МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕПЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2018 года по МПК F16B33/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к металлическому крепежному элементу с частичным смазочным покрытием. В целом изобретение относится к технической области крепежных элементов. В частности, изобретение касается винтов, креплений с обжимным пазом и любых других металлических крепежных элементов, предназначенных для соединения конструктивных элементов, например, летательного аппарата, в которых предварительно выполняют отверстия. Как правило, такие крепежные элементы изготавливают из металлического материала типа нержавеющей стали или титанового сплава.

В новом поколении самолетов используют конструкцию из композиционного материала, который позволяет значительно облегчить массу самолета и меньше подвержен влиянию усталости. Однако в отличие от металлической конструкции недостатком композиционных материалов является то, что они плохо проводят электричество и создают проблемы стойкости к ударам молнии. Чтобы выдерживать молнию, любой зазор между крепежным элементом и отверстием должен быть заполнен для предупреждения пробоя воздуха.

Уровень техники

Из предшествующего уровня техники известен документ WO 2011/050040, в котором раскрыты крепежные элементы в гильзе, устанавливаемые в натяг в композиционных материалах. Натяг происходит при установке крепежного элемента, имеющего диаметр, превышающий диаметр отверстия, в котором его устанавливают, что приводит к расширению отверстия во время установки крепежного элемента. Крепежный элемент содержит стержень, имеющий смазочное покрытие на резьбовом участке и на переходном участке между прямым стволом и резьбовым участком для облегчения введения стержня в гильзу.

Недостатком такого крепежного элемента является то, что он содержит лишь немного смазочного покрытия на стволе, что может потребовать больших усилий при установке крепежного элемента.

Действительно, чем больше толщина соединяемых конструкций, тем больше усилия для введения устанавливаемого в натяг крепежного элемента. Они могут превышать максимальное усилие установки крепежного элемента, сверх которого крепежный элемент разрушается либо на уровне ниток резьбы, либо на уровне стяжного паза, либо на уровне установочного инструмента.

Известен также документ GB 2212580, в котором раскрыт металлический крепежный элемент без гильзы, устанавливаемый в конструкцию из композиционных материалов. Этот крепежный элемент содержит на участке своего ствола диэлектрическое смазочное покрытие типа TEFLON^TM или MoS₂, позволяющее ввести крепежный элемент в отверстие. Участок ствола, сопряженный с головкой, опирающейся на наружную поверхность конструкции летательного аппарата, которая может подвергнуться удару молнии, оставляют чистым, чтобы электрические токи могли проходить от головки крепежного элемента в конструкцию летательного аппарата через чистый и, следовательно, проводящий участок металлического ствола.

Недостатком такого крепежного элемента является то, что он имеет только один проводящий участок, произвольно оставленный возле головки, поэтому смежная конструкция должна быть относительно проводящей или должна содержать проводящую металлическую сетку.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных крепежных элементов. Задачей изобретения является также получение крепежного элемента, который может проводить электричество во всех слоях конструкции, содержащей по меньшей мере один слабопроводящий слой, когда в элемент ударяет молния, и которое не требует слишком больших усилий при установке.

В связи с этим объектом изобретения является металлический крепежный элемент, содержащий расширенную головку и гладкий ствол, расположенный вдоль оси вращения, при этом ствол содержит по меньшей мере один проводящий участок и один смазочный участок, расположенные непрерывно вдоль оси вращения крепежного элемента.

Заявленное решение обеспечивает получение поверхности электрического контакта на всех соединяемых конструктивных элементах как проводящих, так и не проводящих, при любом составе конструкции в зависимости от размеров проводящих полос. Таким образом, крепежный элемент можно установить в любой конструкции без необходимости выполнения проводящего слоя в специальном месте.

Заявленный крепежный элемент можно устанавливать в конструкциях, полностью выполненных из композиционных материалов или в смешанных конструкциях, то есть в конструкциях, в которых использованы композиционные материалы и металлические материалы, например типа алюминиевого или титанового сплава. В этих обоих случаях введение заявленного крепежного элемента можно осуществлять с натягом в металлическую гильзу, предварительно установленную в отверстии конструкции, чтобы избежать любого риска отслоения композита во время установки крепежного элемента и чтобы заполнить все воздушные карманы, которые могут оставаться между конструкцией и крепежным элементом.

Заявленный крепежный элемент можно также устанавливать в исключительно металлических конструкциях, например из алюминия или титана.

Заявленный крепежный элемент может иметь одну или более из следующих особенностей:

- проводящие и смазочные участки расположены параллельно оси вращения крепежного элемента;

- по меньшей мере две смазочные полосы расположены диаметрально противоположно относительно оси вращения крепежного элемента;

- проводящие и смазочные участки расположены в виде спирали вокруг оси вращения крепежного элемента,

- проводящий участок является чистым участком из металла или чистым участком из металла, покрытым электропроводящим слоем;

- смазочный участок представляет собой твердую пленку смазки или покрытие из органической смолы, содержащей алюминиевые пигменты;

- ствол крепежного элемента является цилиндрическим или коническим;

- крепежный элемент дополнительно содержит металлическую гильзу, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра ствола крепежного элемента;

- участок фиксации содержит резьбу или множество обжимных пазов.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его различные варианты будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые фигуры, которые представлены в качестве иллюстрации и не ограничивают изобретение и на которых:

на фиг. 1А схематично показан крепежный элемент в соответствии с первым примером изобретения, вид с торца;

на фиг. 1В - крепежный элемент в соответствии с первым примером изобретения, вид сбоку;

на фиг. 2А - крепежный элемент в соответствии со вторым примером изобретения, вид с торца;

на фиг. 2В - крепежный элемент в соответствии со вторым примером изобретения, вид сбоку;

на фиг. 3А - крепежный элемент в соответствии с третьим примером изобретения, вид с торца;

на фиг. 3В - крепежный элемент в соответствии с третьим примером изобретения, вид сбоку;

на фиг. 4 - крепежный элемент в соответствии с четвертым примером изобретения, вид сбоку.

Осуществление изобретения

На фиг. 1А и 1В схематично представлен крепежный элемент согласно первому примеру изобретения. На фиг. 1В показан металлический крепежный элемент 10, например, из титанового сплава TiA6V, содержащий выступающую расширенную головку 12, цилиндрический гладкий ствол 14 и участок 16 фиксации в виде резьбы, на который можно навинтить гайку (не показана). Крепежный элемент содержит также захватный хвостовик, при помощи которого можно потянуть стержень для его введения в конструкцию с предварительно выполненным отверстием. Этот хвостовик 18 может быть выполнен заодно со стержнем 10 или может быть съемным в виде конца с наружной резьбой, вставляемого в конец с внутренней резьбой, выполненной в резьбовом участке 16. Наличие этого захватного хвостовика является необязательным.

Гладкий ствол 14, который должен входить в контакт с конструкцией, выполненной из одного или нескольких металлических материалов или из композиционных материалов, является чистым, то есть не имеет покрытия. Предпочтительно он выполнен окисленным посредством сернокислого анодирования для повышения стойкости к гальванической коррозии. Резьбовой участок 16 полностью покрыт слоем смазки 20, позволяющим избегать заедания гайки во время ее установки. Гладкий ствол содержит также два участка 22 смазочного покрытия, расположенных в виде полос, параллельных оси вращения А крепежного элемента. Каждый смазочный участок 22 расположен на гладком стволе 14 и на участке под головкой 12. Обе смазочные полосы 22 расположены диаметрально противоположно относительно оси вращения А с углом 90° между каждой полосой, как показано на фиг. 1А. Поверхности 24 ствола 14, оставленные между смазочными полосами 22, являются проводящими и проходят вдоль длины X ствола 14.

В этом примере ствол 14 имеет 50% смазанной контактной поверхности и 50% электропроводящей поверхности. Поскольку проводящие участки 24 расположены параллельно оси вращения А, проводимость обеспечивается независимо от состава конструкции, в которую вставляют крепежный элемент. Смазочные участки 22 обеспечивают минимальную смазку гладкого ствола 14 вдоль всей его длины таким образом, чтобы крепежный элемент можно было установить, не прилагая слишком большого усилия и без риска разрушения крепежного элемента.

Смазка, используемая для покрытия резьбы 16 и смазочных участков 22, может быть твердой смазочной пленкой типа MoS₂ или, в целом, соответствующей норме SAE AS5272. Смазкой может быть также органическая смола с алюминиевыми пигментами, такая как покрытие HI-KOTE^TM или HI-KOTE^TM 1NC, выпускаемое в продажу компанией Hi-Shear Corp. в Торранс, Калифорния. Этот тип смазки описан, например, в патентах US 3983304 или ЕР 2406336. Смазка может быть также смазкой, описанной в норме NAS4006. Смазку наносят по толщине 5-13 мкм, например, посредством распыления. Стержень можно покрыть вторым слоем смазки, например цетиловым спиртом. Этот второй слой смазки облегчает введение крепежного элемента в конструкцию и постепенно удаляется по мере установки, так как он очень слабо сцепляется с поверхностью.

На фиг. 2А и 2В показан тот же крепежный элемент 10, что был описан со ссылками на фиг. 1А и 1В. Единственное отличие состоит в количестве смазочных участков 22, нанесенных на гладкий ствол 14. На этих фигурах ствол 14 покрыт четырьмя смазочными участками 22, расположенными диаметрально противоположно относительно оси вращения А с углом 45° между каждой полосой, как показано на фиг. 2А. В этом примере полная проводящая поверхность проводящих полос 24 составляет 50% от поверхности контакта между стволом крепежного элемента и конструкцией.

На фиг. 3А и 3В показан тот же крепежный элемент 10, что был описан со ссылками на фиг. 1А и 1В. Отличие состоит в том, что крепежный элемент полностью покрыт первым проводящим слоем 26 и содержит два смазочных участка 22, нанесенных на первый металлический слой 26. Проводящий слой 26 позволяет улучшить электропроводимость между крепежным элементом 10 и конструкцией. Его можно выполнить в виде металлического алюминиевого покрытия или органического проводящего покрытия.

На фиг. 4 представлен четвертый пример выполнения изобретения. Крепежный элемент идентичен крепежному элементу, описанному со ссылками на фиг. 1А и 1В. Отличие состоит в том, что смазочный участок 22 нанесен в виде спирали вокруг оси вращения А крепежного элемента 10. Проводящий участок 24 тоже является спиралевидным.

Разумеется, изобретение не ограничивается представленными выше примерами, и крепежный элемент может различаться по своей форме и/или по применяемым материалам. Так, количество смазочных участков 22 может меняться, и пропорция покрытой поверхности может тоже меняться в зависимости от ожидаемых от крепежного элемента характеристик. Предпочтительной является площадь проводящей поверхности в 50% от площади поверхности контакта между стволом крепежного элемента и конструкцией, но эта пропорция может меняться от 20% до 80% поверхности контакта между стволом крепежного элемента и конструкцией. Длина X может меняться и соответствовать только части гладкого ствола 14, при этом ширину проводящих участков 24 и смазочных участков 22 необходимо адаптировать в зависимости от требуемой полной проводящей поверхности. Участок под головкой можно не покрывать смазкой.

В варианте участок 16 фиксации может содержать обжимные пазы, на которых запрессовывают металлическое кольцо. В этом случае смазка этого участка не является необходимой.

Гладкий ствол 14 может быть коническим, его можно устанавливать либо в коническое отверстие, либо в гильзу, внутренняя поверхность которой является конической, а наружная поверхность - цилиндрической, чтобы узел можно было установить в цилиндрическое отверстие, которое легче выполнить, чем коническое отверстие. Если заявленное устройство используют с гильзой, она имеет внутренний диаметр, который меньше наружного диаметра ствола крепежного элемента, чтобы крепежный элемент во время введения расширял в радиальном направлении гильзу, прижимая ее к стенкам отверстия, выполненного в конструкции. Этот вариант больше всего подходит для конструкций, содержащих по меньшей мере один слой композиционного материала.

Головку 12 крепежного элемента можно выполнить посредством фрезерования и адаптировать ее к соответствующему фрезерованному гнезду в конструкции.

Изобретение относится к металлическому крепежному элементу с частичным смазочным покрытием и направлено на повышение возможности проведения электричества во всех слоях конструкции. Металлический крепежный элемент содержит расширенную головку и гладкий ствол, предназначенный для вхождения в контакт с конструкцией и расположенный вдоль оси вращения. Поверхность гладкого ствола содержит вокруг указанного гладкого ствола чередующиеся по меньшей мере один проводящий участок и по меньшей мере один смазочный участок. По меньшей мере один проводящий участок проходит вдоль длины гладкого ствола, и указанный по меньшей мере один смазочный участок проходит вдоль всей длины гладкого ствола, на указанный смазочный участок нанесена смазка. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Металлический крепежный элемент (10), содержащий расширенную головку (12) и гладкий ствол (14), предназначенный для вхождения в контакт с конструкцией и расположенный вдоль оси (А) вращения, отличающийся тем, что поверхность гладкого ствола (14) содержит вокруг указанного гладкого ствола чередующиеся по меньшей мере один проводящий участок (24) и по меньшей мере один смазочный участок (22), причем указанный по меньшей мере один проводящий участок проходит вдоль длины (X) гладкого ствола (14) и указанный по меньшей мере один смазочный участок проходит вдоль всей длины гладкого ствола (14), на указанный смазочный участок нанесена смазка.

2. Металлический крепежный элемент (10) по п. 1, в котором площадь проводящей поверхности составляет от 20% до 80% от площади поверхности контакта с конструкцией, когда металлический крепежный элемент (10) установлен.

3. Металлический крепежный элемент (10) по п. 1, в котором гладкий ствол (14) покрыт вторым слоем смазки со слабой сцепляемостью, предназначенным для постепенного удаления по мере установки металлического крепежного элемента.

4. Металлический крепежный элемент (10) по п. 1, в котором проводящий (22) и смазочный (24) участки расположены параллельно оси вращения (А) крепежного элемента.

5. Металлический крепежный элемент (10) по п. 4, в котором по меньшей мере два смазочных участка (22) расположены диаметрально противоположно относительно оси вращения (А) крепежного элемента.

6. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, в котором проводящий (24) и смазочный (22) участки расположены в виде спирали вокруг оси вращения (А) крепежного элемента.

7. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, в котором проводящий участок (24) является чистым участком из металла или чистым участком из металла, покрытым электропроводящим слоем (26).

8. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, в котором смазочный участок (22) представляет собой участок гладкого ствола (14), покрытый твердой пленкой смазки или органической смолой, содержащей алюминиевые пигменты.

9. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, в котором ствол (14) является цилиндрическим или коническим.

10. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, дополнительно содержащий металлическую гильзу, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра ствола крепежного элемента.

11. Металлический крепежный элемент (10) по одному из пп. 1-3, в котором участок (16) фиксации содержит резьбу или множество обжимных пазов.