CN112789416A - 低轴向力密封系统 - Google Patents

Abstract

一种可变形紧固系统，其具有可变形构件和匹配构件，可变形构件和匹配构件以相对于传统紧固系统减小的夹紧载荷密封在一起。该可变形构件减小安装紧固件所需的轴向力。该系统可以结合各种紧固件的安装来使用，该紧固件具有位于螺栓头部下方的一个或多个台阶，或具有至少一个台阶或至少一个锥形部的可变形垫圈。台阶状构造提供了减小的接触面积，其中，台阶状部分接触匹配构件，这转化成针对给定扭矩而减小的夹紧力范围。因此，需要较小的轴向力来适当地安装紧固件。或者，当螺栓铆合在铆合材料中时，具有铆钉特征和台阶状下头部的不可变形螺栓与变形的铆合材料形成密封。

Description

低轴向力密封系统

技术领域

本发明总地涉及用于减小有效安装螺栓(比如流通螺栓)所需的夹紧力的系统。

背景技术

当使用一个或多个紧固件将两种或多种材料组装在一起时，将材料夹紧在一起的紧固件提供夹紧载荷或夹紧力。虽然夹紧力需要足够大以将材料充分紧固在一起，但夹紧力不应太大以至于损害被紧固的材料。

在试图施加适量的夹紧力时，通常使用扭矩扳手来拧紧紧固件。扭矩扳手包括刻度盘，该刻度盘提供有关所施加的扭矩量的视觉指示。在工业中有时使用其他夹紧载荷指示装置，比如封装的液体，以防止施加过大的夹紧力。

有些应用需要流通螺栓。流通螺栓是具体构造为在一个或多个点处提供密封然而允许流体沿着穿过螺栓的杆所形成的通孔或沿着沿螺栓的杆所设置的流体流动路径流动的螺栓。例如，一些流通螺栓具有横跨螺纹切割或以其他方式形成的一个或多个外部凹槽。由于流通螺栓具有横跨螺纹所形成的一个或多个外部凹槽，因此在螺栓或螺母构件的螺纹剥落之前，流通螺栓通常能够应对更小的夹紧力。更具体地，流通螺栓和/或螺母构件上的螺纹在拧紧紧固件以试图获得足够的轴向力来获得适当的密封时易于剥落。由于螺栓的较小横截面面积，即使标准流通螺栓不具有横跨螺纹所切割或以其他方式形成的一个或多个外部凹槽，也需要减小夹紧载荷。

如图1A和图1B所示，使用流通螺栓10的一个典型应用与用于机动车辆的制动软管12连接。更具体地，流通螺栓10插入穿过制动软管12的端部处的连接器16中的孔14，使得一个金属垫圈20定位在流通螺栓10的头部22与制动软管12的端部处的连接器16之间，而另一个金属垫圈24定位在连接器16与流通螺栓10上的紧固构件26(比如螺母构件)之间。然后，如图2A和图2B所示，拧紧流通螺栓10，使两个垫圈20、24压缩，从而在连接器16与垫圈20、24中的每一者之间形成密封。因为在安装流通螺栓10期间垫圈20、24必须压缩，所以通常选择铜作为垫圈的材料。此外，由于垫圈在安装期间显著地压缩或挤压，因此这种应用中使用的垫圈通常称为“挤压垫圈”。

为了在铜垫圈20、24与制动软管12的端部处的连接器16之间形成适当的密封，必须向流通螺栓10施加足够的轴向力。换句话说，流通螺栓10和螺母构件26必须充分拧紧，使得将铜垫圈20、24足够硬地压入到连接器16中以形成密封。然而，当获得足以形成这种密封的轴向力时，特别是如果螺栓包括横跨螺纹的一个或多个外部凹槽28时，流通螺栓10和/或螺母构件26上的螺纹可能会剥落。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种可变形紧固系统，其与密封传统紧固系统所需的夹紧载荷相比需要减小的夹紧载荷来密封可变形紧固系统。

本发明的实施例的目的是提供一种减小适当安装紧固构件所需的轴向力的系统。

本发明的实施例的另一个目的是提供一种在安装紧固件(比如垫圈和螺栓的组合、螺栓或流通螺栓)时减小获得期望的夹紧载荷所需的轴向力的系统。

本发明的实施例的另一目的是针对给定扭矩提供减小的夹紧力范围，从而需要较少的轴向力来适当地安装紧固件。

本发明的实施例的又一个目的是提供一种在安装流通螺栓时减少获得密封所需的夹紧载荷的系统，其中夹紧载荷的减小等于或大于由于横跨螺栓的螺纹所设置一个或多个外部凹槽或者仅仅因为螺栓是流通螺栓并且设置为具有减小的横截面而可能导致的夹紧载荷的减小。

本发明的实施例的又一目的是提供一种减少可变形构件的挤压面积的系统。

本发明的实施例的又一个目的是提供一种提供包括密封铆钉特征的可变形紧固系统的系统。

在本发明的实施例中，可变形紧固系统包括：可变形构件；和匹配构件，其与可变形构件密封，其中，可变形构件需要比在传统紧固系统中将不可变形的构件固件与传统匹配构件密封所需的夹紧载荷更小的夹紧载荷来与匹配构件密封。

在本发明的实施例中，可变形构件包括：紧固件，其包括具有内部部分和至少一个第一外部部分的至少一个台阶，内部部分具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中，内部部分由内部最大尺寸界定，该至少一个第一外部部分与内部部分一体形成并且从内部部分的第一侧向外突出，第一侧限定由小于内部最大尺寸的第一外部最大尺寸界定的第一外表面。

在本发明的实施例中，施加到紧固构件以达到所需轴向力的第一轴向力小于施加到传统紧固件以密封传统紧固系统的第二轴向力。

在本发明的另一实施例中，至少一个外部部分具有矩形侧轮廓或限定第一锥形轮廓的第一锥形部分以及限定第一外部部分的第一平面部分。

在本发明的实施例中，可变形构件是具有限定内部部分的均匀中间部分的垫圈。

在本发明的实施例中，垫圈在垫圈的内部部分的每一侧上具有至少一个矩形台阶或锥形部。与传统形状相比，垫圈上的至少一个矩形台阶或锥形部减少了有效接触表面积。传统的垫圈是圆形的，在中间具有孔，并且在顶部和底部两者上都是平的。

与常规垫圈不同，根据本发明的实施例的垫圈提供台阶状或锥形构造，其中，垫圈的顶部和底部两者为台阶状或锥形，从而提供减小的接触表面积，其有效地转化成正确安装紧固件所需的较小轴向力。

在本发明的实施例中，垫圈具有至少一个第二外部部分，该至少一个第二外部部分与均匀中间部分一体地形成，该第二外部部分从均匀中间部分的第二侧向外突出，第二侧限定由小于内部最大尺寸的第二外部最大尺寸界定的第二外表面。

在本发明的实施例中，垫圈的至少一个外部部分包括第一矩形侧轮廓。

在本发明的实施例中，垫圈的至少一个第二外部部分包括：第二矩形侧轮廓。

在本发明的实施例中，垫圈的至少一个第一外部部分包括限定第一锥形轮廓的第一锥形部分和限定第一外表面的第一平面部分。

在本发明的实施例中，垫圈的至少一个第二外部部分包括：限定第二锥形轮廓的第二锥形部分和限定第二外表面的第二平面部分。

在本发明的实施例中，匹配构件包括：不可变形紧固件，其具有至少一个外部部分，其中，不可变形紧固件的至少一个外部部分接触可变形构件以使可变形构件变形。

在本发明的实施例中，不可变形紧固件是具有杆部和头部的螺栓，头部包括下侧，该下侧包括限定外部部分的至少一个台阶，其中该至少一个台阶与可变形构件匹配以使可变形构件变形，并且持续使可变形构件变形直到外部部分在期望的夹紧载荷下接触可变形构件。

在本发明的实施例中，可变形构件接收螺栓并且可包括垫圈或被夹紧部件。

在本发明的另一实施例中，不可变形紧固件包括与可变形构件密封的铆钉紧固件，其中，可变形构件是铆合材料。

在本发明的实施例中，铆接紧固件包括：具有柄部和头部的螺栓，头部包括下表面，该下表面包括限定至少一个外部部分的至少一个台阶，其中，该至少一个台阶与铆合材料匹配以使铆钉变形，并且与铆合材料密封。

在本发明的实施例中，铆接紧固件包括保持槽，其中，当螺栓通过铆合材料铆合时，可变形铆合材料的一部分流入保持槽中。

在本发明的实施例中，该至少一个台阶并非是可变形的并且与可变形构件匹配。在本发明的另一个实施例中，所述至少一个台阶是可变形的并且与匹配构件形成密封。

在本发明的另一实施例中，螺栓可用于还包括螺母构件和在螺栓与螺母构件之间的被夹紧部件的系统中，其中优选地，被夹紧部件由比螺栓和螺母构件都软并且当系统夹紧在一起时与螺栓和螺母构件变形以进行密封的材料形成。

本发明的实施例总体涉及需要管或软管端配件的流体处理回路，其中施加夹紧力以形成防漏接头。夹紧力是通过向机械紧固件施加扭矩而产生的，该紧固件将两个或多个零件结合在一起，形成紧密接触。接头中的一个或多个零件将比其他零件更软，通常是垫圈或被夹紧部件，在夹紧载荷下变形，以促进防漏密封。然而，如果没有足够的材料变形来密封流体路径，即使在正常施加的扭矩下也可能发生泄漏。这是因为相邻的软硬表面是平坦和光滑的，这迫使密封件主要依赖于软硬材料的刚度差。本发明的实施例集成了促进较软材料变形的几何特征，从而产生更有效的密封。

本发明还包括涉及指示并且因此帮助控制螺栓接头中的夹紧力的实施例。扭矩通常用于获得期望的夹紧载荷，但是由于摩擦力的变化，实际夹紧载荷通常有很大的变化。本发明的实施例将几何特征集成到紧固件中，以产生可视的夹紧载荷指示器，其功能是识别何时达到期望的夹紧载荷。

本发明还包括涉及在钉牢的紧固件系统中提供密封的实施例。

附图说明

通过结合附图参考以下描述可以最好地理解本发明的结构和操作的组织和方式连同其进一步的目的和优点，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1A、图1B、图2A和图2B示出具有安装在制动软管的端部处的可变形紧固构件的现有技术的紧固系统。图1A示出预安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图1B示出沿着图1A中的线A-A所截取的图1A的放大横截面图。图2A示出后安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图2B示出沿着图2A中的线B-B所截取的图2A的放大横截面图。

图3提供根据本发明的第一实施例的可变形垫圈的俯视图，其中，可变形垫圈在顶部和底部上都具有外部部分，其中外部部分各自具有矩形侧轮廓；

图4提供图3所示的可变形垫圈的侧视图。

图5A、图5B、图6A和图6B示出安装在制动软管的端部处的、根据本发明的实施例的可变形紧固系统，其中，紧固系统包括比如图3和图4所示的作为台阶状垫圈的可变形构件。图5A示出预安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图5B示出沿着图5A中的线C-C所截取的图5A的放大横截面图。图6A示出后安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图6B示出沿着图6A中的线D-D所截取的图6B的放大横截面图。

图7提供根据本发明的第二实施例的可变形垫圈的俯视图，其中，可变形垫圈在顶部和底部上呈锥形；

图8提供图7所示的可变形垫圈的侧视图；

图9A、图9B、图10A和图10B示出安装在制动软管的端部处的、根据本发明的另一实施例的可变形紧固系统，其中，可变性紧固系统包括比如图7和图8所示的作为锥形垫圈的可变形构件。

图9A示出预安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图9B示出沿着图9A中的线E-E所截取的图9A的放大横截面图。

图10A示出后安装状态(在局部横截面中)的组装图，并且其中，图10B示出沿着图10A中的线F-F所截取的图10B的放大横截面图。

图11提供根据本发明另一实施例的、由螺栓限定的不可变形紧固件的俯视图。

图12提供沿着图11的线G-G所截取的、图11所示的螺栓的侧面横截面图。

图13提供图11和图12所示的螺栓的仰视图；和

图14和图15示出根据本发明的另一实施例(在侧面横截面图中)的紧固系统，其中，该紧固系统包括比如图11-图13所示的、由螺栓限定的可变形紧固构件，并且其中，图14示出系统的预安装状态，而图15示出系统的后安装状态。

图16、图17和图18示出根据本发明的另一实施例(在侧视图、横截面图和仰视图中)的可变形紧固系统，其中，该紧固系统包括由螺栓限定的不可变形紧固件，并且其中，图16示出系统的预安装状态，图17示出图16的截面H-H的横截面图，图18示出图16的仰视图。

图19示出图16-图19所示的螺栓的后安装状态，该螺栓被安装为形成具有可变形构件的密封的可变形紧固系统。

具体实施方式

虽然本发明可能容易受到不同形式的实施例的影响，但是在附图中示出并且将在本文中详细地描述特定实施例，但是应当理解，本公开将被认为是本发明原理的示例，而不旨在将本发明限制于所示出的那些。

本文公开了本发明的多个实施例。每个实施例提供一种减少密封可变形紧固系统所需的合成夹紧力的系统。

可变形紧固系统包括可变形构件和与可变形构件密封的匹配构件。图3提供了根据本发明的实施例的由台阶状垫圈30限定的可变形构件的俯视图，而图4提供了同一垫圈30的侧视图。如图3和图4所示，垫圈30包括至少一个外部部分32，示出为垫圈30的顶部34和底部36两者上的两个外部部分32(而图3和图4示出了垫圈的顶部34和底部36两者上的一个台阶32，可以仅在垫圈30的一侧上设置仅一个外部部分)。另外，垫圈30可以设置为在顶部34和底部36中的每一者上具有多于一个的外部部分，或者甚至在顶部34和底部36中的每一者上具有不相等数量的外部部分)，并且在垫圈的中心40中设置孔38。这样，垫圈30具有均匀的中间部分，该中间部分具有由横跨垫圈30的中间部分44的最大测量值、内部最大尺寸限定的外径42(图3)和由垫圈30中间的孔38限定的最小内径46。

在本发明的实施例中，垫圈具有侧部，第一侧和第二侧(顶部34和底部38，如图4所示)，其中，第一侧和第二侧由相应的第一、第二外部轴向最大尺寸限定，如由垫圈30的至少一个第一外部部分和第二外部部分(台阶32)限定的外径48、50所示。

优选地，垫圈30是对称的，使得每个台阶32的外径48、50(即，分别在垫圈30的顶部34和底部36上)大致相等。

分别在垫圈30的顶部34和底部36上的外部部分32优选地使用具有在其中形成的台阶形状的两个相对的模具形成。优选地使用固定冲压机来压缩垫圈材料并且使用模具形成台阶。台阶可以在垫圈的正常生产期间使用特殊形状的工具(具有台阶特征)形成，或者使用类似工具作为二次加工形成。

图5A、图5B、图6A和图6B示出了用于将流通螺栓10安装在制动软管12上的可变形紧固系统52，其中可变形紧固系统52采用了先前描述的图3和图4所示的台阶状可变形垫圈30。具体地，图5A和5B示出了预安装状态，而图6A和图6B示出了后安装状态。实际上，使用了两个台阶状垫圈30。因此，在图5A、图5B、图6A和图6B中，一个垫圈用附图标记30a标识，而另一个垫圈用附图标记30b标识，以将一个垫圈与另一个垫圈区分开，但两者优选地与图3和图4中所示的垫圈30相同。

首先，将可变形的台阶状垫圈30a(与图3和图4中所示的台阶状垫圈30相同)滑动到流通螺栓10的杆54上，然后将流通螺栓10的杆54插入穿过设置在制动软管12的端部处的连接器16中的孔14。此时，垫圈30a设置在流通螺栓10的头部22与连接器16之间。然后，将另一台阶状垫圈30b(也优选地与图3和图4中所示的台阶状垫圈30相同)滑动到流通螺栓10的杆54上，然后将比如螺母构件的紧固构件26与流通螺栓10的杆54螺纹连接或以其他方式接合。此时，垫圈30b设置在连接器16与紧固构件26之间，并且整个组件看起来如图5所示。然后，比如通过转动流通螺栓10的头部22和/或紧固构件26来拧紧可变形紧固件系统52，或者将紧固构件26压合到流通螺栓10的杆54上。无论如何，紧固系统52的拧紧使台阶状垫圈30a、30b压缩或挤压抵靠连接器16，从而形成密封。在安装期间，可以挤压每个垫圈30a、30b的顶部34和底部36(参见图6)，使得每个垫圈在安装之后的厚度等于每个垫圈在安装之前存在的中间部分44(出于说明性目的，如图4所示)的厚度(参见图5A和图5B)，但这并非必须的。

假定垫圈30a、30b在顶部34和底部36两者上具有至少外部部分32(参见图3和图4所示的垫圈30，其是相同的)，并且在被用于流通螺栓安装工艺之前被有效地预挤压，这使得由于与传统的非台阶状垫圈的接触面积相比减小了密封接头的接触面积而减小了夹紧力。对图3和图4所示的垫圈30进行处理以使其在顶部34和底部36两者上具有一个或多个外部部分，从而减小了安装例如流通螺栓所需的力，同时仍保持垫圈的径向强度。另外，垫圈30在安装到可变形紧固系统中之前具有第一厚度49，第一厚度49等于纵向横跨均匀中间部分所测量的中间部分厚度43a和纵向横跨至少一个台阶(或在存在多个台阶的情况下横跨每个台阶)所测量的台阶厚度45的总和，其中，当安装到可变形紧固系统中时，由于垫圈的变形，垫圈具有等于中间部分厚度43a的第二厚度43b(在图6B中示出)。

相比之下，传统的垫圈具有单一的厚度，并具有比密封和确保足够的径向强度所需的更大的挤压面积。优选地，垫圈设计匹配成补偿降低的螺纹强度，其中挤压区域大约减少螺纹强度降低的量。如图5和图6所示，螺纹强度可能受损，因为如果流通螺栓包括横跨螺纹的一个或多个外部凹槽28，则流通螺栓10或螺母构件26上的螺纹可能容易剥落，以便提供流体流动路径。与传统垫圈相比，使用台阶状垫圈30a、30b(见图3和图4，其示出了相同的垫圈30)使得由于较小的垫圈接触面积而需要较小的轴向力来将垫圈挤压并且密封到流通螺栓10以及连接器组件16和紧固构件26两者。

图7提供了由根据本发明的另一实施例的锥形垫圈60限定的可变形构件的俯视图，而图8提供了同一垫圈60的侧视图。如图所示，垫圈60包括具有至少一个锥形部62的至少一个外部部分和具有内部最大尺寸71的至少一个均匀中间部分72。在图8所示的本发明的实施例中，存在两个锥形部62，每个锥形部各自分别由第一锥形轮廓和第二锥形轮廓限定。图8中还示出了两个平面部分，分别限定垫圈的第一外表面的第一平面部分顶部64和第二外表面的第二平面部分底部66，并且在具有最小内径63的垫圈的中心70设有孔68。

顶部64第一平坦表面和底部66第二平坦表面各自分别限定第一外部最大尺寸65和第二外部最大尺寸67，第二外部最大尺寸67小于垫圈60的均匀中间部分72的第一内部最大尺寸71。优选地，垫圈60是对称的，使得每个锥形部62(即，在垫圈的顶部64和底部66两者上)在高度和斜度方面大致相同。

另外，垫圈60(在图8中示出)在安装到可变形紧固系统中之前具有第一厚度79，第一厚度79等于纵向横跨均匀中间部分所测量的中间部分厚度73a和纵向横跨至少一个台阶(或在存在多个台阶的情况下横跨每个台阶)所测量的台阶厚度75的总和，其中，当安装到可变形紧固系统中时，由于垫圈的变形，垫圈具有等于中间部分厚度73a的第二厚度73b(在图10B中示出)。垫圈60上的锥形部62优选地使用具体地成形为形成锥形部的两个相对的模具来形成。优选地使用固定冲压机来压缩垫圈材料并且使用模具形成锥形部62。锥形部62可以在垫圈的正常生产期间使用特殊形状的工具(具有锥形特征)形成，或者使用类似工具作为二次加工形成。

图9A、图9B、图10A和图10B示出了用于将流通螺栓10安装在制动软管12上的紧固系统70。紧固系统采用先前描述的图7和图8中所示的锥形垫圈60。具体而言，图9A和图9B示出了预安装状态，而图10A和图10B示出了后安装状态。实际上，使用两个锥形垫圈60。因此，在图12和图13中，一个垫圈用附图标记60a标识，而另一个垫圈用附图标记60b标识，以将一个垫圈与另一个垫圈区分开。因此，在图9A、图9B、图10A和图10B中，一个垫圈用附图标记60a标识，而另一个垫圈用附图标记60b标识，以将一个垫圈与另一个垫圈区分开，但两者优选地与图7和图8中所示的垫圈60相同。

首先，将锥形垫圈60a(与图7和图8中所示的锥形垫圈60相同)滑动到流通螺栓10的杆54上，然后将流通螺栓10的杆54插入穿过设置在制动软管12的端部处的连接器16中的孔14。此时，垫圈60a设置在流通螺栓10的头部22与连接器16之间。然后，将另一锥形垫圈60b(也优选地与图7和图8所示的锥形垫圈60相同)滑动到流通螺栓10的杆54上。然后，比如螺母构件的紧固构件26与流通螺栓10的杆54螺纹连接或以其他方式接合。此时，垫圈60b设置在连接器16与紧固构件26之间，并且整个组件看起来如图9A和图9B所示。然后，比如通过转动流通螺栓10的头部22和/或紧固构件26来拧紧紧固件系统70，或者将紧固构件26压合到流通螺栓10的杆54上。无论如何，紧固系统70的拧紧使锥形垫圈60a、60b压缩或挤压抵靠连接器16，从而形成如图10A和图10B所示的密封。在安装期间，可以挤压垫圈60的顶部64和底部66(参见图10A和图10B)，使得垫圈60在安装之后的厚度基本等于垫圈60在安装之前存在的中间部分72(在图8中示出)的厚度(参见图9A和图9B)，但这并非必须的。

假定垫圈60a、60b具有至少一个锥形部62(参见图7和图8所示的垫圈60，其是相同的)并且在被用于流通螺栓安装工艺之前被有效地预挤压，这使得由于与传统的非锥状垫圈的接触面积相比减小了形成密封接头的垫圈的接触面积而减小了夹紧力。垫圈60a、60b在顶部64和底部66上具有至少一个锥形部62的事实减小了将垫圈安装为与流通螺栓10密封并且安装到连接器组件16(例如流通螺栓10)所需的力，同时仍保持垫圈60a、60b的径向强度。优选地，垫圈设计匹配成补偿降低的螺纹强度，其中挤压区域大约减少螺纹强度降低的量。如以上所讨论的，螺纹强度可能受损，因为如果流动螺栓10包括横跨螺纹的一个或多个外部凹槽28(如图9A、图9B、图10A、图10B所示)，则螺栓或螺母构件的螺纹可能易于剥落，以便提供流体流动路径。与传统垫圈相比，使用锥形垫圈60a、60b(见图7和图8，其示出了相同的垫圈60)使得由于较小的挤压面积而需要较小的轴向力来将垫圈挤压并且密封到流通螺栓10以及连接器组件16和紧固构件26两者。

分别如图3-图4和图7-图8所示的台阶状和锥形垫圈可以用于安装标准、非流通螺栓以及流通螺栓，特别是具有一个或多个横跨螺纹延伸的外部凹槽的流通螺栓。无论如何，使用本文公开的非传统垫圈提供了减小的挤压面积，这导致正确安装所需的较小夹紧力。由于螺栓的较低横截面面积，即使标准流通螺栓不具有横跨螺纹所切割或以其他方式形成的一个或多个外部凹槽，也会得益于减小夹紧载荷。

在安装期间，增加的轴向载荷使可变形紧固构件(即，如上所述的台阶状或锥形垫圈)变形，直到达到期望的夹紧载荷。外部部分使得接触面积小于传统的不可变形或非台阶状垫圈的接触面积。即使接触的材料较少，加载的垫圈材料也会变形更多，以更好地密封接头中的任何空隙。这样密封接头的轴向力(扭矩)比使用标准挤压垫圈时低。

图11、图12和图13分别提供了根据本发明的另一实施例的由螺栓100限定的不可变形紧固件的俯视图、侧横截面图和仰视图。如图所示，螺栓100包括头部102(参见图11和图12)和杆104(参见图12和图13)，杆104上形成有螺纹106。头部102和杆身104两者都可以是传统的，除了头部100下方的下表面108上设置为具有至少一个内部台阶110，其中，该至少一个台阶限定可变形紧固系统的至少一个外部部分。

在本发明的实施例中，下表面108可以具有“扭矩吸收特征”，比如向下表面108添加纹理，其在接触匹配表面时向下表面108提供高摩擦。纹理可以是将下表面108转变为高摩擦表面的任何几何形状。一种这样的特征优选地可以是添加到下表面108的肋，该肋使得下表面108成为高摩擦表面并且允许施加较少的扭矩来密封可变形紧固系统而更快地达到所需的夹紧载荷。

如图13所示，优选地，至少一个台阶110是圆形的，并且与杆104(以及总体上螺栓100)同心。

图14和图15提供了根据本发明的实施例的紧固系统120的横截面图。紧固系统120采用前述的图11-图13所示的螺栓100以及螺母构件122和比如垫圈的被夹紧部件124，被夹紧部件124设置在螺母构件122与螺栓100的头部102的下表面108之间。优选地，被夹紧部件124由比螺栓100和螺母构件122更软的材料制成。在图14-图15所示的实施例中，螺栓100是不可变形紧固件，被夹紧部件是可变形构件。然而，在本发明的另一个实施例中，至少一个台阶110可以是比匹配表面更软的材料，并且可以变形来密封匹配表面。在该实施例中，至少一个台阶是可变形构件，而匹配表面是匹配构件。

图14示出了安装螺栓100之前的紧固系统120，图15示出了安装螺栓100之后的紧固系统120。如图14所示，首先将螺栓100的杆104插入穿过被夹紧部件124中的孔126，并且杆104上的螺纹106与螺母构件122中的相应螺纹128接合，使被夹紧部件124被有效地捕获在螺栓100的头部102与螺母构件122之间。为了完全安装螺栓100，使用头部102来转动螺栓100，以便使螺栓100更完全地移动到螺母构件122中并且夹紧在被夹紧部件124上。在头部102下方(即，在头部102的下侧108上)设置一个或多个外部部分110，与具有平坦、非台阶状下表面的传统头部相比，使拧紧周期期间的扭矩显著增加，这表明已经达到预定的夹紧载荷。

在安装期间，增加的轴向载荷使被夹紧材料(即，被夹紧部件124)变形直到达到期望的夹紧载荷。计算外部部分110的面积，使得一旦螺栓100中的下表面108(即，图14中用附图标记108指示的表面)与被夹紧部件124接触，就达到所需的夹紧载荷。因此，如果下表面(即，在图14中用附图标记108指示的表面)与被夹紧部件124之间没有间隙，则足够的夹紧载荷的验证是可见的。另外，当使用扭矩和角度反馈安装设备时，一旦下表面(即，图14中用附图标记108指示的表面)接合被夹紧部件124，扭矩将会突然上升。这种反馈将使安装设备能够确保完全接触，并且确保达到所需的夹紧载荷。

虽然螺栓100被示出为带有外六角形轮廓的头部102，但是头部102可以设置为具有许多其他不同的轮廓，例如内六角形轮廓或者甚至是内部或外部的多小叶轮廓。另外，虽然关于零件号122使用了术语螺母构件，但是螺母构件实际上可以不是传统意义上的螺母构件，而是可以是人们想要安装螺栓的任何东西。因此，被夹紧部件可以是但可以是夹紧或捕获在可变形紧固系统的匹配构件与另一部件之间的任何构件。最后，虽然已经被提到被夹紧部件124可能是垫圈，但是被夹紧部件124实际上也可以是整个组件中想要使用螺栓100所夹紧的任何东西。在系统的另一实施例中，不可变形紧固件包括：与可变形构件密封并且钉牢可变形构件的铆钉紧固件。

如图16-图19所示，该可变形紧固系统根据本发明的另一实施例，其中，可变形紧固系统220(在图19中示出)包括由具有铆钉特征的螺栓200限定的不可变形紧固件。图16示出了系统的预安装状态；图17示出了图16的横截面H-H的横截面图，图18示出了图16的仰视图，而图19示出了系统的后安装状态，其中，该可变形构件是铆合材料222。

如图所示，类似于图11-图15中的螺栓100，螺栓200包括头部202(参见图16和图19)和杆204(参见图16、图18和图19)。头部202和杆204两者都可以是传统的，除了头部200下方的下表面208上设置为具有至少一个内部台阶210(在图17中详细示出)，其中，下表面208和至少一个内部台阶210具有与对应的下表面108和与螺栓100相关联的至少一个内部台阶210相似的特征。

如图18所示，可以添加比如肋232的附加特征来减少轴向转动。

另外，螺栓200具有示出为保持凹槽230的铆钉特征，其允许被保持材料222(在图19中示出)在铆合操作期间流动和保持。优选地，被保持的铆合材料222比螺栓材料软。限定至少一个外部部分的至少一个台阶210与铆合材料匹配并且用作密封特征，并且可以包括多于一个台阶以进一步与铆合材料222密封。

图16示出了螺栓200安装之前的紧固系统220，图19示出了螺栓200安装到铆合材料222中之后的紧固系统220。

在安装期间，增加的轴向载荷使铆合材料222变形，并且铆合材料的一部分流入保持凹槽中，从而将铆合材料222钉牢并且与铆合材料222形成密封。

虽然图16-图19中所示的实施例针对铆钉螺栓，但是附加实施例可以针对铆钉螺母的等效铆钉特征。

关于本文所公开的任何紧固系统的安装(即，如图5A、图5B、图6A、图6B、图9A、图9B、图10A、图10B和图14-图15所示)，可以利用可编程驱动系统，优选为能够执行扭矩角拧紧策略的驱动系统。无论如何，本文公开的螺栓和/或垫圈构造提供了减小的挤压面积，其有效地转化成正确安装螺栓所需的较小轴向力。另外，在如图16-图19所示的本发明的几个实施例中，提供了附加的密封特征。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是可以想象，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下设计各种修改。

Claims (20)

1.一种可变形紧固系统，包括：

可变形构件；和

匹配构件，其与所述可变形构件密封，其中，所述可变形构件需要比在传统紧固系统中将不可变形的传统紧固件与传统匹配构件密封所需的传统夹紧载荷更小的夹紧载荷来与所述匹配构件密封。

2.根据权利要求1所述的可变形紧固系统，其中，所述可变形的构件包括：紧固件，其包括至少一个台阶，所述台阶具有：

内部部分，其具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述内部部分由内部最大尺寸界定；和

至少一个第一外部部分，其与所述内部部分一体形成并且从所述内部部分的所述第一侧向外突出，所述第一侧限定由小于所述内部最大尺寸的第一外部最大尺寸界定的第一外表面。

3.根据权利要求2所述的可变形紧固系统，其中，当向所述紧固件施加第一轴向力时，所述第一外表面以所需的轴向力接触所述匹配构件，以密封所述可变形紧固系统。

4.根据权利要求3所述的可变形紧固系统，其中，施加到所述紧固件以达到密封所述可变形紧固系统所需的轴向力的第一轴向力小于施加到所述传统紧固件以密封所述传统紧固系统的第二轴向力。

5.根据权利要求2所述的可变形紧固系统，其中，所述第一外部部分包括：

矩形侧面轮廓。

6.根据权利要求2所述的可变形紧固系统，其中，所述第一外部部分包括：

限定第一锥形轮廓的第一锥形；和

限定所述第一外表面的第一平面部分。

7.根据权利要求2所述的可变形紧固系统，其中，所述紧固件包括：

垫圈，其具有限定所述内部部分的均匀中间部分。

8.根据权利要求7所述的可变形紧固系统，其中，所述垫圈包括：

安装到所述可变形紧固系统中之前的第一厚度，其等于纵向横跨所述均匀中间部分所测量的中间部分厚度和纵向横跨所述至少一个台阶所测量的台阶厚度的总和，其中，当安装到所述可变形紧固系统中时，所述垫圈由于所述垫圈的变形而具有等于所述中间部分厚度的第二厚度。

9.根据权利要求7所述的可变形紧固系统，其中，所述垫圈还包括：

至少一个第二外部部分，其与所述均匀中间部分一体形成并且从所述均匀中间部分的所述第二侧向外突出，所述第二侧限定由小于所述内部最大尺寸的第二外部最大尺寸界定的第二外表面。

10.根据权利要求9所述的可变形紧固件，其中，所述第一外部部分包括：

第一矩形侧面轮廓。

11.根据权利要求10所述的可变形紧固系统，其中，所述至少一个第二外部部分包括：

第二矩形侧轮廓。

12.根据权利要求7所述的可变形紧固系统，其中，所述至少一个第一外部部分包括：

限定第一锥形轮廓的第一锥形；和

限定所述第一外表面的第一平面部分。

13.根据权利要求12所述的可变形紧固系统，其中，所述至少一个第二外部部分包括：

限定第二锥形轮廓的第二锥形；和

限定所述第二外表面的第二平面部分。

14.根据权利要求1所述的可变形紧固系统，其中，所述匹配构件包括：

不可变形紧固件，其具有至少一个外部部分，其中，所述不可变形紧固件的至少一个外部部分接触所述可变形构件以使所述可变形构件变形。

15.根据权利要求14所述的可变形紧固系统，其中，所述不可变形紧固件包括：

螺栓，其具有杆部和头部，所述头部包括下表面，所述下表面包括限定所述至少一个外部部分的至少一个台阶，其中，所述至少一个台阶与所述可变形构件匹配以使所述可变形构件变形，并且持续使所述可变形构件变形直到所述外部部分在期望的夹紧载荷下接触所述可变形构件。

16.根据权利要求15所述的可变形紧固系统，其中，所述可变形构件接收所述螺栓并且包括：

垫圈或被夹紧部件。

17.根据权利要求14所述的可变形紧固系统，其中，所述不可变形紧固件包括：

与所述可变形构件密封并且钉牢所述可变形构件的铆钉紧固件。

18.根据权利要求17所述的可变形紧固系统，其中，所述可变形构件包括：

铆合材料。

19.根据权利要求18所述的可变形紧固系统，其中，所述铆钉紧固件包括：

螺栓，其具有杆部和头部，所述头部包括下侧，所述下侧包括限定所述至少一个外部部分的至少一个台阶，其中，所述至少一个台阶与所述铆合材料匹配以使铆钉变形并且与所述铆合材料密封。

20.根据权利要求19所述的可变形紧固系统，其中，所述铆钉紧固件包括：

保持槽，其中，当所述螺栓通过所述铆合材料铆合时，所述可变形铆合材料的一部分流入所述保持槽中。

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