CN109195750A - 通过脉冲式紧固估算夹紧力 - Google Patents

Abstract

一种通过至少一个扭矩脉冲序列估算在紧固螺纹接合时获得的夹紧力的方法，所述方法包括以下步骤：施加第一扭矩脉冲，以使螺纹接合向紧固方向转动，测量通过所述第一扭矩脉冲获得的扭矩水平，施加第二扭矩脉冲，以使螺纹接合向松脱方向转动，测量通过所述第二扭矩脉冲获得的扭矩水平，计算通过所述第一扭矩脉冲获得的扭矩水平与通过所述第二扭矩脉冲获得的扭矩水平之间的差值，其中，通过所述获得的扭矩水平之间的差值估算所获得的夹紧力。

Description

通过脉冲式紧固估算夹紧力

技术领域

本发明涉及在螺纹接合紧固过程中达到的夹紧力的估算方法。具体地，本发明涉及通过脉冲启动的动力扳手进行的螺纹接合紧固过程中的夹紧力的估算方法。

背景技术

通常，在紧固螺纹接合时，难以测量或甚至计算紧固过程所达到的夹紧力。最简单而不复杂的测量紧固结果的方式是表示出所施加的扭矩，但这与紧固过程的最终且最重要的目的(即达到夹紧力)无关。不确定的因素是螺纹接合中的摩擦力，其导致错误表示紧固的结果，特别是由于摩擦系数远非恒定。

目前，所得到的夹紧力的可靠信息的最安全的获得方式在于使用额外的装置(例如可收缩垫圈、螺纹张力设备或者用于测量通过螺纹接合的超声波行进时间的设备)，但这些方法是耗时和/或昂贵的，不适于装配线操作。不使用额外设备获得夹紧力的信息的另一种方法是紧固螺纹接合直到屈服点，即螺纹接合材料到达其塑性变形区域的紧固水平。对于实际螺纹接合中的材料，材料开始塑性屈服的负载水平是已知的，并且会对应于所获得的夹紧力。不幸地，该方法也取决于摩擦的影响，这意味着螺纹接合受到轴向应变和扭转应变的结合，其影响屈服点的水平。这意味着，不会仅由轴向负载或夹紧力而达到屈服点，夹紧力不完全对应于螺纹接合中的屈服点应变。

然而，有另一种方法来获得在紧固螺纹接合时实际获得的夹紧力的信息，其中消除了螺纹接合中的摩擦抵抗的影响。已知的方法基于消除摩擦影响的过程，并且包括这样的序列：紧固螺纹接合直到某一扭矩水平，随后向螺纹接合施加反向扭矩，从而实现螺纹接合向松脱方向的运动。所施加的紧固扭矩与松脱扭矩的差值表示螺纹接合中的摩擦抵抗的大小，这意味着可以仅通过测量所施加的扭矩并去除由摩擦导致的扭矩抵抗而使螺纹接合紧固至目标预紧水平。

在美国专利5,571,971中已经描述了上述类型的通过施加交替的紧固扭矩和松脱扭矩而计算和估算螺纹接合中获得的夹紧力的方法。根据该现有技术方法，通过连续扭矩输送设备而在螺纹接合上施加交替的紧固扭矩和松脱扭矩；在手持动力扳手的情况下，这导致操作者的不期望而劳累的应力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法，从而无需使用任何额外的先进设备而获得在紧固螺纹接合时实际获得的夹紧力的可靠信息并控制该夹紧力。

本发明的另一个目的是提供一种方法，通过估算过程而获得在紧固螺纹接合时实际获得的夹紧力的可靠信息并控制该夹紧力，其中通过交替的紧固和松脱序列而消除摩擦力的影响。

本发明的又一个目的是提供一种方法，以无需在扭矩输送设备中产生任何剧烈的反作用力而获得螺纹接合中实际获得的夹紧力的可靠信息并控制该夹紧力。

本发明的其它目的和优点将会呈现在如下的说明和权利要求中。

附图说明

下面将参考所附附图对本发明的优选实施方案进行描述。

在附图中：

图1示出了显示根据本发明的扭矩脉冲序列的曲线图。

图2示出了显示根据本发明的一对相继的扭矩脉冲序列的曲线图。

图3示出了显示根据本发明的相继的紧固脉冲和扭矩脉冲序列的曲线图。

具体实施方式

如附图中所示的根据本发明的方法包括不使用额外物理手段(例如可收缩垫圈或者用于张紧螺纹接合或测量超声波行进时间的先进设备)而得到在紧固的螺纹接合中获得的夹紧力的信息的方式。相反，本发明提供的方法中可以使用简单直接设计的动力扳手，即设置有扭矩传感器并通过电流脉冲产生单元控制的电动力扳手。

如前所述，本发明的目标是得到在紧固期间螺纹接合中所获得的夹紧力的信息并控制该夹紧力的简单方法，并且本发明的重要目的是仅通过扭矩测量而得到所获得的夹紧力的信息。然而，这意味着必须消除螺纹接合中的摩擦力的影响，从而所测量并建立的扭矩对应于所获得的夹紧力。通过使用上述公开中描述的现有技术方法的基本原理而实现这一点，其中，测量并计算紧固螺纹接合与松脱螺纹接合之间的扭矩差值。该扭矩差值是由接合中的摩擦抵抗而导致的。然而，根据本发明的改进方法基于在正被紧固的螺纹接合上施加不同的电流脉冲，这意味着过程持续时间以及对操作者的符合人体工学的应变的实质改进。而且在对机械固定设备上施加扭矩传递动力工具或扭矩轴的情况下，所获得的优势在于，由于反作用力减小，对固定设备的坚固程度的要求降低。

根据本发明，在紧固方向以及松脱方向上施加在螺纹接合上的扭矩以扭矩脉冲的形式而施加，其中，基本上通过扭矩脉冲序列而实现所获得的夹紧力的确定，每个扭矩脉冲序列包括螺纹接合的紧固方向上的初始第一扭矩脉冲，随后是松脱方向上的第二扭矩脉冲。测量由紧固方向的脉冲实现的扭矩大小，以及能够在松脱方向实现螺纹接合的微小运动的扭矩大小，由此计算第一脉冲和第二脉冲的扭矩大小之间的大小差值。扭矩大小的该差值对应于螺纹接合中的摩擦抵抗，这意味着可以消除有关摩擦的误差来源，并且可以估算螺纹接合中实际获得的夹紧力。

在图1中，扭矩T和电流I在Y轴上，时间t在X轴上，显示了包括第一扭矩脉冲A和第二扭矩脉冲B的扭矩脉冲序列S，所述第一扭矩脉冲A通过输送到所使用的动力扳手的电动机的大小为I_A的电流脉冲P_A而实现，所述第二扭矩脉冲B通过输送到动力扳手电机的大小为I_B的相反方向电流脉冲P_B而实现。第一扭矩脉冲A达到扭矩大小T_A，而第二扭矩脉冲B具有反向的扭矩大小T_B。记录扭矩大小T_A和T_B，并计算其间的差值。通过该差值，可以估算在第一扭矩脉冲A结束时获得的夹紧力。如图1所示，所述第二扭矩脉冲B通过反向的电流脉冲P_B而实现，其大小I_B比第一脉冲P_A的大小I_A低很多。这意味着第二扭矩脉冲B不会足够大到使螺纹接合完全松脱，而仅实现松脱方向的微小运动。期望螺纹接合仅松脱较短的距离，使得可以测量松脱扭矩T_b。

在图2中，扭矩T和电流I在Y轴上，时间t在X轴上，显示了将螺纹接合紧固至期望的夹紧力的实际方式。该紧固过程包括两个相继的脉冲序列S₁和S₂以及第三个单独的扭矩脉冲A₃，其中，通过扭矩大小为T_A1和T_A2并且由电流脉冲P_B1和P_B2引发的紧固扭矩脉冲A₁和A₂而实现扭矩大小的起始两步提高。在脉冲序列S₁和S₂中，紧固方向的电流脉冲P_A1和P_A2大小相同，但所获得的第一脉冲A₁的扭矩大小T_A1小于第二脉冲A₂的扭矩大小T_A2。计算紧固方向上所获得的扭矩大小T_A1和T_A2以及松脱脉冲B₁和B₂之间的差值，并且估算所获得的夹紧力。由此，施加第三电流脉冲P_A3，使得第三扭矩脉冲A₃达到扭矩大小T_A3，其中通过对前两个脉冲序列S₁和S₂所估算的夹紧力的外推(extrapolation)而计算由此获得的夹紧力。建立所施加的扭矩与所获得的夹紧力之间的相关性，这意味着不需要完全的脉冲序列来确定最终的夹紧力T_A3。

在图3中，扭矩T和电流I在Y轴上，时间t在X轴上，显示了通过根据本发明的脉冲技术紧固螺纹接合的可替代的过程。在该紧固过程中，向螺纹接合中引入由两个相同电流脉冲P_A10和P_A11产生的两个初始扭矩脉冲A₁₀和A₁₁。所产生的扭矩大小逐步增大。在两个初始扭矩脉冲后进行完整的脉冲序列S₁₂，其包括紧固方向上的第一脉冲A₁₂，随后是在螺纹接合松脱方向上产生第二脉冲B₁₂的电流脉冲P_B12。该脉冲序列S₁₂的目的在于建立螺纹接合中的摩擦抵抗，并且能够估算所获得的夹紧力。已知扭矩脉冲A₁₂所获得的扭矩水平T_A12与估算获得的夹紧力之间的相关性，由此再施加两个扭矩脉冲A₁₃和A₁₄，其目标在于达到预定的目标紧固水平，即期望的夹紧力水平。通过对扭矩水平T_A12(其对应于一定的估算夹紧力)外推而实现这一点，并且通过扭矩脉冲A₁₃和A₁₄继续紧固过程，直到在扭矩水平T_A14下获得期望的目标夹紧力。由于已经通过完整的脉冲序列S₁₂而估算并确定了扭矩水平与所获得的夹紧力之间的关系，因此后两个扭矩脉冲后不需要跟随由螺纹接合的松脱方向上的扭矩脉冲。可以仅通过扭矩脉冲A₁₃和A₁₄紧固螺纹接合直到从扭矩水平T_A12外推的扭矩水平而完成紧固过程。

应当注意到，所获得的扭矩水平T_A13小于通过之前的第一扭矩脉冲A₁₂获得的扭矩水平T_A12。然而，这是由于螺纹接合由之前的脉冲序列S₁₂的第二扭矩脉冲B₁₂向松脱方向稍微移动；这意味着扭矩脉冲A₁₃从较低的扭矩水平开始。还应当注意到，引入的所有电流脉冲的大小P_A10至P_A14的电流水平相同，即为I_A。

取决于螺纹接合的类型以及操作状况，紧固过程可以包括不同数量的脉冲序列以及扭矩脉冲。在显示出的示例中，通过两个最终扭矩脉冲A₁₃和A₁₄完成紧固过程，但该脉冲数量本身并不关键，而可以仅是所需要的单一或数个脉冲，以达到紧固目标。

适于执行根据本发明的方法的动力扳手通过经由动力传输装置而联接至输出轴的电动机供能，所述动力传输装置包括用于测量经由输出轴传输的扭矩的大小的扭矩传感器。通过驱动单元控制电机操作，所述驱动单元包括的装置取决于根据本发明的方法的实际实施方案(即需要多少个脉冲序列和/或单独的扭矩脉冲)而传输电流脉冲。但应当注意到的是本发明并不限制于上文所描述的例子，而是可以在权利要求的范围内改变。因此，可以使用具有将电机联接至输出轴的脉冲或冲击机构的动力工具，而非使用具有脉冲传输电机的动力扳手，来实施根据本发明的方法。但是电机和脉冲或冲击机构必须是可反转的，从而也能够在螺纹接合的松脱方向上传输扭矩脉冲。

Claims (5)

1.一种通过扭矩脉冲序列估算在紧固螺纹接合时获得的夹紧力的方法，所述方法包括以下步骤：

·施加第一扭矩脉冲，以使螺纹接合向紧固方向转动，

·测量通过所述第一扭矩脉冲获得的扭矩水平，

·施加第二扭矩脉冲，以使螺纹接合向松脱方向移动，

·测量通过所述第二扭矩脉冲获得的扭矩水平，

·计算通过所述第一扭矩脉冲获得的扭矩水平与通过所述第二扭矩脉冲获得的扭矩水平之间的差值，其中，通过所述获得的扭矩水平之间的差值估算所获得的夹紧力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将预定的目标夹紧力水平与估算的所述夹紧力相比，当估算的所述夹紧力小于所述目标夹紧力水平时，应当以较高的扭矩率连续重复扭矩脉冲序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，螺纹接合紧固过程包括初始阶段，所述初始阶段包括施加若干个相继的第一扭矩脉冲，直到达到一定的扭矩水平，由此在所述第一扭矩脉冲的最后一个之后进行第二扭矩脉冲，以形成能够估算所达到的夹紧力的扭矩脉冲序列，并且通过经由至少一个进一步的脉冲序列对所获得的估算夹紧力进行外推而达到所述目标夹紧力。

4.一种用于实施根据权利要求1至3任一项所述的方法的动力扳手，包括联接至输出轴的电动旋转电机以及连接至所述电机的操作控制装置，所述操作控制装置包括：

·用于向输出轴传输相反方向的扭矩脉冲的装置，以实现包括所述第一扭矩脉冲和第二扭矩脉冲的扭矩脉冲序列；

·用于建立所述第一扭矩脉冲和第二扭矩脉冲所实现的扭矩大小之间的差值的装置；

·用于估算通过所述第一扭矩脉冲获得的夹紧力的装置。

5.根据权利要求5所述的动力扳手，其中，旋转电机为电动机，并且用于传输扭矩脉冲的该装置包括设置为向电机传输电流脉冲的动力控制单元。