DE2157303C3 - Measurement method for determining the axial force in a body - Google Patents
Measurement method for determining the axial force in a bodyInfo
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Description
+ VO -'+ VO - '
genügt, in der /,; die mit der Ultraschallanregungsfrequenz gemessene Eigenfrequenz bei einer Körperdehnung von eh K eine Konstante, die wesentlich größer als 1 ist, und )■ die Poissonsche Zahl bedeutet, daß unter Anwendung dieser Ultraschallanregungsfrequenz die Eigenfrequenz des unbelasteten und die des mit der Axialkraft belasteten Körpers bestimmt werden, daß die Differenz dieser beiden Meßwerte errechnet und daß die dieser Differenz entsprechende Axialkraft einer vorher ermittelten Eichkurve entnommen wird.suffices in the / ,; the natural frequency measured with the ultrasonic excitation frequency at a body elongation of e h K is a constant that is significantly greater than 1, and) ■ the Poisson's number means that using this ultrasonic excitation frequency, the natural frequency of the unloaded body and that of the body loaded with the axial force are determined that the difference between these two measured values is calculated and that the axial force corresponding to this difference is taken from a previously determined calibration curve.
2. Meßverfahren zur Bestimmung der Axialkraft in einem Körper durch Ausnutzung der von der Axialkraft abhängigen Veränderung dei Eigenfrequenz des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Ultraschallanregungsfrequenz ermittelt wird, bei der die Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Körpers von der Axialkraft der Beziehung2. Measurement method for determining the axial force in a body by utilizing the from the axial force-dependent change in the natural frequency of the body, characterized in that that a first ultrasonic excitation frequency is determined at which the dependence the natural frequency of the body from the axial force of the relationship
genügt, in der ;., die mit der Ultraschallanregungsfrequenz gemessene Eigenfrequenz bei einer Körperdehnung von η und >■ die Poissonsche Zahl bedeutet, daß eine zweite Ultraschallanre ■ VO- ''ίΗ''1 +'s- ' is sufficient, in which;., the natural frequency measured with the ultrasonic excitation frequency at a body strain of η and> ■ the Poisson's number means that a second ultrasonic excitation ■ VO- '' ίΗ '' 1 + 's-'
gungsfrequenz ermittelt wird, bei der die Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Körpers von der Axiaikraft der Beziehungtransmission frequency is determined at which the dependence of the natural frequency of the body on the axial force of the relationship
(!.s ~ L,)//,, = K [(I - ..fä) 1/1 + F1 /(I - re,) j/ (!. s ~ L ,) // ,, = K [(I - .. fä ) 1/1 + F 1 / (I - re,) j /
genügt, in der K eine Zahlenkonstante, die wesentlich größer als 1 ist, bedeutet, daß zwei Eigenfrequenzwerte des mit der Axialkraft belasteten Körpers unter Anwendung dieser beiden Ultraschallanregungsfrequenzen bestimmt werden, daß r., is sufficient, in which K is a number constant which is significantly greater than 1, means that two natural frequency values of the body loaded with the axial force are determined using these two ultrasonic excitation frequencies, that r.,
I]I]
die Differenz dieser Eigcnfrequenzwerte errechnet und daß die dieser Differenz entsprechende Axialkraft einer vorher ermittelten Eichkurve entnommen wird.the difference between these natural frequency values is calculated and that the one corresponding to this difference Axial force is taken from a previously determined calibration curve.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zur Bestimmung der Axialkraft in einem Körper durch Ausnutzung der von der Axialkraft abhängigen Veränderung der Eigenfrequenz des Korpers.The invention relates to a measuring method for determining the axial force in a body by utilizing the change in the natural frequency of the body, which is dependent on the axial force.
Bei der Messung der Axialkräfte von Bolzen u. dgl. wurde bisher im allgemeinen ein Verfahren angewendet, nach dem die Axialkraft eines Bolzens od. dgl. aus dem an diesem angelegten Festziehdrehmoment gesehätzt wurde. Nimmt man beispielsweise einen Bolzen, wie er in Fig. I gezeigt ist, besteht die folgende Beziehung zwischen der Axialkraft Q und dem Festziehdrehmoment T des Bolzens:When measuring the axial forces of bolts and the like, a method has hitherto generally been used in which the axial force of a bolt or the like was estimated from the tightening torque applied to it. For example, taking a bolt as shown in Fig. I, the following relationship exists between the axial force Q and the tightening torque T of the bolt:
Q = 2T/\d(,is see Λ + tan μ) l· dN Q = 2T / \ d (, i s see Λ + tan μ) l d N
(1)(1)
wobei d der wirksame Gewindedurchmesser ist, /;s der Reibungskoeffizient der Gewindeoberfläche, \ der halbe Spitzenwinkel des Gewindes, /I der Führungswinkel des Gewindes, dN der mittlere Durchmesser der tragenden Oberfläche des Bolzens und uK der Reibungskoeffizient der tragenden Oberfläche des Bolzens.where d is the effective thread diameter, /; s is the coefficient of friction of the thread surface, \ is the half point angle of the thread, / I is the lead angle of the thread, d N is the mean diameter of the bearing surface of the bolt and u K is the coefficient of friction of the bearing surface of the bolt.
Es ist ersichtlich, daß sich die Axialkraft Q in Abhängigkeit von dem Reibungskoeffizienten der Gewindcobei fläche /is und dem ReibungskoeffizienIt can be seen that the axial force Q depends on the coefficient of friction of the thread surface / i s and the coefficient of friction
65 ten der tragenden Fläche /iN ändert, selbst wenn das Festziehdrelimoment T des Bolzens konstant ist. Daher kann das leicht zu messende Festziehdrelimoment T nicht immer die genaue Axialkraft Q des Bolzens repräsentieren. 65 th of the bearing surface / i N changes even if the tightening torque T of the bolt is constant. Therefore, the easy-to-measure tightening torque T cannot always represent the exact axial force Q of the bolt.
Es ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, bei dem die Axiaikraft eines Bolzens od. dgl. durch Messung der in dem Bolzen durch die Axialkraft herbeigeführten Verformungsgröße mittels eines Widerstandsdehnungsmeßstreifens bestimmt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es nur in den Fällen angewendet werden kann, in denen ein 'Teststück verfügbar ist, denn ein Bolzen muß in seiner Mitte gebohrt werden, oder das Muttermetall, das die Axialkraft des Bolzens aufnimmt, muß an einem bestimmten Abschnitt bearbeitet werden, um eine Befestigungsmöglichkeit für den Widerstandsdehiumgsmcßstreifen zu schaffen.A method is also known in which the axial force of a bolt or the like is determined by measurement the amount of deformation brought about in the bolt by the axial force by means of a resistance strain gauge is determined. However, this method has the disadvantage that it can only be used in cases in which a 'Test piece is available because a bolt needs to be drilled in its center, or the mother metal, that absorbs the axial force of the bolt, must be machined at a certain section to an attachment option for the resistance strain gauge to accomplish.
Ferner ist die Bestimmung der Dehnung bzw. Spannung von Werkstücken nach der Ultraschallwellcnmethode bekannt. Bei dieser Methode handelt es sich um ein Impuls-Echo-Verfahren, bei dem man die Laufzeit eines Schallimpulscs vor und während der Dehnung mißt. Aus der Differenz der gefundenen Werte berechnet man die Längenänderung desFurthermore, the determination of the elongation or tension of workpieces is based on the ultrasonic wave method known. This method is a pulse-echo method in which one measures the transit time of a sound pulse before and during stretching. From the difference between the found Values one calculates the change in length of the
I/I /
Werkstücks, aus der wiederum die Werkstücksspaniiung ermittelt werden kann. Da die hierbei erzielbare Meßgenauigkeit relativ gering ist, ist eine hechempfindliche Meßapparalur erforderlich.Workpiece, from which in turn the workpiece clamping can be determined. Since the measurement accuracy that can be achieved here is relatively low, it is sensitive to hech Measuring equipment required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannt ?n Art zu schaffen, das sich durch hohe Genauigkeit auszeichnet und einfach anwendbar ist.The invention is based on the object of creating a method of the type mentioned at the beginning, which is characterized by high accuracy and is easy to use.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I bzw. des Anspruchs 2 angegebenen Mitteln gelöst.This object is achieved according to the invention with the in the characterizing part of claim I and the Claim 2 specified means solved.
Erl'indungsgemäß wird somit die mit einer axialen Belastung des Gegenstandes auftretende Änderung der Eigenfrequenz desselben ausgewertet, wobei bei der Messung der Eigenfrequenz von einer Ultraschallanregungsfrequcnz Gebrauch gemacht wird, die eine besonders starke Abhängigkeit der Eigenfrequenz von der axialen Belastung des Gegenstands gewährleistet. Hierin liegt die Ursache für die hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.According to the invention, the change that occurs with an axial load on the object is thus determined the natural frequency of the same evaluated, with the measurement of the natural frequency of an ultrasonic excitation frequency Use is made, which has a particularly strong dependence on the natural frequency guaranteed by the axial load on the object. Herein lies the cause of the high Accuracy of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Axialkrift von Bolzen od. dgl. auf einfache, sehr genaue und zerstörungsfreie Weise durch selektive Anwendung von Ultraschallwellen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs und besitzt daher einen weiten Anwendungsbereich. Es kann beispielsweise für die Steuerung von Axialkräften von Bolzen od. dgl. bei der Herstellung oder für die Bestimmung sich zeitlich ändernder Axialkräfte von Bolzen od. dgl. in eingebautem Zustand verwendet werden.The method according to the invention enables the axial force of bolts or the like to be determined simple, very precise and non-destructive way through selective application of ultrasonic waves within a certain frequency range and therefore has a wide range of applications. It can for example for the control of axial forces of bolts od. Like. During the production or for the determination of axial forces of bolts that change over time or the like when installed will.
Da die Dehnung eines Werkstücks und dessen Spannung innerhalb der Proportionaiitätsgrenze in einer einfachen Beziehung zueinander stehen, können alle Axialkräfte, -dehnungen und -spannungen durch Eigenfrequenzänderungen gemessen werden, so daß das Verfahren für eine einfache und zerstörungsfreie Messung der Spannnungsverteilung in Aufbauelementen von Gebäuden, Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen usw. angewendet werden kann.Since the elongation of a workpiece and its stress are within the proportional limit in are in a simple relationship to one another, all axial forces, expansions and stresses can can be measured by natural frequency changes, so that the method for a simple and non-destructive Measurement of the stress distribution in structural elements of buildings, motor vehicles, Ships, aircraft, etc. can be applied.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Beschreibung von Ausführungsbcispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is described below with reference to the description of exemplary embodiments explained in more detail on the drawing.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Axialkraft und dem Festziehdrchmomcnt eines Bolzens;F i g. 1 is a schematic illustration of the relationship between the axial force and the tightening torque a bolt;
F i g. 2 a zeigt ein Schaltbild einer Meßschaltung zum Messen der Eigenfrequenz eines zu messenden Gegenstandes;F i g. 2 a shows a circuit diagram of a measuring circuit for measuring the natural frequency of a to be measured Object;
F i g. 2 b /cigt den Verlauf eines Stroms in der Meßschaltung beim Durchfahren von Resonanzfrequenzen; F i g. 2 b / cigt the course of a current in the measuring circuit when passing through resonance frequencies;
F i g. 3 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Axialkraft und der Eigenfrequenz eines bestimmten Bolzens zur Verwendung bei Automobilen graphisch wiedergibt und das durch selektive Verwendung von zwei Ultraschallanregungsfrequenzen gewonnen wurde;F i g. 3 is a diagram showing the relationship between the axial force and natural frequency of a particular bolt for use in automobiles graphically and obtained by selective use of two ultrasonic excitation frequencies would;
F i g. 4 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Axialkraft und der Eigenfrequenz solcher für Automobile dienenden Bolzen graphisch wiedergibt und das durch selektive Verwendung von zwei Ultraschallanrcgungsfrequenzen an einer Mehrzahl von Bolzen gewonnen wurde, undF i g. 4 shows a diagram showing the relationship between the axial force and the natural frequency of such for automotive studs by the selective use of two Ultrasonic excitation frequencies on a plurality of bolts was obtained, and
F i g. 5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Axialkral ι und der Größe der Eigenfrequenzänderung eines Automobilbuizens wiedergibi und durch Verwendung einer Uitraschallanregungsfrequenz gewonnen wurde.F i g. 5 shows a diagram showing the relationship between the Axialkral ι and the size of the natural frequency change of an automobile builder and obtained by using a ultrasonic excitation frequency.
Zunächst wird ein allgemeines Verfahren zum Messer! der Eigenfrequenz:/ eines Gegenstandes mittel· Ultraschallwellen an Hand von I ig. 2a und 2h erläutert. First, a general procedure about the knife! the natural frequency: / of an object medium Ultrasonic waves on the basis of I ig. 2a and 2h explained.
In Fig. 2 a bezeichnet 1 eine SchwinuimgsschalIn Fig. 2a, 1 denotes a Schwinuimgsschal
ίο tung, 2 eine in der Schwingungswhaltung vorgesehene Abstimmschaltung /in Änderung der Schwingungsfrequenz, 3 ein Amperemeter /um Anzeigen de> durch die Schwingungsschaliunu fließenden Strum.1 /„, 4 einen Ultraschaliwellenos/illator, der aus Kristal oder Bariumtitanatkeramik besteht, und 5 einen zi messenden Gegenstand.ίο device, 2 a tuning circuit provided in the oscillation control / in changing the oscillation frequency, 3 an ammeter / to display the current flowing through the oscillation signal. 1 / “, 4 an ultrasonic wave illuminator made of crystal or barium titanate ceramic, and 5 an object to be measured.
Wird die durch die Schwinguiigsschiiltiing 1 erzeugte Welle an den Ulirascliallwcllcnoszillaior 4 angelegt, um eine Ultraschallwelle in den Gegenstand 5 zu strahlen, um) win) die Aiux'üUJiijsfreqnt·])/ (Jure): einen veränderlichen Kondensator ( in der Absiimmschaltung 2 geändert, so werden der Schwingung*- knoten und die Schwingungsbäuche der Schwinjumgswelle an mit gestrichelten Linien in F i g. 2 gezeigten vorbestimmten Stellen in dem Gegenstand bei cinci Frequenz gebildet, bei der die Dicke / des Gegenstandes und die Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem Gegenstand eine bestimmte Beziehung haben und eine einfache harmonische Bewegung (sinusförmige Wellenbewegung) stattfindet.Is the one generated by Schwinguiigsschiiltiing 1 Shaft applied to Ulirascliallwcllcnoszillaior 4, to radiate an ultrasonic wave into the object 5 to) win) the Aiux'üUJiijsfreqnt ·]) / (Jure): a variable capacitor (in the tuning circuit 2 changed, so the oscillation * - nodes and the antinodes of the oscillation wave on with dashed lines in FIG. 2 predetermined locations in the item at cinci Frequency formed at which the thickness / of the object and the wavelength of the ultrasonic wave in have a certain relationship with the object and a simple harmonic movement (sinusoidal Wave motion) takes place.
Diese einfache harmonische Bewegung ist die Eigenschwingung des Gegenstandes; mit / für die Dicke des Gegenstandes und ν für die Fortpfiansungsgeschwindigkeit in dem Gegenstand kann die Eigenfrequenz / aus der folgenden Formel allgemein berechnet werden:This simple harmonic movement is the natural oscillation of the object; with / for the thickness of the object and ν for the speed of propagation in the object, the natural frequency / can generally be calculated from the following formula:
/ = n-v/2-l / = na / 2-l
wobei η eine positive ganze Zahl ist und / die Grundfrequenz bei η - 1 repräsentiert und eine Vielfachfrequenz angibt, wenn /i = 2, 3, ... ist.where η is a positive integer and / represents the fundamental frequency at η - 1 and indicates a multiple frequency when / i = 2, 3, ...
Die Eigenfrequenz / kann durch die Änderung de? durch das Amperemeter 3 angezeigten Stroms /,, erfaßt werden, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist. Wird die Ultraschallanregungsfrequenz nämlich durch den veränderbaren Kondensator C eier Abstimmschaltung 2 allmählich geändert, tritt bei jeder Eigenfrequenz / des Gegenstandes Resonanz auf, bei dei der Strom I1, ansteigt. Daher können die Grundfrequenz /, und Vielfachfrequenzen /.„ /.,... /„ des Gegenstandes auf einer Skala für die Schwingungsfrequenz ic abgelesen werden, die zuvor bezüglich der Kapazität des veränderbaren Kondensators C aufgenommen wurde. Die sich aus der obigen Gleichung (2) ergebende Grundfrequenz /, ist folgendermaßen darzustellen:The natural frequency / can de? current indicated by the ammeter 3 can be detected as shown in Fig. 2b. If the ultrasonic excitation frequency is gradually changed by the variable capacitor C eier tuning circuit 2, resonance occurs at every natural frequency / of the object, at which the current I 1 increases. Therefore, the fundamental frequency /, and multiple frequencies /. "/., ... /" of the object can be read off on a scale for the oscillation frequency i c , which was previously recorded with regard to the capacitance of the variable capacitor C. The fundamental frequency / resulting from the above equation (2) is to be represented as follows:
/, 'Inulin O) /, 'Inulin O)
.:nd kann daher bestimmt werden, indem zwei benachbarte Vielfaehfrcquenzen gemessen werden..: nd can therefore be determined by taking two adjacent Multiples are measured.
Die Eigenfrequenz 1 ist diiich tlie Geielning (1, gegeben; ist jedoch / 1, ennbt sich die folgende Gleichung:The natural frequency 1 is diiichtlie Geielning (1, given; however, if / 1, the following equation is given:
/ --= i</2/ \jEIo 12-I = l/EV/M/2 1 t, / - = i </ 2 / \ jEIo 12-I = l / EV / M / 2 1 t,
wobei E der Youngsche Modul ist, η die Dichte, M die Masse und V das Volumen des Gegenstandes.where E is Young's modulus, η the density, M the mass and V the volume of the object.
Es ist zu bemerken, daß die Eigenfrequenz / umgekehrt proportional der Dicke / des Gegenstandes und proportional der Quadratwurzel des Volumens I' und des Youngschen Moduls des Gegenstandes ist.It should be noted that the natural frequency / inversely proportional to the thickness / of the object and is proportional to the square root of the volume I 'and Young's modulus of the object.
Im folgenden wird die Eigenfrequenzänderung diskutiert, die sich durch das Auftreten einer Dehnung in dem zu messenden Gegenstand ergibt. Wird auf einei beispielsweise zylindrischen Körper eine Belastun ausgeübt, um eine Zugdchnung t hervorzurufen, win das Änderungsverhältnis der Figcnfrequenz vor um nach Belastung durch die folgende Formel wieder gegeben, vorausgesetzt, daß der Youngsche Modul / und die Masse M des zylindrischen Körpers konstan sind:In the following, the change in natural frequency is discussed, which results from the occurrence of a strain in the object to be measured. If a load is exerted on a cylindrical body, for example, in order to produce a tensile strain t , the change ratio of the figure frequency before to after loading is given by the following formula, provided that the Young's modulus / and the mass M of the cylindrical body are constant:
(5)(5)
wobei /n und /, die Eigenfrequenzen vor und nach Ist in dem zylindrischen Körper eine Zugdehnunjwhere / n and /, the natural frequencies before and after Ist a Zugdehnunj in the cylindrical body
Vorliegen der Dehnung r des zylindrischen Körpers von 0.3 o.'n aufgetreten, kann das EigenfrequenzändcIf the elongation r of the cylindrical body of 0.3 o .'n has occurred, the natural frequency can change
sind, F0 und V, und /(1 und /, die Volumen bzw. die 15 rungsverhältnis unter Zugrundelegung der Poissonare, F 0 and V, and / (1 and /, the volume or the 15 ratio based on the Poisson
Längen des zylindrischen Körpers vor und nach Vor- sehen Zahl r — 0.3 folgendermaßen bestimmlDetermine lengths of the cylindrical body before and after provision number r - 0.3 as follows
liegen der Dehnung r des zylindrischen Körpers und werden: ν die Poissonsche Zahl ist.lie the elongation r of the cylindrical body and become: ν is Poisson's number.
(/, - Z0)//0 = (1 - 0,3 · 0,003)/jΊ - 0,003 - I --= - 0.0024(/, - Z 0 ) // 0 = (1 - 0.30.003) / jΊ - 0.003 - I - = - 0.0024
(6)(6)
daraus ergibt sich, daß die Eigenfrequenz durch Auf- und f., für den Fall, daß die Dehnungen /, (f, Ξ>
O' treten einer Zugdehnung von 0.3 0O um 0.24° ο ab- und f., (r., >
0) betragen, wird ferner durch die folgesenkt wurde. 25 gende Formel wiedergegeben:
Das Änderungsverhältnis der Eigenfrequenzen Z1 from this it follows that the natural frequency by up and f., in the event that the elongations /, (f, Ξ> O 'occur at a tensile elongation of 0.3 0 O by 0.24 ° ο and f., (r. ,> 0), is also reduced by the following formula:
The change ratio of the natural frequencies Z 1
Bei der Analysierung der Beziehung zwischen den tatsächlich gemessenen Werten und den berechneten Werten unter Berücksichtigung der obigen theoretischen Grundlage wurde erkannt, daß in Abhängigkeit von dem Frequenzbereich der verwendeten anregenden Ultraschallwellen eine völlig neue Erscheinung auftritt. Es wurde nämlich festgestellt, daß sich das Eigenfrequenzänderungsverhältnis zwischen zwei Eigtnfrequenzwerten /,, und /,., stark mit der bei der Messung verwendeten Ultraschallanregungsfrequenz ändert. Insbesondere wurde ermittelt, daß die durch Gleichungen (5) und (6) dargestellten Beziehungen nur gelten, solange die Ultraschallanregungsfrequenz beim Messen niedriger als etwa 3 MHz ist. während das Eigenfrequenzänderungsverhältnis bei zunehmender Dehnung schroff ansteigt wenn die verwendete Ultraschallanregungsfrequenz einige MHz überschreitet. Diese Erscheinung wird im folgenden an Hand eines Auotomibilbolzens im einzelnen beschrieben.In analyzing the relationship between the actually measured values and the calculated values in consideration of the above theoretical basis, it was found that an entirely new phenomenon appears depending on the frequency range of the ultrasonic excitation waves used. It has been found that the natural frequency change ratio between two natural frequency values / ,, and /, ., Changes greatly with the ultrasonic excitation frequency used in the measurement. In particular, it has been found that the relationships represented by equations (5) and (6) hold only as long as the ultrasonic excitation frequency when measuring is less than about 3 MHz. while the natural frequency change ratio increases sharply with increasing elongation if the ultrasonic excitation frequency used exceeds a few MHz. This phenomenon is described in detail below using an auto-motive bolt.
In F i g. 3 ist ein repräsentatives Beispiel der Ergebnisse von Experimenten dargestellt, die an einem bei Automobilen verwendeten Ringradeinstellbolzen (10 mm Durchmesser und 25 mm Lange) durchgeführt wurden. Auf der Abszisse ist die Axialkraft und auf der Ordinate die Eigenfrequenz aufgetragen. Aus dem Diagramm sind folgende Verhältnisse ersichtlich: Während die tatsächfichen Werte sehr dicht an dem nach der obigen Gleichung (6) berechneten Eigenfrequenzänderungsverhältnis (0.24 ° V) liegen, wenn eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa 0.5 MHz verwendet wird, ist das aus den tatsächlichen Werten erhaltene tatsächliche Eigenfrequenzänderungsverhältnis bei Verwendung einer anregenden Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa 10 MHz viel größer als das aus der theoretischen Gleichung erhaltene Eigenfrequenzänderungsverhält· nis.In Fig. 3 is a representative example of the results illustrated by experiments performed on a ring gear adjusting bolt used in automobiles (10 mm in diameter and 25 mm in length). The axial force is on the abscissa and the natural frequency is plotted on the ordinate. The following relationships can be seen in the diagram: While the actual values are very close to that calculated according to equation (6) above Natural frequency change ratio (0.24 ° V) when an ultrasonic wave with a frequency of about 0.5 MHz is used, it is the actual natural frequency change ratio obtained from the actual values when using a stimulating ultrasonic wave with a frequency of about 10 MHz much larger than that from the theoretical one Equation obtained natural frequency change ratio.
Genauer gesagt, wenn eine Ultraschallanregungsfrcqucnz von etwa 10 MH/ verwendet wird, ist die Eigenfrequenz bei einer A\i:t!kraft Null etwa 5 % größer als bei Verwendung einer l'ltraschallanregungsfrcqucn/ von etwa 0.5 MHz. und das Eigcnfrcquenzätuierimgsveihüllnis beträgt im Fall cinei Dehnung von 0.3"« (entsprechend einer Axialkrafl von 5 · 10'/V) etwa 1 "... was i'.rößcr als der berechnete Wert von 0.24"» ist. Diese Erscheinung wurde durch eingehende Durchsicht der Untersuchungscrgebnissc verschiedener Arten von Boizen bestätigt: es wurde bestätigt, daß die in F is. 3 gezeigte Kennlinie, die bei Verwendung < iner Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa 0.5 MHz erhalten wird, innerhalb des l'lttaschallanreeuncsfrequenzbcrcichcs unter 2 oder 3 MH/ erhalten werden kann, während die in F i g. 3 gezeigte Kennlinie, die bei der Verwendung einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa 10 MH/ erhallen wird, innerhalb des Ultrnschallanivguncsfroquenzbcreiclis oberhalb einiger MH? erhalten werden kann.More precisely, when an ultrasonic excitation frequency of about 10 MH / is used, the natural frequency at zero force is about 5% greater than when an ultrasonic excitation frequency of about 0.5 MHz is used. and the property envelope in the case of an elongation of 0.3 "" (corresponding to an axial force of 5 · 10 '/ V) is about 1 "... which is larger than the calculated value of 0.24" Examination results of various kinds of Boizen confirmed: it was confirmed that the characteristic curve shown in Fig. 3, which is obtained using an ultrasonic wave with a frequency of about 0.5 MHz, is within the range of the ultrasonic frequency range below 2 or 3 MH / can be obtained, while the characteristic shown in Fig. 3, which is obtained when an ultrasonic wave having a frequency of about 10 MH / 2 is used, can be obtained within the ultrasonic gun frequency range above several MH 2.
Fig. 4 zeigt als Beispiel die Beziehungen zwischen der Axialkraft und der l-icenfrcquenz!" die bei 50 Ringradeinstellbolzen für Auiomobile tatsächlich gemessen wurde, indem Ultraschallfrequenzen von etwa 0.5MHz und etwa 10MHz verwendet wurden. Auf der Ordinate ist die Eigenfrequenz aufgetragen, während auf der Abszisse die Ablesungen von Spannungsprüfern oder anderen mechanischen Einrichtungen aufgetragen sind, die die axiale Kraft im Gegenstand messen können. In dem Diagramm repräsentieren die Bezugszeichen .-! und /? die Daten, die jeweils bei Verwendung von Ultraschallwellen mit Frequenzen von etwa 10 bzw. 0.5MHz gemessen wurden, während das Bezugszeichen C eine graphische Darstellung repräsentier!, die durch Subtraktion der Daten /? von den Daten .1 erhalten wurde. In jeder graphischen Darstellung .1. B und Γ sind die jeweils an der oberen Grenze, im mittleren AbschnittAs an example, Fig. 4 shows the relationships between the axial force and the frequency! "Which was actually measured for 50 ring gear adjusting bolts for automobiles by using ultrasonic frequencies of about 0.5MHz and about 10MHz. The natural frequency is plotted on the ordinate, while on The abscissa shows the readings of voltage testers or other mechanical devices that can measure the axial force in the object.In the diagram, the reference symbols -! and /? 0.5MHz were measured, while the reference symbol C represents a graphic representation, which was obtained by subtracting the data /? From the data .1 In each graphic representation .1, B and Γ are respectively at the upper limit, in the middle section
und an der unteren Grenze dieser graphischen Darstellung befindliehen Daten von drei repräsentativen Bolzen X, Y und Z mit o, .v bzw. ■ dargestellt.and at the lower limit of this graph, data from three representative bolts X, Y and Z are represented by o, .v and ■, respectively.
Es wird angenommen, daß die Schwankung des gemessenen Werts, beispielsweise der Werte von A', Y und Z, den Unregelmäßigkeiten in der Herstellung der Bolzen, wie Ungleichmäßigkeit der Länge, der Wärmcbehandlungsbcdingungen und Konzentration der Bestandteile des Bolzens zuzuschreiben sind. Eine solche Schwankungstcndenz wird in jedem Fall bcobachtcl, ob die Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa K)MHz verwendet wird, oder ob die Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 0,5 MHz verwendet wird. Daher kann durch Auftragen der Differenzen für jeden Bolzen zwischen den Werten, die bei Verwendung der Ultraschallanrcgungsfrcquenz von etwa K)MHz erhalten werden, und den Weiten, die bei Verwendung der Ultraschallanregiingsfrequenz von 0,5 MHz erhalten werden, die Schwankung herabgesetzt werden, wie dies durch die graphische Darstellung C in F i g. 4 gezeigt ist.It is believed that the variation in the measured value such as the values of A ', Y and Z is attributable to the irregularities in the manufacture of the billets such as unevenness in length, heat treatment conditions and component concentration of the billet. Such a fluctuation tendency is observed in each case whether the ultrasonic wave is used with a frequency of about K) MHz or whether the ultrasonic wave is used with a frequency of 0.5 MHz. Therefore, by plotting the differences for each bolt between the values obtained using the ultrasonic excitation frequency of about K) MHz and the widths obtained using the ultrasonic excitation frequency of 0.5 MHz, the fluctuation can be reduced, like this by graphic representation C in FIG. 4 is shown.
Durch Messung der Eigcnfrcqucnzcii eines Bolzens unter Verwendung der beiden Ultiasdiallanregungsfrequenzcn von etwa 10 und 0,5 MHz gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren, Berechnung der Differenz zwischen den gemessenen Werten der Eigenfrequenz und durch Vergleich der berechneten Differenz mit einer zuvor für den Bolzen ermittelten ten Eichkurve, die unter Verwendung eines Spannungsptüfers od. dgl. an Hand einer größeren Anzahl von Bolzen erhalten werden kann, kann daher der Wert der Axialkraft des Bolzens leicht ermittelt werden. Es kann also die Axialkraft des Bolzens in seinem eingebauten Zustand schnell, einfach und zerstörungsfrei bestimmt werden, ohne daß es nötig ist, die Eigenfrequenz des einzelnen Bolzens zu messen, bevor er angezogen wird.By measuring the properties of a bolt using the two ultimate excitation frequencies of about 10 and 0.5 MHz according to the procedure previously described, calculating the difference between the measured values of the natural frequency and by comparing the calculated difference with a calibration curve previously determined for the bolt, which was made using a stress tester Od. The like. Can be obtained on the basis of a larger number of bolts, can therefore the value of the axial force of the bolt can easily be determined. It can therefore reduce the axial force of the bolt in its installed state can be determined quickly, easily and non-destructively without the need to Measure the natural frequency of the individual bolt before it is tightened.
Wenn die Eigenfrequenz eines Bolzens vor seinem Einbau gemessen werden kann, d. h. in dem Zustand ohne Axialkraft (Axialkraft gleich Null), kann andercrseits die Axialkraft des Bolzens in seinem eingebauten Zustand leicht aus einer Eichkurve für den Bolzen bestimmt werden, indem das Änderungsverhällnis der Eigenfrequenz des Bolzens vor und nach dem Einbau berechnet wird. In diesem Fall kann die ermittelte Axialkral'l genauer erhalten werden, indem man die Eigenfrequenzen unter Verwendung einer Ultraschallwelle mit einer anregenden Frequenz (z. B. etwa 10 MHz) mißt, bei der das Eigcnfrequenzänderungsvcrhältnis gegenüber der Änderung der Axialkraft relativ groß ist.If the natural frequency of a bolt can be measured before it is installed, i. H. in that condition without axial force (axial force equal to zero), can on the other hand the axial force of the bolt in its installed state can easily be derived from a calibration curve for the Bolts are determined by changing the ratio of the natural frequency of the bolt before and after the installation is calculated. In this case, the determined Axialkral'l can be obtained more precisely by the natural frequencies using an ultrasonic wave with an exciting frequency (e.g. about 10 MHz), at which the ratio of the natural frequency change to the change in the axial force is relatively large.
F i g. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Eigenfrequenzändcrungsverhältnis und der sich ändernden Axialkraft.F i g. Fig. 5 is a graph showing the relationship between the natural frequency change ratio and the changing axial force.
Dieses Eigenfrcqucnzänderungsverhältnis wird in der Weise bestimmt, daß die Eigenfrequenz des Gegenstands unter Anwendung einer Ultrasehallanregungsfrequenz von etwa 10 MHz, bei der das zu bestimmende Frequenzänderungsverhältnis mit zunehmender Axialkraft stark zunimmt, bei einer Axialkraft Null und einer wirklich vorhandenen Axialkrafl bestimmt wird. Aus diesen beiden Meßwerten wird das Eigenfrequenzänderungsverhällnis bestimmt.This natural frequency change ratio is determined in such a way that the natural frequency of the object using an ultrasound excitation frequency of about 10 MHz, at which the to be determined Frequency change ratio increases sharply with increasing axial force, in the case of an axial force Zero and a really existing axial force is determined. These two measured values become determines the natural frequency change ratio.
Die dem Diagramm gemäß F i g. 5 zugrundeliegenden Werte wurden aus Messungen an 50 Ringradeinstellbolzen für Kraftfahrzeuge unter Verwendung einer IJltraschallanrcgungsfrequenz von 10 MHz und einem herkömmlichen Spannungsprüfer gewonnen. Die obere und die untere Kurve zeigen den Schwankungsbereich auf.The diagram according to FIG. 5 underlying values were obtained from measurements on 50 ring gear adjusting bolts for motor vehicles using an ultrasonic excitation frequency of 10 MHz and obtained with a conventional voltage tester. The upper and lower curves show the range of fluctuation on.
Vorstehend wurde zwar ein Verfahren zur Bestimmung der Axialkraft eines Bolzens od. dgl. unter Messung seiner Eigenfrequenzen beschrieben; es soll jedoch bemerkt werden, daß die Messung der Ausbreitungszeit genau die gleiche Bedeutung hat wie die Messung der Eigenfrequenz, da die Zeit T für die Hin- und Herbewegung einer Ultraschallwelle in einem Bolzen od. dgl. durch die folgende Formel ausgedrückt weiden kann:A method for determining the axial force of a bolt or the like was described above while measuring its natural frequencies; It should be noted, however, that the measurement of the propagation time has exactly the same meaning as the measurement of the natural frequency, since the time T for the reciprocating movement of an ultrasonic wave in a bolt or the like can be expressed by the following formula:
T = 2/ Iv = l/(v/2/) = W/ (8) T = 2 / Iv = l / (v / 2 /) = W / (8)
Die Axialkraft eines Bolzens od. dgl. kann also ebenso gut durch die Messung der Hin- und Herlaufzeit einer Ultraschallwelle in dem Bolzen od. dgl. bestimmt werden, d. h. die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, wenn die Ultraschallwelle von einem Ende de; Bolzens od. dgl. losläuft, bis zu dem Zeitpunkt, wenr sie nach Reflexion am anderen Ende zurückkehrt beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschall· Reflektoskops.The axial force of a bolt or the like can therefore just as well be measured by measuring the back and forth travel time an ultrasonic wave in the bolt or the like can be determined, d. H. the length of time from the point in time when the ultrasonic wave from one end de; Bolt or the like starts running until the point in time wenr it returns after reflection at the other end, for example using an ultrasound Reflectoscope.
509685/21509685/21
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (3)
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