CN105026774A - 紧固件 - Google Patents

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Abstract

一种紧固件(100)，该紧固件(100)包括具有第一端部(105)和第二端部的轴(103)，该紧固件包括位于轴的第一端部处的头部(106)，轴限定了位于第一端部与第二端部之间的径向延伸凹部(108)和/或头部具有拥有不同曲率半径的区域。

Description

紧固件
本发明涉及一种紧固件。更具体地，本发明涉及一种用于附接飞行器结构中的相邻且平行的复合面板部段的机械紧固件。
商用飞行器和军用飞行器的机身结构和机翼结构可以由通过紧固件连接的片状复合部件构建。面板被重叠并且紧固件穿过部件中的对准的孔。这样的紧固件通常包括终止于头部的轴。在轴的相对于头部的相反端处设置有螺纹部。一旦紧固件已穿过两个面板使得头部抵着一个面板，螺母即与螺纹接合以将面板夹紧在一起。该紧固件通常经受在拧紧过程期间引入的拉伸预载荷。
一些紧固件可以具有埋头孔——即，凹部可以围绕孔设置在一个面板中以接纳头部，使得头部的顶端与面板齐平。这产生更紧凑和美观的组件。
在飞行器环境中，存在经由紧固件被传递通过面板的大量的载荷。部件由于飞行期间的温度变化所引起的膨胀和收缩以及振动是飞行器结构所经受的典型的环境条件。因而，机械紧固件的最常见的失效模式中的一个失效模式是疲劳。为了最小化疲劳损坏，并且从而使维修间隔延长，紧固件通常设计为在紧固件经受表示紧固结构正在实际使用中的已知的载荷情况时使其上的峰值应力最小化。
期望的是，使连接两个相邻面板部段的紧固件经受较高的轴向拉伸载荷(即，拉伸预载荷)，以促使面板之间的摩擦力来将面板保持就位。接着，在面板之间待传递的载荷将通过摩擦传递而不是通过支承载荷(即，紧固件剪切力)传递。
在该环境下紧固复合面板的问题在于：与紧固件相邻的复合材料可能会在重复循环的情况下磨损(该磨损趋向于不如金属材料那样迅速地发生)。预载荷可能由此被减小，从而允许更多相对面板的运动并且使问题加剧。会发展成孔隙(hole clearages)，这可能会导致紧固件上和紧固件中的点载荷，所述紧固件以弯曲形式放置在面板孔内。
尽管埋头紧固件具有前述优点，然而，已知的是，埋头连接与具有突出头紧固件的传统连接相比通常更弱。
转到附图的图1，第一面板10具有第一表面11和第二表面13。第一面板由复合材料构成。第二面板20具有第一表面15和第二表面17。面板10和面板20通过已知的埋头紧固件30连接。紧固件30包括轴32，该轴32具有位于一个端部处的螺纹部34和位于第二端部处的头部36，该头部36与第一面板10中的埋头孔12接合。螺母42被旋拧到螺纹部34上以在头部36与螺母42之间夹紧面板10和面板22。
转到图1a，孔12随着时间推移已被磨损，并且因而，紧固件30在孔12内具有一定的运动自由度。由于该运动自由度，紧固件30在载荷下经受弯曲，并且因而，在接近头部36与轴32交汇处的区域38中承受峰值应力。区域38中的这些峰值应力可能会导致例如沿着断层线40的疲劳失效。
本发明的目的是克服或者至少缓解该问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种飞行器结构面板紧固件，该飞行器结构面板紧固件包括具有第一端部和第二端部的轴，紧固件包括位于轴的第一端部处的头部，轴限定了位于第一端部与第二端部之间的径向延伸凹部。优选地，紧固件安装在包括下述部件的飞行器组件中：
第一面板，该第一面板具有第一孔；
第二面板，该第二面板具有与第一孔对准的第二孔；
其中，第一面板和第二面板中的至少一个面板由复合材料构成；
紧固件至少部分地延伸穿过第一孔和第二孔。
设置凹部意味着为轴结构本身提供一些附加的弹性挠性。这允许头部相对于轴挠曲，并且因而，局部的塑性应力不会如埋头孔与头部本身之间的接触点处的一样高。因而，如果第一面板或第二面板被磨损，则紧固件的额外的变形将不会引起高的应力(紧固件将不太硬)。
第一面板和/或第二面板可以由塑料基质复合材料比如CFRP(碳纤维复合材料)或GRP(玻璃增强热固塑料)构成。由于与金属相比聚合物基质复合材料快速磨损，因此本发明对于聚合基质复合材料来说尤其有用。
优选地，与距离第二端部相比，凹部更靠近第一端部。更优选地，凹部接近第一端部。甚至更优选地，凹部具有轴向长度并且凹部位于第一端部的两个轴向长度内。
优选地，出于多方向效应的目的，凹部至少部分地围绕轴的圆周延伸。优选地，凹部围绕轴的整个圆周延伸。
优选地，凹部具有弯曲的截面以避免应力集中。更优选地，凹部具有圆弧形截面。甚至更优选地，凹部的截面呈半圆形。
优选地，头部具有凹入的弯曲截面。更优选地，头部的截面具有第一区域和第二区域，第一区域具有第一半径，第二区域具有比第一半径更大的第二半径，其中，在轴向方向上，与第一区域离轴相比，第二区域离轴更远。优选地，第二区域长于第一区域。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于飞行器结构的紧固件，该紧固件包括轴和头部，其中，喇叭状头部包括：
接近轴的第一区域，该第一区域具有第一曲率半径，以及
第二区域，该第二区域位于第一区域的相对于轴的相反侧，该第二区域具有第二曲率半径，
其中，第二曲率半径大于第一曲率半径。
可以组合第一方面和第二方面，以获得附加的效果。
优选地，第一区域与轴相邻。
在根据第一方面或第二方面的实施方式中，第一区域的在其与轴相汇处的切线可以与轴对准。第一区域和第二区域可以是相邻的。
头部可以包括连接第一区域和第二区域的中间区域，其中，该中间区域的半径从第一半径逐渐增加至第二半径。
中间区域可以描绘了渐开弯曲部。
第二半径可以为第一半径的至少两倍。
第二半径可以终止于紧固件头部的端部边缘处。
优选地，头部包括位于第二区域和头部的与轴相反的端部之间的端部区域，该端部区域以与第一区域和第二区域相反的方式弯曲。
在根据第一方面或第二方面的紧固件和面板的组件中，头部可以延伸超过面板的厚度的2/3。头部可以一直延伸通过面板的厚度。
优选地，头部在上面板表面的下表面处连接轴。
现在将参照以下附图对根据本发明的示例性紧固件进行描述，在附图中：
图1是现有技术的紧固件组件；
图1a是图1的区域‘a’的近视图；
图2是根据本发明的紧固件的侧视图；
图2a是图2的区域‘a’的近视图；
图3是图2的紧固件的视图；
图3a是图3的区域‘a’的近视图；
图4是根据本发明的另一紧固件的侧视图；以及
图4a是图4的区域‘a’的近视图。
转到图2，本发明提供了紧固件100，该紧固件100具有轴102，该轴102在其一个端部处限定螺纹区域104。在与轴102上的螺纹区域104相反的端部处设置有埋头头部106。该头部是渐缩的并且从轴102上的轴向位置105延伸。位置105是其他圆柱形轴102在直径方面开始变得更大以形成头部106的位置。
在头部106与螺纹部104之间并且在接近位置105处，在轴102中限定有周向凹部或凹口108。参照图2a，凹部108具有半径为R1的半圆形半径截面并且围绕轴102的圆周一直延伸，如图2中所示。
在图3a中更详细地示出了埋头头部106。
在轴102与头部106在位置105相汇处设置有具有半径R2的第一头部部分110、具有第二半径R3的第二头部部分112、以及具有第三半径R4的第三头部部分114。半径R2、R3和R4增加直到连接头部106的圆柱部116为止。
还将指出的是，部段110、112和114中的每一者的几何长度(即，轨迹)远离轴102而增加。
在图4中示出了与紧固件100大致相同的替代紧固件200，不同之处在于：参照图4a，仅设置有第一半径部分210和第二半径部分212，第一半径部分210和第二半径部分212各自具有不同的半径。将指出的是，部段212的长度远长于部段210。此外，更大半径部段212比更小半径部段210距离轴202更远。
转到图5，本发明提供了紧固件300，该紧固件300具有轴302，该轴302在其一个端部处限定螺纹区域304。在与轴302上的螺纹区域304相反的端处设置有埋头头部306。该头部是渐缩的并且从轴302上的轴向位置305延伸。位置305是其他圆柱形轴302在直径方面开始变得更大以形成头部306的位置。
紧固件100与紧固件300之间的主要不同是在紧固件300中没有凹口108。
在图5a中更详细地示出了埋头头部106。
在轴302与头部106在位置305相汇处设置有具有半径R2的第一头部部分310、具有第二半径R3的第二头部部分312、以及具有第三半径R4的第三头部部分314。半径R2、R3和R4增加直到连接头部306的圆柱部316为止。
在图6中示出了与紧固件300大致相同的替代紧固件400，不同之处在于：参照图6a，仅设置有第一半径部分410和第二半径部分412，第一半径部分410和第二半径部分412各自具有不同的半径。将指出的是，部段412的长度远长于部段410。此外，更大半径部段412比更小半径部段410距离轴402更远。
设置具有不同半径的一个以上区域的头部截面允许紧固件与面板之间的更好的配装。此外，设置一个以上半径允许头部具有靠近轴的小曲率半径和远离轴的较大曲率半径。这样做的有利之处在于：对于相同深度和直径的头部而言，其降低了“拐角”状况或“刀刃”状况，这些状况将在轴与头部之间具有单个大半径的情况下而发生。因此减轻了由此引起的应力集中。
凹口或凹部108、208给头部106提供了在使用中弹性地移动的能力。因而，当环绕紧固件100、200的孔由于磨损而拓开时，紧固件100、200可以弹性地挠曲。这种挠曲减小了头部上的点载荷并且因此显著地减小了落入该区域中的塑性应力。因而，减轻了疲劳失效。
将指出的是，变型落入本发明的范围内。
在若干离散部段无需形成曲率的情况下，埋头部半径可以远离轴而逐渐增大。
凹部可以设置在传统直边紧固件上，而不在埋头部使用曲率。凹部的益处仍然是明显的。
紧固件并非必须用于连接复合面板，实际上，任何类型的面板适于通过本发明的紧固件连接。
本发明可以用于连接两个以上的面板。例如，本发明可以用于包括连接在一起的三个面板的双搭接剪切构型中。

Claims (26)

1.一种飞行器组件，包括：
第一面板，所述第一面板具有第一孔；
第二面板，所述第二面板具有与所述第一孔对准的第二孔；其中，所述第一面板和所述第二面板中的至少一者由复合材料构成；
至少部分地延伸穿过所述第一孔和所述第二孔的紧固件，所述紧固件包括：轴，所述轴具有第一端部和第二端部；头部，所述头部位于所述轴的所述第一端部处；以及径向延伸凹部，所述径向延伸凹部位于所述轴的所述第一端部与所述第二端部之间。
2.根据权利要求1所述的飞行器组件，其中，与距离所述第二端部相比，所述凹部更靠近所述第一端部。
3.根据权利要求1或2所述的飞行器组件，其中，所述凹部接近所述第一端部。
4.根据权利要求3所述的飞行器组件，其中，所述凹部具有轴向长度，并且其中，所述凹部位于所述第一端部的两个轴向长度内。
5.根据任一前述权利要求所述的飞行器组件，其中，所述凹部至少部分地围绕所述轴的圆周延伸。
6.根据权利要求5所述的飞行器组件，其中，所述凹部围绕所述轴的整个圆周延伸。
7.根据任一前述权利要求所述的飞行器组件，其中，所述凹部具有弯曲的截面。
8.根据任一前述权利要求所述的飞行器组件，其中，所述凹部具有圆弧形截面。
9.根据权利要求8所述的飞行器组件，其中，所述凹部的截面呈半圆形。
10.根据任一前述权利要求所述的飞行器组件，其中，所述头部具有凹入的弯曲截面。
11.根据权利要求10所述的飞行器组件，其中，所述头部的所述截面具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一半径，所述第二区域具有比所述第一半径更大的第二半径，其中，在轴向方向上，与所述第一区域离所述轴相比，所述第二区域离所述轴更远。
12.一种用于飞行器结构的紧固件，所述紧固件包括轴和头部，其中，喇叭状的所述头部包括：
接近所述轴的第一区域，所述第一区域具有第一曲率半径，以及
第二区域，所述第二区域位于所述第一区域的相对于所述轴的相反侧，所述第二区域具有第二曲率半径，
其中，所述第二曲率半径大于所述第一曲率半径。
13.根据权利要求12所述的紧固件，其中，所述第一区域与所述轴相邻。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的紧固件，其中，所述第一区域的在其与所述轴相汇处的切线与所述轴对准。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的紧固件，其中，所述第一区域和所述第二区域是相邻的。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的紧固件，其中，所述头部包括连接所述第一区域和所述第二区域的中间区域，其中，所述中间区域的半径从所述第一半径逐渐增加至所述第二半径。
17.根据权利要求16所述的紧固件，其中，所述中间区域描绘了渐开弯曲部。
18.根据权利要求11至17中的任一项所述的紧固件，其中，所述第二半径为所述第一半径的至少两倍。
19.根据权利要求11至18中的任一项所述的紧固件，其中，所述第二半径终止于所述紧固件的所述头部的端部边缘处。
20.根据权利要求11至19中的任一项所述的紧固件，其中，所述头部在所述第二区域和所述头部的与所述轴相反的端部之间包括端部区域，所述端部区域以与所述第一区域和所述第二区域相反的方式弯曲。
21.一种面板和紧固件的组件，所述紧固件为根据权利要求11至20中的任一项所述的紧固件，其中，所述头部延伸超过所述面板的厚度的2/3。
22.根据权利要求21所述的面板和紧固件的组件，其中，所述头部一直延伸通过所述面板的厚度。
23.根据权利要求22所述的面板和紧固件的组件，其中，所述头部在上面板表面的下表面处连接所述轴。
24.一种飞行器组件，包括：
第一面板，所述第一面板具有第一孔；
第二面板，所述第二面板具有与所述第一孔对准的第二孔；其中，所述第一面板和所述第二面板中的至少一者由复合材料构成；
根据权利要求11至20中的任一项所述的紧固件，所述紧固件至少部分地延伸穿过所述第一孔和所述第二孔以连接所述面板。
25.一种如本文中参照附图或者根据附图所描述的紧固件。
26.一种如本文中参照附图或者根据附图所描述的飞行器组件。
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