_0\·\mathrm{K\ϵ}}{2}(1-\mathrm{\μ})$

以上述公式即可实现应变值与测试输出电压的一一对应，从而推导出电压与螺栓所受拉力的关系。但是这种做法存在一定的误差，故推荐使用台架实际标定的方法来实现全桥电路输出电压和螺栓所受拉力的一一对应(制作工装，并在台架上对可测试螺栓进行加卸载，得到全桥电路电压及台架加卸载数据，从而拟合电压与工程数据的转换曲线)。

图4、图5为某车辆发动机固定螺栓拧紧、卸载及实车跑车工况下螺栓动态拉力测试数据，试验证明该结构能够很好地达到螺栓拉力测试目的，是较为实用、可靠的测力结构。

在某轮式特种车辆的研制任务中，该车的发动机支撑的安装螺栓断裂，设计和试验人员通过裂口形式和螺栓受力等情况，多次分析断裂原因的经验分析，改进设计后问题依然复现。初步确定断裂是路面恶劣情况下螺栓受到过多拉应力而导致的。螺栓的选型是个难题，一是怕选择的强度不够，问题依旧；二是怕螺栓的强度太大，破坏会直接传递到支撑。所以急需获取螺栓实车跑车工况下的拉力数据。经过试验人员的设计及设计人员的修改及加工，本发明的测试结构被设计出来并应用于实际，获得了良好的效果。试验数据标明，螺栓的许用应力等均达到要求，但是动态拉力变化范围超出要求，根据测试结果调整设计和选型方案，问题得以解决。

由于不改变螺栓的机械结构等原有特征，只需要在原有选型的基础上选择加长标准螺栓即可，该结构对安装空间等要求也不高，且安装方式与原有螺栓几乎相同，引起车辆的变化小，结构简单，占用车辆空间小，可方便实现螺栓拉应力/应变测量，易于在车上改装和实施。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种螺栓拉力测量结构，其特征在于，包括两个对称的金属结构以及可感受螺栓应变的全桥电路，所述两个金属结构间采用凸凹槽进行配合，配合之后的两个金属结构组成的整体结构上具有可与螺栓配合的六角螺栓卡槽；所述两个金属结构上各设有2个安装槽，所述两个金属结构上还各设有一个可引出所述全桥电路的接线端子的椭圆形槽孔或长圆形槽孔；每个金属结构上的2个安装槽分别位于金属结构的中部和底部，所述椭圆形槽孔或长圆形槽孔位于金属结构的两个安装槽之间；组成所述全桥电路的四个应变片分别粘贴于所述螺栓靠近六角端的光滑圆柱面上的四个对称直角点上，且相邻的应变片的布置方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的螺栓拉力测量结构，其特征在于，所述安装槽为卡箍安装槽或者扎带安装槽。