CN104179774B - 用于电磁效应防护的紧固件系统及制造该紧固件系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于电磁效应防护的螺母、垫圈和紧固件头部，并且涉及提供电磁能量(EME)防护的复合结构的紧固件系统，其包括具有带接合表面的头部和带螺纹端的柄部的紧固件。螺母被容纳在该紧固件的螺纹端上，而该螺母也具有接合表面。该头部接合表面和螺母接合表面中的至少一个分别包括接合第一配合表面或第二配合表面的减小面积的部分。
Description
技术领域
本公开的实施例一般涉及在复合结构中采用的金属紧固件的紧固件技术领域，且更具体地说，涉及具有接合元件中的接触表面形状的紧固件系统，以创建包含压力的系统，从而在闪电情形期间防止热粒子喷射和边缘点火。
背景技术
使用复合材料的结构制造仍然需要用于许多组装操作的紧固件。金属紧固件是导电的，从而创建了考虑到雷击和其它电磁效应(EME) 问题的EME设计。紧固件的点火模式必须设计用于包括热粒子喷射(HPE)以及紧固件头部的外表面和其它结构或紧固件套筒之间的电弧的闪电情形。
当闪电击中碳纤维增强聚合物(CFRP)结构时，电流的显著部分可通过紧固件进入附近的结构。当该电能通过两个表面之间时，接触电阻发热可在孔或在紧固件和相关联的内螺纹紧固件诸如螺母或脆性卡圈之间的空间中分解材料并产生热气体(或等离子体)。如果所产生的压力足够大，该气体可找到低压路径，并从该紧固件系统溢出到装有燃料的区域中。有时该路径在突出的紧固件头部之下的表面中。这些溢出气体可热到足以腐蚀金属部件(紧固件或结构)，从而当它们溢出时产生粒子或称为HPE的微滴。
因为雷击电能在结构接点之间传导，所以该能量传递穿过金属紧固件。某些紧固件的突出紧固件头部经受了在紧固件头部的边缘和与该头部接触的结构之间的电弧。该电弧可存在于紧固件头部和结构之间，或者如果使用套筒式紧固件，则可存在于该紧固件头部和套筒之间。
现有的紧固系统通常需要在紧固件头部之上安装预成型帽的额外的时间和劳动密集型过程或诸如从该紧固件头部的暴露表面去除电介质涂层等其它程序而安装紧固件。
因此，理想的是提供适合复合结构应用的紧固系统，其克服了HPE 和电弧放电，同时克服了现有技术的紧固件安装程序的缺点。
发明内容
本文所公开的实施例提供了用于复合结构的紧固件系统，从而提供并入具有带接合表面的头部和带螺纹端的柄部的紧固件的电磁能量 (EME)防护。螺母被容纳在该紧固件的螺纹端上，而该螺母也具有接合表面。该头部接合表面和该螺母接合表面中的至少一个分别包括用于接合第一配合表面或第二配合表面的减小面积的部分。
所公开的实施例提供了通过识别复合结构中用于插入紧固件的孔的EME防护的方法。套筒的主体被插入孔中，其中凸缘接触该结构的表面。具有带减小面积的接合表面的头部的紧固件被插入具有减小面积的部分的套筒中，该减小面积的部分接合套筒凸缘上的配合表面或结构上的配合表面。然后在该紧固件上扭转螺母。
EME防护紧固件系统的实施例的制造可通过形成具有锥形的紧固件柄部来实现。然后在该柄部的第一端上创建螺纹并在该柄部的第二端上形成具有减小面积的接合表面的头部。多面扳手沉孔(multi-faceted wrenchable counter-bore)于柄部中形成，用于反抗扭矩并防止紧固件的旋转。
已经讨论的特征、功能和优点可在本发明的各种实施例中独立地实现或可在其它实施例中进行组合，其进一步详细情况可参照以下描述和附图看出。
此外，本发明包括根据以下条款所述的实施例：
条款1.一种提供电磁能量防护的复合结构的紧固件系统，其包括：具有带接合表面的头部和带螺纹端的柄部的紧固件；容纳在所述紧固件的螺纹端上的螺母，所述螺母具有接合表面；其中所述头部接合表面和所述螺母接合表面中的至少一个分别包括接合第一配合表面或第二配合表面的减小面积的部分。
条款2.如条款1所述的紧固件系统，其进一步包括具有接合表面的垫圈和接合所述紧固件头部的接合表面的第一配合表面，其中所述头部接合表面、所述螺母接合表面和所述垫圈接合表面中的至少一个分别包括接合所述第一配合表面、第二配合表面或第三配合表面的减小面积的部分。
条款3.如条款2所述的紧固件系统，其进一步包括容纳所述紧固件并具有凸缘的套筒，且其中所述第一或第三配合表面在所述凸缘上。
条款4.如条款1所述的紧固件系统，其中所述第一配合表面在具有容纳所述紧固件的孔的结构上。
条款5.如条款4所述的紧固件系统，其中所述第二配合表面在与所述第一配合表面相对的结构上。
条款6.如条款2所述的紧固件系统，其中所述第三配合表面在具有容纳所述紧固件的孔的结构上。
条款7.如条款6所述的紧固件系统，其中所述第二配合表面在与所述第一配合表面相对的结构上。
条款8.如条款2所述的紧固件系统，其中所述紧固件的头部、所述螺母和所述垫圈中的至少一个进一步包括从各自的接合表面延伸的至少一个吸热腔。
条款9.如条款8所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔包括在吸热同轴腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点。
条款10.如条款8所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔包括第一径向向内的吸热腔和第二径向向外的吸热腔。
条款11.如条款10所述的紧固件系统，其中所述第一径向向内的吸热腔和第二径向向外的吸热腔各自包括在所述吸热同轴腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点。
条款12.如条款8所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔是圆形的同轴形状。
条款13.如条款8所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔是三角形截面的同轴形状。
条款14.如条款2所述的紧固件系统，其中所述紧固件的头部、所述螺母和所述垫圈中的至少一个进一步包括在各自的接合表面中的楔形浮凸，并进一步包括容纳在所述楔形浮凸中的楔形环。
条款15.如条款14所述的紧固件系统，其进一步包括从所述楔形环径向向内的密封环，所述密封环向外压缩以促使所述楔形环与所述楔形浮凸密封接触。
条款16.一种用于紧固件EME防护的方法，其包括：识别在复合结构中用于插入紧固件的孔；将套筒的主体插入所述孔中，其中凸缘接触所述结构的表面；将具有带减小面积的接合表面的头部的紧固件插入具有减小面积的部分的所述套筒中，所述减小面积的部分接合所述套筒凸缘上的配合表面或所述结构上的配合表面；在所述紧固件上扭转螺母。
条款17.如条款16所述的方法，其进一步包括：在将所述紧固件插入所述套筒中之前将所述紧固件容纳在垫圈中；将减小面积的部分接合在所述垫圈上的配合表面上。
条款18.如条款17所述的方法，其进一步包括将所述结构或凸缘上的配合表面接合所述垫圈上的接合表面的减小面积的部分。
条款19.如条款17所述的方法，其进一步包括将至少一个吸热腔定位在所述紧固件头部、垫圈或螺母中以用于HPE截留。
条款20.如条款17所述的方法，其进一步包括将楔形环插入在所述紧固件头部、垫圈或螺母中的楔形浮凸中，从而提供所述紧固件接合表面、垫圈接合表面或螺母接合表面的减小面积的部分。
条款21.一种制造具有EME防护的紧固件系统的方法，该方法包括：形成具有锥形的紧固件柄部；在所述柄部的第一端上创建螺纹；在所述柄部的第二端上形成具有减小面积的接合表面的头部；和在所述柄部中形成用于反抗扭矩并防止紧固件旋转的多面扳手沉孔。
条款22.如条款21所述的方法，其进一步包括为所述紧固件提供电介质涂层。
条款23.如条款21所述的方法，其进一步包括：形成具有喉部的垫圈，用以容纳所述紧固件的柄部；在所述垫圈上提供配合表面，用以容纳所述紧固件头部的接合表面；在所述垫圈中形成用于接合结构上的配合表面的减小面积的接合表面。
条款24.如条款21所述的方法，其进一步包括形成从所述紧固件的头部中的接合表面延伸的至少一个吸热腔。
条款25.如条款23所述的方法，其进一步包括形成从所述垫圈中的接合表面延伸的至少一个吸热腔。
条款26.如条款21所述的方法，其进一步包括在所述紧固件的头部中形成楔形浮凸并在所述楔形浮凸中容纳楔形环，以提供所述减小的接合面积。
条款27.如条款23所述的方法，其进一步包括在所述垫圈的接合表面中形成楔形浮凸并在所述楔形浮凸中容纳楔形环，以提供所述减小的接合面积。
条款28.如条款21所述的方法，其进一步包括，形成具有带减小面积的部分的接合表面的螺母。
条款29.如条款28所述的方法，其进一步包括形成从所述螺母的接合表面延伸的至少一个吸热腔。
条款30.如条款28所述的方法，其进一步包括在所述螺母的接合表面中形成楔形浮凸并在所述楔形浮凸中容纳楔形环。
条款31.如条款21所述的方法，其进一步包括，提供具有凸缘和主体的套筒，所述主体用于插入结构孔中并容纳所述紧固件的柄部。
附图说明
图1是飞行器生产和维护方法的流程图；
图2是飞行器的框图；
图3A是示出在本文所公开的各种实施例中采用的紧固件、垫圈和螺母的紧固件系统的上部等距视图；
图3B是示出本文所公开的各种实施例中采用的紧固件、垫圈和螺母的紧固件系统的下部等距视图；
图3C是示出当插入具有紧固件孔的结构(在剖面视图中示出) 中时本文所公开的各种实施例中采用的紧固件、垫圈和螺母的紧固件系统的侧视图；
图3D是示出当插入具有紧固件孔的结构(在剖面视图中示出) 中时如本文所公开的各种实施例中采用的紧固件和螺母以及位于螺母之下的垫圈的紧固件系统的侧视图；
图4是采用用于EME防护的减小轮廓的接合表面的紧固件的第一实施例的侧视剖视图；
图5是采用用于EME防护的可替代的减小轮廓接合表面的紧固件的第二实施例的侧视剖视图；
图6是采用用于EME防护的减小轮廓接合表面的垫圈的实施例的侧视剖视图；
图7是采用用于EME防护的减小轮廓接合表面的螺母的实施例的侧视剖视图；
图8是使用用于EME防护的吸热同轴腔的紧固件的实施例的侧视剖视图；
图9是使用用于EME防护的吸热同轴腔的垫圈的实施例的侧视剖视图；
图10是使用用于EME防护的吸热同轴腔的螺母的实施例的侧视剖视图；
图11是使用用于EME防护的多个吸热同轴腔的紧固件的实施例的侧视剖视图；
图12是使用用于EME防护的多个吸热同轴腔的垫圈的实施例的侧视剖视图；
图13是使用用于EME防护的多个吸热同轴腔的螺母的实施例的侧视剖视图；
图14是使用用于EME防护的双楔形密封环的紧固件的实施例的侧视剖视图；
图15是使用用于EME防护的双楔形密封环的垫圈的实施例的侧视剖视图；
图16是使用用于EME防护的双楔形密封环的螺母的实施例的侧视剖视图；
图17是示出套筒和紧固件的细节的侧视剖视图；
图18是将紧固件系统用于EME防护的方法的流程图；和
图19是制造具有EME防护的紧固件系统的方法的流程图。
具体实施方式
本实施例提供了采用单独使用或组合使用的具有减小轮廓接合表面的紧固件头部、垫圈或螺母中的一个或更多个，一个或更多个吸热同轴腔或双楔形密封环的EME防护紧固件系统。该配合件创建了包含压力的系统，以在闪电情形期间防止HPE(高能火花)和边缘点火。安装不具有额外的密封或工艺要求的紧固件满足闪电要求。
更具体地参考附图，本发明的实施例可在如图1所示的飞行器制造和维护方法1000和如图2所示的飞行器1002的背景中描述。在预生产期间，示例性方法1000可包括飞行器1002的规格和设计1004以及材料采购1006。在生产过程中，进行飞行器1002的组件和子配件制造 1008以及系统整合1010。此后，飞行器1002可经历认证和交付1012 以便投入使用1014。而在客户使用中，飞行器102被安排用于日常维修和维护1016(其也可包括修改、重新配置、翻新等)。
方法1000的每个处理可由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)执行或实施。就本说明书而言，系统集成商可包括但不限于任何数目的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任何数目的卖主、分包商和供应商；而操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图2所示，通过示例性方法1000生产的飞行器1002可包括具有多个系统1020和内部1022的机身1018。高水平系统1020的示例包括推进系统1024、电气系统1026、液压系统1026和环境系统1030中的一个或更多个。还可包括任何数量的其它系统。虽然示出了航空示例，但本发明的原理还可应用于其它产业，诸如汽车产业。
本文具体表达的设备和方法可在生产和维护方法1000的任何一个或更多阶段中采用。例如，对应于生产过程，组件和子配件制造1008，的组件或子配件可以类似于当飞行器1002在使用中时生产组件或子配件的方式制作或制造。此外，一个或更多的设备实施例、方法实施例、或其组合可例如通过充分加快飞行器1002的组装或减少飞行器1002 的成本而在生产阶段1008和1010的过程中被利用。类似地，一个或更多的设备实施例、方法实施例、或其组合可在飞行器1002处于使用中时被利用，例如但不限于用于维修和维护1016。
本文所描述的实施例提供了可用于如图1和图2以及以上所述或任何类似的结构组装中所限定的飞行器的方法或系统中的组装要求的提供EME防护的紧固件系统。当描述本文中的一种类型的螺纹紧固件的实施例时，所采用的特征可用在作为示例的具有套筒的六角驱动器(在柄部中的驱动元件)、具有套筒的螺栓(具有作为驱动元件的头部形状，或在头部中的驱动元件)、或具有套筒的锁紧螺栓(型锻的)上。
如图3A-3D所示，紧固件系统10包括可单独使用或容纳在垫圈 14中的紧固件12。插入在其中将采用紧固件系统的结构20中的组装孔18中的套筒16(如在图3C中看出，其中为了清晰元件被略微间隔开，但在应用中是直接接触的)容纳紧固件12的柄部22，其中紧固件的第一端26上的螺纹24容纳于内部螺纹的紧固件元件诸如螺母28或脆性卡圈中。套筒16可定位在该紧固件或垫圈14(如果采用的话)之下，这取决于配置。多面或多叶形(multi-lobed)扳手沉孔30诸如在柄部中的六角头沉孔(最好参见图3B)被用作扭转紧固件系统的扳手插座。在如图3D所示的各种示例实施例中，垫圈14可替代地被放置在螺母28之下。紧固件系统10的每个元件，即紧固件12、垫圈14和螺母28均具有接合表面36、48和56(全部在图3C和3D中示出)，该接合表面36、48和56联接相邻元件或结构(诸如垫圈上的上表面 38、结构20上的表面39或41、或者套筒16上的表面17(所有均可见于图3C和3D))的配合表面。如以下实施例所描述的这些接合表面的修改通过创建包含压力的系统而增强EME防护，以在闪电情形期间防止HPE(高能火花)和边缘点火。
作为第一EME防护增强，紧固件元件可各自采用减小接触面积的接合表面的轮廓。使用紧固件的第一示例在图4中详细示出标识为12a 的第一实施例。头部32从与螺纹端26相对的紧固件12a的第二端34 延伸。在头部上的接合表面36围绕组装孔18或在套筒16上的表面17 上联接到配合表面，所述配合表面在垫圈(相对于图6更详细地描述) 的表面38上，或在结构20的表面39上。接合表面36被成形为提供减小的接触表面积。在图4的实施例中，内部径向部分40被切除，使得不与配合表面接触，而外部径向部分42提供了接合配合表面的接触表面，例如在结构20上的表面39所示。外部径向部分42的接触表面的面积约为总表面积的20％到30％。对于示例性实施例，紧固件由6AL-4V钛合金制成并涂有电介质或电绝缘涂层。在一个示例性实施例中，该涂层是键合环氧树脂涂层。在其中获得紧固件头部和套筒之间的增强接触的示例性实施例中，为进一步改善EME防护，该涂层可从接合表面部分去除。
标识为12b的紧固件的可替代的实施例在图5中示出。如在图4 的实施例中，接合表面36被成形为减小的接触面积。然而，对于图5 的实施例，内部径向部分44提供了接合配合表面(在本例中为套筒16 上的配合表面17)的接触表面。为了与接合表面无接触，外部径向部分46被切除，如在所示示例中的倾斜倒角。内部径向部分44的接触表面的面积约为总表面积的20％到30％。对于示例性实施例，紧固件由6AL-4V钛合金制成并涂有电介质或电绝缘涂层。该涂层可从紧固件头部上的接合表面去除，以改善通向套筒的导电路径，或如果垫圈被用在头部侧上，那么涂层可从该垫圈的配合表面上去除，以改善通向套筒的导电路径。对于示例性实施方式中的图4和图5所示的实施例，减小的接触面积增强了EME防护。
作为可替代或附加的实施方式，图6中示为14a的垫圈可经配置具有成形的接合表面48。如以上对于紧固件实施例的描述，垫圈14a具有为减小与结构20的配合表面39的接触面积而成形的接合表面48。作为又一个附加的成形类型，接合表面48已切除了内部径向部分50 并切除了外部径向部分52，两者在图6的实施例中均示为倒角，具有限于中央径向部分54的接触，该中央径向部分54提供了接合配合表面39的接触表面。中央径向部分54的接触表面的面积约为总表面积的20％到30％。对于示例性实施例，垫圈由6AL-4V钛合金或A286 CRES制成，并涂有电介质或电绝缘涂层。如先前讨论的，该涂层可从紧固件头部的接合表面上去除，以改善通向套筒的导电路径，或如果垫圈被用在头部侧上，那么该涂层可从垫圈的配合表面上去除，以改善通向套筒的导电路径。对于在示例性实施方式中的图6所示的实施例，减小接触面积单独或与紧固件上的成形接触表面组合地增强了 EME防护。
在图7中示为28a的螺母提供了配置成形的接合表面56的另一种可替代的或附加的实施方式。接合表面56已切除了内部径向部分58 和切除了外部径向部分60，两者在图7的实施例中均示为倒角，具有限于中央径向部分62的接触，该中央径向部分62提供了接合配合表面41的接触表面。中央径向部分62的接触表面的面积约为总表面积的20％到30％。对于示例性实施例，螺母由6AL-4V钛合金或A286 CRES制成，并涂有电介质或电绝缘涂层。该涂层可从紧固件头部的接合表面去除，以改善通向套筒的配合表面的导电路径，或如果垫圈被用在头部侧上，那么该涂层可从垫圈的配合表面去除，以改善通向套筒的导电路径，或如果垫圈被用在螺母侧上，那么该涂层可从垫圈的配合表面去除，以改善至螺母的导电路径。对于在示例性实施方式中的图7所示的实施例，减小的接触面积单独或与在紧固件和/或垫圈上的成形接触表面组合地增强了EME防护。如先前相对于图3D示出和描述的，垫圈14可替代地在螺母28之下采用。
除了或作为第二EME防护增强的减小的接触面积的替代，紧固件元件可各自采用从接合表面延伸的吸热同轴腔。如在图8中示出的紧固件12b，吸热同轴腔64可被引入接合表面36中。该吸热同轴腔64 提供了包含或俘获HPE的扩展容积。对于图8所示的实施例，采用了圆形的同轴形状，其顶点66在吸热同轴腔64和接合表面36的径向向外的接合点处径向向内取向。在示例性实施例中，对于紧固件12b的头部的预定的总体积，吸热同轴腔64的体积将是该总体积的1/8至1/3。对于本示例中显示为接合结构20的配合表面39的接合表面，作为从接合表面36延伸的浮凸的腔另外提供了减小的接触面积，即部分37，从而产生与相对于图4所述的减小的接触面积实施例可比较的益处。
在图9中示出的垫圈14b还可在接合表面48中采用吸热同轴腔68。对于图9中示出的实施例，采用圆形的同轴形状，其径向向内取向的顶点70在吸热同轴腔68和接合表面48的径向向外的接合点处并且配置类似于图8中所描述的紧固件12b的配置。在示例性实施例中，对于垫圈14b的预定的总体积，吸热同轴腔68的体积将是该总体积的1/8 至1/3。对于本示例中所示的接合在结构20上的配合表面39的接合表面，作为从接合表面48延伸的浮凸的腔再次提供了减小的接触面积，即部分49，从而产生与相对于图4所述的减小的接触面积实施例可比较的益处。
在图10中示出的螺母28b也可在接合表面56中采用吸热同轴腔 72。对于图10中示出的实施例，采用可替代的三角形截面同轴形状，其径向向内取向的顶点74处于吸热同轴腔72和接合表面56的径向向外的接合点处并且配置类似于图8中所描述的紧固件12b。在示例性实施例中，对于螺母的预定的总体积，吸热同轴腔72的体积将是该总体积的1/8至1/4。作为从接合表面56延伸的浮凸的腔额外地为接合表面提供了减小的接触面积，从而产生与相对于图6所述的减小的接触面积实施例可比较的益处。
多个吸热同轴腔也可在紧固件系统元件的接合表面中采用。如图 11所示，紧固件12c包括第一内部吸热同轴腔76和外部吸热同轴腔 78。每个腔提供了分别具有在吸热同轴腔和作为示例的结构20的接合表面39的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点80和82的体积。在示例性实施例中，对于紧固件12c的头部的预定的总体积，每个腔 76和78将是该总体积的1/16至1/6。
类似地，如图12所示的垫圈14c在接合表面48中包括第一内部吸热同轴腔84和外部吸热同轴腔86。每个腔提供了分别具有在吸热同轴腔和接合表面48的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点88和90 的体积。在示例性实施例中，对于垫圈14c的预定的总体积，吸热同轴腔84和86中的每个的体积将是该总体积的1/16至1/6。
多个吸热同轴腔也可在如图13所示的螺母28c中采用。第一内部吸热同轴腔92和外部吸热同轴腔94被引入接合表面56中。每个腔提供了分别具有在吸热同轴腔和接合表面56的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点96和98的体积。在示例性实施例中，对于螺母28c 的预定的总体积，吸热同轴腔92和94中的每个的体积将是该总体积的1/16至1/8。
作为对EME防护的可替代的增强，该紧固件系统的元件中的一个或更多个可采用在接合表面中并入的双楔形密封环。对于如图14所示的紧固件12d，将接合表面36中的楔形浮凸100的大小设置为容纳楔形环102。楔形浮凸100具有径向向内和向下取向的倾斜表面104，该倾斜表面104在楔形环102上接合径向向外和向上的倾斜表面105。该楔形环的厚度超过对于头部32足够的楔形浮凸100的深度，以促使楔形环与相邻的配合表面即图14中示出的结构20上的表面39接触。因此，接合表面36的外侧部分107与配合表面隔开，从而提供由楔形环 102的底表面106提供的减小的接触面积。密封环108从楔形环102径向向内采用，并在压缩紧固件头部32以及扩大气体压力后，密封环108 径向地接合柄部22和楔形环102的径向向内表面110，以促使该楔形环径向向外增强倾斜表面104和倾斜表面105的接合。在示例的实施例中，楔形环由软金属诸如铜、黄铜或铝合金制成。密封环可以是可变形的金属环、有弹性的橡胶或弹性体材料，诸如合成橡胶，如氟硅 (flurosilicone)橡胶或氯丁橡胶。
在类似的配置中，如图15中示出的垫圈14d在接合表面48中采用大小设置成容纳楔形环114的楔形浮凸112。楔形浮凸112具有径向向内和向下取向的倾斜表面116，该倾斜表面116在楔形环114上接合径向向外和向上的倾斜表面117。该楔形环的厚度118超过对于垫圈足够的楔形浮凸112的深度，以促使楔形环与相邻的配合表面即图15所示的实施例中的结构20上的表面39接触。因此，接合表面48的外侧部分120与配合表面隔开，从而提供由楔形环114的底表面122提供的减小的接触面积。密封环124从楔形环114径向向内采用，并在压缩垫圈14d以及扩大气体压力后，密封环124径向地接合楔形环114的径向向内表面126，以促使该楔形环径向向外增强倾斜表面116和倾斜表面117的接合。在示例性的实施例中，楔形环由软金属诸如铜、黄铜、铝合金制成。密封环可以是可变形的金属环、有弹性的橡胶或弹性体材料，诸如合成橡胶，如氟硅橡胶或氯丁橡胶。
最后，如图16所示的螺母28d可配置成在接合表面56中采用大小设置成容纳楔形环128的楔形浮凸126。楔形浮凸126具有径向向内和向上取向的倾斜表面130，该倾斜表面130在楔形环128上接合径向向外和向下的倾斜表面131。楔形环128的厚度超过对于垫圈足够的楔形浮凸126的深度，以促使楔形环与相邻的配合表面即图16所示的实施例中的结构20上的表面39b接触。因此，接合表面56的外侧部分138 与配合表面隔开，从而提供由楔形环128的底表面132提供的减小的接触面积。密封环134从楔形环128径向向内采用，并在压缩螺母28d 以及扩大气体压力后，密封环134径向地接合楔形环128的径向向内表面136，以促使该楔形环径向向外增强倾斜表面130和倾斜表面131 的接合。在示例性实施例中，楔形环由软金属诸如铜、黄铜、铝合金制成。密封环可以是可变形的金属环、有弹性的橡胶或弹性体材料，诸如合成橡胶，如氟硅橡胶或氯丁橡胶。
对于所示的大多数实施例，套筒16与紧固件的柄部22相配合，并允许安装到如在图17中详细示出的复合结构中的干涉配合孔中。套筒的主体142的内直径(ID)140小于紧固件柄部22的直径144。主体 142的ID 140和厚度146的组合允许套筒16没有损坏地安装到复合物中。套筒的ID 140的表面被润滑，并允许紧固件12在紧固件柄部22 滑动到套筒主体142中时使套筒16径向膨胀，从而防止损坏复合物同时增加紧固件柄部和套筒以及套筒16和结构中的组装孔18之间的接触面积。在紧固件柄部22上的锥形150或半径引入(radiuslead-in) 的几何形状以及套筒上在凸缘154和主体142之间的嵌条152被用来增强紧固件12到套筒16中的插入对准和该套筒的膨胀。增大的接触面积改善了具有配合结构的电气路径，并使可导致空气的电离和加热及随后的电位HPE的电阻损失最小化。凸缘154为紧固件12的接合表面36提供了导电配合表面，如以上对图5的实施例所述，或为图6 的垫圈14(如果使用的话)的接合表面48提供导电配合表面。紧固件或垫圈的电介质涂层接合表面的缺乏改善了套筒的电导率。涂层的缺乏改善了从套筒转移到紧固件或垫圈的能量的导电路径，并防止在紧固件头部和套筒的边缘处的任何电弧。额外地，该套筒的底部涂有电介质或绝缘的涂层，以防止套筒和配合在内部螺纹的紧固件诸如螺母 28的沉孔之间产生电弧。对于示例性实施例，套筒16由A286 CRES 制成。套筒主体142的ID 140的表面可涂有干膜润滑剂。
本文所公开的实施例以如图18中描述的方法用于紧固件EME防护。在复合结构中的孔被识别用于插入紧固件，步骤1802。套筒的主体被插入孔中，其中凸缘接触该结构的表面，步骤1804。具有带减小面积的接合表面的头部的紧固件被插入该套筒中，步骤1806，其中减小面积的部分接合套筒凸缘上的配合表面或结构上的配合表面，步骤 1808。可替代地，垫圈可容纳该套筒，步骤1810，使紧固件插入该套筒中并使该减小面积的部分接合套筒上的配合表面，步骤1812。垫圈可额外使结构或凸缘上的配合表面接合减小面积的部分，步骤1814。至少一个吸热腔可定位在紧固件头部中以用于HPE截留，步骤1816。类似地，至少一个吸热腔可定位在垫圈中以用于HPE截留，步骤1818。楔形环可插入紧固件头部中的楔形浮凸中，步骤1820，以提供该紧固件接合表面的减小面积的部分。楔形环可替代地插入垫圈中的楔形浮凸中，步骤1822，以在该垫圈接合表面上提供减小面积的部分。具有减小面积的接合表面的螺母被扭转到该紧固件，步骤1824，其中减小面积的部分接合结构上的配合表面。至少一个吸热腔可定位在螺母中以用于HPE截留，步骤1826。楔形环可插入该螺母中的边缘浮凸中，步骤1828，以在该螺母接合表面上提供减小面积的部分。
具有EME防护的紧固件系统的制造可如图19所示来实现。形成紧固件柄部，步骤1902，并在该柄部上形成锥形，步骤1904。螺纹可在该柄部的第一端上创建，步骤1906，并在该柄部的第二端上形成具有减小面积的接合表面的头部，步骤1908。多面或多叶形扳手沉孔诸如六角孔被提供在该柄部中用于反抗扭矩并防止紧固件的旋转，步骤 1910。给该紧固件提供电介质涂层，步骤1912。形成具有喉部的垫圈，以容纳该紧固件的柄部，步骤1914，并配备有配合表面，以容纳该紧固件头部的接合表面，步骤1916，并且为了接合结构上的配合表面，减小面积的接合表面在该垫圈中形成，步骤1918。形成从紧固件的头部中的接合表面延伸的至少一个吸热腔，步骤1920。从接合表面延伸的至少一个吸热腔在垫圈中形成，步骤1922。楔形浮凸可在紧固件的头部中形成，步骤1924，并且楔形环被容纳在该楔形浮凸中，步骤1926，从而提供了减小的接合面积。楔形浮凸在该垫圈的接合表面中形成，步骤1928，并且楔形环被容纳在该楔形浮凸中，步骤1930，从而提供了减小的接合面积。形成具有带减小面积的部分的接合表面的螺母，步骤1932。可形成从螺母的接合表面延伸的至少一个吸热腔，步骤 1934。可在该螺母的接合表面中形成楔形浮凸，步骤1936，且楔形环容纳在该楔形浮凸中，步骤1938。提供了套筒，该套筒具有凸缘和用于插入结构孔中并容纳紧固件的柄部的主体，步骤1940。
现在已经如专利法规所要求的详细描述了本公开的各种实施例，本领域技术人员将认识到对本文所公开的具体实施例的修改和替换。这样的修改是在如所附权利要求限定的本公开的范围和意图之内的。
Claims (15)
1.一种用于提供热粒子喷射即HPE和电弧放电防护的复合结构的紧固件系统，该紧固件系统包括：
紧固件，其具有头部和柄部，所述头部具有接合表面并且所述柄部具有螺纹端；
螺母，其容纳在所述紧固件的所述螺纹端上，所述螺母具有接合表面；
其中所述头部的所述接合表面和所述螺母的所述接合表面中的至少一个分别包括接合第一配合表面或第二配合表面的部分，并且进一步包括从各自的所述接合表面向所述头部或所述螺母的内部延伸的至少一个吸热腔，其中用于接合第一配合表面或第二配合表面的所述部分由于所述至少一个吸热腔而被减小面积，其中所述第一配合表面在具有接收所述紧固件的孔的结构上并且所述第二配合表面在所述结构上与所述第一配合表面相对。
2.如权利要求1所述的紧固件系统，其进一步包括垫圈，所述垫圈具有接合表面和配合表面，所述垫圈的配合表面用于接合所述头部的所述接合表面，其中所述紧固件系统包括至少一种以下配置，所述配置包括所述头部的所述接合表面包括接合所述垫圈的配合表面的减小面积的部分，所述螺母的所述接合表面包括接合所述第二配合表面的减小面积的部分，和所述垫圈的所述接合表面包括接合所述第一配合表面的减小面积的部分。
3.如权利要求2所述的紧固件系统，其进一步包括容纳所述紧固件并且具有凸缘的套筒，并且其中所述凸缘接触所述第一配合表面或所述垫圈的配合表面。
4.如权利要求2所述的紧固件系统，其中所述垫圈进一步包括从所述垫圈的所述接合表面向所述垫圈内部延伸的吸热腔。
5.如权利要求4所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔包括在所述头部的吸热腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点，在所述螺母的吸热腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点，在所述垫圈的吸热腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点，其中所述径向是与所述头部、所述螺母以及所述垫圈的轴线垂直的半径方向。
6.如权利要求4或5所述的紧固件系统，其中所述至少一个吸热腔包括第一径向内部的吸热腔和第二径向外部的吸热腔。
7.如权利要求6所述的紧固件系统，其中所述第一径向内部的吸热腔和所述第二径向外部的吸热腔各自包括在所述吸热腔和所述接合表面的径向向外的接合点处径向向内取向的顶点。
8.如权利要求2所述的紧固件系统，其中所述紧固件的所述头部、所述螺母和所述垫圈中的至少一个进一步包括在各自的所述接合表面中的楔形浮凸，并且进一步包括容纳在所述楔形浮凸中的楔形环。
9.如权利要求8所述的紧固件系统，其进一步包括从所述楔形环径向向内设置的密封环，所述密封环向外压缩以促使所述楔形环与所述楔形浮凸密封接触。
10.一种制造具有EME防护的紧固件系统的方法，该方法包括：
形成具有锥形的紧固件柄部；
在所述紧固件柄部的第一端上创建螺纹；
在所述紧固件柄部的第二端上形成头部，所述头部具有减小面积接合表面,所述减小面积接合表面由至少一个吸热腔引起；和，
在所述紧固件柄部中形成用于反抗扭矩和防止紧固件旋转的多面扳手沉孔。
11.如权利要求10所述的方法，其进一步包括：
形成具有喉部的垫圈，所述喉部容纳所述紧固件柄部；
在所述垫圈上提供配合表面，以容纳所述头部的所述减小面积接合表面；
在所述垫圈中形成用于接合结构上的配合表面的减小面积接合表面，其中所述紧固件系统将被用于所述结构。
12.如权利要求10所述的方法，其进一步包括形成至少一个吸热腔，所述至少一个吸热腔从所述减小面积接合表面向所述紧固件的所述头部内部延伸。
13.如权利要求11所述的方法，其进一步包括形成从所述垫圈的所述接合表面向所述垫圈内部延伸的至少一个吸热腔。
14.如权利要求10-13中任一项所述的方法，其进一步包括在所述紧固件的头部中形成楔形浮凸并在所述楔形浮凸中容纳楔形环，以通过所述楔形环的底表面提供所述减小面积接合表面。
15.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其进一步包括在所述垫圈的所述接合表面中形成楔形浮凸并在所述楔形浮凸中容纳楔形环，以通过所述楔形环的底表面提供所述减小面积接合表面。
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