ES2841453A1 - IMPROVED SENSORIZED NUT (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
TUERCA SENSORIZADA MEJORADAIMPROVED SENSORIZED NUT
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
El objeto de la presente invención es una tuerca sensorizada cuyo diseño permite mejorar la precisión de la medida.The object of the present invention is a sensorized nut whose design makes it possible to improve the precision of the measurement.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Las uniones atornilladas están universalmente extendidas en muy diversos campos para la fijación de unos elementos a otros. En algunos contextos, resulta importante conocer el comportamiento de estas uniones atornilladas, especialmente el valor de la precarga y su evolución a lo largo del tiempo. A modo de ejemplo, este aspecto es clave en la puesta en marcha de un generador, ya que una sola unidad puede tener más de 1500 tornillos críticos. Una precarga incorrecta durante el montaje o una pérdida de precarga durante el ciclo de trabajo puede conllevar roturas prematuras, con costes importantes de reparación y de parada.Bolted connections are universally extended in very diverse fields for the fixing of some elements to others. In some contexts, it is important to know the behavior of these bolted joints, especially the value of the preload and its evolution over time. As an example, this aspect is key in the start-up of a generator, since a single unit can have more than 1500 critical screws. An incorrect preload during assembly or a loss of preload during the work cycle can lead to premature failure, with significant repair and downtime costs.
Un modo conocido de obtener información acerca de la carga en una unión atornillada es el uso de tuercas sensorizadas que están dotadas de sensores tales como galgas extensiométricas o similares. Estos sensores pueden disponerse embutidos en la propia tuerca o bien fijados a su superficie exterior, de modo que miden la deformación de la tuerca provocada por la carga a la que está sometida.A known way of obtaining information about the load in a bolted joint is the use of sensorized nuts that are provided with sensors such as strain gauges or the like. These sensors can be arranged embedded in the nut itself or fixed to its outer surface, so that they measure the deformation of the nut caused by the load to which it is subjected.
Un inconveniente de este esquema es que es sensible a las tolerancias de la tuerca y de la pieza a la que ésta se une. En efecto, el proceso de fabricación de la tuerca provoca que las caras de apoyo no sean completamente planas, sino que presentan una cierta conicidad. Similarmente, la superficie de la pieza sobre la que se apoya la tuerca también puede no ser perfectamente plana debido a las tolerancias tanto de fabricación como del propio montaje. Como consecuencia, el apoyo de la tuerca sobre la pieza no se produce sobre toda la superficie de la tuerca, sino que el contacto entre tuerca y pieza tiene lugar en zonas o puntos determinados. Por ese motivo, en la porción de la tuerca más cercana a la superficie de apoyo se producen efectos locales que impiden una medida precisa de las tensiones. En ciertos casos, estos efectos locales pueden provocar errores de hasta el 50% en la medida de las tensiones a las que está sometida la tuerca.A drawback of this scheme is that it is sensitive to the tolerances of the nut and the part to which it is attached. Indeed, the manufacturing process of the nut causes that the support faces are not completely flat, but rather have a certain taper. Similarly, the surface of the part on which the nut rests may also not be perfectly flat due to tolerances both in manufacturing and in the assembly itself. As a consequence, the support of the nut on the part does not occur on the entire surface of the nut, but the contact between nut and part takes place in certain areas or points. For this reason, in the portion of the nut closest to the surface of support, local effects are produced that prevent a precise measurement of the tensions. In certain cases, these local effects can cause errors of up to 50% in the measurement of the stresses to which the nut is subjected.
En definitiva, existe en este campo la necesidad de tuercas sensorizadas que sean más insensibles a este tipo de efectos locales con el objeto de proporcionar una medida más precisa de las tensiones.In short, in this field there is a need for sensorized nuts that are more insensitive to this type of local effects in order to provide a more accurate measurement of stresses.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención describe una tuerca sensorizada que resuelve los problemas anteriores gracias a que comprende una porción hexagonal roscada seguida de una porción cilíndrica sensorizada destinada a apoyarse en la pieza en cuestión, donde dicha porción cilíndrica carece de rosca. Esta porción cilíndrica permite separar la zona de contacto con la pieza, donde se producen los efectos locales, de la posición en la que se disponen los sensores de tensión. Así, al alejar la zona de medida de la zona en la que se producen los efectos locales, se mejora enormemente la precisión y repetitividad de las tensiones medidas.The present invention describes a sensorized nut that solves the above problems thanks to the fact that it comprises a threaded hexagonal portion followed by a sensorized cylindrical portion intended to rest on the part in question, where said cylindrical portion lacks a thread. This cylindrical portion makes it possible to separate the area of contact with the part, where local effects occur, from the position in which the tension sensors are arranged. Thus, by moving the measurement zone away from the zone in which local effects occur, the precision and repeatability of the measured voltages is greatly improved.
En este documento, se emplea el término “sensores de tensión” para hacer referencia a cualquier tipo de sensor capaz de medir, de manera directa o indirecta, la tensión a la que está sometida la tuerca. Es decir, este término abarca sensores de deformación, sensores de elongación o contracción, y en general cualquier sensor a partir del cual se pueda obtener la tensión sobre la tuerca. Aunque en este documento se emplea de manera general el término “tensión", se pretende que ello abarque también otras variables físicas relacionadas que habitualmente se emplean de manera intercambiable en este campo, o que pueden deducirse fácilmente unas de otras, como por ejemplo la deformación o cualquier otra.In this document, the term "tension sensors" is used to refer to any type of sensor capable of measuring, directly or indirectly, the tension to which the nut is subjected. That is, this term encompasses strain sensors, elongation or contraction sensors, and in general any sensor from which the stress on the nut can be obtained. Although the term "stress" is used generally in this document, it is intended to also encompass other related physical variables that are commonly used interchangeably in this field, or that can be easily deduced from each other, such as strain. or any other.
En este documento, el término “próxima!’ hace referencia a un lado o extremo de un elemento que está situado en la posición más cercana al usuario de acuerdo con su posición natural de uso. Similarmente, el término “dista!’ se refiere al lado o extremo de dicho elemento ubicado en la posición más alejada del usuario en su posición más natural de uso. En este contexto, el “usuario” sería el operario encargado de atornillar la tuerca.In this document, the term 'next!' refers to one side or end of an element that is located in the closest position to the user according to its natural position of use. Similarly, the term 'dista!' refers to the side or end of said element located in the position furthest from the user in its most natural position of use. In this context, the "user" would be the operator in charge of screwing the nut.
En este documento, los términos “longitudinal’, “tangencial’ y “radial’ se interpretan con referencia a un sistema de referencia cilindrico cuyo eje longitudinal coincide con el eje longitudinal de la propia tuerca. Así, la dirección longitudinal coincide con la dirección proximal-distal y las direcciones tangencial y radial están contenidas en un plano perpendicular a dicha dirección proximal-distal.In this document, the terms 'longitudinal', 'tangential' and 'radial' are interpreted with reference to a cylindrical reference system whose longitudinal axis coincides with the longitudinal axis of the nut itself. Thus, the longitudinal direction coincides with the proximal-distal direction and the tangential and radial directions are contained in a plane perpendicular to said proximal-distal direction.
La presente invención describe una tuerca sensorizada que comprende fundamentalmente tres elementos: una porción proximal hexagonal, una porción distal cilíndrica sensorizada, y al menos un sensor de tensión. A continuación, se describe cada una de estas partes con mayor detalle.The present invention describes a sensorized nut that fundamentally comprises three elements: a hexagonal proximal portion, a sensorized cylindrical distal portion, and at least one tension sensor. Each of these parts is described in more detail below.
a) Porción proximal hexagonala) Hexagonal proximal portion
Se trata de una porción proximal que tiene forma prismática con sección transversal hexagonal, y que comprende un orificio longitudinal central roscado destinado a recibir un tornillo, perno o similar para la fijación de la tuerca a una determinada pieza. Es decir, la porción proximal hexagonal tiene una estructura similar a la de una tuerca convencional.It is a proximal portion that has a prismatic shape with a hexagonal cross section, and that comprises a threaded central longitudinal hole intended to receive a screw, bolt or the like for fixing the nut to a certain piece. That is, the hexagonal proximal portion has a structure similar to that of a conventional nut.
b) Porción distal cilíndricab) Cylindrical distal portion
La porción distal cilindrica tiene una sección transversal circular y es longitudinalmente adyacente a la porción hexagonal de manera que ambas conforman una única pieza. Además, la porción cilindrica comprende un orificio longitudinal central carente de rosca cuyo diámetro es igual o mayor que un diámetro del orificio longitudinal central roscado de la porción hexagonal. Es decir, la porción proximal hexagonal tiene una estructura similar a la de un casquillo convencional.The cylindrical distal portion has a circular cross section and is longitudinally adjacent to the hexagonal portion so that both form a single piece. Furthermore, the cylindrical portion comprises a threadless central longitudinal hole whose diameter is equal to or greater than a diameter of the threaded central longitudinal hole of the hexagonal portion. That is, the hexagonal proximal portion has a structure similar to that of a conventional socket.
En definitiva, la tuerca de la invención está formada por una única pieza dotada de dos cuerpos de formas geométricamente diferentes: porción proximal hexagonal y porción distal cilindrica. El orificio longitudinal de la tuerca en su conjunto tendrá dos tramos diferenciados, un tramo proximal roscado destinado al acoplamiento mediante rosca de un tornillo o similar, seguido de un tramo distal, cuyo diámetro es igual o superior, y que carece de rosca.Ultimately, the nut of the invention is formed by a single piece provided with two geometrically different shaped bodies: hexagonal proximal portion and cylindrical distal portion. The longitudinal hole of the nut as a whole will have two differentiated sections, a threaded proximal section intended to be threaded through a screw or similar, followed by a distal section, whose diameter is equal to or greater, and lacks a thread.
c) Sensor de tensión c) Voltage sensor
La tuerca de la invención comprende además al menos un sensor de tensión fijado a una superficie, preferentemente una superficie exterior, de la porción cilíndrica en una posición separada de un extremo distal de dicha porción distal cilíndrica.The nut of the invention further comprises at least one tension sensor attached to a surface, preferably an outer surface, of the cylindrical portion at a position spaced from a distal end of said cylindrical distal portion.
Este sensor de tensión, por ejemplo una galga extensiométrica, puede estar orientado en dirección longitudinal, en dirección tangencial, o en una dirección intermedia entre la dirección longitudinal y la dirección tangencial. Cuando se trata de varios sensores, pueden estar ubicados en varias de dichas direcciones. La orientación de los sensores de tensión se elige de acuerdo con cada aplicación particular en función de las tensiones que se desean obtener. Los sensores pueden además estar dispuestos en posiciones angulares uniformemente separadas, como por ejemplo dos sensores o grupos de sensores en posiciones diametralmente opuestas, o bien cuatro sensores o grupos de sensores en posiciones que forman 90° unas con otras.This tension sensor, for example a strain gauge, can be oriented in the longitudinal direction, in the tangential direction, or in a direction intermediate between the longitudinal direction and the tangential direction. When it comes to several sensors, they can be located in several of these directions. The orientation of the voltage sensors is chosen according to each particular application depending on the voltages to be obtained. The sensors can furthermore be arranged in uniformly spaced angular positions, such as two sensors or groups of sensors in diametrically opposite positions, or four sensors or groups of sensors in positions that form 90 ° to each other.
De manera convencional, los sensores pueden conectarse a un puente de Wheatstone del cual es posible obtener la señal de tensión de manera insensible a la temperatura de la medida.In a conventional way, the sensors can be connected to a Wheatstone bridge from which it is possible to obtain the voltage signal insensitive to the measurement temperature.
Los inventores de la presente solicitud han descubierto que esta configuración proporciona medidas de tensión más repetibles y precisas. En efecto, en primer lugar la disposición de la porción distal cilíndrica proporciona una zona de medida cuyas tensiones no están afectadas por el apriete del tornillo en cuestión, como ocurre con una tuerca convencional. En segundo lugar, al reducirse la superficie de la cara distal de apoyo de la tuerca sobre la pieza en cuestión con relación a una tuerca convencional, se reducen los efectos locales en las tensiones. Gracias a todo ello, las medidas obtenidas por los sensores son más fiables.The inventors of the present application have found that this configuration provides more repeatable and accurate stress measurements. Indeed, firstly, the arrangement of the cylindrical distal portion provides a measuring zone whose tensions are not affected by the tightening of the screw in question, as occurs with a conventional nut. Second, by reducing the surface of the distal bearing face of the nut on the part in question relative to a conventional nut, local effects on stresses are reduced. Thanks to all this, the measurements obtained by the sensors are more reliable.
Diversas pruebas realizadas por los inventores de la presente solicitud muestran que, para obtener los mejores resultados, es preferible que una longitud de la porción distal cilíndrica sea mayor que entre 1,0 y 1,5, más preferentemente entre 1,2 y 1,3, y aún más preferiblemente aproximadamente 1,25, veces el diámetro del orificio longitudinal roscado de la porción hexagonal, es decir, que la métrica de la tuerca.Various tests carried out by the inventors of the present application show that, for best results, it is preferable that a length of the cylindrical distal portion is greater than between 1.0 and 1.5, more preferably between 1.2 and 1, 3, and even more preferably about 1.25, times the diameter of the threaded longitudinal hole of the hexagonal portion, that is, the metric of the nut.
En efecto, la Fig. 3 muestra el error de la medida de la precarga en condiciones de apoyo muy desfavorables, en función de la posición de los puntos de medición (expresados como parámetro adimensional en función de la métrica). Como se puede apreciar, es necesaria una longitud mínima de entre 70% y 80% de la métrica para que el error se encuentre en un orden del -5%. También se puede ver cómo es necesario alejar los puntos de medida de la zona hexagonal en una longitud de al menos un 20% de la métrica. Además, de cara a la estabilidad de la medida y para facilitar el proceso de fabricación, la zona de medida debe tener una amplitud de al menos 0,25 veces la métrica. Todo esto da un total de longitud mínima de aproximadamente 1.25 veces la métricaIndeed, Fig. 3 shows the error of the preload measurement under very unfavorable support conditions, as a function of the position of the measurement points (expressed as a dimensionless parameter as a function of the metric). As you can see, it is necessary a minimum length of between 70% and 80% of the metric so that the error is on the order of -5%. You can also see how it is necessary to move the measurement points away from the hexagonal area by a length of at least 20% of the metric. In addition, for the stability of the measurement and to facilitate the manufacturing process, the measurement zone must have an amplitude of at least 0.25 times the metric. All of this gives a total minimum length of about 1.25 times the metric
De acuerdo con otra realización particularmente preferida, el sensor de tensión está separado del extremo distal de la porción cilíndrica una distancia de entre 0,55 y 0,75 veces la longitud de dicha porción distal cilíndrica.According to another particularly preferred embodiment, the tension sensor is spaced from the distal end of the cylindrical portion a distance of between 0.55 and 0.75 times the length of said cylindrical distal portion.
Empleando una gráfica similar a la anterior, la Fig. 4 muestra de nuevo el error de la medida de la precarga en condiciones de apoyo muy desfavorables, en función de la posición de los puntos de medición (expresados en este caso como parámetro adimensional en función de la longitud distal cilíndrica). Como se puede apreciar, el punto de medida donde se minimiza el error es entre el 55% y el 75% de la longitud total.Using a graph similar to the previous one, Fig. 4 again shows the error of the preload measurement under very unfavorable support conditions, as a function of the position of the measurement points (expressed in this case as a dimensionless parameter as a function of cylindrical distal length). As can be seen, the measurement point where the error is minimized is between 55% and 75% of the total length.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de tuerca de acuerdo con la presente invención.Fig. 1 shows a perspective view of an example of a nut according to the present invention.
Las Figs. 2a y 2b muestran respectivamente una sección de la tuerca de la Fig. 1 por un plano longitudinal y una sección transversal de la porción cilíndrica por el plano AA’ mostrado en la Fig.2a.Figs. 2a and 2b respectively show a section of the nut of Fig. 1 along a longitudinal plane and a cross section of the cylindrical portion along the plane AA 'shown in Fig.2a.
La Fig. 3 muestra el error en función del punto de medida con apoyo puntual en dos zonas, donde la posición es adimensional en función de la métrica, donde se ha marcado la posición de la zona de medida.Fig. 3 shows the error as a function of the point of measurement with point support in two areas, where the position is dimensionless as a function of the metric, where the position of the measurement area has been marked.
La Fig. 4 muestra el error en función del punto de medida con apoyo puntual en dos zonas, donde la posición es adimensional en función de la longitud de la parte cilíndrica, donde se ha marcado la zona de medida.Fig. 4 shows the error as a function of the point of measurement with point support in two areas, where the position is dimensionless as a function of the length of the cylindrical part, where the measurement area has been marked.
La Fig. 5 muestra una vista en perspectiva de una simulación de las tensiones en la tuerca cuando está apoyada de manera no uniforme sobre una pieza. Fig. 5 shows a perspective view of a simulation of the stresses in the nut when it is supported non-uniformly on a part.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Se describe a continuación un ejemplo de tuerca (1) de acuerdo con la presente invención haciendo referencia a las figuras adjuntas.An example of a nut (1) according to the present invention is described below with reference to the attached figures.
Como se puede apreciar en las Figs. 1 y 2, la tuerca (1) está formada por una única pieza que comprende dos cuerpos de formas geométricamente diferenciadas. En un lado proximal de la tuerca (1) se encuentra una porción proximal hexagonal (2), mientras que en el lado distal de la tuerca (1) hay una porción distal cilíndrica (3). La porción proximal hexagonal (2) tiene una sección transversal hexagonal y está dotada de un orificio longitudinal central (21) destinado al recibir un tornillo de fijación. Por su parte, la porción distal cilíndrica (3) tiene una sección transversal cilíndrica dotada de un orificio longitudinal central (31) carente de rosca y cuyo diámetro es mayor que el diámetro del orificio longitudinal central (21) de la porción proximal hexagonal (2). Así, cuando se fija un tornillo a la tuerca (1) de la invención, el acoplamiento mecánico entre ambos solo se produce en la porción proximal hexagonal (2) . La porción distal cilíndrica (3) no se ve afectada por las tensiones causadas por el apriete del tornillo. Además, en este ejemplo la porción distal cilíndrica (3) tiene una longitud (L) de aproximadamente 1,25 veces el diámetro del orificio longitudinal central (21) de la porción proximal hexagonal (2).As can be seen in Figs. 1 and 2, the nut (1) is formed by a single piece that comprises two bodies of geometrically differentiated shapes. On a proximal side of the nut (1) is a hexagonal proximal portion (2), while on the distal side of the nut (1) there is a cylindrical distal portion (3). The hexagonal proximal portion (2) has a hexagonal cross section and is provided with a central longitudinal hole (21) intended to receive a fixation screw. For its part, the cylindrical distal portion (3) has a cylindrical cross section provided with a central longitudinal hole (31) devoid of thread and whose diameter is greater than the diameter of the central longitudinal hole (21) of the hexagonal proximal portion (2 ). Thus, when a screw is fixed to the nut (1) of the invention, the mechanical coupling between the two only occurs in the proximal hexagonal portion (2). The cylindrical distal portion (3) is not affected by stresses caused by tightening the screw. Furthermore, in this example the cylindrical distal portion (3) has a length (L) of approximately 1.25 times the diameter of the central longitudinal hole (21) of the hexagonal proximal portion (2).
La tuerca (1) comprende además cuatro sensores (4), en este ejemplo galgas extensiométricas dispuestas según una dirección longitudinal de la propia tuerca (1). En este ejemplo, los sensores (4) están separados del extremo distal de la porción distal cilíndrica (3) una distancia (D) de aproximadamente entre 0,55 y 0,75 veces la longitud (L) de dicha porción distal cilíndrica (3).The nut (1) further comprises four sensors (4), in this example strain gauges arranged in a longitudinal direction of the nut (1) itself. In this example, the sensors (4) are separated from the distal end of the cylindrical distal portion (3) a distance (D) of approximately between 0.55 and 0.75 times the length (L) of said cylindrical distal portion (3 ).
La Fig. 5 muestra una simulación de las tensiones a las que está sometida la tuerca (1) de la invención cuando el extremo distal de la porción distal cilíndrica (3) se apoya sobre una superficie no uniforme de una pieza, de manera que el apoyo se produce esencialmente en dos puntos diametralmente opuestos de la porción distal cilíndrica (3). Como se puede apreciar, la magnitud de las perturbaciones de tensión están localizadas en la zona adyacente a dicho extremo de apoyo, y se reducen sustancialmente a medida que nos alejamos de dicho extremo. Los inventores de la presente solicitud han determinado que, para una longitud de la porción distal cilíndrica (3) de entre 1,0 y 1,5 de la métrica, una vez la separación alcanza aproximadamente entre el 55% y el 75% de la longitud (L) de dicha porción distal cilindrica (3), dichas perturbaciones se han reducido significativamente y es posible obtener a través de los sensores (4) valores de tensión fiables. Fig. 5 shows a simulation of the stresses to which the nut (1) of the invention is subjected when the distal end of the cylindrical distal portion (3) rests on a non-uniform surface of a piece, so that the Support occurs essentially at two diametrically opposite points of the cylindrical distal portion (3). As can be seen, the magnitude of the stress disturbances are located in the area adjacent to said support end, and are substantially reduced as we move away from said end. The inventors of the present application have determined that, for a length of the cylindrical distal portion (3) of between 1.0 and 1.5 of the metric, once the separation reaches approximately between 55% and 75% of the bliss length (L) cylindrical distal portion (3), said disturbances have been significantly reduced and it is possible to obtain reliable stress values through the sensors (4).
Claims (7)
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2021
- 2021-05-10 ES ES202130424A patent/ES2841453B2/en active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2841453 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20210708 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2841453 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20210901 |