CN103261027B - 用于构造电流通路的导电套管连接件 - Google Patents

用于构造电流通路的导电套管连接件 Download PDF

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Abstract

导电结构连接采用具有第一直径的贯通件或紧固件。具有比贯通件的直径更大的第二直径的紧固件孔延伸通过结构的厚度并且容纳所述贯通件。具有用于在第一直径和第二直径之间配合的直径和厚度的套管延伸经过并穿过所述结构的厚度。当穿通件压缩地固定到所述结构时，套管在第一直径和第二直径间径向膨胀，从而维持在紧固件和所述结构之间的至少一个触点。

Description

用于构造电流通路的导电套管连接件
技术领域
本公开的实施例总体涉及用于电气连续性和传导性的配件，并且更特别地涉及具有用于电气连续性的触点的可压缩扩张的套管的实施例，所述触点通过碳纤维树脂复合束中的孔，从而传输流动电流和必须电连接到结构以避免形成火花的闪电感应的电流。
背景技术
在航空器以及其它系统的结构应用中使用碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料现在已经成为惯例。某些结构系统要求用于避雷的导电能力和总是能自然提供金属结构的其它电气应用。然而，CFRP结构缺少与金属结构相同的导电能力。尤其是，通过CFRP结构的孔可能因为缺少连续的导电性而产生生成火花的条件。对于比如油箱结构的应用，贯通配件要求结构中的孔容纳液压管路、传感器及其他系统。举例来说，通过CFRP复合材料束的液压舱壁配件传输流动电流和必须电连接到结构以避免在燃料箱装置内形成火花的闪电感应的电流。
为了在示例性系统中适应这些要求，精确的孔形成在CFRP束中，并且金属套管以充分的过盈压配在孔中以保持与延伸到所述孔的内直径的碳纤维相接触。这要求在CFRP材料中形成具有精确直径的孔，从而接受具有精确外直径的套管，以便在孔的内侧和套管的外侧之间产生接触压力。这种接触压力被要求用来传导来自螺栓的电流，所述螺栓穿过套管到达延伸到通孔的内表面的碳纤维。现有的构造通常要求具有很低的热膨胀系数的特殊材料（exoticmaterial）以匹配CFRP。这种接触压力被要求用以完成具有足够的载流能力从而耗散在液压管道上感应的电流的电路。高精确度被要求用来确保维持抵靠安装舱壁配件的安装孔的内直径中的碳纤维的接触压力。
CFRP结构还可能存在关于某些材料的腐蚀问题。因此，在挑选精确的金属套管时除了要考虑热膨胀问题外，还要求与CFRP结构兼容的防腐能力。这可能极大地限制材料的选择。
因此，期望的是提供一种具有电接触能力的载流套管，其避免对配件的精确钻孔和精确加工的要求。还期望的是提供这样一种套管，其不需要高成本材料在保持与CFRP兼容的防腐的同时维持热膨胀匹配。
发明内容
本文所公开的实施例提供了导电结构连接件，其采用具有第一直径的贯通件或紧固件。具有比贯通件的直径更大的第二直径的紧固件孔延伸通过结构的厚度并且容纳所述贯通件。具有在第一直径和第二直径之间配合的直径和厚度的套管延伸经过并穿过所述结构的厚度。当贯通件压缩地固定到所述结构时，套管在第一直径和第二直径间径向膨胀，从而维持在紧固件和所述结构之间的至少一个触点。
本文描述的另一个实施例包括一种导电结构连接件，其具有：具有第一直径的紧固件；具有紧固件孔的碳纤维树脂复合结构，所述紧固件孔具有比所述第一直径更大的第二直径并且延伸通过所述结构的厚度并容纳所述紧固件；以及导电套管，其延伸经过并且穿过第一和第二直径间的结构的厚度，并且其中当紧固件压缩地固定到所述结构时，套管在所述第一直径和第二直径之间弹性形变，从而维持紧固件和所述结构之间的至少一个触点以传导电流，其中所述套管包含多个褶皱，并且当紧固件被压缩地固定到所述结构时，所述套管在第一直径和第二直径之间弹性形变，从而维持紧固件和所述结构之间的多个触点。
本文描述的另一个实施例涉及用于保持通过碳纤维增强聚合物（CFRP）结构中的孔的导电性的方法，所述方法包括：选择管状元件，使其具有可容纳在CFRP孔内的外直径，并且具有壁厚度，并且具有足以容纳外部螺纹元件的内直径以及可折叠褶皱的形变的可形成性；使所述管状元件形变以形成可折叠的褶皱；确定套管的长度以适应由褶皱形成所产生的任何管道收缩并在压缩使用时保持套管中的弹性形变；将可压缩的褶皱的套管插入到CFRP结构中的孔中；将穿通件插入通过所述套管；将螺母穿入在所述穿通件上，并且将螺母旋转以压缩所述套管并将穿通件固定在所述孔中。
还描述了用于在碳纤维增强聚合物（CFRP）结构中保持导电性的方法，所述方法包括：将导电的可压缩的褶皱的套管插入到CFRP结构中的孔中；将穿通件插入通过所述套管；将螺母穿入在所述穿通件上；以及将螺母旋转以压缩套管膨胀褶皱与CFRP结构接触，从而传导电流并将穿通件固定在所述孔中。
以上讨论的特征、功能和优势可以在本发明的各种实施例中单独实现，或者可以在其它实施例中进行组合，其中进一步的细节可以参见以下描述和附图。
附图说明
图1是具有用于螺栓穿通件的多个触点的可压缩导电套管的第一实施例的截面图；
图2是具有用于螺栓穿通件的单个触点的可压缩导电套管的第二实施例的截面图；
图3是具有用于处于未压缩状态下的液压穿通件的多个触点的可压缩导电套管的第三实施例的侧面分解图；
图4是图3中的可压缩导电套管的细节的等距局部截面图；
图5是具有未压缩的套管的图3中的实施例的等距图；
图6是处于压缩状态下的图3中的实施例的截面图；
图7是处于压缩状态下的图3中的实施例的等距图；
图8是与孔和穿通件接合的套管的细节图；以及，
图9是用于制造和使用可压缩套管的方法的流程图。
具体实施方式
本文所描述的实施例展示一种膨胀套管，所述膨胀套管维持紧密配合的孔内侧上的接触压力，从而将电流从穿通螺栓或贯通件传导至支撑结构，而不产生火花。参考附图，图1示出了例如螺栓10的示例性贯通紧固件，其具有插入通过膨胀套管12的第一直径，具有多个圆周触点14，用于维持套管抵靠CFRP结构20中的具有第二直径的安装孔18的内壁16所要求的压力。套管12最初在未压缩的状态下穿过所述孔的范围。弹簧压力由螺栓（螺母和螺栓上的螺纹为了简化未示出）上的紧固螺母22产生并压缩套管的长度，如之后将更详细地描述的。长度的压缩导致套管外侧上的直径的增加和内侧上的直径的减小。对套管材料的热膨胀系数的顾虑有所减少，因为CFRP和套管触点间的接触可以在大范围的温度上因弹性弹簧力而被维持。因此，廉价得多的材料可以用于所述套管。
图2中展示了第二实施例，其中具有圆周触点24的膨胀套管12维持套管抵靠CFRP结构20中的安装孔18的内直径16所要求的压力。与第一实施例类似，弹簧压力由螺栓上的紧固螺母22产生并压缩套管的长度。长度的压缩导致套管增大其外侧上的直径和减小其内直径。对第一和第二实施例来说，套管12具有端部截面26，其具有的直径被紧密地容纳在螺栓10上。
图1和图2所公开的实施例可以与例如以螺栓形式附连到CFRP结构的法兰一起使用，在此形式中的每个螺栓通过所描述的CFRP结构中的孔容纳。此类螺栓的尺寸可以从5/16英寸到3/8英寸或者更大。在这种类型的应用中，0.020英寸厚的不锈钢管道或者钛管道可以用作制造可压缩套管的前体，如随后将更详细地描述的。
图3显示了通过CFRP结构32中的孔30容纳的贯通件28的第三实施例。该贯通件的直径可以明显大于关于图1和图2的实施例所述的螺栓的直径，所述贯通件的直径高达1.0英寸或更大。对于所示的实施例，所述贯通件包含中心钻孔或通道34并且可以构成液压管路、电缆或类似结构。如图4中详细显示的，套管36包含端部38并且在图3中被显示为处于未压缩状态，所述端部38具有以与孔30的内直径40的密切接触而被容纳的直径。如随后将更详细地描述的，可折叠的褶皱42形成在套管上，其基于套管轴向的压缩而沿直径向内或向外膨胀，提供用于啮合孔30的内直径40的外部触点44和用于接触贯通孔28的外直径48的内部触点46。对于所示的实施例，使用两个褶皱来提供一个（与CFRP结构中的所述孔的）外直径接触和（与贯通孔的）两个内直径接触。在可替换的实施例中，额外的褶皱可以用于额外的接触。
在图3和图5中所示的未压缩状态下，套管延伸超过CFRP结构中的孔，从而被啮合以便压缩。螺母48容纳在贯通件上的匹配的外部螺纹（为了简化而未示出）上，并且啮合接触套管36的轴承垫圈50。在紧固螺母48以将穿通件固定在CFRP结构32的孔中后，套管的端部38在第一端上被轴承垫圈50啮合并在第二端上被穿通件上的台肩52啮合。在可替换的实施例中，具有关联的垫圈的螺母可以用于固定在CFRP结构的两侧上的穿通件并且压缩所述套管。
在图6、图7和图8中显示了处于压缩状态的套管。当被螺母和轴承垫圈压缩时，包括端部38和套管中的可折叠的褶皱42的数量以及所述可折叠的褶皱42的深度的套管36的总长度被选择为适应与贯通件28和CFRP的孔30的牢固的电接触所要求的膨胀。优选地，套管36保持弹性形变，从而提供弹簧力以适应CFRP和贯通元件的热膨胀和收缩。如图8所示，褶皱42的顶点可以额外地勾画轮廓，从而提供弓形54，该弓形54抵靠相对的表面（贯通件或孔）而变平，从而适应轴向压缩期间套管的额外的沿直径的膨胀，由此进一步减小容差要求。使弓形54变平提供了额外的接触表面，以便进一步增强电气属性。
对于公开的三个实施例中的任意实施例，套管的端部可以被刻痕或定形为在套管的压缩下沿直径膨胀（或接触），以便与所述孔或贯通件牢固接触，由此增加用于导电的额外的接触面积，所述套管的端部与所述孔或贯通件相邻地紧密容纳。此外，虽然第一个实施例显示了两个端部均由套管内直径上的螺栓紧密容纳，并且第二实施例显示了两个端部均由套管外直径上的孔紧密容纳，但在可替换的实施例中，一个端部可以在内直径上（与螺栓或贯通件）紧密接触，同时相对的端部可以在外直径上（与CFRP结构中的孔）紧密接触。在其它可替换的实施例中，所述端部具有的直径可以将其放置在孔直径和穿通件直径之间。可折叠的皱褶的数量和形状可以基于膨胀和传导性要求而选择。虽然使用螺栓和液压贯通件或电贯通件作为示例性元件，但延伸通过CFRP结构中的孔的任何外部螺纹元件均可以采用如本文的实施例中公开的可压缩套管的连续接触能力。
所描述的实施例还提供了易于根据需要进行拆卸的益处，以便以比将套管精确压配合在精确孔中对CFRP结构的损坏显著降低的潜在可能移除穿通件或螺栓。保持可压缩套管的弹性形变的尺寸导致在取回压缩螺母和垫圈后由套管施加的直径压力的释放。即使发生了一定的塑性形变，可压缩套管的相对薄的壁区段也允许伸展套管以便不需要移除过度的作用力。
图9描述了一种制造和使用可压缩套管的方法。套管的初始制造可以通过以下步骤完成，即选择管状元件，使其具有可容纳在CFRP孔内的外直径，并且具有壁厚度，并且具有足以容纳外部螺纹元件的内直径以及可折叠褶皱的形变的可形成性，即步骤902。作为示例性的套管，钛或者不锈钢可以被用于与CFRP兼容的抗腐蚀。可以使用三辊形变系统，其中一个辊对在管道的外部，而匹配辊在外部辊对之间的管道的内部，以便形成可折叠的褶皱，即步骤904。确定套管的长度以适应由褶皱形成所产生的管道的任意收缩并且在压缩使用时维持套管中的弹性形变，即步骤906，以及修整一个或两个端部以匹配长度要求可以在打褶之后完成，即步骤908。用于套管的形变控制的外部抛光或刻痕可以使用标准的机械加工技术完成，即步骤910。
对于组装，可压缩套管被插入CFRP结构中的孔中，即步骤912。穿通件或螺栓被插入通过套管，并且螺母（如果分离的话，其具有轴承垫圈）被穿入在穿通件上，即步骤914。螺母之后被旋转以压缩套管并且将穿通件固定在所述孔中，即步骤916。
现已如专利法规所要求的详细地说明了本公开的各种实施例，本领域技术人员将意识到对本文公开的具体实施例的多种修改和替换。这些修改在所附权利要求限定的本公开的范围和意图内。

Claims (12)

1.一种用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，该套管系统包括：
CFRP结构元件，其具有穿通孔(30)；
有外部螺纹的穿通件，其具有容纳在所述孔(30)中的直径(40)；
容纳在所述孔(30)内并且位于所述孔和穿通件中间的套管(36)，所述套管具有压缩的长度和膨胀的内直径和外直径，所述膨胀的内直径和外直径接触所述孔(30)和穿通件以便导电；以及，
容纳在所述穿通件的外部螺纹上的螺母(48)，所述螺母(48)被紧固以便推动所述套管(36)行进至所述压缩的长度；
其中所述套管(36)包含在相对的端部中间的至少一个可折叠的褶皱(42)，所述可折叠的褶皱(42)在由所述螺母(48)压缩所述端部之后沿直径膨胀。
2.根据前述任一权利要求所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，还包含位于所述螺母(48)和所述套管(36)中间的轴承垫圈(50)。
3.根据权利要求1所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，其中所述套管(36)包含在相对的端部中间的多个可折叠的褶皱(42)，所述可折叠的褶皱(42)在由所述螺母(48)压缩所述端部之后沿直径弹性膨胀，并且其中所述可折叠的褶皱(42)包含处于顶点的弓形形状(54)，从而适应抵靠所述孔(30)的膨胀。
4.根据权利要求1所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，其中所述套管(36)包含第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部具有由所述穿通件紧密容纳的直径。
5.根据权利要求1所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，其中所述套管(36)包含第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部具有由所述孔(30)紧密容纳的直径。
6.根据权利要求1所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，其中所述穿通件是螺栓、液压管路和电缆中的一种。
7.根据权利要求1所述的用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)的导电的可压缩的套管系统，其中所述套管(36)由不锈钢或钛制造。
8.一种制造用于碳纤维增强聚合物CFRP结构(32)中的孔的导电套管(36)的方法，所述方法包括：
选择管状元件，使其具有可容纳在CFRP孔内的外直径，并且具有壁厚度，并且具有足以容纳外部螺纹元件的内直径以及可折叠的褶皱(42)的形变的可形成性；
使所述管状元件形变以形成可折叠的褶皱；以及
确定所述套管(36)的长度以适应由形成所述可折叠的褶皱产生的任何管道收缩并在压缩使用时保持所述套管中的弹性形变。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包含：
采用三辊形变系统，其中一个辊对在所述管道的外部，而匹配辊在外部辊对之间的管道的内部，以便形成可折叠的褶皱。
10.根据权利要求8或9所述的方法，进一步包含：
修整所述套管(36)的一个或两个端部以匹配打褶之后的长度要求。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包含：
用于所述套管(36)的形变控制的外部抛光或刻痕。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述抛光或刻痕在所述套管的端部上进行，以用于抵靠所述孔或穿通件的形变。
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