JPH09288022A - ボルトの軸応力計測機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボルトの締結時に発生する軸応力を容易に、
しかも正確に計測できること。 【解決手段】 ボルト頭部１ａには、横波の超音波を利
用した超音波センサ−５の送受信子７が当接される。こ
の超音波センサ−５には、ボルト頭部１ａからねじ部分
１ｂの先端に向かう超音波のエコ−パルスの波形から得
られる伝播時間及び減衰率を計測して、負荷される軸応
力の関数として超音波による音速及び内部摩耗値を演算
処理する測定系のユニット８が接続されている。この測
定系のユニット８は、シングアラウンドユニット９、波
形メモリ内臓の波形モニタ１０、ディスプレイ１１、プ
リンタ１２及びパソコン１３から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルトの軸応力計
測機に関し、特に、ボルトに発生した軸応力が非破壊形
式で容易に計測できるようにしたものである。そして、
ボルトの軸応力計測機が主として適用されるのは、熱応
力が付加されたり、複雑形状で応力変動を起こす部材、
例えばエンジン部のねじ締結の場合などである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のボルトの軸応力計測機と
しては、超音波パルスエコ−位置計測法、超音波固有振
動計測法などが知られている。また、実務面では、トル
ク計が広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
パルスエコ−法の場合では、縦波の超音波が適用されて
いることから、ネジ部からの縦→横→縦波変換により多
重エコ−が生じるため、基準ピ−クが判読しにくく、誤
読となることが多いという欠点を有している。また、超
音波固有振動計測法の場合では、ボルト締結前後におけ
る共振周波数を各々測定しなけらばならないという不便
さと塑性域における応力の定量がむずかしいという欠点
を有している。さらに、トルク計による場合では、バラ
ツキが大きく精密計測には向かないものである。

【０００４】このようなことから、本発明では、超音波
の送受信子が構成される超音波センサ−を適用して、こ
れに波形モニタ、制御ユニットを接続したボルトの軸応
力計測機を提供することにより、容易にしかも正確なボ
ルトの軸応力、特に弾塑性臨界点が計測できるようにし
たものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、超音波センサ−は、ボルト頭部に当
接される横波からなる超音波の送受信子が構成されるよ
うになっており、しかも、この超音波センサ−には、ボ
ルト頭部からボルト先端に向かう超音波のエコ−パルス
の波形から得られた伝播時間及び減衰率を計測して、負
荷される軸応力の関数として音速及び内部摩耗値を演算
処理する測定系ユニットが具備されるようにしたもので
ある。このように送受信子を構成した超音波センサ−を
採用したのは、単一エコ−ピ−クの追尾により位置の精
密計算が可能となるためである。

【０００６】また、超音波センサ−は、超音波が縦→横
波モ−ド変換しない配慮から、ボルトのネジピッチ以下
の波長からなる超音波が適用されることが好ましい。

【０００７】さらに、前記測定系のユニットは、波形解
析ユニット、波形メモリ内臓の波形モニタ、ディスプレ
イ、プリンタ及びパソコンから構成されるものであり、
また、演算処理された超音波の音速及び内部摩耗量を負
荷される軸応力の関数として、予めインプットしておけ
ば、これにより得られた検量線が軸応力の判定に利用で
きるものである。この検量線は、弾−塑性臨界点の位置
把握が可能になり、ボルトの軸応力が簡易に読み取れる
ものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明ボルトの軸応力計測
機における一実施例について、図を参照しながら説明す
る。

【０００９】図１は、ボルトの軸応力計測機のシステム
構成を示した概念図であり、頭付きボルト１が図示しな
いトルクレンチにより締結用ブロック２のねじ穴３内に
ねじ込み締結されるようになっている。そして、この頭
付きボルト１は、通常ワッシャ４を介して取り付けられ
るが、接触媒質が塗布された頭部１ａには、超音波セン
サ−５が取付けられるようになっている。この場合、超
音波は、１０ＭＨ_z程度で好ましくは５〜３０ＭＨ_zであ
り、単一のエコ−パルスを得る必要性から横波の超音波
が好適し、前記接触媒質は、例えば、グリセリン系の粘
性流動体あるいは蜂蜜などからなっている。

【００１０】前記超音波センサ−５は、超音波送受信装
置６に接続されるが、前記頭部１ａに当接される送受信
子７が構成されるものである。要するに、この送受信子
７からの超音波は、ボルト頭部１ａからねじ部分１ｂの
先端に向かって伝播され、当該先端で反射されて帰還す
るものである。そして、得られた超音波のエコ−パルス
は、測定系のユニット８によって波形デ−タの記録、超
音波の伝播時間及び減衰率の計測、ボルトの軸応力の関
数としての音速及び内部摩耗値が演算処理される。この
場合、測定系のユニット８は、波形解析ユニット９、波
形メモリ内臓の波形モニタ１０、ディスプレイ１１及び
プリンタ１２を備えたパソコン１３から構成されてい
る。そして、波形モニタ１０によって得られた波形から
は、超音波の伝播時間及び減衰率が計測され、これを基
にしてパソコン１３からボルト１に負荷された軸応力の
関数としての音速及び内部摩耗値が演算処理される。

【００１１】なお、その他付属のシングアラウンドユニ
ットの閉回路中には、超音波パルスのピ−ク値を検出す
るピ−ク検出器（図示せず）が設けられ、ゼロクロス検
出器（図示せず）により受信パルス電圧が零電圧（零
点）を横切るときの時間が計測される。この計測値は、
ＲＳ−２３２準拠のシリアルインタ−フェイス（図示せ
ず）からの出力となる。この自動測定にあたっては、閉
回路中に接続されたソフトウエアを前記パソコン１３に
よって演算処理する。

【００１２】図２は、図１を補足する説明するもので、
超音波パルスのタイムチャ−トが示され、送信パルス１
４、受信信号１５、ウインドゲ−トの出力信号１６及び
ゼロクロス検出器の出力信号１７が示されている。

【００１３】図３（ａ）〜（ｃ）は、応力負荷前後のボ
ルトの伸び及び超音波エコ−間隔、高さ変化を説明した
図である。そして、ボルト１に応力がかかっていないと
きの図３（ｂ）では、超音波の伝播時間がｔであるが、
応力負荷時の図３（ｃ）では、軸の伸びによりΔｔだけ
伝播時間が延びる。また、時間の変化率Δｔ／ｔは、ボ
ルト軸応力σに比例するので、比例定数をｋとすれば、

【００１４】

【数１】 で求められる。ここで、ピ−ク時間の延びの原因は、ボ
ルトの伸長により、伝播距離の増加と引張応力発生に伴
う超音波音速の減少によるが両者を区別することはむず
かしく、実用上では（１）式から実験式として求めた方
が便利である。しかし、この方法のみでは、完全でな
い。これは、弾性域後半では、誤差が大きくなるためで
ある。

【００１５】したがって、次に、図３（ｂ）（ｃ）のピ
−ク高さＡ１，Ａ２の精密計測により内部摩耗値を測定
し、その内耗変化率から、軸応力や弾−塑性臨界点が測
定できる。これに伴って、内耗Ｑ−１は、式（２）によ
って求められる。

【００１６】

【数２】 この臨界点は、材料に固有の値であり、また、内摩値
は、弾性域後半より急激に転位の集積に伴って増大する
ことが知られている。

【００１７】図４は、以上の結果を図示したものであ
り、具体的には、ボルトの軸応力に伴う伝播時間変換率
と内耗変化の説明図である。図４において、両者の曲線
は、前記パソコン１４中に予めインプットしておけば、
検量線となり、各々から所定割合の軸応力が検出され、
両者の重ねあわせにより真に近い軸応力が算出できる。
また、弾性−塑性臨界値は、Δｔ／ｔの平衡値と内耗の
急上昇点より算出できる。

【００１８】本発明は、このようにしてボルトの軸応力
の所定の値が伝播時間の変換率と内耗の変化を測定する
ことにより検出できること、弾性−塑性臨界値は、Δｔ
／ｔの屈折点、内摩耗の急上昇により算出できることを
詳述した。

【００１９】なお、本実施例では、ボルト１が垂直方向
にある場合を例示したが、水平方向や斜め方向の場合に
も適用できるものである。また、超音波パルス系の測定
法としては、本発明のパルスエコ−オ−ラップ法以外の
比例シングアラウンド法、パルスス−パ−ポジション
法、移相比較法による場合も適用できるものである。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ボルト
１の頭部１ａから超音波パルスを送受信して、得られた
パルス波形から伝播時間及び減衰率を計測し、超音波の
音速及び内部摩耗値を応力負荷中のボルトにおける軸応
力の関数としたものである。したがって、音速及び内部
摩耗の両測定値から、容易にしかも正確に、ボルトの軸
応力が判定できるものである。また、弾−塑性臨界点ぎ
りぎりの軸応力を制御することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ボルトの軸応力計測機の一実施例を示す
概念的な構成図。

【図２】超音波パルスのタイムチャ−トを示す説明図。

【図３】応力負荷前後におけるボルトの伸び及び超音波
エコ−間隔と高さ変化を示す図で、（ａ）はボルトの伸
び関係を示す説明図、（ｂ）はボルトが伸びる前の超音
波エコ−間隔と高さを示す説明図、（ｃ）はボルトが伸
びた後の超音波エコ−間隔と高さを示す説明図。

【図４】ボルト軸応力に伴う伝播時間変換率と内耗変化
を示す説明図。

【符号の説明】

１ ボルト ３ ねじ穴 ５ 超音波センサ− ６ 超音波送受信装置 ７ 送受信子 ８ 測定系のユニット ９ 波形解析ユニット １０ 波形モニタ １１ ディスプレイ １２ プリンタ １３ パソコン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頭部付きボルト１のねじ穴３内へのねじ
   込み締結によって発生するボルト１の軸応力が超音波セ
   ンサ−５の利用により計測されるようにしたボルトの軸
   応力計測機において、 前記超音波センサ−５は、ボルト頭部１ａに当接される
   横波からなる超音波の送受信子７が構成され、この超音
   波センサ−５には、ボルト頭部１ａからねじ部分１ｂの
   先端に向かう超音波のエコ−パルスの波形から得られる
   伝播時間及び減衰率を計測して、負荷される軸応力の関
   数として超音波による音速及び内部摩耗値を演算処理す
   る測定系のユニット８が接続されるようにしたことを特
   徴とするボルトの軸応力計測機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された測定系のユニット
   ８は、波形解析ユニット９、波形メモリ内臓の波形モニ
   タ１０、ディスプレイ１１、プリンタ１２及びパソコン
   １３から構成されている請求項１記載のボルトの軸応力
   計測機。
3. 【請求項３】 請求項１に記載された測定系のユニット
   ８は、演算処理された音速及び内部摩耗値を負荷される
   軸応力の関数として、予めインプットしておき、これに
   より得られた検量線がボルト１に負荷された軸応力の判
   定に利用される請求項１及び請求項２記載のボルトの軸
   応力計測機。