DE68921484T2 - Senkkopf-befestigungselement. - Google Patents
Senkkopf-befestigungselement.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der Befestigungselemente und betrifft insbesondere Senkkopf-Befestigungselemente, welche in die Außenkontur eines Fahrzeugs, z.B. die aerodynamischen Oberflächen eines Flugzeugs, eingepaßt werden können.
- Senkkopf-Befestigungselemente werden dann verwendet, wenn Oberflächen glatt und frei von Vorsprüngen sein müssen, z.B. die aerodynamischen Oberflächen eines Flugzeugs; bei denen zur Verringerung von Luftwiderstand beinahe ausschließlich Senkkopf-Befestigungselemente verwendet werden. Das Befestigungsloch ist mit einem Gesamtöffnungswinkel von ungefähr 100 Grad für Metalle und 130 Grad für Verbundwerkstoffe versenkt, wobei der gesamte Unterkopföffnungswinkel des Befestigungselements diesem annähernd gleich ist. Um eine glatte aerodynamische Kontur zu erzielen, wird der gesamte Versenkungsdurchmesser üblicherweise etwas größer gemacht als der Durchmesser des Befestigungselementkopfs, so daß die obere Oberfläche des Befestigungskopfs im Einbauzustand unterhalb der aerodynamischen Oberfläche liegt. Dies ist auch deswegen notwendig, weil das Befestigungselement beim Übergang von der oberen Oberfläche des Kopfs zur Kopfunterfläche normalerweise eine kleine zylindrische Fase umfaßt, um scharfe Kanten auszuschließen, welche andernfalls an diesem Übergang vorhanden wären. Nach dem Einbau verbleibt üblicherweise ein kleiner versenkter Ring um den Befestigungselementkopf. Falls das Befestigungselement an einer gekrümmten Oberfläche eingebaut ist, weist das versenkte Loch selbstverständlich eine elliptische Form auf, wodurch der Spalt um den Befestigungselementkopf ungleichförmig wird. Diese Art von Spalt wird gemeinhin mit "Augenbrauen" ("eyebrows") bezeichnet. Eine weitere Oberflächendiskontinuität ist die typische innere Verdrehungsaussparung im Befestigungselementkopf, d.h. Kreuzschlitz, Schlitz, Drei-Flügel (Tri-Wing), Innensechskant, usw.. Falls es also notwendig ist, eine absolut glatte aerodynamische Oberfläche zu haben, oder dann, wenn elektrische Diskontinuitäten nicht tolerierbar sind, müssen die Aussparung und der freiliegende Bereich der Versenkungsloch-"Augenbrauen" überdeckt werden.
- Typischerweise werden Kitte verwendet; leitfähige Kitte, falls eine elektrische Kontinuität erforderlich ist. Eine weitere Methode besteht darin, Abdeckungen zu verwenden, welche an dem Befestigungselementkopf angebracht sind oder mittels eines Vorsprungs an der Kappe gehalten werden, welche in die innere Verdrehungsaussparung in dem Befestigungselementkopf hineingeklemmt ist. Keine dieser Methoden garantiert eine glatte Außenkontur, wobei Spalte und Diskontinuitäten, obwohl sie in ihrer Größe verringert sind, selbstverständlich immer vorhanden sind.
- Die innere Verdrehungsaussparung kann beseitigt werden, falls das Befestigungselement vom Schaftende aus angezogen werden kann. Die innere Verdrehungsaussparung kann z.B. an dem Gewindeende des Befestigungselements vorgesehen werden. Bei vielen Anwendungen jedoch ist der Zugang zu dem entgegengesetzten Ende des Befestigungselements eingeschränkt, wodurch diese Lösung nicht oft durchführbar ist. Eine weitere Vorgehensweise besteht darin, lösbare (zerbrechbare), an dem Kopf des Befestigungselements angebrachte, äußere Anziehflächen zu verwenden, welche dazu ausgelegt sind, nach Erreichen des geeigneten Drehmomentniveaus abzubrechen. Ein derartiges Befestigungselement weist mehrere Nachteile auf: Es gibt keine Möglichkeit es zu entfernen, außer mit Hilfe eines Leicht-Heraus-Werkzeugs (easy out) (erfordert ein Bohren in den Befestigungselementkopf selbst), und eine rauhe äußere Kopfoberfläche verbleibt. Derartige Befestigungselemente werden deshalb an äußeren aerodynamischen Oberflächen nicht verwendet.
- Ein weiteres Problem tritt dann auf, wenn die aerodynamische Oberfläche aus Verbundmaterialien hergestellt ist, z.B. graphitfaserverstärkten Epoxyharzen. Bei Verwendung in Treibstoff enthaltenden Flugzeugflügeln kann ein beträchtliches Sicherheitsproblem auftreten; während nämlich der Flügelaufbau aus Verbundmaterialien hergestellt sein kann, sind die verwendeten Befestigungselemente typischerweise aus Metall, um eine ausreichende strukturelle Festigkeit zu erzielen. Der Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit zwischen dem Verbundmaterial und dem Befestigungselement führt dazu, daß Blitze an den metallenen Befestigungselementkopf gezogen werden, wobei das Befestigungselement einen Strom in das Innere des Flügels leiten kann und innere Überschläge innerhalb des Brennstofftanks verursachen kann. Falls in dem Tank Brennstoffdämpfe vorhanden sind, können derartige Überschläge eine Explosion verursachen. Daher ist es notwendig, einen gewissen Schutz für externe Metallbefestigungselemente bereitzustellen, welche in Verbundwerkstoffstrukturen verwendet werden, um zu verhindern, daß derartige Blitzeinschläge an diese angezogen werden.
- Typischerweise wird eine Farbschicht über den aerodynamischen Oberflächen aufgebracht. Der Spalt zwischen dem Befestigungselementkopf und seinem Senkungsloch kann jedoch dazu führen, daß die Farbe um den Außenrand des Befestigungselements ausdünnt und zerspringt. Dieses Ausdünnen und Zerspringen der Farbe wiederum verursacht einen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit, welcher dazu führt, daß um die Ränder der Befestigungselementköpfe elektrische Streamer gebildet werden. Diese Streamer erzeugen ein elektrisches Feld und erhöhen die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Blitzeinschlag einen Befestigungselementkopf trifft. Um diese Möglichkeit zu beseitigen, sind verschiedene Vorrichtungen zum Überdecken des Befestigungselementkopfs vorgeschlagen worden. Das US-Patent Nr. 4,630,168 "Lightning Protection Fastener" von J. Hunt z.B. offenbart ein Befestigungselement mit einem metallenen Kopf und Schaft und einer dielektrischen Kappe, welche einen oberen Bereich des Kopfs überdeckt. Wenn der Kopf und die Kappe in dem Senkungsloch in der Haut eingebaut sind, neigt die elastische Kappe dazu, den Spalt zwischen dem oberen Abschnitt des Kopfs und den inneren Seitenwandungen der Senkung zu füllen. Die Kappe bildet mit der Haut eine aerodynamische Oberfläche, welche zum Aufnehmen und Halten einer rißfreien Farbschicht mit gleichförmiger Dicke ausreichend stetig ist.
- Das hierbei auftretende Problem liegt darin, daß die Kappe einen Abschnitt der konischen Unterkopfoberfläche umgreift und nach Einbau zwischen dem Befestigungselementkopf und dem Senkungsloch eingeklemmt ist. Dies ist in schwer belasteten Strukturen deshalb ein Problem, weil das elastische Material zwischen dem Befestigungselementkopf und der Senkung dazu neigt, unter zyklischer Belastung herausgepreßt zu werden, und der Sitz des Befestigungselements darin Spiel bekommen kann. Da die Kappe mit gegebener Dicke und Toleranz eingebaut wird, kann sie ferner nicht immer eine absolut glatte Außenkontur ergeben. Eine weitere Vorgehensweise, um Metallbefestigungselemente in Verbundwerkstoffstrukturen zu schützen, wird im US-Patent Nr. 4,681,497 "Encapsulated Fastener" von I. Berecz gefunden. Hierbei sind Kopf und Schaft in Verbundmaterial eingekapselt, wodurch die gleichen Mängel wie im vorhergehenden Beispiel auftreten. Eine weitere Vorgehensweise kann im US- Patent Nr. 4,502,092 "Integral Lightning Protection System for Composite Aircraft Skins" von E.T. Bannink, Jr. et al. gefunden werden. Hierbei wird ein Kunststoffstreifen über der Außenfläche angeordnet und ein Vergießverbundmaterial verwendet, um den Raum über dem Befestigungselement zu füllen. Im US-Patent Nr. 4,628,402 "Lightning Protection of Fasteners in Composite Material" von J.H. Covey verwendet eine Ausführungsform einen Gummistöpsel über dem Befestigungselement, um den Raum über dem Befestigungselement zu füllen, welcher durch die Schichten dielektrischen Materials verursacht ist. Keines der obigen Befestigungselementsysteme, welche zur Verwendung mit Verbundmaterialien vorgesehen sind, ist zur Verwendung mit Metallflächen geeignet. Es gibt deshalb keine erhältliche Befestigungselementgestaltung, welche sowohl in Verbundwerkstoff- als auch in Metallstrukturen eine glatte stetige aerodynamische Oberfläche vorsehen kann und welche es nicht erforderlich macht, eine Farbe über der Oberfläche aufzubringen, usw..
- Die GB-A-684821 offenbart eine Kombination eines Senkkopf-Befestigungselements und zweier oder mehrerer, vom Befestigungselement miteinander zu verbindender Strukturelemente, wobei die Strukturelemente ein Befestigungselementloch mit einer Aussparung in einem der Strukturelemente zum Aufnehmen des Kopfs des Befestigungselements in Verbindung mit einer Oberfläche der Strukturelemente aufweisen, wobei das Befestigungselement umfaßt einen Schaft; einen mit dem Schaft verbundenen Kopf; und eine Schicht aus unelastischem Material, welche dauerhaft mit der gesamten oberen Oberfläche des Kopfs des Befestigungselements verbunden ist, und diese im allgemeinen überdeckt. Die Umfangsoberfläche des Kopfs und soviel von der Schicht aus unelastischem Material, als in dem Loch aufgenommen ist, sind dazu ausgebildet, präzise in das Loch zu passen. Nach anfänglichem Einbau des Befestigungselements in das Loch wird das überschüssige, über das zum Einpassen der Materialschicht in wesentliche Konformität mit der einen Oberfläche der Strukturelemente hinaus erforderliche unelastische Material entfernt.
- Diese Erfindung stellt eine Kombination des in der GB-A-684821 offenbarten Typs zur Verfügung, bei welcher aber die Größe und Gestalt des Kopfs und der Materialschicht im Vergleich mit der Größe und Gestalt der Aussparung derart sind, daß bei anfänglichem Einbau des Befestigungselements in das Loch ein Spalt zwischen dem Kopf, der Materialschicht und der Aussparung vorhanden ist. Die Materialschicht ist relativ zu dem Kopf und den Strukturelementen ohne weiteres rekonfigurierbar, derart, daß auf den anfänglichen Einbau des Befestigungselements in das Loch folgend die Materialschicht durch Verformung zum Füllen des Spalts umformbar ist und ferner das überschüssige, über das zum Einpassen der Materialschicht in wesentliche Konformität mit der einen Oberfläche der Strukturelemente hinaus erforderliche Material ohne weiteres entfernbar ist.
- Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Verbinden zweier oder mehrerer Strukturelemente zur Verfügung, welches folgende Schritte umfaßt: Bilden eines Senkungsbefestigungselementlochs in den Strukturelementen, wobei die Senkung an einer Außenfläche eines der Strukturelemente angeordnet ist; Vorsehen eines Befestigungselements mit einem Schaftabschnitt und einem Kopfabschnitt und einer Schicht aus unelastischem Material, welche dauerhaft mit der oberen Oberfläche des Kopfs verbunden ist, wobei die Materialschicht relativ zu dem Kopf und dem Schaft und den Strukturelementen ohne weiteres rekonfigurierbar ist; Positionieren des Befestigungselements in dem Loch, wobei der Kopf des Befestigungselements in Kontakt mit der Senkung ist; Verformen der Materialschicht, derart, daß jeder Spalt zwischen der Senkung und dem Kopf gefüllt wird; und Entfernen von überschüssigem Material der Materialschicht, derart, daß die obere Oberfläche der verformten Materialschicht stetig mit der an das Befestigungselement angrenzenden Außenfläche ist.
- Demgemäß ist die Erfindung dazu fähig, eine aerodynamisch glatte Außenfläche zu erzeugen, und ist bevorzugterweise selbst dann dazu fähig, wenn die Oberfläche gekrümmt ist. Vorzugsweise ist die Gestaltung derart, daß sie nach Einbau keine elektrischen Diskontinuitäten an der Oberfläche erzeugt. Das Befestigungselement kann mit Metall- und Verbundwerkstoffen verwendet werden.
- Vorzugsweise weist die Materialschicht einen Schmelzpunkt auf, welcher wesentlich niedriger ist als der Schmelzpunkt des Senkkopf-Befestigungselements und der Strukturelemente, so daß nach Einbau des Befestigungselements die Materialschicht auf eine Temperatur erwärmt werden kann, bei welcher sie relativ zu dem Befestigungselement und den Strukturelementen ohne weiteres verformbar ist.
- Falls die Außenfläche aus Titan erzeugt ist und ein Stahlbefestigungselement verwendet wird, könnte die Materialschicht aus einer weichen nicht wärmbehandelten Titanlegierung oder dem reinen Metall selbst hergestellt sein. Diese Schicht kann an dem Kopf des Befestigungselements reibverschweißt sein. Als weitere Mittel können Hartlöten, Löten und Kleben, usw. verwendet werden. Falls die Außenfläche Aluminium ist und ein Titan- oder Stahlbefestigungselement verwendet wird, kann die Materialschicht reines Aluminium oder ein kompatibles Lot sein. Ob die Materialschicht erwärmt würde oder nicht, würde von der Kombination der ausgewählten Materialien abhängen, was für Fachleute klar ist. Wenn die Außenfläche jedoch ein Verbundmaterial mit einer organischen Matrix ist, wird die Materialschicht idealerweise aus der großen Gruppe der gegenwärtig erhältlichen thermoplastischen Harze ausgewählt. Hierbei kann die thermoplastische Harzschicht ohne weiteres so weit erwärmt werden, daß sie verformbar ist. Bei den meisten Anwendungen braucht das Erwärmen der Materialschicht die Temperatur lediglich auf einen Punkt anheben, bei welchem die Schicht ohne weiteres verformbar ist. Es versteht sich, daß die Materialschicht auf einen Punkt erwärmt werden könnte, bei der sie schmilzt.
- Während die obige Beschreibung auf ein Befestigungselement mit einem Kopf und einem Schaft aus Metall gerichtet war, versteht es sich von selbst, daß es aus einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundmaterial mit organischer Matrix hergestellt sein könnte, solange der Kunststoff- oder die Matrixmaterialien eine höhere Betriebstemperatur (höheren Schmelzpunkt) haben und/oder härter sind als die Materialschicht. Ferner könnte das Befestigungselement zur Verwendung in einer sphärischen Senkung, einem eingedrückten oder angesenkten Loch u.dgl. ausgebildet sein.
- Nachdem also das Befestigungselement beschrieben wurde, ist es jetzt notwendig, das Einbauverfahren zu beschreiben. Die Schritte sind im wesentlichen wie folgt:
- Ein Senkungsbefestigungselementloch wird in den Strukturelementen gebildet. Es ist notwendig, daß die Senkung an der Außenfläche eines der Strukturelemente angeordnet ist. Das Befestigungselement wird zusammen mit der mit ihm verbundenen Materialschicht in dem Befestigungselementloch eingebaut. Danach wird die Materialschicht verformt und füllt dadurch jeden Spalt zwischen dem Befestigungselement und dem Senkungsende des Lochs, wobei das überschüssige, über das zum Einpassen der Materialschicht in Konformität mit der Oberfläche erforderliche hinausgehende Material entfernt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß a) das Material unter Ausnutzung eines Stoßes, für den z.B. eine Nietpistole sorgt, verformt wird, bis das Material in jeden Spalt zwischen der Senkung und dem Befestigungselement fließt und diesen füllt, wonach das Überschußmaterial durch Schmirgeln, Meißeln, Schaben o.dgl. entfernt wird; oder b) die Materialschicht erwärmt wird bis sie ohne weiteres verformbar ist und durch Stoßeinwirkung oder Glättung zum Füllen der Spalte zwischen dem Befestigungselementkopf und der Senkung gebracht werden kann, worauf ein scharfkantiges Instrument zum Beseitigen von Überschußmaterial verwendet werden kann.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Kopf des Befestigungselements eine innere Verdrehungsaussparung und die Materialschicht weist ein Verdrehungswerkzeugzugangsloch durch sich auf, welches mit der inneren Verdrehungsaussparung in dem Befestigungselementkopf in Verbindung steht. Ein aus dem gleichen Material wie die Materialschicht oder weiteren kompatiblen Materialien gebildeter Stöpsel ist vorgesehen, welcher nach dem Anziehen des Befestigungselements an seinem Ort in das Loch und/oder die Aussparung eingefügt werden kann und nach dem Schritt des Verformens ein Teil des Befestigungselements wird.
- Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Materialschicht zerbrechbare, äußere Verdrehungsflächen, welche mit der Materialschicht verbunden sind und welche abgebrochen werden können, wenn das geeignete Drehmomentniveau erreicht ist.
- Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Unterkopffläche des Befestigungselements eine Konusform mit einem Gesamtöffnungswinkel auf, welcher im wesentlichen gleich dem Gesamtöffnungswinkel des Senkungslochs ist. Die Materialschicht erstreckt sich von dem Kopf des Befestigungselements nach außen und weist eine an die konische Unterseite des Kopfs angrenzende konische Unterseite und einen Gesamtöffnungswinkel auf, welcher im wesentlichen gleich demjenigen des Kopfs ist. Wenn dieses Befestigungselement also in das Befestigungselementsenkungsloch eingebaut wird, gibt es zwischen der Materialschicht und der Senkung keinen Spalt, wobei nur eine geringe oder keine Verformung der Materialschicht stattfinden muß, obwohl eine gewisse Verformung erforderlich sein kann, um einen Berührungskontakt sicherzustellen. Danach kann das überschüssige Material in der im vorhergehenden beschriebenen Weise entfernt werden.
- Die neuartigen Merkmale, von denen geglaubt wird, daß sie die Erfindung sowohl was ihre Organisation als auch die Methode der Durchführung betrifft charakterisieren, werden zusammen mit weiteren Gegenständen und Vorteilen der Erfindung durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden, in denen gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft dargestellt sind. Dies ist jedoch ausdrücklich so zu verstehen, daß die Zeichnungen lediglich aus Darstellungs- und Beschreibungsgründen vorgesehen sind und nicht zur Festlegung der Grenzen der Erfindung beabsichtigt sind.
- In Figur 1 ist ein Teilquerschnitt des in Strukturelementen eingebauten Befestigungselements gezeigt; auf der rechten Seite der Figur ist das Befestigungselement so gezeigt, wie es geliefert wird, während es an der linken Seite nach vollendetem Einbau gezeigt ist.
- Figur 2 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt des in Figur 1 gezeigten Befestigungselements.
- Figur 3 ist ein Teilquerschnitt einer zweiten Ausführungsform des in Strukturelemente eingebauten Befestigungselements; wobei die rechte Seite der Figur das Befestigungselement so zeigt, wie es geliefert wird, während die linke Seite das Befestigungselement nach vollendetem Einbau zeigt.
- Figur 4 ist ein Teilquerschnitt einer dritten Ausführungsform des in Strukturelemente eingebauten Befestigungselements; wobei die rechte Seite der Figur das Befestigungselement so zeigt, wie es geliefert wird, und die linke Seite der Figur das Befestigungselement nach vollendetem Einbau zeigt.
- Die Figuren 5, 6, 7 und 8 sind Teilquerschnitte des Befestigungselements, welche das Verfahren erläutern, durch welches das Befestigungselement in die Strukturelemente eingebaut wird.
- In Figur 1 ist ein Teilquerschnitt zweier mit dem Bezugszeichen 10 bzw. 12 bezeichneter Strukturelemente dargestellt, welche durch das im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnete, verbesserte Senkkopf-Befestigungselement verbunden sind. Das Befestigungselement 14 ist in erster Linie zur Verwendung bei Luftfahrzeugen vorgesehen und insbesondere zur Befestigung von Außenhäuten oder weiteren Außenstrukturelementen an den Innenstrukturen. Das Strukturelement 10 kann deshalb für Erläuterungszwecke als die Außenhaut eines Luftfahrzeugs angesehen werden, wobei es eine den aerodynamischen Kräften und Blitzeinschlägen als auch Anstrahlung durch Gefährdungsradars ausgesetzte Außenfläche 16 aufweist. Das Befestigungselement 14 ist auf der rechten Seite der Figur in einem Einbauzustand gezeigt, so wie es geliefert wird, und auf der linken Seite nach vollendetem Einbau.
- Das Befestigungselement 14 ist in einem Befestigungselementsenkungsloch 18 angebracht, wobei der Senkungsabschnitt 20 mit der Oberfläche 16 in Verbindung steht und einen durch das Bezugszeichen 22 angedeuteten Gesamtöffnungswinkel aufweist (typischerweise 100 Grad für Metalle und 130 Grad für Verbundwerkstoffe). Das Befestigungselement 14 umfaßt einen Kopfabschnitt 30 mit einer oberen Oberfläche 32 und einer konusförmigen Unterkopffläche 34, welche einen Gesamtöffnungswinkel aufweist, der im wesentlichen gleich dem Winkel 22 des Senkungsabschnitts 20 ist. Das Befestigungselement umfaßt ferner eine kleine zylindrische Fase 36 an dem Übergang von der oberen Oberfläche 32 zu der Unterkopffläche 34. Diese Fase 36 ist bearbeitet, um scharfe Kanten zu vermeiden, welche normalerweise an dem Übergang der Oberflächen 32 und 34 vorhanden wären. Diese Fase 36 jedoch ist außerordentlich klein und wird aus Darstellungsgründen nicht im Maßstab gezeigt. Deshalb ist ein durch das Bezugszeichen 38 angedeutetes Volumen zwischen dem Befestigungselementkopf und der Senkung vorhanden. Ferner ist der Senkungsabschnitt 20 typischerweise größer als der Gesamtdurchmesser der Fase 36, wodurch das Volumen 38 ringförmig ist. Auf einer konturierten Oberfläche nimmt das Volumen 38 eine sichelförmigere Gestalt an.
- Das Befestigungselement 14 umfaßt ferner einen Schaftabschnitt 40 mit einem Gewindeende 42, welches eine innere Verdrehungsaussparung 43 aufweist, und wird mit Hilfe einer durch die Bezugszeichen 44 bzw. 46 bezeichneten Mutter und Unterlegscheibe an Ort und Stelle gehalten. Daher kann ein Befestigungselement unter Verwendung von Werkzeugen verriegelt werden, welche von dem Schaftende des Befestigungselements her angewandt werden.
- Unter fortdauernder Bezugnahme auf Figur 1 und zusätzlicher Bezugnahme auf Figur 2, welche eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs der linken Seite von Figur 1 ist, ist eine Materialschicht 50 mit einer Dicke 51 (rechte Seite von Figur 1) gezeigt, welche mit der oberen Oberfläche 32 des Befestigungselements 14 verbunden ist. Falls das Strukturelement 10 aus Stahl oder Aluminium ist, ist das Befestigungselement typischerweise aus hochfestem wärmebehandeltem Stahl oder Titan. Die Schicht 50 würde aus einem weichen Aluminium- oder Titanmaterial oder einem Lot sein, z.B. wie diejenige, welche durch den Bundesstandard (Federal Standard) QQ-S-571, Zinnlegierung, Zinn-Blei-Legierung und Bleilegierungslote abgedeckt sind. Falls Lot für die Materialschicht verwendet wird, kann sie zu einem sehr weichen, ohne weiteres verformbaren Zustand (mit einem Schmelzpunkt deutlich unterhalb desjenigen des Aluminium- oder Titanstrukturelements 10 oder des Kopfs und des Schafts des Befestigungselements) erwärmt werden, so daß das Strukturelement oder Befestigungselement bei dieser Temperatur nicht beeinflußt wird. Bei einem im folgenden beschriebenen Verfahren wird die Materialschicht 50 verformt, um das Volumen 38 um den Kopfabschnitt 30 (zwischen der Fase 36 und dem Senkungsabschnitt 20) zu füllen, und danach wird das durch punktierte Linien und das Bezugszeichen 52 an der linken Seite von Figur 1 bezeichnete Überschußmaterial entfernt. Die verbleibende Materialschicht 54 und die Oberfläche 16 werden zu einer glatten und stetigen Oberfläche zusammengepaßt. Die Gesamtdicke 51 der Materialschicht 50 wird deshalb so ausgewählt, daß ein zum Füllen des Volumens 38 und des verbleibenden ungefüllten Abschnitts der Senkung 20 oberhalb der Oberfläche 32 des Kopfabschnitts 30 ausreichendes Material vorhanden ist. Diese Dicke wird von den zulässigen (ausgewählten) Toleranzen der verschiedenen Abmessungen des Senkungsabschnitts 20 und des Kopfabschnitts 30 abhängen. Als Endergebnis werden keine Diskontinuitäten vorhanden sein, welche einfallende Radarsignale reflektieren könnten, wobei die Oberfläche aerodynamisch glatt ist und elektrische Diskontinuitäten nicht vorhanden sind.
- Falls das Strukturelement 10 ein Verbundmaterial mit einer organischen Matrix ist, z.B. einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren Harzmatrix mit Fiberglas oder Kevlar-Faservertärkungen, dann könnte die Schicht 50 ein thermoplastisches Material, z.B. ein Polycarbonat, sein; eines, welches bei Erwärmung schmilzt und nicht aushärtet (mit einem Schmelzpunkt deutlich unterhalb des Schmelzpunkts des Matrixmaterials). Ein weiteres geeignetes Material ist Nylon 6, welches von der Dupont Corporation, Wilmington, Delaware hergestellt wird. Das Metallbefestigungselement ist in jedem Fall vor Blitzschlaganziehung geschützt. Falls das Strukturelement 10 aus graphitverstärktem PEEK (Polyetheretherketon) hergestellt wäre, welches von ICI, Americas, Inc., Wilmington, Delaware hergestellt wird, könnte die Materialschicht kohlefaserverstärktes Nylon 6 sein, um elektrische Diskontinuitäten zu beseitigen. Wie es zu sehen ist, wird es von der speziellen Anwendung abhängen, ob die Materialschicht ein Metall, dielektrisches Material oder ein mit leitenden Füllstoffen beladenes dielektrisches Material ist.
- In Figur 3 ist ein Teilquerschnitt einer zweiten Ausführungsform des mit dem Bezugszeichen 14A bezeichneten Befestigungselements dargestellt. Das Befestigungselement 14A unterscheidet sich nur darin, daß es eine innere Verdrehungsaussparung 60 in dem Kopf 30A aufweist und die innere Verdrehungsaussparung 43 (siehe Figur 1) von dem Schaft 40A beseitigt ist. Alle weiteren im vorhergehenden erwähnten Elemente des Befestigungselements sind identisch und haben deshalb die gleiche Bezugszahl. Die mit dem Bezugszeichen 50A bezeichnete Materialschicht mit einer Dicke 51A umfaßt äußere Verdrehungsflächen 62, welche mit Hilfe eines nach unten eingehalsten, zerbrechbaren Abschnitts 64 verbunden sind. Daher kann verhindert werden, daß sich die Mutter 44 dreht, wenn das Befestigungselement angezogen wird. Bei den meisten Anwendungen jedoch würde das Befestigungselement in eine Plattenmutter (plate nut) (nicht dargestellt) eingreifen. Wenn das richtige Drehmomentniveau erreicht ist, können die Verdrehungsflächen 62 "abgedreht" werden, wobei sie an dem nach unten gehalsten Abschnitt 64 getrennt werden. Danach wird das gleiche, wiederum im folgenden beschriebene Verfahren verwendet, um das vollständig eingebaute Befestigungselement zu schaffen, wobei Überschußmaterial unter Zurücklassen der verbleibenden Schicht 54A entfernt wird, wie es auf der linken Seite von Figur 3 dargestellt ist.
- In Figur 4 ist eine dritte Ausführungsform des Befestigungselements dargestellt. Das Befestigungselement 14B umfaßt eine Verdrehungsaussparung 60B in dem Kopf 30B und die Materialschicht 50B umfaßt eine Öffnung 70, welche in Verbindung mit der Aussparung 60B steht. Daher kann das Befestigungselement 14B wie dasjenige der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform vor einer Drehung bewahrt werden, wenn die Mutter 44 angezogen wird (oder umgekehrt). Ein vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Materialschicht 50B oder aus einem weiteren geeigneten Material hergestellter Stöpsel 71 ist vorgesehen, welcher in die Aussparung 60B eingeführt werden kann, nachdem das Befestigungselement 14B an Ort und Stelle (linke Seite von Figur 4) verriegelt worden ist. Die eine durch 51B angedeutete Dicke aufweisende Schicht 50B umfaßt eine Unterkopfoberfläche 72 mit einem Öffnungswinkel 74, welcher gleich dem Winkel 22 des Senkungslochs ist, und erstreckt sich nach oben und außen, um die Senkung beinahe vollständig auszufüllen (nur das kleine Volumen 38' zwischen der Fase 36 und der Senkung 20 verbleibt). Dies macht das Füllen der Senkung durch das im folgenden beschriebene Verfahren viel einfacher. Wenn das Befestigungselement einmal eingebaut ist, wird das Einsteckelement oder der Stöpsel eingebaut (durch einen Hammer o.dgl. an Ort und Stelle eingetrieben), ehe das überschüssige Schichtmaterial 52B unter Zurücklassen der verbleibenden Schicht 54B entfernt wird. Falls das Befestigungselement entfernt werden muß, kann der Stöpsel "ausgegraben" werden, vorzugsweise nachdem er erwärmt worden ist, um ihn weicher zu machen.
- Nachdem also drei Ausführungsformen des verbesserten Befestigungselements beschrieben wurden, ist es offensichtlich, daß die Merkmale jeder derselben austauschbar sind. Zum Beispiel kann die Idee eines konusförmigen Unterkopfs der Materialschicht 50B bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform in den Ausführungsformen verwendet werden, welche in den Figuren 1 und 3 dargestellt sind. Da die Diskussion der physikalischen Ausführungsformen der Befestigungselemente vor dem Einbau und nach dem endgültigen Einbau vollendet worden ist, ist es nunmehr notwendig, das Verfahren zum Einbauen von Befestigungselementen zu besprechen.
- In Figur 5 wird das in Figur 4 dargestellte Befestigungselement als ein Beispiel benutzt. Nachdem das Befestigungselement an Ort und Stelle in den gekrümmten Strukturelementen 10A und 12A befestigt worden ist, wird der Stöpsel 71, wie dargestellt, in seinen Platz hineingetrieben. Danach wird, wie in Figur 6 dargestellt, Wärme auf die Materialschicht 50B und den Stöpsel 71 angewandt, bis die Materialien weich und ohne weiteres verformbar sind (wie dargestellt, wird eine Heizlampe 75 verwendet). In Figur 7 ist dargestellt, daß die Schicht 50B und der Stöpsel 71 nach unten geklopft werden, um die Materialschicht 50B fest in Kontakt mit der Senkung 20 und dem Füllvolumen 38' zu treiben. Dieser Schritt verformt typischerweise die Materialschicht 50B, wodurch sie eine unregelmäßige Oberfläche hat, welche durch das Bezugszeichen 76 bezeichnet ist. Dies kann ohne weiteres unter Verwendung einer Nietpistole, welche teilweise dargestellt ist und durch das Bezugszeichen 77 angedeutet ist, bewerkstelligt werden. In vielen Fällen ist nur ein geringer oder kein Aufprallstoß erforderlich, wodurch dieser Schritt wegfallen kann. Bei den in 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen jedoch kann ein beträchtlicher Aufprallstoß erforderlich sein, um das Füllen des Volumens 38' zu erreichen. Es muß auch angemerkt werden, daß dann, wenn die Materialschicht und der Stöpsel bei Raumtemperatur weich sind, Wärme nicht erforderlich sein muß. Falls Wärme angewandt wird, kann es ferner möglich sein, die Materialschicht 50B in ausreichender Weise weich zu machen, wodurch nur ein geringes Klopfen oder Eintreiben notwendig ist. Unabhängig davon, ob die Materialschicht 50B ein Erwärmen oder ein Eintreiben, nur Erwärmen oder nur Eintreiben erfordert, besteht der nächste in Figur 8 dargestellte Schritt darin, das überschüssige Material 52B' unter Zurücklassung der verbleibenden Schicht 54B' zu entfernen. Dies wird ohne weiteres durch Verwendung eines Meißels 80 erreicht, welcher eine an die Kontur der gekrümmten Oberfläche 16' angepaßte Messerschneide 82 aufweist. Es ist wichtig anzumerken, daß dann, wenn das Strukturelement 10 ein Verbundmaterial mit einer organischen Matrix ist, die Schicht des Materials 50B und der Stöpsel 71 idealerweise aus einem thermoplastischen Material wären, welches für seine Verformbarkeit eine Erwärmung erforderlich macht.
- Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Materialschicht auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der sie schmilzt und ohne weiteres fließbar ist, unter der Voraussetzung, daß die Strukturelemente der Temperatur widerstehen können. Dies würde die Notwendigkeit eines Stoßaufpralls beseitigen. Der Hauptvorteil des Schmelzens liegt darin, daß Spalten zwischen dem Befestigungselementkopfabschnitt und der Senkung unter Verbesserung der elektrischen Kontinuität, usw. beseitigt werden. Eine gewisse Schwierigkeit kann jedoch beim Entfernen von überschüssigem Material und beim Schaffen einer glatten Oberfläche auftreten. Bei Verwendung eines Lots, thermoplastischen oder sogar wärmehärtbaren Materials, z.B. eines Epoxis, könnte ein Schmelzen ohne weiteres erzielt werden.
- Die Hauptvorteile des Befestigungselements werden also ohne weiteres deutlich: 1) Es kann eine glatte aerodynamische Oberfläche geschaffen werden. 2) Eine Oberfläche ohne elektrische Diskontinuitäten kann geschaffen werden. 3) Es kann sowohl bei Metall- als auch bei Verbundwerkstoffstrukturen verwendet werden. 4) Es kann einen Blitzeinschlagschutz vorsehen. Weitere Vorteile liegen in einer verringerten Neigung zur Drehung und zum Lockern, wobei die Toleranzen bezüglich des Senkungsendes des Lochs bei einigen Anwendungen gelockert werden können und es möglich sein kann, korrosionsfeste Beschichtungen oder Abdichtungen an dem Befestigungselement oder dem Loch wegzulassen, wo derartige Beschichtungen oder Abdichtungen gegenwärtig erforderlich sind. Obwohl das Befestigungselement in erster Linie zur Verwendung in Luftfahrzeugen entwickelt worden ist, weist es ferner Anwendungen an Außenflächen von Landfahrzeugen und Schiffen, inneren Fluidleitungen im allgemeinen oder aus kosmetischen Gründen an jeder Oberfläche auf. Bei dieser letzteren Anwendung ist es offensichtlich, daß die Idee auf Befestigungselemente mit Kunststoffköpfen und Schäften anwendbar ist, solange der Kunststoff eine größere Festigkeit und/oder einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Materialschicht.
Claims (23)
1. Kombination eines Senkkopf-Befestigungselements (14, 14A,
14B) und zweier oder mehrerer, vom Befestigungselement
miteinander zu verbindender Strukturelemente (10, 12;
10A, 12A), wobei die Strukturelemente ein
Befestigungselementloch (18) mit einer Aussparung (20) in einem der
Strukturelemente zum Aufnehmen des Kopfs (30, 30A, 30B)
des Befestigungselements in Verbindung mit einer
Oberfläche (16) der Strukturelemente aufweisen, wobei das
Befestigungselement umfaßt einen Schaft (40, 40A); einen
mit dem Schaft verbundenen Kopf (30, 30A, 30B); und eine
Schicht (50, 50A, 50B) aus unelastischem Material, welche
dauerhaft mit der gesamten oberen Oberfläche des Kopfs
des Befestigungselements verbunden ist und diese im
allgemeinen überdeckt, wobei die Größe und Gestalt des Kopfs
und der Materialschicht im Vergleich mit der Größe und
Gestalt der Aussparung derart sind, daß bei anfänglichem
Einbau des Befestigungselements in das Loch ein Spalt
zwischen dem Kopf, der Materialschicht und der Aussparung
vorhanden ist, wobei die Materialschicht relativ zu dem
Kopf und den Strukturelementen ohne weiteres
rekonfigurierbar ist, derart, daß auf den anfänglichen Einbau des
Befestigungselements in das Loch folgend die
Materialschicht durch Verformung zum Füllen des Spalts umformbar
ist und das überschüssige, über das zum Einpassen der
Materialschicht in wesentliche Konformität mit der einen
Oberfläche der Strukturelemente hinaus erforderliche
Material ohne weiteres entfernbar ist.
2. Kombination nach Anspruch 1, bei welcher der Schmelzpunkt
der Materialschicht (50, 50A, 50B) wesentlich niedriger
ist als der Schmelzpunkt des Kopfs (30, 30A, 30B) und des
Schafts (40, 40A) des Befestigungselements und der
Strukturelemente, so daß die Materialschicht nach Einbau auf
eine Temperatur bringbar ist, bei der ihre
rekonfigurierbaren Eigenschaften verstärkt sind.
3. Kombination nach Anspruch 2, bei welcher die Aussparung
(20) eine Senkung ist.
4. Kombination nach Anspruch 3, bei welcher die Senkung (20)
konusförmig ist und einen bestimmten Gesamtöffnungswinkel
(22) aufweist, wobei das Befestigungselement ferner
umfaßt den Kopf mit einem konusförmigen Unterkopf (34),
welcher einen Gesamtöffnungswinkel aufweist, welcher im
allgemeinen gleich dem Gesamtöffnungswinkel des
Senkungslochs ist; und die sich nach außen und oben von der
oberen Oberfläche des Kopfs erstreckende Materialschicht
(50, 50A, 50B), wobei die Materialschicht einen
konusförmigen Unterkopf aufweist, welcher an die konische
Unterseite des Kopfs angrenzt und zu dieser ausgerichtet ist
und einen Gesamtöffnungswinkel aufweist, welcher im
allgemeinen gleich demjenigen der konischen Unterseite des
Kopfs ist.
5. Kombination nach Anspruch 4, bei welcher die
Materialschicht (50, 50A, 50B) ein leitendes Material ist.
6. Kombination nach Anspruch 5, bei welcher die
Materialschicht (50, 50A, 50B) ein Metall ist.
7. Kombination nach Anspruch 5, bei welcher die
Materialschicht (50, 50A, 50B) ein mit leitenden Füllstoffen
beladenes dielektrisches Material ist.
8. Kombination nach Anspruch 4, bei welcher die
Materialschicht (50, 50A, 50B) ein dielektrisches
Material ist.
9. Kombination nach Anspruch 4, bei welcher die
Materialschicht (50, 50A, 50B) aus der Gruppe ausgewählt ist,
welche thermoplastische und wärmehärtbare Materialien
umfaßt.
10. Kombination nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei welcher zerbrechbare äußere Verdrehungsflächen (62)
an der Oberseite der Materialschicht (50A) angebracht
sind.
11. Kombination nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
bei welcher der Kopf eine innere Verdrehungsaussparung
(60B) umfaßt; wobei die Materialschicht (50B) ein
hindurchgehendes Verdrehungswerkzeugzugangsloch (70) umfaßt,
welches mit der inneren Verdrehungsaussparung in
Verbindung steht; und einen Stöpsel (71), welcher aus
kompatiblem Material zum Füllen der Aussparung in dem Kopf und
des Lochs in der Materialschicht gebildet ist.
12. Kombination nach Anspruch 11, bei welcher der Stöpsel
(71) aus Material gebildet ist, welches im allgemeinen
identisch mit der Materialschicht ist.
13. Verfahren zum Verbinden zweier oder mehrerer
Strukturelemente (10, 12; 10A, 12A), welches folgende Schritte
umfaßt Bilden eines Befestigungselementsenkungslochs (20)
in den Strukturelementen, wobei die Senkung an einer
Außenfläche (16) eines (10, 10A) der Strukturelemente
angeordnet ist; Vorsehen eines Befestigungselements (14,
14A, 14B) mit einem Schaftabschnitt (40, 40A) und einem
Kopfabschnitt (30, 30A, 30B) und einer Schicht (50, 50A,
50B) aus unelastischem Material, welche dauerhaft mit der
oberen Oberfläche des Kopfs (30, 30A, 30B) verbunden ist,
wobei die Materialschicht relativ zu dem Kopf und dem
Schaft und den Strukturelementen ohne weiteres
rekonfigurierbar ist; Positionieren des Befestigungselements (14,
14A, 14B) in dem Loch, wobei der Kopf des
Befestigungselements in Kontakt mit der Senkung ist; Verformen der
Materialschicht (50, 50A, 50B), derart, daß jeder Spalt
zwischen der Senkung und dem Kopf gefüllt wird; und
Entfernen von überschüssigem Material (52, 52A, 52B) der
Materialschicht, derart, daß die obere Oberfläche der
verformten Materialschicht stetig mit der an das
Befestigungselement angrenzenden Außenfläche ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Senkung (20)
konusförmig ist und einen bestimmten Gesamtöffnungswinkel
(22) aufweist, wobei der Kopf einen konusförmigen
Unterkopf mit einem Gesamtöffnungswinkel aufweist, welcher im
allgemeinen gleich dem Gesamtöffnungswinkel des
Senkungslochs ist; und sich die Materialschicht von der oberen
Oberfläche des Kopfs nach außen und oben erstreckt, wobei
die Materialschicht einen konusförmigen Unterkopf
aufweist, der stetig mit der konusförmigen Unterseite des
Kopfs ist und einen Gesamtöffnungswinkel aufweist,
welcher im allgemeinen gleich demjenigen der konischen
Unterseite des Kopfs ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem vor dem
Schritt des Verformens der Materialschicht die
Materialschicht auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie
ohne weiteres rekonfigurierbar ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem während des
Erwärmungsschritts die Materialschicht auf einen Punkt
erwärmt wird, bei der sie schmilzt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welchem
das Befestigungselement (14A) zerbrechbare, äußere
Verdrehungsflächen (62) umfaßt, welche an der Oberseite der
Materialschicht (50A) angebracht sind, wobei das
Verfahren den zusätzlichen Schritt des Abbrechens der
zerbrechbaren, äußeren Verdrehungsflächen vor dem Schritt des
Verformens der Materialschicht umfaßt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welchem
der Kopf des Befestigungselements (14B) eine innere
Verdrehungsaussparung (60B) umfaßt und die Materialschicht
(50B) ein hindurchgehendes Verdrehungswerkzeugzugangsloch
(70) umfaßt, welches in Verbindung mit der inneren
Verdrehungsaussparung steht, wobei das Verfahren ferner vor
dem Schritt des Verformens der Materialschicht die
Schritte des Vorsehens eines aus einem im allgemeinen mit
der Materialschicht identischen Material gebildeten
Stöpsels (71) zum Füllen der Aussparung in dem Kopf und des
Lochs in der Materialschicht und des Einbauens des
Stöpsels in das Loch und die Aussparung umfaßt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei welchem
die Materialschicht ein leitendes Material ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die
Materialschicht ein Metall ist.
21. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die
Materialschicht ein mit leitenden Füllstoffen beladenes
dielektrisches Material ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei welchem
die Materialschicht ein dielektrisches Material ist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem die
Materialschicht
aus der Gruppe ausgewählt ist, welche
thermoplastische und wärmehärtbare Harze umfaßt.
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