CS207604B2 - Method of prestretching the screw connection nad device for performing the same - Google Patents

Description

(54) Způsob předpínání šroubového spoje a zařízení к provádění tohoto způsobu

Vynález se týká způsobu předpínání šroubového spoje a zařízení к provádění tohoto způsobu.

Při nejčastěji používaných způsobech předpínání šroubového spoje je spoj utahován na určitou úroveň kroutícího momentu. Tato úroveň kroutícího momentu byla zjištěna experimentálně tak, aby odpovídala požadovanému napětí ve spoji. Tento způsob je v důsledku hodnoty tření zatížen podstatnými odchylkami dosažené axiální síly.

Známý způsob odstranění této nevýhody je popsán v USA patentu č. 3 939 920. Podle způsobu popsaného v tomto patentu je šroubový spoj utahován na svou mez kluzu a kroutící moment působící v tomto stavu je zaznamenáván. Tento způsob je založen na skutečnosti, že na mezi kluzu se dosáhne určité axiální sily ve vztahu к určitému kroutícím momentu. Tento kroutící moment naopak závisí na skutečných silách tření ve spoji. Z tohoto poměru je možno určit dosaženou axiální sílu na mezi kluzu, což se provádí měřením použitého kroutícího momentu. Tímto způsobem je pro určitý spoj zjištěn poměr axiální síla/krputieí moment. Při tomto způsobu je spoj za účelem dosažení požadované axiální §íly utahován na svoji mez kluzu, čímž se zjistí skutečný poměr síla/krouticí moment, načež je spoj uvolněn a povolen na úroveň kroutícího momentu, která odpovídá požadované hodnotě axiální síly.

Tento dříve známý způsob je zatížen dvěma závažnými zdroji chyb, které značně snižují přesnost dosažené axiální síly. Jedna z těchto chyb spočívá v teoretickém základě určení axiální síly na mezi kluzu., neboť se předpokládá, že třecí síly v závitu jsou stejné hodnoty jako pod hlavou šroubu nebo pod maticí. Tento stav nastává pouze ve výjimečných případech, v obvyklých případech vznikají odchylky hodnoty axiální síly, Teorie je založena na skutečnosti, že třecí síly v závitu spoje přispívají к torsní síle ve šroubu, která ovlivňuje kroutící moment dosažený na mezi kluzu. Třecí síly působící pod hlavou šroubu a/nebo pod maticí také přispívají ke zvýšení úrovně krouticího momentu, avšak neovlivňují napětí ve šroubu. Odchylky hodnot třecích sil pod hlavou šroubu a/nebo pod maticí tudíž způsobují odchylky dosažené axiální síly.

Další zdroj chyb při tomto známém způsobu vyplývá ze skutečnosti, že spoj je utahován dvakrát. Při druhém utahování jsou však třecí síly ve spoji podstatně menší než pří prvním utahování, což znamená, že hodnota krouticího momentu, která byla odhadnuta za účelem .dosažení požadované axiální síly z prvého utahování, bude příliš vysoká. Kromě toho jsou zde značné odchylky těchto změn tření.

Tento známý způsob kromě toho vyžaduje poměrně mnoho času a složitý řídicí systém přístroje na utahování matic.

Úkolem vynálezu je odstranění nedostatků známých způsobů a zařízení, to jest nalezení způsobu a konstrukce zařízení, které by byly jednoduché a umožnily přesné předepnutí šroubového spoje v jediné operaci a nezávisle na proměnném tření v tomto šroubovém spoji.

Uvedený úkol je vyřešen způsobem předpínání šroubového spoje na předem stanovenou axiální sílu F_p působením kroutícího momentu na spoj při znalosti poměru naF pětí/úhlové natočení----- spoje, jehož podφ stata spočívá podle vynálezu v tom, že se zjistí poměr krouticí moment/úhlové natočení Μ(φ) v oblasti lineární pružné deformace odpovídající části procesu utahování spoje, načež se z tohoto poměru krouticí moment/úhlové natočení Μ(φ) extrapolací vypočte teoretická úhlová poloha φο spoje bez napětí, a působení utahujícího kroutícího momentu se přeruší, jakmile je spoj od uvedené teoretické úhlové polohy φο otočen o úhlový interval Δς», který podle poF měru napětí/úhlové natočení ----odpoví<?

dá předem stanovené axiální síle F_p.

Poměr krouticí moment/úhlové natočení se s výhodou vypočte ze zvolené úrovně М2 kroutícího momentu a z gradientu krouticí moment/úhlové natočení —— zjištěného dp v této zvolené úrovni kroutícího momentu М2, přičemž tato úroveň kroutícího momentu М2 odpovídá úhlové poloze 992, která je bezpečně v úhlovém intervalu Áp začínajícím teoretickou úhlovou polohou po bez napětí.

Úhlový interval mezi úhlovou polohou рг odpovídající zvolené úrovni kroutícího momentu М2 a teoretickou úhlovou polohou po bez napětí je určován tak, že počet úhlových impulsů spolu s gradientem kroutící moment/úhlové natočení vytváří soudp čin, který je roven uvedené úrovni М2 kroutícího momentu.

Před počátkem utahování je úhlový interval Δρ, odpovídající předem stanovené axiální síle F_p, uložen ve formě impulsů a počet impulsů představující úhlový interval mezi teoretickou úhlovou polohou po bez napětí a úhlovou polohou pz odpovídající zvolené úrovni М2 kroutícího momentu je během utahování odečítán od uloženého počtu impulsů, načež působení kroutícího momentu trvá po další úhlový interval Δρ — — (p2 —po), představovaný zbytkem uložených impulsů.

Impulsy představující úhlový Interval me zi teoretickou úhlovou polohou po bez napětí a úhlovou polohou pa odpovídající zvolené úrovni М2 kroutícího momentu jsou generovány oscilátorem a zbytek uložených impulsů je vynulován impulsy generovanými snímačem natočení, který je spojen se spojem.

Podstata zařízení pro .předpínání šroubového spoje na předem stanovenou axiální sílu F_p při znalosti závislosti axiální síla/

F /úhlové natočení -----spočívá podle vynáP lezu v tom, že zařízení sestává z utahovacího ústrojí s připojeným snímačem kroutícího momentu a snímačem úhlového natočení, přičemž к těmto snímačům je připojena řídicí jednotka sestávající z derivačního obvodu a přidržovacího obvodu pro stanovení skutečného poměru krouticí moment/úhlové natočení M(p) a násobičky pro stanovení teoretické úhlové polohy po bez napětí ve spoji, ke kterým je připojen druhý čítač impulsů pro srovnávání skutečné hodnoty úhlového natočení šroubového spoje se součtem teoretické úhlové polohy po bez napětí a úhlového intervalu Δρ odpovídajícího požadované axiální síle F_p, přičemž výstup druhého čítače impulsů je spojen se vstupním ventilem utahovacího ústrojí.

Druhý vstup násobičky к průběžnému vytváření součinu počtu čítaných impulsů a gradientu závislosti krouticí moment/ dp /úhlové natočení, je připojen к výstupu prvního čítače impulsů připojeného к oscilátoru, přičemž к přidržovacímu obvodu je připojen komparátor pro srovnávání tohoto součinu s úrovní М2 kroutícího momentu odpovídající úhlové poloze рг uvnitř úhlového Intervalu Δρ.

Nový a vyšší účinek vynálezu spočívá v tom, že předpínání se provádí v jediné operaci a nezávisí na možných změnách tření ve šroubovém spoji, takže požadovaná axiální síla se nastavuje s vyšší přesností.

Příklad provedení je popsán pomocí připojeného výkresu, kde znázorňuje obr. 1 závislost axiální síly na natočení ve šroubovém spoji, obr. 2 závislost kroutícího momentu na natočení šroubového spoje a obr. 3 schéma zařízení na utahování matic, opatřené řídicí jednotkou podle vynálezu.

Způsob předpínání šroubového spoje podle vynálezu je založen na skutečnosti, že koeficient pružnosti šroubového spoje se mění jen ve velmi úzkých mezích. Platí to zejména pro spoje, jejichž části jsou vyrobeny a opracovány se zvýšenou péčí. Takové spoje se používají na ložiskových víkách klikových hřídelů a ve válcových hlavách motorů s vnitrním spalováním. I v těchto spojích však dochází к určitým značným odchylkám třecích sil. Hlavním účelem vynálezu je přesné dosažení předem stanovené axiální síly ve spoji, která by nebyla ovlivněna třecími silami. Za tímto účelem je jako referenční veličiny utažení šroubu šroubového spoje místo nastaveného kroutícího' momentu použito úhlu natočení.

Způsob předpínání šroubového spoje podle vynálezu je tedy založen na skutečnosti, že koeficient pružnosti k, to jest poměr

F axiální síla/natočení----- , je znám. Tento poměr je určen experimentálně měřením axiální síly a úhlu natočení na větším počtu spojů běžného typu. Získaná střední hodnota může být znázorněna graficky, což je provedeno na obr. 1, kde F označuje axiální sílu, φ označuje úhel natočení a Δφ označuje určitý úhel natočení, který odpovídá ipožadované axiální síle Fp.

Na obr. 2 je graficky znázorněn typický příklad poměrů při utahování spoje na mez kluzu. Ze znázorněné křivky je patrné, že proces utahování sestává ze 'tří odlišných oblastí, to jest první oblasti od průsečíku souřadnicových os k bodu A, druhé oblasti od bodu A k bodu B a třetí oblasti za bodem B.

První oblast, končící v bodě A křivky, znázorňuje počáteční přitahování šroubu nebo matice. Průběh kroutícího momentu v této oblasti je značně nestabilní. V bodě A pokračuje proces utahování druhou oblastí, která je lineární a představuje zvyšující se pružné předpínání spoje. V bodě B začíná třetí oblast, která je charakteristická snižujícím se přírůstkem kroutícího- momentu, což je důsledek plastické deformace ve spoji. Bod B představuje' mez skluzu spoje.

Přímá oblast A — B křivky tedy znázorňuje pružnou deformaci - ve spoji, která je vyvolána zvyšující se axiální silou. Strmost této křivky - odpovídá - tuhosti spoje.

Podle vynálezu se v oblasti lineární pružné deformace, to jest mezi . . body A a B křivky, zjišťuje poměr kroutící moment/natočení M(y). Provádí se to výpočtem gradientu, kroutící moment/úhlové natočení-—- ve dp zvoleném bodě Mž, φζ.

Extrapolací oblasti závislosti kroutící moment/úhlové natočení M(. -se určí - úhlová poloha 9?o, která odpovídá teoretickému stavu spoje bez napětí. Za účelem dosažení požadovaného předpětí Fp je třeba -spoj z této dříve vypočtené úhlové polohy φο bez napětí natočit o úhel Δφ.- Celkový úhel dotažení je tedy φ<= φο + Δ^ιφ.

Na obr. 3 je -schematicky znázorněno zařízení k provádění způsobu předpínání podle vynálezu. Zařízení sestává z pneumaticky hnaného- utahovacího ústrojí 10 a k němu připojené řídicí - - jednotky 11. Utahovací ústrojí 10 je opatřeno snímačem 12 kroutícího momentu a snímačem 13 úhlového natočení. Řídicí jednotka 11 je -s utahovacím ústrojím 10 -spojena signálovými vstupy A, B. Řídicí jednotka 11 je také -spojena se vstupním ventilem 14 tlakového vzduchu na utahovacím ústrojí 10. Další součásti zaří zení nejsou -jednotlivě vypočteny, jsou však patrné z následujícího popisu činnosti.

Při předpínání šroubového spoje podle vynálezu jsou signály -odpovídající kroutícímu momentu a úhlovému natočení přiváděny přes zesilovač 16 a tvarovací obvod 17 do derivačního obvodu 15. V derivačním obvodu 15 se vypočítává gradient kroutící moment/úhlové natočení -který je veάφ den do násobičky 18. Jakmile -se dosáhne úrovně M2 kroutícího- momentu, vyšle derivační obvod 15 tento - signál do- přidržovacího obvodu 19. Úroveň M2 kroutícího momentu je volitelná.

Utahovací ústrojí - 10 je opatřeno -spouštěcím spínačem - 20, který otevřením vstupního ventilu 14, vynulováním - prvního čítače 21 impulsů a nastavením druhého- čítače 22 . impulsů na požadovaný počet impulsů odpovídající úhlu natočení zahajuje utahování. Tento počet impulsů je dodáván z ručně nastavovaného stavěcího- členu 28 a představuje požadované úhlové natočení Δφ.

Do prvního -čítače 21 impulsů přicházejí impulsy z -oscilátoru 23 a jejich součet je veden dále do násobičky 18. Počet přijatých a -spočtených impulsů představuje interval úhlového natočení, - který je v násobičce 18 násoben gradientem kroutící moment/nato„ , dM „ „ ,ί, ' dM cem ----, cimz se získá hodnota n - —-— ύφ dp 1

Tato -rychle stoupající hodnota se v komparátoru 24 -srovnává s -dosaženou hodnotou M2 kroutícího momentu a jestliže jsou tyto hodnoty shodné, generuje kompa.rátor 24 výstupní signál. Přivedený - počet impulsů odpovídá úhlu natočení φ2 — φο.

Jakmile kroutící moment dosáhne hodnoty M2, vyšle derivační obvod 15 výstupní signál do- prvního součinového· ' hradla 25. První součinové hradlo 25, které má invertovaný výstup, je spojeno s komparátorem 24 a propouští -signál k druhému součinovému hradlu 26, jakmile se ve spoji dosáhne kroutícího momentu rovnajícího se úrovni Mz. Druhé součinové hradlo 26 je spojeno s -oscilátorem 23 -a jestliže je na jeho druhém vstupu - signál prvního - součinového hradla 25, propouští impulsy generované oscilátorem 23 -do- prvního čítače -21 impulsů.

Jakmile je - propuštěn dostatečně vysoký počet impulsů, který je násoben gradientem kroutící moment/úhlové natočení —5— úp , dojde k vyváženému -stavu komparátoru 24, který vyšle výstupní -signál. Tento výstupní signál zablokuje první součinové hradlo 25 a přeruší další průchod impulsů druhým součinovým hradlem 26.

Počet impulsů, které prošly druhým součinovým hradlem 26, a které byly zaznamenány čítačem 21 impulsů, odpovídá intervalu úhlového natočení φζ — φο.

Předepnutí spoje je dokončeno úhlovým natočením spoje o úhel Δρ — [рг — po). Tento úkon provádí řídicí jednotka 11 následujícím způsobem.

Požadovaná předem stanovená axiální síla F_B ve spoji byla pomocí koeficientu pružnosti к spoje převedena na úhel natočení Δρ. Počet impulsů odpovídající velikosti tohoto úhlového natočení byl pomocí stavěcího členu 28 uložen v druhém čítači 22 impulsů. Druhý čítač 22 impulsů, který je připojen к prvnímu čítači 21 impulsů a oscilátoru 23 přes součtové hradlo 29, obdržel stejný počet impulsů jako první čítač 21 impulsů. Tento počet impulsů odpovídá intervalu úhlového natočení рг — po. Druhý čítač 22 impulsů odečítá tento počet impulsů od počtu impulsů vyslaných stavěcím členem 28. Zbývající počet impulsů odpovídá Δρ — (pa — po).

Jakmile je dosaženo hodnoty Мг kroutícího momentu, uzavře se druhé součinové hradlo 26, místo něhož se otevře třetí součinové hradlo 30. Třetí součinové hradlo 33 propojuje druhý čítač 22 impulsů a snímač úhlového natočení utahovacího ústrojí 10, jestliže je dosaženo, hodnoty Мг kroutícího momentu. Při pokračujícím utahování odečítá druhý čítač 22 impulsů tyto úhlové impulsy od zbývajícího počtu impulsů, které odpovídají hodnotě Δρ — (рг — po). Jakmile je druhý čítač 22 impulsů vynulován, znamená to, že spoj dosáhl úhlové polohy p₃. Druhý čítač 22 impulsů pak vyšle výstupní signál do vstupního ventilu 14 utahovacího ústrojí 10, kterým je proces utahování přerušen.

V předchozím popisu byl popsán úplný cyklus předepínání. Po tomto předepínání může stlačením spouštěcího spínače 20 ihned začít další předepínání. První čítač 21 impulsů je vynulován a druhý čítač 22 impulsů je nastaven na hodnotu odpovídající hodnotě Δρ. Tuhost-^- spoje je možno dp počítat jinými způsoby, stejně jako lze jiným způsobem volit vhodnou úroveň kroutícího momentu Мг pro výpočet teoretické úhlové polohy po bez napětí.

Claims (7)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Způsob předpínání šroubového spoje na předem stanovenou axiální sílu působením kroutícího momentu na spoj při znalosti poměru napětí/úhlové natočení spoje, vyznačující se tím, že se zjistí poměr kroutící moment/úhlové natočení [ Μ (φ) ] v oblasti lineární pružné deformace odpovídající části procesu utahování spoje, načež se z tohoto poměru krouticí moment/úhlové natočení (M(p)j extrapolací vypočte teoretická úhlová poloha (po) spoje bez napětí, a působení utahujícího kroutícího momentu se přeruší, jakmile je spoj od uvedené teoretické úhlové polohy (po) otočen o úhlový Interval (Δρ), který podle poměru na-

   F pětí/úhlové natočení (----) odpovídá přeV dem stanovené axiální síle (Fp).
2. 2. Způsob podle bodu 1 vyznačující se tím, že poměr krouticí moment/úhlové natočení se vypočte ze zvolené úrovně (Мг) kroutícího momentu a z moment/úhlové natočení ho v této zvolené úrovni gradientu krouticí dM ( -5—) zjištěnéα φ kroutícího momentu (Ma), přičemž tato úroveň kroutícího momentu (Мг) odpovídá úhlové poloze (рг), která se bezpečně nachází v úhlovém intervalu (Δρ), začínajícím teoretickou úhlovou polohou (po) bez napětí.
3. 3. Způsob podle bodu 2 vyznačující se tím, že úhlový interval mezi úhlovou polohou (рг.) odpovídající zvolené úrovni kroutícího momentu (М2) a teoretickou úhlovou polohou (po) bez napětí je určován tak, že počet úhlových impulsů spolu s gradientem krouticí moment/úhlové natočení vytváří součin, který je roven uvedené úrovni (Мг) krouticího momentu.
4. 4. Způsob podle bodu 3 vyznačující se tím, že .před počátkem utahování je úhlový interval (Δρ) odpovídající předem stanovené axiální síle (F_p) uložen ve formě impulsů a počet impulsů představující úhlový Interval mezi teoretickou úhlovou polohou (po) bez napětí a úhlovou polohou («г) odpovídající zvolené úrovni (Мг) kroutícího momentu je během utahování odečítán cd uloženého počtu impulsů, načež působení kroutícího momentu trvá po další úhlový interval [Δρ — (рг — po)] představovaný zbytkem uložených impulsů.
5. 5. Způsob podle bodu 4 vyznačující se tím, že impulsy představující úhlový interval mezi teoretickou úhlovou polohou (po) bez napětí a úhlovou polohou (рг) odpovídající zvolené úrovni (Мг) krouticího momentu jsou generovány oscilátorem a zbytek uložených impulsů je vynulován impulsy generovanými snímačem natočení, který je spojen se spojem.
6. 6. Zařízení pro předpínání šroubového spoje na předem stanovenou axiální sílu při znalosti závislosti axiální síla/úhlové natočení, vyznačující se tím, že sestává z utahovacího ústrojí (10) s připojeným snímačem' (12) krouticího momentu a snímačem (13) úhlového natočení, přičemž к těmto snímačům (12, 13) je připojena řídicí jed notka (11), sestávající z derivačního obvodu (15) a přidržovacího obvodu (19) pro stanovení skutečného poměru kroutící moment/úhlové natočení (M(g>)] a násobičky (18) pro stanovení teoretické úhlové polohy (po) bez napětí ve spoji, ke kterým je připojen druhý čítač (22) impulsů pro srovnávání skutečné hodnoty úhlového natočení šroubového spoje se součtem teoretické úhlové polohy (φο) bez napětí a úhlového intervalu (Δρ) odpovídajícího požadované axiální síle (F_p), přičemž výstup druhého čítače (22) impulsů je spojen se vstupním ventilem (14) utahovacího ústrojí (10).
7. 7. Zařízení podle bodu 6 vyznačující se tím, že druhý vstup násobičky (18) к průběžnému vytváření součinu počtu čítaných impulsů a gradientu ( ) závislosti dg>

   kroutící moment/úhlové natočení je připojen к výstupu prvního čítače (21) impulsů připojeného к oscilátoru (23), .přičemž к přldržovacímu obvodu (19) je připojen komparátor (24) pro srovnávání tohoto součinu s úrovní (Мз) krouticího momentu odpovídající úhlové poloze (^2) uvnitř úhlového intervalu (Δρ).