CN212389642U

CN212389642U - 一种单面安装的预紧控制螺栓组件

Info

Publication number: CN212389642U
Application number: CN202021303814.XU
Authority: CN
Inventors: 黄孝庆; 唐伟; 张晓斌; 贾晓娇; 高琦
Original assignee: Aerospace Precision Products Co Ltd
Current assignee: Aerospace Precision Products Co Ltd
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2030-07-06

Abstract

本实用新型提供了一种单面安装的预紧控制螺栓组件，包括预紧控制螺栓和套接于所述预紧控制螺栓上的指示垫圈，所述预紧控制螺栓包括依次固定连接的螺栓头、螺栓光杆、螺纹杆、断颈段、扳拧齿段，所述断颈段处设有一个沿周向延伸的断颈槽，所述指示垫圈由应力诱导型形状记忆合金制成。本实用新型可实现单面安装，安装便捷，同时组件结构简单，制造工艺性好，可通过断颈槽和指示垫圈同时控制最大预紧力和最小预紧力，实现预紧力精确控制，防松效果显著。

Description

一种单面安装的预紧控制螺栓组件

技术领域

本实用新型属于紧固件设计与制造领域，尤其是涉及一种单面安装的预紧控制螺栓组件。

背景技术

预紧能提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺纹疲劳强度、增强连接的紧密性和刚性，及防止受横向载荷的螺栓联接的滑动。因此，工程上对绝大多数螺纹连接都需要实施预紧控制。

要保证螺纹件联接能克服被联接件所受的各种静态或动态外力，设计对螺纹件联接的拧紧要求是要螺纹件对零件产生一定的预紧力，预紧力为螺纹副抗拉力值的0.3～0.8倍，具体根据工况进行设计。要实现这个预紧力的拧紧控制方法有很多，有很简易的扳手拧紧的手工法、扭矩法、扭矩转角法、屈服极限控制法和螺栓预伸长法、测力垫片控制法、内置传感器法等等。

这些方法中，拧紧力矩控制预紧力和扭矩转角法操作简单、易实施，不需要复杂的的仪器和设备，得到了工程上的广泛应用。螺栓伸长量法、测力垫片法、内置传感器法精度较高、但测量成本高、应用场景受限，一般应用于需要精确控制领域。

如何在实现预紧控制实施便利性的同时，又需满足工程上对预紧力控制更为精确的要求是紧固件设计的迫切要求。

形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的有两种以上元素所构成的材料。从广义上讲，形状记忆合金存在两种晶体结构之一，其通常被称为马氏体(低温相)和奥氏体(高温相)。形状记忆合金在处于其高温奥氏体相时可形成一种形状。当形状记忆合金处于其较低温度马氏体时，形状记忆合金器件变形，该器件将保持变形后的形状直到其被加热返回到奥氏体相，由此其恢复其原始形状，这被称为形状记忆效应。

奥氏体转变温度将随着用于形成紧固件的合金的不同而变化，例如富镍的镍钛合金或者在合金化学结构中以钴或铁代替镍的镍钛钴铁合金将使得奥氏体开始转变温度低于室温。因此可以选用在紧固件工作温度附近，对应力较为敏感的镍钛钴类合金作为应力指示垫圈。当应力低于一定应力值，垫圈恢复可至初始形状。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种单面安装的预紧控制螺栓组件，该组件可实现单面安装，安装便捷，同时组件结构简单，制造工艺性好，可通过同时控制最大预紧力和最小预紧力，实现预紧力精确控制，防松效果显著。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种单面安装的预紧控制螺栓组件，包括预紧控制螺栓和套接于所述预紧控制螺栓上的指示垫圈，所述预紧控制螺栓包括依次固定连接的螺栓头、螺栓光杆、螺纹杆、断颈段、扳拧齿段，所述断颈段处设有一个沿周向延伸的断颈槽，所述指示垫圈由应力诱导型形状记忆合金制成。

进一步的，所述指示垫圈由钛镍铁形状记忆合金或钛镍钴铁形状记忆合金制成。

进一步的，所述指示垫圈为内齿型垫圈，包括外圈和向上凸起的内齿，所述外圈为带有中心圆孔的圆形薄片，所述内齿周向均布于所述外圈的内侧。

进一步的，所述内齿的齿数为10～20齿。

进一步的，所述外圈的外径为螺栓光杆直径d的2倍，所述外圈的内径为螺栓光杆直径d与头下圆角直径之和，所述外圈的厚度为螺栓光杆直径d的0.1～0.3倍，所述内齿向上凸起的凸起量为外圈厚度的0.5～2倍。

进一步的，所述预紧控制螺栓由高强度不锈钢制成。

进一步的，所述扳拧齿段的表面设有十二角齿、花键齿或五花齿，所述扳拧齿段的对角尺寸介于螺纹杆的螺纹小径和中径之间。

进一步的，所述螺栓头为平头、盘头或扁圆头。

进一步的，所述断颈槽的纵向截面呈三角形，断颈槽的横向截面呈圆环形，所述断颈槽最深处的横向截面的内径为螺栓光杆直径d的0.35～0.7倍。

进一步的，所述断颈槽最深处的横向截面的内径为螺栓光杆直径d的0.55倍，所述断颈槽底部倒有圆角。

相对于现有技术，本实用新型所述的单面安装的预紧控制螺栓组件具有以下优势：

本实用新型可实现单面安装，安装便捷，同时组件结构简单，制造工艺性好，可通过断颈槽和指示垫圈同时控制最大预紧力和最小预紧力，实现预紧力精确控制，防松效果显著；基于安装力矩控制和快速视觉检查双重作用设计，力矩控制有别于航空航天领域广泛使用的单面安装连接副高锁螺栓中的螺杆底孔内扳拧结构，其采用由扳拧齿段和预制断颈槽组成的外扳拧结构，使扳拧结构可便于镦挤塑性加工制造，工艺成形更好；快速视觉检查采用预紧指示垫圈，该指示垫圈采用应力诱导型钛镍系形状记忆合金制造，外形为中间凸起的内齿形圆垫圈，当承载应力超过设计值时，指示垫圈变得平整，当承载应力小于设计值时，其中间呈凸起状，方便观察；因有扳拧齿段，不需要在高锁螺栓螺杆底部制孔，保证螺纹部位的承载能力不被削弱。因此可以采用更短的螺纹杆，从而可以降低连接结构的重量。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型处于初始状态的结构图；

图2为本实用新型处于初始状态的立体结构图；

图3为本实用新型所述的指示垫圈处于初始状态的正视图；

图4为本实用新型所述的指示垫圈处于初始状态的立体视图；

图5为本实用新型处于压合状态的结构图；

图6为本实用新型处于压合状态的立体结构图；

图7为本实用新型所述的指示垫圈处于压合状态的俯视图；

图8为本实用新型所述的指示垫圈处于压合状态的立体视图；

图9为本实用新型所述的指示垫圈处于压合状态的侧视图。

附图标记说明：

1、预紧控制螺栓；11、螺栓头；12、螺栓光杆；13、螺纹杆；14、断颈段；141、断颈槽；15、扳拧齿段；2、指示垫圈；21、外圈；22、内齿。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例1

一种单面安装的预紧控制螺栓组件，如图1-图9所示，包括预紧控制螺栓1和套接于所述预紧控制螺栓1上的指示垫圈2。

所述预紧控制螺栓1包括依次固定连接的螺栓头11、螺栓光杆12、螺纹杆13、断颈段14、扳拧齿段15，所述断颈段14处设有一个沿周向延伸的断颈槽141。

本实用新型所述的单面安装的预紧控制螺栓1组件和常规凸头螺栓相比，其头部无需承担扳拧功能，可实现单面安装，同时在预紧控制螺栓1底部具有一个扳拧齿段15，该段部位和螺纹部位设计一断颈槽141过渡连接，实现最大预紧力控制。

与高锁螺栓相比，本实用新型所述的单面安装的预紧控制螺栓1组件采用外扳拧结构，可以在镦挤螺纹坯径时精密挤压出扳拧齿段15，加工工艺性更好。因有扳拧齿段15，不需要在高锁螺栓螺杆底部制孔，保证螺纹部位的承载能力不被削弱。因此可以采用更短的螺纹杆13，从而可以降低连接结构的重量。

所述指示垫圈2为内齿型垫圈，包括外圈21和向上凸起的内齿22所述外圈21为带有中心圆孔的圆形薄片，所述内齿22周向均布于所述外圈21的内侧。初始安装状态下(未预紧)，如图1所示，与螺栓头11下支撑面有目视可见的明显间隙。工作状态下(已预紧)，如图5所示，指示垫圈2与螺栓头11下支撑面贴合。也就是说，当承载应力超过设计值时，指示垫圈2变得平整；当承载应力小于设计值时，指示垫圈2中间呈凸起状，实现快速视觉检查和最小预紧力控制。

所述外圈的外径为螺栓光杆直径d的2倍，所述外圈的内径为螺栓光杆直径d与头下圆角直径之和，所述外圈的厚度为螺栓光杆直径d的0.1～0.3倍。所述内齿向上凸起的凸起量为外圈厚度的0.5～2倍，不仅有利于内齿能够在螺栓预紧力作用下变得平整，实现最小预紧力的控制，而且当螺栓预紧力因复杂的交变载荷、振动冲击、接触面的塌陷、表面摩擦和材料蠕变等因素综合作用发生衰减至最小预紧力以下时，指示垫圈2因记忆功能将力图恢复至初始形状，形成弹性回弹以抵消预紧力下降，从而使螺栓预紧力维持在较为稳定的水平。

所述指示垫圈2的材料为应力诱导型钛镍铁(TiNiFe)形状记忆合金，所述预紧控制螺栓1为A2-70 304不锈钢螺栓，强度等级为700MPa。预紧控制螺栓组件的指示垫圈2尺寸、断颈槽141尺寸、安装力矩、最大预紧力、最小预紧力、螺纹杆13的长度等性能参数如表1所示。

表1实施例1的性能参数表

本实用新型的使用方法：

先将指示垫圈2安装在螺栓光杆12中，将该组件一同插入到被连接板预制孔内，并在螺纹杆13上旋入适配的螺母。采用驱动工具(的卡头)固定螺栓的同时，驱动螺母旋转；同时另外一个卡头卡住扳拧齿段15，并利用反转力矩将断颈槽141拧断。驱动工具退出，完成组件安装。此时螺栓的预紧力为预紧上限值。

预紧螺栓组件安装过程主要受力矩控制，因此组件安装时，组件应确保一致性好、表面洁净、润滑良好。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：所述指示垫圈2的材料为钛镍钴铁(TiNiCoFe)合金，所述预紧控制螺栓1为A2-80 304不锈钢螺栓，强度等级为800MPa。预紧控制螺栓组件的指示垫圈2尺寸、断颈槽141尺寸、安装力矩、最大预紧力、最小预紧力、螺纹杆13的长度等性能参数如表1所示。

表2实施例2的性能参数表

对比例1

采用传统的8.8级碳钢螺栓产品，产品的规格、安装力矩、最大预紧力、最小预紧力、螺纹杆的长度等性能参数如表3所示。

表3传统的8.8级碳钢螺栓产品的性能参数表

产品规格d/mm	安装力矩/N·m	最大预紧力/KN	最小预紧力/KN	螺纹杆的长度/mm
					M6	11.2	17.5	4.6	9
M8	28.0	31.2	24.5	10.3
					M10	71.4	48.9	38.3	11.5

由表1、表2及表3可以看出，实施例1和2的螺纹杆长度小于对比例1，实施例1和2的最大预紧力与最小预紧力相差不大(相差不超过5KN)，而对比例1的最大预紧力与最小预紧力相差较大(相差最大值为12.9KN)，说明本实用新型通过同时控制最大预紧力和最小预紧力，预紧力控制较为精确。

综上所述，本实用新型所述的单面安装的预紧控制螺栓组件基于安装力矩控制和快速视觉检查双重作用的设计。力矩控制有别于航空航天领域广泛使用的单面安装连接副——高锁螺栓中的螺杆底孔内扳拧结构，其采用由扳拧齿段15和预制断颈槽141组成的外扳拧结构，使扳拧结构可便于镦挤塑性加工制造，工艺成形更好。

快速视觉检查采用预紧指示垫圈2，该指示垫圈2采用应力诱导型钛镍系形状记忆合金制造，外形为中间凸起的内齿型垫圈。当承载应力超过设计值时，指示垫圈2变得平整；当承载应力小于设计值时，其中间呈凸起状。

基于特殊设计，当预紧力应力水平超过预紧力下限值(对于8.8级螺纹连接件，保证应力为600MPa。此处预紧力下限值为0.9倍的保证应力，即为540±25MPa)，指示垫圈2的内齿将会变得平整。当预紧力达到产品预紧力下限值时，根据内齿型垫圈刚度设计，确定内齿型垫圈的外形尺寸。此时，指示垫圈2和螺栓支撑面间的间隙将会大幅减少至几近贴合。继续施加安装力矩，此时螺母和扳拧齿段15同时作用的反转力矩将预制断颈槽141拧断，此时预紧力达到产品预紧力上限值600MPa。

预紧控制螺栓组件在使用过程中当螺栓预紧力因复杂的交变载荷、振动冲击、接触面的塌陷、表面摩擦和材料蠕变等因素综合作用发生衰减至最小预紧力以下时，弹性的指示垫圈2因记忆功能将力图恢复至初始形状，形成弹性回弹以抵消预紧力下降，从而使螺栓预紧力维持在较为稳定的水平。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：包括预紧控制螺栓和套接于所述预紧控制螺栓上的指示垫圈，所述预紧控制螺栓包括依次固定连接的螺栓头、螺栓光杆、螺纹杆、断颈段、扳拧齿段，所述断颈段处设有一个沿周向延伸的断颈槽，所述指示垫圈由应力诱导型形状记忆合金制成。

2.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述指示垫圈由钛镍铁形状记忆合金或钛镍钴铁形状记忆合金制成。

3.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述指示垫圈为内齿型垫圈，包括外圈和向上凸起的内齿，所述外圈为带有中心圆孔的圆形薄片，所述内齿周向均布于所述外圈的内侧。

4.根据权利要求3所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述内齿的齿数为10～20齿。

5.根据权利要求3所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述外圈的外径为螺栓光杆直径d的2倍，所述外圈的内径为螺栓光杆直径d与头下圆角直径之和，所述外圈的厚度为螺栓光杆直径d的0.1～0.3倍，所述内齿向上凸起的凸起量为外圈厚度的0.5～2倍。

6.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述预紧控制螺栓由高强度不锈钢制成。

7.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述扳拧齿段的表面设有十二角齿、花键齿或五花齿，所述扳拧齿段的对角尺寸介于螺纹杆的螺纹小径和中径之间。

8.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述螺栓头为平头、盘头或扁圆头。

9.根据权利要求1所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述断颈槽的纵向截面呈三角形，断颈槽的横向截面呈圆环形，断颈槽最深处的横向截面的内径为螺栓光杆直径d的0.35～0.7倍。

10.根据权利要求9所述的单面安装的预紧控制螺栓组件，其特征在于：所述断颈槽最深处的横向截面的内径为螺栓光杆直径d的0.55倍，断颈槽底部倒有圆角。