Messung der axialen Kraft der Schrauben/Mutter-Anordnungen basierend auf der Frequenz der Biegeformen des hervortretenden Gewindeabschnitts unter Verwendung der ultraschallbasierten Modalanalyse

Schrauben/Mutter-Anordnungen werden häufig in Maschinen und Konstruktionen verwendet, um eine einfache Montage und Demontage zu ermöglichen. Allerdings nimmt die axiale Kraft (d.h. die Verbindungskraft) solcher Anordnungen aufgrund wiederholter äußerer Belastung oder chronischem progressivem Verschleiß ab. Folglich ist die Überwachung der axialen Kraft entscheidend, um schwerwiegende Ausfälle durch Funktionsverlust in der Anordnung oder Ermüdung zu verhindern. Diese Studie belegt, dass die axiale Kraft an Schrauben/Mutter-Anordnungen durch Untersuchung von Änderungen in der natürlichen Frequenz der Biegemodi des Schraubengewindebereichs, der aus der Mutter hervortritt (im Folgenden als „hervortretender Gewindeabschnitt“ bezeichnet), gemessen werden kann. Diese Methode basiert auf der Beobachtung, dass eine Verringerung der axialen Kraft die Gelenksteifigkeit der Schrauben/Mutter-Anordnung am hervortretenden Gewindeabschnitt verringert, was zu einer Verschiebung der charakteristischen Spitzenfrequenz des Biegemodus führt. Eine Schrauben/Mutter-Anordnung wird gebildet und ihre Biegemodi und Biegemodalfrequenzen werden durch Schlagversuche bestimmt. Eine Reihe von Tests wird durchgeführt, um ein quantitatives Maß für die Korrelation zwischen der Verschiebung der Biegemodalfrequenz und der axialen Kraft an der Schrauben/Mutter-Anordnung zu definieren. Diese Methode ermöglicht die Messung der axialen Kraft an der Schrauben/Mutter-Anordnung von −40 bis −50% im Frequenzbereich zwischen 25 und 35 kHz. Die Abhängigkeit der Genauigkeit dieser Methode vom Schraubenverhältnis (hervortretende Länge/nomineller Durchmesser) zeigt, dass niedrigere Verhältnisse besser geeignet sind, um die axiale Kraft über die Variation der Biegemodalfrequenz zu messen.