[发明专利]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

说明书

发明的技术领域

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。这个紧固元件包括一个螺纹轴，该螺纹轴包括一种磁致伸缩材料。

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一个过高的应力，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力的不确定性，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增加。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，结构的重量增加会导致操作成本的增加。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力来对紧固元件进行紧固。

用于测量这些紧固元件中的应力的已知方法是基于：通过一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力进行测量。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缩材料的一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力条件，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力的一种设备。这个确定是基于对通过螺钉头部中的压缩应力而形成的磁性变化的测量。

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一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1的前序部分所述的一种设备实现的，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χ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。此外，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。