CN113670496A - 轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法，轴向力测量装置包括轴向力施力组件及轴向力测量组件，轴向力施力组件包括：第一施力件，开设有第一安装孔；第二施力件，层叠于第一施力件的一侧并与第一施力件斜面配合，第二施力件开设有第二安装孔，第二安装孔连通第一安装孔以形成螺栓安装孔；驱动件，抵持于第一施力件的一端；第一施力件能够在驱动件的驱动下沿第二方向移动并带动第二施力件沿第一方向移动，从而对插设于螺栓安装孔中的螺栓施加轴向力。上述轴向力测量装置，无需在螺栓上加装应变片或压电晶片，也无需对螺栓的头部施加力矩与转角，在可对螺栓的轴向力实现连续测量的同时保证了螺栓的纹螺和刚度特性不被破坏。

Description

轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法

技术领域

本发明涉及发动机制造技术领域，特别是涉及一种轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法。

背景技术

发动机作为一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，是车辆的核心部件，发动机的性能与可靠性很大程度上影响了车辆的整体性能与可靠性。而当发动机缸体的变形超过一定范围时，可引起发动机的可靠性、性能、排放等指标的恶化，进而造成发动机的机油消耗量大、噪声超标、污染气体排放超标、运动摩擦副的磨损加剧等诸多问题。

因此，在发动机的研发试制阶段，必须对缸体变形问题进行针对性的分析和研究，为产品设计及工艺加工等研发阶段提供必要的指导依据，保证产品的性能品质，提高产品的竞争力。

其中，用于连接缸体与缸盖的螺栓的安装位置及轴向力是影响缸体变形的最关键因素，因此不同的螺栓的轴向力对缸体变形的影响特性关系成为了发动机研发过程中亟待研究的课题。

现有的测量连接缸体与缸盖的螺栓轴向力的方法，通常需要在螺栓上面加装应变片或压电晶片，应变片或压电晶片的安装步骤复杂，还需对螺栓头部实施力矩和转角，从而会导致在螺栓旋合过程中，破坏螺纹表面涂层及形变，影响螺栓的工作特性和使用寿命。

发明内容

基于此，有必要针对螺栓的轴向力测量方法较为复杂的问题，提供一种轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法，该轴向力测量装置、变形分析系统及变形分析方法可以达到简化螺栓的轴向力测量方法的技术效果。

根据本申请的一个方面，提供一种轴向力测量装置，用于测量连接缸体和缸盖的螺栓的轴向力，其特征在于，所述轴向力测量装置包括轴向力施力组件及轴向力测量组件，所述轴向力施力组件用于对螺栓的施加轴向力，所述轴向力测量组件用于测量所述螺栓的轴向变形量，并根据所述轴向变形量获取所述螺栓的轴向力；所述轴向力施力组件包括：

第一施力件，开设有沿第一方向延伸的第一安装孔；

第二施力件，沿所述第一方向层叠于所述第一施力件的一侧并与所述第一施力件斜面配合，所述第二施力件开设有沿所述第一方向延伸的第二安装孔，所述第二安装孔连通所述第一安装孔以形成螺栓安装孔；以及

驱动件，抵持于所述第一施力件在所述第二方向上的一端；

其中，所述第一施力件能够在所述驱动件的驱动下沿第二方向移动并带动所述第二施力件沿所述第一方向移动，从而对插设于所述螺栓安装孔中的所述螺栓施加轴向力；

所述第二方向垂直于所述第一方向。

在其中一个实施例中，所述第一安装孔在所述第二方向上的孔径大于所述第二安装孔在所述第二方向上的孔径。

在其中一个实施例中，第一施力件包括在所述第一方向上相对设置的第一抵持面与第一配合面，所述第一抵持面垂直于所述第一方向，所述第一配合面相对所述第二方向倾斜延伸；

所述第二施力件包括在所述第一方向上相对设置的第二抵持面和第二配合面，所述第二抵持面垂直于所述第一方向，所述第二配合面相对所述第二方向倾斜延伸；

其中，所述第一配合面和所述第二配合面相互贴合。

在其中一个实施例中，所述第一配合面和所述第二配合面相对所述第二方向的锐角呈20°至60°。

在其中一个实施例中，所述驱动件为设有螺纹的连接螺杆。

在其中一个实施例中，所述轴向力测量组件包括控制单元及超声波发生单元，所述超声波发生单元间隔设于所述轴向力施力组件在所述第一方向上的一侧，所述超声波发生单元用于获取所述螺栓的轴向变形量，所述控制单元与所述超声波发生单元通信连接，所述控制单元根据所述轴向变形量获取所述螺栓的轴向力。

一种变形分析系统，用于获取连接有螺栓的缸体的变形特性，包括上述的轴向力测量装置。

在其中一个实施例中，所述变形分析系统还包括变形测量组件，所述变形测量组件用于测量缸体的变形量参数。

一种利用上述的变形分析系统的变形分析方法，用于获取连接有螺栓的缸体的变形特性，所述变形分析方法包括以下步骤：

沿所述螺栓的轴向对所述螺栓的头部施加轴向力以使所述螺栓发生轴向形变；

获取所述螺栓在发生形变过程中的实时轴向力与所述缸体的变形量参数；

根据所述实时轴向力和所述变形量参数，获取所述缸体的变形特性。

在其中一个实施例中，所述变形量参数包括所述缸体的圆度、圆柱度、直线度及平行度中的一种或多种。

上述轴向力测量装置，通过轴向力施力组件的第一施力件与第二施力件的相互配合将驱动件沿第二方向的移动转化为第二施力件沿第一方向的移动，即可对螺栓的头部施加轴向力，轴向力测量组件则可直接测量螺栓的轴向变形量进而获取螺栓的轴向力，而无需在螺栓上加装应变片或压电晶片，也无需对螺栓的头部施加力矩与转角，在可对螺栓的轴向力实现连续测量的同时保证了螺栓的纹螺和刚度特性不被破坏，避免影响螺栓的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例的变形分析系统的结构示意图；

图2为图1所示变形分析系统的俯视图；

图3为图1所示变形分析系统的轴向力施力组件的结构示意图；

图4为图3所示轴向力施力组件的第一施力件和第二施力件的结构示意图。

附图标号说明：

100、变形分析系统；120、轴向力测量装置；121、轴向力施力组件；1212、第一施力件；1212a、第一抵持面；1212b、第一配合面；1212c、第一安装孔；1214、第二施力件；1214a、第二抵持面；1214b、第二配合面；1214c、第二安装孔；1216、驱动件；123、超声波发生单元；140、变形测量组件；200、缸体；210、容纳腔；300、缸盖；320、缸盖连接孔；340、缸盖安装孔；400、螺栓。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种变形分析系统100，应用于发动机气缸中，具体用于获取发动机气缸的缸体200与螺栓400轴向力的变形特性关系，然后根据两者的变形特性关系为产品设计与工艺进行准确有效的指导，进一步提升发动机的可靠性和性能指标。

请参阅图1及图2，变形分析系统100包括轴向力测量装置120和变形测量组件140，轴向力测量装置120包括轴向力施力组件121和轴向力测量组件，轴向力施力组件121用于对螺栓400的头部施加轴向作用力使螺栓400发生轴向变形，轴向力测量组件用于获取螺栓400在轴向变形过程中的实时轴向力，变形测量组件140用于同时获取缸体200的变形量参数，从而可得到螺栓400的实时轴向力与缸体200的变形量参数的特性关系。

请结合图1、图3及图4所示，发动机气缸包括缸体200、缸盖300以及螺栓400。缸体200呈中空筒状结构，具有两端开口的容纳腔210，缸体200的一端轴向上的一端开设有多个环绕容纳腔210的缸体连接孔。缸盖300层叠于缸体200的轴向的一端，缸盖300朝向缸体200的一侧表面开设有多个缸盖连接孔320，每个缸盖连接孔320与一个缸体连接孔对应连通。缸盖300远离缸体200的一侧表面开设有连通缸盖连接孔320的缸盖安装槽340，缸盖300的侧壁还开设有连通缸盖安装槽340的缸盖安装孔。如此，轴向力施力组件121安装于缸盖安装槽340内，螺栓400的一端穿过轴向力施力组件121、缸盖连接孔320伸入缸体连接孔320中。

在下列实施例中，缸体200的轴向方向为第一方向(如图1中的X方向)，缸体200的宽度方向为第二方向(如图2中的Y方向)，且第一方向和第二方向相互垂直，缸盖300沿第一方向覆盖于缸体200上。

轴向力施力组件121安装于缸盖安装槽340，轴向力施力组件121包括第一施力件1212、第二施力件1214以及驱动件1216，驱动件1216可驱动第一施力件1212和第二施力件1214对螺栓400的头部施加轴向力。

具体地，第一施力件1212呈楔形的块状结构，包括在第一方向上相对设置的第一抵持面1212a与第一配合面1212b，第一抵持面1212a垂直于第一方向，第一配合面1212b相对第二方向倾斜延伸，在图3中从左至右的方向上，第一施力件1212在第一方向上的厚度逐渐增大。第一施力件1212开设有第一安装孔1212c，第一安装孔1212c自第一抵持面1212a沿第一方向延伸至第一配合面1212b，且第一安装孔1212c在第二方向上的孔径大于螺栓400的外径。

第二施力件1214呈楔形的块状结构，第二施力件1214层叠于第一施力件1212在第一方向上的一侧，第二施力件1214包括在第一方向上相对设置的第二抵持面1214a和第二配合面1214b，第二抵持面1214a垂直于第一方向，第二配合面1214b相对第二方向倾斜延伸，在图3中从左至右的方向上，第二施力件1214在第一方向上的厚度逐渐减小。第二施力件1214开设有第二安装孔1214c，第二安装孔1214c自第二配合面1214b沿第一方向自第二配合面1214b延伸至第二抵持面1214a，且第二安装孔1214c的内径与螺栓400的外径相匹配。

当第一施力件1212和第二施力件1214收容于缸盖安装槽340内时，第一施力件1212的第一抵持面1212a抵持于缸盖安装槽340的底壁，第二施力件1214的第二配合面1214b与第一施力件1212的第一配合面1212b相互贴合，第二施力件1214的第二抵持面1214a与缸盖300远离缸体200的一侧表面齐平，第一安装孔1212c与第二安装孔1214c同轴并相互连通以形成螺栓安装孔。由于第一安装孔1212c在第二方向上的孔径大于第二安装孔1214c在第二方向上的孔径，因此第一施力件1212可相对螺栓400在第二方向上移动，进而带动第二施力件1214在第一方向上移动。

驱动件1216为驱动螺杆，驱动件1216的一端螺纹连接于缸盖安装孔，并抵持于第一施力件1212在第二方向上的一端，因此转动驱动件1216可使驱动件1216相对缸盖300沿第二方向移动，进而推动第一驱动件1216在第二方向上移动。

如此，第一施力件1212和第二施力件1214通过第一配合面1212b与第二配合面1214b斜面配合，螺栓400的主体穿过第一安装孔1212c和第二安装孔1214c，螺栓400的头部抵持于第二施力件1214远离第一施力件1212的一侧。转动驱动件1216时，第一施力件1212在驱动件1216的推动下沿第二方向的移动，进而带动第二施力件1214沿第一方向移动，从而对螺栓400的头部施加作用力以使螺栓400发生轴向形变。轴向力测量组件可测量螺栓400的轴向变形量，进而根据轴向变形量获取螺栓400的预紧力。

在一些实施例中，第一配合面1212b和第二配合面1214b相对第二方向的锐角呈20°至60°，从而保证在螺栓400释放轴向力的过程中，在非自锁的状态下保证第二施力件1214向下移动。

轴向力测量组件间隔设于轴向力施力组件121在第一方向上的一侧，轴向力测量组件用于测量螺栓400的轴向形变量并根据轴向变形量获取螺栓400的预紧力。

具体地在一些实施例中，轴向力测量组件包括控制单元及超声波发生单元123。超声波发生单元123间隔设于轴向力施力组件121在第一方向上的一侧，超声波发生单元123用于连接螺栓400以获取螺栓400的轴向变形量，控制单元与超声波发生单元123通信连接，控制单元根据轴向变形量获取螺栓400的预紧力。其中，超声波发生器可向螺栓400发射超声波，通过精确测量反射波从螺栓400的另外一端返回的时间，可计算超声波在这段时间内所走过的路径。当螺栓400在轴向上产生形变时，超声波的路径所发生的变化即为螺栓400的伸长量，进而可以通过该伸长量换算出螺栓400的变形量。

上述轴向力测量装置120及变形分析系统100，通过轴向力施力组件121的第一施力件1212与第二施力件1214的相互配合将驱动件1216沿第二方向的移动转化为第二施力件1214沿第一方向的移动，即可对螺栓400的头部施加轴向力，轴向力测量组件121则可直接测量螺栓400的轴向变形量进而获取螺栓400的轴向力，而无需在螺栓400上加装应变片或压电晶片，也无需对螺栓400的头部施加力矩与转角，在可对螺栓400的轴向力实现连续测量的同时保证了螺栓400的纹螺和刚度特性不被破坏，避免影响螺栓400的使用寿命。

本申请还提供一种利用变形分析系统100的变形分析方法，用于获取连接有螺栓400的缸体200的变形特性，变形分析方法包括以下步骤：

S110：沿螺栓400的轴向对螺栓400的头部施加作用力以使螺栓400发生轴向形变。

具体地，首先，依次将第一施力件1212、第二施力件1214安装于缸盖300的缸盖安装槽340内，第一施力件1212的第一配合面1212b与第二施力件1214的第二配合面1214a相互贴合，第一施力件1212和第二施力件1214斜面配合，将驱动件1216安装于缸盖安装孔内并使施力件处于非受力状态，螺栓400的主体穿过第二安装孔1214c伸入第一安装孔1212c中。

然后，将安装有轴向力施力组件121的缸盖300沿第一方向层叠于缸体200上，缸盖连接孔320与缸体连接孔对齐连通，对螺栓400施加一定的预紧力(例如30N.M)以将缸盖300与缸体200相互固接，将轴向力测量组件的超声波发生单元123安装于螺栓400的头部。

最后，顺时针旋合驱动件1216，随着驱动件1216沿第二方向不断移动，推动第一施力件1212沿第二方向移动，进而带动第一施力件1212沿第一方向朝远离缸体200的方向移动以对螺栓400的头部施加轴向预紧力。

S120：获取螺栓400在发生形变过程中的实时轴向力与缸体200的变形量参数。

在螺栓400被施加轴向预紧力的过程中，轴向力测量组件的超声波发生单元123发送超声波以获得螺栓的实时轴向力，变形测量组件140伸入缸体200的容纳腔210内测量获得缸体200的变形量参数。其中，变形量参数包括缸体200的圆度、圆柱度、直线度及平行度中的一种或多种。

S130：根据实时轴向力和变形量参数，获取缸体200的变形特性。

根据实时轴向力和变形量参数的对应关系，获得缸体200的变形特性，进而可根据缸体200的变形特性为产品设计与工艺进行准确有效的指导，进一步提升发动机的可靠性和性能指标。

上述变形分析系统100及变形分析方法，无需在螺栓400上贴合应变片和压电镜片，也无需对螺栓400头部施加转角和扭矩，而是通过轴向力施力组件121直接给螺栓400施加轴向力后，通过轴向力测量装置120测量出螺栓400的轴向力，测量方式更加高效准确，同时保证了螺栓400螺纹和刚度特性不被特坏，因此不会影响螺栓400的使用寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种轴向力测量装置，用于测量连接缸体和缸盖的螺栓的轴向力，其特征在于，所述轴向力测量装置包括轴向力施力组件及轴向力测量组件，所述轴向力施力组件用于对螺栓的施加轴向力，所述轴向力测量组件用于测量所述螺栓的轴向变形量，并根据所述轴向变形量获取所述螺栓的轴向力；所述轴向力施力组件包括：

第一施力件，开设有沿第一方向延伸的第一安装孔；

第二施力件，沿所述第一方向层叠于所述第一施力件的一侧并与所述第一施力件斜面配合，所述第二施力件开设有沿所述第一方向延伸的第二安装孔，所述第二安装孔连通所述第一安装孔以形成螺栓安装孔；以及

驱动件，抵持于所述第一施力件在所述第二方向上的一端；

其中，所述第一施力件能够在所述驱动件的驱动下沿第二方向移动并带动所述第二施力件沿所述第一方向移动，从而对插设于所述螺栓安装孔中的所述螺栓施加轴向力；

所述第二方向垂直于所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的轴向力测量装置，其特征在于，所述第一安装孔在所述第二方向上的孔径大于所述第二安装孔在所述第二方向上的孔径。

3.根据权利要求1所述的轴向力测量装置，其特征在于，第一施力件包括在所述第一方向上相对设置的第一抵持面与第一配合面，所述第一抵持面垂直于所述第一方向，所述第一配合面相对所述第二方向倾斜延伸；

所述第二施力件包括在所述第一方向上相对设置的第二抵持面和第二配合面，所述第二抵持面垂直于所述第一方向，所述第二配合面相对所述第二方向倾斜延伸；

其中，所述第一配合面和所述第二配合面相互贴合。

4.根据权利要求3所述的轴向力测量装置，其特征在于，所述第一配合面和所述第二配合面相对所述第二方向的锐角呈20°至60°。

5.根据权利要求1所述的轴向力测量装置，其特征在于，所述驱动件为设有螺纹的连接螺杆。

6.根据权利要求1所述的轴向力测量装置，其特征在于，所述轴向力测量组件包括控制单元及超声波发生单元，所述超声波发生单元间隔设于所述轴向力施力组件在所述第一方向上的一侧，所述超声波发生单元用于获取所述螺栓的轴向变形量，所述控制单元与所述超声波发生单元通信连接，所述控制单元根据所述轴向变形量获取所述螺栓的轴向力。

7.一种变形分析系统，用于获取连接有螺栓的缸体的变形特性，其特征在于，包括如权利要求6或7任意一项所述的轴向力测量装置。

8.根据权利要求7所述的变形分析系统，其特征在于，所述变形分析系统还包括变形测量组件，所述变形测量组件用于测量缸体的变形量参数。

9.一种利用如权利要求7或8所述的变形分析系统的变形分析方法，用于获取连接有螺栓的缸体的变形特性，其特征在于，所述变形分析方法包括以下步骤：

沿所述螺栓的轴向对所述螺栓的头部施加轴向力以使所述螺栓发生轴向形变；

获取所述螺栓在发生形变过程中的实时轴向力与所述缸体的变形量参数；

根据所述实时轴向力和所述变形量参数，获取所述缸体的变形特性。

10.根据权利要求9所述的变形分析方法，其特征在于，所述变形量参数包括所述缸体的圆度、圆柱度、直线度及平行度中的一种或多种。

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