CN102042288A - 增强导电性的带套管的紧固件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适于安装在结构的孔中的套管过盈紧固件，其包括：套管；销构件，其中所述销构件在柄部和锁定部分之间具有过渡区域并且其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；锁定构件；其中，在安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；并且其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层。本发明的套管过盈紧固件能防止电损伤，特别是由于雷击造成的电损伤。

Description

增强导电性的带套管的紧固件及其制造方法
相关申请
本申请要求2009年10月22日提交的、名称为“增强导电性的带套管的紧固件及其制造方法(ENHANCED CONDUCTIVITYSLEEVED FASTENER AND METHOD FOR MAKING)”的第61/279548号美国临时申请的权益，该临时申请的全部内容被通过参考结合于此以用于各种目的。
技术领域
本发明涉及机械紧固件，更特别地，涉及具有增强导电性的机械紧固件。
背景技术
例如飞机等结构需要许多机械紧固件。飞机易受雷击的影响。需要具有增强导电性的机械紧固件，以抵抗电损伤，特别是来自雷击的电损伤。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题尤其是至少使得由于雷击对结构造成的电损伤减至最小程度。
本发明的一个目的尤其是在于提供一种适于安装在结构的孔中的套管过盈紧固件，其包括：套管；销构件，其中所述销构件在柄部和锁定部分之间具有过渡区域并且其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；锁定构件；其中，在安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；并且其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层。
在一个实施例中，带套管的紧固件组件在套管和中心销(core pin)的与复合材料结构相对应的柄部之间提供导电性，并且该带套管的紧固件组件包括涂敷在中心销的其它部分(例如中心销的螺纹部分和过渡区域)的电介质低摩擦涂层。在一个实施例中，柄部在套管和中心销之间提供裸露的金属对金属接触。这通过促进电流沿整个接触表面分布而减小沿着套管/中心销接合部的电阻和电流密度。在一个实施例中，中心销的锁定部分和相配套环或螺母之间的电介质低摩擦涂层的存在显著增加横跨该接合部的电阻，这抑制电流流动。在一个实施例中，本发明在中心销的裸露金属柄部和中心销的涂敷有电介质低摩擦涂层的各部分之间提供不了电阻差异。在一个实施例中，在存在选择性涂敷涂层的情况下，大部分电流(例如来自闪电)将保留在中心销的没有涂覆电介质低摩擦涂层的裸露金属柄部。然后电流将自然地流经最小电阻路径，因此电流将流过紧固件的柄部流到结构中。
在一个实施例中，一种适于安装在结构的孔中的套管过盈紧固件包括：a)套管，所述套管具有在一端的头部，并且具有管状部分，所述管状部分具有内径和外径，其中，所述管状部分的外径小于所述结构的孔的内径；b)销构件，所述销构件具有在一端的销头部、在相对端的锁定部分和在所述销头部与所述锁定部分中间的柄部，i)其中设置在所述销头部下方的所述柄部的直径大于所述套管的管状部分的内径，ii)其中所述销构件在所述柄部和所述锁定部分之间具有过渡区域；iii)其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；c)锁定构件，所述锁定构件适于装配在所述销构件的锁定部分上；d)其中，所述套管适于在所述销构件的柄部上径向膨胀，以在所述套管的外径和所述结构的孔之间形成过盈配合，从而提供安装位置；e)其中，在所述安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管的内径之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；并且f)其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层。
在一个实施例中，一种用于控制电荷通过适于安装在结构的孔中的过盈紧固件的方法包括以下步骤：a)提供套管，所述套管具有在一端的头部，并且具有管状部分，所述管状部分具有内径和外径，其中，所述管状部分的外径小于所述结构的孔的内径；b)提供销构件，所述销构件具有在一端的销头部、在相对端的锁定部分和在所述销头部与所述锁定部分中间的柄部，i)其中设置在所述销头部下方的所述柄部的直径大于所述套管的所述管状部分的内径，ii)其中所述销构件在所述柄部和所述锁定部分之间具有过渡区域，并且iii)其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；c)提供锁定构件，所述锁定构件适于装配在所述销构件的锁定部分上；d)其中，所述套管适于在所述销构件的柄部上沿径向膨胀，以在所述套管的外径和所述结构的孔之间形成过盈配合，从而提供安装位置；e)其中，在所述安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管的内径之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；f)其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层；并且g)其中，在所述安装位置中，使用紧固件的具有和不具有低摩擦电介质涂层的部分来引导电荷通过。
在一个实施例中，所述销构件和所述套管构件充分适配以使得：(i)所述套管的内径表面的柄接触表面与所述销构件的柄部之间的摩擦系数为X，(ii)所述套管的外径表面与所述结构的孔的内径之间的摩擦系数为Y，并且(iii)其中，当所述销构件的柄部在所述套管内运动时，X始终保持小于Y。
在一个实施例中，所述锁定构件为套环。
在一个实施例中，所述锁定构件包括沉头孔部分，其中，所述沉头孔部分适于装配在所述销构件的锁定部分上并且围绕所述销构件压缩所述套管。
在一个实施例中，所述紧固件与所述结构的过盈配合为0.0005英寸到0.0100英寸。
在一个实施例中，所述销构件的柄部是圆柱状的。
在一个实施例中，所述结构为金属-复合材料结构。
在一个实施例中，所述紧固件由选自由铝、钛和钢构成的组的至少一种材料制成。
在一个实施例中，所述低摩擦电介质涂层的表面电阻率为1×1010Ω/Sq到1×1012Ω/Sq。
在一个实施例中，所述过渡区域和所述第二接合部中的低摩擦电介质涂层的厚度在0.0003英寸到0.0006英寸范围内。
在一个实施例中，所述低摩擦电介质涂层的摩擦系数在0.25到0.44范围内。
在一个实施例中，所述低摩擦电介质涂层包括金属材料。
在一个实施例中，所述销构件的柄部涂覆有至少一种其它涂层，所述其它涂层的至少一种性能与所述低摩擦电介质涂层不同。
在一个实施例中，在中心销穿过套管插入过程中，过渡区域的顶点为最高接触压力点。在一个实施例中，电介质低摩擦涂层减小在过渡区域顶点处中心销和套管之间的摩擦系数，并且减小将中心销插入穿过套管所需的载荷。
本发明所能实现的一些技术效果包括提供一种安装的套管过盈紧固件，其能防止电损伤，特别是由于雷击造成的电损伤。
附图说明
请参考结合附图对示例性实施例的以下详细描述，附图中：
图1是本发明紧固件的一个实施例所采用的中心销的正视图；
图2A和2B是可使用图1中所示的中心销的处于安装位置中的本发明紧固件的实施例的剖视图；
图3A-3C是用于本发明的带套管的紧固件的一些实施例的安装顺序的图示；
图4A和4B显示了结构中的电流密度分布的模拟情况，将完全涂覆电介质涂层的中心销和没有完全涂覆的中心销进行比较；
图5是显示了将过盈配合销插入带套管的孔中的局部剖视图；
图6A和6B是显示了图5中所示的带套管的孔中的销的实施例的螺纹区域的局部剖视图；
图7A和7B显示了由于在结构孔的两个不同区域中使销螺纹过渡区域通过而造成的净水压分布；
图8A和8B显示了将要插入结构孔中的带套管的紧固件的剖视图和为一个厚度宽乘以一个厚度高的环形式的套管材料的控制体积的图示。
图9示出套管体积控制环中静液压力的变化的顺序；
图10是受径向压缩和轴向拉伸的套管材料的应变张量图。
所示的附图不一定按比例，相反重点基本放在示出本发明的原理上。而且，可能放大一些特征来显示特定部件的细部。虽然上面说明的附图阐明了在此公开的实施例，但是如所指出的，也可构想其它实施例。本公开以示例性典型方式而不是限制方式呈现了示例性实施例。本领域技术人员可设想落在当前公开的本发明的精神和范围内的很多其它修改形式和实施例。另外，附图中所示的任何尺寸、规格说明等旨在示例，而不是限制。
具体实施方式
在此公开了本发明的详细实施例；但是，应理解的是，所公开的实施例仅是对本发明的示例，本发明可以多种形式实现。另外，关于本发明的各实施例给出的各实例旨在示例，而不是限制。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而是仅作为为了教导本领域技术人员来以多种方式应用本发明的典型方式。
在本发明的一个实施例中，带套管的紧固件用于实现紧固件到孔的紧密结合。在一个示例中，该方法涉及在结构的孔中插入紧配合的套管。然后将过盈配合销(通常称为中心销)插入该套管中，所述过盈配合销的内径大于所述套管的内径。这使套管膨胀来引起套管与孔的壁紧密接触。
在图1和2A中示出的一些实施例中，带套管的紧固件组件10包括中心销12和套管14，在套管14和中心销12的与结构18对应的柄部16之间具有足够的导电性，但是在中心销12的其它部分上具有电介质低摩擦涂层20。图1示出了一个实施例中的中心销12的剖视图。而在一个实施例中，中心销12的与结构18对应的柄部16(还标示为区域3)和头部22(还标示为区域4)具有足够的导电性。相反，在一个实施例中，中心销12的并不与结构18对应的锁定部分24(该锁定部分24还标示为区域1)和过渡区域或者称为过渡部分26(还标示为区域2)都涂覆有低摩擦电介质涂层20，如图2A中所示。
在一些实施例中，本文所用的术语“低摩擦电介质涂层”包括表面电阻率在1×1010Ω/Sq.到1×1012Ω/Sq.范围内而摩擦系数在0.25到0.44范围内的涂层。在一些实施例中，本文所用的术语“低摩擦电介质涂层”包括表面电阻率在1×1011Ω/Sq.到1×1012Ω/Sq.范围内而摩擦系数在0.20到0.35范围内的涂层。在一些实施例中，本文所用的术语“低摩擦电介质涂层”包括表面电阻率在9×1010Ω/Sq.到9×1012Ω/Sq.范围内而摩擦系数在0.15到0.50范围内的涂层。在一些实施例中，本文所用的术语“低摩擦电介质涂层”包括表面电阻率在1×1011Ω/Sq.到1×1013Ω/Sq.范围内而摩擦系数在0.25到0.44范围内的涂层。
参照图1和2A，在一些实施例中，紧固件组件10在中心销12的其它部分上具有电介质低摩擦涂层20。在一些实施例中，本文所用的术语“足够的导电性”包括在1×10-5Ωm到1×10-8Ωm范围内的表面导电率。在一些实施例中，本文所用的术语“足够的导电性”包括在1×10-6Ωm到1×10-8Ωm范围内的表面导电率。在一些实施例中，本文所用的术语“足够的导电性”包括在1×10-7Ωm到1×10-8Ωm范围内的表面导电率。在一些实施例中，本文所用的术语“足够的导电性”包括在9×10-6Ωm到9×10-8Ωm范围内的表面导电率。
在一个实施例中，中心销12包括柄部16和头部22。在一个实施例中，在安装状态下(例如图2A)，柄部16和头部22具有足够的导电性，其中柄部16和头部22通常对应于由工件18A和18B制成的结构18。在一些实施例中，相反，中心销12的不与结构18对应(即基本上设置在结构18外部)的锁定部分24，和销12的过渡区域26，都涂覆有低摩擦电介质涂层20(如图2A中作为示例图示的)。
在一个实施例中，紧固件组件10至少部分由铝制成。在一个实施例中，紧固件组件10至少部分由合金钢制成。在一个实施例中，紧固件组件10至少部分由耐蚀钢制成。在一个实施例中，紧固件组件10至少部分由钛制成。在一个实施例中，紧固件组件10至少部分由本领域已知的其它材料制成。
在一个实施例中，低摩擦电介质涂层20包括铝颜料填充的聚合物基涂层。在一个实施例中，涂层20包括由加利福尼亚州托兰斯市的Hi-Shear公司制造的HI-KOTETM航空航天用涂层，例如HI-KOTE1TM，HI-KOTE 2TM，或HI-KOTE 4TM，其性能在http://www.hi-shear.com/fastener_hi-kote.htm中进行了详细描述，并且以引用的方式并入本文中。在一个实施例中，涂层20可由其它制造商提供。在一个实施例中，涂层20的表面电阻率为1.7×1010Ω/Sq.。在一个实施例中，涂层20的表面电阻率在1×1010Ω/Sq.到1×1012Ω/Sq.范围内。在一个实施例中，涂层20的摩擦系数为0.32。在一个实施例中，涂层20的摩擦系数在0.25到0.44范围内。
在一个实施例中，涂层20厚度在0.0003英寸到0.0006英寸范围内。在一个实施例中，涂层20厚度在0.0001英寸到0.0010英寸范围内。在一个实施例中，涂层20厚度在0.0004英寸到0.0006英寸范围内。在一个实施例中，涂层20厚度在0.0003英寸到0.0005英寸范围内。在一个实施例中，涂层20厚度在0.0003英寸到0.0008英寸范围内。在一个实施例中，摩擦系数使用ASTM D-2670进行测量，ASTMD-2670是用于测量流体润滑剂耐磨性能的标准测试方法(润滑剂耐热耐压法(Falex Pin and Vee Block Method))，或使用任何其它相当的测试方法进行测量。
在一个实施例中，通过遮蔽裸露的金属柄部16(其将不进行涂覆)并且向部分24、26喷涂涂层20来将低摩擦电介质涂层20涂敷到中心销12的部分24、26。在一个实施例中，裸露的金属柄部16被遮蔽或容放在结构中，将部分24、26露出以进行涂覆。
在一个实施例中，中心销12的柄部16涂覆有石蜡。在一个实施例中，当中心销12插入套管14中时，石蜡涂层被从中心销12去除。在一个实施例中，中心销12的柄部16涂覆有例如金或银或任何其它相当金属等材料，以提高柄部16的导电性。
在一个实施例中，套管14在其外表面上包括涂层，以变形为复合材料结构的纹理构造。在一个实施例中，套管外表面上的涂层包括金属涂层。在一个实施例中，该金属涂层为银。在另一个实施例中，该金属涂层为镍。在另一个实施例中，套管14在其内表面上包括涂层，以在其中提供低摩擦性，这在2010年4月13日授权的授予March等人的美国专利No.7,695,226中进行了描述，其公开内容以引用的方式以其全文并入本文中。在另一个实施例中，套管14在其内表面或外表面上都包括一个或多个涂层。
在一个实施例中，在中心销12插入穿过套管14的过程中，过渡区域26的顶点28为最高接触压力点。电介质低摩擦涂层20降低该位置处中心销12和套管14之间的摩擦系数，并且降低将中心销12插入穿过套管14所需的载荷。
在一个实施例中，中心销12的与锁定构件(例如螺母或套环)(即区域1和2)相对应的部分24、26上的电介质低摩擦涂层20还增大了横跨中心销12到套环或螺母接合部的电压降。同时，中心销12的柄部16和头部22(即区域3和4)促进了电流流过中心销12的与结构18对应的部分。这种构型有效地控制了流经紧固件组件10的柄部16并且流入结构18中而不是朝向锁定构件30流动的电流流动路径。
在一个实施例中，紧固件组件10包括直柄带套管的紧固件。在一个实施例中，紧固件组件10包括具有相配型锻套环的环槽铆钉(lockbolt)变体。在一个实施例中，紧固件组件10包括具有相配螺母的螺纹销变体。在一个实施例中，紧固件组件10包括具有相配易碎套环的螺纹销。在一个实施例中，紧固件组件10包括可利用相配型锻套环或螺母安装的混合型变体。在一个实施例中，紧固件组件10包括锥形柄带套管的紧固件。
在一个特别实施例中，中心销12包括细长的光滑圆柱状柄部16和增大的头部22以与套管14相配。在一些实施例中，头部22为沉头或突出的头部，用于与套管14的扩口端部接合。
在其它实施例中，套管14适于装配在光滑的圆柱状柄部16上，包括管状部分和用于与结构18的外表面接合的增大端部。在一些实施例中，具有用于与结构18中的沉头部分接合的扩口端部。在一个实施例中，套管14具有的长度大于将在对准孔的位置处连接的结构18的最大总厚度。在一个实施例中，套管14的管状部分具有小于光滑圆柱状柄部16的直径的内径，和大小允许将套管14装配到结构18中工件的对准的通孔中的外径。
在一个实施例的一个方面，中心销12具有的光滑圆柱状柄部16的直径大于套管14的最大内径。当光滑圆柱状柄部16进入套管14中，并且从套管14穿过时，套管14径向膨胀，与工件18A、18B的孔的壁形成过盈配合。
在一个实施例中，紧固件组件10可用于飞机中，例如商业或私人飞机中。在一个实施例中，紧固件组件10可与其它类型的结构部件结合使用。
返回参照图2A，其示出了本发明一个实施例，示出了处于安装位置中的紧固件组件10的剖视图。在一个实施例中，中心销12的与结构18对应的部分没有涂覆电介质低摩擦涂层20，而中心销12的不与结构18对应的部分选择地涂覆电介质低摩擦涂层20。在一个实施例中，中心销12的不涂覆电介质低摩擦涂层20的部分(即裸露的金属柄部16)在套管14和中心销12之间提供直接裸露金属与金属接触。在本文使用时，术语“裸露金属”意思是基本上没有涂层的金属表面或其上具有不是低摩擦电介质涂层的金属涂层的金属表面。在一些实施例中，这样的直接裸露金属接触通过促进电流沿整个接触表面分配，减小了沿套管/销接合部的电阻和电流密度，而中心销12的锁定部分和锁定构件30之间的电介质低摩擦涂层20的存在显著增加了横跨该接合部的电阻，这抑制了电流的流动。这导致中心销12的裸露金属柄部16和中心销12的涂覆电介质低摩擦涂层20的部分24、26之间的电阻率差异。在一个实施例中，中心销12的裸露金属柄部16的导电率在1×10-5Ωm到1×10-8Ωm范围内，而中心销12的涂覆电介质低摩擦涂层20的部分24、26的电阻率在1×1010Ωm到1×1015Ωm范围内。在一个实施例中，中心销12的裸露的金属柄部16的导电率使用ASTME1004-09进行测量，所述ASTM E1004-09为使用电磁(涡流)方法确定导电率的标准测试方法，或者使用任何其它相当测试方法进行测量。在一个实施例中，中心销12的涂覆电介质低摩擦涂层20的部分24、26的电阻率使用ASTM F-150测量，所述ASTM F-150为导电性弹性地面的电阻的标准测试方法，或者使用任何其它相当测试方法进行测量。
通过上述选择性涂层涂敷，大部分闪电电流将被保留在中心销12的裸露金属柄部16处。于是电流将自然地流经最小电阻的路径并流过紧固件10的不带涂层的柄部16流到结构18中，这是由于紧固件10的柄部16具有远低得多的电阻。
在一些实施例中，结构18可由几个工件形成，例如多于两个工件18A、18B。在一些实施例中，工件18A、18B可由相同的材料制成。在一些实施例中，工件18A、18B可由不同的材料制成。
在又一个实施例中，在此公开的紧固件组件10具有安装在复合材料、金属或复合材料/金属结构中的能力。例如，紧固件组件10可安装在例如石墨复合材料、钛、铝中或这些组分的混合物中。
例如，复合材料和/或金属-复合材料可包括：
1)纤维增强聚合物或FRP，其包括木材(包括木质素和半纤维素基质中的纤维素纤维)、碳纤维增强的塑性材料或CFRP和玻璃纤维增强的塑性材料或GRP；
2)热塑性复合材料、短纤维热塑性材料、长纤维热塑性材料或长纤维增强的热塑性材料(可在环氧树脂基质中结合聚芳基酰胺纤维和碳纤维的热固性复合材料)；
3)形状记忆聚合物复合材料，其为高性能复合材料，使用纤维或织物增强和形状记忆聚合物作为基质树脂配制而成(形状记忆复合材料在其加热到高于其活化温度时，通常具有易于处理为各种结构的能力，并且在较低温度下表现出高强度和硬度；其也可反复再加热和再成形而不损失其材料性能)；
4)包括用于增强其它金属的金属纤维的复合材料，如在金属基质复合材料或MMC中。
5)热塑性复合材料，使用特定金属粉末配置而成，所得材料密度在从2g/cm3到11g/cm3范围内(与铅具有相同的密度)(例如高比重化合物(HGC))；和
6)工程木，例如胶合板、波纹状硬纸板、木塑复合材料(聚乙烯基质中的回收木纤维)、Pykrete(冰基中的锯末)、塑料浸渍或层合纸或织物、亚宝来(Arborite)、富美家(Formica塑性材料)和米卡他电介质板(Micarta)；其它工程层合复合材料，例如Mallite，使用端面晶粒轻木的中心芯材结合到轻合金的表面。
在一些实施例中，紧固件组件10可用于连接多种典型代表性应用中的结构，包括但不限于：
1)需要轻重量但是强度足够承受恶劣载荷条件的高性能产品(例如航空航天部件(尾部、翼部、机身、推进器)、船身和船桨外壳、自行车架和赛车车身)；
2)运载火箭和宇宙飞船(基于碳复合材料)；
3)宇宙飞船的太阳帆板、天线反射器和支架；
4)全复合材料军用高机动性多用途轮式车辆(HMMWV或Hummvee)；和
5)由碳复合材料和凯夫拉(Kevlar)制成的军用传送箱。
在一些实施例中，低摩擦电介质涂层在紧固件组件10安装之前选择地涂敷到中心销12的某些部分，以在安装条件下的紧固件组件10的各部分之间获得所选择的导电性。在一些实施例中，低摩擦电介质涂层和另一涂层(例如石蜡或类似涂层)被在紧固件组件10安装之前选择地涂敷到中心销12的某些部分，以在安装条件下的紧固件组件10的各部分之间获得所选择的导电性。在一些实施例中，低摩擦电介质涂层在紧固件组件10安装之后选择地涂敷到中心销12的某些部分，以在安装条件下的紧固件组件10的各部分之间获得所选择的导电性。在一些实施例中，低摩擦电介质涂层在紧固件组件10安装之前或之后选择地涂敷到中心销12的某些部分和/或涂敷到锁定构件30的内表面，以在安装条件下的紧固件组件10的各部分之间获得所选择的导电性。
图2B示出了图1和图2A的安装的中心销12的一个替代实施例。图2A和2B的实施例之间的主要差别与过渡区域26和26’相关。在图2A的实施例中，过渡区域26从顶点28向锁定部分24渐缩。在图2B的实施例中，从顶点28’开始的过渡区域26’实际上从位置32’开始渐缩，而过渡区域26’的介于顶点28’与位置32’之间的部分具有与中心销12’的柄部16’相同的形状。如上所详述，在两个实施例中，过渡区域26和26’的所有部分都在安装中心销12和12’之前涂敷有电介质低摩擦涂层20和20’。
图3A-3C示出了用于本发明的带套管的紧固件的一些实施例的安装顺序。在另一个实施例中，紧密电接触形成在套管和过盈配合中心销之间，以减轻两者之间的内部电弧放电。如图3A-3C所示，带套管的紧固件组件110包括中心销112和套管114，套管114和中心销112的与由工件118A和118B形成的结构118对应的柄部116之间具有导电性。
在一些实施例中，工件118A和118B由相同的材料制成。在一些实施例中，工件118A和118B由不同的材料制成。在一些实施例中，工件118A和118B中的至少一个由复合材料制成。在一些实施例中，工件118A和118B中的至少一个由金属材料制成。在一些实施例中，工件118A和118B中的至少一个由金属-复合材料制成。
在一个实施例中，中心销112的与结构118对应的部分没有涂覆电介质低摩擦涂层120，而中心销112的不与结构118对应的部分124选择地涂覆电介质低摩擦涂层120。
中心销112还包括锁定部分124和与光滑圆柱状柄部116轴向对齐的易碎部分123。易碎部分123包括具有沿圆周的拉槽127的拉槽部分125，所述拉槽127适于被夹持来施加相对的轴向力，以将中心销112拉入套管114中。中心销112在锁定部分124和易碎部分123之间包括易断颈槽129。当紧固件组件110安装好时，易碎部分123在易断颈槽129处被分离。
在其它实施例中，紧固件组件110还包括套管114和用于将工件固定到一起的夹持装置。夹持装置可包括锁定构件130，例如套环或螺母构件，或适于使用销112和套管114将工件紧固在一起的任何其它装置。紧固件组件110穿过设置在两个或多个工件118A、118B中的对齐孔来安装。在一些实施例中，所述贯穿工件118A、118B之一的孔中的一个在其外开口上包括沉头或包括径向引导部。
在示例性示例中，锁定构件130为适于装配在中心销112的锁定部分124上的套环。套环130包括使该套环130能够在套管114上提供间隙的沉头孔，以及在一端的环状凸缘部分，用于与工件118B的另一个外表面接合。套环130包括增大的圆柱状柄部，该柄部具有适于模压到中心销112的锁定部分124中的均一外径。在另一个实施例中，锁定构件130为适于与中心销112的锁定部分124接合的螺母构件。更特别地，螺母构件130包括使螺母构件130能够在套管114上提供间隙的沉头孔，以及在一端处的环形凸缘部分，用于与工件118B的另一个外表面接合。螺母构件130包括螺纹接合到中心销112的锁定部分124上的螺纹部分，用于将紧固件组件110固定到工件118A和118B。
图4A和4B显示了结构(18、118)中的电流密度分布的模拟情况，将基本上完全涂覆有电介质的中心销(12、112)和没有基本上完全涂覆(即如上所述选择地涂覆)的中心销(12、112)进行比较。如图4A和4B中所示，对于基本上未涂覆(选择地涂覆)的中心销(12、112)，大部分电流在小于1微秒内被传送到结构(18、118)，而对于基本上完全涂覆的销(12、112)，其中基本上无电流传送。
例如，参照图4A，在结构(18、118)的区域427中，该区域427与紧固件的销的未选择地涂覆有销的过渡和锁定部分中的电介质低摩擦涂层的柄部相对应。区域427的所测的电流密度在电流密度标尺上在6到8.2个单位之间(即其中基本上无电流传送到结构中)。在另一个示例中，参照图4B，在结构(18、118)的区域429中，该区域429对应于紧固件组件(10、110)的中心销(12、112)的选择地涂覆有销的过渡部分(26、126)和锁定部分(24、124)中的电介质低摩擦涂层的柄部。区域429的所测的电流密度在电流密度标尺上几乎完全低于4个单位(即其中电流基本上传送到结构中)。
在一些实施例中，将过盈配合销插入带套管的孔中(如图5中所示)可被认为是成形/挤压过程，其中中心销12用作冲头，结构18的孔用作冲模，套管材料14在这两者之间受到压缩。
在一些实施例中，如图6A和6B的实施例中所示，在插入过程中，锁定部分24、24’、124不与套管14、14’、114形成过盈配合，因而其在其膨胀中不起作用。当中心销12、12’、112进一步插入时，过渡区域26、26’、126为与套管14、14’、114形成过盈配合的第一销区域。这种过盈配合使套管14、14’、114沿径向移动，产生对着结构18、18’、118的孔壁的压缩作用。在一些实施例中，一旦当中心销12、12’、112的柄部16、16’、116与套管14、14’、114形成接触后，由于套管14、14’、114已经完全与结构18、18’、118相顺应，因此仅易受系统回弹作用。在一些实施例中，与接合部摩擦系数和接触面积相关的柄16、16’、116上的回弹压力决定着插入所需的总力。
在一些实施例中，过渡区域26、26’、126在套管14、14’、114膨胀中起非常重要的作用。在一些实施例中，过渡区域26、26’、126的构型可能既影响紧固系统的机械特性又影响其雷击性能。当过渡区域26、26’、126将套管14、14’、114的材料抵靠结构18、18’、118的孔壁向外推压时，产生的压力促进孔的径向膨胀、中心销12、12’、112的压缩和套管14、14’、1144的厚度减小。在一个示例中，由于部分套管材料在安装过程中被向前挤压，因此安装过程中产生的压力还可促进套管14、14’、114的轴向(即向外，沿销运动的方向)膨胀。
图7A示出由于在如图7B所示的结构18、18’、118的孔的两个不同区域中使中心销12、12’、112过渡区域26、26’、126通过而造成的净水压分布的顺序。在图7A和7B中，区域A为更靠近套管14、14’、114的套环25的区域。在图7A和7B中，区域B为穿过结构18、18’、118的大致一半的区域。图7A显示了销螺纹过渡区域上较大直径区域抵靠结构18、18’、118压缩并且推动套管14、14’、114材料时出现的较高压力。在一些实施例中，最大压力值在整个插入过程中保持相对恒定。
图8A示出带套管紧固件组件10、10’、110的剖视图的一个示例，该带套管的紧固件10、10’、110具有销12、12’、112和套管14、14’、114，其将要插入结构18、18’、118的孔中。图8B显示了中心销12、12’、112的一部分、结构18、18’、118的孔壁的一部分和套管14、14’、114的一部分，由方形31所表示，方形31为环形式的套管材料的控制体积，为一百英寸厚度宽乘以一百英寸厚度高。
在一些实施例中，在插入过程中，沿着该环的移动并且评估静液压力的变化，如图9中所示，可看出，只要控制体积在销螺纹过渡区域和该结构之间被“压紧”，则静液压力显著升高。在该阶段，套管材料沿径向被压缩，并且沿轴向被拉伸。沿着最小阻力路径，径向移动的套管体积的大部分随后被向前挤出，如由图10中所示的应变张量图示出的。
在一个实施例中，螺纹过渡区域构造成(或必须构造成)使得施加到孔的径向膨胀量最大化同时使套管向前挤压最小化。在又一个实施例中，在插入过程中，螺纹过渡区域具有将截留在套管OD(外径)和孔ID(内径)之间的过量密封剂排出的能力。测试数据显示出套管和结构之间存在过量密封剂是雷击事件过程中该区域中产生电弧的主要原因。在一个实例中，螺纹过渡区域构型可在插入过程中促使密封剂最大程度去除。
应理解的是，本文描述的紧固件组件仅是示例性的，并且本领域技术人员可做出很多变形形式和修改形式，而不偏离本文描述的实施例的全部精神和范围。例如，任何步骤可以任何所需顺序进行(并且可增加任何所需步骤和/或可去除任何所需步骤)。因此，所有这样的变形形式和修改形式都包括在本发明的范围内。

Claims (26)

1.一种适于安装在结构的孔中的套管过盈紧固件，包括：
a)套管，所述套管具有在一端的头部，并且具有管状部分，所述管状部分具有内径和外径，其中，所述管状部分的外径小于所述结构的孔的内径；
b)销构件，所述销构件具有在一端的销头部、在相对端的锁定部分和在所述销头部与所述锁定部分中间的柄部，
i)其中设置在所述销头部下方的所述柄部的直径大于所述套管的管状部分的内径，
ii)其中所述销构件在所述柄部和所述锁定部分之间具有过渡区域；
iii)其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；
c)锁定构件，所述锁定构件适于装配在所述销构件的锁定部分上；
d)其中，所述套管适于在所述销构件的柄部上径向膨胀，以在所述套管的外径和所述结构的孔之间形成过盈配合，从而提供安装位置；
e)其中，在所述安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管的内径之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；并且
f)其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层。
2.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述销构件和所述套管构件充分适配以使得：
(i)所述套管的内径表面的柄接触表面与所述销构件的柄部之间的摩擦系数为X，
(ii)所述套管的外径表面与所述结构的孔的内径之间的摩擦系数为Y，并且
(iii)其中，当所述销构件的柄部在所述套管内运动时，X始终保持小于Y。
3.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述锁定构件为套环。
4.根据权利要求3所述的套管过盈紧固件，其中，所述锁定构件包括沉头孔部分，其中，所述沉头孔部分适于装配在所述销构件的锁定部分上并且围绕所述销构件压缩所述套管。
5.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述紧固件与所述结构的过盈配合为0.0005英寸到0.0100英寸。
6.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述销构件的柄部是圆柱状的。
7.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述结构为金属-复合材料结构。
8.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述紧固件由选自由铝、钛和钢构成的组的至少一种材料制成。
9.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述低摩擦电介质涂层的表面电阻率为1×1010Ω/Sq到1×1012Ω/Sq。
10.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述过渡区域和所述第二接合部中的低摩擦电介质涂层的厚度在0.0003英寸到0.0006英寸范围内。
11.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述低摩擦电介质涂层的摩擦系数在0.25到0.44范围内。
12.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述低摩擦电介质涂层包括金属材料。
13.根据权利要求1所述的套管过盈紧固件，其中，所述销构件的柄部涂覆有至少一种其它涂层，所述其它涂层的至少一种性能与所述低摩擦电介质涂层不同。
14.一种用于控制电荷通过适于安装在结构的孔中的过盈紧固件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供套管，所述套管具有在一端的头部，并且具有管状部分，所述管状部分具有内径和外径，其中，所述管状部分的外径小于所述结构的孔的内径；
b)提供销构件，所述销构件具有在一端的销头部、在相对端的锁定部分和在所述销头部与所述锁定部分中间的柄部，
i)其中设置在所述销头部下方的所述柄部的直径大于所述套管的所述管状部分的内径，
ii)其中所述销构件在所述柄部和所述锁定部分之间具有过渡区域，并且
iii)其中所述销构件的一部分包括低摩擦电介质涂层；
c)提供锁定构件，所述锁定构件适于装配在所述销构件的锁定部分上；
d)其中，所述套管适于在所述销构件的柄部上沿径向膨胀，以在所述套管的外径和所述结构的孔之间形成过盈配合，从而提供安装位置；
e)其中，在所述安装位置中，所述销构件的柄部和所述套管的内径之间的第一接合部基本上没有低摩擦电介质涂层；
f)其中，在所述安装位置中，所述销构件的过渡区域和在所述销构件的锁定部分与所述锁定构件之间的第二接合部基本上覆盖有低摩擦电介质涂层；并且
g)其中，在所述安装位置中，使用紧固件的具有和不具有低摩擦电介质涂层的部分来引导电荷通过。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述销构件和所述套管构件充分适配以使得：
(i)所述套管的内径表面的柄接触表面与所述销构件的柄部之间的摩擦系数为X，
(ii)所述套管的外径表面和所述结构的孔的内径之间的摩擦系数为Y；并且
(iii)其中，当所述柄部在所述套管内运动时，X始终保持小于Y。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述锁定构件为套环。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述锁定构件包括沉头孔部分，其中，所述沉头孔部分适于装配在所述销构件的锁定部分上并且围绕所述销构件压缩所述套管。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述紧固件与所述结构的过盈配合为0.0005英寸到0.0100英寸。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述销构件的柄部是圆柱状的。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述结构为金属-复合材料结构。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述紧固件由选自由铝、钛和钢构成的组的至少一种材料制成。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述低摩擦电介质涂层的表面电阻率为1×1010Ω/Sq到1×1012Ω/Sq。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述销构件的过渡区域和所述第二接合部中的低摩擦电介质涂层的厚度在0.0003英寸到0.0006英寸范围内。
24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述低摩擦电介质涂层的摩擦系数在0.25到0.44范围内。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，所述低摩擦电介质涂层包括金属材料。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述销构件的柄部涂覆有至少一种其它涂层，所述其它涂层的至少一种性能与所述低摩擦电介质涂层不同。
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