RU2006690C1

RU2006690C1 - Bolted joint

Info

Publication number: RU2006690C1
Authority: RU
Inventors: Б.Э. Смирнов; В.А. Шалбаян; А.Н. Панфилов; И.А. Воробьев; Е.М. Баженов
Original assignee: Нижегородское государственное предприятие "Нормаль"
Priority date: 1992-02-17
Filing date: 1992-02-17
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: aircraft manufacture. SUBSTANCE: bolted joint has countersunk cone-headed bolt which is an interference fit in hole of part stack with taper seat for bolt head. Bolt is made of material whose hardness is higher than that of material of parts. On taper surface of bolt head there is circular projection with cross-section in form of segment. Segment has radius R = (0.036 - 0.06)d and height h = (0.018 - 0.3)d, where d is nominal diameter of bolt shank. Segment may be truncated by chord located at angle of 0 to 10 deg to axis of bolt head. EFFECT: reduction of force required for pressing projection into surface of taper seat and tight faying of bolt head to surface of seat. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к авиастроению, в частности к конструкции герметичных и высокоресурсных болтовых и болтзаклепочных соединений летательных аппаратов. The invention relates to aircraft manufacturing, in particular to the design of sealed and high-resource bolt and bolt-rivet joints of aircraft.

Известны потайные болтовые и болтзаклепочные соединения, позволяющие обеспечить высокую долговечность и герметичность путем создания радиального натяга 0,6-1,2% между стержнем крепежного элемента и отверстием в металлическом пакете. Known countersunk bolt and bolt-rivet connections, allowing to provide high durability and tightness by creating a radial tightness of 0.6-1.2% between the rod of the fastener and the hole in the metal bag.

Герметичность таких соединений без дополнительных средств герметизации гарантируется при наличии толщины перемычки не менее 3 мм (расстояние между основанием потайного гнезда и кромкой обшивки), что на практике не всегда приемлемо из-за завышения толщины обшивок и веса конструкции в целом. Кроме того, большой объем потайных болтовых и болт-заклепочных соединений в самолетных конструкциях устанавливается в отверстия с зазором, что вызывает необходимость в обеспечении герметичности лишь за счет контакта потайной головки крепежного элемента с гнездом. The tightness of such joints without additional sealing means is guaranteed if there is a jumper thickness of at least 3 mm (the distance between the base of the countersunk nest and the edge of the skin), which in practice is not always acceptable due to the overestimation of the thickness of the skin and the weight of the structure as a whole. In addition, a large volume of countersunk bolt and bolt-rivet joints in aircraft structures is installed in the holes with a gap, which makes it necessary to ensure tightness only due to the contact of the countersunk head of the fastener with the socket.

Известно болтовое соединение деталей, содержащее установленный в отверстии пакета деталей болт с потайной головкой. A bolted connection of parts is known, comprising a countersunk head bolt installed in an opening of a package of parts.

Боковая поверхность головки болта выполнена сферической, а гнездо под нее - коническим. The lateral surface of the bolt head is made spherical, and the socket under it is conical.

Недостатком этой конструкции является то, что для внедрения головки болта в зенкованную поверхность гнезда пакета требуется приложение больших усилий из-за увеличенной площади внедряемой поверхности. The disadvantage of this design is that for the introduction of the head of the bolt into the countersunk surface of the socket of the package requires a lot of effort due to the increased area of the introduced surface.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является соединительное устройство, содержащее болт с потайной конической головкой, на конической поверхности которой выполнены кольцевая канавка, заполненная герметизирующим составом, и конический кольцевой выступ. The closest in technical essence to the invention is a connecting device containing a bolt with countersunk conical head, on the conical surface of which is made an annular groove filled with a sealing compound, and a conical annular protrusion.

Болт установлен с натягом в отверстие пакета деталей с коническим гнездом под головку. Поперечное сечение выступа на головке представляет собой трапецию, ширина выступа составляет (0,25-0,3)d, высота - (0,05-0,06)d, где d - диаметр стержня болта. The bolt is tightened into the hole in the package of parts with a conical socket under the head. The cross section of the protrusion on the head is a trapezoid, the width of the protrusion is (0.25-0.3) d, height is (0.05-0.06) d, where d is the diameter of the bolt rod.

Недостатком данного крепежного соединения является то, что при заданной конфигурации и размерах выступа для его внедрения в поверхность конического гнезда пакета требуется приложить большие усилия. Площадь боковой поверхности кольцевого выступа будет равна произведению длины наружного контура трапеции на длину окружности большого радиуса кольцевого выступа. Этот радиус R будет равен расстоянию от продольной оси головки до середины нижнего основания трапеции. Таким образом площадь боковой поверхности кольцевого выступа будет равна S_выст= l_трап. ˙ π R.The disadvantage of this mounting connection is that for a given configuration and size of the protrusion for its implementation in the surface of the conical socket of the package requires great effort. The area of the lateral surface of the annular protrusion will be equal to the product of the length of the outer contour of the trapezoid by the circumference of the large radius of the annular protrusion. This radius R will be equal to the distance from the longitudinal axis of the head to the middle of the lower base of the trapezoid. Thus, the area of the side surface of the annular protrusion will be equal to S _protr = l _ladder. ˙ π R.

Усилие запрессовки выступа в гнездо пакета будет равно Р_з = q ˙ S_выст. Величина q в случае внедрения конуса в тело будет равна (2,5-3) σ_0,2 [4] , где σ_0,2 - условный предел текучести материала пакета (в данном случае внедряется не конус, а плоское тело, поэтому величина q будет в 2-3 раза выше).The force of pressing the protrusion into the socket of the package will be equal to P _s = q ˙ S _prot . The q value in the case of the cone penetration into the body will be equal to (2.5-3) σ _0.2 [4], where σ _0.2 is the conditional yield strength of the package material (in this case, not a cone, but a flat body is introduced, therefore, the value q will be 2-3 times higher).

Расчет показывает, что в случае использования наиболее перспективных и широко применяемых в авиастроении болтов из титанового сплава ВТ16 с σ_В = 105-120 кгс/мм² и пакетов из алюминиевого сплава Д16Т с σ_0,2 = 34 кгс/мм² величина q будет равна 204 кгс/мм². Для болтов диаметром 5 мм S_выст. = 26,4 мм², а усилие запрессовки Р_з = 5380 кгс. Величина расчетного разрушающего усилия Р_рр для болтов диаметром 5 из титанового сплава ВТ16, равна 1110 кгс, т. е. в 5 раз меньше. В этом случае при запрессовке выступа в гнездо на всю свою высоту в головке болта неизбежно будут возникать трещины. Если же выступ будет запрессован не на полную высоту, то не будет обеспечиваться полное прилегание головки болта к пакету. В этом случае, как показали результаты экспериментальных исследований долговечность болтового соединения снижается в 3 раза. Таким образом практическое использование известного крепежного соединения не представляется возможным.The calculation shows that in the case of using the most promising and widely used in aircraft industry bolts made of titanium alloy VT16 with σ _B = 105-120 kgf / mm ² and packages of aluminum alloy D16T with σ _0.2 = 34 kgf / mm ^2, q will be equal to 204 kgf / mm ² . For bolts with a diameter of 5 mm S _prot. = 26.4 mm ² , and the pressing force P _s = 5380 kgf. The value of the calculated breaking force P _pp for bolts with a diameter of 5 made of VT16 titanium alloy is 1110 kgf, i.e., 5 times less. In this case, when pressing the protrusion into the socket to its full height, cracks will inevitably occur in the bolt head. If the protrusion is not pressed to the full height, then the full fit of the bolt head to the bag will not be ensured. In this case, as shown by the results of experimental studies, the durability of the bolted connection is reduced by 3 times. Thus, the practical use of the known fastening connection is not possible.

Целью изобретения является снижение усилий запрессовки выступа в поверхность конического гнезда отверстия пакета деталей, а также повышение долговечности образованного болтового соединения. The aim of the invention is to reduce the efforts of pressing the protrusion into the surface of the conical socket of the hole of the package of parts, as well as increasing the durability of the formed bolt connection.

Другой целью изобретения является повышение технологичности изготовления болта методом холодной высадки. Another objective of the invention is to improve the manufacturability of the manufacture of a bolt by cold heading.

Для достижения поставленной цели в известном болтовом соединении, содержащем болт с конической потайной головкой и кольцевым выступом на конической поверхности последней, установленный с натягом в отверстие пакета деталей с коническим гнездом под головку, выступ выполнен с поперечным сечением в виде сегмента с радиусом, равным (0,036-0,06)d, и высотой (0,018-0,03)d, где d - номинальный диаметр болта. To achieve this goal in a known bolted connection containing a bolt with a conical countersunk head and an annular protrusion on the conical surface of the latter, installed with an interference fit in the hole in the package of parts with a conical socket for the head, the protrusion is made with a cross section in the form of a segment with a radius equal to (0,036 -0.06) d, and a height of (0.018-0.03) d, where d is the nominal diameter of the bolt.

Кроме того, для повышения технологичности изготовления болта методом холодной высадки выступ может быть выполнен в виде сегмента, усеченного хордой, расположенной к оси головки болта под углом, равным от 0 до 10^о.In addition, to improve the manufacturability of manufacturing a bolt by cold heading, the protrusion can be made in the form of a segment truncated by a chord located to the axis of the head of the bolt at an angle equal to from 0 to 10 ^about .

Выполнение выступа с поперечным сечением в виде сегмента с заданными размерами обеспечивает снижение усилия запрессовки выступа в поверхность раззенкованного на конус гнезда отверстия пакета и внедрение выступа на всю его высоту, что способствует полному прилеганию головки к конусной поверхности отверстия пакета и обеспечивает долговечность и качество болтового соединения. The implementation of the protrusion with a cross section in the form of a segment with the given dimensions ensures a reduction in the force of pressing the protrusion into the surface of the packet hole bore onto the cone of the socket and introducing the protrusion to its entire height, which contributes to the full fit of the head to the conical surface of the packet opening and ensures the durability and quality of the bolted connection.

При выполнении формы поперечного сечения выступа в виде сегмента, усеченного хордой, параллельно оси головки или под углом к ней до 10^о, стойкость инструмента при высадке болтов практически не отличается от соответствующей стойкости для болтов с головками без выступа, а более острая форма вершины выступа снижает усилия, необходимые для внедрения его в конусную поверхность гнезда под головку.When the cross sectional shape of the protrusion in the form of a segment of a truncated chord parallel to the axis of the head, or at an angle thereto ^to 10 °, tool life when landing bolts practically does not differ from the corresponding resistance for bolts with heads without protrusion, more acute form of protrusion peaks reduces the effort required to introduce it into the conical surface of the socket under the head.

Выполнение выступа с высотой менее 0,018d и радиусом менее 0,036d не обеспечивает герметичности болтового соединения при неблагоприятном сочетании полей допусков угла конуса потайной головки болта и конической поверхности зенкованного гнезда. Например, в случае, когда угол конуса головки болта выполнен с максимальным минусовым допуском -1^о, а конус гнезда - с максимальным плюсовым допуском +30', то на части длины окружности контакта внедрение выступа в поверхность гнезда будет происходить на небольшую глубину до 0,02 мм, что не обеспечивает герметичность соединения.Performing a protrusion with a height of less than 0.018d and a radius of less than 0.036d does not ensure tightness of the bolted connection with an unfavorable combination of tolerance fields of the cone angle of the countersunk head of the bolt and the conical surface of the countersink socket. For example, in the case where the angle of the cone of the bolt head is formed with a maximum minus a tolerance ^of -1 and socket cone - with a maximum tolerance of plus-30 ', the contact part of the length in the circumferential surface of the introduction protrusion jack will occur to a small depth to 0, 02 mm, which does not ensure the tightness of the connection.

При выполнении выступа с высотой более 0,03d и радиусом более 0,06d для его полной запрессовки в поверхность гнезда требуется приложение усилий, превышающих расчетные разрушающие, вследствие чего возможно возникновение трещин на головке болта. When performing a protrusion with a height of more than 0.03d and a radius of more than 0.06d, it is necessary to apply forces in excess of the calculated destructive forces to completely press it into the surface of the socket, as a result of which cracks can occur on the bolt head.

На фиг. 1 изображено болтовое соединение, общий вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, вариант. In FIG. 1 shows a bolted connection, a general view; in FIG. 2 - node I in FIG. 1; in FIG. 3 - the same option.

Болтовое соединение содержит пакет соединяющих деталей 1, 2 с отверстием 3, болт 4, гайку 5 и шайбу 6. Болт 4 имеет потайную коническую головку 7 с кольцевым выступом 8 на конической поверхности 9 головки 7 и установлен с натягом в отверстие 3 с раззенкованным на конус гнездом 10 под головку 7. Выступ 8 имеет поперечное сечение в виде сегмента с радиусом R = = (0,026-0,06)d и высотой h = (0,018-0,03)d, где d - номинальный диаметр стержня болта. Выступ 8 может также быть выполнен с поперечным сечением в виде сегмента усеченного хордой 11, параллельной оси головки 7 болта 4 (фиг. 3) или под углом до 10^о к ней. Выступ 8 расположен на расстоянии 0,45. . . 0,55 высоты головки 7 болта 4 от ее нижнего основания.The bolt connection contains a package of connecting parts 1, 2 with a hole 3, a bolt 4, a nut 5 and a washer 6. The bolt 4 has a countersunk conical head 7 with an annular protrusion 8 on the conical surface 9 of the head 7 and is tightened into the hole 3 with the counterbore on the cone socket 10 under the head 7. The protrusion 8 has a cross section in the form of a segment with a radius R = (0,026-0,06) d and a height h = (0,018-0,03) d, where d is the nominal diameter of the bolt rod. The protrusion 8 can also be made with a cross section in the form of a segment truncated by the chord 11, parallel to the axis of the head 7 of the bolt 4 (Fig. 3) or at an angle of up to 10 ^about it. The protrusion 8 is located at a distance of 0.45. . . 0.55 of the height of the head 7 of the bolt 4 from its lower base.

В процессе установки болта 4 в отверстие 3 методом запрессовки, затягивания или ударным способом происходит вдавливание кольцевого выступа в материал детали, твердость которой меньше твердости материала болта. Полученная экспериментально величина усилия запрессовки Р_зкольцевого выступа при постановке болтов по ОСТ 1 31041-79 диаметром 5 мм, выполненных с выступом, равна 646-652 кгс, что ниже нормативного расчетного разрушающего усилия р_рр. У болтов диаметром 6 и 8 мм Р_зсоответственно равны 700-796 кгс и 2430-2350 кгс, а величины Р_рр равны соответственно 1580 и 2850 кгс.In the process of installing the bolt 4 into the hole 3 by pressing, tightening or by impact method, the annular protrusion is pressed into the material of the part whose hardness is less than the hardness of the bolt material. The experimentally obtained value of the pressing-in force P _{s of the} annular protrusion when setting the bolts according to OST 1 31041-79 with a diameter of 5 mm, made with the protrusion, is 646-652 kgf, which is lower than the standard design breaking stress r _pp . For bolts with a diameter of 6 and 8 mm, P _s are equal to 700-796 kgf and 2430-2350 kgf, and the values of P _pp are equal to 1580 and 2850 kgf, respectively.

Таким образом использование предлагаемой конструкции повышает долговечность и качество болтового соединения, а также его герметичность за счет снижения усилия запрессовки выступа в поверхность конического гнезда, отверстия пакета соединяемых деталей. Thus, the use of the proposed design increases the durability and quality of the bolted connection, as well as its tightness by reducing the efforts of pressing the protrusion into the surface of the conical socket, the holes of the package of connected parts.

Изобретение можно использовать также в потайном болт-заклепочном соединении. (56) Абибов и др. Технология самолетостроения. М. : Машиностроение, 1982, с. 356-358. The invention can also be used in countersunk blind rivets. (56) Abibov et al. Aircraft engineering technology. M.: Mechanical Engineering, 1982, p. 356-358.

Авторское свидетельство СССР N 1448128, кл. F 16 B 5/02, 1987. USSR author's certificate N 1448128, cl. F 16 B 5/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР N 649894, кл. F 16 B 35/04, 1979. USSR author's certificate N 649894, cl. F 16 B 35/04, 1979.

Островский В. П. Справочник конструктора по холодной штамповке. М. : Госнаучтехиздат, 1957. Ostrovsky V.P. Cold stamping designer handbook. M.: Gosnauchtekhizdat, 1957.

Claims

1. БОЛТОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ, содержащее болт с конической потайной головкой и кольцевым выступом на конической поверхности, установленный с натягом в отверстие пакета деталей с коническим гнездом под головку, при этом болт выполнен из материала с твердостью большей, чем твердость материала деталей, отличающееся тем, что кольцевой выступ выполнен с поперечным сечением в виде сегмента с радиусом, равным (0,036 - 0,06)d, и высотой, равной (0,018 - 0,3)d, где d - номинальный диаметр стержня болта. 1. A BOLT CONNECTION containing a bolt with a conical countersunk head and an annular protrusion on a conical surface, fitted with an interference fit into the opening of a package of parts with a conical socket under the head, wherein the bolt is made of a material with a hardness greater than the hardness of the material of the parts, characterized in that the annular protrusion is made with a cross section in the form of a segment with a radius equal to (0,036 - 0,06) d, and a height equal to (0,018 - 0,3) d, where d is the nominal diameter of the bolt rod.

2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что сегмент усечен хордой, расположенной под углом 0 - 10^o к оси головки болта. 2. The connection according to claim 1, characterized in that the segment is truncated by a chord located at an angle of 0 - 10 ^o to the axis of the bolt head.