CN86102974A - 把工件夹紧在一起的可变夹紧力紧固件及其夹紧方法 - Google Patents

Abstract

紧固系统包括双件挤压式紧固件；紧固件包括一个螺栓和一个套环，套环被挤压进螺栓的锁紧螺槽中，螺栓的锁紧螺槽为螺旋形且与套环配合；套环有一道有限的内螺纹，该螺纹与螺旋锁紧槽旋拧啮合，以改变工件的夹紧使之在挤压前得以夹紧；套环螺纹可在由挤压引起的在螺栓和套环之间产生的相对轴向力作用下变形，而在挤压之前则不会变形；螺栓锁紧螺槽是浅的且(h/Du)×10²≤4，螺栓锁紧螺槽具有近似流线型的根部外形。

Description

本发明涉及双件式紧固件，特别是涉及具有可变夹紧能力的挤压式紧固件，以及一种紧固工件的方法。

本发明通常涉及美国3，915，053号，2，531，048号，4，472，096号专利中说明的双件挤压式紧固件或锁紧螺栓。

在许多商业用途中，双件或螺纹紧固件的应用和安装分为两步或更多步工序。它通常是这样夹紧一种结构物，首先用紧固件把有关的元件松驰地联接起来。这使结构元件易于调整和对准至所需的最终方位。其次紧固件被一预选的最终扭矩锁紧。作用在螺纹紧固件上的扭矩的传统问题是：由于摩擦的和其他的因素，即螺母和被结合的工件表面之间的摩擦、联结螺纹之中的摩擦等等，所获得的夹紧力通常是不可预测的。然而双件挤压式紧固件不会面临这种摩擦问题，因此能提供更均匀的可预测的夹紧载荷。然而挤压式紧固件到目前还不能以螺纹紧固件提供由初始可变夹紧增大至有效夹紧的夹紧力，而仍然只是提供一种仅用第二步、最终安装工序的完全夹紧。先有的螺纹挤压或压扁式紧固件需要特别的工序或复杂的工具。例如，一种螺纹压扁式紧固件，在不具备复杂的安装工具时，就不能提供相同的挠性。当后一个紧固件允许承受一种与通常的螺纹紧件相似的初始可变夹紧载荷时，最后的安装需要或者是最终扭紧或压扁这两道附加工序，或者是能依次完成后面各工序的复杂工具。

在本发明的最佳形式中，螺栓的锁紧螺槽是一种螺旋形的外螺纹纹。套环是作为有一定预留量的配套内螺纹而设置的，预留量使得初始的夹紧是可调的。但是内螺纹被选成具有有限的圆周留量及剪切强度，以使套环能达它的最终的所希望的位置，并能经过一通常的安装工具把套环挤压到螺栓上。这样在最终安装时，一个常用的牵拉工具就可被用来在螺栓和套环之间施加相对轴向力。内螺纹套环这样来选择，使它对相对轴向力作出反应并达到一反应水平，即在套环开始变形或挤压入螺栓的锁紧螺槽之前，它将受到剪切力或发生变形，这将使套环就象它没有有限的内螺纹时那样自由移动而轴向地穿过螺栓并对安装载荷作出反应。那么工件最终将以和挤压式紧固件相同的效率夹紧在一起。

本发明的目的是解决前述的问题。因此，本发明提供这样一种紧固系统，

该紧固系统包括紧固件，通过可任意改变夹紧力大小将工件夹紧在一起;上述紧固件借助由安装工具产生的相对轴向力可用于最终安装;上述紧固件包括：螺栓件，具有一长螺杆，其一端制成扩大的螺栓头，上述螺杆上的锁紧螺槽部具有由一条螺纹形成的、螺旋伸延的许多锁紧槽;筒形套环，用于安装在上述螺栓的螺杆上，且在由安装工具产生的具有第一预选值的上述相对轴向力作用下，被挤压进上述锁紧螺槽中;上述筒形套环有一具有一定直径的通孔，通常用来以间隙配合容纳上述锁紧螺槽;上述套环有在上述通孔上构成的有限的内螺纹，用来与由上述锁紧螺槽构成的上述螺纹旋合;因此，上述套环被拧于上述锁紧螺槽部，以便将彼此多少有关的工件有选择地夹紧或安装在一起;上述有限的套环螺纹具有预定的强度，该强度可这样选择，即：在由安装工具在上述螺栓和上述套环之间产生的、具有第二预选值的相对轴向力作用下，不会使上述锁紧螺槽产生变形，上述第二预选值应低于第一预选值。本发明还提供一种任意可调夹紧力将工件夹紧在一起的方法，该方法包括下列步骤：

a）将螺栓件制成长杆，且在其一端有扩大的螺栓头，将上述螺杆制成具有一锁紧沟槽部，该部包括许多由螺纹结构形成的螺旋伸展锁紧螺槽。

b）制成具有一定直径的通孔、通常用来以间隙配合容纳上述锁紧螺槽的筒型套环;上述套环具有位于上述通孔内的有限内螺纹，用来与由上述锁紧螺槽构成的上述螺纹结构拧合;在由安装工具产生的具有第一预选值的上述轴向力的作用下，上述套环被挤压进上述锁紧螺槽中。

c）上述套环旋拧在上述螺槽部，以便有选择地将彼此多少相关的工件夹紧或安装在一起。

d）上述有限套环螺纹具有预定的强度，该强度应这样选择，即：上述螺栓和上述套环之间由安装工具产生的、具有第二预选值的相对轴向力作用下，上述锁紧螺槽不会变形;上述第二预选值小于上述第一预选值，并且，

e）实际在中等扭矩下，所提供的具有上述第二预选值和第一预选值的相对轴向力，作用于上述螺栓和上述套环;首先，使上述有限套环螺纹变形而上述锁紧螺槽不变形，在预定的载荷下将工件夹紧在一起，最后将上述套环挤压进锁紧螺槽中。

本发明的最佳形式中，套环适于挤压入螺栓的锁紧螺槽。该螺栓锁紧螺槽和已提到的先有技术的锁紧螺槽不一样，它最好是做得很浅，它的根部被制成近似流线型。正如已提到过的，锁紧槽是螺旋形的并构成一种所希望的螺纹外形。然而浅螺槽及近似的流性型提供了一种综合寿命，它高于一个对比的螺纹紧固件的寿命。同时，套环具有一预定的壁厚，因此体积也是预定的，这在挤压过程中不仅提供了锁紧螺槽的一种过填充状况，而且还提供了具有一定量值的残留夹紧力，该量值对于锁紧螺槽横截面内的拉伸中的螺栓安装载荷及屈服强度来说是一个高百分率。这样，选择套环壁厚时，就要增大残留夹紧力并提供足够的环箍刚性，以防止套环材料回弹出螺栓的浅锁紧螺槽。本发明的紧固件还提供比一螺纹所能达到的夹紧载荷大的多的夹紧载荷，这是因为它没有普通螺纹系统需要的作用扭矩（及由此引起的摩擦），而仅需拧紧相配部件的缘故。

在本发明的最佳形式中，应用了强度相对地高的螺栓，在低的拉伸作用载荷下，它不会沿结合螺槽断裂。这样，对于给定的一个螺栓，可以通过改变套环的长度，因此也可以通过改变承受拉伸载荷的螺栓数量及套环台肩数量，来简单地增大或减小有效的设计拉伸载荷量值。在找到合适的结合台肩数量以前，这种有选择的更改可以一直进行下去，台肩数量少于合适的数量时，在拉伸载荷作用下，将发生径向地横穿螺栓的断裂。在本发明的一种形式中，作用于螺栓的综合预加载荷稍低于螺栓锁紧螺槽的屈服载荷，套环的长度稍长于承受该预加载荷的、数量合适的螺栓和套环台肩结合时所需的载荷。在这种情况下，设计拉伸载荷作用下的剪断将发生在贯穿套环或螺栓台肩的横截面内。简单地增加套环的长度时，结合台肩的数量也应增加，在较高拉伸载荷作用下的断裂将发生在径向地贯穿螺栓螺槽的横截面内。无论两种情况中的哪一种，结果都在紧固接头处产生一高量值的残留预加载荷。

应当指出，当把高预加载荷水平与螺旋锁紧槽（它比对比的常用的螺纹系统的螺纹或螺槽浅得多）的优点联系起来考虑时，在疲劳应力和残留应力方面获得的改善甚至还要大得多。一些附带的收获是保证了：与螺栓的抗拉强度及疲劳寿命相比，浅结构环形槽的稍大些，这是因为螺旋形状使锁紧螺槽的直径尺寸比浅环形槽的大。相反地，通过稍微减小螺旋结构的有效横截面积，能保证螺旋槽和环形槽之间的等效。

这样，本发明的紧固件不仅将显著地改善疲劳性能，也将提供一非常大的夹紧载荷。本发明的一种形式中的紧固件能提供一种拉伸载荷，其数值可达螺栓螺旋锁紧槽横截面的抗拉强度。这是因为相对于螺栓的直径，这种浅螺槽结构具有较大的尺寸。

然而与此同时，这种独特的套环和螺栓的结合能使所希望变化的夹紧载荷这样来达到，即在某种载荷下先预装结构物的部件，并且在第二步的紧固操作中快速而有效地在大的最终夹紧载荷下把部件结合在一起。

应当指出，螺栓可能是高强度的，以使相应于最终的挤压载荷来说没有明显的屈服现象。应用这种所希望的浅槽结构的一个重要原因，就是为了抵抗这种屈服现象。那后一特性就是本发明所希望有的特性，其中螺栓具有螺旋形确螺纹。那么当套环最终被挤压入螺栓的螺旋槽中时，在套环中就形成了相配（互补）的内螺纹。如果在挤压套环的过程中，螺栓锁紧槽的螺纹的螺旋形状被破坏了，那么它和被挤压的套环就不能起螺纹紧固件的作用。本发明的一种形式中具有浅螺槽的高强度螺栓是允许出现这种破坏的。那么，螺纹形状的完整性得以保持时，被挤压的套环就可用合适的板手使之移动。

本发明的一种形式中，紧固件的最后安装可用常用的牵拉工具来完成;在本发明的另一种形式中，一种短柱式的紧固件的最后安装，可用一种挤压式工具有效地完成。

通过联系附图的后面描述，本发明的其他特点和优点将更加明显。其中：

图1是本发明的紧固件与工件装配的纵剖面图，一些部分是剖面图，另一些部分被剖去，图中还表示了最后安装之前使用的工具（部分）;

图2和图1的内容类似，表示了紧固件被安装完后的情况;

图3是和图1中类似的螺栓局部图，表示锁紧部分的一种不同形状;

图4是和图1中螺栓类似的螺栓的头部的局部立体图，但有光滑的外表;

图5是一个螺栓头部的局部立体图，该头部是扁头式，具有光滑的外表;

图6是图1和图2中的套环的带局部剖开的立体图;

图7是和图1、图2及图6中的套环类似的套环立体图（局部剖去），但是有光滑的轮廓;

图8是图1和图2中螺栓的螺旋锁紧槽形状的局部放大图;

图9是类似于图1的描绘短柱式紧固件的视图;

图10是和图9类似的表示图9中的螺栓的短柱式紧固件的视图，该图所表示的是用挤压工具完成安装后的情况。

现在看图1和图2，所示的紧固件包含一个螺栓元件12和筒形套环14。螺栓12有一细长的柄15，该柄在一对将分别被夹紧在一起的工件18和20上已对准的孔16和17中穿过。柄15一端的一个扩大的凸出的头部22和工件18的一边联接，有一个和头部22相邻的柄15平直部分24，它适于纳入已对准的孔16和17中并具有间隙配合。接着平直部分24的是一个锁紧螺槽部分25，由一组连续的螺旋槽构成。一个过渡部分28平滑地联接着锁紧螺槽26和直柄部分24。

一个危险的螺槽（部分）40位于锁紧螺槽部分25和夹持或牵拉部分42之间，并构成柄部15上的最弱部分。牵拉部分42包含一组环形的牵拉槽44，它的直径比柄部24和锁紧螺槽25的直径小。牵拉槽44适于用工具48夹持，工具48能对安装紧固件10起作用。工具48一般可以擅长技术的工人知道的方法来制作，所以出于简化的目的，仅仅表示了一部分结构。概括地说，工具48有一组适于在牵拉槽44上夹住螺栓12的夹爪，夹爪50位于弹簧筒夹组件52之内，而弹簧筒夹组件52又滑动地支承在一个钻座54内，钻座54终接于挤压钻部56的一端。

筒状套环14具有一和一扩大了的法兰59终接的一般是平直的柄部57。螺栓头22和套环法兰59上都有板手平面，以便易于用板手或其他合适的工具在螺栓12和套环14之间施加相对扭矩（见图1、2和6）。关于后者，套环14一般具有一个直径为ID的光滑孔61，直径ID与螺栓柄部15将形成间隙;在孔61的法兰端部制成了一个内螺纹63，它适于和螺旋锁紧槽26互配（互余）地构成螺纹联接，出于明显的理由，该套环螺纹63是有限的，并且在一种形式中由一周只有单圈的360°螺纹构成。套环14惯常是冷作成型，这样在这种冷作成型中，螺纹63就能被压或成型在套环14之内。如图6所示，套环螺纹63通常是径向地向内成型在延伸台肩69内，台肩69位于沉孔旁的套环14的法兰端部。螺纹63或台肩69的宽度基本上和螺槽或螺纹26的宽度相同。

那么，在操作中，工件18和20首先可由有限的套环螺纹63和螺旋锁紧槽26的螺纹联结来联结在一起。牵拉部分42有一个比套环螺纹63的内径小的最大直径，以致套环14能被移到螺栓12上，并且套环螺纹63已经作用于锁紧螺槽部分25。在螺栓头22和套环法兰59上的板手平面，使得加扭矩至所需的量值或至所需的程度变得容易。如已指示的，在一此应用中，在最终安装之前，使工件18和20稍微夹紧或甚至松驰地联接在一起，以达到有关的结构物能有合适的配合，这是有其优点的。完成这一前后，安装工具48就作用在紧固件10上，而一相对轴向力就经夹爪组件50而被加在螺栓12和套环14之间，夹爪组件50夹（紧）着牵拉槽部分42和与套环14外端联结的挤压砧56。当相对轴向力增加时，有限套环螺纹63将受剪或变形，足以使套环14更进一步向螺栓12作轴向相对移动。在这种条件下，螺栓12和套环14就起到一种挤压式紧固件的作用;工件18和20被相对轴向力以一预选的预加载荷夹紧在一起;该相对轴向力开始作用在螺栓12和套环14之间，而当该轴向力增加时，套环14被挤压到螺旋锁紧槽部分25之内。当该轴向力继续增加时，将达到一个数值，在这数值下，螺栓12将在危险螺槽40处拉断，从而完成挤压操作（见图2）。其次，当工具48进一步作用时，一个套环顶出器元件58将被驱向前以便使挤压砧56顶出挤压套环14，这样便完成了安装。

要注意，挤压砧56的挤压腔的轮廓和套环14外端的轮廓应是这样安排，在挤压操作开始时，当相对轴向力低于使有限的套环螺纹的发生剪切或变形所需的数值时，将不会开始发生套环14被挤压到锁紧螺槽上的情况。

如已指出的，在过去，通过两步或更多步工序施加扭矩，利用螺纹紧固件完成了可变的夹紧（操作）。在使人确信所有的这种螺纹紧固件已经最后地以合适的扭矩安装完方面存在一个问题。为了提供这种确信，对于完全的所有的紧固件或这种紧固件的确实的代表性数目，可能必须经过扭矩指示装置来进行单独的检验。在本发明中，由于缺少了螺栓尾部（螺栓在危险螺槽40处断裂后），紧固件10自行松驰，提供了一种简易的紧固件10已被安装好的目视检查方法。

在图8中可看得最清楚，本发明的一种形式中，螺旋锁紧槽26是浅结构，并且具有非常接近流性型的根部形状。流性型轮廓使两个不同直径之间有一个过渡，并且实质上没有任何应力集中或者有效应力集中系数（Kt）为1。被环形螺牙顶（或肩）60所分隔的螺旋槽26可以看作是根部62所构成的，根部62在一端和前过渡部分64相联，在相对的一端和后过渡部分66相联接。为了尽可能地接近流线型的形状，根部62通常是个椭圆形，并可用下关系式来确定：

(X²)/(D² _a) + (Y²)/(D² _b) =1

其中（X，Y）是根部曲线表面上点的座标。实际上，椭圆形状只是近似于两部分的流线型轮廓，一是过渡部分64，而另一部分是过渡部分66。

除了上述的之外，锁紧螺槽26进一步由下列参数确定：

1.P-是连续的螺旋锁紧槽26之间的螺距;

2.P/X-是台肩60的宽度，其中X被选择用来表达套环14的材料的最大剪切强度与螺栓12的材料的最大剪切强度之间的比例强度，在拉伸载荷下，剪切破坏或者可在螺栓台肩60的主剪切平面内发生，或者可在挤压套环的合成螺牙顶的主剪切平面内发生;

3.h-是螺旋锁紧槽的深度;

4.Dr-是螺旋锁紧槽的有效根径;

5.Du-是螺栓台肩60的顶部直径（或由螺栓12的顶部确定的直径）;

6.Da-是确定根部62的椭圆形根部轮廓的椭圆的长轴;

7.Db-是确定根部62的椭圆形根部轮廓的椭圆的短轴。

8.Db/2-是短轴的一半或者从根部62至长轴Da的距离（顺着短轴进行测量）;

9.L-是确定根部62的椭圆部分的前过渡部分64和后过渡部分66的切向截距之间的轴向距离。

10.W-沿短轴Db，从根部62至轴向距离L所确定的轴向线之间的径向距离。

本发明的一种形式中，前过渡部分64与螺栓12轴线垂直平面成40°角，而后过渡部分66与上述平面则成较陡的20°角。前部64的角度使挤压中的套环材料容易流动;而较陡角度的后部分66相对于被挤压的套环材料起一种支撑作用。在挤压期间，套环14伸长，这种支撑作用使得工件18和20的夹紧变得容易。过渡部分64和66切向地截取椭圆的根部62，从而提供了一种光滑的过渡轮廓。椭圆形的根部62具有一个轴向长度L和一径向宽度W，长度L比长轴Da短，而径向宽度W比短轴尺寸Db/2小。根部62将常常分别具有比长轴Da和短轴Db大的长度和宽度。但是，为了保证基本上是直线的过渡部分64和66的平滑过渡，使之通常形成已指出的倾斜角，希望宽度W不低于短轴尺寸Db/2的80%，或者是Db的40%。

应用图1至图2中的紧固结构，已知可选择螺槽26的深度，以得到所希望的深度h对螺栓12的螺牙顶直径Du的最小比例。对螺槽深度h的主要要求是：它应足够深，使在挤压后切实能容纳和保持套环14的材料。所希望的螺槽深度大约是0.04×Du或小于此值，即（h/Du）×10²＝4。具有这样的浅螺槽时，对于给定的螺牙顶部直径为Du的螺栓，其根部直径将是最大的。这将使给定材料的螺栓12几乎具有最大的有效的抗拉强度，因为拉断一般发生在横贯直径Dr的平面内，当Dr达最大值时，它仅稍小于顶部直径Du。最大的根部直径Dr也将提高疲劳寿命。实际上，由螺栓槽26是螺旋形的，拉伸断裂将发生在横贯介于根部直径Dr和顶部直径Du之间的某一平均直径的平面内。这样，对于一给定直径的螺栓，本发明将导致其抗拉强度和疲劳寿命的提高，二者的数值超过惯用螺纹的对应部件。同时，浅螺槽26可使根部62具有流线型的或椭圆的形状，从而显著地减小应力集中系数Kt。再者，这结果将提高疲劳寿命，从而超过惯用的螺纹紧固件。

对于（螺栓的）浅槽结构，希望套环在它被压入螺旋锁紧槽时的体积超过填充螺槽26的体积。

在一个实施例中，套环14的选用体积是“过量装填”体积，即提供用装填螺槽26的套环材料体积，比螺槽在挤压包封腔范围内所能正常容纳的体积更大，该挤压包封（腔），由钻头56的挤压腔喉部36（图1）和螺栓12的面对部分所构成。在本系统中，已知道希望提供的套环材料的体积，至少超出约16%。对于浅螺旋槽26，过量的套环体积无需超过上面提出的16%，因为套环材料在径向朝里移动的量，不比先有的具有更深结构的锁紧螺槽的大。对于一定长度的喉部26的有效挤压部分，上面所指的“过量填充”或过量装填的百分比可由下关系式（参见图1）确定：

100× (〔（DC²-ID²）－（D² _a-D² _m)〕d)/(〔D² _a-D² _m〕dl⁴) ＝过量填充%

其中：

Da是砧头56喉部36的直径;

Dc是挤压前套环14的外径;

ID是挤压前套环14的内径;

Dm是锁紧螺槽26的平均直径;和

DL可认为是挤压部分内的喉部的一长度。

由于锁紧螺槽26不深，因此希望螺栓12相对于套环14的硬度来说是有足够的硬度的，以便能抵抗拉伸时的断裂或实际的屈服或在高压缩挤压载荷下的颈缩。这样，在本发明的一种形式中，螺栓12可用AISI合金钢或极限剪切强度至少约为95KSI的AISI1541碳素钢来制造。套环14可用极限剪切强度至少约为45KSI的AISI1035碳素钢来制造。通常，希望使用其极限剪切强度与套环的极限剪切强度之比的范围约为1.8∶1至2.4∶1的螺栓。这样，螺栓12就可以有足够的硬度来承受所希望的大的预加拉伸载荷和套环14上的挤压载荷而基本上不产生屈服现象。还应当指出，从制造的立场来说，浅螺槽26比先有的较深的锁紧螺槽更容易制成，事实上，可在螺栓12已经（热处理）硬化后制造。

但是，为了获得大的夹紧载荷，套环14必须具有足够的壁厚，因此，必须保证有充足的套环材料在伸长中沿轴向移动。与此同时，希望被挤压的套环具有足够的壁厚且因此具有足够的强度来抵抗任何自浅锁紧螺槽的显著回弹。套环壁也必须具有足够的厚度来抵抗拉伸载荷下的显著径向膨胀，使得当达到接头的设计拉伸载荷时，螺栓台肩60和套环台肩事实上处于全结合状态。如果套环没有足够的径向刚度，套环14在拉伸载荷作用下，将在径向膨胀，从而降低主剪切平面的载荷。结果可能在螺栓台肩60的端点上或套环台肩上引起过早的剪断。

因此，套环壁厚的选择，应考虑能将必须的材料挤压进浅螺旋锁紧螺槽26中，而且材料的伸长变形能产生要求的夹紧载荷。同时，套环的最终挤压厚度应能使该套环具有足够的径向刚度和周向强度，以防止在内挤压及随后的拉伸载荷二者的作用下从螺槽26中沿径向弹回。还有，套环14和挤压钻内腔36的体积应选择成，能使套环14的材料流动到螺槽26中并填充好。上述体积和挤压钻喉部能提供16%的过量填充，就可获得满意的效果。此外，大大低于16%的过量填充将不能提供所需要的预加载荷，而大大超过16%的过量填充会造成过大的安装载荷，从而会将螺栓12压弯。对于用具有上述相对抗剪强度的金属材料制成的螺栓12和套环14来说，下列相关的参数〔单位厘米（英吋）〕是合适的：

还要求，螺栓螺槽26，螺栓台肩60以及与挤压后的套环14相配的螺槽和台肩的宽度，应与螺栓12和套环14各自的材料在宽度方向上的抗剪强度相称，以使造成由螺栓12和螺栓螺槽26构成的台肩和由挤压后套环14的互锁螺槽所构成的台肩，在承受作用在工件18和20上的最小极限设计拉伸载荷时，发生初始破损或最终破损。本设计规定，由套环14的螺槽所构成的台肩应先于由螺栓锁紧螺槽26所构成的台肩破损，即：螺栓12的台肩在剪力达到大约拉伸载荷的110%时破损，而套环14的台肩在该拉伸载荷作用下则已破损，这是较好的方案。通过上述那样使螺槽相称，对于某一给定拉伸载荷来说，可使螺栓与套环的啮合长度最小。当然，通过给出足够的套环长度，可保持上述抗剪强度关系，同时还可提高螺栓锁紧螺槽部25径向剖面的拉伸破损值。

相称强度的应用允许螺栓螺槽26相对台肩60长一些，因此，采用一种近似流线型的螺纹根部外型效果更好。与此同时，浅的螺槽结构可使螺纹根部52和连接侧壁64、66之间实现平滑的过渡;所采用的椭园形轮廓非常近似所需求的流线型，还可以采用类似的连续曲线。

所采用的上述相称强度的另一个优点是，有限的套环螺纹63的抗剪强度现在能达到最大值，以使通过扭转予紧的夹紧力处在相对高的量级上，并且（或者）允许处在其预紧夹紧情况下的紧固件10承受得住在予操作中为保持该结构合在一起所必须的扳拧载荷。这一点是通过使套环螺纹63的宽度实际与螺纹26的槽宽相等而实现的。允许采用一种最大强度的螺纹结构，一条360°的单圈螺纹即可满足许多用途的要求;这样就可采用冷作成型而无需制成附加螺纹，从而使套环螺纹63的结构减化，否则需用单独的设备来加工。

对于按上述方法用黑色金属材料制成的紧固件10来说，安装后作用在工件18和20上的残留预载最好为外加载荷的85%左右至95%左右，上述安装载荷大致处于螺栓12的屈服点处。安装载荷是在固定紧固件时通过螺栓在其危险螺槽40处断裂施加给该紧固件的最大载荷。对黑色金属来说，螺栓12的屈服点大约是本紧固连接最水设计极限载荷的80%左右。

对安装后的紧固件10来说，挤压后的套环14会在其内孔壁661上构成相配的内螺纹。这样就可用适当的工具卡在栓头22和套环法兰59上的扳手表面，施扭套环14使紧固件10移动。同时，在某些情况下，套环14会具有所提供的附加扭矩。

在某些结构中，需要使挤压后的套环（如套40）不会因震动等而松动。在螺栓上开设防止转动的槽（如图3所示）可有效地防止这类松动。因此，在图3的具体实例中，在螺栓12a的螺纹锁紧槽部25a有多条轴向延伸的槽67;这样，当套环（如：套环14）在其上被挤压时，套环的材料将会流动进入轴向槽67中，以防止在螺栓12a和与之相连接的挤压后的套环之间产生相对转动。螺栓12a的其余部分与螺栓12类似，因此，其类似部分用同样数字标示，但是在其后附加上字母“a”。

在一些应用中，要求能防止挤压后的套环移动。因此，图4和图5分别表示螺栓12b和螺栓12c各自的两种螺栓头22b和22c的典型形式。图4中的螺栓头22b除了将扳手平面去掉代之以平滑的外轮廓外，其他皆与图1和图2中的螺栓头22类似。图5中的螺栓头22c是一种传统的扁头，具有光滑的外轮廓而没有扳手平面。在所有其他方面，螺栓12b和螺栓12c皆与图1和图2中的螺栓12相同。

图7所示的套环14d，除了其套环法兰59d光滑的而没有任何扳手平面外，其余部分皆与图1和图2中的套环14类似。与套环部分类似的套环14d的其余部分，都用字母“d”的同样数字标示。

采用平滑式螺栓头22b、22c，平滑法兰套环14d以及防转动螺栓12a等综合方式的紧固件，可提供防止移动的综合有效解决办法。然而，为了简化将平滑套环14安装在具有平滑螺栓头22b或22c的螺纹锁紧槽部26a上的操作，在螺栓12a的牵拉螺槽部42a安排了多个平面65，在套环14d的环体57d上可安排多个平面67，以便能用适当的工具将螺栓12a和套环14d夹住，这样可很容易地将组件拧在一起。当挤压操作结束时，套环的平面67将重新变成最终的园角形的挤压后轮廓，如平面的牵拉部42a会随危险处40a的断裂而被除掉;这样，装好的紧固件的留下部分将具有无平面或传统的夹爪表面的外形，从而防止了挤压后的紧固件移动。

以上出示和讨论的紧固件10是一种牵拉式紧固件，适合用传统的牵拉式工具48进行最终安装。然而，本发明的特点是还能用于短柱式紧固件，适合采用挤压式工具进行最终安装。这种短柱式紧固件如图9和图10所示，在这种另件中，与图1和图2所示另件的类似部分用如字母“e”的相同数字标示。

现在来看图9和图10，图中表明短柱式紧固件10e包括一个螺栓件12e和一个筒式套环14e，螺栓件12e有一长形的螺杆15e，后者穿过并伸出一对工件18e和20e上对准的孔16e和17e，将两工件夹紧在一起。扩大的凸出头部22e位于螺杆15e的一端，并卡在工件18e的一侧。与该头部22e邻接的螺杆15e有一段平直部24e，用来以间隙配合装在对准的孔16e和17e中。紧接着平直部24e的是锁紧螺槽部25e，该部分是由具有连续的螺旋形的螺纹结构的多个螺槽26e构成的。过渡部28e将锁紧螺槽26e与平直直杆部24e平滑地连接在一起。

筒式螺套14e有一大体平直的套体部57e，其端部形成扩大的法兰59e。螺栓头22e和套环法兰59e都有扳手平面，便于用扳手或其他合适的工具将其卡住，以便在螺栓件12e和套环14e之间产生相对扭矩。套环14e有一在孔61e的法兰端构成的有限的内螺纹63e，用来与螺旋锁紧槽26e旋合。螺纹63e是有限的，由一条260°单圈螺纹构成。

操作中，通过有限套环螺纹63e和锁紧螺槽26e之间的螺纹啮合，首先将将工件18e和20e连接在一起。螺栓头22e和套环法兰59e上的扳手表面便于扭转使夹紧力达到要求值或要求的范围。接着，将挤压式安装工具48e用于紧固件10e上，采用一个咬合套环14e外端部的挤压砧56e和一个很好的咬合在螺栓头22e上的反作用件79，以使螺栓12e和套环14e之间产生相对的轴向力。当相对轴向力增加时，有限的套环螺纹63e会被剪断或变形，足以使套环14e进一步沿轴向相对螺栓12e移动。在这样的条件下，螺栓12e和套环14e将做为一种挤压式紧固件而发挥作用;在由螺栓12e和套环14e之间内部产生的相对轴向力引起的预加载荷作用下，工件18e和20e被夹紧在一起，而且，随着该轴向力的增加，套环14e被挤压进入螺旋锁紧槽部25e，从而完成了挤压操作（参看图10）。

应注意的是，挤压砧56e的挤压腔外形和套环14e外端的外形应这样设计，在挤压作用开始时，当挤压力低于使有限的套环螺纹63e剪断或变形所需相对轴向力的数值时，不会开始发生将套环14e挤进锁紧螺槽26e的挤压现象。

工具48可以是一种众所周知的结构形式，即：挤压砧56e和反作用件70装在近似“c”型的框架内，当转动工具48e时，挤压砧56e和反作用件70彼此相向移动，从而产生相对的轴向力以剪切装在该二者之间的紧固件。

因此，本发明的特点是适用于短柱式即牵拉式紧固件。

已提供一种特殊的紧固件，可以改变作用在连接件上的夹紧力，同时还可通过挤压后的连接在螺栓和套环之间产生大的最终夹紧力。在本发明的一种形式中，可提供一种如减螺旋槽的螺栓，这样就可获得一种高强度的结构，该结构可承受所要求的大夹紧载荷，同时又可保持螺栓的锁紧螺槽部的螺纹结构成为一体，因此可通过转矩来提高夹紧力或使套环移动。

Claims (17)

1、紧固系统包括紧固体，通过可任意改变夹紧力大小将工件夹紧在一起；上述紧固件借助由安装工具产生的相对轴向力可用于最终安装；上述紧固件包括：螺栓件，具有一长螺杆，其一端制成扩大的螺栓头，上述螺杆上的锁紧螺槽部具有由一条螺纹形成的、螺旋伸延的许多锁紧槽；筒形套环，用于安装在上述螺栓的螺杆上，且在由安装工具产生的具有第一予选值的上述相对轴向力作用下，被挤压进上述锁紧螺槽中；上述筒形套环有一具有一定直径的通孔，通常用来以间隙配合容纳上述锁紧螺槽；上述套环有在上述通孔上构成的有限的内螺纹，用来与由上述锁紧螺槽构成的上述锁螺纹旋合；因此，上述套环被拧于上述锁紧螺槽部，以便将彼此多少有关的工件有选择地夹紧或安装在一起；上述有限的套环螺纹具有预定的强度，该强度可这样选择，即：在由安装工具在上述螺栓和上述套环之间产生的，具有第二予选值的相对轴向力作用下，不会使上述锁紧螺槽产生变形，上述第二予选值应低于第一予选值。

2、权项1中的紧固系统，具有上述套环，该套环在其一端具有一法兰，用来与工件之一相对的表面接合;还具有上述有限的套环螺纹，该螺纹通常以与上述套环法兰径向对准的形式构成。

3、权项1或2中的紧固系统，具有的上述有限的套环螺纹在园周上延伸约不超过360°。

4、权项1、2或3中的紧固系统，具有由上螺栓螺槽都和螺栓台肩部构成的上述锁紧螺槽;挤压后的上述套环，具有在上述套环孔处构成的、与上述锁紧螺槽相配的套环螺槽部和台肩部;上述螺纹螺槽部和台肩部以及套环螺槽部和台肩部的轴向宽度，是根据上述螺栓和上述套环所用材料的相对抗剪强度确定的，因此，上述螺栓台肩部和上述套环台肩部通常是在与上述螺栓和上述套环之间产生拉伸载荷相等的载荷作用下剪切破损的。

5、权项4中的紧固系统，具有上述有限的套环螺纹，是由有限螺槽部和有限台肩部构成的;上述有限螺槽部的轴向宽度大致与上述螺栓台肩部的轴向宽度相等，上述有限台肩部的轴向宽度大致与上述螺栓螺槽部的轴向宽度相等。

6、权项1、2或3中的紧固系统，所具有的锁紧螺槽有许多园周方向伸延的螺栓螺槽和与之相关联的螺栓台肩，上述螺栓螺槽较浅，其径向深度按下列关系式确定：（h/Du）×10²，此外，h为径向深度，Du为上述螺栓台肩确定的直径;上述深度h较浅是相对上述台肩的直径Du来说的;所提供的上述关系式的结果值约不大于4;上述螺栓件和上述套环是用不同的材料制成的，且具有不同的极限抗剪强度值;上述螺栓件与上述套环的抗剪强度比可这样来选：在挤压中上述螺栓件不会破损;上述螺栓件与上述套环的极限强度之比应大约在1.8至2.4的范围内;上述螺栓螺槽和台肩以及上述套环螺槽和台肩的轴向宽度应根据上述不同材料的相对抗剪强度来选;因此，上述螺栓台肩和挤压成型的套环台肩在上述螺栓件和上述套环之间产生的同一拉伸载荷下剪切破损。

7、权项6中的紧固系统，其中的上述螺栓螺槽实际要比上述螺栓台肩宽;上述螺栓螺槽具有近似直线型的根部外形，通常是由一条，连续曲线构成的。

8、权项7中的紧固系统，所具有的上述螺栓螺槽通常是由部分椭园构成，上述椭园部分不大于一个椭园的一半，且又在短轴方向上不小于一个椭园的80%。

9、权项6、7或8中的紧固系统，所具有的上述有限的套环螺纹是由有限螺槽部和有限台肩部构成;上述有限螺槽部的轴向宽度实际上与上述螺栓台肩的轴向宽度相等;上述有限台肩部的轴向宽度实际上与上述螺栓螺槽的轴向宽度相等。

10、权项1至9的任一项中的紧固系统，其中上述螺杆包括位于与上述螺栓头相对端上的牵拉部，平直杆部与扩大的螺栓头邻接，上述锁紧螺槽部与上述平直杆部邻接，危险沟槽构成了上述螺栓杆的最薄弱部分，且位于上述牵拉部和上述锁紧槽之间;具有一定直径的上述套环通孔通常用来以间隙配合容纳上述牵拉部和上述锁紧螺槽。

11、权项1至10任一项中的紧固系统，包括上述套环和上述螺栓的扳拧手段，以使将上述套环拧入上述锁紧螺槽部的操作简便，从而可有选择地将彼此多少有关的工件夹紧或装好。

12、权项11中的夹紧系统，所具有的上述扳拧手段包括位于上述套环和上述螺栓中至少一个上具有的扳手表面，上述扳手表面可拧动以便将上述套环挤压在上述螺栓上。

13、权项11或12中的紧固系统，按权项10，其中上述第二扳手表面位于上述牵拉部，且被拧动直至上述危险部断裂。

14、由任意可调夹紧力将工件夹紧在一起的一种方法包括下列步骤：

a）将螺栓件制成长杆，且在其一端有扩大的螺栓头，将上述螺杆制成具有一锁紧沟槽部，该部包括许多由螺纹结构形成的螺旋伸展锁紧螺槽。

b）制成具有一定直径的通孔、通常用来以间隙配合容纳上述锁紧螺槽的筒型套环;上述套环具有位于上述通孔内的有限内螺纹，用来与由上述锁紧螺槽构成的上述螺纹结构拧合，在由它装工具产生的具有第一予选值的上述轴向力的作用下，上述套环被挤压进上述锁紧螺槽中。

c）上述套环旋拧在上述螺槽部，以便有选择地将彼此多少相关的工件夹紧或安装在一起。

d）上述有限套环螺纹具有预定的强度，该强度应这样选择，即：上述螺栓和上述套环之间由安装工具产生的、具有第二予选值的相对轴向力作用下，上述锁紧螺槽不会变形;上述第二予选值小于上述第一予选值，并且，

e）实际在中等扭矩下，所提供的具有上述第二予选值和第一予选值的相对轴向力，作用于上述螺栓和上述套环;首先，使上述有限套环螺纹变形而上述锁紧螺槽不变形，在予定的载荷下将工件夹紧在一起，最后将上述套环挤压进锁紧螺槽中。

15、权项14中的方法，所具有的上述有限套环螺纹在园周上不超过360°。

16、权项14或15中的方法，所具有的上述有限套环螺纹是经冷作成型制成的。

17、权项14、15或16中的方法，所具有的由螺栓螺槽和螺栓台肩所构成的上述锁紧螺槽和上述螺栓件，是用与上述套环不同的材料制成的，两种材料具有不同的极限抗剪强度;上述螺栓螺槽和台肩以及上述有限套环螺纹的轴向宽度，应根据上述不同材料的相对抗剪强度选择，即：上述有限套环螺纹通常应低于造成上述螺栓台肩破损的拉伸载荷作用下，首先破损。

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