CN106795902B - 用于螺栓安置的孔填充套筒和垫圈设计 - Google Patents

Abstract

一种紧固件装配件(100)，其包括套筒(104)，所述套筒(104)包括具有第一端部和第二端部以及外直径的圆柱形结构。紧固件装配件进一步包括与所述套筒关联的垫圈(110)，其中所述垫圈包括主体，所述主体限定第一侧(112)和相对的第二侧(114)且限定从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的开口(120)。所述开口限定大于所述套筒的外直径的直径且所述主体限定凹口(122)，所述凹口(122)具有大于所述开口的直径的直径，其中所述凹口从所述第二侧(114)朝向所述第一侧(112)延伸，使得所述凹口和所述开口彼此连通。同样提供了一种使用本紧固件装配件的方法。

Description

用于螺栓安置的孔填充套筒和垫圈设计

技术领域

本发明涉及紧固件，并且更具体地涉及利用套筒在由紧固件连结在一起的至少两个元件之间提供孔填充连接的紧固件。

背景技术

在组装许多制造物品的过程中，利用紧固件来将至少两个元件或组件连结在一起。若干制造物品对由物品可能被暴露到的电磁效应所引起的火花的出现是敏感的。特别地，这类物品是被暴露到环境且可能被暴露到不利天气条件(例如闪电)的物品。被暴露到闪电的那些物品，例如，不想经受由电磁效应所诱发的火花。在飞行器的示例中，飞行器不期望在紧固件位置处经历由于被暴露到这些电磁效应而导致的火花。因此，为了防止不需要的火花，安全的电接触需要由紧固件来实现，该紧固件在组装制造物品中将两个或更多个元件或组件连接在一起。在由紧固件连结在一起的材料和所述紧固件之间不能进行安全的电连接的故障将提供其中可能出现不需要的火花的条件。

在制造物品(例如飞行器)的组装中，需要使用大量紧固件来将包含飞行器的若干组件连结且固定在一起。需要不仅提供防止在将元件和组件连结在一起的紧固件位置处来自电磁效应的不需要的火花的安全性，而且需要提供将材料紧固在一起以使组装更简单且更快的尽可能多的标准化，并且附加地提供不必携带变化尺寸的更多紧固件组件以解决可能具有被连结在一起的组件的各种夹持长度或堆叠厚度的大量组件连接的紧固中的较低成本。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种包括套筒的紧固件装配件，所述套筒包括具有第一端部和第二端部以及外直径的圆柱形结构。紧固件装配件进一步包括与所述套筒关联的垫圈，其中所述垫圈包括主体，所述主体限定第一侧和相对的第二侧并且限定从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的开口。所述开口限定大于所述套筒的外直径的直径并且所述主体限定凹口，所述凹口具有大于所述开口的直径的直径，其中所述凹口从所述第二侧朝向所述第一侧延伸，使得所述凹口和所述开口彼此连通。

本发明的另一目的是提供一种使用紧固件装配件的方法，其包括将套筒的第一端部插入到孔的第一端中并且通过所述孔的第一端的步骤，其中所述孔由被连结在一起的至少两个元件限定并且延伸通过所述至少两个元件，使得所述套筒的所述第一端部的第一端被定位在所述孔的第二端的外部。所述方法也包括定位垫圈的步骤，其中所述垫圈包括主体，所述主体限定第一侧和相对的第二侧并且限定从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的开口，其中被定位在所述第一侧的所述开口限定大于所述套筒的外直径的直径，其中所述主体限定凹口，所述凹口从所述第二侧朝向所述第一侧延伸，其中所述凹口的直径大于所述开口的直径，并且其中所述凹口与所述开口彼此连通，使得所述套筒的所述第一端部延伸通过所述垫圈的所述开口和所述凹口，其中所述套筒的所述第一端部的第一端被定位在所述凹口的外部，其中所述凹口面向朝向所述套筒的所述第一端的方向上。

已经被讨论的特征、功能和优势能够在各种实施例中单独实现，或者可以在其它实施例中被结合，其进一步细节能够参考以下说明书和附图来理解。

附图说明

图1是包括锥形套筒的现有技术的紧固件装配件的局部剖视图；

图2是本发明的紧固件装配件的实施例的局部横截面、剖面且分解的前侧视图；

图3是定位为用于将两个或更多个组件连结在一起的紧固件装配件的实施例的透视图；以及

图4是图2的紧固件装配件与将两个组件固定在一起的紧固件装配件的组装视图。

具体实施方式

参照图1，示出了一种现有技术的紧固件装配件10的示例，该紧固件装配件10的示例被用于提供与和其连结在一起的组件的过盈配合。这个装配件利用被选择以配合在特定锥形套筒14内的螺栓构件12。螺栓构件12包括头部16、中心轴18、过渡段20以及螺纹部22(螺纹未示出)。锥形套筒14限定内部开口24，其中开口24在套筒14的下段26中直径减小，并且在套筒14的相对端处，衬圈28被定位为围绕套筒14。通过锥形套筒14被插入到已经被钻削、被铰加工或以其他方式被定位通过由紧固件装配件10连结在一起的至少两个组件的孔中，衬圈28被定位为安置在被连结在一起的组件中的一个组件的表面上。随着螺栓构件12被收紧，衬圈28提供套筒14沿着其所插入的孔的长度移动的阻力。螺栓构件12被定位在锥形套筒14的内侧并且只要锥形套筒14内的开口24允许中心轴18在锥形套筒14内行进就使螺栓构件12穿透锥形套筒14。如在图1中所示，下段26中开口24大小的减小引起套筒14的壁30妨碍在锥形套筒14内的中心轴18的进一步的非受迫的行进。

通过螺栓构件12和套筒14被插入到被连结在一起的组件中所限定的孔中，螺栓构件12和套筒14相对于彼此被定位，如图1中所示。螺母(未示出)被接合到螺纹部22(未示出)上并且被收紧。随着螺母被收紧，螺栓构件12朝向螺母移动并且螺栓构件12的中心轴18开始抵靠锥形套筒14的下段26的壁30推动。随着螺母的进一步收紧发生，中心轴18朝向螺母移动并且向外推动段26且抵靠被连结在一起的组件的孔的内表面推动以形成与组件的过盈配合。过盈配合促进与被连结在一起的组件的电接触以防止来自电磁效应的火花。

采用类似紧固件装配件(例如紧固件装配件10)也是已知的，该类似紧固件装配件利用非锥形套筒或甚至是平直圆柱形套筒。在这种装配件中，超大尺寸的螺栓构件被插入到套筒中并且通过应用力被应用到推动其通过套筒的螺栓构件，从而在向外方向上推动套筒的壁，以在被定位在被连结的组件中的孔内产生过盈配合。在锥形套筒或非锥形套筒的两个示例中，螺栓构件在横向方向上或向外方向上在套筒的壁上被推动以使套筒产生与被连结的组件的过盈配合。

在使用现有技术中的紧固件的锥形套筒布置或非锥形套筒布置两者中，需要大量关注关于孔的直径相对于套筒尺寸的公差以便获得所需的过盈配合。例如，对于使用特定螺栓构件而言，随着夹持堆叠长度增加，孔的直径必须增加以便提供用于产生与紧固件的合适过盈配合以避免来自电磁效应的火花的大小需求。例如，使用在10-29单位(每个单位是一英寸的1/16)夹持长度处的3/4英寸套筒螺栓，目标孔直径将需要是0.8455英寸，与此相反，随着夹持长度增加到61-90单位，目标孔直径将需要0.9235英寸的直径以便容纳合适的过盈配合。随着较大直径孔被要求，螺栓构件和套筒两者将需要较大直径大小以产生合适的过盈配合。因此，螺栓和将由螺栓构件膨胀的套管的选择是耗时的并且需要各种尺寸的套筒和螺栓构件以容纳用于不同夹持堆叠长度的所需的过盈配合从而对抗在组装制造物品中的电磁效应。

附加地，在选择用于各种夹持长度的合适连接的合适套筒长度中采用所需的关心和努力。如果套筒长度过短，则沿着孔的长度不能实现合适的过盈电连接。如果套筒过长，附加垫圈将需要被添加以容纳套筒的额外长度并且能够作出安全连接。在一些示例中，被允许堆叠的垫圈的数目经常被限制为两个。因此，随着在组装制造物品中夹持长度的变化，将需要提供套筒长度的多种选择以容纳变化的夹持长度。

随着夹持长度变化，现有技术的紧固件装配件的应用需要改变孔直径以容纳紧固件。这影响了被用于完成所需过盈配合的螺栓和套筒尺寸的选择。如可以容易理解的，当组装具有在将组件连结在一起中所作出的许多连接的制造物品时，改变夹持堆叠大小在考虑在被连结的材料中产生的孔的合适大小并且在相应地具有可用的各种套筒和螺栓以完成连接从而提供所需过盈配合时将需要更多时间。所有这些考量导致了组装制造物品的更多成本。

当材料(例如复合材料)被引入到被连结到一起的组件中时，获得合适的过盈配合甚至变得更有战略意义。在组装制造物品中被连结在一起的组件可以包括所有金属组件、所有复合材料或金属与复合材料的组合。与复合材料的安全且可靠过盈配合必须保证与复合材料内的碳导纤维的良好的电接触。

在参照图2中，示出了本发明的紧固件装配件100的实施例。装配件100包括套筒102，该套筒102被配置为或被构造为具有第一端部104和第二端部106的圆柱形形状。由于其圆柱形形状，套筒102具有外直径和相应地具有内直径。套筒102由金属构造以提供强连接器，如同紧固件装配件100的其他组件一样，并且也提供高质量导电性。

如本文将更详细说明的，垫圈108接收且接合套筒102。垫圈108具有限定第一侧112和相对的第二侧114的主体110。第一侧112限定平坦环形表面116且第二侧114限定另一平坦环形表面118。主体110限定从第一侧112朝向第二侧114延伸的开口120。开口120限定大于套筒102的外直径的直径。垫圈108的主体110限定凹口122，该凹口122具有的直径大于开口120的直径并且从第二侧114朝向第一侧112延伸，使得凹口122和开口120彼此连通。

随着开口120从第一侧112朝向第二侧114延伸，开口120直径增加。如图2中可见，从第一侧112朝向第二侧114延伸的侧壁124形成平面表面并且与第一侧112的环形表面116形成锐角。侧壁124延伸到凹口122，在凹口122处，侧壁124与平坦环形表面126相交，该平坦环形表面126围绕开口120，凹口122与该开口120连通。如本文将进一步讨论的，开口120的直径大于套筒102的外直径以允许套筒102穿过开口120。凹口122具有大于开口120和套筒102的直径，其中套筒102能够穿过凹口122。

螺栓构件128包括头部130和轴132。轴132具有小于套筒102的内直径的直径并且限定沿着轴132的部分136的螺纹134(未示出)。轴132的过渡部138从轴132延伸到头部130。轴132的过渡部138被配置为在朝向头部130的弯曲方向上远离轴132而延伸。

如图3中和图4中所示，通过螺栓构件128的轴132被定位在套筒102内，限定螺纹(未示出)的轴132的部分136的至少一部分从套筒102的第一端部104的第一端140延伸并且套筒102的第二端部106的第二端142与螺栓构件128的头部130接触。

如图2中所示，另一垫圈144被定位为置于垫圈108上面。另一垫圈144包括主体146，主体146限定通过其他垫圈144的主体146的开口148。为了轴132能够穿过其他垫圈144，开口148具有比螺栓构件128的轴132的直径更大的直径。然而，开口148的直径小于套筒102的外直径。这能够使套筒102的第一端部104延伸通过开口120和凹口122并且延伸超出凹口122，如图3所示，并且将套筒102的第一端部104的第一端140定位为延伸超出垫圈108的凹口122。螺栓构件128的轴132延伸通过其他垫圈144的开口148，其中垫圈108被定位在其他垫圈144与螺栓构件128的头部130之间。在本配置和对齐中，其他垫圈144的至少一部分与套筒102的壁150对齐，如图2和图4所示。

其他垫圈144的主体146限定围绕其他垫圈144的开口148的平坦相对的环形表面152和154。其他垫圈144的外直径大于垫圈108的凹口122的直径，如图2和图4中可见。因此，在本实施例中，其他垫圈144与套筒102的壁150对齐并且延伸到凹口122之上，其中其他垫圈144与垫圈108为上覆盖关系，如图4中所示。

限定螺纹(未示出)的螺母156与由螺栓构件128的轴132限定的螺纹兼容。如图2和图4所示，其他垫圈144被定位在垫圈108与螺母156之间，其中螺母156的螺纹和螺栓构件128的螺纹是兼容的以便彼此接合。

在使用紧固件装配件100中，套筒102的第一端部104被插入到孔158的第一端157中并且通过孔158的第一端157，如图4所示。孔158由连结在一起的至少两个组件或元件160和162限定。如本文所述，元件160和162可以由各种材料(例如金属和/或复合材料)构造而成。这些元件可以在数目上和在夹持长度上或在堆叠高度上改变。孔158通过钻削、铰加工或提供通过组件的孔的所采用的任何其他常见工艺被定位在组件160和组件162中。孔158延伸通过至少两个元件160和162，使得套筒102的第一端部104的第一端140被定位在孔158的第二端164的外部。如能够理解的，一个人需要选择具有外直径和长度的套筒102，该外直径稍小于孔158的直径，该长度超过孔158的长度。

如图3和图4中可见，垫圈108被定位为围绕套筒102，其中凹口122面向套筒102的第一端140，使得套筒102的第一端140延伸通过开口120和凹口122并且被定位在凹口122的外部且超出凹口122，如图3中所示。螺栓构件128被定位为延伸通过套筒102，使得通过套筒102的第二端142邻接头部130，限定轴132的螺纹的部分136的至少一部分(如图3和图4中所示)延伸超出套筒102的第一端140并且(如图3中所示)延伸超出垫圈108。

通过套筒102被定位为延伸通过孔158，螺栓构件128延伸通过套筒102并且垫圈108被定位为围绕套筒102，如图3中所示，其他垫圈144被定位到轴132上，以处于与垫圈108的上覆盖位置。其他垫圈144定位为当螺母156被收紧时保护螺母156免受套筒102的壁150的第一端140损坏。然后螺母156的螺纹被接合到螺栓构件128的螺纹。然后螺母156被收紧到螺栓构件128上，使得其他垫圈144接合套筒102的壁150的第一端140并且螺栓构件128的头部130接合套筒102的壁150的第二端142，使得压缩力被施加到套筒102上。该压缩力引起套筒102的外表面166抵靠孔158的内壁168施加力，导致与组件160和162进行的导电接触。进一步收紧螺母156持续将压缩力施加到套筒102上，以便引起套筒102的第二端部106的部分170抵靠螺栓构件128的头部130变形。部分170占据倒角段(chamfered section)171，该倒角段171被限定在组件160中且被定位为围绕孔158且邻近孔158的第一端157，如图4中所示。这种压缩力被类似施加在与其他垫圈144接触的套筒102的第一端部104的第一端140上，引起第一端部104的至少一部分172变形。套筒102的第一端部104的变形部分172的至少一部分进入到垫圈108的凹口122中。

如能够理解的，紧固件装配件100的过盈配合由被应用到套筒102的压缩力来执行，引起与包括被连结在一起的组件160和162的孔158的内壁168作出的电接触。压缩力通过进一步收紧螺母156被持续应用，直到端部104和106变形。本配置允许用户能够使用标准化螺栓构件和相应螺母，这是因为套筒102被压缩并且没有如现有技术中那样被螺栓构件横向扩展。而且，紧固件装配件100允许关于套筒102的长度的较大公差，这是因为垫圈108的凹口122具有在固定紧固件装配件100的过程中接纳第一端部104的一部分的能力。套筒102的长度的这种较大公差同样减少了对被用于占据套筒102的超长的长度的垫圈的依赖。因此，通过使得套筒102的长度的较大公差可用，将需要套筒102的较少变化长度。附加地，通过使用紧固件装配件100，与现有技术相反，紧固件直径将影响被钻削或被铰加工的孔的直径，其中夹持长度影响孔的直径。因此，紧固件装配件100减少了用于将组件紧固在一起的被钻削或铰加工的变化尺寸的孔的数目。

虽然以上已经描述了各种实施例，但是本公开并不意图被限制于此。可以对所公开的实施例作出变化，其仍然在所附的权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种紧固件装配件，其包括：

套筒，其包括具有第一端部和第二端部以及外直径的圆柱形结构；

垫圈，其与所述套筒关联，其中所述垫圈包括主体，所述主体限定第一侧和相对的第二侧并且限定从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的开口，其中：

所述开口限定大于所述套筒的外直径的直径，并且

所述主体限定凹口，所述凹口具有的直径大于所述开口的直径并且该凹口从所述第二侧朝向所述第一侧延伸，使得所述凹口和所述开口彼此连通；

其他垫圈，所述其他垫圈与所述垫圈相关联，其中：

所述其他垫圈包括主体；

所述其他垫圈的所述主体限定延伸通过所述其他垫圈的开口，并且

所述其他垫圈的主体的开口的直径小于所述套筒的所述外直径；以及

螺栓构件，所述螺栓构件包括头部、轴和沿所述轴的至少一部分限定的螺纹，其中通过所述轴被定位在所述套筒内，所述螺纹的至少一部分从所述套筒的第一端延伸，并且所述螺栓构件的螺纹插入经过所述垫圈和所述其他垫圈并与螺母的螺纹接合。

2.根据权利要求1所述的紧固件装配件，其中随着所述垫圈的所述开口从所述第一侧朝向所述第二侧延伸，所述垫圈的所述开口的直径增加。

3.根据权利要求2所述的紧固件装配件，其中所述垫圈的所述开口的侧壁形成从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的平坦环形表面。

4.根据权利要求3所述的紧固件装配件，其中所述凹口包括围绕所述垫圈的所述开口的另一平坦环形表面，所述凹口与所述垫圈的所述开口连通。

5.根据权利要求1所述的紧固件装配件，其中所述轴包括小于所述套筒的内直径的直径。

6.根据权利要求5所述的紧固件装配件，其中所述轴的过渡部从所述轴延伸到所述头部，其中所述轴的所述过渡部在朝向所述头部的弯曲方向上远离所述轴而延伸。

7.根据权利要求6所述的紧固件装配件，其中通过所述螺栓构件的所述轴被定位在所述套筒内，所述轴的限定螺纹的部分的至少一部分从所述套筒的所述第一端部的第一端延伸并且所述套筒的所述第二端部的第二端与所述螺栓构件的所述头部接触。

8.根据权利要求7所述的紧固件装配件，其中所述其他垫圈的所述主体的所述开口的所述直径大于所述螺栓构件的所述轴的直径，使得通过所述套筒的所述第一端部延伸通过所述垫圈的所述开口并进入所述垫圈的所述凹口，通过所述螺栓构件的所述轴延伸通过所述其他垫圈的所述开口并且通过所述垫圈被定位在所述其他垫圈与所述螺栓构件的所述头部之间，使得所述其他垫圈的至少一部分与所述套筒的壁对齐。

9.根据权利要求8所述的紧固件装配件，其中所述其他垫圈的所述主体限定平坦环形表面，所述平坦环形表面围绕被定位在所述其他垫圈的相对侧上的所述其他垫圈的所述开口，并且其中所述其他垫圈的外直径大于所述垫圈的所述凹口的所述直径。

10.根据权利要求8所述的紧固件装配件，其中所述螺母限定的所述螺纹与由所述螺栓构件的所述轴限定的所述螺纹兼容，使得所述其他垫圈被定位在所述垫圈与所述螺母之间，其中由所述螺母限定的所述螺纹与所述螺栓构件的所述螺纹接合。

11.一种使用紧固件装配件的方法，其包括以下步骤：

将套筒的第一端部插入到孔的第一端中且通过所述孔的第一端，所述套筒包括第一端部、第二端部以及外直径，其中所述孔由被连结在一起的至少两个元件限定并且延伸通过所述至少两个元件，使得所述套筒的第一端被定位在所述孔的第二端的外部；

定位垫圈，其中：

所述垫圈包括主体，所述主体限定第一侧和相对的第二侧并且限定从所述第一侧朝向所述第二侧延伸的开口；

所述开口限定大于所述套筒的所述外直径的直径；

所述主体限定凹口，所述凹口从所述第二侧朝向所述第一侧延伸；

所述凹口的直径大于所述开口的直径；并且

所述凹口与所述开口彼此连通，使得所述套筒的所述第一端延伸通过所述垫圈的所述开口和所述凹口，其中所述套筒的所述第一端被定位在所述凹口的外部，其中所述凹口面向朝向所述套筒的所述第一端的方向；

将螺栓构件的轴插入到所述套筒中，其中所述螺栓构件包括头部且所述轴的端部限定螺纹，使得通过将所述头部定位为邻接所述套筒的第二端，所述轴的所述端部的至少一部分从所述套筒的所述第一端延伸出；

定位其他垫圈，其中：

所述其他垫圈包括主体，所述主体限定延伸通过所述其他垫圈的开口，

所述开口的直径大于所述螺栓构件的所述轴的直径，使得所述螺栓构件的所述轴延伸通过所述其他垫圈的开口并且所述开口的直径小于所述套筒的所述外直径；以及

将所述螺栓构件的螺纹插入经过所述垫圈和所述其他垫圈并与螺母的螺纹接合。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步选择具有外直径和长度的套筒，所述外直径小于所述孔，所述长度超过所述孔的长度。

13.根据权利要求11所述的方法，其中将螺栓构件的轴插入到所述套筒中的步骤包括所述螺栓构件的所述轴具有小于所述套筒的内直径的外直径。

14.根据权利要求13所述的方法，其包括：定位其他垫圈的步骤进一步包括通过所述螺栓构件的所述轴延伸通过所述其他垫圈的所述开口，其中所述垫圈被定位在所述其他垫圈与所述螺栓构件的所述头部之间，使得所述其他垫圈的至少一部分与所述套筒的壁对齐。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括以下步骤：接合由所述螺母限定的螺纹与由所述螺栓构件的所述轴的所述端部限定的螺纹，以及将所述螺母收紧到所述螺栓构件上，使得所述其他垫圈接合所述套筒的所述第一端且所述螺栓构件的所述头部接合所述套筒的第二端，引起压缩力被施加到所述套筒上，引起所述套筒的外表面抵靠所述孔的内壁施加力，并且通过所述螺母的进一步收紧继续应用压缩力到所述套筒上，以便引起所述套筒的所述第二端部的一部分变形，其中所述螺栓构件的所述头部施加压缩力在所述套筒的所述第二端上，以及引起所述套筒的所述第一端部的至少一部分变形，其中所述其他垫圈施加压缩力在所述套筒的所述第一端上，使得变形的套筒的所述第一端部的至少一部分进入到所述垫圈的所述凹口中。