专利名称：用于指示一个紧固元件是否已达到拉伸屈服极限负荷的设备及方法
技术领域：
本发明涉及用于指示一个紧固元件在零件中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的一种设备及方法。这个紧固元件包括ー个螺纹轴，该螺纹轴包括一种磁致伸縮材料。
现有技术在将紧固元件紧固在零件中时，紧固元件与零件之间的摩擦力的影响导致仅能粗略地评估该紧固元件中的应力。如果该紧固元件被加载达到ー个过高的应力，那么这个紧固元件可能会变弱或被断裂。由于该紧固元件的应カ的不确定性，有必要使该紧固元件以最佳负荷的安全边距(safetymarginal)来紧固。因此，该紧固元件没有得到最佳地使用，这导致有必要使紧固元件的尺寸更厚或数量更多。较厚尺寸的紧固元件或数量更多的紧固元件随后导致了包括该紧固元件和该零件的一个结构的重量増加。在许多应用中，限制这个结构的重量是重要的。例如，当在如汽车、火车、飞机等的运输结构中使用紧固元件时，结构的重量増加会导致操作成本的増加。同样重要的是，通过用足够高而将该结构以安全方式保持在一起的应カ来对紧固元件进行紧固。用于测量这些紧固元件中的应カ的已知方法是基于通过ー个发射器将超声信号从紧固元件的扭转头发送到该紧固元件的轴的末端，其中该信号在该紧固元件的轴的末端被反射。这个方法具有以下缺点该发射器与该紧固元件的扭转头必须以物理方式相互接触并且接触装置(如凝胶或类似物)是必需的以便获得充足的信号传递。由此，很难在紧固元件的转动状态下对该紧固元件中的应カ进行測量。此外，可能有必要使用该紧固元件的轴的经专门设计的末端，以便获得充足的信号响应。用于测量包括磁致伸縮材料的ー个轴的单轴线拉伸屈服极限负荷的方法是已知的。该方法是基于识别磁化率的最大值，该最大值与该单轴线拉伸屈服极限负荷相对应。这种方法另一方面并不适用于为确定拉伸屈服极限负荷的多轴应カ条件，例如在将包括拉伸和扭转应力的一个紧固元件进行紧固时，这是因为磁化率的最大值并不与该多轴拉伸屈服极限负荷相对应。文件JP56019423涉及用于确定一个被紧固在结构中的螺钉中的轴向カ的ー种设备。这个确定是基于对通过螺钉头部中的压缩应カ而形成的磁性变化的測量。发明概述本发明的第一目的在于提供用于指示一个紧固元件在零件中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的一种设备及方法。本发明的第二目的在于提供用于依赖于拉伸屈服极限负荷而控制ー个紧固元件的紧固的一种设备及方法。本发明的第三目的在于提供用于将紧固元件紧固达到最佳负荷的一种设备及方法。该第一目的是通过根据权利要求I的前序部分所述的ー种设备实现的，并且特征在于该设备包括用于产生穿透该轴的交变磁场的装置，用于测量一个依赖于该轴的瞬时磁化率的物理量的装置，其中用于测量该物理量的装置被适配成在该磁场穿透该轴后暴露于所述磁场中，一个控制单元，该控制单元被适配成接收所述物理量的测量值并检测该物理量的显著变化，其中该控制单元被适配成基于该显著变化来确定并指示该紧固元件的轴是否已达到拉伸屈服极限负荷。在包括磁致伸缩材料的紧固元件的轴中的应力发生变化时，该轴的瞬时磁化率发生变化。所产生的磁场在穿透该轴时受到该轴的瞬时磁化率的影响。用于测量物理量的装置在该磁场穿透该轴后暴露于该磁场中、并且被适配成测量该物理量，该物理量依赖于该轴的瞬时磁化率。该控制单元被适配成从用于测量该物理量的装置接收该物理量的测量值并检测该物理量的显著变化。该物理量的显著变化与该紧固元件的轴的拉伸屈服极限负荷相对应。当检测到该物理量的显著变化时，该控制单元被适配成指示该紧固元件已达到拉伸屈服极限负荷。
术语“拉伸屈服极限负荷”涉及当该紧固元件的轴的材料从弹性状态转变为塑性状态时的负荷。术语“瞬时磁化率”，通常用希腊字母X表示，涉及描述了一种材料在外磁场中变得有多么磁性的一个材料特性。对于磁致伸缩材料来说，瞬时磁化率受到该材料中的应力的影响。该设备具有以下优点指示该拉伸屈服极限负荷并不必须要与该紧固元件的物理接触。由此，可以在将该紧固元件紧固在零件中的过程中指示该拉伸屈服极限负荷。通过这个设备，有可能避免该紧固元件被紧固达到会导致该紧固元件变弱或断裂的一个负荷。此夕卜，降低了该紧固元件被紧固达到对于将该结构保持在一起而言过低的应力的风险。基于关于拉伸屈服极限负荷的信息，有可能使紧固元件在零件中的紧固最优化。由此，有可能减少包括该紧固元件和该零件的一个结构的重量。在所有类型的、带有包括磁致伸缩材料的一个轴的紧固元件上都可以使用这个设备。根据本发明的一个实施方案，相对于该轴的应变来检测该物理量的显著变化。根据本发明的一个实施方案，基于该紧固元件或一个螺纹紧固安装元件的转动以及所述螺纹轴或紧固安装元件的螺纹间距来确定该轴的应变。术语“螺纹间距”涉及在该紧固元件的特定转动下该轴或该紧固安装元件在轴向方向上的位移程度。在紧固元件的不同变体和紧固安装元件的不同变体之间，螺纹间距有所不同。该紧固安装元件是例如在转动时会对该紧固元件的轴中的应力产生影响的一个螺栓或类似元件。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成相对于该轴的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率，其中当该物理量的这个大体上恒定的变化率的变化超过了一个第一特定值时，检测该物理量的所述显著变化。该物理量的大体上恒定的变化率至少在弹性状态的一部分的过程中存在，一直到该紧固元件的拉伸屈服极限负荷为止。在该拉伸屈服极限负荷下，出现该物理量的显著变化，这个变化从该大体上恒定的变化率偏离。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成当该物理量已经从初值或最大值中的任一个出现绝对变化时检测该物理量的显著变化。
对于紧固元件的不同变体(例如具有不同强度、长度、几何形状、尺寸等等的紧固元件)来说，在拉伸屈服极限负荷下、基于该物理量的绝对变化，该物理量的显著变化是不同的。根据本发明的一个实施方案，该紧固元件是以恒定的或大体上恒定的转动速度被紧固的，其中相对于用于紧固该紧固元件的时间来检测该物理量的显著变化。在恒定的转动速度下，该紧固元件的轴的应力依赖于紧固的时间。根据本发明的一个实施方案，用于测量该物理量的装置是被适配成在磁场穿透该轴后暴露于所述磁场中的一个传感器元件，其中所述物理量为该传感器元件的电阻和电感中的至少一个。该传感器元件的电阻和电感依赖于该轴的瞬时磁化率。根据本发明的一个实施方案，该传感器元件被适配成当该紧固元件的扭转头受到一个扭转力影响时至少部分地围绕该扭转头。 根据本发明的一个实施方案，该传感器元件是一个感应式部件，例如线圈。该感应式部件被适配成在暴露于交变磁场中时感应出电流，该电流被该控制单元检测到。根据本发明的一个实施方案，该用于产生交变磁场的装置被适配成接收具有的频率在IHz与IMHz之间、优选地在28Hz与350Hz之间的一个交变电流，在该交变电流中了产生所述交变磁场。根据本发明的一个实施方案，该用于产生交变磁场的装置是一个感应式部件，例如线圈，该感应式部件被适配成当该紧固元件的扭转头受一个扭转力影响时至少部分地围绕该扭转头。根据本发明的一个实施方案，该感应式部件是基于传感器的霍尔效应和磁阻效应之一来检测磁场的一个磁场传感器。根据本发明的一个实施方案，该设备包括用于产生穿透该轴的静磁场的装置。通过该静磁场，增强了该物理量的显著变化，其中促进了对该物理量的显著变化的检测。本发明的第二目的是通过根据权利要求11所述的本发明的一个实施方案提供的，其中该设备包括被适配成将一个扭转力传递到该紧固元件或螺纹紧固安装元件上的一个扭转传递单元，其中该扭转传递单元被适配成通过该控制单元、依赖于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示而受控制。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成在已达到的拉伸屈服极限负荷的指示下使该扭转传递单元中断将扭转力传递到该紧固元件。由此，防止了该紧固元件被加载成塑性状态。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成在根据RpO. 2极限的拉伸屈服极限负荷的指示下使该扭转传递单元中断将扭转力传递到该紧固元件上。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成存储关于特定紧固元件已达到拉伸屈服极限负荷的信息。本发明的第三目的是通过根据权利要求12所述的本发明的一个实施方案提供的，其中该扭转传递单元被适配成基于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示而使该紧固元件转动，这样使得该紧固元件的负荷通过特定的校正值被校正。拉伸屈服极限负荷被用作用特定校正值来校正该紧固元件在零件中的负荷的一个参考。通过这个校正，有可能用特定校正值将该紧固元件从拉伸屈服极限负荷加载至塑性状态或用该特定校正值使其进入弹性状态。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成存储对于特定的紧固元件用特定校正值从该拉伸屈服极限负荷进行所述校正的信息。根据本发明的一个实施方案，该控制单元被适配成接收所述物理量的测量值并存储在该紧固元件的紧固终止时该物理量的信息。在拉伸屈服极限负荷下或在用特定校正值从拉伸屈服极限负荷对该紧固元件的应力进行校正后，终止对该紧固元件的紧固。根据本发明的一个实施方案，该设备被适配成在对该紧固元件的紧固终止后，通过该用于产生交变磁场的装置来产生穿透该紧固元件的轴的一个交变磁场，通过用于测量 该物理量的装置来测量依赖于该轴的瞬时磁化率的这个物理量，将该紧固元件紧固时的这个物理量与紧固终止一段时间后的该物理量相比较，并且通过该控制单元来确定该物理量的变化是否超过了特定的控制值，其中该控制单元被适配成当该物理量超过了针对这个变化的特定控制值时则指示该变化超过了这个特定控制值。在对该紧固元件的紧固终止一段时间后，例如，几个月或几年后，该紧固元件中的应力可能会由于零件中的运动、零件中的材料或紧固元件的屈服等等而减少。通过将在紧固终止时的该依赖于瞬时磁化率的物理量与紧固终止一段时间后的瞬时磁化率进行比较，有可能检测到该紧固元件的应力的变化。由此，有可能检测到该紧固元件在紧固终止一段时间后没有足够高的应力。前述目的还通过根据权利要求12至15所述的一种方法实现。根据权利要求12所述的方法包括以下步骤产生穿透该轴的交变磁场，测量一个依赖于该轴的瞬时磁化率的物理量，检测该物理量的显著变化，基于该物理量的显著变化来确定该紧固元件的轴是否已达到拉伸屈服极限负荷，并且依赖于所述确定来指示该紧固元件已达到拉伸屈服极限负荷。根据本发明的一个实施方案，该方法包括以下步骤相对于该轴的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率，并且当从该物理量的大体上恒定的变化率的偏离达到或超过了一个第一特定值时，检测该物理量的所述显著变化。根据本发明的一个实施方案，该方法包括以下步骤识别该物理量从所述物理量的初值或最大值中的任一个起的绝对变化，当该物理量的绝对变化达到一个第一特定值时，检测该物理量的所述显著变化。根据本发明的一个实施方案，该方法包括确定该轴的应变，相对于该轴的增加的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率，在将该应变表示在第一轴线上而将该物理量表示在第二轴线上的一个图表中确立一条线，使得这条线起始于该第一轴线上的一个特定偏移后的应变值并且以所述已识别出的恒定的变化率延伸，当所测量的物理量与所确立的线以一个特定误差容限相交时，检测该物理量的所述显著变化，并且如果所测量的物理量与所确立的线以该特定误差容限相交，则指示该紧固元件已达到该偏移后的拉伸屈服极限负荷。在某些情况下，由于没有很好地限定屈服点，因此根据应力-应变曲线的形状很难确定拉伸屈服极限负荷。在这种情况下，可以相对于偏移后的应变(例如，0%、1%或0%、2%的应变)、基于该物理量(优选为电感)的恒定变化率来限定该拉伸屈服极限负荷。当所测量的物理量与所确定的应变的一个点与在表示应变对物理量的图表中所确立的线相交时，检测该显著变化。在所确定的应变下的所测量的物理量的相交点是以一个误差容限来检测的，该误差容限对应于在所确定的应变下测量的物理量与所确立的线上的相应应变下的 该线上的这个物理量之间的差是小于第二特定值。相比于从该物理量的大体上恒定的变化率的偏离，使用偏移后的应变来确定该显著变化对于确定并指示该紧固元件已达到拉伸屈服极限负荷而言提供了改善的可靠性。术语“恒定的变化率”指的是物理量的测量值关于所确定的应变的斜率。根据本发明的一个实施方案，该方法包括当在所确定的应变下的所测量的物理量、与在所确立的线上的相应应变下这条所确立的线上的该物理量的值之间的差小于一个第二特定值时，检测该物理量的所述显著变化，并且如果所述差小于该第二特定值，则指示该紧固元件已达到偏移后的拉伸屈服极限负荷。根据本发明的一个实施方案，该方法包括当所测量的物理量的应变与在所确立的线上的相应值下所确立的线上的物理量的值之间的差小于一个第三特定值时，检测该物理量的所述显著变化，并且如果所述差小于该第三特定值，则指示该紧固元件已达到偏移后的拉伸屈服极限负荷。根据本发明的一个实施方案，该方法包括基于该紧固元件或一个螺纹紧固安装元件的转动以及所述螺纹轴或紧固安装元件的螺纹间距来确定该轴的应变。根据本发明的一个实施方案，该方法包括依赖于对该紧固元件已达到拉伸屈服极限负荷的指示来终止对该紧固元件的紧固。根据本发明的一个实施方案，该方法包括以下步骤基于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示来使该紧固元件转动，这样使得该紧固元件的负荷用一个特定校正值被校正。
现将通过对本发明的不同实施方案的描述并且参考附图对本发明进行解释。图Ia披露了根据本发明的一个实施方案的一种设备。图Ib披露了图Ia中所披露的设备的一部分的放大图。图Ic披露了针对根据本发明第一实施方案的一种方法的框图。
图2a披露了基于电感倒数来检测一个物理量的显著变化的一个图表的实例。图2b披露了基于电感来检测物理量的显著变化的一个图表的实例。图3a披露了基于电感来检测物理量的显著变化的一个图表的实例。图3b披露了基于电阻来检测物理量的显著变化的另一个实例。
图4披露了指示出紧固元件的扭转角、紧固力与应变之间的依赖关系的一个图表。图5披露了指不出线圈的电感和电阻与交变磁场的频率之间的依赖关系的一个图表。图6披露了基于根据本发明第二实施方案的一种方法的框图。图7a披露了基于电感和偏移后的应变来检测显著变化的一个图表的实例。图7b披露了图7a的一部分的放大图，在这个部分检测该显著变化。本发明优选实施方案的详细说明图Ia披露了用于确定并指示一个紧固元件3在零件5中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的一种设备I的截面。图Ib披露了图Ia中示出的设备I的一部分的放大图。因此，在对紧固元件3进行紧固的过程中，实时进行对拉伸屈服极限的确定和指示。紧固元件3包括一个螺纹轴7，该螺纹轴包括一种磁致伸缩材料。紧固元件3可以例如是一个螺钉或类似的螺纹元件。螺纹轴7包括一种磁致伸缩材料，这种材料的磁特性受到材料中的机械应力的影响。这种磁致伸缩材料包括例如铁或镍的不同合金。紧固元件3具有一个扭转头8，该扭转头与螺纹轴7相连接以用于接收一个扭转力。设备I包括用于产生穿透该轴7和扭转头8的交变磁场的装置9、12。在该图中所披露的实施方案中，用于产生交变磁场的装置包括一个第一线圈9，该第一线圈被提供了来自一个第一电流供应单元12的交变电流。第一线圈9定位在扭转头8周围，而不与扭转头8接触。现在位于第一线圈9与扭转头8之间的是一个空气隙，并且一个外部扭转凹座13被适配成将一个扭转力传递到扭转头8。设备I包括用于测量一个依赖于该轴7的瞬时磁化率的物理量的装置9、14。用于测量该物理量的装置包括被适配成受该交变磁场影响的一个传感器元件。在图Ia和图Ib中，该传感器元件是线圈，在这种情况下是第一线圈9。第一线圈9被适配成在该磁场穿透该轴7后暴露于该交变磁场中。用于测量该物理量的装置还包括一个测量单元14，该测量单元被适配成测量在第一线圈9暴露于该交变磁场后在第一线圈9中出现的物理量。该物理量例如是第一线圈9的电感和电阻。测量单元14被适配成基于因交变磁场而在第一线圈9中感应出的电流来测量该物理量。因此在所披露的实施方案中，用于产生交变磁场的装置9、12和用于测量该物理量的装置9、14是相同的第一线圈9。在另一个实施方案中，用于产生交变磁场的装置9，12和用于测量该物理量的装置9、14是不同的线圈。设备I包括一个控制单元16,该控制单元被适配成接收来自测量单元14的物理量测量值。控制单元16被适配成基于所接收到的物理量测量值来检测该物理量的显著变化。控制单元16被适配成在检测该显著变化时确定并指示该紧固元件3的轴7是否已达到拉伸屈服极限负荷。拉伸屈服极限负荷的指示可以例如通过一个指示装置18(例如，灯、扬声器或类似的指示装置18)来实现。
设备I包括被适配成将一个扭转力传递到紧固元件3的扭转头8上的一个扭转传递单元19。该扭转力是通过一个扭转凹座13进行传递的。根据本发明的一个实施方案，拉伸屈服极限负荷的指示是通过以下方式实现的控制单元16将一个停止信号发射到该扭转传递单元19，其中扭转力从扭转传递单元19到该紧固元件的扭转头8的传递被中断。在另一个实施方案中，拉伸屈服极限负荷的指示是通过以下方式实现的控制单元16将一个指示信号发射到该扭转传递单元19，该指示信号引起该扭转传递单元19将一个扭转力传递到紧固元件3的扭转头8，这样使得紧固元件3的负荷用一个特定校正值从该拉伸屈服极限负荷被校正。因此，控制单元16被适配成依赖于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示来控制该扭转传递单元将扭转力传递到紧固元件3的扭转头8。由此，控制单元16被适配成用一个特定校正值来校正已达到的拉伸屈服极限负荷。紧固元件3可以用特定校正值从拉伸屈服极限负荷被校正，这样使得紧固元件3恢复为弹性状态或使得紧固元件3进入塑性状态。设备I包括用于产生穿透轴7的静磁场的装置20、22。该静磁场是例如通过围绕紧固元件3的扭转头8的一个第二线圈20产生的。该第二线圈20产生该静磁场，通过该静磁场，一个第二电流供应单元22对该第二线圈20提供直流电。第二线圈20定位在第一线圈9周围。扭转头8在大体上与零件5的表面平行的一个平面中延伸。将第一线圈9基本上安排在所述平面中。以同样的方式，将第二线圈20基本上安排在该平面中。由此，所产生的交变磁场和静磁场穿透了该紧固元件3的轴7。第一线圈9被适配成接收具有的频率在IHz与IMHz之间、优选地在28Hz与350Hz之间的交变电流，以用于产生该交变磁场。在所产生的交变磁场的过高频率下，该磁场由于所谓的集肤效应而无法穿透该紧固元件3的表面。因此，在过高的频率下检测该紧固元件3的拉伸屈服极限负荷是不可能的。图Ic披露了用于在对紧固元件3进行紧固时确定拉伸屈服极限负荷的一种方法的框图。该方法被适配成在对紧固元件3进行紧固的过程中被连续使用。该方法的框30包括产生穿透该紧固元件3的轴7的交变磁场。由此，该磁场受到该紧固元件3的轴7的磁致伸缩特性的影响。在框32中，该方法包括测量一个依赖于该紧固兀件3的轴7的瞬时磁化率的物理量。该物理量例如是第一线圈9的电阻或电感。在框34中，该方法包括检测该物理量的显著变化。在该方法的一个实施方案中，对该物理量的显著变化的检测是通过以下方式实现的相对于紧固元件3的轴7的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率、并且识别从该物理量的大体上恒定的变化率的偏离。在该方法的另一个实施方案中，对该物理量的显著变化的检测是通过基于一个物理量的初值或最大值来检测该物理量的绝对变化而实现的。 在框36中，该方法包括基于该物理量的显著变化来确定该紧固元件的轴7是否已达到拉伸屈服极限负荷。在确定该紧固元件3已达到拉伸屈服极限负荷时，该方法包括根据框38来指示已达到了拉伸屈服极限负荷。根据本发明的一个实施方案，这种指示包括传递一个指示信号，在框40中该指示信号启动了对紧固元件3的负荷的校正。
在缺乏对已达到拉伸屈服极限负荷的确定时，该方法从框30开始重复进行。因此，该方法被适配成迭代进行直到指示出该拉伸屈服极限负荷。图2a、 图2b、图3a以及图3b披露了控制单元16检测该物理量的显著变化的多个不同实施方案。图2a披露了基于电感倒数和紧固力与紧固兀件3的应变的一个图表。在图2a中，通过相对于紧固元件3的轴7的应变来识别电感倒数的大体上恒定的变化，以检测物理量电感倒数的显著变化。当从物理量电感倒数的大体上恒定的变化率的偏离超过了一个第一特定值时，检测物理量电感倒数的显著变化。在图2a中看到了相对于从大约O. 3%的应变一直到大约I. 0%的应变，电感倒数的连续变化率。通过一条点线表示这个连续的变化率。当紧固元件3以弹性状态存在时，这个连续的变化率与紧固力相对于应变的连续变化率相对应。在约百分之一的应变下，电感倒数相对于应变的连续变化率出现偏离并且开始一个新的变化率。通过一条点虚线画出这个偏离的变化率，该变化率慢于初始识别出的变化率。该偏离的变化率不一定需要是连续的。在图2a中，也画出了相对于应变的紧固力。可以看出，该电感倒数的大体上恒定的变化率的偏离与从弹性状态到塑性状态的转换(也就是说是该紧固元件3的拉伸屈服极限负荷)相对应。以与图2a中类似的方式，图2b披露了一个图表,其中不出了相对于应变的物理量电感和相对于应变的紧固力。对物理量电感的显著变化的确定是以相应的方式实现的。图3a披露了电感和紧固力与紧固元件3的应变的图表。在图3a中，物理量电感的显著变化是通过基于初值或最大值来识别电感的绝对变化而检测的。物理量电感从初值或最大值起的绝对变化依赖于紧固元件的类型以及拉伸屈服极限的定义。在图3a中，示出了对于特定类型的紧固元件、基于从初值到拉伸屈服极限负荷RpO. 01和RpO. 2的四个不同的信号变化(标记为a、b、c、d)对该显著变化的检测。对于信号变化a和b来说，物理量电感的显著变化是基于该物理量的初值。对于信号变化c和d来说，该电感的显著变化是基于该物理量的最大值。对拉伸屈服极限负荷存在不同定义，例如，RpO. 01和RpO. 2。对于信号变化a和c来说，对物理量电感的显著变化的检测是针对类型RpO. 01的拉伸屈服极限负荷实现的。对于信号变化b和d来说，对物理量电感的显著变化的检测是针对类型RpO. 2的拉伸屈服极限负荷实现的。以如图3b中所示相同的方式，示出了对物理量电阻相对于应变的显著变化的检测。对物理量电阻的显著变化的检测对于信号变化a'和b'来说是根据物理量电阻的初值实现的，并且对于信号变化c'和d'来说是根据物理量电阻的最小值实现的。对物理量电阻的显著变化的检测是以与根据图3a的确定相对应的方式实现的。图4披露了呈现出紧固元件3的扭转角、紧固力与应变之间的依赖关系的一个图表。轴7的应变是基于紧固元件3或一个紧固安装元件以一个扭转角度进行的扭转而确定的。这个扭转与紧固元件3的轴7的应变和紧固力相对应。在紧固元件3的扭转角、紧固力与应变之间的依赖关系依赖于螺纹轴或紧固安装元件的螺纹间距。该紧固安装元件(在图中未披露)是例如一个螺栓或类似元件，该螺栓或类似元件在转动时被压向零件5，这导致紧固元件3的轴7的应力增加。图5披露了当线圈9被定位成与紧固元件3相连接时，电感和电阻如何随频率而变化。例如，将线圈9定位在扭转头8上方。线圈9产生对紧固元件3的扭转头8和轴7造成影响的一个交变磁场，该扭转头8和轴7进而对线圈9的电感和电阻造成影响。图5相应地披露了通过线圈9测量的来自紧固元件3的响应。在交变磁场的频率增加的情况下，线圈9的电阻和电感减小，反之亦然。在紧固元件3附近、例如在紧固元件3的扭转头8处测量线圈9的电阻抗。线圈9的电阻抗可以被描述为z (f) =R(f) + j ω L，其中R为电阻，它进而依赖于紧固元件3、零件5以及扭转凹座13中的磁损耗，L为在紧固元件3、零件5以及扭转凹座13激励的情况下具有同相磁响应的电感，并且ω=2 f，其中f为线圈9中的激励频率，来自线圈9的交变磁场被用于以从几个Hz到若干个kHz的特定频率间隔来测量线圈9的阻抗并且具有约O. ImT的恒定的激励幅度并具有与有待测量的机械应力(应变)的方向相对应的方向。在图5中示出了当线圈9被安排在紧固元件3、扭转凹座13以及零件5附近时，作为频率的函数的L和R的典型测量值。对于某些材料的紧固元件3来说，很难基于在拉伸屈服点处该物理量的恒定变化率的偏离来确定该拉伸屈服点。图6披露了基于根据本发明第二实施方案的一种方法的框图，该方法适于在这些情况下使用。该方法与图Ic中所示的方法的不同之处在于该方法包括以下步骤在框33a中，确定该紧固元件3的轴7的应变。可以例如基于紧固元件3或一个螺纹紧固安装元件的转动以及所述螺纹轴7或紧固安装元件的螺纹间距来确定轴7的应变。该方法进一步包括以下步骤在框33b中，当对紧固元件3进行紧固时，识别该物理量相对于轴7的应变的一个大体上恒定的变化率。在图7a中示出了确立恒定变化率的一个实例并且以第一条线LI的形式对其进行展示。
当对紧固元件3进行紧固时，紧固元件3的轴3中的应变逐渐增加。因此，在对紧固元件3进行紧固的过程中，将有关该物理量的3个值与应变一起收集并保存在控制单元16的一个存储单元中。通过例如找出所收集的这些值的平均值来识别该物理量的大体上恒定的变化率，这个变化率通过第一条线LI进行展示。该方法进一步包括以下步骤在框33c中，在将应变表示在第一轴线上而将该物理量表示在第二轴线上的一个图表中确立一条线L2，参见图7a。线L2被确立成使得线L2在特定的偏移后的应变(在图7a中，O. 2%的应变)处起始于第一轴线、并且以该物理量的已识别出的大体上恒定的变化率延伸。该方法进一步包括以下步骤在框34a中，当在所确定的应变下的所测量的物理量与所确立的线L2相交时，检测该物理量关于紧固元件3的拉伸屈服极限负荷的显著变化。当在所确定的应变下以及所确立的线L2上的相应应变下的所测量的物理量与所确立的线上的该物理量的值与之间的差Dl小于一个第二特定值C2时，检测到这种相交。通过使用偏移后的应变值、识别该物理量随应变的恒定变化率、确立这条包括识别出的恒定变化率的线L2并且找出测量值与所确立的线的相交点，与检测该显著变化的其他方式相比可以更可靠地检测到拉伸屈服极限负荷。这对于在拉伸屈服极限负荷下对于该物理量的显著变化提供弱响应的紧固元件3来说是尤其重要的。图7a披露了图6中所披露的方法的一个用于检测涉及拉伸屈服极限负荷的显著变化的图表的实例。该图表的第一轴线(在这种情况下是X轴线)表示轴7的所确定的应变。该图表的第二轴线(在这种情况下是I轴线)表示所测量的物理量电感倒数。在对紧固元件3进行紧固的过程中，持续地收集电感倒数的测量值和轴7的应变的确定值。将电感倒数的测量值和应变的确定值标绘在图表中并且在图表中描绘成点。在已收集了足够的关于应变的电感倒数值后，确立一个恒定的变化率。在图7a中，该恒定的变化率是基于图表中的带圈的点确立的并通过第一条线LI展示。在该恒定的变化率已确立后，确立第二条线L2，该第二条线L2以一个特定的偏移后的应变(在这种情况下，O. 2%的应变)起始于第一轴线、并且从该第一轴线以所确立的恒定变化率(即，第一条线LI的斜率)开始延伸。因此，该第二条线L2具有与第一条线LI相同的倾斜度。·当在所确定的应变下的所测量的物理量与在所确立的线L2上的相应应变下所确立的线L2上的该物理量的值之间的差Dl是小于一个第二特定值C2时，检测所测量的电感倒数的显著变化，参见图7b，该图披露了图7a的一部分的放大图，此处对于标记为X的点检测该显著变化，具有一个误差容限。因此，当关于应变的电感倒数测量值与所确立的线L2以该误差容限相交时，检测该显著变化。低激励频率下的磁化率X可以被描述为与磁各向异性K成反比。这对于关于热变异具有较低程度的影响的、具有一定磁化率的材料来说尤其是如此。对于一种材料来说,存在以下关系式
「 I其中，K可以写成K=K0+C σ并且其中σ为紧固元件3中的机械应力，C为依赖于该磁致伸缩材料的一个常量，并且Ktl为在不增加机械应力的情况下的磁各向异性。线圈系统的电感与和线圈系统紧密相连的磁性材料的磁导率成比例。这个磁导率大约等于磁化率，这是因为X 1 L c^c μ ^ X这得到以下结果
I II c< y Ce - Ce ■■■■■■■■■■■■■■■■■■-_·|
K Kc + Ca因此— .X Kr + Co因此，如果关于应变来绘制1/L，那么将反映出紧固元件的应变曲线，只要在扭转期间，周围的磁性材料(例如，扭转凹座13或零件5)不变形即可。本发明并不限于所披露的实施方案、而是可以在所附权利要求书的架构内进行修改和改变。
例如，第一电流供应单元12和第二电流供应单元22可以是同一个电流供应单元。通过一个外部扭转凹座13 (例如图Ia和图Ib中所示的)或通过一个内部工具(例如一个内螺纹工具)来传送扭转力。用于产生交变磁场的装置9、12和用于测量物理量的装置9、14在静态条件下或在 转动条件下与使紧固元件3或紧固安装元件转动的一个扭转传递单元13、19定位在一起。
权利要求
1.一种用于指示一个紧固元件(3)在零件(5)中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的设备(1)，其中该紧固元件(3)包括ー个螺纹轴(7)，该轴(7)包括一种磁致伸縮材料，甚特征在于该设备(I)包括 用于产生穿透该轴(7)的交变磁场的装置(9，12)， 用于测量一个依赖于该轴(7)的瞬时磁化率的物理量的装置(9，14)，其中用于测量该物理量的该装置(9，14)被适配成在该磁场穿透该轴(7)后暴露于所述磁场中，以及 被适配成接收所述物理量的測量值并检测该物理量的显著变化的一个控制単元(16)，其中该控制単元(16)被适配成基于该显著变化来确定并指示该紧固元件(3)的轴(7)是否已达到该拉伸屈服极限负荷。
2.根据权利要求I所述的设备(1)，其特征在于该物理量的显著变化相对于该轴(7)的应变而发生。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于该轴(7)的应变是基于该紧固元件(3)或一个螺纹紧固安装元件的转动以及所述螺纹轴(7)或紧固安装元件的螺纹间距而确定的。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的设备(I)，其特征在于该控制単元(16)被适配成相对于该轴(7)的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率，其中当从该物理量的大体上恒定的变化率的偏离超过了ー个第一特定值时，检测该物理量的所述显著变化。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的设备(I)，其特征在于该控制単元(16)被适配成当出现该物理量从ー个初值或最大值中的任一者起的绝对变化时来检测该物理量的显著变化。
6.根据以上权利要求中仟ー顶所沭的设备(I),其特征在于用于测量该物理量的该装置(9，14)包括被适配成在该磁场穿透该轴(7)后暴露于所述磁场中的一个传感器元件(9)，其中所述物理量为该传感器元件(9)的电阻和电感中的至少ー者。
7.根据权利要求6所述的设备(I),其特征在于该传感器元件(9)被适配成当该紧固元件(3)的ー个扭转头(8)受扭转カ影响时至少部分地围绕该扭转头(8)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其整证在土用于产生交变磁场的该装置(9，12)包括一个感应式部件(9)，该感应式部件(9)被适配成当该紧固元件(3)的ー个扭转头(8)受扭转カ影响时至少部分地围绕该扭转头(8)。
9.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，甚整证在土该设备(I)包括用于产生穿透该轴(7)的静磁场的装置(20，22)。
10.根据以上权利要求中仟ー顶所沭的设备(I),其特征在于该设备(I)包括被适配成将扭转力传递到该紧固元件(3)或一个螺纹紧固安装元件上的一个扭转传递单元(13，19),其中该扭转传递单元(13,19)被适配成通过该控制单元(16)、依赖于已达到的拉伸屈服极限负荷而受控制。
11.根据权利要求10所述的设备(I),其特征在于该扭转传递单元(13,19)被适配成基于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示而使该紧固元件(3)转动，这样使得该紧固元件(3)的负荷用ー个特定校正值被校正。
12.一种用于指示一个紧固元件(3)在零件(5)中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的方法，其中该紧固元件(3)包括ー个螺纹轴(7)，该轴(7)包括一种磁致伸縮材料，其中该方法包括以下步骤 产生穿透该轴(7)的交变磁场， 測量一个依赖于该轴(7)的瞬时磁化率的物理量， 检测该物理量的显著变化， 基于该物理量的显著变化来确定该紧固元件(3)的轴(7)是否已达到该拉伸屈服极限负荷，并且 依赖于所述确定来指示该紧固元件(3)已达到该拉伸屈服极限负荷。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该方法包括 相对于该轴(7)的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率，并且当从该物理量的大体上恒定的变化率的偏离超过了ー个第一特定值时，检测该物理量的所述显著变化。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其中该方法包括 确定该轴(7)的应变， 相对于该轴(7)的增加的应变来识别该物理量的大体上恒定的变化率， 在将该应变表示在第一轴线上而将该物理量表示在第二轴线上的一个图表中确立ー条线(L2)，使得该线(L2)起始于该第一轴线处的ー个特定的偏移后的应变值并且以所述识别出的恒定的变化率延伸， 当测量的物理量与所确立的线(L2)以ー个特定误差容限相交吋，检测该物理量的所述显著变化，并且 如果测量的物理量与所确立的线(L2)以该特定误差容限相交，则指示该紧固元件(3)已达到该偏移后的拉伸屈服极限负荷。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中该方法包括 基于对已达到的拉伸屈服极限负荷的指示来使该固定元件(3)转动，这样使得该固定元件(3)的负荷用ー个特定校正值被校正。
全文摘要
在此提供了用于指示一个紧固元件(3)在零件(5)中紧固时是否已达到拉伸屈服极限负荷的设备(1)及方法。这个紧固元件包括一个螺纹轴(7)，该螺纹轴包括一种磁致伸缩材料。该设备包括用于产生穿透该轴的交变磁场的装置(9，12)、用于测量一个依赖于该轴的瞬时磁化率的物理量的装置(9，14)以及被适配成检测该物理量的显著变化并且确定和指示该紧固元件的轴是否已达到该拉伸屈服极限负荷的一个控制单元(16)。
文档编号G01L5/00GK102918371SQ201180026791
公开日2013年2月6日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者罗尔夫·卡尔松, 克里斯特尔·约翰逊, 弗雷德里克·阿伦托普, 克里斯蒂安·约翰逊, 雅各布·布洛姆格伦 申请人:罗肯系统公司