CN107576439A - 螺栓轴向力的监测方法、系统及螺栓、车轮、车辆 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种螺栓轴向力的监测方法、系统及螺栓、车轮、车辆，在所述螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓的所述另一端反射回的回波信号；所述方法包括：获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长；根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力。通过上述技术方案，可以使用超声波技术对螺栓轴向力进行无损监测，即不需要改变螺栓的内部结构，从而可以保证螺栓使用的安全性，有效维持螺栓的使用寿命，又可以简便、快捷地获得螺栓轴向力，提升用户使用体验。
Description
技术领域
本公开涉及螺栓受力监测领域，具体地，涉及一种螺栓轴向力的监测方法、系统及螺栓、车轮、车辆。
背景技术
在车辆的行驶过程中，车轮会承受车辆的重力、行驶中的滚动阻力，在车辆转弯或在倾斜路面上行驶时还会承受侧向力，在车辆制动时还会承受路面的制动力、和车轮转动时路面对车轮产生的冲击力。相应地，车轮螺栓也会承受上述车轮所承受的力，上述受力构成车轮螺栓的交变循环应力。
车轮螺栓连接是在轮毂和车辆轴承通过车轮螺栓完成装配后，产生一定的轴向预紧力，以保证制动盘和车轮的固定。车轮螺栓的轴向预紧力需要满足以下条件：
一、装配产生的轴向预紧力最小应满足车辆的功能要求(车辆在行驶过程中车轮螺栓不发生松动)。
二、装配产生的轴向预紧力最大不能超出螺栓允许的载荷。
在整车的组装过程中，所有的零件状态全新，并且装配工具先进，因此，在新车下线时，车轮螺栓轴向预紧力都可以满足车辆的功能要求。但是车辆在后续维修过程由于被连接件的状态发生变化(例如，为了防锈会在车轮轴承等部位增加防锈蜡等防锈物质)、装配工具精度等问题的影响，无法保证车辆的装配产生的车轮螺栓轴向预紧力、及车辆行驶过程中车轮螺栓的轴向力满足上述条件。
发明内容
本公开的目的是提供一种可以实时监测螺栓轴向力的螺栓轴向力的监测方法、系统及螺栓、车轮、车辆。
为了实现上述目的，根据本公开的第一方面，提供一种螺栓轴向力的监测方法，在所述螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓的所述另一端反射回的回波信号；所述方法包括：获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长；根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力。
可选地，所述根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，包括：根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力；或者，所述根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，包括：根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的轴向形变量；根据所述螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述螺栓的螺栓轴向力：其中，F为所述螺栓的螺栓轴向力；E为所述螺栓的材质弹性模量；S表示所述螺栓的截面积；ΔL表示所述螺栓的轴向形变量；L表示所述螺栓的装夹长度。
可选地，所述方法还包括以下中的一者：在所述螺栓轴向力小于阈值时，以无线传输方式将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示；以无线传输方式将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示。
根据本公开的第二方面，提供一种螺栓轴向力的监测系统，所述系统包括：被测螺栓，所述被测螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述被测螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述被测螺栓的所述另一端反射回的回波信号；监控装置，所述监控装置用于获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长；根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力。
可选地，所述监控装置根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力；或者，所述监控装置根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的轴向形变量；根据所述被测螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力：其中，F为所述被测螺栓的螺栓轴向力；E为所述被测螺栓的材质弹性模量；S表示所述被测螺栓的截面积；ΔL表示所述被测螺栓的轴向形变量；L表示所述被测螺栓的装夹长度。
可选地，所述系统还包括显示装置，所述显示装置与所述监控装置无线通信，所述监控装置还用于进行以下中的至少一者：在所述螺栓轴向力小于阈值时，将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示；将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示。
根据本公开的第三方面，提供一种螺栓，所述螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓的所述另一端反射回的回波信号，以用于根据超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，其中，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长。
根据本公开的第四方面，提供一种车轮，包括轮毂和用于驱动所述轮毂转动的车轮轴承，所述轮毂通过上述第三方面提供的螺栓与所述车轮轴承进行装配。
根据本公开的第五方面，提供一种车辆，所述车辆包括：上述第二方面所述的螺栓轴向力的监测系统。
在上述技术方案中，通过在螺栓一端增设超声波传感器，可以通过该超声波传感器获得超声波在该螺栓中的传播时间，从而可以根据该超声波传播时间确定所述螺栓的螺栓轴向力。通过上述技术方案，可以使用超声波技术对螺栓轴向力进行无损监测，即不需要改变螺栓的内部结构，从而可以保证螺栓使用的安全性，有效维持螺栓的使用寿命，又可以简便、快捷地获得螺栓轴向力，提升用户使用体验。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据本公开的一种实施方式提供的螺栓轴向力的监测方法的流程图；
图2是螺栓与被连接件的连接示意图；
图3是超声波传播时间与螺栓轴向力之间的关系曲线图；
图4是根据本公开的一种实施方式提供的螺栓轴向力的监测系统的示意图；
图5是根据本公开的一种实施方式提供的车轮的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
根据本公开的第一方面，提供一种螺栓轴向力的监测方法。图1所示，为根据本公开的一种实施方式提供的螺栓轴向力的监测方法的流程图。如图2所示，在螺栓1的一端设置有超声波传感器2，所述超声波传感器2用于向所述螺栓1的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓1的所述另一端反射回的回波信号。如图1所示，所述方法包括：
在S11中，获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长。
其中，螺栓的头部与末端应达到平面度和垂直度要求，可以在螺栓的头部或者末端粘贴超声波耦合剂垫圈，以将超声波传感器安装在螺栓的头部或末端。示例地，将超声波传感器安装在螺栓的头部。如图2所示，超声波传感器2发出超声波信号，该超声波信号沿螺栓1的头部向螺栓1的末端传播，并在到达螺栓1的末端时，将该超声波信号反射，从而使得超声波信号由螺栓1的末端向螺栓1的头部传播，该超声波的传播路径如图2中所示箭头方向，该超声波传感器2发出该超声波信号的时刻为t1，该超声波传感器2接收到回波信号的时刻为t2，则该超声波传播时间T为该超声波传感器2接收到回波信号的时刻t2与该超声波传感器2发出该超声波信号的时刻t1之差，即：
T＝t2-t1。
在S12中，根据超声波传播时间，确定螺栓的螺栓轴向力。
其中，螺栓的轴向力是指螺栓的轴向受力，在螺栓没有承受外部载荷的情况下，螺栓轴向力的数值等于螺栓装配完成后的轴向预紧力的数值；在螺栓承受外部载荷的情况下，螺栓轴向力的数值等于螺栓残余夹紧力与螺栓所受外部载荷的数值之和，螺栓残余夹紧力的数值等于被连接件受力的数值。
示例地，S12的一种示例实现方式如下：
根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力。
其中，预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系是通过实验数据计算得出的。
示例地，如图2所示，在螺栓1未拧紧、即螺栓1与被连接件11之间没有力的作用(F1＝0)时，通过超声波传感器测量超声波在该螺栓1中的传播时间T1。之后逐渐拧紧该螺栓，在该过程中，螺栓1受力会发生形变，如图2中螺栓1’所示，通过超声波传感器2测量超声波在该发生形变的螺栓1’中的传播时间T2，并测量螺栓的螺栓轴向力F2，螺栓轴向力可以通过螺栓轴力传感器进行测量。之后，根据测量获得的超声波传播时间T与螺栓轴向力F的数据(T，F)，可以获得两者之间的对应关系。示例地，该对应关系可以是关系曲线的形式，将测量获得的超声波传播时间T与螺栓轴向力F的数据(T，F)进行拟合，以获得对应的近似曲线，如图3所示，横轴表示超声波传播时间T(单位为纳秒nsec)，纵轴表示螺栓轴向力F(单位为KN)。
在车辆的行驶过程中，在通过超声波传感器获得超声波传播时间T之后，可以根据该超声波传播时间T查询该曲线，从而可以得出该超声波传播时间对应的螺栓轴向力F。
在上述技术方案中，基于大量的实验数据获得超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，从而可以在获得超声波传播时间之后，根据该对应关系直接确定出该螺栓的螺栓轴向力，该过程简便、快捷。并且，该超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系是基于大量的实验数据得出的，该对应关系准确，可靠，从而使得通过上述方式获得的螺栓轴向力真实、准确，为后续螺栓轴向力的应用提供可靠的数据支持。
示例地，S12的另一种示例实现方式如下：
1)根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的轴向形变量。
如图2所示，在螺栓1未拧紧、即螺栓1与被连接件11之间没有力的作用时，通过超声波传感器2测量超声波在该螺栓1中的传播时间T。在螺栓1拧紧以使被连接件紧密固定时，螺栓1会被拉伸，如图2中所示，通过超声波传感器2测量超声波在该发生形变的螺栓1’中的传播时间T’，则可以通过以下公式获得螺栓1’的轴向形变量：
其中，ΔL表示所述螺栓的轴向形变量；v表示声速。
2)根据所述螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述螺栓的螺栓轴向力：
其中，F为所述螺栓的螺栓轴向力；
E为所述螺栓的材质弹性模量；
S表示所述螺栓的截面积；
ΔL表示所述螺栓的轴向形变量；
L表示所述螺栓的装夹长度。
在上述技术方案中，通过在螺栓一端增设超声波传感器，可以通过该超声波传感器获得超声波在该螺栓中的传播时间，从而可以根据该超声波传播时间确定所述螺栓的螺栓轴向力。通过上述技术方案，可以使用超声波技术对螺栓轴向力进行无损监测，即不需要改变螺栓的内部结构，从而可以保证螺栓使用的安全性，有效维持螺栓的使用寿命，又可以简便、快捷地获得螺栓轴向力，提升用户使用体验。
可选地，上述的螺栓轴向力的监测方法可以应用于车轮螺栓的螺栓轴向力的监测，所述方法还包括以下中的至少一者：
(一)、在螺栓轴向力小于阈值时，以无线传输方式将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示。
其中，在新车下线时，车轮螺栓的轴向预紧力都可以满足车辆的功能要求。但是车辆在后续维修过程由于被连接件的状态发生变化(例如，为了防锈会在车轮轴承等部位增加防锈蜡等防锈物质)、装配工具精度等问题的影响，无法保证车辆的装配产生的车轮螺栓轴向预紧力、及车辆行驶过程中车轮螺栓的轴向力满足车辆的功能要求。
示例地，可以根据满足车辆的功能要求的螺栓最小轴向力对阈值进行设置，例如，满足车辆的功能要求的螺栓最小轴向力为f，则可以设置阈值为1.2f，在监测螺栓轴向力小于1.2f时，以无线传输方式向显示装置发送提示消息，以提示用户当前车轮螺栓的螺栓轴向力小于阈值，需尽快进行维修以保证安全驾驶。通过上述技术方案，一方面，可以在车辆的实行过程中对车轮螺栓的螺栓轴向力进行监测，从而在存在螺栓轴向力不足的风险时对用户进行提示，以便于用户及时对车辆进行维修，为用户的安全驾驶提供保障。另一方面，使用无线传输方式，也可以避免传统超声波技术中有线传输的损耗，并且减少布线，从而可以提高螺栓轴向力监测的可靠性、精度和效率，提升用户使用体验。
(二)、以无线传输方式将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示。
通过上述技术方案，在车辆的行驶过程中，实时显示螺栓轴向力的数值，从而可以使得用户及时知晓车轮螺栓的螺栓轴向力，便于用户根据该螺栓轴向力，及时调整车辆的行驶状态，有效避免事故的发生，保证用户安全驾驶。
根据本公开的第二方面，提供一种螺栓轴向力的监测系统。图4所示，为根据本公开的一种实施方式提供的螺栓轴向力的监测系统的示意图，如图4所示，所述系统包括：
被测螺栓10，所述被测螺栓10的一端设置有超声波传感器2，所述超声波传感器2用于向所述被测螺栓10的另一端发射超声波信号，并接收经所述被测螺栓10的所述另一端反射回的回波信号；
监控装置20，所述监控装置20用于获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器2发出超声波信号至所述超声波传感器2接收到回波信号的时长；根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓10的螺栓轴向力。
可选地，所述监控装置20根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力；或者，
所述监控装置根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的轴向形变量；
根据所述螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力：
其中，F为所述被测螺栓的螺栓轴向力；
E为所述被测螺栓的材质弹性模量；
S表示所述被测螺栓的截面积；
ΔL表示所述被测螺栓的轴向形变量；
L表示所述被测螺栓的装夹长度。
可选地，所述系统还包括显示装置，所述显示装置与所述监控装置20无线通信，
所述监控装置20还用于进行以下中的至少一者：
在所述螺栓轴向力小于阈值时，将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示；
将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示。
根据本公开的第三方面，提供一种螺栓，如图2所示，所述螺栓1的一端设置有超声波传感器2，所述超声波传感器2用于向所述螺栓1的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓1的所述另一端反射回的回波信号，以用于根据超声波传播时间，确定所述螺栓1的螺栓轴向力，其中，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器2发出超声波信号至所述超声波传感器2接收到回波信号的时长。示例地，由上述的监控装置20根据超声波传播时间，确定所述螺栓1的螺栓轴向力。
根据本公开的第四方面，提供一种车轮，如图5所示，该车轮包括轮毂3和用于驱动所述轮毂3转动的车轮轴承4，所述轮毂3通过根据本公开提供的上述螺栓1与所述车轮轴承4进行装配。
其中，在一个车轮的装配过程中，需要使用多个螺栓1，螺栓1的一端设置的超声波传感器2，与监控装置20之间通过无线通信，可以避免在超声波传感器2与监控装置20之间设置复杂的线路，并且减少布线，有效避免线路缠绕等现象的发生，提升用户使用体验。
根据本公开的第五方面，提供一种车辆，所述车辆包括：上述的螺栓轴向力的监测系统。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (9)
1.一种螺栓轴向力的监测方法，其特征在于，在所述螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓的所述另一端反射回的回波信号；所述方法包括：
获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长；
根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力；或者，
所述根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间，确定所述螺栓的轴向形变量；
根据所述螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述螺栓的螺栓轴向力：
<mrow>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>E</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>S</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，F为所述螺栓的螺栓轴向力；
E为所述螺栓的材质弹性模量；
S表示所述螺栓的截面积；
ΔL表示所述螺栓的轴向形变量；
L表示所述螺栓的装夹长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下中的至少一者：
在所述螺栓轴向力小于阈值时，以无线传输方式将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示；
以无线传输方式将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至显示装置，以由所述显示装置显示。
4.一种螺栓轴向力的监测系统，其特征在于，所述系统包括：
被测螺栓，所述被测螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述被测螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述被测螺栓的所述另一端反射回的回波信号；
监控装置，所述监控装置用于获取超声波传播时间，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长；根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述监控装置根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间、以及预设的超声波传播时间与螺栓轴向力之间的对应关系，确定与所述超声波传播时间相对应的所述螺栓轴向力；或者，
所述监控装置根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力，包括：
根据所述超声波传播时间，确定所述被测螺栓的轴向形变量；
根据所述被测螺栓的轴向形变量，通过以下等式，确定所述被测螺栓的螺栓轴向力：
<mrow>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>E</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>S</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，F为所述被测螺栓的螺栓轴向力；
E为所述被测螺栓的材质弹性模量；
S表示所述被测螺栓的截面积；
ΔL表示所述被测螺栓的轴向形变量；
L表示所述被测螺栓的装夹长度。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括显示装置，所述显示装置与所述监控装置无线通信，
所述监控装置还用于进行以下中的至少一者：
在所述螺栓轴向力小于阈值时，将用于提示用户所述螺栓轴向力小于阈值的提示信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示；
将用于表示所述螺栓轴向力的信息发送至所述显示装置，以由所述显示装置显示。
7.一种螺栓，其特征在于，所述螺栓的一端设置有超声波传感器，所述超声波传感器用于向所述螺栓的另一端发射超声波信号，并接收经所述螺栓的所述另一端反射回的回波信号，以用于根据超声波传播时间，确定所述螺栓的螺栓轴向力，其中，所述超声波传播时间为自所述超声波传感器发出超声波信号至所述超声波传感器接收到回波信号的时长。
8.一种车轮，包括轮毂和用于驱动所述轮毂转动的车轮轴承，其特征在于，所述轮毂通过权利要求7所述的螺栓与所述车轮轴承进行装配。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括：
权利要求4-6中任一项所述的螺栓轴向力的监测系统。
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