CN113710906A - 使用具有纵向凹槽的可变形套筒的螺栓连接接头 - Google Patents

Abstract

一种提供“零间隙”配合的螺栓连接接头，所述螺栓连接接头由包括肩部的螺栓形成，所述肩部在安装期间工作以使可变形套筒冷成型。所述螺栓连接接头将螺栓接收构件接合到夹紧部件。可使用一个或多个螺栓连接接头，并且当安装所述螺栓时，所述螺栓中的每一者上的肩部扩张可变形套筒，直到所述套筒的外径接触所述夹紧部件中的通孔的内壁。所述可变形套筒中的每一者在其内表面上包括至少一个凹槽或沟槽，所述凹槽或沟槽导致所述夹紧部件的内壁和所述螺栓接收构件上的径向负荷减小，并且所述套筒与所述夹紧部件和设置在所述螺栓接收构件内的沉孔两者之间的摩擦较小，由此允许使所述套筒变形所需的螺栓的拉伸强度能力的百分比较小。

Description

使用具有纵向凹槽的可变形套筒的螺栓连接接头

相关申请(优先权要求)

本申请要求于2019年3月15日提交的美国临时申请序列号62/818,968的权益，该申请据此全文以引入方式并入本文。

背景技术

本申请整体涉及螺栓连接接头，并且更具体地涉及零间隙螺栓连接接头，诸如用于包括螺栓接收构件和夹紧部件的高剪切负荷接头中。该解决方案可用于任何高剪切负荷接头中。

然而，螺栓连接接头通常不能阻止夹紧部件相对于彼此移动。这是因为螺栓不能产生足够的摩擦以阻止接头滑动，这继而导致螺栓退出接头。

例如，已经使用螺栓连接接头的一种应用是将螺栓接收构件接合到夹紧部件。然而，螺栓连接接头通常不能阻止螺栓接收构件相对于夹紧部件移动，并且因此可能发生夹紧部件的滑移。将螺栓接收构件接合到夹紧部件的一种当前方法利用夹紧部件上的多个通孔和螺栓接收构件上的多个螺纹孔的匹配圆形图案。这种设计引起了对制造厂的孔位置公差能力的关注。

美国专利第7,717,659号公开了一种螺栓连接接头，该螺栓连接接头通过使用具有锥形肩部的螺栓来使可变形套筒冷成型以便提供“零间隙”配合而形成。具体地，当螺栓被安装到夹紧部件和螺栓接收构件中时，螺栓上的锥形肩部扩张可变形套筒，直到套筒的外径接触夹紧部件中的通孔的内壁。在套筒和夹紧部件中的通孔的内壁之间并不总是有足够的摩擦来适应夹紧部件中的通孔和螺栓接收构件的未对准，同时保持零间隙配合。

发明内容

本发明的实施方案的一个目的是提供一种零间隙螺栓连接接头，该零间隙螺栓连接接头可用于例如接合高剪切负荷接头。

本发明的实施方案的另一个目的是提供一种零间隙高剪切负荷螺栓连接接头，其可用作将第一夹紧部件紧固到螺栓接收构件的方式，该方式适应未对准并且在接头受到所施加的工作负荷时使夹紧部件相对于螺栓接收构件的滑移最小化。

简而言之，并且根据前述目的中的至少一个目的，本发明的实施方案提供了一种螺栓连接接头，该螺栓连接接头通过使用具有肩部的螺栓来使可变形套筒冷成型以便提供“零间隙”配合而形成。这种螺栓连接接头可用于单孔或多孔应用中，以适应接头部件之间的未对准或孔位置误差。未对准/孔位置误差在具有多个螺栓位置的接头中是较大的问题。可变形套筒中的每一者包括在套筒内表面上的至少一个凹槽或沟槽，该凹槽或沟槽导致螺栓和套筒两者之间的较小摩擦，这减小了在安装过程期间使套筒变形所需的径向负荷，并且还减小了螺栓接收构件的沉孔的底面上的轴向负荷。使可变形套筒变形的较低的径向负荷和轴向负荷允许比不具有至少一个纵向凹槽的常规套筒对于夹紧部件和螺栓接收构件材料和几何形状诸如相关联的壁厚度有更多的选择。

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，连同本发明的另外目的和优点，其中相同的附图标记标识相同的元件，在附图中：

图1a是示出根据本发明的一个实施方案的在安装之前设置在螺栓上的套筒的侧视图；

图1b是示出在安装之前设置在螺栓上的套筒的端视图。

图2a是根据一个实施方案的图1所示的具有轴向深、径向窄的凹槽的套筒的透视顶视图。

图2b是图2a所示套筒的顶视图。

图2c是跨图2b所示套筒的线2c-2c截取的侧剖视图。

图3a是根据一个实施方案的图1所示的具有轴向窄、径向浅的凹槽的套筒的透视顶视图。

图3b是图3a所示套筒的顶视图。

图3c是跨图2b所示套筒的线3c-3c截取的侧剖视图。

图4示出了根据本发明的一个实施方案的图1的螺栓和套筒，其形式为螺栓连接接头(即，在安装之后)。

图5示出了本发明的替代实施方案，其非常类似于图4所示的实施方案，但是其中螺栓的螺纹部分延伸穿过螺栓接收构件中的间隙孔(即，非螺纹孔)并接合螺纹螺母。

具体实施方式

虽然本发明可容许不同形式的实施方案，但在附图中示出并将在本文详细描述其实施方案，应理解，本说明书应被视为本发明原理的范例，而不旨在将本发明限于本文中示出和描述的实施方案。

本发明涉及一种零间隙螺栓连接接头，该螺栓连接接头可用作例如紧固高剪切负荷接头的方式，该高剪切负荷接头包括第一夹紧部件和螺栓接收构件，该方式适应未对准并且在高剪切负荷接头受到预期工作负荷时使夹紧部件相对于螺栓接收构件的滑移最小化。标准工作负荷是在螺栓连接接头的使用寿命期间在安装之后施加到螺栓连接接头的预期负荷。

图1a是示出在安装之前的螺栓和套筒组件21的侧视图，该组件包括设置在螺栓20上的可变形套筒10。图4示出了根据本发明的一个实施方案的图1a的套筒10和螺栓20，其形式为螺栓连接接头(即，在安装之后)。图1b是设置在螺栓20上的套筒10的端视图。

如图1a和图1b所示，螺栓20具有头部22，该头部包括具有直径60的凸缘61，其中头部22具有驱动特征，并且不限于如图1a和图4所示的六角形轮廓。螺栓20的轴28具有在螺栓20的端部30附近与头部22纵向间隔开的轴螺纹部分26以及设置在头部和轴螺纹部分之间的轴非螺纹部分。

如图1a所示，肩部44形成在轴非螺纹部分上，其中肩部44具有直径45并且通常设置在螺栓20的螺纹部分26和头部22之间。如图所示，螺栓20上的肩部44优选地设置为圆形，但肩部44可在不脱离本发明的范围的情况下具有其他轮廓。

除了螺栓20之外，螺栓和套筒组件21还包括根据一个实施方案的如图1a至图2c和图4所示的可变形套筒10。

关于材料，螺栓20可由例如ISO898-1形成，而套筒10可由例如AISI 1010钢形成。不管螺栓20和套筒10的确切材料如何，优选地，套筒10由比螺栓20更软的材料制成。

现在将更详细地描述套筒10的优选结构。更具体地，图2a示出了如图1a至图1b所示的可变形套筒10的顶部透视图。图2b示出了图2a所示的套筒10的顶视图。图2c示出了图2b所示的套筒10跨线2c-2c截取的剖视图。

如图2c中更详细地所示，套筒10具有套筒内径50和套筒外径52。如图2a至图2c所示，优选地，套筒10具有限定套筒外径52的外表面64和限定具有套筒内径50的套筒内表面82的通孔，其中套筒的内表面82包括与套筒内表面82一体地形成的一个或多个凹槽或沟槽84。优选地，套筒内表面82上的每个凹槽或沟槽84纵向延伸并与通孔一起至少部分地从第一套筒端86延伸到相对的第二套筒端88(参见图2a至图2c)。尽管附图示出每个凹槽或沟槽84从第一套筒端86一直延伸到相对的第二套筒端88，但这不是必要的，而仅仅是一个可能的实施方案。相反，凹槽或沟槽84可以仅部分地从第一套筒端86延伸到相对的第二套筒端88，同时仍保持在本发明的范围内。

优选地，如果提供多于一个凹槽或沟槽84，则它们通常彼此平行。例如，如图2a至图2b所示，可提供三个或更多个凹槽或沟槽84，每个凹槽或沟槽等距地间隔开(即，相对于套筒10的纵向中心轴线90(图2c中示出)彼此相距大致120度)。

凹槽或沟槽84可具有不同的几何形状，同时仍保持在本发明的范围内。

例如，每个凹槽或沟槽84可以是径向窄但轴向深的(如图1b、图2a至图2c所示)，或者每个凹槽或沟槽84a可以是径向宽但轴向浅的(如图3a至图3c所示)。这些几何形状中的任一者都可有效地形成本发明的不同实施方案。不管确切的尺寸和形状如何，优选地，凹槽或沟槽用于减小摩擦而不会显著地损害套筒的强度。此外，虽然优选的是每个凹槽或沟槽是彼此大致相同的，但这不是必要的，并且实际上每个凹槽或沟槽可具有不同的轮廓(即，尺寸和形状)，同时仍保持在本发明的范围内。

关于图3a至图3c，套筒10a与参考图2a至图2c所示的套筒10相同，然而，凹槽或沟槽84a是径向宽但轴向浅的。对于如图3a至图3c所示的套筒10a的相同元件，相同的附图标记是指相同的元件，其中对于与图2a至图2c所示的相同元件类似的相同元件中的每一者，添加后缀“a”。

更具体地，图3a示出了如图1所示的套筒10a的顶部透视图。图3b示出了图3a所示的套筒10a的顶视图。图3c示出了图3b所示的套筒10a跨线3c-3c截取的剖视图。

图1a至图1b示出了在安装螺栓20之前套筒10的状况。图4示出了在安装后套筒10和螺栓20的安装。

在一个实施方案中，当可变形套筒定位在第一夹紧部件的孔隙内并且在螺栓接收构件的沉孔内时，螺栓和套筒组件将第一夹紧部件和螺栓接收构件紧固在一起以形成螺栓连接接头，使得在套筒外表面与夹紧部件孔隙壁和螺栓接收构件沉孔壁两者之间存在零间隙配合。

更具体地，参见图4中的螺栓连接接头，图4是螺栓和套筒组件的侧剖视图，该螺栓和套筒组件被安装以将第一夹紧部件58和螺栓接收构件42紧固在一起，并且由此形成螺栓连接接头。在螺栓20的安装期间，螺栓20的头部22旋转，从而使螺栓20的螺纹部分26拧入设置在螺栓接收构件42中的通孔(诸如螺纹孔40)中，如图4所示。当螺纹部分26拧入螺纹孔40中时，螺栓20的肩部44使套筒10冷成型，从而使套筒外表面64可接触地接合第一夹紧部件58的孔隙壁62和螺栓接收构件42的沉孔43的沉孔壁63，从而在其间提供“零间隙”配合。尽管在图4中仅示出了一个接头作为示例，但在另一个实施方案中，为了将螺栓接收构件42完全接合或紧固到第一夹紧部件58，可以使用多个螺栓连接接头。

关于夹紧部件58，图4示出了具有上面的第一夹紧部件58的截面，示出在具有孔隙直径的第一夹紧部件内限定通孔的孔隙56。关于具有沉孔43的螺栓接收构件42，该沉孔具有沉孔壁63和设置在其中的底表面41。

另外，如图4所示，螺栓接收构件沉孔43具有沉孔直径47，该沉孔直径与夹紧部件58中的对应孔隙56有效地重合，使得螺纹孔40在与剪切平面72间隔开的点处开始，该剪切平面是螺栓接收构件42与夹紧部件58之间的接触的平面。在一个实施方案中，第一夹紧部件58的孔隙直径54与螺栓接收构件42的沉孔直径47相同。在图4所示的本发明的一个实施方案中，螺栓和套筒组件21变形为接收结构，该接收结构限定为第一夹紧部件58和螺栓接收构件42。

图5示出了替代实施方案。图5所示的实施方案与图4所示的实施方案非常相似。因此，相同的附图标记用于标识相同的部件。图5所示的实施方案与图4所示的实施方案之间的唯一区别在于，图5所示的实施方案规定，螺栓接收构件的通孔是间隙孔40a(即，非螺纹孔)，而不是诸如图4所示的螺纹孔40。在图5所示的实施方案中，螺栓的螺纹部分一直延伸穿过螺栓接收构件中的间隙孔40a，并且与螺纹螺母螺纹接合。在图5所示的实施方案中，螺栓接收构件实际上是第二夹紧构件，并且用附图标记32标识。

无论实施方案如何，优选地，凹槽或沟槽84的形状和尺寸根据特定应用来设计，即，设计成在套筒和螺栓肩部之间获得期望水平的摩擦，并且设计成根据使套筒10变形为接收结构所需的负荷而在凹槽或沟槽84之间具有期望表面积的表面85。

优选地，在安装之前，套筒10的内径50(参见图2c)小于肩部44的外径45(参见图1a和图4)，使得当安装螺栓20时，即相对于螺栓接收构件42，螺栓20的肩部44使套筒10变形。优选地，套筒10的套筒外径52(参见图2c)小于夹紧部件58的对应孔隙56的孔隙直径54(参见图4)和螺栓接收构件42的螺栓接收构件沉孔43的沉孔直径47两者，使得套筒10可插入夹紧部件58中的夹紧部件孔隙56和螺栓接收构件沉孔43中。另外，优选地，螺栓20的头部22的直径60(参见图1a和图4)大于夹紧部件58中的夹紧部件通孔56的内径54。因此，当安装时，螺栓20的头部22抵靠夹紧部件58的上面坐置，如图4所示。

另外，凹槽84还在安装期间在套筒10的变形期间为移位的材料提供空隙89(参见图4)。因此，本实施方案允许减小夹紧部件58的孔隙壁62和螺栓接收构件42的沉孔壁63两者上的径向负荷，并减小螺栓接收构件42的沉孔43的底表面41上的轴向负荷(在图4中示出)。减小的径向和轴向负荷允许在夹紧部件和螺栓接收构件中使用比在具有不带凹槽的套筒的螺栓连接接头中所使用的材料强度更低的材料。

套筒10的内表面82上的凹槽或沟槽84(在图2a至图2c中示出)产生的接触面积比其中没有形成凹槽84的套筒小，从而导致在安装期间螺栓20的肩部44和套筒10之间的摩擦比在常规螺栓的肩部和不带凹槽的常规套筒之间具有较高水平的摩擦的较大接触面积小。因此，形成在套筒10的内表面82上的凹槽84允许实现期望水平的摩擦，即，当在安装期间向螺栓施加足以使套筒10变形到夹紧部件孔隙56和螺栓接收构件沉孔43中的负荷时，套筒10的内表面82与螺栓肩部44之间的摩擦较小。

与在安装过程期间使不带凹槽的常规套筒变形以在套筒与夹紧部件孔隙壁和螺栓接收构件沉孔壁两者之间提供零间隙所需的拉伸负荷相比，螺栓与套筒两者之间减小的摩擦还减小了使带有凹槽的套筒变形所需的施加到螺栓的拉伸负荷。

与施加到不带凹槽的常规套筒的轴向负荷相比，套筒10和螺栓肩部44之间减小的摩擦还导致施加到套筒10的轴向负荷更小，该套筒压靠在螺栓接收构件42的沉孔43的底表面41上。另外，在安装期间需要较小百分比的螺栓拉伸强度能力来使套筒10变形。与具有不带凹槽的常规套筒的螺栓和套筒组件相比，使套筒变形所需的较小百分比的螺栓拉伸强度能力允许制造较小的螺栓尺寸，诸如小于M8螺栓。因此，更多的螺栓强度可用于将工作负荷施加到夹紧部件。

在一个实施方案中，螺栓连接接头适应夹紧部件孔隙56和螺栓接收构件沉孔43之间的未对准，同时保持套筒10与夹紧部分孔隙壁62和沉孔壁63两者之间的零间隙。

在本发明的一个实施方案中，螺栓连接接头是高剪切负荷接头，当高剪切负荷接头受到标准工作负荷时，该高剪切负荷接头使夹紧部件58相对于螺栓接收构件42的滑移最小化。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施方案，但是可以设想到，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出各种修改。

Claims (20)

1.一种零间隙螺栓连接接头，其包括用螺栓和套筒组件紧固在一起的夹紧部件和螺栓接收构件，所述螺栓连接接头包括：

夹紧部件，所述夹紧部件具有上面和穿过其中提供的孔隙，所述孔隙具有孔隙直径，所述孔隙限定夹紧部件孔隙壁；

螺栓接收构件，所述螺栓接收构件具有

沉孔，所述沉孔具有等于所述孔隙直径的沉孔直径，所述沉孔限定沉孔壁和沉孔底表面，以及

与所述沉孔同轴且同心的通孔，所述沉孔与所述夹紧部件的所述孔隙对准；以及

螺栓和套筒组件，所述螺栓和套筒组件包括

螺栓，所述螺栓具有

头部，所述头部的宽度大于所述孔隙直径的所述宽度，所述头部与所述夹紧部件的所述上面邻接接合，以及

轴，所述轴从所述头部延伸，所述轴具有

轴螺纹部分，所述轴螺纹部分与所述头部纵向间隔开，所述螺纹部分延伸到所述螺栓接收构件的所述通孔中，以及

轴非螺纹部分，所述轴非螺纹部分被设置在所述头部与所述轴螺纹部分之间，以及

肩部，所述肩部形成在所述轴非螺纹部分上；

套筒，所述套筒具有限定套筒外径的套筒外表面，以及接触所述肩部的套筒内表面，所述套筒具有

套筒第一端，

与所述套筒第一端相对的套筒第二端，

套筒通孔，所述套筒通孔限定具有套筒内径的套筒内表面，其中所述套筒内表面接触所述肩部，

至少一个纵向凹槽，所述至少一个纵向凹槽在所述套筒内表面中一体地形成，其中所述至少一个纵向凹槽至少部分地在所述套筒第一端和所述套筒第二端之间延伸，

当所述套筒定位在所述夹紧部件的所述孔隙内并且在所述螺栓接收构件的所述沉孔内时，所述螺栓和套筒组件将所述夹紧部件和所述螺栓接收构件紧固在一起以形成所述螺栓连接接头，使得在所述套筒外表面与所述夹紧部件孔隙壁和螺栓接收构件沉孔壁两者之间存在零间隙配合。

2.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述套筒第二端邻接地接合所述螺栓接收构件沉孔的所述底表面。

3.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述套筒第一端接触所述肩部，并且其中所述套筒第二端接触所述螺栓螺纹部分。

4.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述套筒外径小于所述夹紧部件孔隙直径和所述螺栓接收构件沉孔直径两者，从而允许所述套筒插入所述夹紧部件孔隙和所述螺栓接收构件沉孔两者中。

5.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中形成在所述套筒内表面上的所述至少一个纵向凹槽提供较小的接触面积，并且因此与在常规螺栓肩部和不带所述至少一个纵向凹槽的常规套筒之间具有较高水平的摩擦的较大接触面积相比，在安装期间在所述螺栓肩部和所述套筒内表面之间提供减小水平的摩擦。

6.如权利要求5所述的螺栓连接接头，其中所述较小接触面积允许当在安装期间向所述螺栓施加足以使所述套筒变形到所述夹紧部件孔隙和所述螺栓接收构件沉孔中的负荷时，在所述套筒的所述内表面和所述螺栓肩部之间实现期望水平的摩擦。

7.如权利要求5所述的螺栓连接接头，其中与在安装过程期间使不带凹槽的常规套筒变形以在所述套筒外表面与所述夹紧部件孔隙壁和所述螺栓接收构件沉孔壁两者之间提供零间隙所需的拉伸负荷相比，所述螺栓与所述套筒内表面两者之间所述减小水平的摩擦还减小了使所述套筒变形所需的施加到所述螺栓的拉伸负荷。

8.如权利要求5所述的螺栓连接接头，其中与施加到不带所述至少一个纵向凹槽的常规套筒的轴向负荷相比，在安装期间所述套筒内表面和所述螺栓肩部之间所述减小水平的摩擦进一步导致施加到所述套筒的轴向负荷更小，所述套筒压靠在所述螺栓接收构件的所述沉孔底表面上。

9.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述螺栓连接接头适应所述夹紧部件孔隙和所述螺栓接收构件沉孔之间的未对准，同时保持所述套筒与所述夹紧部分孔隙壁和所述沉孔壁两者之间的零间隙。

10.如权利要求9所述的螺栓连接接头，其中当所述螺栓连接接头受到工作负荷时，所述夹紧部件相对于所述螺栓接收构件的滑移最小化，其中工作负荷是在所述螺栓连接接头的使用寿命期间在安装之后施加到所述螺栓连接接头的预期负荷。

11.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述至少一个凹槽包括：

在安装过程期间在套筒的变形期间用于移位的材料的空隙。

12.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中在具有带有至少一个纵向凹槽的套筒的螺栓连接接头中在夹紧部件孔隙壁和螺栓接收构件沉孔壁上施加的径向负荷小于在具有不带所述至少一个纵向凹槽的所述套筒的所述螺栓连接接头中施加的径向负荷。

13.如权利要求12所述的螺栓连接接头，其中与具有不带至少一个纵向凹槽的常规套筒的螺栓连接接头中的摩擦水平相比，减小的径向负荷导致所述套筒与所述夹紧部件和所述螺栓接收构件沉孔两者之间的摩擦水平更小。

14.如权利要求12所述的螺栓连接接头，其中在将所述螺栓和套筒组件安装在所述夹紧部件和所述螺栓接收构件中以形成所述螺栓连接接头期间，与安装具有不带至少一个纵向凹槽的套筒的常规螺栓-套筒组件所需的螺栓的拉伸强度能力相比，使所述套筒变形需要较小百分比的螺栓的拉伸强度能力。

15.如权利要求14所述的螺栓连接接头，其中使所述套筒变形所需的所述较小百分比的螺栓的拉伸强度能力允许制造小于M8螺栓的螺栓尺寸。

16.如权利要求1所述的螺栓连接接头，不止一个凹槽在所述套筒的所述内表面上以纵向平行的布置间隔开。

17.如权利要求16所述的螺栓连接接头，其中所述可变形套筒还包括：

多个凹槽，所述多个凹槽相对于所述套筒的纵向中心轴线彼此等距地间隔开。

18.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述至少一个纵向凹槽是径向窄而轴向深的。

19.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中所述至少一个纵向凹槽是径向宽而轴向浅的。

20.如权利要求1所述的螺栓连接接头，其中：1.所述螺栓接收构件的所述通孔是有螺纹的，并且所述螺栓的所述螺纹部分与所述螺栓接收构件的所述通孔螺纹接合；或者2.所述螺栓接收构件的所述通孔是无螺纹的，并且所述螺栓的所述螺纹部分延伸穿过所述通孔并且与螺纹螺母螺纹接合。

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