Область техники, к которой относится изобретение.
Данное изобретение относится к крепежной системе, содержащей резьбовую крепежную деталь, имеющую признак преобладающего крутящего момента.
Уровень техники
Резьбовые крепежные системы широко применяют в авиакосмических и промышленных конструкциях. Эти узлы содержат резьбовые болты или шпильки и гаечные элементы с сопряженной формой резьбы. Известно, что в условиях вибрации или повторяющихся колебаний нагрузки эти резьбовые крепежные узлы теряют свой закрепляющий момент и ослабляются. Для предотвращения этого явления резьбовые крепежные системы модифицируют для обеспечения заданного закручивающего момента, чтобы противостоять ослаблению и потере фиксации соединяемых деталей или изделий. Нередко величину заданного закручивающего момента создают путем придания одному из сопряженных резьбовых элементов некоторой деформируемой части, в результате чего при зацеплении между деформируемой и недеформируемой частями резьбы гаечный элемент и шпилька или болт будут дополнительно скрепляться вместе под воздействием заданного закручивающего момента за счет взаимного влияния резьбы, которое будет препятствовать ослаблению затяжки и таким образом противостоять ослаблению при вибрации.
При наличии стандартных недеформируемых резьбовых форм гаечный элемент имеет свободный ход при низких значениях крутящего момента на болте или шпильке до того, как будет прихвачена деталь и произойдет первоначальная фиксация или предварительная нагрузка на деталях. Окончательной нагрузке фиксации, созданной под действием прилагаемого закручивающего момента, противостоит, в основном, собственное трение между сцепленными частями вращающихся элементов под нагрузкой. Не так обстоит дело с резьбовыми крепежными деталями, имеющими деформируемую часть резьбы с заданным закручивающим моментом. В этом случае при зацеплении деформируемой части резьбы посредством сопряженных ниток резьбы гаечный элемент не имеет свободного хода, а нагрузка фиксации на деталях, закрепленных относительно величины прилагаемого крутящего момента, понижена. Несмотря на то, что деформирование резьбовой части часто располагается на наружном или заднем конце гайки, это обстоятельство все же ограничивает возможность свободного хода гаечного элемента на шпильке или болте и величину исходной предварительной нагрузки и окончательной нагрузки фиксации относительно прилагаемого крутящего момента. Помимо этого, сопряженное зацепление между деформируемой и недеформируемой резьбой может быть в некоторой степени чувствительным к захвату по диапазону захвата, т.е. диапазон захвата будет варьироваться по общей толщине деталей - от максимального захвата, или общей толщины, до минимального захвата, или общей толщины, и подлежать скреплению крепежной деталью единого размера.
Сущность изобретения
Данное изобретение обеспечивает особый гаечный элемент, который имеет свободный ход и позволяет скреплять детали до заранее выбранной первой величины закручивающего момента. Первую величину закручивающего момента выбирают с целью обеспечения нужной величины исходной предварительной нагрузки на детали. После этого первую величину закручивающего момента достигают на этапе свободного хода создается радиальное сжимающее усилие, в результате чего нагрузка от трения воздействует на нитки резьбы, зацепленные между гаечным элементом и болтом или шпилькой. Закручивающий момент и, вследствие этого, сжимающее усилие возрастают до достижения второй заранее выбранной величины закручивающего момента, при достижении которой монтирование завершается. Результатом этого является соединение, в котором детали удерживаются вместе под воздействием заранее выбранной величины окончательной нагрузки фиксации и в котором сцепленная резьба гайки и болта или шпильки этой смонтированной крепежной детали удерживаются вместе под воздействием значительной сжимающей нагрузки, дающей высокое значение заданного закручивающего момента, который обеспечивает сопротивление съему и, вследствие этого, нужное сопротивление ослаблению из-за вибрации или других циклических нагрузок.
В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения гаечный элемент является цельной конструкцией, в которой исходная предварительная нагрузка определяется ломкой частью и в которой сжимающая нагрузка возникает после излома ломкой части при достижении первой величины закручивающего момента.
Характеристика гаечного элемента свободного хода согласно данному изобретению позволяет использовать его в авиакосмической технике, включая узлы, использующие детали из композитов.
Особый гаечный элемент согласно данному изобретению можно использовать с разнообразными формами резьбы, включая стандартные формы резьбы на имеющихся болтах или шпильках.
Характеристика свободного хода согласно данному изобретению будет по существу действовать единообразно по всему диапазону захвата соответствующей крепежной детали.
Характеристика свободного хода и результирующая характеристика заданного закручивающего момента особого гаечного элемента желательны для многих случаев применения в авиакосмической технике и в других областях техники.
Объект данного изобретения заключается в обеспечении особой резьбовой крепежной детали, имеющей характеристику заданного закручивающего момента.
Еще один объект данного изобретения заключается в обеспечении особой резьбовой крепежной детали, содержащей гайку свободного хода, выполненную с возможностью обеспечения заранее выбранной величины исходной предварительной нагрузки без взаимного влияния, или значительных нагрузок от трения между резьбовыми элементами и обеспечения характеристики заданного закручивающего момента по достижении исходной предварительной нагрузки.
Кроме этого важно, чтобы применяемые в авиакосмической технике крепежные детали с характеристикой заданного закручивающего момента или без таковой были легковесными конструкциями и имели минимальный размер при окончательном их монтировании.
Еще одним объектом данного изобретения является особая резьбовая крепежная деталь, включающая в себя гайку свободного хода, которая также обеспечивает характеристику заданного закручивающего момента и которая имеет легковесную конструкцию.
Прочие объекты, признаки и преимущества данного изобретения будут очевидны из следующего ниже описания и прилагаемой формулы изобретения в совокупности с прилагаемыми чертежами.
Перечень фигур.
Фиг. 1 - сечение на виде сбоку одной из форм гаечного элемента согласно данному изобретению;
фиг. 1А - частичный разрез в увеличенном масштабе части гаечного элемента, обозначенного в фиг.1 областью 1А в круге;
фиг. 2 - вид с торца гаечного элемента фиг.1, представленный в направлении стрелок 2-2.
фиг. 3 - сечение на виде сбоку гаечного элемента, изображающее гаечный элемент фиг. 1 и 2 в сборе с болтом и деталями после исходного предварительного нагружения деталей, скрепляемых вместе крепежным узлом, причем детали находятся в состоянии, соответствующем максимальной силе зажима;
фиг. 4 - вид сбоку, аналогичный фиг.3, изображающий крепежный узел гаечного элемента и болта в окончательном смонтированном состоянии для деталей при максимальной силе зажима для данного крепежного узла;
фиг.5 - вид сбоку, аналогичный фиг.4, изображающий тот же крепежный узел гаечного элемента и болтового элемента фиг.4 в окончательном смонтированном состоянии для деталей в состоянии минимальной силы зажима;
фиг. 6 - вид сбоку другой формы цельного гаечного элемента, имеющего ломкую ввертываемую часть на его наружном конце;
фиг. 7 - вид с торца гаечного элемента фиг.6, представленный по существу в направлении стрелок 7-7;
фиг. 8 - вид с торца, аналогичный фиг.2, модифицированной формы цельного гаечного элемента фиг.1, представленного в модифицированном виде в направлении стрелок 8-8 на фиг.3; и
фиг. 9 - частичное в увеличенном масштабе сечение, аналогичное фиг.1А, изображающее модифицированную форму гаечного элемента фиг.1 - 4 в сборе с болтом; шейка гаечного элемента имеет совокупность осевых пазов для повышенной радиальной податливости.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, 1A и 2, гаечный элемент 10 содержит гаечную секцию 12 и стопорную кольцевую секцию 14. Гаечная секция 12 содержит ввертывающую часть 16 и шейку 18 существенно уменьшенного сечения. Гаечная секция 12 заодно соединена с внутренним концом кольцевой секции 14 посредством ломкого пояска 20 на наружном конце шейки 18. В варианте согласно фиг.1, 1А и 2 ввертывающую часть 16 имеет шестигранную наружную поверхность 21 для зацепления торцевым инструментом хорошо известной и стандартной конструкции, в результате чего крутящий момент можно прилагать к гаечному элементу 10 (см. фиг.2). Кольцевая секция 14 имеет кольцевую конфигурацию с по существу круглым поперечным сечением, с гладким сквозным отверстием 22 заранее выбранного диаметра D1.
Шейка 18 (фиг.1 и 1А) имеет прямую в осевом направлении часть неизменного наружного диаметра D2. Наружный диаметр D2 превышает размер диаметра D1 отверстия 22 стопорного кольца. Это обеспечивает заранее выбранное взаимное влияние для описываемой ниже цели. Прямой участок 24 соединен с ввертывающей частью 16 радиусом округления R. Конусообразный участок 26, имеющий наружную конусообразную поверхность, соединяет прямой участок 24 с ломким пояском 20.
Гаечная секция 12 имеет резьбовое сквозное отверстие 28, проходящее через ввертывающую часть 16 и шейку 18. Внутренний диаметр D3 резьбы отверстия 28 меньше диаметра D1 отверстия 22 кольцевой секции 14. Поэтому сопряженный резьбовой входной элемент может проходить сквозь отверстие 22 кольцевой секции с зазором. Гребень резьбы в отверстии 28 имеет диаметр D4 в части отверстия 28 в ввертывающей части 16 и имеет скос к более крупному диаметру D5 для обеспечения уменьшенной радиальной глубины d1 формы резьбы в шейке 18 в описываемых ниже целях.
Наружная поверхность переднего конца конусообразного участка 26 проходит в осевом и радиальном направлениях внутрь от внутреннего торца 27 кольцевой секции 14 к ломкому пояску 20, в то же время расположенная под углом кольцевая поверхность проходит от внутреннего торца 27 в радиальном направлении внутрь к концевой части конусообразного участка 26, чтобы ограничивать собой кольцевую, проходящую под углом выемку 29. Выемка 29 выполнена под углом, в результате чего при взаимодействии между внутренним торцом 27 кольцевой секции 14 и противоположным внутренним торцом 31 ввертывающей части 16 будет происходить минимальное зацепление с радиусом скругления R либо такового зацепления не будет вовсе. Таким образом, локализованное воспринимаемое напряжение в радиусе скругления R будет исключено. В то же время глубину выемки 29 можно выбрать из обеспечения обламывания пояска 20 при требуемой величине закручивающего момента. Необходимо отметить, что размер радиуса скругления R может варьироваться в зависимости от прочности и свойств упругости материала гаечного элемента 10. Поэтому в некоторых случаях, когда гаечный элемент 10 выполняют из высокопрочного материала, такого как титановый сплав, имеющего необходимые свойства упругости, размер радиуса скругления R можно уменьшить, а выемку 29 можно по существу исключить.
На фиг.3 и 4 гаечный элемент 10 изображен в сборе с болтом 30, при этом крепежный узел 32 изображен в процессе скрепления вместе деталей 46 и 48. Болт 30 имеет удлиненный корпус 34 с укрупненной потайной головкой 36 на одном конце и резьбовой частью 38 на противоположном конце. Гладкая часть 40 корпуса соединяет резьбовую часть 38 с головкой 36 болта. Корпус 34 болта 30 выполнен с возможностью прохождения через совмещенные отверстия 42 и 44 в деталях 46 и 48 соответственно. Отверстие 44 имеет раззенкованную часть 49, выполненную с возможностью сопряженного расположения в ней раззенкованной головки 36. Резьбовая часть 38 корпуса имеет по существу неизменную резьбовую форму, выполненную с возможностью сопряженного взаимодействия с резьбой резьбового отверстия 28 гаечной секции 12. В соответствии с изображением на фиг.3 гаечный элемент 10 закреплен с помощью резьбы на резьбовой части 38 за счет крутящего момента, прилагаемого через шестигранную ввертывающую часть 16 соответствующим инструментом (не изображен) для соединения деталей 46 и 48 вместе при заранее выбранной величине исходной предварительной нагрузки или нагрузки фиксации. Нужно отметить, что при этом соединении стопорная кольцевая секция 14 все еще соединена с шейкой 18 за счет ломкого пояска 20.
При монтировании крепежного узла 32 гаечный элемент 10 можно устанавливать на болт 30 соответствующим инструментом или вручную для первоначального навинчивания гаечной секции 12 на резьбовую часть 38 корпуса 34 болта. Затем инструмент можно применить для приложения дополнительного крутящего момента и для окончательного монтирования крепежного узла 32. Теперь, когда гаечный элемент 10 контактирует с наружной поверхностью 51 детали 46, нужную величину исходной нагрузки фиксации или предварительной нагрузки можно обеспечить приложением первой заданной величины закручивающего момента. До этого момента гаечный элемент 10, по существу, имеет свободный ход на резьбовой части 38 корпуса 34 болта. Величину закручивающего момента увеличивают до второй заданной величины, ломкий поясок 20 срезается и шейка 18 перемещается в осевом направлении в отверстие 22 стопорной кольцевой секции 14. При перемещении шейки 18 в осевом направлении в отверстие 22 передний конец конусообразного участка 26 перемещают в радиальном направлении внутрь для осуществления обжатия сопряженной резьбы на резьбовой части 38 корпуса болта. Так как величина прилагаемого закручивающего момента далее возрастает, конусообразный участок 26 полностью и затем прямой участок 24 перемещаются в отверстие 22 для обеспечения плотного обжатия сопряженной резьбы болта. После перемещения прямого участка 24 в отверстие 22 может быть воспринята конечная заданная величина закручивающего момента и прервана эта операция при достижении этой величины. В предпочтительной форме осуществления данного изобретения прямой участок 24 перемещают полностью в кольцевое отверстие 22, вводя в контакт противоположные торцы 27 и 31 стопорной кольцевой секции 14 и гаечной секции 12 соответственно согласно фиг.4. Эта конструкция, в которой происходит контакт противоположных поверхностей 27 и 31, предусматривает готовое средство визуального осмотра и проверки факта приложения нужной величины крутящего момента и поэтому достижения нужной величины окончательной нагрузки фиксации на деталях 46 и 48. Это также дает гарантию того, что обжатие резьбы завершено и является максимальным. Также желательно, чтобы спиральная резьба в шейке 18 проходила по меньшей мере по двум шагам резьбы.
Гаечную секцию 12 можно выполнить из несколько более мягкого материала, чем материал болта 30. Поэтому резьбу в шейке 18 можно немного деформировать до формы сопряженной резьбы на резьбовой части 38 корпуса болта 30 под воздействием усилия обжатия при перемещении шейки 18 в осевом направлении в кольцевое отверстие 22. В то же время зажатая резьба корпуса болта 30 будет оставаться, по существу, без деформации.
В авиакосмической технике между соединяемыми деталями обычно применяют герметик для обеспечения соединения, не проницаемого для текучей среды. В этом случае нагрузку отламывания ломкого пояска 20 можно выбрать такой величины, которая будет достаточна для скрепления вместе деталей 46, 48 за счет необходимой предварительной нагрузки и без излома пояска 20, чтобы выдавить излишний герметик между ними. Обычно в этом случае сначала прилагают нагрузку фиксации на детали 46, 48 с величиной, достаточной для скрепления вместе деталей 46, 48, чтобы удалить между ними лишний герметик и дать соединению схватиться в течение заранее выбранной длительности времени и затем приложить дополнительный закручивающий момент к гаечному элементу 10 посредством гаечной секции 12, чтобы достичь конечной нагрузки фиксации. В этом случае поясок 20 можно сконструировать таким образом, чтобы он оставался ненарушенным и не ломался на этом первом этапе. На втором этапе, после того как соединение имело достаточное время для схватывания, к гаечной секции 12 снова прилагают закручивающий момент. Поясок 20 ломается при нагрузке закручивающего момента, которая превышает величину, прилагаемую на первом этапе. При приложении дополнительного закручивающего момента еще большей величины шейка 18 полностью перемещается в кольцевое отверстие 22 для завершения монтирования. Нужно отметить, что монтирование, разумеется, можно осуществлять в один этап с герметиком и без такового, а не в два этапа, указанных выше.
Также необходимо отметить, что поясок 20 можно сконструировать таким образом, чтобы он ломался на этом первом этапе фиксации для выдавливания герметика, тогда его отламывание будет обеспечивать указание или сигнал оператору о необходимости прекращения приложения дополнительного закручивающего момента в этот момент. Указанные герметики обычно являются пастообразными материалами, такими как PR1776B2 компании "Кортолдз Аэроспейс" (Courtaulds Aerospace), которые относятся к классу дисперсных герметиков на основе двуокиси марганца.
Для облегчения приложения закручивающего момента между гаечным элементом 10 и болтом 30 на внешнем торце корпуса 34 может быть выполнено шестигранное или имеющее другую неправильную форму отверстие 50, которое может взаимодействовать со штырем аналогичной формы на инструменте для монтирования (не изображен). Штырь удерживают для исключения вращения таким образом, что шестигранная гнездовая часть инструмента может быть повернута, тем самым предотвращая совместное вращение гаечного элемента 10 и болта 30 в отверстиях 42, 44 детали. В результате этого вращения может произойти нежелательное заедание каналов 42, 44 деталей. Конструкция такого инструмента известна специалистам данной области техники и не составляет часть данного изобретения, и поэтому для упрощения описания здесь не излагается.
На фиг.4 показана крепежная система в момент полного зацепления, по существу, всех ниток резьбы в резьбовом отверстии 28 гаечной секции 12 с резьбой резьбовой части 38 болта 30.
Как указывалось выше, гребни по меньшей мере некоторых ниток резьбы от переднего конца шейки 18 срезаны в заднем направлении. В одной форме выполнения гребни в шейке 18 уменьшены до радиальной глубины d1 примерно половины нормальной радиальной глубины d2 полной резьбы в остальной части гаечной секции 12, включая главное тело 16. Это делается для нескольких целей. Во-первых, это облегчает первоначальное резьбовое зацепление с резьбовой частью 38 болта 30, при этом исключается поперечное резьбонарезание. Во-вторых, срезанная резьба в сочетании с конусообразным участком 26 шейки 18 содействует первоначальному осевому перемещению шейки 18 в отверстие 22 кольцевой секции 14 и осуществлению значительного заданного закручивающего момента за счет радиального сжатия без излишнего трения и без постоянной деформации зацепляющей резьбы болта. Считается, что эти положительные результаты достигаются срезанием или уменьшением радиальной глубины так, чтобы глубина d1 имела величину между значениями от приблизительно 25% до приблизительно 75% обычной радиальной глубины d2 гребней. В одном из вариантов данного изобретения желательно уменьшение радиальной глубины до приблизительно 50%. Путем уменьшения радиальной глубины гребней шейке 18 придают повышенную податливость, тем самым облегчая нужное радиальное сжатие и достижение значительной величины заданного закручивающего момента крепежной детали. Кроме того, это уменьшение радиальной глубины гребней на переднем конце резьбы в шейке 18 и получаемая в результате этого более податливая конструкция облегчают использование гаечного элемента 10 в тех случаях, когда поверхность 51 детали 46 имеет некоторый угол относительно оси Х гаечного элемента 10. В противоположность этому остальная часть резьбы гаечной секции 12, включая ввертывающую часть 16, имеет нормальную глубину резьбы d2, которая, по существу, равна радиальной глубине сопряженной резьбы резьбовой части болта 38. При этом кольцевая секция 14 сконструирована таким образом, что имеет достаточную радиальную толщину стенки, в результате чего исключается радиальное расширение кольцевой секции 14. В некоторых случаях прямой участок 24 шейки 18 может быть обеспечен по меньшей мере одним шагом несрезанной спиральной резьбы полной радиальной глубины d2 на его заднем конце вблизи внутреннего торца 31 (см. фиг.9).
Наружная поверхность конусообразного участка 26 в зоне его соединения с ломким пояском 20 начинается с наружного диаметра D8, который несколько меньше диаметра D1 отверстия 22 кольцевой секции. Небольшое уменьшение входного диаметра D8 содействует первоначальному перемещению конусообразного участка 26 в кольцевое отверстие 22 под воздействием увеличивающейся осевой нагрузки и таким образом исключает коробление конусообразного участка 26 после достижения нагрузки отламывания ломкого пояска 20. Угол А конуса выбирают достаточным для того, чтобы обеспечить первоначальное зацепление переднего конца конусообразного участка 26 за счет сил трения с кольцевым отверстием 22 в целях исключения отпружинивания или потери фиксации или исходного отделения ломкого пояска 20. В одном из вариантов наружная поверхность конусообразного участка 26 имеет конусность под углом А около 8o относительно центральной оси X и проходит от меньшего диаметра D8 на своем переднем конце к большему диаметру D2 прямого участка 24. При этом считается, что угол конусности А может варьироваться в пределах от 3 до 13o приблизительно и предпочтительно приблизительно от 6 до 10o. Прямой участок 24 может иметь длину приблизительно от 10 до 75% длины L2 шейки 18. Это будет зависеть в некоторой степени от материала и общего размера гаечного элемента 10.
Также целесообразно снабдить шейку 18 прямым участком 24. За счет этого сжимающее зацепление прямого участка 24 с поверхностью кольцевого отверстия 22 обеспечивает увеличенную, более единообразную площадь сцепления поверхностей силами трения по сравнению с тем случаем, если бы с отверстием 22 была сцеплена только конусообразная поверхность, такая как конусообразная поверхность конусообразного участка 26. В то же время по меньшей мере часть резьбы прямого участка 24 может иметь полную радиальную глубину или быть в меньшей степени срезанной, чем резьба конусообразного участка 26, в результате чего будет иметь место повышенная величина взаимного влияния резьб на резьбовой части 38 (см. фиг.9). Это увеличенное поверхностное зацепление и сжимающая нагрузка дают в результате более значительный заданный закручивающий момент. Кроме этого, сжимающая нагрузка под действием заданного закручивающего момента отчасти обеспечивается зацеплением между прямыми, по существу, неконусообразными поверхностями, тем самым оказывая эффективное сопротивление ослаблению из-за вибрации, которое могло бы произойти, если бы единственное удерживающее усилие исходило от зацепления конусообразной поверхности. В этом отношении окончательное зацепление между осевыми прямыми неконусообразными поверхностями на прямом участке 24 и отверстии 22 будет повышать виброустойчивость гаечного элемента 10 в отношении его ослабления на болте 30 после окончания монтирования. Осевую длину L1 прямого участка 24 выбирают исходя из требуемой длины, в результате чего при монтировании он перемещается по всей своей длине в отверстие 22 и тем самым противоположные торцы 27 и 31 приходят в контакт друг с другом.
Также считается, что наличие прямого участка 24 для зацепления с достаточно прямой поверхностью отверстия 22 обеспечивает более предсказуемую величину окончательной нагрузки фиксации, чем в том случае, если конусность имела бы только шейка 18. Отчасти, это является результатом того факта, что окончательная нагрузка фиксации будет до некоторой степени определяться величиной относительного осевого усилия между болтом 30 и гаечным элементом 10, требуемой для радиального расширения кольцевой секции 14 при перемещении прямого участка 24 в кольцевое отверстие 22.
Для обеспечения дополнительного зажима между гаечной секцией 12 и болтом 30 в резьбовой части 38 корпуса 34 болта можно предусмотреть осевую прорезь или паз 53 (см. фиг. 3 и 4). Поскольку шейка 18 и, особенно, прямой участок 24 достигают своего конечного положения полностью внутри отверстия 22, то некоторая часть материала будет деформироваться в паз 53, что в результате даст дополнительное механическое зажимающее действие между болтом 30 и гаечным элементом 10. Считается, что эффективность зажима в прорези 53 повысится, если прорезь 53 будет выполнена под углом приблизительно 90o к квадратуре, или в квадратуре с углом спирали в резьбовой части корпуса 38. Применение этой осевой зажимающей прорези 53 является необязательным, поскольку высокий уровень заданного закручивающего момента будет обеспечиваться даже в отсутствие прорези 53.
В одном варианте осуществления согласно фиг.1-4 при диаметре D1 стопорного отверстия 22, равном около 0,859 см, диаметр D2 прямого участка 24 был выбран составляющим величину около 0,876 см. Это обеспечило радиальное смятие прямого участка 24 с отверстием 22 около 0,0089 см на стороне. Считается, что радиальное сжатие в пределах от 0,0025 до 0,13 см приблизительно на стороне будет обеспечивать требуемую величину сжимающего усилия между сцепленной резьбой достижения необходимой величины заданного закручивающего момента. При этом отверстие 22 можно выполнить с небольшой конусностью, чтобы облегчить изготовление кольцевого участка 14 холодной штамповкой или высадкой. Поскольку кольцевой участок 14 формируют с по существу постоянной радиальной толщиной стенки, то наружная поверхность будет выполнена под аналогичным углом. Поэтому отверстие 22 может иметь конусность по диаметру от большего диаметра на его открытом торце до немного меньшего диаметра на своем торце вблизи шейки 18. Общее изменение диаметра для указанного выше варианта будет составлять около 0,015 см. Это может быть выполнено в шейке 18 ввиду зацепления отверстия 22 прямым участком 24 и также ввиду того, что при окончательном монтировании шейка 18 не проходит в отверстие 22 на всю его длину (см. фиг.4 и 5).
Как указывалось выше, выемка 29 выполнена под углом, в результате чего торцы 27 и 31 могут зацепляться с небольшим зацеплением или не контактировать в случае выполнения торца 27 с радиусом скругления R. При осуществлении гаечного элемента 10 в соответствии с изложенным выше и при его выполнении из алюминия 7075-Т73 общая длина L2 шейки 18 была около 0,191 см с длиной L1 прямого участка 24 до начала радиуса скругления, составляющего около 0,033 см.
Радиус скругления R в соединении между шейкой 18 и телом 16 выбирают исходя из обеспечения баланса между круговой прочностью на сжатие шейки 18 и коэффициентом концентрации напряжений в радиусе скругления R. Большой радиус скругления будет противодействовать радиальному сжатию шейки 18 при ее перемещении в отверстие 22. Следует обратить внимание на то, что выемка 29 сводит к минимуму это противодействие, поскольку она обеспечивает зазор для, по меньшей мере, части радиуса скругления R при его перемещении в отверстие 22. Слишком малый радиус скругления R может привести к нежелательно высокому уровню концентрации напряжений, особенно в том случае, если гаечный элемент 10 будет выполнен из материала небольшой прочности, такого как алюминий. Помимо этого, небольшой радиус скругления R мог бы при этом понизить предел прочности на разрыв гаечной секции 12. В одном из вариантов осуществления данного изобретения при выполнении гаечного элемента из алюминия 7075-Т73 с указанным диаметром D2 прямого участка и с диаметром D6 плоскостей шестигранника около 1,110 см радиус R около 0,076 см оказался приемлемым. Угол В наружной поверхности выемки 29 относительно внутреннего торца 27 выбран с величиной около 20o. Плоскости наружной поверхности 21 гаечной секции 12 отделены по диаметру интервалом диаметра D6, который меньше диаметра D7 наружной поверхности кольцевой секции 14. В то же время противоположные углы шестигранной поверхности 21, по существу, отделены по диаметру интервалом, немного меньшим расстояния D7. Такая геометрия облегчает изготовление гаечного элемента 10.
В изложенном выше осуществлении данного изобретения при выполнении гаечного элемента 10 из алюминия 7075-Т73 и для размера диаметра -10 была использована форма резьбы 5/16-24UNJF-ЗB. Болт 30 имел сопряженную форму резьбы на резьбовой части корпуса 38.
Как указывалось выше, при выполнении гаечного элемента 10 из материала относительно высокой прочности размер радиуса R можно свести к минимуму, а выемку 29 можно, по существу, исключить. Поэтому для гаечного элемента 10, который, по существу, имеет тот же размер, что и описанный для алюминиевого варианта, и выполнен из титана 3A1-2.5V, радиус R можно уменьшить до 0,013 см приблизительно. Также при этом можно исключить выемку 29. Таким образом, нагрузку отламывания пояска 20 можно определить факторами проектирования независимо от какой-либо выемки, такой как выемка 29. В авиакосмической технике сопряженный болт 30 может быть выполнен из материала "титан 6A1-4V" для обеспечения высокопрочной крепежной системы 32. Как указывалось выше, характеристику значительного заданного закручивающего момента обеспечивают при существенно малой (или без таковой) постоянной деформации сопряженной резьбы, особенно в конструкциях, в которых нет блокирующей прорези 53. Поэтому при необходимости крепежную систему 32 можно отделить с помощью резьбы и снять с деталей 46 и 48 после монтирования. Этот демонтаж на резьбе можно осуществить даже при наличии блокирующей прорези 53, если первоначальный крутящий момент отрыва будет несколько повышенным.
Желательно, чтобы крепежная система 32 применялась для крепления деталей, таких как детали 46 и 48, при рациональном диапазоне захвата. Диапазон захвата крепежного узла, такого как крепежный узел 32, определяется, как указывалось выше, разницей между максимальной и минимальной общей толщиной деталей, таких как детали 46 и 48, которые эта крепежная система может скрепить вместе. На фиг.3 и 4 крепежная система 32 изображена скрепляющей детали 46 и 48, которые имеют максимальную общую толщину или максимальный захват для этой крепежной системы 32. В этом отношении очевидно, что гладкая часть 40 корпуса имеет длину, достаточную для прохождения от головки болта 36 на всю длину общей толщины деталей 46 и 48. В этом случае длина резьбовой части 38 будет сведена к минимуму для обеспечения полного зацепления, по существу, со всей резьбой гаечной секции 12 при первоначальной фиксации в соответствии с изображением на фиг. 3 и полного зацепления при окончательном зажиме в соответствии с изображением на фиг.4. В то же время резьбовая часть 38, по существу, совсем не будет находиться в отверстии 42 детали.
Фиг. 5 изображает крепежную систему 32 в окончательно собранном виде при минимальной общей толщине деталей. В описании фиг.5 компоненты крепежной системы 32 имеют те же цифровые обозначения, что и на фиг.4, но детали имеют разную толщину, и соответствующие компоненты имеют те же цифровые обозначения со знаком "прим".
На фиг. 5 детали 46' и 48' имеют общую толщину, которая является минимальной общей толщиной диапазона захвата крепежной системы 32. В этом случае гладкая часть 40 корпуса болта 30 будет проходить за пределы наружной поверхности 50' детали 46' и частично - в отверстие 22 кольцевой секции 14. При завершенном монтировании крепежного узла согласно фиг.5 наиболее удаленный конец шейки 18 все еще будет на некотором расстоянии от прилегающего конца гладкой части 40 корпуса болта 30. Поэтому осевую длину L кольцевой секции 14 выбирают в зависимости от длины шейки 18 и диапазона захвата деталей, таких как 46 и 48 - для максимального захвата и 46', 48' - для минимального захвата, в результате чего конец шейки 18 не будет находиться на расстоянии относительно противоположного окончания гладкой части 40 корпуса болта 30. Для сохранения размера кольцевой секции 14 и поэтому ее длины L минимальными длину L выбирают такой, чтобы при окончательном монтировании крепежного узла 32 с деталями 46', 48' минимального захвата или минимальной общей толщины наиболее удаленный конец шейки 18 был только на небольшом или минимальном расстоянии от противоположного конца гладкой части 40 корпуса. Разумеется, в некоторых случаях допустимо минимальное зацепление между внутренним и противоположным концами.
В этом отношении нужно отметить, что даже, если длина резьбовой части 38 болта 30 была бы увеличена, то осевая длина шейки 18 все же должна выбираться с величиной не более осевой длины L кольцевой секции 14. Поэтому в этой конструкции, когда шейка 18 полностью расположена в отверстии 22 кольцевой секции 14, она не будет зацеплять противоположную поверхность, такую как поверхность 51 детали 46. Это имеет особое значение в таких случаях применения, в которых зацепление шейки 18 с поверхностью 51 детали 46 могло бы создавать значительную концентрацию напряжений вокруг соответствующего отверстия 42 детали и/или исключать зацепление противоположных поверхностей, таких как торцы 27 и 31 гаечного элемента 10.
Модифицированная форма гаечного элемента изображена на фиг.6 и 7, в которой компоненты, аналогичные компонентам осуществления согласно фиг.1 - 4, имеют те же цифровые обозначения с добавлением индекса "а". Кроме оговоренных случаев, аналогично нумерованные компоненты осуществлении фиг.1-4 и фиг. 6 и 7 можно считать практически одинаковыми, поэтому аналогичные подробности не будут здесь повторяться в целях упрощения описания.
Как показано на фиг.6 и 7, гаечный элемент 10 имеет цельную конструкцию и содержит гаечную секцию 12а, стопорную кольцевую секцию 14а и тело 60, соединенное с ввертывающей частью 16а. Гаечная секция 12а содержит ввертывающую часть 16а и шейку 18а. В варианте осуществления согласно фиг.6 и 7 ввертывающая часть 16а имеет кольцевую относительно гладкую наружную поверхность 64. В этом заключается отличие от шестигранной наружной поверхности 21 основного тела 16 фиг.1 - 4. Кольцевая секция 14а имеет кольцевую конфигурацию, имеющую, по существу, круглое сечение с гладким сквозным отверстием 22а заранее выбранного диаметра D1a.
Шейка 18а имеет прямой участок 24а постоянного наружного диаметра D5a. Прямой участок 24а соединен с ввертывающей частью 16а радиусом округления Ra. Конусообразный участок 26а имеет наружную поверхность, которая проходит под углом Аа относительно оси Ха гаечного элемента 10а.
Гаечная секция 12а имеет резьбовое сквозное отверстие 28а, проходящее через ввертывающую часть 16а и шейку 18а, и ее можно по резьбе навернуть на болт, такой как болт 30 на фиг.3 и 4. Тело 60 соединено с ввертывающей частью 16а гаечной секции 12а ломкой кольцевой перемычкой 62, которая выполнена с возможностью отламывания при заданной величине крутящего момента, указывающей на окончательную требуемую силу фиксации, которую надлежит приложить к скрепляемым деталям 46 и 48. Таким образом, гаечный элемент 10а можно при помощи резьбы закрепить на резьбовой части болта, такого как болт 30, и при помощи крутящего момента, прилагаемого к шестигранной поверхности 21а тела 60, произвести фиксацию деталей, таких как детали 46 и 48, вместе под воздействием заранее выбранной величины нагрузки фиксации. При возрастании закручивающего момента ломкий поясок 20а отламывается и шейка 18а перемещается в осевом направлении в отверстие 22а стопорной кольцевой секции 14а. При перемещении конусообразного участка 26а далее в осевом направлении в кольцевое отверстие 22а конусообразный участок 26а сжимают в радиальном направлении внутрь в плотное сжимающее зацепление с сопряженной резьбой на резьбовой части корпуса болта, такого как корпус 38 болта 30. Приложение возрастающего закручивающего момента продолжается до тех пор, пока прямой участок 24а не переместится в кольцевое отверстие 22а. После перемещения прямого участка 24а в отверстие 22а, предпочтительно с зацеплением противоположных торцов 27а и 31а, и при достижении нужной величины крутящего момента кольцевая перемычка 62 отламывается, отделяя тело 60 от гаечной секции 12а, тем сам завершая монтирование. При применении отдельного, отделяемого тела 60 вес ввертывающей части 16а может быть уменьшен, в результате чего произойдет общее уменьшение комбинированного веса секций 14а, 16а и 18а и тем самым вес конусообразного узла после окончательного монтирования может быть снижен за счет уменьшившегося веса остальных секций 14а, 16а и 18а гаечного элемента 10а. Это уменьшение веса может иметь значение в авиакосмической технике.
Как указывалось выше, в варианте осуществления согласно фиг.1-4 гребни по меньшей мере некоторых ниток резьбы в шейке 18а срезаны в упоминаемых выше целях.
На фиг.8 изображена еще одна модифицированная форма осуществления гаечного элемента в сборе с болтом для скрепления деталей, в котором компоненты, аналогичные тем же компонентам в осуществлении согласно фиг.1 - 4, имеют те же цифровые обозначения с дополнительным индексом "b".
Гаечный элемент 10b, по существу, идентичен гаечному элементу 10 фиг.1 - 4 за излагаемыми ниже исключениями, но болт 30b и детали 46b и 48b идентичны своим аналогам фиг. 1-4. Поэтому описание этих идентичных подробностей в целях упрощения описания не приводится.
Гаечный элемент 10b имеет цельную конструкцию и содержит гаечную секцию 12b и стопорную кольцевую секцию 14b. Гаечная секция 12b, по существу, идентична гаечной секции 12 фиг. 1 - 4 и поэтому содержит основное тело 16b, аналогичное ввертывающей части 16, и шейку, аналогичную шейке 18. В варианте согласно фиг.8 ввертывающая часть 16b имеет наружную поверхность 21b шестигранной формы, аналогичную шестигранной поверхности 21 фиг.2, при этом закручивающий момент можно приложить к гаечному элементу 10b посредством гаечной секции 12b. Кольцевая секция 14b имеет кольцевую конфигурацию с гладким сквозным отверстием, таким как отверстие 22 фиг.1 - 4. Основное различие между гаечным элементом 10b и гаечным элементом 10 заключается в том, что наружная поверхность 66 кольцевой секции 14b гаечного элемента 10b выполнена шестигранной, но имеющей более крупный размер, чем шестигранная поверхность 21 на ввертывающей части 16 гаечного элемента 10, и поэтому более крупный размер, чем шестигранная поверхность 21b аналогичной формы и размера на ввертывающей части 16b гаечного элемента 10b. Поэтому диаметральный габарит D8 плоскостей шестигранной поверхности 66 превышает диаметральный габарит D7b плоскостей шестигранной поверхности 21b. Более крупную наружную шестигранную поверхность 66 целесообразно использовать для обеспечения заранее выбранной величины предварительной нагрузки для первоначального выдавливания герметика, если таковой использован между деталями 46b и 48b.
Поэтому гаечный элемент 10b первоначально монтируют на резьбовой части 38b болта 30b посредством крутящего момента, прилагаемого только к кольцевой секции 14b через более крупную наружную шестигранную поверхность 66. Совместное вращение гаечного элемента 10b и болта 30b внутри отверстий деталей можно предотвратить, как указывалось в осуществлении согласно фиг.1 - 4, за счет зацепления шестигранного отверстия 50b на наружном конце резьбовой части корпуса 38b болта 30b с аналогичной формы штырем инструмента монтирования. Согласно фиг.8 крупная шестигранная поверхность 66 имеет такой размер, при котором более крупное шестигранное гнездо может пройти над меньшей шестигранной поверхностью 21b с соответствующим зазором.
К гаечному элементу 10b затем прилагают крутящий момент до величины, фиксирующей детали 46b и 48b вместе при исходной предварительной нагрузке, и в случае применения герметика в соответствии с вышеизложенным его эксплуатируют под нагрузкой, при которой излишний герметик выдавливают. В этом отношении нагрузку отламывания ломкого пояска, такого как ломкий поясок 20, можно использовать для определения нагрузки, при которой достигают нужную первоначальную предварительную нагрузку для выдавливания герметика. При приложении этой исходной предварительной нагрузки для выдавливания герметика только через более крупную наружную шестигранную поверхность 66 максимальная величина этой прилагаемой предварительной нагрузки будет определяться нагрузкой отламывания ломкого пояска, такого как поясок 20. После отламывания ломкого пояска, такого как поясок 20, через наружную шестигранную поверхность 66 никакая дополнительная нагрузка оператором передаваться не будет. Таким образом, путем применения более крупной наружной шестигранной поверхности 66 для приложения исходной предварительной нагрузки величину исходной предварительной нагрузки можно задать на требуемом фиксированном уровне и одновременно исключить чрезмерную исходную предварительную нагрузку. По истечении заданного срока, достаточного для того, чтобы произвести окончательное вытеснение герметика выдавливанием, дополнительную и окончательную нагрузку фиксации можно достичь приложением дополнительного крутящего момента посредством меньшей шестигранной поверхности 21b гаечной секции 12b. Гаечный элемент 10b затем будет функционировать аналогично функционированию, описываемому для варианта согласно фиг.1-4 после отламывания ломкого пояска (такого, как поясок 20), при этом шейка (такая, как шейка 18) будет полностью перемещаться в отверстие (такое, как отверстие 22) стопорной кольцевой секции 14b.
В некоторых соединениях, подвергаемых значительным нагрузкам, может возникнуть необходимость выполнения шейки, такой как шейка 18, с большей общей толщиной стенки и конструкцией для обеспечения необходимых условий для радиального сжатия. Этот случай иллюстрирован в виде гаечного элемента согласно фиг.9, в котором компоненты, аналогичные тем же компонентам в варианте осуществления согласно фиг.1 - 4, имеют те же цифровые обозначения с добавлением индекса "с". Гаечный элемент 10с, по существу, идентичен гаечному элементу 10 фиг.1 - 4 за излагаемыми ниже исключениями и поэтому эти идентичные подробности для упрощения описания излагаться не будут. Как показано на фиг.9, для обеспечения шейки 18с достаточной податливостью для радиального сжатия при ее перемещении в кольцевое отверстие 22с в шейке 18с выполняют расположенные через интервалы по окружности, проходящие в осевом направлении, пазы 68. Это, в общем, уменьшает общую площадь сечения и придает радиальную жесткость шейке 18с и при этом ей придается необходимая податливость при одновременном обеспечении желательного уровня прочности. Помимо этого, в тех случаях применения, когда герметик используют между скрепляемыми деталями, пазы 68 могут действовать, как проходы для облегчения протекания избыточного герметика, тем самым исключая возникновение избыточного давления.
Нужно отметить, что число пазов 68 и их глубина могут варьироваться в зависимости от конкретных требований различных типов применения. Также следует отметить, что пазы 68 можно выполнить прокаткой, аналогичной процедуре выполнения шлицев. Гребни прокатанных пазов можно последовательно подвергнуть станочной обработке для уменьшения размера, чтобы в еще большей степени уменьшить жесткость шейки 18с при сжатии. Считается, что пазы 68 следует располагать на равных интервалах по окружности, чтобы обеспечить единообразное распределение получаемого таким образом уменьшения радиальной жесткости.
Согласно фиг. 9 на шейке 18с выполняют резьбу, срезанную до радиальной глубины d1e на ее переднем конце, и по меньшей мере одним полным шагом резьбы полной радиальной глубины d2c на ее заднем конце. Резьбу полной радиальной глубины d2c располагают на линии с прямым участком 24с шейки 18с. Это повышает предел прочности на разрыв резьбового соединения в зоне между резьбой резьбового отверстия 28с и сопряженной резьбой болта 30с.
Следует отметить, что различные признаки, изложенные в различных вариантах осуществления, можно включить в каждый из них в рамках данного описания. Например, ввертывающее тело 60 согласно фиг.6 и 7 можно выполнить с возможностью использования в вариантах согласно фиг.1 - 5, 8 и 9. Аналогично, двойной шестигранник фиг.8, помимо его использования с конструкцией фиг. 1-5, можно выполнить с возможностью использования в вариантах согласно фиг.6, 7 и 9. Имеющую прорезь шейку 18с фиг.9 можно использовать в вариантах согласно фиг.1-5, 6, 7 и 8. Также очевидно, что во всех случаях такие шейки как шейки 18, 18а, 18с, можно снабдить спиральной резьбой по меньшей мере на двух шагах резьбы, причем по меньшей мере один шаг резьбы будет иметь полную радиальную глубину.
В вариантах осуществления излагаемого изобретения форма резьбы резьбовой части корпуса, такого как корпус 38 болта 30, может быть резьбой трапецеидального типа, описываемой в патенте США 5090852 от 25 февраля 1992 г., выданном Ричарду Д. Диксону - "Высокопрочная крепежная деталь и способ". Резьба резьбовой части корпуса, такого как корпус 38, может иметь впадины профиля моделированной обтекаемой или эллиптической формы согласно патенту '582; и в этом отношении указанный патент включен в данную заявку в качестве ссылки. Гаечный элемент, такой как гаечный элемент 10, будет иметь сопряженную резьбу аналогичного контура, при этом включая в себя срезанную часть, такую как срезанная часть резьбы в шейке 18 в варианте согласно фиг.1-4, чтобы содействовать первоначальному зацеплению. Считается, что в этой конструкции целесообразно выполнение по меньшей мере одного или двух шагов полной спиральной резьбы полной радиальной глубины в шейке.
Несмотря на очевидность того, что предпочтительные варианты раскрываемого здесь изобретения должным образом спроектированы для выполнения указанных выше объектов, необходимо указать, что данное изобретение может иметь модификации, вариации и изменения в его надлежащих рамках или согласно его замыслу.
Изобретение относится к крепежной системе, содержащей резьбовую крепежную деталь, имеющую признак преобладающего крутящего момента. Резьбовая крепежная система содержит гаечный элемент и болт, причем гаечный элемент содержит кольцевую секцию и гаечную секцию. Гаечная секция имеет основное тело и шейку, при этом шейка выполнена с возможностью перемещения в кольцевую секцию и радиального перемещения внутрь, в результате чего резьба в шейке обжимается вокруг резьбы болта для обеспечения конструкции с заданным закручивающим моментом, препятствующей ослаблению гаечного элемента на болте. Результатом является соединение, в котором детали удерживаются вместе под воздействием заранее выбранной величины окончательной нагрузки фиксации. 9 с. и 25 з.п. ф-лы, 10 ил.
| ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ЗАХВАТ И ПОДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА | 2013 |
|
RU2605804C2 |
| Резьбовое соединение | 1977 |
|
SU641183A1 |
| ГАЙКА САМОСТОПОРЯЩАЯСЯ | 1966 |
|
SU224194A1 |
| US 4729703 A, 08.03.1988. | |||
