ES2841453A1

ES2841453A1 - Tuerca sensorizada mejorada

Info

Publication number: ES2841453A1
Application number: ES202130424A
Authority: ES
Inventors: Diez Alejandro Anda; Hernandez Jaime Fernandez
Original assignee: Inalia Innovacion Y Desarrollo S L
Current assignee: Inalia Innovacion Y Desarrollo S L
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: ES2841453B2

Abstract

La invención describe una tuerca (1) sensorizada mejorada que comprende: una porción proximal hexagonal (2) que tiene una sección transversal hexagonal y que comprende un orificio longitudinal central roscado (21); una porción distal cilíndrica (3) que tiene una sección transversal circular, donde la porción distal cilíndrica (3) es longitudinalmente adyacente a la porción hexagonal (2) de manera que ambas conforman una única pieza, y donde la porción distal cilíndrica (3) comprende un orificio longitudinal central (31) carente de rosca cuyo diámetro es igual o mayor que un diámetro del orificio longitudinal central roscado (21) de la porción hexagonal (2); y al menos un sensor de tensión (4) fijado a una superficie de la porción cilíndrica (3) en una posición separada de un extremo distal de dicha porción distal cilíndrica (3).

Description

DESCRIPCIÓN

TUERCA SENSORIZADA MEJORADA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es una tuerca sensorizada cuyo diseño permite mejorar la precisión de la medida.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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.

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.

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.

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.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

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.

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.

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.

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.

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.

a) Porción proximal hexagonal

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.

b) Porción distal cilíndrica

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.

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.

c) Sensor de tensión

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.

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.

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.

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.

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.

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 métrica

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.

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.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de tuerca de acuerdo con la presente invención.

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.

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.

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.

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.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Se describe a continuación un ejemplo de tuerca (1) de acuerdo con la presente invención haciendo referencia a las figuras adjuntas.

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).

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).

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.

Claims

REIVINDICACIONES

1. T uerca (1) sensorizada mejorada, caracterizada por que comprende

- una porción proximal hexagonal (2) que tiene una sección transversal hexagonal y que comprende un orificio longitudinal central roscado (21);

- una porción distal cilíndrica (3) que tiene una sección transversal circular, donde la porción distal cilíndrica (3) es longitudinalmente adyacente a la porción hexagonal (2) de manera que ambas conforman una única pieza, y donde la porción distal cilíndrica (3) comprende un orificio longitudinal central (31) carente de rosca cuyo diámetro es igual o mayor que un diámetro del orificio longitudinal central roscado (21) de la porción hexagonal (2); y

- al menos un sensor de tensión (4) fijado a una superficie de la porción cilíndrica (3) en una posición separada de un extremo distal de dicha porción distal cilíndrica (3).

2. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con la reivindicación 1, donde una longitud (L) de la porción distal cilíndrica (3) es mayor que entre 1,0 y 1,5 veces el diámetro del orificio longitudinal roscado (21) de la porción hexagonal (2).

3. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con la reivindicación 2, donde la longitud (L) de la porción distal cilíndrica (3) es mayor que entre 1,2 y 1,3 veces el diámetro del orificio longitudinal roscado (21) de la porción hexagonal (2).

4. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con la reivindicación 3, donde la longitud (L) de la porción distal cilíndrica (3) es mayor que esencialmente 1,25 veces el diámetro del orificio longitudinal roscado (21) de la porción hexagonal (2).

5. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor de tensión (4) está separado del extremo distal de la porción cilíndrica (3) una distancia (D) de entre 0,55 y 0,75 veces la longitud (L) de dicha porción distal cilíndrica (3).

6. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor de tensión (4) está fijado a una superficie exterior de la porción cilíndrica (3).

7. Tuerca (1) sensorizada mejorada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor de tensión (4) es una galga extensiométrica.