CN105339686A - 主动锁定固定螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固定螺栓(10)，包括：螺杆(11)，上述螺杆包括螺纹部分(17)和端部(18)，端部直径(19)小于螺纹部分直径。上述端部端面(21)包括通槽(22)；螺母(30)包括带内螺纹的主体(32)和无内螺纹的螺母冠(34)，在上述螺母冠上设有至少两个径向相对的销孔(35)；定位销(23)能***螺杆凹槽和螺母侧面的两个销孔中，锁紧螺栓；螺母内螺纹主体包括传动部分(38)和通道(34)，后者相较于传动部分更薄；螺母生产工艺包括将圆形的通道处理成椭圆形。

Description

主动锁定固定螺栓
本发明涉及一种固定螺栓，包括螺杆和螺母，配备防螺母松动的安全装置。
在航空领域，在飞行器结构上紧固发动机等情况下，应确保固定方式安全等级较高，能在固定位置受到剧烈震动的情况下，仍有效防止部件松动。为此，拧紧螺母到螺杆上时产生的压力应在任何时候都保持一致，即使在使用一段时间后，且期间数次拆装上述紧固件的情况下也不例外。
通常会配合使用槽形螺母和带销孔的螺杆，详情参阅FR2955632文件。
在上述装置中，螺母包括带内螺纹的凸缘。凸缘初始的圆形部分被略微压扁，变成椭圆形，并对凸缘施加相应的制动力。将凸缘拧紧到圆形螺杆螺纹部分上时，凸缘恢复成圆形，在螺纹上施加压力，防止螺母松脱。
凸缘设有端面槽，可***定位销，定位销将穿过螺杆端部的通孔，防止螺母绕螺杆转动。
但螺母变形对螺母和螺杆造成的干扰，让上述装置存在严重的卡死风险。装配螺母螺杆时，因制动作用变形的螺母端面槽或带内螺纹的凸缘还可能会贯穿销孔斜面。钢制螺杆/螺母组合件和至少包括一个钛组件的螺杆/螺母组合件均存在这种风险，后者因摩擦特性较差，出现卡死现象的风险更高。
此外，振动测试结果也明确表明固定端面槽存在脆断情况。
实践表明，在上述装置带内螺纹的凸缘处进行的椭圆变形处理，经过数次拆卸作业后，通常由上述变形产生的制动力矩明显减小，因此，装置性能很有可能会下降。实际上，部分采用现有技术生产的制动螺母，当第一次装配螺母螺杆时，就会朝向圆形部分产生较明显变形。拆卸并重装螺母后，上述塑性变形会导致制动力矩出现明显下降。
为贯彻防意外松动的双重安全原则，并确保紧固件经拆装作业后依然能满足上述原则要求，应寻找能代替传统槽形螺母和带销孔的螺杆的方案。
第一种方案是使用带端面槽的螺杆和带销孔的螺母，详见文件US1099510所述装置。上述文件描述的螺杆，端面包括可***定位销的狭槽，上述定位销需穿过配套螺母侧面的销孔。
但是，文件US1099510所述装置显然不适合用于航空领域，装置形状也不允许通过椭圆变形实现制动。另外，上述装置也不能解决装配和拆卸后续作业产生的问题。
本发明涉及一种防松动双重安全固定螺栓，致力于解决目前存在的难题，与采用现有技术制造、广泛使用的槽形螺母完全匹配。
为此，本发明旨在设计一种固定螺栓，包括螺杆，上述螺杆包括头部、沿第一轴线分布的螺纹部分、端部，上述端部沿第一轴线与螺纹部分相接，上述端部直径小于螺纹部分最小直径，上述端部端面设有通槽；螺栓还包括螺母，螺母包括前支承面、沿第二轴线分布的内螺纹主体，主体包括内螺纹通道，以及与支承面相对、沿第二轴线与内螺纹主体相接的无内螺纹螺母冠；上述螺母冠侧面至少设有两个径向相对的孔；另外，螺栓还包括定位销，能***螺杆凹槽和螺母侧面的两个销孔里。
本发明涉及螺母生产工艺包括将圆形的通道处理成椭圆形。
处理前通道外径和螺母公称直径比在1.30至1.35之间，
处理前内螺纹通道高度和螺母公称直径比大于或等于0.65。
第一个直径比能保证装置壁具备理想的刚性，第二个直径比确保其具备最小挠度。
采用上述配置，即可利用螺母实现制动，定位销进行锁紧，提供双重安全保证，避免使用现有技术制造的螺母端面槽存在的缺点。
另外，比起必须进行精细的去毛刺作业的槽形螺母，螺杆凹槽和螺母侧面的销孔也更易加工。不同于文件US1099510描述的装置，本发明所述螺母冠无内螺纹，简化了销孔成型作业。
另外，通道高度和直径特性让其比采用现有技术制造的螺母弹性更好，增加螺栓可循环使用的次数。得益于螺母的弹性，多次拆/装螺母也能保证制动力矩的稳定性。
优选最小内径大于螺杆端部直径的无内螺纹椭圆形螺母冠。“最小内径”指椭圆形最小直径。这样，即使将螺母冠椭圆变形考虑在内，也能避免装配螺母螺杆时，出现螺杆凹槽边缘卡死在螺母冠销孔或变形的通道中的情况。
另外，还应优选最小外径小于传动部分最小外径的通道。
沿第二轴线分布的传动部分长度最好应小于沿上述轴线分布的内螺纹主体总长的三分之一，确保在不影响螺母弹性的同时，减轻螺母质量。
本发明的一个具体实施例显示，螺母生产工艺包括将圆形的内螺纹通道和螺母冠处理成椭圆形。
参阅下文说明和附图，更好地了解本发明。说明和示意图仅供参考，非限制性内容。示意图说明：
-图1：根据本发明的一个实施例绘制的固定螺栓分解图；
-图2：椭圆变形处理后图1螺栓组件剖面图；
-图3：椭圆变形处理前图1螺栓组件剖面图；
图1为根据本发明的一个实施例绘制的未组装固定螺栓分解图。
螺栓10包括螺杆11，螺杆沿第一轴线12安装。螺杆11包括头部13，上述头部13包括支承面14，支承面将与待组装结构相接触。头部13还包括传动侧面15，与组装工具共同作用。在图1提供的示例中，表面15为“双六角”或“12齿”形。
头部13沿轴线12延伸除了圆柱形的轴体16。轴体16延伸出了螺纹部分17。头部对面为螺杆11端部18，上述端部沿轴线12延伸出了螺纹部分17。端部18侧面光滑，直径19小于螺纹部分17最小直径20。“最小直径”指螺纹部分17螺纹底部直径。
上述端部端面21包括通槽22。组装螺栓10时，可将定位销23***上述通槽中。
图1可见凹槽22截面为槽形，但也可以选用其他形状。
螺栓10还包括螺母30，螺母沿第二轴线31安装。组装螺栓10时，第一轴线12和第二轴线31重合。
螺母30包括主体32，其中沿轴线31分布的端部带前支承面33，支承面将与待组装结构相接触。主体32的另一个端部延伸出了螺母冠34，上述螺母冠侧面至少设有两个径向相对的销孔35。组装螺栓10时，可将定位销23***销孔35中。
图2为螺母30剖面图，根据A-A剖面图绘制，覆盖轴线31，与图1垂直。
内螺纹36位于主体32内侧。装配螺母螺杆时，内螺纹36和螺杆11螺纹部分17相互作用。
安装在主体32上方的螺母冠34无内螺纹，上述螺母冠内径37最好大于内螺纹36底部直径。
螺母内螺纹主体32包括支承面33附件的传动部分38。上述传动部分38外侧面将与螺母螺杆装配工具共同作用。在图1和图2提供的示例中，传动部分38呈“双六角”或“12齿”形。
主体32还包括通道39，位于传动部分38和螺母冠34之间。
通道39最好选择较薄的元件。具体来讲，通道最小外径40应小于传动部分38最小外径41。
沿轴线31分布的内螺纹主体32总高42等于传动部分38高度43加上通道39高度44。主***于支承面33和螺纹端部36之间。
通道39及(适用情况下)螺母冠34为卵形或椭圆形。具体来说，通道外径40和(适用情况下)螺母冠的外径(如图2所示)比螺母冠34外径45(如图1所示)略小。
直径40指螺母冠34外缘形成的椭圆形的最小直径，直径45指上述椭圆形的最大直径。
螺母30制造期间，在图3所示螺母130的基础上加工椭圆形。螺母130的通道139和螺母冠134截面均为圆形。
通常会在热处理前，采用夹紧或压扁通道139及(适用情况下)螺母冠134的方式，将螺母130加工成椭圆形。文件EP2452082描述了类似的加工方式。
椭圆形加工最好在通道139中间进行，也就是说，加工位置与传动部分和螺母冠134的距离相同。
通道39内螺纹呈椭圆形，确保在组装螺栓10时，施加制动力，将螺母30锁紧在螺杆11上。因此，螺栓10具备防松脱双重安全功能：一方面是制动作用，另一方面是定位销23组成的锁紧***。
通常情况下，椭圆形最小直径40最好足够狭窄，产生足够的制动力，同时保证变形不超过螺母材料的弹性限制。首次将螺杆旋进螺母30中时，螺母将产生弹性变形，而非塑性变形。
螺母冠34内径37(即椭圆形的最小直径)最好大于螺杆11端部直径19，避免装配螺母30螺杆11时，凹槽22边缘卡死在销孔35里面。
与内螺纹主体32沿轴线31的总高42相比，通道39比采用现有技术制造的螺母(以文件FR2955632所述槽形螺母为例)通道更高。
通道139变形前的外径140和螺母公称直径46的比值在1.30至1.35之间。比如，直径140和直径46的比值可以是1.33。
通道39高度44和螺母公称直径46比值应大于或等于0.65。
“螺母公称直径”指表示螺母尺寸的值，比如6mm或1/4英寸。AS8879标准规定，公称直径等于螺母螺纹底部最小直径。本发明涉及到的上述最小直径为传动部分测量结果，传动部分在制造期间未经变形处理。
通道39高度和直径特性让其拥有较好的弹性，装配螺母螺杆时，通道可变成圆形，拆卸时又能恢复成椭圆形，确保螺栓10在多次循环使用期间表现稳定。
本发明还公开了另一种优选形状，传动部分38高度43小于或等于内螺纹主体总高42的三分之一，确保传动高度足够传递拧紧力矩，且无需增加螺母重量。
图1重点将螺栓10与采用现有技术制造的螺栓进行了比较，后者如文件FR2955632所述，利用螺母的椭圆变形处理实现制动。
螺栓已按照NFL22-500标准的规定接受了装/卸测试：最大拧紧力矩：6.6N.m；拧紧力矩：43N.m；最小拧松力矩：1.16N.m。测试在自动测试台上完成，测试台设为10圈/mn。
采用现有技术制造的螺栓，装/卸五次以后，螺母椭圆变形处的最小直径将明显变大，因此不能保证产生足够的制动力。装配螺母螺栓时，螺母将出现塑性变形。
相反，令人惊讶的是，钢制螺母30和钛合金螺杆11经过50次装/卸后，螺母30还能保持椭圆形及最小直径未变，且未出现塑性变形。测试使用螺杆11经过润滑，带TA6V涂层，可以选用Hi-ShearCorp公司生产的NC涂层和十六烷醇。椭圆形最小内径37在十颗全新螺母30上测得，也就是说，上述十颗螺母共经过五十次装/卸作业。测量结果详见下文表1：
表1
上述结果显示，螺母和螺杆11经过五十次装/卸后，通道39和螺母冠34形成的椭圆形尺寸并未改变。
因此，与采用现有技术制造的螺母相比，通道39的高度和直径可以增加螺母弹性，装配螺母螺杆时，将弹性变形限制在规定范围内，进而保持椭圆形不变，确保在重复装/卸期间，螺杆/螺母制动力矩稳定。
TA6V钛合金螺母30和螺杆11也接受了等效测试，上述元件均有恰当涂层，包括MoS2等固体润滑膜，也可以选择或FA等有色防腐涂层。结果显示TA6V钛合金螺母至少能在TA6V钛合金螺杆上装/卸十五次。

Claims (9)

1.-固定螺栓(10)包括：
-螺杆(11)，上述螺杆包括头部(13)、沿第一轴线(12)安装的螺纹部分(17)、端部(18)，上述端部沿第一轴线与螺纹部分相接，上述端部直径(19)小于螺纹部分最小直径(20)，上述端部端面(20)包括通槽(22)；
-螺母(30)包括前支承面(33)、沿第二轴线(31)安装的内螺纹主体(32)、无内螺纹的螺母冠(34)。上述主体包括内螺纹通道(39)，上述螺母冠沿第二轴线与内螺纹主体相接，位于支承面对面，侧面至少设有两个径向相对的销孔(35)；
-定位销(23)能***螺杆凹槽和螺母侧面的两个销孔中；
上述螺栓特征如下：
-螺母生产工艺包括将圆形(139)的内螺纹通道处理成椭圆形，
-处理前通道(139)外径和螺母公称直径(46)比值在1.30至1.35之间；且
-通道(39)高度(44)和螺母公称直径比值大于或等于0.65。
2.-如权利要求1所述的固定螺栓，螺母内螺纹主体(32)包括传动部分(38)，邻近前支承面(33)，上述部分(38)外侧面与组装工具共同作用。
3.-如权利要求2所述的固定螺栓，通道(39)位于传动部分(38)和螺母冠(34)之间。
4.-如权利要求1或2所述的固定螺栓，椭圆变形后的通道(39)最小外径(40)小于传动部分(38)最小外径(41)。
5.-如权利要求1所述的固定螺栓，螺母生产工艺包括将圆形的内螺纹通道(39)和螺母冠(139)处理成椭圆形。
6.-如权利要求5所述的固定螺栓，无内螺纹椭圆形螺母冠(34)最小内径(37)大于螺杆端部直径(19)。
7.-如上述权利要求任意一条所述的固定螺栓，沿第二轴线(31)分布的传动部分(38)长度(43)小于或等于沿上述轴线分布的内螺纹主体总长(42)的三分之一。
8.-如上述权利要求任意一条所述的固定螺栓，螺母(30)为钢制元件，螺杆(11)为钛合金材质。
9.-如1到7条权利要求任意一条所述的固定螺栓，螺母(30)和螺杆(11)均为钛合金材质。
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