DE202010017260U1

DE202010017260U1 - Hülsenbefestigungselement mit verbesserter Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE202010017260U1
Application number: DE202010017260U
Authority: DE
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2011-08-26
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: EP2470798B1; ES2637225T3; CN202023812U; WO2011050040A1; KR101420155B1; JP2013508646A; KR20120060916A; EP2470798A1; US8475102B2; EP2470798A4; CN102042288B; US20110142567A1; JP5438837B2; CN102042288A

Abstract

Hülsenbefestigungselement mit Presspassung ausgelegt zur Installation in zueinander ausgerichteten Bohrungen durch zwei oder mehrere Werkstücke, wobei das Hülsenbefestigungselement Folgendes aufweist: a) eine Hülse (14, 14', 114) mit einem Kopf an einem Ende und einem rohrförmigen Bereich, wobei der rohrförmige Bereich einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Außendurchmesser des rohrförmigen Bereichs geringer ist als der Innendurchmesser jeder sich in den Werkstücken (18A, 18B, 118) befindlichen Bohrungen; b) ein Stiftelement (12, 12', 112) mit einem Stiftkopf (22) an einem Ende, einem Sicherungsbereich (24) am gegenüberliegenden Ende und einem Schaftbereich (16) zwischen dem Stiftkopf (22) und dem Sicherungsbereich (24), wobei der Schaftbereich (16, 16', 116) unterhalb des Stiftkopfes (22) angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als den Innendurchmesser des rohrförmigen Bereichs der Hülse (14, 14', 114) aufweist, und wobei das Stiftelement (12, 12', 112) eine Übergangszone (2, 26, 26', 126) zwischen dem Schaftbereich (16, 16', 116) und dem...

Description

Zugehörige Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der provisorischen US-Anmeldung mit der Anmeldenummer 61/279,548, angemeldet am 22. Oktober 2009, mit dem Titel „Hülsenbefestigungselement mit verbesserter Leitfähigkeit und Verfahren zum Herstellen eines solchens” in Anspruch, welche hiermit durch Inbezugnahme in ihrem gesamten Umfang für alle Anwendungszwecke aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft mechanische Befestigungselemente, und insbesondere mechanische Befestigungselemente mit verbesserter Leitfähigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Strukturen, wie zum Beispiel Luftfahrzeuge, benötigen eine Vielzahl von mechanischen Befestigungselementen. Luftfahrzeuge sind empfänglich für Blitzeinschläge. Daher werden mechanische Befestigungselemente mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit benötigt, um speziell durch Blitzschlag verursachte Schäden zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach einem Ausführungsbeispiel stellt eine Anordnung des Hülsenbefestigungselements die elektrische Leitfähigkeit zwischen einer Hülse und einem Schaftbereich eines Kernstifts bereit, welcher mit einer Verbundsstruktur korrespondiert, und eine dielektrische, reibungsarme Beschichtung aufweist, welche auf andere Bereiche des Kernstifts aufgebracht ist, wie beispielsweise einem Gewindebereich und einer Übergangszone des Kernstifts. Nach einem Ausführungsbeispiel bildet der Schaftbereich einen blanken Metall-Metallkontakt zwischen der Hülse und dem Kernstift. Dies reduziert den elektrischen Widerstand und die Stromdichte entlang der Hülse/Kernstift-Grenzfläche, indem eine Verteilung des Stroms entlang der gesamten Kontaktoberfläche begünstigt wird. In dem Ausführungsbeispiel erhöht das Vorhandensein der dielektrischen, reibungsarmen Beschichtung zwischen dem Sicherungsbereich des Kernstifts und einer Gegenmanschette oder Mutter den elektrischen Widerstand über die Grenzfläche in hohem Maße, was einen elektrischen Stromfluss verhindert. Nach einem Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung einen Unterschied des elektrischen Widerstands zwischen dem blanken Metallschaftbereich des Kernstifts und der Bereiche des Kernstifts, welche mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung beschichtet sind, vor. In einem Ausführungsbeispiel das eine selektive Beschichtungsanwendung aufweist, wird der Großteil des elektrischen Stroms (wie z. B. von einem Blitzeinschlag) im Bereich des blanken Metallschafts des Kernstifts gehalten, welcher nicht mit einer dielektrischen, reibungsarmen Beschichtung beschichtet ist. Der elektrische Widerstand wird dann auf natürliche Weise auf dem Pfad des geringsten Widerstands fließen, sodass der Strom in die Struktur über den Schaftbereich des Befestigungselements abgeleitet wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Hülsenbefestigungselement mit Presspassung ausgelegt, um in eine Bohrung einer Struktur installiert zu werden, wobei das Hülsenbefestigungselement folgendes aufweist:

a) eine Hülse mit einem Kopf an einem Ende und einem rohrförmigen Bereich, wobei der rohrförmige Bereich einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Außendurchmesser des rohrförmigen Bereichs geringer ist als der Innendurchmesser der Bohrung in der Struktur;
b) ein Stiftelement mit einem Stiftkopf an einem Ende, einem Sicherungsbereich am gegenüberliegenden Ende und einem Schaftbereich zwischen dem Stiftkopf und dem Sicherungsbereich, i) wobei der Schaftbereich unterhalb des Stiftkopfes angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als den Innendurchmesser des rohrförmigen Bereichs der Hülse aufweist, ii) wobei das Stiftelement eine Übergangszone zwischen dem Schaftbereich und dem Sicherungsbereich aufweist, und iii) wobei ein Bereich des Stiftelements eine reibungsarme dielektrische Beschichtung aufweist;
c) ein Sicherungselement, welches ausgelegt ist, um über den Sicherungsbereich des Stiftelements zu passen;
d) wobei die Hülse ausgelegt ist, sich radial im Schaftbereich des Stiftelements aufzuweiten, um eine Presspassung zwischen dem Außendurchmesser der Hülse und der Bohrung in der Struktur derart auszubilden, dass eine installierte Position bereitgestellt wird;
e) wobei in der installierten Position eine erste Grenzfläche zwischen dem Schaftbereich des Stiftelements und dem Innendurchmesser der Hülse im Wesentlichen frei von der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung ist; und
f) wobei in der installierten Position die Übergangszone des Stiftelements und eine zweite Grenzfläche zwischen dem Sicherungsbereich des Stiftelements und dem Sicherungselement im Wesentlichen von einer reibungsarmen dielektrischen Beschichtung überzogen sind.

In einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Kontrollieren eines Durchflusses einer elektrischen Ladung durch das Befestigungselement mit Presspassung, welches ausgelegt ist, um in einer Bohrung einer Struktur installiert zu werden, folgende Schritte auf:

a) Bereitstellen einer Hülse mit einem Kopf an einem Ende und einem rohrförmigen Bereich, wobei der rohrförmige Bereich einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Außendurchmesser des rohrförmigen Bereichs geringer ist als der Innendurchmesser der Bohrung in der Struktur;
b) Bereitstellen eines Stiftelements mit einem Stiftkopf an einem Ende und einem Sicherungsbereich am gegenüberliegenden Ende, einem Schaftbereich zwischen dem Stiftkopf und dem Sicherungsbereich, i) wobei der Schaftbereich unterhalb des Stiftkopfes angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als den Innendurchmesser des rohrförmigen Bereichs der Hülse aufweist, ii) wobei das Stiftelement einen Übergangsbereich zwischen dem Schaftbereich und dem Sicherungsbereich aufweist, und iii) wobei ein Bereich des Stiftelements eine reibungsarme dielektrische Beschichtung aufweist;
c) Bereitstellen eines Sicherungselements, welches ausgelegt ist, um über den Sicherungsbereich des Stiftelements zu passen;
d) wobei die Hülse ausgelegt ist, sich radial im Schaftbereich des Stiftelements aufzuweiten, um eine Presspassung zwischen dem Außendurchmesser der Hülse und der Bohrung in der Struktur auszubilden, sodass diese eine installierte Position bereitstellt;
e) wobei, in der installierten Position, eine erste Grenzfläche zwischen dem Schaftbereich des Stiftelements und des Innendurchmessers der Hülse im Wesentlichen frei von der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung ist;
f) wobei, in der installierten Position, der Übergangsbereich des Stiftelements und eine zweite Grenzfläche zwischen dem Sicherungsbereich des Stiftelements und dem Sicherungselement im Wesentlichen von einer reibungsarmen dielektrischen Beschichtung überzogen sind; und
g) wobei, in der installierten Position, unter Verwendung von Bereichen mit und ohne reibungsarmer dielektrischer Beschichtung des Befestigungselements der Durchfluss der elektrischen Ladung gerichtet geleitet wird.

In einem Ausführungsbeispiel sind das Stiftelement und das Hülsenelement ausreichend aneinander angepasst, um Folgendes zu erzielen:

(i) einen Reibungskoeffizient zwischen der Schaftkontaktfläche der Innenfläche der Hülse und des Schaftbereichs des Stiftelements mit X,
(ii) einen Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche des äußeren Durchmessers der Hülse und des Innendurchmessers der Bohrung in der Struktur Y, und
(iii) wobei X konsistent geringer gehalten wird als Y wenn der Schaftbereich des Stiftelements innerhalb der Hülse bewegt wird.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Sicherungselement eine Manschette.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Sicherungselement einen Senkbohrungsbereich auf, wobei der Senkbohrungsbereich ausgelegt ist, um über den Sicherungsbereich des Stiftelements zu passen und die Hülse ringsherum des Stiftelements zu komprimieren.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Presspassung des Befestigungselements mit der Struktur etwa 0,0127 mm (0,0005 inches) bis 0,2540 mm (0,0100 inches).
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaftbereich des Stiftelements zylindrisch.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Struktur eine metallische Verbundstruktur.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Befestigungselement aus mindestens einem Material der Gruppe bestehend aus Aluminium, Titan und Stahl.
In einem Ausführungsbeispiel weist die reibungsarme dielektrische Beschichtung eine Oberflächenwiderstandsfähigkeit von etwa 1 × 10¹⁰ Ω/Sq bis etwa 1 × 10¹² Ω/Sq auf.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung im Übergangsbereich und der zweiten Grenzfläche innerhalb der Spanne von etwa 0,0762 mm (0,0003 inches) bis 0,1524 mm (0,0006 inches).
In einem Ausführungsbeispiel ist der Reibungskoeffizient der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,44.
In einem Ausführungsbeispiel weist die reibungsarme dielektrische Beschichtung ein metallisches Material auf.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaftbereich des Stiftelements mit mindestens einer anderen Beschichtung beschichtet, welche sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung unterscheidet.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Scheitel des Übergangsbereichs die Stelle des größten Kontaktdrucks während des Einsetzens des Kernstifts in die Hülse.
In einem Ausführungsbeispiel reduziert die dielektrische reibungsarme Beschichtung den Reibungskoeffizient zwischen dem Kernstift und der Hülse am Scheitel der Übergangszone und reduziert die zum Einbringen des Kernstifts in die Hülse notwendige Belastung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird auf die folgende detaillierte Beschreibung der exemplarischen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verwiesen, in welchen:
1 eine Seitenansicht des Kernstifts zeigt, welcher in einer Ausführungsform des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2A, B Schnittansichten von Ausführungsformen des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung in einer installierten Position unter möglicher Verwendung des Kernstifts wie in 1 dargestellt zeigen;
3A–C Darstellungen der Installationssequenz für einige Ausführungsbeispiele des Hülsenbefestigungselements der vorliegenden Erfindung zeigen;
4A, B Simulationen der Stromdichtenverteilung in einer Struktur zeigen, in denen ein Kernstift, der vollständig mit einer dielektrischen Beschichtung beschichtet ist, mit einem Kernstift, der nicht vollständig beschichtet ist, verglichen wird;
5 eine Teilschnittansicht des Einsetzens eines Presspassungsstifts in eine Hülsenbohrung zeigt;
6A, B Teilschnittansichten des Gewindebereichs von Ausführungsbeispielen des Stifts in der Hülsenbohrung wie in 5 dargestellt zeigen;
7A, B die hydrostatische Druckverteilung, welche in der Gewindeübergangszone während der Einführung in zwei unterschiedliche Bereiche der Bohrung in der Struktur verursacht wird, zeigen;
8A, B eine Schnittansicht des Hülsenbefestigungselements, welches gerade in die Strukturbohrung eingesetzt wird und eine Darstellung des Kontrollvolumens des Hülsenmaterials in Form eines Ringes, der eine Breite und eine Höhe aufweist, zeigen;
9 eine Sequenz der hydrostatischen Druckentwicklung in einem Hülsenvolumenkontrollring zeigt; und
10 einen Dehnungstensorplot des Hülsenmaterials zeigt, welches radial zusammengepresst und axial gestreckt wird.
Die dargestellten Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird im Allgemeinen großer Wert darauf gelegt, dass diese die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Ferner, mögen manche Merkmale übertrieben dargestellt sein, um die Einzelheiten der speziellen Komponenten zu veranschaulichen. Während die oben angegebenen Zeichnungen die vorliegenden offenbarten Ausführungsbeispiele darlegen, sind auch andere Ausführungsformen denkbar, wie in der Diskussion vermerkt. Diese Offenbarung präsentiert anschauliche Ausführungsbeispiele durch ihre nicht einschränkende Darstellungsweise. Zahlreiche andere Modifikationen und Ausführungsformen, welche von einem Fachmann hieraus entwickelt werden können, fallen in den Anwendungsbereich und den Geist der zugrundeliegenden Prinzipien der vorliegenden offenbarten Erfindung. Des Weiteren dienen jegliche in den Figuren dargestellten Maßeinheiten, Spezifizierungen und dergleichen zur Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend zu verstehen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Hierin sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; jedoch ist selbstverständlich, dass die offenbarten Ausführungsbeispiele der Erfindung lediglich der Veranschaulichung dienen, welche durch verschiedene Ausgestaltungen zum Ausdruck gebracht werden können. Zudem dient jedes der im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angegebene Beispiel der Veranschaulichung und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Demzufolge sind spezifische strukturelle und funktionale Details, welche hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Basis zur Lehre eines Fachmanns die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Hülsenbefestigungselement eingesetzt, um eine innige Verbindung zwischen Befestigungselement und Bohrung zu erhalten. In einem Beispiel beinhaltet dieser Lösungsansatz das Einsetzen einer in eine Bohrung einer Struktur eng anliegenden Hülse. Ein Presspassungsstift, allgemein bezeichnet als Kernstift, mit einem internen Durchmesser, welcher größer als der Innendurchmesser der Hülse ist, wird anschließend in die Hülse eingesetzt. Dadurch expandiert die Hülse, wodurch sie in einen engen Kontakt mit der Wand der Bohrung gebracht wird.
In einigen Ausführungsbeispielen, wie in 1 und 2A dargestellt, weist eine Hülsenbefestigungsanordnung 10 einen Kernstift 12 und eine Hülse 14 mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit zwischen der Hülse 14 und dem Schaftbereich 16 des Kernstifts 12 auf, welcher mit einer Struktur 18 korrespondiert, allerdings mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 auf anderen Bereichen des Kernstifts 12. Gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht 1 den Aufbau eines Kernstifts 12. In einem Ausführungsbeispiel hat der Schaftbereich 16 (auch bezeichnet als Zone 3) und ein Kopfbereich 22 (auch bezeichnet als Zone 4) des Kernstifts 12, welcher mit einer Struktur 18 korrespondiert, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit. Im Gegensatz dazu, wie in 2A dargestellt, sind in einem Ausführungsbeispiel ein Sicherungsbereich 24 des Kernstifts 12, welcher nicht mit der Struktur 18 korrespondiert (mit dem Sicherungsbereich 24 auch bezeichnet als Zone 1) und eine Übergangszone oder Bereich 26 (auch bezeichnet als Zone 2) jeweils mit einer reibungsarmen dielektrischen Beschichtung 20 beschichtet.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Ausdruck „reibungsarme dielektrische Beschichtung”, wie hierin verwendet, eine Beschichtung mit einer Oberflächenwidertandsfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10¹⁰ Ω/Sq bis etwa 1 × 10¹² Ω/Sq und einen Reibungskoeffizienten innerhalb der Spanne von etwa 0,25 bis etwa 0,44. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Ausdruck „reibungsarme dielektrische Beschichtung”, wie hierin verwendet, eine Beschichtung mit einer Oberflächenwiderstandsfähigkeit von etwa 1 × 10¹¹ Ω/Sq bis etwa 1 × 10¹² Ω/Sq und einen Reibungskoeffizienten innerhalb der Spanne von etwa 0,20 bis etwa 0,35. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Ausdruck „reibungsarme dielektrische Beschichtung”, wie hierin verwendet, eine Beschichtung mit einer Oberflächenwiderstandsfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 9 × 10¹⁰ Ω/Sq bis etwa 9 × 10¹² Ω/Sq und einen Reibungskoeffizienten innerhalb der Spanne von etwa 0,15 bis etwa 0,50. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Ausdruck „reibungsarme dielektrische Beschichtung”, wie hierin verwendet, eine Beschichtung mit einer Oberflächenwiderstandsfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10¹⁰ Ω/Sq bis etwa 1 × 10¹³ Ω/Sq und einem Reibungskoeffizienten innerhalb der Spanne von etwa 0,25 bis etwa 0,44.
In Bezug auf 1 und 2a, hat die Anordnung 10 des Befestigungselements in einigen Ausführungsbeispielen eine dielektrische reibungsarme Beschichtung 20 auf anderen Bereichen des Kernstifts 12. In einigen Ausführungsformen, beinhaltet der Ausdruck „ausreichende elektrische Leitfähigkeit, wie hierin verwendet, eine Oberflächenleitfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10^–5 Ωm bis etwa 1 × 10^–8 Ωm. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Ausdruck „ausreichende elektrische Leitfähigkeit”, wie hierin verwendet, eine Oberflächenleitfähigkeit innerhalb der Spanne von 1 × 10^–6 Ωm bis etwa 1 × 10^–8 Ωm. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Ausdruck „ausreichende elektrische Leitfähigkeit, wie hierin verwendet, eine Oberflächenleitfähigkeit innerhalb einer Spanne von etwa 1·10^–7 Ωm bis etwa 1·10^–8 Ωm. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Ausdruck „ausreichende elektrische Leitfähigkeit”, wie hierin verwendet, eine Oberflächenleitfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 9 × 10^–6 Ωm bis etwa 9 × 10^–8 Ωm.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Kernstift 12 einen Schaftbereich 16 und einen Kopfbereich 22 auf. In einem Ausführungsbeispiel im installierten Zustand (z. B. 2A), weisen der Schaftbereich 16 und der Kopfbereich 22, welche üblicherweise mit der Struktur 18 korrespondieren, welche aus den Werkstücken 18A und 18B hergestellt ist, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf. Im Gegensatz dazu sind in einigen Ausführungsbeispielen der Sicherungsbereich 24 des Kernstifts 12, welcher nicht mit der Struktur 18 korrespondiert (z. B. im Wesentlichen außerhalb der Struktur 18 positioniert), und die Übergangszone 26 des Stifts 12 jeweils mit einer reibungsarmen dielektrischen Beschichtung 20 beschichtet (wie beispielsweise in 2A dargestellt).
In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 10 des Befestigungselements zumindest teilweise aus Aluminium gefertigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 10 des Befestigungselements zumindest teilweise aus einer Stahllegierung gefertigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 10 des Befestigungselements zumindest teilweise aus korrosionsbeständigem Stahl gefertigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 10 des Befestigungselements zumindest teilweise aus Titan gefertigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 10 des Befestigungselements zumindest teilweise aus einem aus dem Stand der Technik bekanntem Material gefertigt.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die reibungsarme dielektrische Beschichtung 20 eine Aluminium pigmentierte auf Polymer basierende Beschichtung. In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Beschichtung 20 HI-KOTE^TM Luft- und Raumfahrtbeschichtungen, wie zum Beispiel HI-KOTE 1^TM, HI-KOTE 2^TM, oder HI-KOTE 4^TM, hergestellt von Hi-Shear Corporation US Torrance, California, deren Eigenschaften im Detail unter http://www.hi-shear.com/sastener_hi-kote.htm beschrieben sind, und durch Inbezugnahme hierin aufgenommen sind. In einem Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung 20 von einem anderen Hersteller bereitgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Oberflächenwiderstandsfähigkeit von etwa 1,7 × 10¹⁰ Ω/Sq auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Oberflächenwiderstandsfähigkeit innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10¹⁰ Ω/Sq bis etwa 1 × 10¹² Ω/Sq auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 einen Reibungskoeffizienten von 0,32 auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 einen Reibungskoeffizienten innerhalb der Spanne von etwa 0,25 bis etwa 0,44 auf.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Dicke innerhalb der Spanne von etwa 0,0762 mm (0,0003 inches) bis etwa 0,1524 mm (0,0006 inches) auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Dicke innerhalb der Spanne von etwa 0,0254 mm (0,0001 inches) bis etwa 0,254 mm (0,0010 inches) auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Dicke innerhalb der Spanne von etwa 0,0102 mm (0,0004 inches) bis etwa 0,0152 mm (0,0006 inches) auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung 20 eine Dicke innerhalb der Spanne von etwa 0,0076 mm (0,0003 inches) bis etwa 0,0203 mm (0,0008 inches) auf. In einem Ausführungsbeispiel wird der Reibungskoeffizient unter Verwendung von ASTM B-2670 gemessen, welches die Standardtestmethode zur Messung von Verschleißeigenschaften flüssiger Schmierstoffe (Falex Pin und Vee Block Method) ist, oder unter Verwendung eines beliebigen vergleichbaren Tests.
In einem Ausführungsbeispiel ist die reibungsarme dielektrische Beschichtung 20 auf die Bereiche 24, 26 des Kernstifts 12 aufgebracht, indem der blanke Metallschaftbereich 16 (welcher nicht beschichtet wird) abgedeckt wird und die Bereiche 24, 26 mit der Beschichtung 20 besprüht werden. In einem Ausführungsbeispiel wird der blanke Metallschaftbereich 16 abgedeckt oder innerhalb einer Struktur angeordnet, sodass die Bereiche 24, 26 für die Beschichtung exponiert bleiben.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaftbereich 16 des Kernstifts 12 mit Paraffinwachs beschichtet. In einem Ausführungsbeispiel wird die Paraffinwachsbeschichtung von dem Kernstift 12 entfernt, wenn der Kernstift 12 in die Hülse 14 eingesetzt wird. In einem Ausführungsbeispiel ist der Schaftbereich 16 des Kernstifts 12 mit einem Material, wie beispielsweise Gold oder Silber oder jeglichem anderen vergleichbaren Metall beschichtet, um die Leitfähigkeit des Schaftbereichs 14 zu verbessern.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 14 eine Beschichtung auf ihrer äußeren Oberfläche zur Verformung der Textur der Verbundstruktur auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung auf der äußeren Oberfläche der Hülse eine metallische Beschichtung auf. In einem Ausführungsbeispiel ist die metallische Beschichtung Silber. In einem Ausführungsbeispiel ist die metallische Beschichtung Nickel. In einem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 14 eine Beschichtung auf der inneren Oberfläche auf, um eine geringe Reibung hierin bereitzustellen, welche in U.S. Patent No. 7,695,226 , March et al., erteilt am 13. April 2010, beschrieben ist und dessen Offenbarungsgehalt in seiner Vollständigkeit durch Inbezugnahme hierin aufgenommen ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist während des Einsetzens des Kernstifts 12 in die Hülse 14, ein Scheitel 28 der Übergangszone 26 die Stelle des höchsten Kontaktdrucks. In dieser Position reduziert die dielektrische reibungsarme Beschichtung 20 den Reibungskoeffizienten zwischen dem Kernstift 12 und der Hülse 14 und reduziert die zum Einsetzen notwendige Belastung des Kernstifts 12 in die Hülse 14.
In einem Ausführungsbeispiel erhöht die dielektrische reibungsarme Beschichtung 20 auf den Bereichen 24, 26 des Kernstifts 12, welcher mit dem Verriegelungselement korrespondiert, beispielsweise eine Gewindemutter oder eine Manschette (z. B. Zone 1 und 2), auch den Spannungsabfall über die Grenzfläche des Kernstifts 12 und der Manschette oder der Mutter. Während der Schaftbereich 14 und der Kopfbereich 22 des Kernstifts 12 (z. B. Zone 3 und 4) den Stromfluss über den Bereich des Kernstifts 12, welcher mit der Struktur 18 korrespondiert, erleichtert. Diese Konfiguration kontrolliert gewissermaßen die Bahn des Stromflusses über den Schaftbereich 16 der Anordnung 10 des Befestigungselements in die Struktur 18, anstatt in Richtung des Sicherungselements 30.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements ein Hülsenbefestigungselement mit gradem Schaft auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements eine Nietbolzenvariante mit einer gesenkgeschmiedeten Gegenmanschette auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements eine Gewindestiftvariante mit einer Gegenmutter auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements einen Gewindestift mit einer zerbrechlichen Gegenmanschette auf. In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements eine Hybridvariante auf, welche mit einer gesenkgeschmiedeten Gegenmanschette oder einer Gewindemutter installiert werden kann. In einem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 10 des Befestigungselements ein Hülsenbefestigungselement mit einem sich verjüngenden Schaft auf.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel weist der Kernstift 12 einen verlängerten glatten zylindrischen Schaftbereich 16 und einen vergrößerten Kopfbereich 22 zur Paarung mit der Hülse 14 auf. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Kopfbereich 22 ein Kegelsenker oder hervorstehender Kopf zum Eingriff mit einem aufgebördelten Ende der Hülse 14.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Hülse 14, welche ausgelegt ist, um über den glatten zylindrischen Schaftbereich 16 zu passen, einem rohrförmigen Bereich und ein vergrößertes Ende zum Eingriff mit der äußeren Oberfläche der Struktur 18 auf. In einigen Ausführungsformen, gibt es ein aufgebördeltes Ende zum Eingriff mit dem Kegelsenkerbereich der Struktur 18. In einem Ausführungsbeispiel hat die Hülse 14 eine größere Länge als die maximale Gesamtdicke der Struktur 18, welche an der Stelle der zueinander ausgerichteten Bohrungen zu verbinden ist. In einem Ausführungsbeispiel hat der rohrförmige Abschnitt der Hülse 14 einen geringeren Innendurchmesser als den Durchmesser des glatten zylindrischen Schaftbereichs 16 und einen für eine Passung eingestellten Außendurchmesser der Hülse 14 in die zueinander ausgerichteten freien Bohrungen der Werkstücke in der Struktur 18.
In einem Aspekt eines Ausführungsbeispiels, hat der Kernstift 12 einen glatten zylindrischen Schaftbereich 16 mit einem Durchmesser größer als der maximale Innendurchmesser der Hülse 14. Wenn der glatte zylindrische Schaftbereich 16 in die Hülse 14 eintritt und durchgezogen wird, expandiert die Hülse 14 radial, um eine Presspassung mit den Wandungen der Bohrungen in den Werkstücken 18A, 18B auszubilden.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung 10 des Befestigungselements in einem Luftfahrzeug verwendet werden, wie beispielsweise in einem kommerziellen oder privaten Luftfahrzeug. In einem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung 10 des Befestigungselements in Verbindung mit anderen Arten von Strukturkomponenten verwendet werden.
Zurückverweisend auf 2A, zeigt diese eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt durch die Anordnung 10 des Befestigungselements in installierter Position. In einem Ausführungsbeispiel ist der Bereich des Kernstifts 12, welcher mit der Struktur 18 korrespondiert, nicht mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung beschichtet, während der Bereich des Kernstifts 12, welcher nicht mit der Struktur 18 korrespondiert, selektiv mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 beschichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel stellt der Bereich des Kernstifts 12, welcher nicht mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 ist (z. B. der blanke Metallschaftbereich 16), einen direkten blanken Metall-Metallkontakt zwischen der Hülse 14 und dem Kernstift 12 dar. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Ausdruck „blankes Metall” eine metallische Oberfläche, welche im Wesentlichen keine Beschichtung oder eine metallische Oberfläche mit einer metallischen Beschichtung, welche keine reibungsarme dielektrische Beschichtung aufweist. In einigen Ausführungsbeispielen reduziert dieser direkte blanke Metallkontakt den elektrischen Widerstand und die Stromdichte entlang der Hülse/Stift-Grenzfläche, indem die Stromverteilung entlang der gesamten Kontaktfläche begünstigt wird, während die Präsenz der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 zwischen dem Sicherungsbereich des Kernstifts 12 und dem Sicherungselement 30 den elektrischen Widerstand über diese Grenzfläche in hohem Maße erhöht, was den Fluss des elektrischen Stroms verhindert. Dies führt zu einem Unterschied der elektrischen Widerstände zwischen dem blanken Metallschaftbereich 16 des Kernstifts 12 und den Bereichen 24, 26 des Kernstifts 12, welche mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 beschichtet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Leitfähigkeit des blanken Metallschaftbereichs 16 des Kernstifts 12 innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10^–5 Ωm bis etwa 1 × 10^–8 Ωm, während der Widerstand der Bereiche 24, 26 des Kernstifts 12, welche mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung beschichtet sind innerhalb der Spanne von etwa 1 × 10¹⁰ Ωm bis etwa 1 × 10¹⁵ Ωm liegt. In einem Ausführungsbeispiel wird die Leitfähigkeit des blanken Metallschaftbereichs 16 des Kernstifts 12 unter Verwendung von ASTM E1004-09 gemessen, welche die Standardtestmethode zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit unter Verwendung der elektromagnetischen (Wirbelstrom) Methode ist, oder unter Verwendung eines beliebigen vergleichbaren Tests. In einem Ausführungsbeispiel ist der Widerstand der Bereiche 24, 26 des Kernstifts 12, welche mit der dielektrischen reibungsarmen Beschichtung beschichtet sind unter Verwendung von ASTM F-150 bestimmt, welches die Standardtestmethode zur Bestimmung des elektrischen Widerstands von leitfähigen elastischen Bodenbelägen ist, oder unter Verwendung eines beliebigen anderen vergleichbaren Tests.
Mit der besagten selektiven Beschichtungsanwendung wird der Großteil des Blitzeinschlagstroms im blanken Metallschaftbereich 16 des Kernstifts 12 gehalten.
Der elektrische Strom wird dann auf natürliche Weise auf dem Weg des geringsten Widerstands fließen und in die Struktur 18 über den Schaftbereich 16 der Anordnung 10 des Befestigungselements, welcher nicht beschichtet ist, abfließen, da dieser Bereich im Wesentlichen einen geringeren Widerstand hat.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Struktur 18 aus mehreren Werkstücken bestehen, z. B. aus mehr als den zwei Werkstücken 18A, 18B. In einigen Ausführungsformen, können die Werkstücke 18A, 18B aus demselben Material hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen, können die Werkstücke 18A, 18B aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
In einer weiteren Ausführungsform, hat die Anordnung 10 des Befestigungselements, wie hierin offenbart, die Fähigkeit in eine Verbund-, metallische, oder Verbund/metallische Struktur installiert zu sein. Zum Beispiel könnte die Anordnung 10 des Befestigungselements in einem Graphitverbund, Titan, Aluminium, oder einer Mischung dieser Komponenten installiert sein.
Zum Beispiel können Verbund und/oder Metall-Verbundmaterialien beinhalten:

1) faserverstärkte Polymere oder FRPs, welche Holz enthalten (bestehend aus Zellulosefasern in einer Lignin- und Hemizellulosematrix), einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder CFRP, und glasverstärkte Kunststoffe oder GRP;
2) thermoplastische Verbundwerkstoffe, kurzfaser-thermoplastische Kunststoffe, langfaser-thermoplastische Kunststoffe oder langfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe (thermoset Verbundwerkstoffe, welche Aramidfasern und Carbonfasern in einer Epoxidharzmatrix enthalten);
3) Formgedächtnis-Polymer-Verbundwerkstoffe, welche Hochleistungsverbundwerkstoffe sind, welche unter Verwendung von Faser- oder Gewebeverstärkung und Formgedächtnis-Polymerharz für die Matrix formuliert werden (Formgedächtnis-Verbundwerkstoffe haben typischerweise die Fähigkeit, auf einfache Weise in verschiedene Konfigurationen manipuliert werden zu können, wenn sie oberhalb ihrer Aktivierungstemperatur erhitzt werden und weisen bei geringeren Temperaturen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf; sie können auch mehrmals wieder erhitzt und wieder verformt werden, ohne ihre Materialeigenschaften zu verlieren);
4) Verbundwerkstoffe, welche Metallfasern zur Verstärkung oder andere Metalle enthalten, wie in Metallmatrixverbundwerkstoffen oder MMC;
5) thermoplastische Verbundmaterialien, welche mit speziellen Metallpulvern formuliert sind ergeben Materialien mit einer Dichte in der Spanne von 2 g/cm³ bis 11 g/cm³ (selbe Dichte wie Blei) (z. B. High Gravity Compounds (HGC)); und
6) technisiertes Holz, wie zum Beispiel Sperrholz, OSB-Flachpressplatten, Holz-Kunstoff-Verbundwerkstoffe (wiederverwertete Holzfasern in einer Polyethylenmatrix), Pykrete (Sägespäne in einer Eismatrix), kunstoffimprägniertes oder laminiertes Papier oder Textilien, Arborite, Formics (plastic) und Micarta; andere technisierte Laminatverbundwerkstoffe, wie z. B. Mallite, unter Verwendung eines zentralen Kerns aus Balsahirnholz, verbunden mit den Oberflächenschichten von Leichtmetalllegierungen.

In einigen Ausführungsbeispielen kann die Anordnung 10 des Befestigungselements angewendet werden, um Strukturen in zahlreichen repräsentativen Anwendungen zu verbinden, einschließlich, jedoch nicht beschränkend:

1) Hochleistungsprodukte, welche leichtgewichtig sein müssen, dennoch ausreichend stabil, um hohen Belastungsbedingungen standzuhalten (z. B. Luft- und Raumfahrtkomponenten (Rumpfenden, Tragflächen, Rumpfwerke, Propeller), Boots- und Schiffsrümpfe, Fahrradrahmen und Rennautokarosserien);
2) Trägerraketen und Raumfahrzeuge (basierend auf Carbonverbundswerkstoffe);
3) Solarkollektorsubstrate, Antennenreflektoren und Bügel von Raumfahrzeugen;
4) Vollverbund-Militär-Hochmobilitäts-Mehrzweck Fahrzeug (HMMWV oder Hummvee); und
5) militärische Transportbehälter, hergestellt aus Carbonverbundwerkstoffen und Kevlar.

In einigen Ausführungsbeispielen ist die reibungsarme dielektrische Beschichtung selektiv auf bestimmte Bereiche des Kernstifts 12 aufgetragen, bevor die Anordnung 10 des Befestigungselements installiert wird, um das Ergebnis der selektiven Leitfähigkeit zwischen den Bereichen der Anordnung 10 des Befestigungselements im installierten Zustand zu erhalten. In einigen Ausführungsbeispielen sind die reibungsarme dielektrische Beschichtung und eine andere Beschichtung (z. B. Wachs oder ähnliche Beschichtungen) selektiv auf bestimmte Bereiche des Kernstifts 12 aufgebracht, bevor die Anordnung 10 des Befestigungselements installiert wird, um das Ergebnis der selektiven Leitfähigkeit zwischen den Bereichen der Anordnung 10 des Befestigungselements in der installierten Position zu erhalten. In einigen Ausführungsbeispielen ist die reibungsarme dielektrische Beschichtung selektiv auf bestimmte Bereiche des Kernstifts 12 aufgetragen, nachdem das Befestigungselement installiert ist, um das Ergebnis der selektiven Leitfähigkeit zwischen den Bereichen der Anordnung 10 des Befestigungselements in der installierten Position zu erhalten. In einigen Ausführungsbeispielen ist die reibungsarme dielektrische Beschichtung selektiv auf bestimmte Bereiche des Kernstifts 12 aufgebracht, bevor oder nachdem die Anordnung 10 des Befestigungselements installiert wird und/oder auf eine innere Oberfläche des Sicherungselements 30, um das Ergebnis der selektiven Leitfähigkeit zwischen den Bereichen der Anordnung 10 des Befestigungselements im installierten Zustand zu erhalten.
2B veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel des installierten Kernstifts 12 aus den 1 und 2A. Der Hauptunterschied zwischen den Ausführungsformen in den 2A und 2B bezieht sich auf den Übergangsbereich 26 und 26'. Im Ausführungsbeispiel der 2A, verjüngt sich der Übergangsbereich 26 vom Scheitel 28 zum Sicherungsbereich 24. Im Ausführungsbeispiel von 2A beginnt der Übergangsbereich 26' am Scheitel 28' und beginnt sich von Position 32' tatsächlich zu verjüngen, während der Bereich der Übergangszone 26' zwischen dem Scheitel 28' und der Position 32' dieselbe Form wie der Schaftbereich 16' des Kernstifts 12' aufweist. Wie oben im Detail beschrieben, sind in beiden Ausführungsformen alle Bereiche der Übergangszonen 26 und 26' mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 20 und 20' beschichtet, bevor die Kernstifte 12 und 12' installiert werden.
3A–3C zeigen die Installationssequenz für einige Ausführungsbeispiele des Hülsenbefestigungselements der vorliegenden Erfindung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein enger elektrischer Kontakt zwischen der Hülse und der Presspassung des Kernstifts gebildet, um den internen Lichtbogenüberschlag zwischen den beiden abzuschwächen. Wie in 3A–3C dargestellt, weist eine Anordnung 110 des Hülsen-Befestigungselementes einen Kernstift 112 und eine Hülse 114 mit einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Hülse 114 und dem Schaftbereich 116 des Kernstifts 112 auf, welcher mit der Struktur 118 korrespondiert, die durch die Werkstücke 118A und 118 gebildet wird.
In einigen Ausführungsbeispielen sind die Werkstücke 118A und 118B aus demselben Material gefertigt. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Werkstücke 118A und 118B aus verschiedenen Materialien gefertigt. In einigen Ausführungsbeispielen ist mindestens eines der Werkstücke 118A und 118B aus einem Verbundmaterial gefertigt. In einigen Ausführungsbeispielen ist mindestens eines der Werkstücke 118A und 118B aus einem metallischen Material gefertigt. In einigen Ausführungsbeispielen ist mindestens eines der Werkstücke 118A und 118B aus einem metallischen Verbundmaterial gefertigt.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Bereich des Kernstifts 112, welcher mit der Struktur 118 korrespondiert nicht mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 120 beschichtet, während der Sicherungsbereich 124 des Kernstifts 112, welcher nicht mit der Struktur 118 korrespondiert selektiv mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung 120 beschichtet ist.
Der Kernstift 112 weist ebenfalls einen Sicherungsbereich 124 und einen zerbrechlichen Bereich 123 auf, welche mit dem glatten zylindrischen Schaftbereich 116 axial ausgerichtet sind. Der zerbrechliche Bereich 123 weist einen Ziehnutbereich 125 auf, welcher umlaufende Ziehnuten 127 aufweist, welche ausgelegt sind, um die aufgewendete relative axiale Kraft abzugreifen, um den Kernstift 112 in die Hülse 114 zu ziehen. Der Kernstift 112 weist eine Abbruchnut 129 zwischen dem Sicherungsbereich 124 und dem zerbrechlichen Bereich 123 auf. Wenn die Anordnung 110 des Befestigungselements installiert ist, wird der zerbrechliche Bereich 123 von der Abbruchnut 129 getrennt.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Anordnung 110 des Befestigungselements ferner eine Hülse 114 und ein Klemmmittel zur Sicherung der beiden Werkstücke auf. Das Klemmmittel kann ein Sicherungselement 130, wie zum Beispiel eine Manschette oder Mutterelement oder ein beliebiges anderes Mittel zur Befestigung der Werkstücke geeignetes mit dem Kernstift 112 und der Hülse 114 aufweisen. Die Anordnung 110 des Befestigungselements ist in zwei oder mehreren sich in den Werkstücken 118A, 118B zueinander ausgerichteten befindlichen Bohrungen installiert. In einigen Ausführungsbeispielen weist eine der Bohrungen durch die Werkstücke 118A, 118B einen Kegelsenker oder einen Einführungsradius an ihrer äußeren Öffnung auf.
In einem anschaulichen Beispiel ist das Sicherungselement 130 eine Manschette, welches ausgelegt ist, um über den Sicherungsbereich 124 des Kernstifts 112 zu passen. Die Manschette 130 weist einen Senker auf, um die Manschette 130 zu befähigen, einen Freiraum über der Hülse 114 bereitzustellen, und einen ringförmigen Flanschbereich an einem Ende für den Eingriff mit der anderen äußeren Oberfläche des Werkstücks 118B. Die Manschette 130 weist einen vergrößerten zylindrischen Schaftbereich auf, welcher einen gleichmäßigen Außendurchmesser aufweist, welcher ausgelegt ist, um in den Sicherungsbereich 124 des Kernstifts 112 abgesenkt zu werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Sicherungselement 130 ein Mutterelement, welches ausgelegt ist, um in den Sicherungsbereich 124 des Kernstifts 112 einzugreifen. Im Besonderen, weist das Mutterelement 130 eine Senkbohrung auf, um das Mutterelement 130 zu befähigen, einen Freiraum über der Hülse 114 bereitzustellen, und einen ringförmigen Flanschbereich an einem Ende für den Eingriff mit der anderen äußeren Oberfläche des Werkstücks 18B. Das Mutterelement 130 weist einen Gewindeabschnitt auf, welcher auf den Sicherungsbereich 124 des Kernstifts 112 geschnitten ist, um die Anordnung 110 des Befestigungselements mit den Werkstücken 118A und 118B zu befestigen.
4A und 4B zeigen Simulationen der Stromdichtenverteilung in der Struktur (18, 118) in welchen ein Kernstift (12, 112) der im Wesentlichen vollständig mit einer dielektrischen Beschichtung beschichtet ist, mit einem Kernstift (12, 112), welcher im Wesentlichen nicht vollständig beschichtet (z. B. selektiv beschichtet wie oben beschrieben) ist, verglichen wird. Wie in den 4A und 4B zu sehen ist, wird der Großteil des Stroms im Fall des im Wesentlichen unbeschichteten (selektivbeschichteten) Stifts (12, 112) innerhalb weniger als etwa einer Mikrosekunde abgeleitet, wohingegen fast keine Stromableitung mit dem im Wesentlichen vollständig beschichteten Stift (12, 112) auftritt.
Zum Beispiel, in Bezug auf 4A, zeigt diese einem Bereich 427 der Struktur (18, 118), welche mit dem Schaftbereich des Stifts des Befestigungselements korrespondiert, welcher nicht selektiv mit einer dielektrischen reibungsarmen Beschichtung in dem Übergangs- und Sicherungsbereich des Stifts beschichtet ist. Die gemessene Stromdichte des Bereichs 427 ist zwischen etwa 6 bis 8,2 Einheiten auf der Stromdichtemessskala (d. h. im Wesentlichen gibt es keinen Stromtransfer in die Struktur). In einem anderen Beispiel, in Bezug auf 4B, zeigt diese einen Bereich 429 der Struktur (18, 118), welche dem Schaftbereich (16, 116) des Kernstifts (12, 112) mit der Anordnung (10, 110) des Befestigungselements korrespondiert, welche selektiv mit einer dielektrische reibungsarmen Beschichtung im Übergangsbereich (26, 126) und dem Sicherungsbereich (24, 124) des Stifts beschichtet ist. Die gemessene Stromdichte des Bereichs 429 liegt fast vollständig unterhalb 4 Einheiten auf der Stromdichtenmessskala (d. h. im Wesentlichen gibt es keinen Stromtransfer in die Struktur).
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Einsetzen eines Presspassungsstifts in einer Hülsenbohrung, wie in 5 gezeigt, als Formgebungs-/Extrusionsprozess betrachtet werden, wobei der Kernstift (12) als Durchtreiber wirkt, eine Bohrung der Struktur (18) als Ausformwerkzeug wirkt, und das Hülsenmaterial (14) zwischen den beiden komprimiert wird.
In einigen Ausführungsbeispielen, wie in den Ausführungsbeispielen in den 6A und 6B dargestellt, hat der Sicherungsbereich (24, 24', 124) während des Einsetzungsprozesses keine Auswirkung auf die Hülse (14, 14', 114) und spielt demzufolge für deren Expansion keine Rolle. Wenn der Kernstift (12, 12', 112) weiter eingesetzt wird, ist die Übergangszone (26, 26', 126) die erste Stiftzone, welche sich auf die Hülse (14, 14', 114) auswirkt. Diese Beeinflussung führt zu einer radialen Verdrängung der Hülse (14, 14', 114), welche eine Kompression gegen die Bohrungswandungen der Struktur (18, 18', 118) bewirkt. In einigen Ausführungsbeispielen ist sie, sobald der Schaftbereich (16, 16', 116) des Kernstifts (12, 12', 112) mit der Hülse (14, 14', 114) in Kontakt tritt, lediglich einem Rückfederungssystem ausgesetzt, da die Hülse (14, 14', 114) sich bereits vollständig an die Struktur (18, 18', 118) angepasst hat. In einigen Ausführungsbeispielen bestimmt der Rückfederungsdruck auf den Schaft (16, 16', 116) in Verbindung mit dem Reibungskoeffizienten der Grenzfläche im Bereich des Kontakts die gesamte Kraft, die für das Einsetzen notwendig ist. In einigen Ausführungsbeispielen spielt die Übergangszone (26, 26', 126) eine sehr wichtige Rolle in der Expansion der Hülse (14, 14', 114). In einigen Ausführungsbeispielen kann die Konfiguration der Übergangszone (26, 26', 126) sowohl die mechanischen Eigenschaften des Befestigungssystems als auch die Güte des Blitzeinschlags beeinflussen. Wenn die Übergangszone (26, 26', 126) das Material der Hülse (14, 14', 114) nach außen gegen die Wandungen der Bohrungen in der Struktur (18, 18', 118) drückt, begünstigt der erzeugte Druck eine radiale Expansion der Bohrung, eine Kompression des Kernstifts (12, 12', 112) und eine Reduktion der Dicke der Hülse (14, 14', 114). In einem Beispiel kann der während des Installationsprozesses erzeugte Druck auch eine axiale (z. B. nach außen gerichtete, entlang der Bewegungsrichtung des Stifts) Expansion der Hülse (14, 14', 114) begünstigen, da ein Teil ihres Materials während des Installationsprozesses nach vorne extrudiert wird.
7A zeigt einige Beispiele einer Sequenz der hydrostatischen Druckverteilung, hervorgerufen durch den Durchgang der Übergangszone (26, 26', 126) des Kernstifts (12, 12', 112) in zwei verschieden Bereiche der Bohrungen der Struktur (18, 18', 118), wie in 7B dargestellt. In 7A und 7B, ist die Fläche A die Fläche, welche näher am Kragen 25 der Hülse (14, 14', 114) liegt. In den 7A und 7B, ist die Fläche B die Fläche, welche sich in etwa auf halbem Weg in der Struktur (18, 18', 118) befindet. 7A zeigt, dass ein höherer Druck auftritt, wenn die Fläche eines größeren Durchmessers in der Stiftgewindeübergangszone das Material der Hülse (14, 14', 114) gegen die Struktur (18, 18', 118) presst und drückt. In einigen Ausführungsbeispielen bleibt die Größenordnung des maximalen Drucks während des gesamten Einsetzungsprozesses konstant.
8A zeigt ein Beispiel des Querschnitts von einer Anordnung (10, 10', 110) des Hülsenbefestigungselements mit einem Kernstift (12, 12', 112) und einer Hülse (14, 14', 114), welche gerade in eine Bohrung der Struktur (18, 18', 118) eingesetzt wird. 8B zeigt einen Bereich des Kernstifts (12, 12', 112), einen Bereich der Bohrungswand der Struktur (18, 18', 118) und einen Bereich der Hülse (14, 14', 114), welche durch ein Quadrat (31) repräsentiert werden, welches das ringförmige Kontrollvolumen des Hülsenmaterials darstellt, das 0.2540 mm (0.0100 inches) breit und 0.2540 mm (0.100 inches) hoch ist.
In einigen Ausführungsbeispielen ist zu erkennen, dass, wenn man der Verschiebung dieses Rings folgt und die hydrostatische Druckentwicklung während des Einsetzungsprozesses evaluiert, dass, sobald das Kontrollvolumen zwischen der Stiftgewindeübergangszone und der Struktur „eingeklemmt” ist, der hydrostatische Druck signifikant ansteigt. In diesem Zustand wird das Hülsenmaterial radial komprimiert und axial gestreckt. Dem Weg des geringsten Widerstands folgend, wird der Großteil des Hülsenvolumens, das radial verdrängt wird, dann nach vorne extrudiert, wie im Dehnungstensorplot in 10 gezeigt ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist (oder muss) die Gewindeübergangszone derartig konfiguriert, dass das Ausmaß der radialen Expansion, welche auf die Bohrung wirkt, maximiert wird, während die nach vorne gerichtete Extrusion der Hülse minimiert wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Gewindeübergangszone während des Einsetzens die Eigenschaft, den Überschuss an Dichtmittel, welches zwischen dem Hülsenaußendurchmesser und dem Bohrungsinnendurchmesser eingeschlossen ist, auszustoßen. Versuchsdaten haben gezeigt, dass das übermäßige Vorhandensein von Dichtmitteln zwischen der Hülse und der Struktur im Prinzip einen Lichtbogenschlag in diesem Bereich während eines Blitzschlagereignises verursacht. In einem Beispiel kann die Konfiguration der Gewindeübergangszone eine maximale Beseitigung des Dichtmittels während des Einsetzungsprozesses begünstigen.
Selbstverständlich hat die Anordnung des Befestigungselements, wie hierin beschrieben, lediglich beispielhaften Charakter, und eine fachkundige Person kann vielseitige Variationen und Modifikationen vornehmen, ohne sich von der Gesamtheit des Geistes und des Anwendungsbereichs der hierin beschriebenen Ausführungsformen zu entfernen. Zum Beispiel kann jeder Schritt in beliebig gewünschter Reihenfolge durchgeführt werden (und jeder gewünschte Schritt kann hinzugefügt und/oder jeder gewünschte Schritt kann entfernt werden). Dementsprechend sind all solche Variationen und Modifikationen bestimmungsgemäß im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7695226 [0044]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.hi-shear.com/sastener_hi-kote.htm [0040]
ASTM B-2670 [0041]
ASTM E1004-09 [0052]
ASTM F-150 [0052]

Claims

Hülsenbefestigungselement mit Presspassung ausgelegt zur Installation in zueinander ausgerichteten Bohrungen durch zwei oder mehrere Werkstücke, wobei das Hülsenbefestigungselement Folgendes aufweist: a) eine Hülse (14, 14', 114) mit einem Kopf an einem Ende und einem rohrförmigen Bereich, wobei der rohrförmige Bereich einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Außendurchmesser des rohrförmigen Bereichs geringer ist als der Innendurchmesser jeder sich in den Werkstücken (18A, 18B, 118) befindlichen Bohrungen; b) ein Stiftelement (12, 12', 112) mit einem Stiftkopf (22) an einem Ende, einem Sicherungsbereich (24) am gegenüberliegenden Ende und einem Schaftbereich (16) zwischen dem Stiftkopf (22) und dem Sicherungsbereich (24), wobei der Schaftbereich (16, 16', 116) unterhalb des Stiftkopfes (22) angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als den Innendurchmesser des rohrförmigen Bereichs der Hülse (14, 14', 114) aufweist, und wobei das Stiftelement (12, 12', 112) eine Übergangszone (2, 26, 26', 126) zwischen dem Schaftbereich (16, 16', 116) und dem Sicherungsbereich (24, 24', 124) aufweist, und c) ein Sicherungselement (30, 130), welches ausgelegt ist, mit dem Sicherungsbereich (24, 24', 124) des Stiftelementes (12, 12', 112) einen Eingriff auszubilden; d) wobei die Hülse (14, 14', 114) ausgelegt ist, sich radial im Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) aufzuweiten, um eine Presspassung zwischen dem Außendurchmesser der Hülse (14, 14', 114) und den zueinander ausgerichteten Bohrungen durch die Werkstücke (18A, 18B, 118) derart auszubilden, dass eine installierte Position des Hülsenbefestigungselements bereitgestellt wird; e) wobei in der installierten Position des Hülsenbefestigungselements die Übergangszone (2, 26, 26', 126) des Stiftelements (12, 12', 112) und die Grenzfläche zwischen dem Sicherungsbereich (24, 24', 124) des Stiftelements (12, 12', 112) und dem Sicherungselement (30, 130) mit einer reibungsarmen dielektrischen Beschichtung (20, 120) beschichtet sind, und wobei in der installierten Position des Hülsenbefestigungselements die Übergangszone (2, 26, 26', 126) und der Sicherungsbereich (24, 24', 124) des Stiftelements (12, 12', 112) über die Werkstücke (18A, 18B, 118) herausragen; und f) wobei in der installierten Position des Hülsenbefestigungselements eine Grenzfläche zwischen dem Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) und der Innenfläche des rohrförmigen Bereichs der Hülse (14, 14', 114) frei von der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung (20, 120) ist, und wobei in der installierten Position des Hülsenbefestigungselements der Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) auf den Bereich der zueinander ausgerichteten Bohrungen der Werkstücke (18A, 18B, 118) beschränkt ist.
Hülsenbefestigungselement nach Anspruch 1, wobei das Stiftelement (12, 12', 112) und die Hülse (14, 14', 114) ausreichend aneinander angepasst sind, um Folgendes zu erzielen: (i) einen Reibungskoeffizient zwischen der Schaftkontaktfläche der Innenfläche der Hülse (14, 14', 114) und des Schaftbereichs (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) mit X, (ii) einen Reibungskoeffizient zwischen der Oberfläche des äußeren Durchmessers der Hülse (14, 14', 114) und des Innendurchmessers der Bohrungen der Werkstücke (18A, 18B, 118) mit Y, und (iii) wobei X konsistent geringer gehalten wird als Y, wenn der Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) innerhalb der Hülse (14, 14', 114) bewegt wird.
Hülsenbefestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sicherungselement (30, 130) eine Manschette ist.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sicherungselement (30, 130) einen Senkbohrungsbereich aufweist, wobei der Senkbohrungsbereich ausgelegt ist, um über den Sicherungsbereich (24, 24', 124) des Stiftelements (12, 12', 112) zu passen und die Hülse (14, 14', 114) ringsherum des Stiftelements (12, 12', 112) zu komprimieren.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Presspassung des Befestigungselements mit den Werkstücken (18A, 18B, 118) etwa 0,0127 mm (0,0005 inches) bis 0,2540 mm (0,0100 inches) beträgt.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) zylindrisch ist.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes der Werkstücke (18A, 18B) eine metallische Verbundstruktur aufweist.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Befestigungselement mindestens aus einem Material der Gruppe Aluminium, Titan und Stahl besteht.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die reibungsarme dielektrische Beschichtung (20, 120) eine Oberflächenwiderstandsfähigkeit von etwa 1 × 10¹⁰ Ω/sq bis etwa 1 × 10¹² Ω/sq aufweist.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dicke der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung (20, 120) in der Übergangszone (2, 26, 26', 126) und in der Grenzfläche zwischen dem Sicherungsbereich (24, 24', 124) des Stiftelements (12, 12', 112) und dem Sicherungselement (30, 130) in einem Bereich von etwa 0,0762 mm (0,0003 inches) bis 0,1524 mm (0,0006 inches) liegt.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Reibungskoeffizient der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung (20, 120) in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,44 liegt.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die reibungsarme dielektrische Beschichtung (20, 120) aus einem metallischen Material besteht.
Hülsenbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schaftbereich (16, 16', 116) des Stiftelements (12, 12', 112) mit mindestens einer anderen Beschichtung beschichtet ist, welche sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von der reibungsarmen dielektrischen Beschichtung (20, 120) unterscheidet.