CN1042112C - 锁紧螺母的固紧装置和紧固连接方法 - Google Patents

锁紧螺母的固紧装置和紧固连接方法 Download PDF

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Abstract

螺母的固紧装置和紧固方法。螺母20有多个径向凸角64。该装置包括承接螺母的管套18、围绕管套的套筒40和凸角接合机构。凸角接合机构包括多个穿通管套18的凹槽54，每个凹槽内可转动地承接一个辊子56，辊子具有径向伸入管套内的弧段58，以与凸角接合并使其塑性变形。其特征是，辊子为截头圆锥形，其外表面可与凸角接合以使其塑性变形。这样，可以预定转矩拧紧螺母，并当拧紧时由于辊子压平凸角而提供可视标记。

Description

锁紧螺母的固紧装置和紧固连接方法
本发明涉及一种用于锁紧螺母的固紧装置和一种紧固连接方法，在该装置中，螺母起子的套筒扳手在达到一预定转矩时便会使锁紧螺母产生一种看得见的标记。
在标准的带螺纹的固紧件***中，内孔紧固件有可拧到***式紧固件的外螺纹上的内螺纹，相配紧固件的扳紧表面成了使紧固件被拧紧和使一个或多个工件在扳动表面被夹紧在一起的手段。相配紧固件与工件的组合通常称为“连接”或“接头”，带外螺纹的紧固件称为螺钉、螺栓和销钉，而带内螺纹的紧固件称为螺母或套环。
一种满意的连接必定需要足够的夹持或预载荷，由于夹持载荷而得到适当加载的紧固件可以抵抗疲劳破坏，因此，需要知道紧固件加到结构上的夹持载荷，才能确信连接具有足够的疲劳强度。
夹持的紧固载荷与螺母对于在螺母上施加转矩使之在螺钉上对着工件进一步拧紧时的抗力有关，当拧紧载荷增大时，对进一步拧紧的抗力就增大，转动螺母所需的转矩也增大。
授予Stencel的美国专利4,260,005(1981年4月7日)公开了一种有限载荷的自锁套环，该套环有若干个沿其外圆周隔开分布的凸角，用作扳动表面和转矩限制件。一个三角形的管套(即扳动工具)具有与凸角侧面接合并相对于螺钉而旋动套环的平坦部分。当达到一预定的夹持载荷时，凸角便产生径向压缩变形而合并入套环本体内，而且由于凸角不再形成管套的扳动材料而终止扳动。当凸角破坏时，凸角的径向向内的变形使套环材料径向向内并靠到相配螺钉的螺纹上而产生螺纹锁定作用。
套筒扳手旋紧紧固件的速度极快，故凸角在转动程度很小时就发生损坏。对套环快速施加紧固转矩可能会由于板件的松弛而使预载荷损失，这种松驰是由于板件在受到初始载荷后连续变形而造成的。在这种变形过程中，会由于材料移离夹紧区而降低单位面积的载荷和绝对加载量。
凸角在相当于所需预载荷的载荷下受损坏，但是，松驰是一种与时间有关的现象，当预载荷发展较慢时，松驰作用和预载荷的损失将会较小。
在某些用途中，可能要求能改变预载荷，即使在使用同样的螺母时也是如此。例如，当板件在压力下的强度不如其他板件高时，就需要降低对它们的压力。
在宇航结构中使用的固紧装置的一个重要方面是提供一种已知的并且可重复的夹紧载荷。该载荷与旋动紧固件的转矩有直接关系。在某些用途中，在形成夹紧而不是克服摩擦的过程中，不采用大的旋动转矩。为了将预载荷提高到高于设计的预载荷值以补偿松驰作用和不完全的固紧，可能需要再次扳动。
固紧装置的另一重要方面是能形成表明“接头”已被正确地扭转而不必再行拧紧的目视标志。授予Wing的美国专利4,784,549(1988.11.15)、4,858,299(1989.8.21)、4,881,316(1989.11.21)和5,012,704(1989.6.21)公开过上述这种结构。上述专利总的说来是在每个第一和第二扳手中各设置一个刻凹槽的球，该球受驱动转动地越过并进入从螺母径向凸出的轴向凸角的轴向外表面，它们与凸角接合便“凿出”两条轴向隔开并沿圆周越过凸角的凹槽。按这种方法，表面刻凹槽的球在形成上述凹槽时可能从螺母上剪切出少量材料，这些剪下的材料会污染安装紧固件的***，而露出的凹槽有受腐蚀的倾向。
因此，本发明的目的是提供一种锁紧螺母的固紧装置和一种紧固连接方法，它们可以预定的扭矩拧紧螺母，并且在达到该预定的扭矩时给螺母提供一种可视标记。
为实现上述目的，本发明提供一种锁紧螺母的固紧装置，上述螺母限定一外周面，该外周面带有若干按一定角度隔开、沿轴向延伸并可塑性变形的凸角，该凸角从螺母径向向外凸出，并在固紧装置的作用下产生变形，当上紧螺母时凸角在固紧装置作用下产生径向塑性变形，使凸角的材料向着螺母本体径向向内移动而去除与固紧装置啮合的材料并终止上紧接头，上述固紧装置包括：一个具有转动轴线和一个基本上圆筒形前端部的纵长的固紧装置本体，该固紧装置本体形成一个承接和包围螺母外周面的管套；一个具有基本上圆筒形前端部的套圈，它安装在上述固紧装置本体上并限定一个面向内的内壁，固紧装置本体的前端部同心地布置在套圈的前端部中；和凸角接合机构，它轴向延伸并构成与套圈的内壁的线接合，以承接施加到固紧装置上的扳动转矩，并使每个上述凸角的径向向外的轴向端部产生非弹性的径向变形，该凸角接合机构包含若干沿一定角度分布的轴向延伸的凹槽，每个凹槽径向穿通固紧装置本体的前端部，在每个凹槽内承接一个长形的辊子，该辊子被可转动地支撑在其各自的凹槽内，并有一个弧段径向向上述管套内延伸而与上述凸角接合并使凸角产生塑性变形；其特征在于：每个上述辊子限定一基本上截头圆锥形的外表面，并沿一中心几何轴线成对称形状，该辊子的上述外表面可与上述凸角转动地接合并可使凸角发生塑性变形。
本发明还提供一种安装一个由螺母、螺栓和至少一个板件组成的接头的方法，上述螺母在其外表面上具有多个可塑性变形的凸角，且螺母被拧到螺栓上，上述至少一个板件设置在上述螺母和上述螺栓的头之间，上述方法包括以下步骤：在一个固紧装置的管套中可转动地安置多个截圆锥形的辊子；将上述螺母置入上述管套中，使每个辊子毗邻相应的凸角；转动上述固紧装置，直至螺母以预定的转矩拧紧到螺栓上，接着迫使每个辊子越过各自的凸角，从而使每个相应凸角的一部分塑性变形。
按照本发明，转动地安装在驱动扳手管套内的碳化物圆锥形辊子转动地驱动从带有内螺纹的螺母轴向延伸的凸角，在一定的转矩下，组成凸角的径向外端部的材料由于产生沿向着螺母的方向的径向压平的塑性变形，但未被剪去，因此，允许管套相对于凸角而转动，而使圆锥形辊子推进到接着的下一个凸角上。其后，接头的夹持载荷卸去，重复上述过程，圆锥形辊子被驱动再次与凸角接合。
作为本发明的有益效果，当达到预定的扭矩时，径向压平的凸角给操作者提供螺母已被正确扭紧的可见标记。由于凸角也是沿扭转方向呈一定角度被压平，所以，松开的工具会剪下呈角度压平的部分，从而显示一种标记，说明螺母已经固紧。另外，该预定扭矩可通过套圈相对于固紧装置本体的轴向移动而调节。
从下面结合附图的说明和所附权利要求可以更清楚了解本发明的其他目的、优点和特征，附图中：
图1是一种固紧装置的纵剖面图，该装置包含一个驱动扳手和一个传动管套，用来驱动一个带内螺纹的多凸角螺母，使其拧紧到一个带外螺纹的紧固件上，从而将一对板件连接在一起；
图2是图1的传动管套的纵剖分解图；
图3是沿图2的3-3线剖切的放大剖视图，示出传动管套和管套的套圈；
图4是沿图3的4-4线的剖视图，示出传动管套定位于靠着第一凸角处以便驱动螺母；
图5是类似于图4的剖面图，示出传动管套正在扭转锁紧螺母；
图6是类似于图4的剖面图，示出被传动管套完全扭转时的第一凸角和转动到对下一个接续的凸角施加转矩的位置的传动管套；
图7是从螺母顶上向下看的平面图，示出在图6中所示的被扭转的凸角；
图8-12分别对应于图3-7，差别仅在于上述管套套圈已被相对于传动管套作向后的轴向移动。
下面参看附图，图1示出一固紧装置，包含：一件带有从工具10伸出的轴向转动驱动件12的电动工具10、一个大致为圆筒形的带有与驱动件活动连接的后传动管套16和前传动管套18的套筒扳手14、一个带有可接纳在前管套18中的外周边和内轴向螺纹孔(未示出)的凸角锁紧螺母20、一对组成一组对准的螺钉孔(未示出)的板件22和24、和一个螺钉26，该螺钉26的头部26a紧靠着板件22，其带外螺纹的轴向杆体26b穿过螺钉孔与锁紧螺母20形成螺纹连接。螺钉头26a带有扳扭表面，以助扭转螺杆体26b进入锁紧螺母20中。
电动工具10可用普通方法供给动力，驱动件12的横截面要使之能与后传动管套16联锁，虽然驱动件12和传动管套16的横截面可能有多种形状，但图中只示出正方形。
下面主要参看图1和2，套筒扳手14具有转动中心轴线，其每一个零件都基本上同心地排列。套筒扳手14含有：一个大致为圆筒形的本体28，它包含前端部32和后端部30以便分别形成管套16和18以及穿过本体28中心并位于管套16与18间的阶梯孔34，前传动管套18的内壁和端部30之外圆周36是部分带有螺纹的；一个与管套18螺纹配合的止动螺母38；和依次套在本体28的外圆周36上的一个套圈40、一个止推垫圈42、一个套筒44和一个防松螺母46。一个带螺纹的紧固件48置入阶梯孔34内，使其头部48a置于管套16内并靠紧其端壁，紧固件48之本体48b伸入管套18中并与止动螺母38螺纹连接。
止动螺母38大致为圆柱形，它带有一个在其相对的两个轴向端面38a和38b之间同轴延伸的阶梯形孔，端面38a靠紧管套18之轴向端壁，而端面38b则座落在锁紧螺母20之顶部。止动螺母38之外表面带有螺纹，与前管套18中的螺纹相啮合，这就可使锁紧螺母20的安置位置相对于管套18作轴向变化。阶梯孔带有部分内螺纹，可与紧固件本体48b螺纹连接，它还有一从端面38b轴向向内延伸的圆柱形座口或称空穴38c，用来承接螺钉26的轴向端部。
套筒44大致为圆筒形，它有一个靠在止推垫圈42的后轴向面上的前轴向端面和一个紧靠防松螺母46上的后轴向端面。套筒44和防松螺母46带有内螺纹，与带有外螺纹的后端部30螺纹连接。螺纹互连可有利地使套筒44相对于本体部分30和32作轴向移动，并使套圈40的轴向位置可相对于本体的前端部而改变，从而可按下述方法调节转矩。
套圈40大致为圆筒形，并带有前后轴向端面，其后轴向端面紧靠止推圈42的前轴向端面，它的内壁由一个圆筒形后壁部分50和一个径向向外扩大呈截头圆锥形的壁部分52组成，前者的尺寸做成可与前端部32的外圆周36形成轴向滑动的间隙配合，后者则围绕在上述的前端部32的周围。
按照本发明，最好围绕前端部32等角度设置若干其尺寸可接纳一个相应圆锥形辊子56的轴向凹槽54，该凹槽54有一对长形的呈一定角度相隔的侧壁54a和54b，并有一对轴向隔开的端壁54c和54d。侧壁54a和54b各位于径向延伸的平面内，并组成一V形托架，以便可转动地支承一圆锥形辊子56，至于圆锥形辊子56，它具有一个相对其中心轴线对称的、并位于相对的端面56b和56c之间的截头圆锥形外表面56a。圆锥形辊子56座落在其凹槽54内，使得端面56b和56c毗连凹槽54的端壁54c和54d，且圆锥形辊子56的一个轴向延伸的弧形段58径向突起进入管套18内。当圆锥形辊子56座落在凹槽内时圆锥辊弧段58的径向最内的凸部则位于圆心在转动轴线上的圆弧上。套圈40的锥形壁部52与端部18呈锐角关系。重要的是，锥形壁部52的尺寸被做成与圆锥形辊子外表面56a的径向最外的延伸段呈线性接触接合，从而使圆锥形辊子56只能限制在凹槽内相对于其凹槽而转动。
虽然上面提到圆锥形辊子56和套圈壁52是截头圆锥形的，但是，它们也可以分别为圆柱形的。
锁紧螺母20有一截头圆锥形底部60和一圆柱形的头部62，前者有一可靠在板件24上的相接面60a，后者有一从底部沿纵向延伸到顶端面62b的圆柱形表面62a，其头部承接在前管套18内。若干轴向延伸并呈一定角度分布的凸角64从表面62a径向向外凸出，相邻的成对凸角组成在端面62b敞开的、并轴向延伸到底部60的凹槽。该凹槽可接纳圆锥形辊子之弧段部分，使圆锥形辊子落在凸角之间。凸角64的横截面大致为半圆柱形，它带有一径向向外的脊部64a、一个向着扭转转动方向的弧形侧面64b和一个背离扭转转动方向的弧形侧面64c。
每个凸角的外圆周位于一个圆的圆弧上，该圆的直径稍小于管套18的最大内径(例如，由前端部32的内壁形成的圆的内径)，但大于与圆锥形辊弧段58径向向内突出部相切的圆弧的直径。
锁紧螺母20及其相关的凸角64由可产生塑性变形的材料制成，因此，锥形驱动辊子56要用比螺母20的材料更硬的材料来制造。虽然对于一种用途的圆锥辊子56和凸角64可有多种材料组合，但是，圆锥辊都是用碳化物制成的。
在所有其它参数恒定的情况下，转动的圆锥形辊子越过凸角所需的时间和固紧工具的转动速度决定了连接的松驰程度，可能希望有较大的凹槽间隔，以便使达到所需预载荷后的松驰程度减至最小。
上述凹槽的深度、锁紧螺母的材料和凸角的直径与驱动辊子的直径有关系，也就是说，当施加一预定压力时，凸角就损坏，这又与锁紧螺母与锁紧螺钉头部间连接处所受的扭矩和预载荷直接有关系。控制预载荷的方法之一是改变圆锥形辊子发生非弹性变形的材料量。预载荷的大小与凸角的数量和圆锥形辊子的数量有关，故也可通过改变与圆锥辊子相交切的凸角的面积来控制预载荷。第三种方法就是改变凸角材料与圆锥形辊子材料的硬度比。
参看图3-7，套圈40已安装在其相对于本体28的最前面的轴向位置，对于给定的凹槽54和圆锥形辊子56来说，套圈40的锥形内壁52迫使圆锥辊子弧段58最大程度地径向向内，并阻止圆锥形辊子56径向向外移动。
如图4所示，当对固紧装置施加一预定的转矩时，圆锥形辊子56就抵靠在凸角64的侧面64c而转动。在图5，进一步的扭转将会使凸角受到朝向螺母的径向压力，并使凸角产生径向压缩损坏。这就是说，当驱动件12沿着转动方向使螺钉上的螺母靠着板件而拧紧、从而与板件一起产生预定的载荷促使凸角与辊子接合得更紧时，凸角就径向向内变形，圆锥形辊子就沿转动方向使凸角的材料发生如65处所示的变形，最后，圆锥辊子使凸角发生如标号67处所示的变形，并转动到靠着下一个凸角的位置。图6和7示出凸角的被压平的部分69。
其后，圆锥形辊子56被带动越过下一个凸角，以克服接头中的松驰。
如图8-12所示，防松螺母46和套筒44已经向后定位在后端部16上，因此可使套圈40轴向定位在其前端之后部，在此状态下，套圈40的轴向回缩就使锥形壁52与圆锥形辊子进一步径向向外相隔，并且在圆锥形辊子与凸角接合时可迫使圆锥形辊子56从它们各自的承窝中径向向外而靠到锥形壁52上，因此，如图11和12所示，圆锥形辊子56与凸角64的接合较少，塑性变形就较小，转矩也较小。
虽然上面的说明构成了本发明的最佳实施例，但是，很显然，在不背离所附权利要求书的确切范围或明确含义的情况下，可以容许对本发明进行改进、改型和改动。

Claims (8)

1．一种用来通过对螺母(20)施加转矩而上紧接头处的螺母的固紧装置，上述螺母限定一外周面，该外周面带有若干按一定角度隔开、沿轴向延伸并可塑性变形的凸角(64)，该凸角从螺母径向向外凸出，并在固紧装置的作用下产生变形，当上紧螺母时凸角在固紧装置作用下产生径向塑性变形，使凸角的材料向着螺母本体径向向内移动而去除与固紧装置啮合的材料并终止上紧接头，上述固紧装置包括：
一个具有转动轴线和一个基本上圆筒形前端部(32)的纵长的固紧装置本体(28)，该固紧装置本体形成一个承接和包围螺母(20)外周面的管套(18)；
一个具有基本上圆筒形前端部的套圈(40)，它安装在上述固紧装置本体(28)上并限定一个面向内的内壁(50,52)，固紧装置本体的前端部(32)同心地布置在套圈(40)的前端部中；和
凸角接合机构，它轴向延伸并构成与套圈(40)的内壁(50,52)的线接合，以承接施加到固紧装置上的扳动转矩，并使每个上述凸角(64)的径向向外的轴向端部产生非弹性的径向变形，该凸角接合机构包含若干沿一定角度分布的轴向延伸的凹槽(54)，每个凹槽径向穿通固紧装置本体(28)的前端部(32)，在每个凹槽(54)内承接一个长形的辊子(56)，该辊子被可转动地支撑在其各自的凹槽内，并有一个弧段(58)径向向上述管套(18)内延伸而与上述凸角(64)接合并使凸角产生塑性变形；
其特征在于：
每个上述辊子(56)限定一基本上截头圆锥形的外表面(56a)，并沿一中心几何轴线成对称形状，该辊子的上述外表面(56a)可与上述凸角(64)转动地接合并可使凸角(64)发生塑性变形。
2．根据权利要求1的固紧装置，其特征在于，还包括用于改变上述套圈(40)相对于固紧装置本体(28)的轴向位置的机构(30,44,46)。
3．根据权利要求1的固紧装置，其特征在于，上述套圈(40)的前端部构造成能在上述辊子(56)与上述凸角(64)接合时阻止辊子(56)径向向外移动。
4．根据权利要求1或2的固紧装置，其特征在于，上述套圈的内壁(52)相对于上述固紧装置本体(28)的中心轴线成截头圆锥形，并且上述辊子(56)设置成使其外表面(56a)从上述固紧装置本体的凹槽(54)部分地径向向外凸出并与上述套圈(40)的内壁(50，52)相接合。
5．紧固连接一个由螺母(20)、螺栓(26)和至少一个板件(22,24)组成的接头的方法，上述螺母(20)在其外表面上具有多个可塑性变形的凸角(64)，且螺母(20)被拧到螺栓(26)上，上述至少一个板件(22,24)设置在上述螺母(20)和上述螺栓(26)的头(26a)之间，上述方法包括以下步骤：
在一个固紧装置的管套(18)中可转动地安置多个截圆锥形的辊子(56)；
将上述螺母(20)置入上述管套(18)中，使每个辊子(56)毗邻相应的凸角(64)；
转动上述固紧装置，直至螺母(20)以预定的转矩拧紧到螺栓(26)上，接着迫使每个辊子(56)越过各自的凸角(64)，从而使每个相应凸角(64)的一部分塑性变形。
6．根据权利要求5的方法，其特征在于它还包括使每个辊子(56)可转动地接合下一个相邻凸角(64)的步骤。
7．根据权利要求5的方法，其特征在于，上述安置辊子(56)的步骤包括将辊子(56)分别安置在上述固紧装置的管套(18)上的以角度间隔开的轴向凹槽(54)中，使得辊子(56)的径向向内部分凸出到上述管套(18)的内部，而辊子(56)的径向向外部分凸出到上述管套(18)的外部；并且所述方法还包括这样一个步骤：将一个套圈(40)围绕着上述管套(18)和辊子(56)安装，使得上述套圈(40)的内壁(50,52)与上述辊子(56)的径向最外的凸出部构成线接触。
8．根据权利要求7的方法，其特征在于上述套管(18)为圆筒形，而上述套圈(40)的内壁(52)相对于上述套管(18)的中心轴线为截头圆锥形；并且所述方法还包括这样一个步骤；将上述套圈(40)相对于上述套管(18)轴向移动，以改变每个辊子(56)的径向位置，从而改变由每个辊子56造成的塑性变形的材料量。
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