CN109154322A - 负载指示紧固件 - Google Patents

Abstract

螺栓载荷测量装置31具有螺栓4，其中参考销钉10从螺栓中的孔11的根部12延伸。镗孔22的肩部23限定了位于螺栓4的可应变部分7内的可应变部分基准肩部。应变基准套筒32具有孔33，以允许其绕参考销钉10通过，参考销钉10延伸到应变基准套筒的端部。参考基准15位于参考销钉10的外端，并且应变基准16位于应变基准套筒32的外端。应变基准套筒的外端包括对准突起34，测量工具40在该对准突起34上结合。为了使测量工具40的对准足够精确，接合长度37是接合宽度38的至少0.9倍，或是对准突起直径的0.9倍。

Description

负载指示紧固件

技术领域

本发明涉及紧固件，并且具体地涉及用于测量指示负载的负载指示紧固件和工具。

背景技术

在一些应用中，知道螺栓上的负载具有重要性，在诸如压力边界带螺栓的接头应用中，包括管道和压力容器带垫片、带法兰，带螺栓的接头。这里使用的“螺栓”包括带头的螺栓和无头的螺栓。无头螺栓称为“柱螺栓(stud bolt)”。测量和监测各螺栓中的负载有利于带螺栓接头的安全操作，并且接触和非接触螺栓负载测量方法都是已知的。

图1示出了类似于国际专利公开WO2010/140002中公开的接触式螺栓负载测量装置(arrangement)1，其中螺母2和3能够通过紧固在柱螺栓4上而在它们之间提供夹紧力。因此第一螺母2内螺栓的区域是第一负载接收部分5，第二螺母3内螺栓的区域是第二负载接收部分6。螺母对螺栓4施加相应于两个螺母2、3之间夹紧力的张力负载，使螺栓4应变(或更具体地说是延伸)。如本文所用，“应变”是指尺寸的变化，表达为该尺寸的比例(例如δL/L，其中L是尺寸的大小，δ表示尺寸大小的变化)。在材料的弹性范围内，应变可通过材料的弹性性质与负载直接相关。两个部分5和6之间的螺栓区域可以称为可应变部分7。在WO2010/140002中，在螺栓中轴向钻孔，该孔具有螺纹底座，销钉拧入该螺纹底座中。这种制造方法用于简化，但添加了可以移动的接头，对随后进行的任何测量的准确性有负面作用。在图1中，所示孔11中的参考销钉10与螺栓4成一体。这可以通过侵蚀环形间隙以形成销钉10来形成，或者更容易地，孔11可以钻孔形成然后参考销钉10焊接在根部12。由于根部12和第一负载接收部分5之间的轴向长度确定了参考销钉10外端的参考基准15和螺栓4端部上的应变基准表面16之间的相对运动的大小，因此考销钉10的根部12很好地进入螺栓4的可应变部分7，该相对运动是由于螺栓的可应变部分7上的轴向负载变化导致的。由于螺栓的可应变部分7上的轴向负载变化，在参考销钉10的外端和螺栓4的端部上的应变基准表面16上。由于应变基准和参考基准之间的轴向距离根据螺栓上的应变(tensile))负载而变化，因此测量参考基准15和应变基准16之间的相对运动允许计算螺栓上的负载。

千分表或类似物18用于接触参考基准15和应变基准16以检测其间的轴向差。然而，千分表18易于与参考销钉10的主轴17错位，例如通过图1中所示的角度错位。这种错位导致在应变基准表面16和参考基准15之间的轴向距离的测量中的误差，并且当通过应变偏差(deflection)测量负载时，这种误差容易使测量结果毫无价值。

图2示出本申请人的国际专利公开WO2016/015092中公开的接触式螺栓负载测量装置21。该装置采用了许多特征，以确保测量精确地反映螺栓中的负载。参考销钉10的根部12与螺栓4是一体的，以避免在使用中它们之间可能的运动，并且参考销钉的根部12和参考基准15都在可应变部分7内，应变基准16也一样，根本12现在是环形孔11的端部和镗孔(bore)22的底部处的肩部23。这有助于消除由于螺母2相对于螺栓4的位置引起的任何误差，这可随着通过紧固螺栓调节负载而变化，并允许当螺栓处于零(或另一已知)负载时参考基准表面和应变基准表面被加工成基本上共面。在如图1所示的装置中螺母2的这种变化位置有效地改变了螺栓长度，在该螺栓长度上出现测量到的应变是因为图1中的应变基准不在可应变部分长度内。

同样在图2中，在测量工具25上使用探针24有助于测量的准确性，该探针与螺栓端部中的镗孔22精确对准。镗孔22可以减小测量工具和螺栓上基准表面之间的同心度类错位。使用具有足够长度和与探针24紧密配合公差的镗孔22还确保最小化由于角度错位(例如图1中所示类型)引起的参考基准15和应变基准16之间的任何测量误差。本申请人的在先文件还提供了对测量工具相对于螺栓的旋转位置进行标记(indexing)的选项，以确保消除由于基准表面中的不一致引起的误差，这种不一致的例子是基准表面相对于参考销钉、螺栓或测量工具探针主轴垂直度的误差、或基准表面的不良表面光洁度，其使得探针根据工具相对于螺栓的旋转方向拾取表面上的不同高点。虽然图2所示的装置为螺栓负载测量提供了非常高的准确性和可重复性，但是螺栓的加工不是微不足道或便宜的，并且到达可应变部分内基准表面所需的探针长度需要螺栓端部与任何周围结构或元件(component)之间显著的最小间隙。而且，探针的尺寸难以容纳在较小的螺栓中，限制了可以应用本发明的螺栓的最小尺寸。

因此，需要提供一种用于测量螺栓中的负载的螺栓和/或工具，其能够克服已知装置的至少一个缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种紧固件，其包括：第一负载接收部分和第二负载接收部分；所述第一负载接收部分和第二负载接收部分之间的可应变部分；测量端，其包括对准突起(alignment protrusion)，并具有在外端应变基准；空腔，其从所述紧固件的测量端延伸，所述空腔包括位于所述紧固件的可应变部分内的参考销钉根肩部(rootshoulder)；参考销钉，其具有根端(root end)和参考端(reference end)，所述参考销钉的根端固定到所述空腔中的参考销钉根肩部，且参考销钉的参考端包括或限定参考基准，其中对准突起具有接合部分，该结合部分具有垂直于接合部分轴向长度的接合宽度，接合部分轴向长度至少是接合宽度的0.9倍或对于非圆形外轮廓至少等于截面面积的平方根。

因此，应变基准和参考基准之间的轴向距离根据紧固件上的负载而变化，即可应变部分所承受的应变负载。

应当理解，从紧固件的测量端延伸的空腔可以从应变基准，通过对准突起并进入可应变部分。

提供外部对准表面，例如圆柱形对准突起的圆周表面，以及外部参考基准和应变基准表面，可以提供比内部对准、参考基准和应变基准表面更便宜的加工益处，并且能够在较小尺寸的螺栓上加工。使用最小长度的对准表面，即外部对准突起的接合部分的最小长度，仍然保持内部对准镗孔的许多精确益处。

对准突起可以与紧固件的测量端成一体。

所述空腔还可包括位于所述紧固件的可应变部分内的可应变部分基准肩部，所述紧固件还包括：应变基准套筒，其具有可应变部分基准肩部接触端和应变基准端，所述应变基准端包括对准突起和应变基准-例如对准突起与套筒成一体，套筒的相对端固定在紧固件的其余部分上。

本发明的一种或多种形式可提供紧固件，其包括：第一负载接收部分和第二负载接收部分；所述第一负载接收部分和第二负载接收部分之间的可应变部分；测量端，其包括对准突起；空腔，其从所述紧固件的测量端延伸，所述空腔包括参考销钉根肩部和可应变部分基准肩部，参考销钉根肩部和可应变部分基准肩部位于所述紧固件的可应变部分内；参考销钉，其具有根端和参考端，所述参考销钉的根端固定到所述空腔中的参考销钉根肩部，且参考销钉的参考端包括或限定参考基准，以及应变基准套筒，具有可应变部分基准肩部接触端和应变基准端，所述应变基准端包括或限定应变基准，其中所述对准突起具有接合部分，该接合部分具有垂直于接合部分轴向长度的接合宽度，接合部分轴向长度至少是接合宽度的0.9倍或对于非圆形外轮廓至少等于截面面积的平方根。

应当理解，从紧固件的测量端延伸的空腔可以通过对准突起并进入可应变部分。

在紧固件的任一种形式中，对准突起可包括外部或周向或周边接合表面以接合测量工具。例如，突起可以是圆柱形的，在这种情况下，接合宽度将是圆柱形突起的直径。

参考销钉可包括位于参考销钉的根端和可应变部分与负载接收部分之间的边界之间的第一部分，该边界朝向紧固件的测量端，该参考销钉包括位于第一部分和参考销钉的参考端之间的第二部分。当紧固件未负载时，从参考基准最高点到应变基准最高点的轴向距离可小于参考销钉的第一部分的轴向长度的1/1000，或优选小于1/2000，或为了提高精度，优选小于参考销钉的第一部分的轴向长度的1/4000。

本发明紧固件的任何形式都可具有对准突起，该对准突起被构造成在至少两个位置处接合测量工具，所述至少两个位置由轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度至少等于在所述至少两个位置处由外轮廓包围的横向截面面积的平方根。

对准突起的接合部分轴向长度可以是接合宽度的至少1.5倍。对准突起可构造成在至少两个位置处接合测量工具，所述至少两个位置由轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度是在所述至少两个位置处由外轮廓包围的截面面积的平方根的至少1.5倍。或者，对准突起的接合部分轴向长度可以是接合宽度的至少2倍。对准突起可构造成在至少两个位置处接合测量工具，所述至少两个位置由轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度是在所述至少两个位置处由外轮廓包围的横向截面面积的平方根的至少2倍。

对准突起的接合宽度可以具有不宽于ISO宽松运行配合公差c11的公差。或者，对准突起的结合宽度可以具有不宽于ISO自由运行配合公差d9的更严格的公差，或者不宽于ISO近距运行配合公差f7或不宽于ISO滑动配合公差g6或不宽于ISO位置间隙配合公差h6。本文使用的ISO是指公认的国际标准化组织(ISO)和ISO制定的相关标准。

紧固件可包括用于将工具或保护帽保持在对准突起上的保持部分。

本发明的一个或更多形式可以提供包括任何上述紧固件和测量工具的系统，该测量工具包括用于接收对准突起的对准腔。对准腔和对准突起之间的配合最宽松是运行配合。例如，配合可以最宽松基本上是美国国家标准协会(ANSI)RC6运行配合，或者优选地最宽松是滑动配合，或者为了提高测量准确性和可靠性，配合最宽松可以是紧密滑动配合。

对准腔可以围绕对准突起接合，优选地对于接合部分轴向接合长度，工具被构造成产生信号或读出值，对准腔和对准突起之间的配合确保工具基本上与紧固件对准，以减少或基本上消除信号或读出值的变化，该变化与例如通过绕垂直于紧固件主轴的轴旋转工具关联。

紧固件和工具可包括可共同操作的特征，以限制工具相对于紧固件的旋转。例如，紧固件和工具可以包括确保工具相对于紧固件基本一致的旋转位置的特征，使得当工具被构造成产生信号或读出值时，信号或读出值的变化(例如，与绕紧固件主轴旋转工具关联)被减小或基本消除。

紧固件的对准突起接合部分的接合宽度和工具的对准腔的宽度上的两点公差范围可各自具有包络要求说明符(specifier)，以确保角度，线性和同心度变化不超过由对应于对准腔和对准突起之间配合的两点公差范围限定的包络。

本发明的一种或多种形式可提供一种检查紧固件上负载的方法，该测量工具可以被构造为产生对应于所述负载的信号或读出。该方法可包括将工具接合到紧固件上，使得对准腔以一定的接合长度接合在对准突起上，配合和接合长度一起确保工具和对准突起基本上对准以减小或基本上消除与旋转工具相关的信号或读数值变化。

本发明的一种或多种形式可以提供用于检查紧固件上的负载的工具，该工具包括：对准腔，其接合对准突起以对准工具；用于接触应变基准的应变基准接触部分，和用于接触参考基准的参考基准接触部分。

工具的对准腔可具有不宽于ISO公差H9的镗孔公差以对准工具。或者，对准腔可以具有不宽于ISO公差H8、或不宽于ISO公差H7、或不宽于ISO公差H6的镗孔公差以对准工具。

该工具还可包括：可变形部分和应变仪；应变基准接触部分和参考基准接触部分，分别从可变形部分延伸远离并可相对于彼此移动，以同时接合相应的应变基准或参考基准；可变形部分被设置成通过相对运动而变形；并且应变仪被设置成提供变形指示。可变形部分可以是隔膜。

工具的对准腔可以具有接合宽度和接合长度，对准腔的接合长度是接合宽度的至少0.9倍，或对于非圆形外轮廓，至少等于对准腔截面面积的平方根。或者，对准腔的接合长度可以是接合宽度的至少1.8倍，或对于非圆形外轮廓，至少等于对准腔截面面积平方根的两倍。

该工具还可包括用于将工具保持在紧固件上的保持部分。或者或额外地，工具还可包括用于相对于保持部分偏置基准接触部分之一的偏压装置(bias)。

通过参考示出本发明优选方面的附图进一步描述本发明将是方便的。本发明的其他实施例也是可能的，因此附图的特殊性不应理解为优先于本发明的前述描述的一般性。

附图说明

附图中：

图1是现有技术螺栓和测量工具的截面视图。

图2是现有技术螺栓和测量工具之间对准的截面视图。

图3是根据本发明的实施例的螺栓和测量工具的截面视图。

图4是图3中螺栓的截面视图。

图5是图3中测量工具的截面视图。

图6是根据本发明的替代实施例的测量工具的截面视图。

图7是根据本发明实施例的图5中测量工具和替代螺栓的截面视图。

图8是图7中螺栓的截面视图。

图9是根据本发明实施例的图5中测量工具和替代螺栓的截面视图。

图10是图9中螺栓的截面视图。

图11是体现本发明形式的螺栓和测量工具的截面视图。

图12是根据本发明另一实施例的螺栓的截面视图。

图13是图11中测量工具的截面视图。

具体实施方式

图3示出了螺栓负载测量装置31，其包括具有螺母2和螺母3的螺栓4，螺母2和3限定螺栓的第一负载接收部分5和第二负载接收部分6，在它们之间是可应变部分7。螺栓负载测量装置31也包括通过信号线50连接到负载监测系统和/或力显示设备51的测量工具40。图4仅示出了图3中的螺栓，为清楚起见省略了测量工具；图5示出了图3中的测量工具，为清楚起见省略了螺栓。在图3和4中，参考销钉10固定到孔11的根部或与孔11的根部成一体，该销钉例如通过电火花腐蚀环形孔11或通过钻孔11并将参考销钉10焊接到孔的根部12而形成。镗孔22的肩部23限定了位于螺栓4的可应变部分7内的可应变部分基准肩部。应变基准套筒32优选通过焊接固定到可应变部分基准肩部23，并且在外端具有应变基准表面16。应变基准套筒32具有孔33，以允许其绕过参考销钉10通过，参考销钉10进而延伸到应变基准套筒的端部。参考基准15位于参考销钉10的外端，且应变基准16位于应变基准套筒32的外端。

应变基准套筒的外端还包括对准突起34，在图3中，测量工具40在该对准突起34上接合。在螺栓4的主体的端部与对准突起之间留有间隙(gap)35，以确保在螺栓的正常操作下(例如在螺栓的应变或额定负载范围内)，对准突起不会干扰螺栓4的主体。对准突起优选是圆柱形的，以便有效且精确地加工突起34的宽度38(例如，用于圆柱形对准突起的外径表面36)，因为突起34和工具40之间的配合对于实现对准精确性是必要的，对准精确性是为了精确的基准相对位置测量精度以及因此精确的负载测量。接合表面36的端部之间的长度是测量工具40和对准突起34之间的最大可能接合长度37。接合宽度基本垂直于参考销钉10或螺栓4的主轴17，且接合长度是轴向的，即基本上与参考销钉10或螺栓4的主轴17对准。基本上，接合接触位于接合长度37任一端的点处，且因此对准突起的中心部分可以是变细的或以其它方式缺席。为了使测量工具40的对准足够精确，接合长度37需要是接合宽度38的至少0.9倍(即，对准突起的宽度或直径的0.9倍)，这大约相当于说接合长度37需要至少等于由对准突起34的外表面36限定的截面面积的平方根。优选，接合长度37是由对准突起34的外表面36限定的截面面积的平方根的至少1.5倍，或接合宽度38的1.5倍。为了进一步提高精确性，接合长度37优选为由对准突起34的外表面36限定的截面面积的至少2倍、2.5倍或甚至3倍(或接合宽度38的2、2.5或甚至3倍)。

为了限制参考基准和应变基准之间的轴向距离测量的变化，如果测量工具的旋转位置没有固定或以其他方式标记到共同位置，则轴向跳出(run out of)参考基准和应变基准表面优选是与参考销钉10的功能长度(或第一部分)39成比例确定的最大量值，其在螺栓的可应变部分内。参考销钉为螺栓4的可应变部分7的无应变长度提供参考长度，更具体地，为位于参考销钉10的根部12与可应变部分基准肩部23之间的可应变部分的长度39，例如参考销钉的功能长度39是参考销钉的第一部分，其长度与当螺栓未承受负载时参考销钉的根部12与可应变部分基准肩部23之间的距离相同。参考销钉的其余部分基本上仅提供从参考销钉上的点到参考销钉10外端上的参考基准15的刚性延伸，其中参考销钉上的点与可应变部分基准肩部23共面，以非常相同的方式，应变基准套筒32提供从可应变部分基准肩部到应变基准套筒外端上的应变基准表面16的刚性延伸。理想地，参考基准表面15和应变基准表面16的轴向跳出分别小于参考销钉10的功能长度39的百分之一(1/100)。这相应于两个基准表面之间的高点之间理想的最大轴向距离的十倍，并被提供来保持基准表面在相对于参考销钉10的理想垂直度公差范围内，以在工具相对于对准突起的旋转位置不受限制时，最小化工具40对于相对基准位置测量的变化。或者，可以使用旋转位置特征(未示出，但是诸如一个零件上的键槽和另一个零件上的键)来固定测量工具相对于螺栓或对准突起的旋转位置，以确保测量在每个基准表面上的一致点之间。

类似地，如果参考基准和应变数据在指定负载下基本上是共面的，那么通常在零负载下，基准表面可以被研磨或以其他方式加工成基本上共面，然后测量参考基准和应变基准之间的轴向距离将给出它们的相对位移，该位移与螺母2和螺母3之间的螺栓上的负载成正比。为了在这种情况下获得有用的精确负载指示，基本共面的基准表面的公差需要在参考基准15上的高点(测量工具40将接触)和应变基准16上的高点之间的轴间距离小于参考销钉10的功能长度39的千分之一(1/1000)。优选，参考基准表面15上的高点和应变基准16上的高点之间的轴向距离的最大公差小于参考销钉10的功能长度39的两千分之一(1/2000)，并且为了更精确的负载测量，优选小于参考销钉10的功能长度39的四千分之一(1/4000)。

为了确保测量工具和螺栓之间的角度错位在可接受的范围内以防止图1中所示的误差，对准突起34的接合表面36与参考销钉10之间的总径向跳出理想地要小于预定函数，该函数包括应变基准接触板44的应变基准接触表面51的外部宽度或外径54，这可以在图5中看到。预定函数优选地是接合长度37(例如，L37)和参考销钉10的功能长度39(例如L39)的乘积除以500和应变基准接触板44的应变基准接触表面的外径54(例如L54)乘积，即：

为了保持工具和螺栓之间的所需角度对准，优选确保测量工具40的主体41中的对准腔的接合镗孔42与对准突起34的接合表面36之间的配合最宽松是运行配合，例如美国国家标准协会(ANSI)级RC6配合，其对于接合镗孔要求H9公差且对于对准突起接合宽度要求e8公差。为了提高测量结果的精确性和可靠性，例如可以将结合镗孔公差从国际标准化组织(ISO)松散运行配合提高到自由运行配合、易运行配合、滑动配合或甚至紧密间隙配合。虽然这些配合通常被指定为成对的两点公差，即它们不指定对准腔43的接合镗孔42或对准突起34的接合宽度38的线性(或相反的波度)，对每个公差使用包络要求说明符可以确保对准突起和测量工具之间的配合足够线性。例如，对准腔的公差可以指定为其根据关于ISO公差H9的孔的ISO 8015指定包络要求，即使用包络要求说明符或符号要求空腔的镗孔沿其长度在H9公差窗口内，这增加基本H9公差的孔中不明确存在的线性度要求。

在图5中更详细地示出了测量工具40，其中可以更清楚地看到传感元件。此外，对准腔43清晰可见，螺栓的对准突起不存在。对准腔43的宽度或直径由接合镗孔42形成。当测量工具不在螺栓上时，球45不会使隔膜46偏转。但是，在使用中，球45接触紧固件或螺栓上参考基准，并接触和偏转隔膜，当螺栓处于零负载时，隔膜偏转最大。在使用中，应变基准接触板44上的应变基准接触表面53被螺旋弹簧48加载接触螺栓(图3和图4中的16)上的应变基准。应变基准接触板44固定到(在该示例中被拧入)托架47，将隔膜46保持在适当位置。托架47由螺旋弹簧48弹簧加载，以确保在使用中，应变基准接触板44与紧固件或螺栓上的应变基准之间的接触是正的但不是太强力，太强力会使测量失真。托架47在测量工具40的主体41内的配合公差需要足够小以限制承载基准接触元件44和46的托架47间错位，因此例如紧密滑动配合。应变仪49测量隔膜的应变，该应变涉及隔膜46和球45的偏转，应变仪通过信号线50连接到负载监测系统和/或力显示设备(如图3所示)。

图5中的托架47的有限长度要求托架47与测量工具40的主体41之间的紧密公差配合。为了允许托架47和主体41之间更松散的滑动配合，增加托架的长度将是有益的。这将增加图5中测量工具的长度。然而，图6示出了具有相同的应变基准接触板44的替代测量工具40。在该测量工具中，托架已被分成对准套筒部分55和弹簧定位部分56。现在，对准工具40的结合镗孔42由托架的对准套筒部分形成，并具有主轴57。这种装置通过减小对测量工具的接合镗孔42的主轴57与图3和图4中螺栓的参考销钉10的主轴17之间的任何错位有贡献的公差，而减小螺栓基准表面和工具测量表面之间的公差累积(stack up)，并允许测量工具40的长度减小。螺旋弹簧可以用诸如波形弹簧的较短弹簧代替，或者弹簧可以围绕应变基准接触板的外侧重新定位，以进一步减小测量工具40的长度。

图7示出了在紧固件或螺栓4的替代构造上的相同测量工具40。除了图7中的对准突起34现在是螺栓4的主体的一部分而不是应变基准套筒32的一部分之外，接触型螺栓负载测量装置31以与图3中所示相同的原理操作。因此，应变基准16不再是对准突起的一部分，但仍然位于应变基准套筒32的外端，且测量工具40的应变基准接触板44不接触对准突起34，但仍然接触应变基准16(在图5的描述中讨论的应变基准接触表面53处)。如图7和8所示的对准突起34的接合宽度38和长度37需要与图3和4的对准突起所讨论的相同的配合、公差与关系。测量工具40的主体41和螺栓4之间的轴向间隙35的存在确保工具不会在螺栓4的主体上向下伸出，而是在对准突起34的外端上，因此弹簧加载的托架47可以施加应变基准接触板44的所需负载到应变基准上，如关于图5的讨论。

在图3至图13中的任何装置中，螺栓4和测量工具40可包括保持装置，因此测量工具在螺栓上的正确轴向位置可由测量工具轴向定位装置确定(未示出)。该测量工具轴向定位装置可包括在一个零件上的弹簧夹和在另一个零件上的通道，以将测量工具40偏置或保持在相对于螺栓4的固定轴向位置。或者，可提供带螺纹部件允许工具被拧到螺栓上以确保工具轴向保持在螺栓上。或者，测量工具轴向定位装置可以包括滚珠轴承，滚珠轴承跟随凹槽(slot)以提供旋转位置，并且一个或多个滚珠轴承可以具有制动杯，以在就位时提供轴向偏置以将测量工具保持在螺栓上。

图9示出了图5中相同测量工具40在紧固件或螺栓4的另一替代构造上。接触型螺栓负载测量装置31以与图3和图7中所示相同的原理操作。但在这种情形中，对准突起34现在是螺栓4的主体的一部分，并且包括应变基准表面16，并且没有应变基准套筒。因此，参考销钉10的功能长度39现在是从参考销钉10的根部12到可应变部分7与第一负载接收部分4之间的边界的轴向距离。从可应变部分7和第一负载接收部分4之间的边界到参考基准表面15之间参考销钉的剩余部分用于将参考销钉从功能长度的端部延伸到易于接近的外表面(基准基准表面15)。类似地，与参考销钉功能长度可有效比较的可应变部分的功能长度在与功能长度39处于相同的轴向区域，该区域从用于参考销钉10的孔11的根部12到可应变部分7和第一负载接收部分4之间的边界。因此，虽然螺母2的轴向位置可在柱螺栓4上变化，但这将改变参考销钉10的功能长度39和与考销钉功能长度可有效比较的可应变部分的功能长度，这两者都在同一意义上同时变化。因此，从参考基准15和应变基准16的相对位移计算的应变误差虽然大于图3和图7的构造中的误差，但在某些应用中仍然可以接受并且仍然更小，并且提供比大多数现有紧固件负载测量装置的可重复性更高的测量，除了本申请人的在先国际专利申请公开中公开的装置。

图9和图10中所示的对准突起34的接合宽度38和长度37再次需要与图3和图4中对准突起所讨论的相同的配合、公差和关系。

图10中所示的图9中的螺栓比图2、图3、图4、图6和图7中的螺栓制造更简单，不需要制造应变基准套筒或者在螺栓中形成镗孔以接收它。可以钻孔11，然后将参考销钉10焊接或以其他方式固定到孔11的根部12上，或者可以通过电火花腐蚀切割环形孔11，例如用于从螺栓材料形成参考销钉。例如，研磨对准突起的末端允许对将成为应变基准和参考基准的表面进行非常精确的抛光，然后可以通过火花腐蚀环形孔11来形成参考销钉10。例如，这意味着参考基准和应变基准加工在一起以最小化轴向跳出中的相对误差。

图11示出了替代的测量工具40和另一替代螺栓4，螺栓4是六角头螺栓而不是柱螺栓。因此，螺栓4的第一负载接收部分5现在位于螺栓头61内。参考销钉10，应变基准套筒32和对准突起34的构造与图7和8中的相同。在图11中，螺栓上的螺纹62继续穿过大部分可应变部分7并围绕参考销钉10的功能长度或第一部分。然而，这不是必需的，因为螺母3并非旨在拧过大部分可应变部分7。所以螺栓可以具有较长的无螺纹杆63，如图12所示。

图11中的螺栓4和测量工具40还包括保持装置70，用于提供测量工具40相对于螺栓上的对准突起34的轴向和/或旋转位置。所示的保持装置是制动球型，球73位于测量工具40中的径向孔74中并且通过凹槽75中的弹簧夹向内弹性偏置。当测量工具40插入到对准突起34上时，制动球73进入在对准突起中形成的凹槽或通道71，这提供了轴向定位功能。凹槽或通道71有效地形成测量工具轴向定位装置的保持部分。然后可以旋转测量工具，直到球与对准突起中的制动杯72接合，从而提供旋转和轴向位置。图12中的保护帽64还包括弹性制动球73，以与凹槽或通道71接合从而提供帽的轴向位置。

图12中的螺栓还是六角头螺栓，但是可以使用任何形式的可以抓握的头部，例如方头。不包括应变基准套管的参考销钉10和对准突起34的构造与图9和图10中的相同。所示的覆盖对准突起的保护帽64优选地设置成有助于保护接合表面36、参考基准15和应变基准16免受腐蚀或其他损坏，并防止碎屑进入环形孔11。

图11中的测量工具41在图13中更详细地示出并且类似于图5的测量工具，其中球45(其被设置成接触螺栓和隔膜46上的参考基准)被销钉66取代。类似地，应变基准接触板44具有围绕销钉66的轴向延伸的管状部分或套管67。形成接合孔42的对准腔43被提供以确保工具40的对准在如上所述的理想公差内。诸如隔膜46、托架47、弹簧48和应变仪49的其余元件以与上述相同的方式操作。如图5所示，当测量工具40未与螺栓接合时，弹簧48推动托架47轴向接触工具的主体41。销钉66不会偏转隔膜，或者至少不会像测量工具在使用时偏转那样多。套管67和销钉66与接合镗孔42的任何错位都增加了对准突起34的外表面36、测量工具40的接合镗孔42和参考销钉主轴(图11和图12中的17)之间的任何错位。因此，套筒67在测量工具主体41内的配合以及套筒67与主体41接合的长度都影响参考基准表面15和应变基准表面16与测量工具表面之间的总公差带，测量工具表面接触这些基准，例如球45的表面和板44上的应变基准接触表面。

图3、图4、图7、图8和图11的应变基准套筒有效地将图2的应变基准表面从可应变部分内部延伸到螺栓的外端，这虽然不如图2所示的现有技术装置那样精确，但仍然优于在可应变部分和应变基准16之间包括螺栓4的第一负载接收部分5以实现精确的负载测量，如图1和图9、图10和图12所示。然而，图9至图12中的对准突起特征仍然使它们优于图1以实现可靠的负载测量。图3、图4和图7至12中的对准突起特征提供测量工具40与螺栓上参考基准表面15和应变基准表面16之间的径向和角度对准。径向对准有助于确保测量表面和工具的同心度。角度对准有助于确保测量工具垂直于测量表面。与测量小跳出公差和基准表面结合，角度校准大大提高了测量的可重复性。这进而提高了测量结果的可重复性，即螺栓负载测量的精确度。当螺栓未加载时，有助于确保参考基准表面15和应变基准表面16基本上共面的小跳出公差也可以消除对每个螺栓的初始长度测量的需要，为所有螺栓保持初始长度测量的记录，并当考虑应变测量和计算螺栓负载时，为特定螺栓参考初始长度测量。

Claims (27)

1.一种紧固件，其包括：

第一负载接收部分和第二负载接收部分；

所述第一负载接收部分和第二负载接收部分之间的可应变部分；

测量端，其包括对准突起并在外端具有应变基准；

空腔，其从所述紧固件的测量端延伸(从应变基准，通过对准突起并进入可变形部分)，所述空腔包括位于所述紧固件的可应变部分内的参考销钉根肩部；

参考销钉，其具有根端和参考端，所述参考销钉的根端固定到所述空腔中参考销钉根肩部，所述参考销钉的参考端包括参考基准，

其中，所述对准突起具有接合部分，该接合部分具有垂直于接合部分轴向长度的接合宽度，所述接合部分的轴向长度是所述接合宽度的至少0.9倍，或对于非圆形外轮廓至少等于截面面积的平方根。

2.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述对准突起与所述紧固件的测量端成一体。

3.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述空腔还包括位于所述紧固件的可应变部分内的可应变部分基准肩部，所述紧固件还包括：

应变基准套筒，其具有可应变部分基准肩部接触端和应变基准端，所述应变基准端包括所述对准突起和所述应变基准。

4.一种紧固件，其包括：

第一负载接收部分和第二负载接收部分；

所述第一负载接收部分和第二负载接收部分之间的可应变部分；

测量端，其包括对准突起；

空腔，其从所述紧固件的测量端延伸，所述空腔包括参考销钉根肩部和应变部分基准肩部，参考销钉根肩部和应变部分基准肩部位于所述紧固件可应变部分内；

参考销钉，其具有根端和参考端，所述参考销钉的根端固定到所述空腔中参考销钉根肩部，所述参考销钉的参考端包括参考基准，

应变基准套筒，具有可应变部分基准肩部接触端和应变基准端，所述应变基准端包括应变基准，

其中，所述对准突起具有接合部分，该接合部分具有垂直于接合部分轴向长度的接合宽度，所述接合部分的轴向长度是所述接合宽度的至少0.9倍，或对于非圆形外轮廓至少等于截面面积的平方根。

5.根据权利要求1或4所述的紧固件，其中所述对准突起包括外接合表面以接合测量工具。

6.根据权利要求1或4所述的紧固件，其中所述参考销钉包括在所述参考销钉的根端和所述可应变部分与所述负载接收部分之间朝向所述紧固件测量端的边界之间的第一部分，

所述参考销钉包括在所述参考销钉的第一部分和参考端之间的第二部分。

7.根据权利要求6所述的紧固件，其中当所述紧固件未被加载时，从所述参考基准的最高点到所述应变基准的最高点的轴向距离小于所述参考销钉的第一部分的轴向长度的1/1000。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件，其中所述对准突起被构造成在至少两个位置处接合测量工具，这两个位置被轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度至少等于由在所述至少两个位置处外轮廓包围的横向截面面积的平方根。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件，其中所述对准突起的所述接合部分的轴向长度是所述接合宽度的至少1.5倍，并且所述对准突起被构造成在至少两个位置处接合测量工具，这两个位置被轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度至少等于由在所述至少两个位置处外轮廓包围的截面面积的平方根的1.5倍。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件，其中所述对准突起的所述接合部分的轴向长度是所述接合宽度的至少2倍，并且所述对准突起被构造成在至少两个位置处接合测量工具，这两个位置被轴向间隔长度间隔开，所述轴向间隔长度至少等于由在所述至少两个位置处外轮廓包围的横向截面面积的平方根的2倍。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件，其中所述对准突起的接合宽度具有不宽于ISO c11的公差。

12.根据权利要求1至4或权利要求11中任一项所述的紧固件，其中所述对准突起的接合宽度具有不宽于ISO h6的公差。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件，其中所述紧固件包括用于将工具或保护帽保持在所述对准突起上的保持部分。

14.一种系统，其包括根据权利要求1或4所述的紧固件和测量工具，所述测量工具包括用于接收所述对准突起的对准腔，

所述对准腔和对准突起之间的配合处于最宽松的运行配合。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述对准腔围绕所述对准突起接合，

该工具被构造成产生信号或读出值，

所述对准腔和对准突起之间的配合确保工具与所述紧固件基本对准，以减少或基本上消除所述信号或读出值的变化。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述紧固件和所述工具包括可共同操作以限制所述工具相对于所述紧固件的旋转的特征。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述紧固件的对准突起接合部分的接合宽度和工具的对准腔宽度上的两点公差范围每个都具有包络要求说明符，以确保角度，线性和同心度变化不超过相应于所述对准腔和对准突起之间的配合的两点公差范围限定的包络。

18.一种检查根据权利要求14所述的紧固件上负载的方法，所述测量工具被构造成产生相应于所述负载的信号或读出，所述方法包括将所述工具接合到所述紧固件上，使得所述对准腔在接合长度上接合对准突起，配合和接合长度一起确保工具和对准突起基本上对准，以减小或基本上消除与旋转所述工具关联的信号或读出值的变化。

19.一种用于检查权利要求1或4所述的紧固件上的负载的工具，所述工具包括：

对准腔，用于接合对准突起以对准所述工具，

应变基准接触部分，其用于接触所述应变基准和参考基准接触部分以便接触参考基准。

20.根据权利要求19所述的工具，其中所述对准腔具有不宽于ISO H9的镗孔公差以对准所述工具。

21.根据权利要求19或20所述的工具，其中所述对准腔具有不宽于ISO H6的镗孔公差以对准所述工具。

22.根据权利要求19所述的工具，所述工具还包括可变形部分和应变仪，

所述应变基准接触部分和所述参考基准接触部分分别从所述可变形部分延伸远离并可相对于彼此移动，以同时接合相应的应变基准或参考基准，

所述可变形部分被设置成通过相对运动而变形；并且

所述应变仪被设置成提供所述变形指示。

23.根据权利要求22所述的工具，其中所述可变形部分是隔膜。

24.根据权利要求19所述的工具，其中所述对准腔具有接合宽度和接合长度，

所述对准腔的接合长度是接合宽度的至少0.9倍，或对于非圆形外轮廓至少等于所述对准腔的截面面积的平方根。

25.根据权利要求19或24所述的工具，其中所述对准腔具有结合宽度和结合长度，

所述对准腔的接合长度是接合宽度的至少1.8倍，或对于非圆形外轮廓至少等于所述对准腔的截面面积的平方根的两倍。

26.根据权利要求19所述的工具，还包括用于将所述工具保持在所述紧固件上的保持部分。

27.根据权利要求19所述的工具，还包括用于相对所述保持部分偏置所述基准接触部分之一的偏置。