CN1170871A - 用于测量压紧力的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量压紧力的装置包括一个具有一对接受力的相对前表面(2,3)的环状体(1),前表面垂直于环状体的主轴线(4),以及一环形腔(5)基本与主轴线同心且接纳一个用于提供代表力影响的电信号的传感装置(6)。该传感装置(6)包括一个放置在环形腔(5)径向内表面(7)上的传感器元件(9),上述表面与主轴线(4)相隔一个距离,该距离基本相当于环状体(1)接受载荷的那部分的力矩平衡半径(r_R)。

Description

用于测量压紧力的装置

本发明涉及用于测量压紧力的装置，它包括一个环状体，其具有一对接受力的相对的前表面，前表面垂直于环状体的主轴线，以及一个环形腔，其基本与主轴线同心且接纳一个用于提供代表力的影响的电信号的传感装置。

上述类型的装置可从DE-B2-2357105知道。这种公知的装置包括一个由磁致伸缩的材料构成且具有一个接纳测量线圈的环形腔的环状体。该装置是以磁致伸缩材料在机械载荷下改变其导磁率的特性为基础的。这导致通过测量绕线圈的磁通变化，即，测量线圈交流电阻的变化。上述专利文件的发明目的是提供一种压紧力的磁致弹性测量，其中，在压力影响情形中的环状体只受压缩载荷或至少在下述程度上只受压缩载荷，即，可排除因在材料中出现拉应力而形成对测量结果精度的有害影响，因而使测量变得尽可能地精确。该目的是以下述方式实现的，即，环状体的每个前表面具有一个环槽，该环槽与环形腔对准且宽度基本等于环形腔的宽度，因此，在每个前表面上形成两个圆凸起，其分别使环状体两侧壁加长，且共同构成受力表面。因此，这会引起环状体前表面需专门设计的问题。

在这种公知的装置中，由于环状体必须是磁致弹性的，因而材料的选择受到很大限制。由于测量线圈必须使用交流电磁化大体积的“铁”，为了减小涡流损耗，所用交流电必须具有较低频率，因而测量线圈必须较大。另外，该装置不适于测量在临界螺栓连接中的预加载，这是由于其结构不能经受在上述临界应用中在材料中出现的高应力。

当研究本发明时，目标是提供一种改进的力的传感器，其适用于对临界螺栓连接中的预加载进行装配控制和/或监测，以便实现最大的安全性和最小的保养费用。本装置将取代现有的中间盘或垫圈，或者在局部螺栓连接中，如在转动环式轴承(slew ring bearing)、管道法兰、发动机缸盖、接地锚固等中用做垫圈。按照本发明的装置按照与标准垫圈相同的方式安装在螺母之下，这有两大优点，即，预加载是直接在螺栓连接中测量的，以及作为关键构件的螺栓和螺母完全不受影响。

另一个应用领域是将本装置用作例如称重过程中，特别是动态程度高，现有技术工作寿命较短的称重过程中的测力仪。

因此，本发明的一个目的是提供一种测量压紧力的装置，它可以在装配中更好地控制螺栓连接中的预加载和/或连续或定期地控制螺栓连接中的预加载力以避免断裂、泄漏等情况。

本发明的另一个目的是提供一种可用作测力仪的装置，它可简化和改进对运输设备等的称重方法，也可在动态程度较高的称重过程中显著延长设备的工作寿命。

本发明的另一个目的是提供一种可以几乎消除边界状态变化对测量结果影响的装置，这种影响是由于在环状体放置传感装置的区域机械稳定性大的缘故。

本发明的另一个目的是提供一种非常适于以低生产成本批量生产的装置。

为了实现上述目的，按照本发明提供一种前述类型的装置，其特征在于：传感装置包括一个放置在环形腔径向内表面上的传感器元件，上述表面与主轴线隔开一个距离，该距离基本相当于环状体接受载荷的那部分的力矩平衡半径。

在该装置的一个有利的实施例中，环形腔形成为一个窄间隙，该间隙具有垂直于前表面的平行的径向内、外表面，在一个平行于前表面的平面内环形腔的横截面积大大地小于环状体在上述平面内的剩余横截面积。

传感器元件最好由装在或粘合在环形腔径向内表面上的非晶体的磁致弹性带构成。所述带由一个附加传感器元件包围，该附加传感器元件为用于在较高频率(无线电频率)下工作的激励/捡拾线圈的形式。由于上述传感器元件结构，测量是在围绕环状体的连续圆周上进行的，更精确地说，是沿着环状体的位于环状腔以内的那部分的外圆周进行的。这就意味着传感器元件是一个沿整个所述圆周积分负荷的积分器。

通过将传感器元件放置在环状体的力矩平衡地点，可以获得显著改善的机械特性。首先，这种放置意味着传感器元件的压缩将等于环状体的平均压缩，因而将从1∶1的比率反映作用的载荷。另外，这种放置意味着一个更完善的传感器，它在较小的程度上受基础或支承的性质、螺母的表面和倾斜度、螺栓的性质等边界条件变化的影响。另外，环状体的倾斜安装将不构成任何大的误差源，这是由于传感器元件的放置及其积分效果的缘故。

下面将会进一步描述实现环状体的力矩平衡的放置位置的计算。

按照本发明的结构的最重要的优点之一是，可以在最大可能的程度上消除边界条件变化的影响。对于适于本种情形的短/矮的承载件(例如高度为14mm，直径为60-70mm)来说，传感器元件将高度地承受边界条件如表面、装配位置、组装工序等变化的影响。在传统的普通压缩测力仪中，上述问题是通过使传感器元件制得细长而解决的，其中，传感器元件本身位置远离上、下边界，即，承载表面。人们在垫圈中却不可能这样做。正是由于这种原因，研制了本发明的装置，使传感器元件有了理想的放置地点。

现在对照以下附图结合实施例进一步描述本发明。

图1是按照本发明装置的一实施例的剖开的立体图；

图2是图1之一部分的放大图；

图3是环状体的一实施例的不完全的剖视图，环状体呈盘形，由两个盘形件构成；

图4是与图3类似的剖视图，但有另一种盘形件设计。

如附图所示，按照本发明的装置包括一个环状体1，它具有一对相对的垂直于环状体中轴线4(图3和4)的前平面2，3，在使用中，这两个前平面接受准备由本装置测量的轴向作用的压紧力。环状体1设有与主轴线4同心且装纳传感装置6的环形腔5。

如图所示，环形腔5形成一个具有平行的径向内、外表面7和8的窄间隙，这两个表面垂直于前表面2，3，在平行于前表面的，也就是说垂直于主轴线4的一个平面内的环形腔横截面积显著小于在同一平面内的环状体1的其余横截面积。

传感装置6包括一个第一传感器元件，它呈非晶体的，磁致弹性的材料带8的形式。这种材料具有高导磁率，以及在导磁率和材料所受机械应力之间强的关系。传感带9放置在，更精确说是紧固或粘合在环形腔5的径向内表面7上，该表面与环状体1的主轴线4隔开的距离基本相当于接受负载的环状体部分的力矩平衡半径(图3中的r_R)。已经发现，传感带的这种设置带来最佳的结构和操作性质，这也已经由计算和FEM分析(有限元模型分析)所证实。

传感装置也包括一个附加传感器元件，它由放置在传感带9外，因而包围该传感带的一个激励/捡拾线圈10构成。激励线圈10在较高的频率(无线电频率下)工作。该线圈通过一个挠性电路11连接于一个触点或类似装置，以便激励/捡拾传感信号，或者连接于用以激励/捡拾和内部信号处理的ASIC电路(专用集成电路)。

传感装置是有方向性的，其最敏感的方向基本平行于环状体的主轴线。

为了计算环状体力矩平衡的地点或半径，请参阅图3，如图3所示，环状体1具有内半径r₁和外半径r₂，力矩平衡半径由r_R表示。力矩平衡公式为： $\underset{r_1}{\overset{r_R}{\∫}}2\mathrm{\πr}(r-r_R)\·\mathrm{dr}=\underset{r_R}{\overset{r_2}{\∫}}2\mathrm{\πr}(r-r_R)\·\mathrm{dr}$

由此可推出r_R的表达式为： $r_R=\frac{2}{3}\·\frac{r_2^3-r_1^3}{r_2^2-r_1^2}$

上式给出了力的结果R的作用位置和承受均匀轴向负荷的实心盘状的环状体的力矩平衡。但是上式对于环状体/垫圈必须用系数Ki进行修正。另外，当在螺栓上的螺母之下安装垫圈时，对于在垫圈表面上作为螺纹角和螺母类型的函数的攻击力(attacking force)，必须用系数kn进行修正。最终的公式为： $r_R=\frac{2}{3}\·\frac{r_2^3-r_1^3}{r_2^2-r_1^2}+K_i+K_n,$

式中系数ki和kn必须为所有垫圈/螺母组合进行计算。

在装置的工作中，这提供了一个电信号，该电信号本质上代表外力影响的基本平行于主轴线的那部分。与外界的联系，即，电信号向外部信号接收装置的传递是借助一个电磁发射装置进行的，因此，信号的发送无需任何电线连接。该发射装置包括一个连接器和一个ASIC电路。这就是说，图12中只用块12代表的是被放置在径向延伸的孔13中的，孔13从环形腔5延伸至环状体的外表面。发射装置的另一种实施例是普通的电触点。

当装置被一个作用在环状体前表面上的压紧力加载时，环状体将一个应变传至传感带9。传感带的导磁率就会改变，使线圈10的电感产生相应的变化。结果将在ASIC电路中进行处理并可借助一手持的仪器读出。在连续监测中可适当地使用通过电触点的固定电连接。

环状体1本身适于用钢制成。但是，材料的选择并不荷刻，只要材料具有足够的屈服点和极限强度以承受作用在装置的最大力或载荷即可。如图所示，环状体是盘状的，如图示实施例中，是由两个共轴的盘形部件构成的，这两个部件相互紧固，在装配条件下限定了环形腔5。

因此，在图3的实施例中，环状体或垫圈构成一对承载部件，即一个下部件15和一个上部件16。如图所示，下部件15具有一个向上延伸的外部，该外部具有构成环形腔5的径向外表面8的内周面，而上部件16具有一个向下延伸的内部，该内部具有构成环形腔的径向内表面7的外周面。这两个部件沿着上、下水平表面部分相互抵靠，两部件在分别沿着环状体/垫圈的内、外表面19和14延伸的接合部17和18处接合。两部件适于例如通过熔焊相接合。

如图3所示，上垫圈部分在向下延伸的部分和上水平面部分之间过渡处具有一个角凸部20。该凸部与环形腔5具有相同的径向宽度，因此，在凸起的外侧面和下部件15的向上延伸的部分的相邻周面之间形成压配合。这样，在可能的运输和焊接操作过程中，装配后的部件15和16可保持在一起。

显然，具有如图所示的环形腔的垫圈可以使用各种不同方式形成的分开的部件构成。但是，图3所示的实施例具有许多有利的性质，概括如下：它由易于加工、易于装配的最少数目的零件构成。该实施例具有简便的传感带9和激励线圈10的组件。焊接是在内、外周面上进行的，这就很好控制接触表面，即，下、上表面2，3，在传感带上不会发生热引起的问题。另外，在运输和焊接过程中，两部件保持在一起也不成问题。

如前所述，按照本发明的装置在通常的螺栓连接中可用作中间盘或垫圈。因此，该装置必须制得可以和标准螺母一起使用。在市场上有大量不同类型的螺母。最常用的两种是柱状螺母和广泛使用的六方螺母，柱状螺母往往用在回转环式轴承(slew ringbearing)中。图3所示实施例是为柱状螺母设计的，而图4所示实施例是为与六方螺母一起使用而设计的。

图4的实施例在很大程度上与图3的实施例相似，但是，其垫圈的下部件21和上部件22的结构部分地与图3不同。下部件21和上部件22的承载面23，24比前表面2，3具有较小的径向宽度，以适应于有关六方螺母的承载面。另外，下部件21具有一个外周部，其带有下表面25和上表面26，其位于承载面23，24的径向外侧并且相对于承载面23，24沉下，因此，所述外周部的顶部位于上部件22的顶部的径向外侧，这些部分的尺寸相应适配，因而当垫圈部件21和22处于装配条件时，相邻的周面形成压配合。压配合的表面具有足够大的面积，使两部件只借助压配合就可永久地保持在一起，因此，在此实施例中不必对部件进行焊接。

Claims (10)

1.一种用于测量压紧力的装置，它包括一个环状体(1)，它具有一对接受力的相对的前表面(2，3)，所述前表面垂直于环状体的主轴线(4)，以及一个环形腔(5)，其与主轴线基本同心且接纳一个传感装置(6)，该传感装置用于提供表示力的影响的电信号，其特征在于：所述传感装置包括一个放置在环形腔(5)的径向内表面(7)上的传感器元件(9)，所述表面与主轴线(4)相隔一个距离，该距离基本相当于环状体(1)接受载荷的那部分的力矩平衡半径(r_R)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述环形腔(5)形成为一个窄间隙，该间隙具有垂直于所述前表面(2，3)的平行的内、外表面(7，8)，在一个平行于前表面(2，3)的平面内的环形腔(5)的横截面积显著地小于在该平面内环状体(1)的剩余横截面积。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述传感装置(6)是有方向性的，因此，其最敏感的方向基本与环状体(1)的主轴线平行。

4.根据权利要求1，2或3所述的装置，其特征在于：所述传感器元件由一个粘合在环形腔(5)的径向内表面上的非晶体的磁致弹性带(9)构成，带(9)由一个附加传感器元件包围，该附加传感器元件为一个激励/捡拾线圈(10)的形式，其用于在无线电频率范围下工作。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于：它包括一个电磁发射装置(12)，其用于无需电线连接地将电信号发送至外部的信号接收装置。

6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的装置，其特征在于：它包括一个电触点，其用于将电信号送至外部的信号接收和信号处理装置。

7.根据权利要求5和6所述的装置，其特征在于：所述发射装置(12)放置在一个从环形腔(5)延伸至环状体(1)的外表面(14)的径向孔(13)中。

8.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于：环状体(1)是由钢制成的。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述环状体(1)是盘状的，由两个在装配状态下限定所述环形腔(5)的垫圈部件(15，16；21，22)构成。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述垫圈部件(15，16)是在沿着环状体(1)的内、外周面(19，14)延伸的接合部(17，18)处通过熔焊接合的。

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