CN110319093A - 具有可型锻端接主体的电磁效应防护紧固件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有可型锻端接主体的电磁效应防护紧固件。一种电磁效应抑制端接部件，该端接部件用于由金属材料形成的紧固件，该紧固件具有头部、杆部以及与头部相对的外螺纹部分，端接部件具有金属芯部，该金属芯部由电介质材料层涂覆。端接部件的内孔包括内壁、埋头孔以及设置在其间的空腔。外表面包括外壁和截头圆锥形壁，该截头圆锥形壁相对于外壁定位在近侧，截头圆锥形壁从外壁径向地向外延伸并具有小于大致90度的夹角。密封件设置在埋头孔中，且截头圆锥形壁构造成使得施加于截头圆锥形壁的压缩力使内壁变形以符合紧固件的外螺纹部分，并且使密封件变形以填充空腔。

Description

具有可型锻端接主体的电磁效应防护紧固件
技术领域
本公开总体上涉及紧固件，且更确切地说涉及提供针对电磁效应的防护的紧固件端接部件(fastener termination par)。
背景技术
在诸如飞机的交通工具中使用轻质复合材料提供改进的强度重量比，这转化为燃料节省以及降低的操作成本。然而，复合材料不易于将由雷击产生的极大电流和电磁力传导开。此外，用在交通工具上的复合材料或金属结构通常使用金属紧固件系统组装，这些金属紧固件系统是导电的且因此产生电磁效应(EME)设计考虑。例如，紧固件点火模式必须针对雷击状况来设计，这些雷击状况包括紧固件和周围结构之间的热粒子喷射和电弧放电。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供一种电磁效应抑制端接部件，该电磁效应抑制端接部件用于由金属材料形成的紧固件，该紧固件具有头部、杆部以及与头部相对的外螺纹部分。端接部件包括由电介质材料层涂覆的金属芯部，并且沿着纵向轴线从近侧端部延伸至远侧端部，该近侧端部靠近紧固件的头部定位，该远侧端部与近侧端部相对。内孔延伸穿过端接部件且包括内壁、埋头孔以及空腔，该内壁从远侧端部延伸，该埋头孔从近侧端部延伸，该空腔设置在内壁和埋头孔之间。外表面包括外壁和截头圆锥形壁，该外壁从远侧端部延伸，该截头圆锥形壁相对于外壁定位在近侧，该截头圆锥形壁从外壁径向地向外延伸并具有小于大致90度的夹角。密封件设置在埋头孔中，且截头圆锥形壁构造成使得施加于截头圆锥形壁的压缩力使内壁变形以符合紧固件的外螺纹部分，并且使密封件变形以填充空腔。
根据本公开的另一方面，提供一种紧固件组件，该紧固件组件用于防止电磁效应。该紧固件组件包括紧固件，该紧固件由金属材料形成并具有头部、杆部以及与头部相对的螺纹部分。该紧固件组件进一步包括端接部件，该端接部件由金属芯部形成，该金属芯部由电介质材料层涂覆，该端接部件具有内孔，该内孔穿过端接部件沿着纵向轴线从端接部件的近侧端部延伸至端接部件的远侧端部，该近侧端部靠近紧固件的头部定位，该远侧端部与近侧端部相对地定位，内孔包括内壁、埋头孔以及环形空腔，该内壁从远侧端部延伸，该埋头孔从近侧端部延伸，该环形空腔设置在内壁和埋头孔之间。端接部件的外表面包括外壁和截头圆锥形壁，该外壁从远侧端部延伸，该截头圆锥形壁相对于外壁定位在近侧，该截头圆锥形壁从外壁径向地向外延伸并具有小于大致90度的夹角。密封件设置在埋头孔中，且截头圆锥形壁构造成使得施加于截头圆锥形壁的压缩力使内壁变形以符合紧固件的螺纹部分，并且使密封件变形以填充空腔。
根据本公开的又一方面，一种紧固结构组件以抑制电磁效应的方法包括：提供紧固件，该紧固件由金属材料形成并具有与头部相对的螺纹部分；将端接部件定位在紧固件之上，以使得端接部件的内孔的内壁覆盖紧固件的螺纹部分，其中，该端接部件具有由电介质材料层涂覆的金属芯部并沿着中心轴线从近侧端部延伸至远侧端部，该近侧端部靠近紧固件的头部定位，该远侧端部与近侧端部相对；以及将压缩力施加于形成在主体的外表面中的截头圆锥形壁，直到内壁径向地向内变形以符合紧固件的螺纹部分并与紧固件的螺纹部分机械地互锁为止。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，内壁具有光滑表面。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，内孔的内壁具有圆柱形形状且尺寸设置成与紧固件的外螺纹部分形成过盈配合。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，端接部件具有从近侧端部至远侧端部的主体长度，且其中，外表面的外壁具有高达主体长度的大致60％的外壁长度。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，端接部件的芯部由具有相关的极限拉伸强度的芯部材料形成，且其中，端接部件构造成在极限拉伸强度的大致25-75％的压缩负载下变形。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，该结构组件进一步包括第一结构构件和第二结构构件，该第一结构构件具有第一通孔，该第二结构构件具有与第一通孔对准的第二通孔，其中，紧固件定位成使得紧固件的杆部延伸穿过第一通孔和第二通孔。
在可与任何这些方面相组合的本公开的另一方面中，第一结构构件和第二结构构件中的每个由金属材料形成。
已讨论的特征能在各种实施例中独立地实现或者可在又一些其它实施例中组合，这些实施例的进一步细节能参照以下具体实施方式部分和附图看到。
附图说明
图1是飞机的示意图。
图2是根据本公开的具有可型锻端接部件的EME防护紧固件系统的部分横截面的分解立体图。
图3是图2的EME防护紧固件系统的部分横截面的侧视图，其中，可型锻端接部件在型锻之前相对于紧固件就位。
图4是图2的EME防护紧固件系统的部分横截面的侧视图，其中，可型锻端接部件在型锻之后相对于紧固件就位。
图5是用在图2的EME防护紧固件系统中的端接部件的立体图。
图6是图5中示出的端接部件的横截面的侧视图。
图7是说明根据本公开的端接具有端接主体的紧固件以抑制EME的方法的框图。
应理解的是，附图并非必须按比例绘制，且有时示意地说明所公开的实施例。进一步应意识到的是，以下具体实施方式部分在本质上仅仅是示例性的，而并非旨在限制本发明或其应用和使用。因此，虽然本公开为了便于解释而被示出并描述为某些说明性实施例，但会意识到的是，本公开能在各种其它类型的实施例以及各种其它系统和环境中实施。
具体实施方式
以下具体实施方式部分具有执行本发明的目前所设想的最佳模式。由于本发明的范围由所附权利要求最好地限定，该描述并非有意限定，其目的仅仅为了说明本发明的一般原理。
这里公开的实施例提供用于以防止EME的方式来端接紧固件的设备和系统。用于紧固件的端接部件具有金属芯部，该金属芯部由电介质材料层涂覆。端接部件的内表面包括内圆柱形壁和外表面，该内圆柱形壁定尺寸设置成可滑动地接收紧固件的螺纹部分，该外表面包括截头圆锥形部分。密封件设置在形成于端接主体的内表面中的埋头孔中。施加于截头圆锥形壁的压缩力使得内圆柱形壁变形以符合紧固件的螺纹部分，由此端接紧固件。附加地，该力使得密封件变形，从而使得其填充空腔。因此，端接部件上的电介质涂层防止在端接部件的远侧端部和紧固件之间产生的EME，而所变形的密封件占据空腔，以防止在端接部件的近侧端部和紧固件之间形成的EME。
参照图1，这里公开的实施例可在飞机组件的背景下描述。飞机20可包括机身22、机翼组件24、尾翼26以及起落架组件28。针对此种类型的飞机，大量紧固件组件(在一些情形中约为一百万个组件)可用于将各个部件和子部件紧固在一起。EME防护在飞机20上的某些位置中是期望的。例如，EME防护对于机翼组件24和其它结构是期望的。为了提供EME防护，机翼组件24可利用多达20000个紧固件来组装。
在图2-图6处说明防止EME的示例性紧固件组件30。如图所示，紧固件组件30用于将第一结构构件32组装于第二结构构件34。第一结构构件32和第二结构构件34可设有部件或子部件，例如设置在飞机20上的机翼组件24。在所说明的实施例中，第一结构构件32具有第一通孔36，而第二结构构件34具有第二通孔38。如图所示，第二通孔38与第一通孔36对准。在一些实施例中，第一结构构件32和第二结构构件34中的每个由复合材料形成，且紧固件由金属材料形成。在其它实施例中，第一结构构件32和第二结构构件34中的每个由金属材料形成，而在另外其它实施例中，第一结构构件32和第二结构构件34中的一个由金属材料形成，而第一结构构件32和第二结构构件34中的另一个由复合材料形成。虽然在所说明的实施例中紧固件组件30被示为组装两个结构部件，但会意识到的是，紧固件组件30可用于单个结构构件、多于两个结构构件或者其自身单独地设置。
由金属材料形成的紧固件40设置成将第一结构构件32和第二结构构件34紧固在一起。如在图2-图4中最佳示出的，紧固件40包括头部42、杆部44以及与头部42相对地设置的外螺纹部分46。杆部44尺寸设置成用于分别穿过第一结构构件32的第一通孔36和第二结构构件34的第二通孔38可滑动地插入。外螺纹部分46可限定外螺纹大径48。
例如图2-图4中最佳示出的是，端接部件50设置成用于端接紧固件40，以使得紧固件组件30牢固地紧固第一结构构件32和第二结构构件34。端接部件50具有芯部52，该芯部由金属材料形成以提供充足的强度。如具体在图3、图4和图6中示出的是，金属芯部52由电介质材料层54涂覆(在附图中以描绘端接部件50的周界的相对较粗线条来说明)，以阻挡紧固件40和端接部件50之间的电气结合路径。电介质材料可以是呈现电介质特性的任何材料，例如热固性材料、热塑性材料、橡胶、陶瓷以及弹性体。
参照图2-图6，端接部件50沿着纵向轴线51从近侧端部58延伸至远侧端部60，该近侧端部靠近紧固件40的头部42并面向第二结构构件34，该远侧端部与近侧端部58相对。穿过端接部件50形成的内孔62包括位于近侧端部58处的埋头孔64以及形成在远侧端部60处的内壁66。内孔62进一步包括空腔65，该空腔设置在埋头孔64和内圆柱形壁66之间。
如在图6中最佳示出的，空腔65可具有环形形状。此外，内壁66可具有圆柱形形状，该圆柱形形状尺寸设置成与紧固件40的外螺纹部分46形成过盈配合。如这里使用的，“过盈配合”意指内壁66的直径大于外螺纹大径48，以使得端接部件50的内壁66可在紧固件40的外螺纹部分46之上滑动。因此，当使用内壁66和紧固件40的外螺纹部分46之间的过盈配合时，端接部件50未旋拧到紧固件50上，而是在紧固件40之上滑动就位。埋头孔64、环形空腔65以及内圆柱形壁66中的每个可与纵向轴线51同心。附加地，也可具有环形形状的密封件68尺寸设置成用于插入到埋头孔64中，并且由诸如聚合物材料的电介质材料形成。
端接部件50进一步包括外表面70，该外表面构造成便于将端接部件50型锻到紧固件40上。如图5和图6中最佳示出的，外表面70包括外壁72和截头圆锥形壁74，该外壁可具有圆柱形形状并可与纵向轴线51同心，以从端接部件50的远侧端部60延伸，该截头圆锥形壁相对于外壁72定位在近侧。截头圆锥形壁74从外壁72径向地向外延伸且限定夹角76(图6)。选择夹角76，以便于端接部件50在型锻期间径向地向内变形。例如，在一些实施例中，夹角76可小于大致90度。
端接部件50可具有便于与紧固件40进行型锻的附加特征。例如，可选择截头圆锥形壁74的位置，以促进端接部件50的期望部分的变形。截头圆锥形壁的位置在这里参照外壁72对于端接部件50的总体主体长度78的相对长度来限定。更确切地说，端接部件50可具有从近侧端部58至远侧端部60的主体长度78。外壁72可具有从远侧端部60延伸至外壁72的端接点84的外壁长度82，其中，外表面70从外壁72过渡为截头圆锥形壁74。因此，外壁长度82的特征可在于，参照端接部件50的主体长度78量化，并且会确定截头圆锥形壁74的相对位置。在一些实施例中，外壁长度82高达主体长度78的大致60％，由此将截头圆锥形壁74放置在期望位置中，以促使与紧固件40进行型锻。
附加地，端接部件50的芯部52可由这样的材料形成，该材料促使端接部件50在型锻期间变形，同时具有足够的强度以牢固地联接端接部件50与紧固件40。例如，芯部材料可具有相关的极限拉伸强度(UTS)，该极限拉伸强度在这里限定为材料在破裂之前在被拉伸或拉动时能承受的最大应力。在一些实施例中，选择芯部材料，以使得其在芯部材料的UTS的大致25-75％的压缩负载下变形。在期望负载下呈现变形的材料包括但不限于铝、钢和钛。
当径向地向内指向的压缩负载施加于端接部件50的外表面70时，内孔52变形以抑制EME。图3说明在施加压缩负载之前的紧固件组件30。在此种变形前状态中，端接部件50的内壁66相对光滑，并且尺寸设置成允许在紧固件40的外螺纹部分46之上滑动。附加地，埋头孔64和空腔65构造成使得密封件68仅仅设置在埋头孔64内而不设置在空腔65内。
图4说明在已施加压缩负载之后的紧固件组件30。压缩负载可例如由型锻工具85提供。在变形后状态中，内壁66已径向地向内变形，以使得其符合紧固件的外螺纹部分46并与紧固件的外螺纹部分46机械地互锁。附加地，埋头孔64径向地向内变形，以抵靠紧固件40压缩密封件68，从而致使密封件68填充空腔65。这样，端接部件50上的电介质涂层54防止在端接部件50的远侧端部60和紧固件40之间产生的EME。附加地，变形的密封件68占据空腔65，以防止在端接部件50的近侧端部58和紧固件40之间产生的EME。又再者，通过使用施加于端接部件50的外表面70的压缩负载而非将端接部件50旋拧到紧固件40上，涂层54的会露出芯部52的任何可能刮擦被限制于端接部件50的外表面70，由此减少额外的可能EME源。
可选地，紧固件组件30可进一步包括垫圈86。垫圈86可设置在端接部件50的近侧端部58和第二结构构件34之间。可选的垫圈86在图2中示出，但出于清楚起见而已从其他视图省略。
虽然紧固件组件30在上文被描述为具有紧固件40和端接部件50来将第一结构构件32和第二结构构件34固定在一起，但应意识到的是，端接部件50可用于单个结构结构、多于两个结构构件或者单独地提供以用于现有的紧固件和/或结构构件。
图7示出在抑制电磁效应的同时紧固结构组件的方法100的框图。该方法的步骤能以除了所示出的特定次序以外的其它次序执行，且由框图示出的特定次序是代表性的。
方法100可选地在框102处开始，其中，堆叠第一结构构件32和第二结构构件34，以使得第一结构构件的第一通孔36与第二结构构件34的第二通孔38对准。方法100能可选地在框104处继续，其中，将紧固件40穿过第一结构构件32和第二结构构件34插入。在该步骤中，紧固件40可定位成使得紧固件40的杆部44延伸穿过第一通孔36和第二通孔38，且露出紧固件40的螺纹部分46。
在框106处，方法100包括将密封件68插入到埋头孔64中，该埋头孔形成在端接部件50的内孔62中。在框108处，方法100通过将附接有密封件68的端接部件50定位在紧固件40之上而继续。端接部件50可包括内孔62，该内孔具有内壁66，其覆盖紧固件40的螺纹部分46。端接部件50可具有由电介质材料层54涂覆的金属芯部52，并且可沿着纵向轴线51从近侧端部58延伸至远侧端部60。
方法100在框110处继续，其中，将压缩力施加于端接部件50的外表面70。确切地说，可将径向地向内指向的力施加于外表面70的截头圆锥形壁74，直到内壁66径向地向内变形，以符合紧固件40的外螺纹部分46并与紧固件40的外螺纹部分46机械地互锁为止。压缩力可进一步使得埋头孔64在径向地向内方向上变形，以抵靠紧固件40压缩密封件68并且进入空腔65中，该空腔在埋头孔64和内壁66之间设置在内孔62中。方法100通过如下方式来防止EME：确保端接部件50上的电介质涂层54防止端接部件50的远侧端部60和紧固件40之间产生的EME，同时变形的密封件68占据空腔65，以防止在端接部件50的近侧端部58和紧固件40之间产生的EME。方法100通过使用型锻而非螺纹连接将端接部件50联接于紧固件40来减少涂层54从内壁66的无意移除，螺纹连接会在部件之间引起摩擦，摩擦可能移除涂层54。
虽然依照特定结构和部件进行描述，但潜在地在其它环境中可利用其它构造和/或其它部件。此外，虽然本公开仅仅在所示出的形状和尺寸上呈现结构，但可设想所公开结构的各种变型以用在可由本领域技术人员意识到的替代实施例中。

Claims (20)

1.一种电磁效应抑制端接部件，所述电磁效应抑制端接部件用于由金属材料形成的紧固件，所述紧固件具有头部、杆部以及与所述头部相对的外螺纹部分，所述端接部件包括：
金属芯部，所述金属芯部由电介质材料层涂覆，所述端接部件沿着纵向轴线从近侧端部延伸至远侧端部，所述近侧端部靠近所述紧固件的所述头部定位，所述远侧端部与所述近侧端部相对；
内孔，所述内孔延伸穿过所述端接部件并包括内壁、埋头孔以及空腔，所述内壁从所述远侧端部延伸，所述埋头孔从所述近侧端部延伸，所述空腔设置在所述内壁和所述埋头孔之间；
外表面，所述外表面包括外壁和截头圆锥形壁，所述外壁从所述远侧端部延伸，所述截头圆锥形壁相对于所述外壁定位在近侧，所述截头圆锥形壁从所述外壁径向地向外延伸并具有小于90度的夹角；以及
密封件，所述密封件设置在所述埋头孔中；
其中，所述截头圆锥形壁构造成使得施加于所述截头圆锥形壁的压缩力使所述内壁变形以符合所述紧固件的所述外螺纹部分，并且使所述密封件变形以填充所述空腔。
2.根据权利要求1所述的端接部件，其中，所述内壁具有光滑表面。
3.根据权利要求1所述的端接部件，其中，所述内孔的所述内壁具有圆柱形形状且尺寸设置成与所述紧固件的所述外螺纹部分形成过盈配合。
4.根据权利要求1所述的端接部件，其中，所述端接部件具有从所述近侧端部至所述远侧端部的主体长度，且所述外表面的所述外壁具有高达所述主体长度的大致60％的外壁长度。
5.根据权利要求1所述的端接部件，其中，所述端接部件的所述芯部由具有相关的极限拉伸强度的芯部材料形成，且所述端接部件构造成在所述极限拉伸强度的25-75％的压缩负载下变形。
6.一种紧固件组件，所述紧固件组件用于防止电磁效应，所述紧固件组件包括：
紧固件，所述紧固件由金属材料形成并具有头部、杆部以及与所述头部相对的螺纹部分；
端接部件，所述端接部件由金属芯部形成，所述金属芯部由电介质材料层涂覆，所述端接部件包括：
内孔，所述内孔穿过所述端接部件沿着纵向轴线从所述端接部件的近侧端部延伸至所述端接部件的远侧端部，所述近侧端部靠近所述紧固件的所述头部定位，所述远侧端部与所述近侧端部相对地定位，所述内孔包括内壁、埋头孔以及环形空腔，
所述内壁从所述远侧端部延伸，所述埋头孔从所述近侧端部延伸，所述环形空腔设置在所述内壁和所述埋头孔之间；
外表面，所述外表面包括外壁和截头圆锥形壁，所述外壁从所述远侧端部延伸，所述截头圆锥形壁相对于所述外壁定位在近侧，所述截头圆锥形壁从所述外壁径向地向外延伸并具有小于90度的夹角；以及
密封件，所述密封件设置在所述埋头孔中；
其中，所述截头圆锥形壁构造成使得施加于所述截头圆锥形壁的压缩力使所述内壁变形以符合所述紧固件的所述螺纹部分，并且使所述密封件变形以填充所述空腔。
7.根据权利要求6所述的紧固件组件，其中，所述内壁具有光滑表面。
8.根据权利要求6所述的紧固件组件，其中，所述内孔的所述内壁具有圆柱形形状且尺寸设置成与所述紧固件的所述螺纹部分形成过盈配合。
9.根据权利要求6所述的紧固件组件，其中，所述端接部件具有从所述近侧端部至所述远侧端部的主体长度，且所述外表面的所述外壁具有高达所述主体长度的大致60％的外壁长度。
10.根据权利要求6所述的紧固件组件，其中，所述端接部件的所述芯部由具有相关的极限拉伸强度的芯部材料形成，且所述端接部件构造成在所述极限拉伸强度的25-75％的压缩负载下变形。
11.根据权利要求6所述的紧固件组件，进一步包括：
第一结构构件，所述第一结构构件具有第一通孔；以及
第二结构构件，所述第二结构构件具有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔对准；
其中，所述紧固件定位成使得所述紧固件的所述杆部延伸穿过所述第一通孔和所述第二通孔。
12.根据权利要求11所述的紧固件组件，其中，所述第一结构构件和所述第二结构构件中的每个由金属材料形成。
13.一种紧固结构组件以抑制电磁效应的方法，所述方法包括：
提供紧固件，所述紧固件由金属材料形成并具有与头部相对的螺纹部分；
将端接部件定位在所述紧固件之上，以使得所述端接部件的内孔的内壁覆盖所述紧固件的所述螺纹部分，其中，所述端接部件具有由电介质材料层涂覆的金属芯部并沿着纵向轴线从近侧端部延伸至远侧端部，所述近侧端部靠近所述紧固件的所述头部定位，所述远侧端部与所述近侧端部相对；
将压缩力施加于形成在所述端接部件的主体的外表面中的截头圆锥形壁，直到所述内壁径向地向内变形以符合所述紧固件的所述螺纹部分并与所述紧固件的所述螺纹部分机械地互锁为止。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：在将所述端接部件定位在所述紧固件之上之前，将密封件插入到埋头孔中，所述埋头孔在所述端接部件的所述近侧端部处形成在所述内孔中，其中，施加压缩力进一步使得所述埋头孔径向地向内变形，以抵靠所述紧固件压缩所述密封件并进入所述内孔的位于所述埋头孔和所述内壁之间的空腔中。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述截头圆锥形壁从所述外表面的外壁向外延伸并限定小于90度的夹角。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述内壁是圆柱形的且尺寸设置成与所述紧固件的所述螺纹部分形成过盈配合，且将所述端接部件定位在所述紧固件之上包括使所述内壁在所述螺纹部分之上滑动。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，施加压缩力包括将型锻工具施加于所述外表面。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述端接部件具有从所述近侧端部至所述远侧端部的主体长度，且所述外表面的外壁具有高达所述主体长度的大致60％的外壁长度。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述端接部件的所述芯部由具有相关的极限拉伸强度的芯部材料形成，且所述端接部件构造成在所述极限拉伸强度的25-75％的压缩负载下变形。
20.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：在将所述端接部件定位在所述紧固件之上之前，堆叠第一结构构件和第二结构构件，以使得所述第一结构构件的第一通孔与所述第二结构构件的第二通孔对准，其中，所述紧固件的杆部延伸穿过所述第一通孔和所述第二通孔。
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