含传感器的连接构件和其制备方法 |
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| 申请号 | CN201380010860.7 | 申请日 | 2013-03-19 | 公开(公告)号 | CN104169021B | 公开(公告)日 | 2016-04-06 |
| 申请人 | GLBS专利实行公司; | 发明人 | P·格罗彻; M·布莱恩尼斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基本上由单独支承结构(14)和至少一个 传感器 组件(10)组成的装置，其目的是制备具有一体化的传感器的连接构件，以用于检测拉紧过程期间和/或运行中的负荷以及其作用方向，其具有用于输出测量值的 接口 ，本发明还涉及用于制备该装置的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种由轴向地纵向支承结构(14)和传感器组件(10)组成的连接构件，其特征在于，该传感器组件能够测量所述连接构件中的轴向预应力，并被配置在至少呈区域性中空的支承结构的内部，并与信号传送设备相连接和与支承结构呈力配合相连接，其中，该力配合所需的力通过在支承结构(14)和传感器组件(10)并合时该支承结构塑性变形之后的内应力产生。 |
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| 说明书全文 | 含传感器的连接构件和其制备方法发明领域 [0001] 本发明涉及一种支承结构，其目的是一种连接构件，该构件具有用于检测负荷以及其作用方向的一体化的传感技术，并具有用于输出适于自动化信号处理的测量值的接口。该连接构件例如可以是螺栓、螺杆、螺纹棒、铆钉或地脚螺栓。此外，本发明还涉及通过塑性成型制备该装置的方法。 背景技术[0002] 在许多技术领域，如汽车制造或机械制造以及在钢结构中，在连接拉紧时需施加规定的安装力，以确保运行安全。为避免受损或事故，在连接件的整个寿期中需保持足够的预应力。但该预应力会由于运行负荷、温度交变或沉降效应而变化。此外，监测起作用的力特别是横向力对于监控该连接可能是值得追求的。横向力可由横向于连接构件的纵轴的运行负荷而产生。为可对该连接进行全面的负荷监测，必需至少测得轴向力和横向力，需要时还测得其它参量如该测量装置的温度或空气湿度。因为连接构件可用于许多应用中，所以低成本的制造是对这类产品的重要要求。 [0003] 为确保连接的支承能力，必需定期检测预应力。但在完成拉紧后，要耗费商业上通用的螺栓旋接工具。因此在许多应用领域中，通常是由员工定期维护该装置，而不知在拉紧工具中实际存在的预应力。在此，或利用经验推算的力再拉紧所有的螺栓旋接工具，或是预防性地更换所有的螺栓旋接工具，并经常用规定的紧固力矩来紧固。为避免过多的成本和提高连接的安全性，有利的是可按需要控制维护间隔。时间上呈固定间隔的维护周期的缺点是，该连接会在周期内失效。为可按需要做出响应，需监控该螺栓的轴向力。对此，己知各种监控设备和装置，下面对其进行探讨。 [0004] 一种以具有任选不同材料的多个单件的加成组合作为特征的差动结构方法在制造耗费和由此产生的成本方面通常是不利的。由技术角度看，基于差动结构方法的原理有许多缺点，其由在力线通量中的许多单件和由此产生的挠性以及由各个构件的制造公差的扩散所引起。 [0005] 原则上要区别，是否该测量元件或测量设备应检验、监控和/或记录该连接。在各种测量原理中，在利用和制备该连接的过程中要分析测量值。为此，需要源自测量装置的数据传输。自动化的分析能力与该测量设备的输出信号有关。 [0006] 一些装置可监控变化和预应力。因此在发明DE 000019854062C1中提出，其可外部记录测量值。该发明的缺点是，必需阻断该连接中的产生附加挠性的其它构件，在装配时需特别的措施和耗费，并且结构的复杂性高。 [0007] 在一般涉及用于测定和/或监控螺栓连接的预应力的装置的WO2011020454A1中，传感器产生与预应力值和/或与预应力变化有关的数据，并可用电子学分析。利用此原理时，该结构表明是不令人满意的，因为需高耗费地相互定位这些构件。 [0008] 从EP 000001764596A2中己知一种设备，其通过无线电技术传输测量结果。利用已存在的数据接口，这种方法适用于自动化分析。但该测量结构非常昂贵，并由此对成本不利。此外，该设备只限于测量预应力。 [0009] US 000004904132A的原理利用光学输出方法：在连接构件内张力变化时，置于螺栓头中的指示元件变色。在此，该连续监控表明是有问题的，并且不适宜于光学上独立的系统。 [0010] 在DE 000004421959A1中提出以目视控制螺栓装置，由此可不连续地检测该预应力。该解决方案似乎是不适用于连续的和自动化的分析。 [0011] 在US 020020054809A1中描述的发明基于用盘形弹簧的机械方法监控预应力，并在螺栓失效情况下，其输出光学上可读出的信号。该原理的缺点在于，必需阻断该连接中的产生附加挠性的其它构件，在装配时需要特别的措施和耗费，并且增加了结构的复杂性。 [0012] 原则上，用于监控连接中的夹紧力的不同的装置可分成三种：使用外设备、在连接中附加元件和检测连接构件内的夹紧力或直接在检测连接构件上的夹紧力。 [0013] 不仅已知可测量运行中的预应力的设备，而且还已知监控在拉紧过程期间在连接中存在的轴向力的设备。 [0014] 在发明DE 000019960040A1中，一旦在拉紧过程中达到所需的力，则该所述设备即输出信号。拉紧过程之后再去除该设备，并因此不再提供在连接构件上的测量。 [0015] 为通过设备监控运行中的夹紧力，从DE 102005002592A1已知一种装置，设装置可检测该旋紧工具的预应力。但该装置不会长期保持安装在螺栓连接上，此外还需操作员。 [0016] 此外，在EP 000001764596A2中描述了一种安置在螺栓头上的测量设备。基于液压设备和存在于该螺栓内的孔中的与轴向伸长呈比例移动的测量杆来检测应力变化。缺点在于该结构的复杂性以及该设备的尺寸，由此限制了其使用可能性。 [0017] 在使由附加的元件测量连接中的预应力变化时，该传感技术不直接一体化地整合在连接构件中或连接构件上。DE 000019854062C1描述了一种垫片，其用于螺栓头和工件之间或螺母和工件之间。通过电介质层的厚度变化和由此产生的电容变化测定所存在的预应力。该发明的缺点在于，必需阻断该连接中的产生附加挠性的其它构件，在装配时需要特别的措施和耗费，并且增加了结构的复杂性。 [0018] 在DE 102009043267A1中也使用类似的设计。该发明的缺点在于，该电容传感器本身未嵌入螺栓中，以使测量失真。 [0019] 在DE 000003934952A1中提出另一种监控装置，该装置包括力传感器，其接收在嵌入位置中的该连接构件的预应力，并毗邻该连接构件安装。该力传感器为弹簧装置形式，由配属的与弹簧行程有关的开关触点实现。在达到该连接构件的额定应力时，闭合开关触点。监控该开关位置以定期通过电检验回路控制预应力。该发明的缺点在于，必需阻断该连接中的产生附加挠性的其它构件，在装配时需要特别的措施和耗费，并且增加了结构的复杂性。 [0020] 因此，其中安装有用于在连接构件内或直接在连接构件上检测夹紧力的元件的装置是有利的。这类方法可参阅DE 102009060441A1。其缺点是表面上的敏感层。该敏感层在安装或运行时易于受损，这会导致测量值失真。 [0021] 从DE 102004038638B3中也己知一类具有用于检测轴向力的一体化的传感器的连接构件。整合在螺栓头中的具有压电特性的转换器检测在螺栓端上反射的超声波。该转换器本身也用作传感器，以接收所检测的声信号。在螺栓的轴向力变化时，该材料的超声渗透性发生变化，并由此可推论出还存在的预应力。其缺点是易受环境干扰。 [0022] DE 000019710960A1描述了一种固紧螺栓，其特征在于，该头端支承面涂有压电陶瓷即电绝缘的和导电的材料，并且该导电层在旋紧状态的可达位置是可接触的，其信号经电子学进一步处理。其缺点是表面上的敏感层。该敏感层在安装或运行时易于受损，这会导致测量值失真。 [0024] 在EP 000001933121A2中描述了一种具有一体化的传感技术的测力螺杆。但基于其所需许多单件和结构单元，所以是一种昂贵的结构。 [0025] 在DE 102004038638A2中描述用超声波测量机械应力，该超声波通过压电发生器产生。在螺栓中的剪应力改变该材料的超声波渗透性，这又可推论出应力状态。 [0026] 在螺栓中出现的剪切力也可另外借助于伸长测量带测算，如在DE102005004060A1中的原理所示。所提及的装置是测量螺栓。对固紧目的而言，使用这种原理的耗费似乎是过于高了。 [0027] DE 102006007385A1也借助于伸长测量带检测螺栓中出现的剪切力，然而不满足连接目的。 [0028] 在该发明中测力螺栓是较适用的，该测力螺栓也满足连接构件的目的，并且在此情况下应检测横向于连接轴的负荷。DE 000010111020A1描述了这种连接构件，其具有产生磁场的并与其呈一定间隔的磁敏元件。该所提出的连接构件特别适合用于检测在汽车底座上的作用力或机械应力。但这种连接构件的可承载性由其结构类型而降低，因为它在宽的区域上开槽。 [0029] DE 000010242256A1描述一种有螺纹的测力螺栓，并因此可用作连接构件。提供有测力套筒用于测力，该套筒整合在弹性的螺栓轴中。在剪切负荷下，在轴中产生拉/压应力，该应力由传感技术检测。其缺点是复杂的结构，这是由于所需的几何形状部件引起的。 发明内容[0030] 本发明的目的是提供一种具有传感器组件的支承结构，其可作为具有呈一体化传感技术的连接构件，以用于在该连接夹紧和/或运行时测取轴向负荷和/或横向负荷。同时应达到如市售固紧螺栓那样的类似可承载性。该传感器设计应可通过温度传感器和湿度传感器扩展，以校正对负荷测量的干扰影响。 [0031] 为防止在拉伸负荷下装配中各部件的间隙，在支承结构中的轴向预应力下，该传感器组件应是并合的。此外，在支承结构和传感器部件之间的接触区应呈现足够的接触面，以确保在各部件之间的力通量。 [0032] 该测量原理以及其余由信号传导和接口形成的组件均应能实现连续的信号传输。 [0033] 本发明的原理还应用于低成本地制备该支承结构。对传感器和其预应力所需的结构空间需求要小。 [0034] 为实现由支承结构和传感器组件组成的结构，还需一种制备方法，该方法可在支承结构和传感器组件之间整合(Integration)传感器组件以及力传送。该制备方法应能同时成型支承结构和嵌入传感器组件。 具体实施方式[0035] 本发明中所提出的结构主要由纵向的支承结构(14)和传感器组件(10)组成。该支承结构(14)的目的是用作连接构件。该支承结构(14)的端部由螺纹区(1)以及头部件(7)或另一螺纹区(1)或另一头部件组成。此外，在传感器组件(10)内还整合有弹性区(2)。传感器组件(10)位于该支承结构(14)的副力通量(Nebenkraftfluss)中，并在内部呈同轴配置。为更好地利由这种简单结构的优点，在支承结构(14)的制备过程中，应对传感器组件(10)进行整合。该传感器组件(10)的目的是测量在连接构件中有效的轴向预应力以及出现的横向力。为能进行连续监控，提出信号传导(8)的设计。此外，该连接构件可围绕塑性伸展区(6)扩展。 [0036] 为以成型工艺制备法制备支承结构(14)，需要用工具或工具块在径向方向对支承结构(14)发生作用，以产生在轴向方向的下切口(Hinterschnitte)以用于在支承结构(14)内部容纳传感器组件(10)。在此该成型力不可超过该支承结构(14)的可应变性能。在该支承结构(14)塑化加工时，使传感器组件(10)整合成使得在支承结构(14)和传感器组件(10)之间产生组合的力配合(Kraftschluss)和形配合(Formschluss)。这通过成型过程后在室温时产生的内应力和/或通过在制备支承结构(14)时通过外部加热和/或通过过程热对支承结构(14)的局部或整体的附加加热和接着通过冷却的收缩来实现，收缩通过在支承结构(14)上形成的下切口和通过在此位置传感器组件(10)的存在而阻滞。通过传感器组件(10)和支承结构(14)上的接触几何形状角(Winkel der Kontaktgeometrie)(26)可合适调节源自内应力所产生的轴向拉应力(19)和制备过程中的传感器组件的应力。对给定的几何情况和负荷情况，最合适的角度(26)可用己建立的力学方法如有限元方法来测定。此外，该方法还可在并合至支承结构(14)的过程中提供轴向力(25)的叠加，以在过程后产生和加强支承结构中的拉伸内应力(19)。在支承结构(14)中的轴向拉应力和由此对传感器组件(10)的预应力通常是通过在并合过程中的轴向拉应力(25)而增强的。 [0037] 按本发明，该测量值可用于螺栓连接的拉紧过程中，也可用于运行中。特别有利的是无需在结构上进行改型。 [0038] 该简单结构的另一特殊的优点是该装置的可刻度性。由此，量值和测量范围可按需适配，因为无需附加部件。 [0039] 可对支承结构(14)进行内部穿孔(9)。由此提高了该支承结构(14的可塑性，并由此提高了作业能力。此外，该弹性区(2)还包含在交变应力情况下的预应力。如果在运行中或在该连接的拉紧期间对支承结构(14)施加拉伸方向的纵向力，则该弹性伸展区还保证在纵向不出现不许可的拉长或塑化，由此在拉力加载期间和之后可保持支承结构(14)和传感器组件(10)的预应力。 [0040] 该传感器组件(10)由用于检测负荷的常用结构组成，由有关的教科书已知这些结构，如 Hoffmann：Handbuch der Messtechnik.Carl Hanser,München 2007(3版).ISBN 978-3-446-40750-3或Karl-heinrich Grote, Feldhusen(出版)：Dubbel-Taschenbuch für den Maschinenbau.23版.Springer,Berlin 2011。提出了在支架上使用例如伸长测量带。以类似的形式也可将支承环(17)呈嵌入地配置在保护罩(16)中。也可采用将机械负荷转换成电参量的其它的测量原理，如电容式、压阻式或压电式原理，并可替代电阻式测量原理。该传感器设计可增补以温度传感器和湿度传感器，以校正负荷测量时可能的干扰影响。该传感器组件特别是构造成用于检测机械测量值和/或热测量值。 [0041] 按本发明，该传感器体(10)位于该连接构件的副力通量中，并由此直接受支承结构(14)的负荷条件的变化影响。因此，该测量技术部位是在该支承结构(14)的中心。由此也可保护该传感器组件。为了更好地利用该结构的优点，该传感器组件(10)呈力配合和形状配合相结合地整合进支承结构(14)中。由此，可确保支承结构(14)和传感器组件(10)之间在连接轴方向和横向于该轴的方向的力传送。 [0042] 实施例 [0044] 图1示出该设计中的支承结构(14)，其具有头部件(7)、与过渡区(5)相连的弹性伸展区(2)和塑性伸展区(6)，以及具有螺纹区(1)。该头部件可设计成具有外六角形、内六角形、槽形、十字槽形或任何另外的内形状和外形状的固紧辅助件。为提高连接构件的刚性和由此提高可承载性，该弹性区交替地配备开槽区(4)和光滑区(3)，以利用凹槽固紧效应。如果在该连接的运行或在张紧期间对支承结构(14)施加纵向力，则该弹性伸展区保证在纵向不出现不许可的拉长或塑化，由此在拉力加载期间和之后可保支承结构(14)和传感器组件(10)的预应力。为信号传送，提出采用电缆连接(8)。 [0045] 图2示出图1所述设计的截面。该连接构件的纵轴中提供有孔(9)。该一体化的传感器组件(10)与其同轴配置在弹性区(2)内。 [0046] 图3示出该设计中的支承结构(14)，其具有与过渡区(5)相连的弹性伸展区(2)和塑性伸展区(6)，其中该弹性伸展区(2)是不开槽的。其它部件相应于其它上述的设计。 [0047] 图4示出图3所示设计的截面。该结构内部与图2所示的设计一致。 [0048] 图5示出该设计中的支承结构(14)，其具有头部件(7)、弹性伸展区(2)和螺纹区(1)。在该连接构件的纵轴中提供有孔(9)。该一体化的传感器组件(10)与其同轴配置在弹性区(2)内。此处所提出的设计与其它上述设计相比的明显点是，未提供弹性伸展区。通过这种设计的尺寸和性能，其适合用作车轮固定螺栓。 [0049] 图6中提出的设计与其它上述设计相比的明显点是，该支承结构(14)仅是局域性中空。这种设计的预成形例如可通过杯形件反挤压制备。 [0050] 图7示出该设计中的支承结构(14)，其具有两个螺纹区(1)和一个弹性伸展区(2)，其中弹性伸展区(2)是不开槽的。其它部件相应于其它上述的设计。此外，提出无线方法用于信号传送。所需部件是用于转换该无线电信号的电路(22)以及用于发射的天线(21)。 [0051] 图8示出该设计中的支承结构(14)，其具有两个螺纹区(1)和一个弹性伸展区(2)，其中弹性伸展区(2)是开槽的，用于通过连贯的螺纹(1)的凹槽固紧效应以提高可承载性。其它部件相应于其它上述的设计。此外，提出光学方法用于信号传送。所需部件是用于转换成光学电信号的电路(24)以及光波导体。 [0052] 图9示出一种设计，其中为信号传送的电缆连接(8)提供了张力减轻件(11)。该张力减轻件是在支承结构(14)的制备期间制造的。此外，借此将该连接构件单向密封。其它部件相应于其它上述的设计。 [0053] 图10示出一种设计，其中在支承结构(14)的端部装配用于信号传送的接口(15)。 [0054] 图11示出一种设计，其中在螺栓端还使用密封球(12)。由此可单向密封该连接构件，或按图9和图10的设计，也可双向密封该连接构件。其它部件相应于其它上述的设计。此外，还提出由两个保护罩(16)和一个支承环(17)共同构成传感器组件(10)。 [0055] 为校正该传感器组件(10)的由热感生的测量信号，按图12的方案，采用温度传感器(13)。该传感器用于测量传感器组件(10)的高度上的温度。该结构对运行中该连接构件的均匀加热是适用的。所提出的结构也可用于其它上述的设计中。 [0056] 类似于按图12的方案，图13的方案采用温度传感器，以可校正由热感生的测量信号对传感器组件(10)的影响。运行中在该连接构件延纵轴不均匀加热的情况下，检测在螺纹区(1)高度上的温度和头部件(7)高度上的温度。所提出的结构也可用于其它上述的设计中。 [0057] 图14的方案中，提供了该支承结构的初始几何形状和工具块(20)的装置，以如下面图14所提出的呈径向作用在支承结构(14)上，借此产生用于在支承结构(14)内部容纳传感器组件(10)的下切口和接触区(18)。这种工艺过程己知类似于圆塑形。重要的是在过程之后在标志区中的轴向预应力(19)的存在，该预应力在塑化期间由于有或无所叠加的纵向力(25)的塑化作用通过内应力引入或/和通过该支承结构(14)的热收缩引入，通过在支承结构(14)上形成的下切口和通过在该位置上的传感器组件(10)的存在所阻滞(blockiert)，以由此达到该传感器组件的预应力。同样也是重要的是，在支承结构(14)和传感器组件(10)之间的接触区(18)中的相应几何形状，用于力传递。该接触区特别是通过初始几何形状确定。特别是在传感器组件(10)和支承结构(14)上的接触几何形状角(26)，它在制备过程中对由内应力产生的轴向应力(19)和对传感器组件的应变有影响。 [0058] 标号表： [0059] 1 螺纹区 [0060] 2 弹性伸展区 [0061] 3 不开槽的弹性伸展区 [0062] 4 开槽的弹性伸展区 [0063] 5 过渡区 [0064] 6 塑性伸展区 [0065] 7 头部件 [0066] 8 信号传送电缆 [0067] 9 孔(在螺栓中的空腔) [0068] 10 传感器组件 [0069] 11 密封环 [0070] 12 密封球 [0071] 13 温度传感器 [0072] 14 支承结构 [0073] 15 信号传送的接口位置(在图示中未划出) [0074] 16 保护罩 [0075] 17 支承环 [0076] 18 接触区 [0077] 19 具有轴向内应力的区 [0078] 20 工具块 [0079] 21 天线 [0080] 22 无线数据传输电路 [0081] 23 光波导体 [0082] 24 转换成用于数据传输的光学信号的电路 [0083] 25 轴向力 [0084] 26 接触几何形状角 |
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