专利名称：螺钉轴力测定器及测定方法
专利说明
控制轮轴螺钉的紧固力(轴力)的方法是多种多样的。例如，可以利用力矩扳手将紧固力矩设定在规定值，或者熟练维修工用小锤撞击连接部件的各个部分，根据撞击声音来检查螺钉紧固状态也是普遍采用的方法。此外，还有超声波发射式测定试验器，从被紧固的轮轴螺钉轴向的一个端面入射超声波脉冲，根据其反射波回来的时间计算出轮轴螺钉的长度(伸长量)，从螺钉的长度计算出轮轴螺钉的轴力。
但是，上述使用力矩扳手的方法，凭借人的腕力操作，所以只限于小型车辆上的使用。而且，这种力矩扳手法只能将紧固力矩设定在规定值，并将螺钉拧紧到这个设定值，所以无法对拧紧后的轮轴螺钉的轴力本身进行检查和测定。更主要的是力矩扳手法有力矩系数不稳定的缺点。
另一方面，利用小锤撞击声音的上述检测方法，由于无法界定熟练程度以及全凭听觉判断，所以无法正确检查和测定连接状态。
利用上述超声波发射式测定试验器的方法是通过被检测物体——轮轴螺钉的伸长量来计算出轮轴螺钉的轴力的方法，所以为了确定轮轴螺钉的伸长量至少要在螺钉拧紧前后测定两次。从而，在减少测定所需的时间及成本上也有限度。而且，以往的超声波发射式测定试验器中，传感器和放大器是分离的，这使得部件数量增加，不适合移动式作业，同时由于本身不配有电源，只能在有商用电源的地方使用。本发明的目的是提供能够迅速而准确测定被紧固的螺钉的轴力(连接状态)且便于携带、具有良好通用性的螺钉轴力测定器及测定方法。
上述目的可通过以下螺钉测定器来实现。
即，所述螺钉轴力测定器是用于测定连接车轮和车轴的轮轴螺钉的轴力的螺钉轴力测定器，包括用于设定螺钉规定轴力的设定部分、撞击螺钉的撞击部分、用于收集由撞击部分撞击螺钉产生的撞击声音的集音部分、测定集音部分收集的声音频率的频率测定部分、将频率测定部分测定的撞击声音的频率换算为螺钉轴力的轴力换算部分、对设定部分设定的设定轴力和利用轴力换算部分从撞击音频率换算的换算轴力进行比较的比较部分、显示比较部分的比较结果的显示部分。
上述的目的也可通过以下螺钉轴力测定方法来实现。
即，所述螺钉轴力测定方法是用于测定连接车轮和车轴的轮轴螺钉的轴力的螺钉轴力测定方法，设定规定的螺钉轴力、在螺钉端面施加撞击力、收集伴随撞击而产生的撞击声音、测定被收集的撞击声音的频率、将频率换算为螺钉的轴力、对设定的规定轴力和由频率换算的换算轴力进行比较、并显示比较结果。
图1是本发明涉及的螺钉轴力测定器的主要部分断面放大示意图；图2是本发明涉及的螺钉轴力测定器的示意块图；图3是本发明一个实施方式的螺钉轴力测定器侧面图；图4是表示螺钉轴力和撞击声音频率之间函数关系的图表；图5是本发明一个实施方式的螺钉轴力测定器的内部结构简略图；图6是表示本发明一个实施方式的螺钉轴力测定器的测定顺序流程图。下面将参考附图对本发明优选实施形式进行说明。
在图1和图2中概念性地显示了本发明涉及的螺钉轴力测定器。从这些图可以知道，本发明涉及的螺钉轴力测定器是通过撞击轮轴螺钉，从撞击声音的频率测定螺钉的轴力的。首先，对其原理说明如下。
通常当物体存在张力时，打击物体，会产生固有的声音。所述打击声音的频率随着物体张力的大小而变化(乐器是应用这种原理的代表性例子，像钢琴、吉他等都是通过增减弦的张力进行调音)。例如，对施加了张力的刚体，用比它硬度高的物体打击时产生的打击声音的频率与刚体的张力有相关关系，张力越大频率越高、张力越小频率越低。从这些现象上解释，例如被热处理过的金属部件的正常的连接部分(刚体中产生正常的张力的情形)一般产生频率高的声音，相反存在腐蚀、断裂、松弛、裂缝的地方，产生频率低而且不清晰的声音。
将以上原理应用于螺钉轴力的测定就是本发明的基本概念。即，将螺钉和螺母拧紧本身就会使螺钉产生张力。螺钉是否被规定的力矩(轴力)固定住了可以通过测定螺钉是否产生了一定的张力来判断，而这个张力的大小则可以像前面提到的那样通过撞击螺钉时产生的声音的频率来计算。
基于这种基本原理，如图1及图2所示，本发明涉及的螺钉轴力测定器1包括开始测定操作的启动操作部分2、接收启动操作部分2发出的启动信号的主电路4、与测定对象——螺钉14接触且根据主电路4发出的同步于所述启动信号的控制信号来撞击螺钉14的撞击装置6、收集撞击装置6撞击螺钉14时产生的撞击声音(撞击音)的集音麦克8、对测定对象——螺钉的规定轴力(规定值)设定在例如一定范围内的设定装置12、显示测定结果的显示装置10。
在这种结构中，集音麦克8收集的撞击声音的频率将被测定，其测定值将在主电路4与标准值之间进行比较。具体地说，主电路4拥有存储频率和螺钉轴力(张力)之间相关数据(通过实验等事先求出)的存储部分，从存储部分记录下来的相关数据求出与频率测定值对应的螺钉轴力，并比较判断此螺钉轴力与设定装置12中设定的规定值(标准值)是否一致(如果规定值设定在给定的范围内，看测定频率换算得出的螺钉轴力是否在设定装置12设定的规定值范围之内)。其判断结果将显示在显示装置10上。此外，在图1中16是要与螺钉14装配的螺母，18是由螺钉14和螺母16连接起来的部件。
如上所述，本发明涉及的螺钉轴力测定器1是通过撞击装置6撞击螺钉14，测定此时产生的声音的频率，将测定值与标准值(由设定装置设定的一个值(或者是值的范围))进行比较，从而检测螺钉14的轴力(张力)大小的检测器。从这一点可以看出，本发明涉及的螺钉轴力测定器的基本使用形式虽然与以往的用小锤轻轻敲打部件的各个部分进行检测的方法类似，但本发明涉及的使用螺钉轴力测定器的方法与以往的检测方法有个很大的不同点，与使用小锤的以往检测方法无法界定熟练程度以及依靠听觉进行判断相比，本发明涉及的使用螺钉轴力测定器的方法则是通过将撞击声音转换为电信号进行测定和处理，从而能够准确地测定螺钉的轴力。
接下来参照图3至图6，对基于以上原理的本发明具体的实施形式进行说明。
如图3及图5所示，本实施形式的螺钉轴力测定器1A呈手枪形状，由枪体状本体部分(测定器本体)42和可以手持的手柄部分40组成。手柄部分40配置了开始测定时可以用手持手柄部分40的手指进行启动操作的触发器2A。所述触发器2A与后面将提到的主基板(主电路)4A的驱动控制部分22是电学方式连接的。此外，手柄部分40中还内置了用于向包括主基板4A在内的各种电子部件(将在后面叙述)供电的电池20。
本体部分42具有在给定范围内设定测定对象——螺钉的轴力(标准值；规定值)的设定部分12A和显示测定结果的显示部分10A。如图3所示，显示部分10A具有露置在本体部分42侧壁上的显示面板10a。在所述显示面板10a中至少设置有可以将测定的螺钉轴力是不是规定轴力的测定(判断)结果以多个形式显示的多个LED(显示设备)、显示螺钉轴力测定值的显示器，以及显示电池20的充电状态的LED。另一方面，如图3所示，设定部分12A也具有露置在本体42侧壁上的设定控制板12a，所述控制板12a中至少具有用于设定螺钉规定轴力以及用于设定与后面要提到的相关数据有关联的待测螺钉的尺寸等的各种设定按钮、及显示设定按钮设定数值的显示器。这些显示部分10A以及设定部分12A与后面将要叙述的主基板4A的比较运算判定电路24是通过电学方式连接的。
此外，本体部分42的前端面上配有与待测螺钉接触且作为撞击装置(撞击部分)连续击打所述螺钉的撞击片6A。所述撞击片6A的硬度比测定对象——螺钉的硬度大的多。
撞击片6A安装在与主基板4A的驱动控制部分22通过电学方式连接的活塞线圈32的前端，根据驱动控制部分22发出的控制信号，活塞线圈32的伸缩控制部分以约5mm的冲程进行伸缩，连续撞击螺钉(例如，以每秒3次的撞击速度约工作2秒)。
本体部分42的前端面装有收集撞击片6A撞击螺钉时产生的声音的集音麦克(集音部分)8A。所述集音麦克8A通过放大器26和A/D频率变换电路(频率测定部分)28，与主基板4A的比较运算判定电路24以电学方式连接。这种情况下，放大器26会将集音麦克8A收集的、伴随撞击声音的声音信号放大。接着，A/D频率变换电路28会将经过放大器26放大的作为模拟信号的声音信号转换为频率，作为数字信号发送给比较运算判断电路24。
本体部分42的前端面装有可以对螺钉的判断结果进行标记的喷墨口34。所述喷墨口34连接于通过电学方式与主基板4A的驱动控制部分22连接的活塞线圈阀30，凭借活塞线圈阀30的作用，可以将墨盒36的墨喷向螺钉。
主基板4A具有驱动控制部分22和比较运算判断电路(比较部分；轴力换算部分)24。驱动控制部分22在接收触发器2A发出的触发信号，形成用于驱动撞击片6A的活塞线圈32的控制信号的同时，也接收比较运算判断电路24发出的判断信号，形成用于驱动喷墨口34的活塞线圈阀30的控制信号。
另一方面，比较运算判断电路24从A/D频率变换电路28接收与集音麦克8A收集的撞击声音对应的频率数字信号，并将此数字信号的频率数据换算成螺钉的轴力，同时将换算值与设定部分12A设定的设定值(规定的标准螺钉轴力)进行比较来判断螺钉轴力是否合适。
具体地说，比较运算电路24存有撞击声音的频率(撞击片6A撞击螺钉时产生的击打声音的频率)和螺钉轴力之间的相关数据(由实验等事先求出)，根据所述储存的相关数据，求出频率测定值(从A/D频率变换电路28接收的数字信号)对应的螺钉轴力，并比较判断此螺钉轴力是否与设置部分12A设定的设定值相符(标准轴力被设定在给定的范围内时，比较频率测定值换算的螺钉轴力是否在设定部分12A设定的设定值范围内)。上述频率与螺钉轴力的相关数据记录了分别对应于不同螺钉尺寸、螺钉以及螺钉连接相关的部件的不同材料的数据，所以只要在设定部分12A设定待测螺钉的尺寸、材料等，就可以根据对应的相关数据由比较运算电路24将频率测定值换算为轴力。
采集上述的相关数据时也可以加进螺钉尺寸、材质等因素以外的参数。作为相关数据的一个例子，图4表示JIS B1051表1-7中1.8T系列中心强度划分为12.9的M20螺钉(表面硬度454HV)的螺钉轴力和撞击声音频率之间的相关数据。
接下来参照图6的流程图，对如何使用上述结构的轴力测定器1A测定连接车辆的轮子和车轴的轮轴螺钉的轴力，即测定将轮子连接在轮轴上的轮轴螺钉的轴力进行说明。
这种情况下，轮轴对应于图1中的部件18，轮轴螺母对应于图1中的螺母16，轮轴螺钉对应于图1的螺钉14。测定使用螺径为18mm～20mm(M18～M20)的轮轴螺钉的中型车辆的螺钉轴力时，比如JIS规格的螺径20mm(M20)的轮轴螺钉的表面硬度为454HV时，撞击片6A的表面硬度要高于它，比如设定为520HV。另外，假设在比较运算电路24中存有在车辆未装载货物的空载状态下的对于各种轮轴螺钉尺寸、轮轴螺钉及轮子的各种材料相对应的撞击声音频率和螺钉轴力之间的相关数据。在此前提下，继续进行说明。
首先，操作设定部分12A的设定按钮，在给定范围内(也可以是单一值)设定测定对象——轮轴螺钉的规定轴力(额定值)，同时设定轮轴螺钉的尺寸、材料等(图6的步骤S1)。比如，设定M20作为螺钉尺寸，设定轮轴螺钉及由轮轴螺钉连接的轮子的材料(铝或者钢)等。由此，比较运算判断电路24将使用对应这些设定参数的撞击声音频率——螺钉轴力相关数据进行比较判断。此外，设定规定轴力的范围为7500kgf～15000kgf(或者标准轴力9800kgf的单一值)。
接着，在车辆未装载货物的空载状态(因为，这里已经将空载状态下的相关数据存储在比较运算判断电路24中)下，将螺钉轴力测定器1A的前端面上的撞击片6A与轮轴螺钉的端面接触(步骤S2...图1的状态)。
将撞击片6A与螺钉的端面接触后，拉动触发器2A(步骤S3)。由此，将触发信号从触发器2A输入到驱动控制部分22，与此相应，驱动控制部分22将驱动活塞线圈32的控制信号向活塞线圈32输入。其结果，活塞线圈32的伸缩驱动部分以约5mm的冲程伸缩，撞击片6A连续撞击轮轴螺钉的端面(步骤S4)。比如，以大概3次/秒的速度撞击约2秒。
这样撞击时产生的撞击声音将被集音麦克8A收集(步骤S5)，同时被放大器26放大。然后，被放大的声音信号作为模拟信号被A/D频率变换电路28变换成频率(步骤S6)，作为数字信号输入到比较运算判断电路24。
当集音麦克8A收集的撞击声音的频率数据被输入到比较运算判断电路24时，比较运算判断电路24使用对应于在设定部分12A设定的轮轴螺钉的尺寸、轮轴螺钉及轮子材料的撞击声音频率——螺钉轴力相关数据，将输入的频率数据换算为螺钉轴力(步骤S7)，并比较判断(步骤S8)此换算值与在设定部分12A设定的设定值是否一致(规定轴力设定在给定范围内时，比较其换算值是否在设定部分12A中设定的规定值范围内)。如果比较运算判断电路24判定换算值与设定值一致(或者在设定范围内)，会将换算值(测定的螺钉轴力)显示在显示部分10A的显示器上，同时点亮显示部分10A中标有[OK]的LED(步骤S9)。同时，比较运算判断电路24会将被测的螺钉轴力为规定值的指示信号发送到驱动控制部分22。由此，活塞线圈阀30被驱动控制部分22驱动，墨盒36中的墨通过喷墨口34喷向螺钉，由此给螺钉加上显示螺钉轴力为规定值的标记(步骤S10)。
相反，如果比较运算电路24判定换算值与设定值不一致(或者不在设定范围内)，会将换算值(测定的螺钉轴力)显示在显示部分10A的显示器上的同时，点亮显示部分10A中标有[NG]的LED(步骤S11)。这时，为具体显示换算值是大于设定值还是小于设定值，也可以点亮标有[HI]或[LOW]的LED。
如上所述，本发明涉及的螺钉轴力测定器利用螺钉的撞击声音频率与螺钉轴力之间的对应关系，包括撞击螺钉的撞击部分6，6A、收集撞击部分6，6A撞击螺钉时产生的撞击声音的集音部分8，8A、测定集音部分8，8A收集的撞击声音频率的频率测定部分28、将频率测定部分28测定的撞击声音的频率换算成螺钉轴力的轴力换算部分24。所以，即使没有特定的知识和经验也能够方便地在短时间内正确测定螺钉的轴力(螺钉连接后的连接状态)，同时由于不用依靠人的腕力，测定对象也没有特定限制(具有优良的通用性)。
本发明的一个实施形式涉及的螺钉轴力测定器包括用于设定螺钉规定轴力的设定部分12，12A、用于比较设定部分12，12A设定的设定轴力和轴力换算部分24根据撞击声音频率换算得出的换算轴力的比较部分24。因此，可以知道测定对象——螺钉是否具有规定的轴力(是否以规定的紧固力被紧固住)，即可以正确得知螺钉是否没有拧紧或过分拧紧。
本发明一个实施形式涉及的螺钉轴力测定器的轴力换算部分24根据螺钉的尺寸、螺钉以及被螺钉连接的部件的材料等各种参数将撞击声音的频率换算成螺钉轴力。因此，可以进行正确的频率——轴力变换，提高螺钉轴力的测定精度。
本发明一个实施形式涉及的螺钉轴力测定器包括分别内设撞击部分6，6A、集音部分8，8A、频率测定部分28、轴力换算部分24等的测定器本体部分42、和从本体部分42延伸出来并设有用于启动撞击部分6，6A的启动部分2，2A且可以手持的手柄部分40，同时内置了供给测定螺钉轴力所需电力的电池20。因此，不受室内或野外的天气及电源的限制，可以在任意场所方便使用(携带性很好)。
本发明不限于上述的实施形式，在不脱离主旨的范围内可以有各种变形形式。比如，对于上述实施形式，显示部分10A将测定值显示为螺钉轴力(kgf)，但是也可以显示为扭矩(T)、张力(N)、撞击声音频率(Hz)。此外，对于上述实施形式，虽然设定部分12A设计为输入设定规定的螺钉轴力，但是也可以设计成可以输入设定规定螺钉轴力对应的撞击声音频率。对于这种情况，不需要使用将撞击声音频率换算成螺钉轴力的相关数据，可以直接由比较运算判断电路24比较测定频率和设定频率。这对于预先知道规定轴力对应的撞击声音频率的情况非常有利。不仅如此，如果在显示部分10A中显示测定的撞击声音频率而不是测定的轴力，测定器就不再是螺钉轴力测定器，而成为螺钉撞击声音频率测定器。此外，在上述的实施形式中，为能够适于各种螺钉尺寸及材料的轴力测定，配置了设定部分12A，再根据设定部分12A设定的参数选取对应相关数据，从撞击声音频率测定轴力，但是对于用螺钉轴力测定器测定特定的尺寸和材料的螺钉的情况，由于使用相同的相关数据，也就没有必要再配置设定部分。
权利要求
1.一种用于测定连接车辆车轮和车轴的轮轴螺钉轴力的螺钉轴力测定器，包括用于设定所述螺钉规定轴力的设定部分、用于撞击所述螺钉的撞击部分、用于收集由所述撞击部分撞击所述螺钉时产生的撞击声音的集音部分、用于测定所述集音部分收集的撞击声音频率的频率测定部分、用于将所述频率测定部分测定的撞击声音的频率换算成所述螺钉轴力的轴力换算部分、用于比较由所述设定部分设定的设定轴力和由所述轴力换算部分从撞击声音频率换算得到的换算轴力的比较部分、以及用于显示所述比较部分的比较结果的显示部分。
2.如权利要求1所述的螺钉轴力测定器，其中所述显示部分显示由所述轴力换算部分换算得出的所述螺钉的轴力。
3.如权利要求1或2所述的螺钉轴力测定器，其中所述轴力换算部分根据所述螺钉的尺寸将撞击声音的频率换算成螺钉轴力。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的螺钉轴力测定器，其中所述轴力换算部分根据所述螺钉及由螺钉连接起来的部件的材料性质，将撞击声音的频率换算成螺钉轴力。
5.如权利要求1所述的螺钉轴力测定器，包括测定器本体和手柄部分，所述本体包括所述撞击部分、所述集音部分、所述频率测定部分、所述轴力换算部分，而所述手柄部分从所述测定器本体延伸出来并装有用于启动所述撞击部分的启动部分且可以手持。
6.如权利要求5所述的螺钉轴力测定器，其中内置有用于供应螺钉轴力测定所需电力的电池。
7.一种用于测定连接车轮和车轴的轮轴螺钉轴力的螺钉轴力测定方法，其中包括设定所述螺钉的规定轴力，对所述螺钉的端面施加撞击力，收集伴随所述撞击而产生的声音，测定收集的所述撞击声音的频率，将所述频率换算为所述螺钉的轴力，比较设定的所述规定轴力和由所述频率换算得到的换算轴力，显示其比较结果。
8.如权利要求7所述的螺钉轴力测定方法，其中包括显示由所述频率换算的所述轴力。
9.如权利要求7或8所述的螺钉轴力测定方法，其中包括利用螺钉撞击声音的频率和螺钉轴力之间的相关数据，将所述频率换算成所述螺钉轴力。
10.如权利要求9所述的螺钉轴力测定方法，其中包括利用所述螺钉的尺寸对应的所述相关数据，将所述频率换算成所述螺钉轴力。
11.如权利要求9或10所述的螺钉轴力测定方法，其中包括利用所述螺钉及由螺钉连接的部件的材料性质对应的所述相关数据，将所述频率换算成所述螺钉轴力。
全文摘要
本发明涉及用于测定连接车轮和车轴的轮轴螺钉轴力的螺栓轴力测定器，包括用于设定螺钉的规定轴力的设定部分、撞击螺钉的撞击部分、收集撞击部分撞击螺钉时产生的撞击声音的集音部分、测定集音部分收集的撞击声音频率的频率测定部分。
文档编号G01L1/10GK1662797SQ03814398
公开日2005年8月31日 申请日期2003年7月9日 优先权日2002年7月25日
发明者中村敬德 申请人:中村敬德
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
