CN112945435A - 一种车轮用螺栓轴力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车轮用螺栓轴力测试方法，测试步骤为：(1)把轴力螺栓安装到测试设备或者车辆车桥上；(2)连接应变分析仪与轴力螺栓，启动应变分析仪对轴力螺栓逐个进行测试连接，确认信号是否正常；开启测试设备进行测量；(3)数据的收集，从应变仪中实时读取数据，收集的数据包括：恒定状态的数据、各种变化条件下的数值以及螺栓断裂前极限应力数据。本发明用于新开发车辆路试中的数据收集，分析出整个道路循环中各种路段车轮螺栓受力状态，为车辆开发提供可靠参考数据，也可以嵌入到汽车系统中，用于日常车辆行驶中监控，在日常行车中实时监控螺栓力值，及时出现报警，提升安全性能，为客户提供更加安全的行车保障。

Description

一种车轮用螺栓轴力测试方法
技术领域
本发明属于车轮性能测试设备，涉及传感器及无线传输技术，尤其是一种车轮用螺栓轴力测试方法。
背景技术
螺栓作为常用的紧固件，在航空航天、轨道交通、国防、电力等领域中应用十分广泛。螺栓作为连接零件，在受到外界拉压力以及安装时螺栓受到预紧力,如果控制不当或偶然过载会导致连接失效。在航天、汽车等一些关键领域，这种事故造成的生命财产损失是巨大的。因此，直接准确的监测与控制螺栓的轴向应力，以保证其工作的安全性与可靠性，具有重大的意义。
螺栓轴向力虽然存在通用计算方法得到粗略的螺栓轴向力，但由于螺栓在安装过程中所受影响因素比较多，计算值存在一定的误差。对相应扭矩下的螺栓轴向力进行测试可以直接得到螺栓此时的应力值，对轴向力进行监控可以提前监测到异常，及时更换新螺栓等方式进行处理，避免损失。
经过检索，未发现已公开本领域相近技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种车轮用螺栓轴力测试方法，设计科学合理、结构简单、运行稳定可靠、快速高效。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：测试步骤为：
(1)制作轴力螺栓，把轴力螺栓安装到测试设备或者车辆车桥上，然后安装车轮，采用车辆要求的紧固力矩的10％对所有螺栓进行预紧固，然后依次紧固到车辆要求的力矩值；
(2)连接应变分析仪与轴力螺栓，连接无线传输或者滑环部分，启动应变分析仪对轴力螺栓逐个进行测试连接，确认信号是否正常，确认无误后手动缓慢试运行查看设备状态，确认全部正常；开启测试设备进行测量；
(3)数据的收集，从应变仪中实时读取数据，收集的数据包括：恒定状态的数据、各种变化条件下的数值以及螺栓断裂前极限应力数据。
而且，本测试方法采用的测试系统，包括应变分析仪以及多个轴力螺栓，应变分析仪通过无线传输或滑环方式连接多个轴力螺栓，每个轴力螺栓内均安装有应变计，多个轴力螺栓分别安装在车轮连接位置。
而且，应变分析仪包括处理器、存储器、显示器、报警器、数据接收器以及输入模块，处理器连接有数据接收器，数据接收器通过无线传输或滑环连接轴力螺栓；
处理器分别连接有显示器、报警器、存储器以及输入模块，处理器与数据接收器之间安装有数模转换模块，处理器与显示器之间安装有数模转换模块，处理器与报警器之间安装有数模转换模块，输入模块外接键盘；处理器还连接有电源；
数据接收器用于采集轴力螺栓电阻值数据状况；
显示器用于显示轴力螺栓电阻值数据；
报警器用于提醒螺栓断裂风险；
输入模块用于录入预设参数及显示设置。
而且，轴力螺栓包括螺栓主体、应变计以及胶水固化物，螺栓主体由上、下同轴的螺帽和螺杆组成，在螺帽顶部中心同轴制有盲孔，盲孔中心同轴安装应变计，盲孔内填充有胶水固化物固定应变计位置并且形成应变计的绝缘保护，应变计顶端延伸至螺栓主体外侧，用于连接检测线。
而且，应变计采用端子插接形式连接检测线或应变电桥无线数据发射器。
而且，在顶帽顶端安装有顶部封层，应变计顶端引出顶部封层，螺帽顶端其余部分有顶部封层密封覆盖。
而且，盲孔直径为φ2mm-φ2.1，应变计传感器选择φ1.9mm或者低于φ2mm。
而且，轴力螺栓的制作方法：
(1)选择车轮匹配的螺栓，在螺栓顶部打孔，选择φ2mm-φ2.1的钻头，孔壁需要有一定的粗糙度；对螺栓采用超声波进行清洗，多次清洗到目视无杂质为止，然后使用高低温试验箱进行烘干；
考虑螺栓强度原因，应变计传感器选择φ1.9mm应变仪传感器或者低于φ2mm，不限定品牌，选择应力测试仪包含的规格；
将待用的应变计进行外观检查和阻值测量，外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行，目的在于观察敏感栅有无锈斑、缺陷，是否排列整齐，基底和覆盖层有无损坏，引线是否完好；测量四分之一桥测量电阻，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选，同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同；
(2)根据螺栓使用部位决定应变计粘贴的深度，保证应变计敏感栅的中心位置在螺栓受力的中心，同时在应变计上进行标记，方便粘贴时进行深度定位，保证同批次制作完成的轴力螺栓一致性；
(3)用注射器吸取配置好的胶水，注意根据胶水粘稠度选择注射器针头的粗细，先加注胶水到孔的底部，一边加注一边往外移动，保证胶水及时的补充空余部位，待孔内全部是胶水后，压入应变计传感器，应变传感器占用体积排除的胶水为顶部封闭使用；放入深度为应变计标记位置；
(4)胶水粘结剂初步固化后，进行测量线的焊接工作，焊点确保无虚焊，测量线与试件绑扎固定，测量线两端根据测点的编号作标记；
(5)贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量，测量电阻值检查有无断路、回路，绝缘电阻是最重要的受检指标，绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低；
(6)对传感器进行校准，根据螺栓规格制作对应夹具，让螺栓自由受力，校准设备采用拉伸试验机进行，得出校准系数及评价线性关系，轴力螺栓制作完成。
而且，所述轴力螺栓垂直放置，将轴力螺栓放入真空设备中进行抽真空，以便排除胶水中的空气。
而且，测量线焊接中，动态测量使用三芯或四芯屏蔽电缆作导线，应变计和测量线间的连接通过接线端子。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明可以用于新开发车辆路试中的数据收集，分析出整个道路循环中各种路段车轮螺栓受力状态，为车辆开发提供可靠参考数据，避免重大安全事故。
2、本发明可以嵌入到汽车系统中，用于日常车辆行驶中监控，在日常行车中实时监控螺栓力值，出现一个螺栓异常断裂时能及时出现报警，提升安全性能，为客户提供更加安全的行车保障。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2是轴力螺栓剖面结构示意图；
图3是传感器校准曲线示意图；
图4为测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种车轮用螺栓轴力测试方法，测试步骤为：
(1)把轴力螺栓安装到测试设备或者车辆车桥上，注意需要使用车轮匹配的螺栓或者螺母，保证其匹配性。
安装车轮，采用车辆要求的紧固力矩的10％对所有螺栓进行预紧固，然后依次紧固到车辆要求的力矩值。安装过程中注意线路不能折断挤压。
(2)连接应变分析仪与轴力螺栓，连接无线传输或者滑环部分，需要注意线路的对应性，启动应变分析仪对轴力螺栓逐个进行测试连接，确认信号是否正常，确认无误后手动缓慢试运行查看设备状态，确认全部正常；开启测试设备进行测量，采用无线传输的设备需要保证距离在范围内，保证信号强度足够，具体可以查看应变仪说明书。
(3)数据的收集，从应变仪中实时读取数据，不仅可以收集恒定状态的数据，也可以收集各种变化条件下的数值，还可以收集螺栓断裂前极限应力数据。
本测试方法采用的测试系统，包括应变分析仪以及多个轴力螺栓，应变分析仪通过无线传输方式连接多个轴力螺栓，每个轴力螺栓内均安装有应变计，多个轴力螺栓分别安装在车轮等连接位置。
应变分析仪也可以采购现有设备实现测试需要的功能，如德国KMT旋转遥测轮CT4/8型、Universal-Telemetrie wasserdicht RTM W8.W4以及Series 320Multi-ChannelDigital Telemetry System。
参见附图1所示，应变分析仪包括处理器、存储器、显示器、报警器、数据接收器以及输入模块，处理器连接有数据接收器，数据接收器通过无线传输或滑环连接轴力螺栓；
处理器分别连接有显示器、报警器、存储器以及输入模块，处理器与数据接收器之间安装有数模转换模块，处理器与显示器之间安装有数模转换模块，处理器与报警器之间安装有数模转换模块，输入模块外接键盘；处理器还连接有电源。
数据接收器用于采集轴力螺栓电阻值数据状况；
显示器用于显示轴力螺栓电阻值数据；
报警器用于提醒螺栓断裂风险；
输入模块用于录入预设参数及显示设置等。
测试数据值与报警值
序号 扭矩(N·m) 轴力(N) 下限值报警(20％) 上限值报警(20％)
1 140.0 21381 17104.8 25657.2
2 140.1 20969 16775.2 25162.8
3 141.4 21068 16854.4 25281.6
4 140.9 21330 17064 25596
5 140.2 21379 17103.2 25654.8
6 144.8 23331 18664.8 27997.2
1 142.2 21753 17402.4 26103.6
2 143.8 21356 17084.8 25627.2
3 140.3 21041 16832.8 25249.2
4 143.4 20832 16665.6 24998.4
5 140.3 20630 16504 24756
6 140.1 21492 17193.6 25790.4
参见附图2所示，轴力螺栓包括螺栓主体3、应变计1以及胶水固化物4，螺栓主体3由上、下同轴的螺帽和螺杆组成，在螺帽顶部中心同轴制有盲孔，盲孔中心同轴安装应变计1，盲孔内填充有胶水固化物4固定应变计位置并且形成应变计的绝缘保护，应变计顶端延伸至螺栓主体外侧，用于连接检测线。
应变计采用端子插接形式连接检测线或应变电桥无线数据发射器。
在顶帽顶端安装有顶部封层2，应变计顶端引出顶部封层，螺帽顶端其余部分有顶部封层密封覆盖。
孔底端5的深度根据螺栓使用位置确定，同时在应变计上进行标记，方便制作时进行深度定位；盲孔直径为φ2mm-φ2.1，应变计传感器选择φ1.9mm或者低于φ2mm。
市场上轿车车轮螺栓直径基本分为M12、M14、M16、M18、M20等五种种类,而螺距又以1.25mm和1.5mm为常用规格，此外还包括螺距1.75mm、2mm、2.5mm等特殊规格。我国乘用车市场中常用螺栓规格一般为M12*1.25、M12*1.5、M14*1.5。
轴力螺栓的组装方法：
(1)选择车轮匹配的螺栓，在螺栓顶部打孔，选择φ2mm-φ2.1的钻头，孔壁需要有一定的粗糙度；对螺栓采用超声波进行清洗，清洗时可以适当加入清洗液，多次清洗到目视无杂质为止，然后使用高低温试验箱进行烘干。考虑螺栓强度原因，应变计传感器选择φ1.9mm应变仪传感器或者低于φ2mm，不限定品牌，选择应力测试仪包含的规格。将待用的应变计进行外观检查和阻值测量。外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行，目的在于观察敏感栅有无锈斑，缺陷，是否排列整齐，基底和覆盖层有无损坏，引线是否完好。测量四分之一桥测量电阻，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选。同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同。
(2)根据螺栓使用部位决定应变计粘贴的深度，保证应变计敏感栅的中心位置在螺栓受力的中心，同时在应变计上进行标记，方便粘贴时进行深度定位，保证同批次制作完成的轴力螺栓一致性。
(3)用注射器吸取配置好的胶水，注意根据胶水粘稠度选择注射器针头的粗细，先加注胶水到孔的底部，一边加注一边往外移动，保证胶水及时的补充空余部位，待孔内全部是胶水后，压入应变计传感器，应变传感器占用体积排除的胶水正好为顶部封闭使用。放入深度为应变计标记位置。将轴力螺栓垂直放置，有条件的可以将轴力螺栓放入真空设备中进行抽真空，以便排除胶水中的空气。
(4)根据胶水的要求进行固化，室温或者高温箱处理。胶水粘结剂初步固化后，即可进行测量线的焊接工作。动态测量使用三芯或四芯屏蔽电缆作导线。应变计和测量线间的连接最好通过接线端子，焊点确保无虚焊。测量线最好与试件绑扎固定，测量线两端根据测点的编号作好标记。
(5)贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量。测量电阻值可以检查有无断路、回路。绝缘电阻是最重要的受检指标。绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低。
(6)对传感器进行校准，根据螺栓规格制作对应夹具，让螺栓自由受力，校准设备可以采用拉伸试验机进行。得出校准系数及评价线性关系，轴力螺栓制作完成。校准曲线如图3所示.
本方法的实现原理，以及实现技术方案可选择的物料：
应变计也就是轴力传感器，原理为当粘贴在结构物体上的应变计感受到结构物体产生变形时，应变计同步进行变形，应变计内部的金属电阻在变形时，电阻产生相应的变化，通过检测电阻的变化而对应变进行测定，进而通过应变计算应力。应变计它主要由4部分组成。①由电阻丝制成的敏感栅，它是应变计的敏感部分；②衬底和保护层：敏感栅粘贴在衬底上，衬底是将传感器弹性元件表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，起绝缘作用；保护层起保护电阻丝的作用；③粘合剂：它将电阻丝与衬底粘贴在一起；④引出线：它起连接测量导线的作用。目前市场上品牌与规格型号繁多，栅长或者面积从几毫米到几十厘米，应变计电阻值：60、120、350、500、1000欧姆等，应变计规格单轴、双轴、三轴、四轴、单轴5片、双轴5片等，根据用途分为水下、耐高温、木材、混凝土、螺栓等。
应变分析仪。应变仪确切名称为电阻应变仪，是利用金属的应变-电阻效应制成的电阻应变仪，测量其电阻变化，间接测量构件所受的应力。电阻应变仪实质上是测量电阻变化，但用应变刻度读数显示，一开始的电阻应变仪一般用指示电表指示或用记录仪记录。随着电子技术的发展，出现了数字式应变仪，它直接用数字显示应变，并发展成可打印记录，可进行多点应变快速测量，对于随时间变化很快的动态应变信号，又发展了数据采集装置和系统，它由计算机进行操作，可进行实时数据采集、传送、储存和处理。目前有无线传输与有线传输，试用于不同的场景，动态测试时需要采用无线传输或者滑环方式。
应变胶粘剂。可以把应变计粘接在试件上，准确传递应变的特种胶粘剂。有较好的粘接性能、一定的线膨胀系数、较低的固化收缩率、不蠕变、无滞后等，品种很多。如使用温度范围比较宽、可在室温固化的环氧型应变胶；在接近绝对零度(-273摄氏度)的超低温下仍有延伸率、在260摄氏度时可连续工作的酚醛-环氧型应变胶；可在-269～+280摄氏度以及核辐照条件下使用，可用于大应变测量的聚酰亚胺应变胶；适用于大应变(即塑性应变)测量，应变范围可达10-15的合成橡胶类应变胶；可用于400摄氏度下高温应变测量，以有机硅加入无机填料为基料的耐高温应变胶；可以瞬间或快速枯合的α-氰基丙烯酸酷应变胶或聚醋应变胶等。各种应变胶根据使用条件。用于制作和粘贴电阻应变片，是各种应力应变测量和传感器制造中的关键材料之一广泛用于机械、航空、化工、原子能、商业等部门的测量、控制和称重工作自动化过程。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：测试步骤为：
(1)制作轴力螺栓，把轴力螺栓安装到测试设备或者车辆车桥上，然后安装车轮，采用车辆要求的紧固力矩的10％对所有螺栓进行预紧固，然后依次紧固到车辆要求的力矩值；
(2)连接应变分析仪与轴力螺栓，连接无线传输或者滑环部分，启动应变分析仪对轴力螺栓逐个进行测试连接，确认信号是否正常，确认无误后手动缓慢试运行查看设备状态，确认全部正常；开启测试设备进行测量；
(3)数据的收集，从应变仪中实时读取数据，收集的数据包括：恒定状态的数据、各种变化条件下的数值以及螺栓断裂前极限应力数据。
2.根据权利要求1所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：本测试方法采用的测试系统，包括应变分析仪以及多个轴力螺栓，应变分析仪通过无线传输或滑环方式连接多个轴力螺栓，每个轴力螺栓内均安装有应变计，多个轴力螺栓分别安装在车轮连接位置。
3.根据权利要求1所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：应变分析仪包括处理器、存储器、显示器、报警器、数据接收器以及输入模块，处理器连接有数据接收器，数据接收器通过无线传输或滑环连接轴力螺栓；
处理器分别连接有显示器、报警器、存储器以及输入模块，处理器与数据接收器之间安装有数模转换模块，处理器与显示器之间安装有数模转换模块，处理器与报警器之间安装有数模转换模块，输入模块外接键盘；处理器还连接有电源；
数据接收器用于采集轴力螺栓电阻值数据状况；
显示器用于显示轴力螺栓电阻值数据；
报警器用于提醒螺栓断裂风险；
输入模块用于录入预设参数及显示设置。
4.根据权利要求1所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：轴力螺栓包括螺栓主体、应变计以及胶水固化物，螺栓主体由上、下同轴的螺帽和螺杆组成，在螺帽顶部中心同轴制有盲孔，盲孔中心同轴安装应变计，盲孔内填充有胶水固化物固定应变计位置并且形成应变计的绝缘保护，应变计顶端延伸至螺栓主体外侧，用于连接检测线。
5.根据权利要求4所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：应变计采用端子插接形式连接检测线或应变电桥无线数据发射器。
6.根据权利要求4所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：在顶帽顶端安装有顶部封层，应变计顶端引出顶部封层，螺帽顶端其余部分有顶部封层密封覆盖。
7.根据权利要求4所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：盲孔直径为φ2mm-φ2.1，应变计传感器选择φ1.9mm或者低于φ2mm。
8.根据权利要求4所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：轴力螺栓的制作方法：
(1)选择车轮匹配的螺栓，在螺栓顶部打孔，选择φ2mm-φ2.1的钻头，孔壁需要有一定的粗糙度；对螺栓采用超声波进行清洗，多次清洗到目视无杂质为止，然后使用高低温试验箱进行烘干；
考虑螺栓强度原因，应变计传感器选择φ1.9mm应变仪传感器或者低于φ2mm，不限定品牌，选择应力测试仪包含的规格；
将待用的应变计进行外观检查和阻值测量，外观检查可凭肉眼或借助放大镜进行，目的在于观察敏感栅有无锈斑、缺陷，是否排列整齐，基底和覆盖层有无损坏，引线是否完好；测量四分之一桥测量电阻，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选，同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同；
(2)根据螺栓使用部位决定应变计粘贴的深度，保证应变计敏感栅的中心位置在螺栓受力的中心，同时在应变计上进行标记，方便粘贴时进行深度定位，保证同批次制作完成的轴力螺栓一致性；
(3)用注射器吸取配置好的胶水，注意根据胶水粘稠度选择注射器针头的粗细，先加注胶水到孔的底部，一边加注一边往外移动，保证胶水及时的补充空余部位，待孔内全部是胶水后，压入应变计传感器，应变传感器占用体积排除的胶水为顶部封闭使用；放入深度为应变计标记位置；
(4)胶水粘结剂初步固化后，进行测量线的焊接工作，焊点确保无虚焊，测量线与试件绑扎固定，测量线两端根据测点的编号作标记；
(5)贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量，测量电阻值检查有无断路、回路，绝缘电阻是最重要的受检指标，绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低；
(6)对传感器进行校准，根据螺栓规格制作对应夹具，让螺栓自由受力，校准设备采用拉伸试验机进行，得出校准系数及评价线性关系，轴力螺栓制作完成。
9.根据权利要求8所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：所述轴力螺栓垂直放置，将轴力螺栓放入真空设备中进行抽真空，以便排除胶水中的空气。
10.根据权利要求8所述的车轮用螺栓轴力测试方法，其特征在于：测量线焊接中，动态测量使用三芯或四芯屏蔽电缆作导线，应变计和测量线间的连接通过接线端子。
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