专利名称：紧固件预应力连接的制作方法
技术领域：
本发明涉及紧固连接设计，例如螺接，特别地涉及向紧固件加预应力而使得处于最大应用载荷情况下在紧固件中产生更均匀的应力的连接。
背景技术：
当连接是非对成的且紧固件载荷不在紧固件的中心线上时，引起在弯曲平面中横跨诸如螺栓的紧固件的杆11的弯曲应力。
图1A和图1B示意性地说明了作用了相同轴向载荷(比如，在螺栓的杆的轴线上的载荷)的两紧固件。图1A说明了在纸平面(在弯曲平面中，以至于使紧固件杆11向左凸)中在轴向预应力上添加的以至于使紧固件10的杆11受到弯曲和轴向载荷的弯曲应力。图1B说明了仅受到轴向载荷(没有弯曲载荷)的紧固件10的杆11，该轴向载荷在数量上等于在图1A中螺栓的中心轴线处的轴向载荷12，以至于在两个紧固件中的平均应力相等。
图1A中的紧固件中的弯曲应力减小了紧固件和连接的载荷承受能力。由于引起的弯曲，在弯曲平面中的紧固件杆11的一边14受到比另一边16更大的应力。这是不希望得到的情况，因为横跨紧固件杆分布的应力致使紧固件杆的边14受到大的应力。在最大的载荷时更希望得到的应力情况应该是如图1B所示的在最大载荷情况时在弯曲平面中横跨紧固件杆11的均匀应力分布，在图1B中应力12、14和16实质上是相等的。在有些情况中，紧固连接不能设计来排除在所有情况下紧固件中的弯曲应力，比如在应用载荷是动态且因此变化的连杆连接中。
紧固件中的平均应力与紧固件受到的载荷有关。在图1A和图1B中，紧固件10都受到相同的平均应力12，但是由于弯曲应力图1A中的紧固件受到更大的最大应力14。如果失效发生了，它应该在沿边14最大应力点处发生。因此，相对于受到相同的平均应力但具有均匀应力分布的紧固件，添加到轴向应力的弯曲应力减小了紧固件的载荷承受能力。
参见图2A，当紧固连接时，由于收紧或拉紧紧固件而施加了初始预应力。这通过均匀预应力成分18表示。如果连接是非对称的，紧固件孔的一侧将比另一侧受到更多应力。这使得紧固件杆11受到弯曲应力以及载荷以不均匀的方式横跨紧固件杆11而施加。这通过非均匀成分20表示。此外，如果应用载荷偏心于紧固件的中心线施加，在紧固件中将出现另外的弯曲。图1A中的应力成分12，14，和16是处于最大应用载荷时均匀成分18和非均匀成分20的总和。紧固件连接设计由于具有弯曲应力的紧固件中的最大应力大小而受限，所述弯曲应力使得如图1B所示的均布应力轮廓成为更希望得到的选择。
这里所用的词语“紧固件”是当施加载荷到连接时具有受到张力的杆的紧固件的任何类型，例如，螺栓、铆钉、杆(螺纹的，销的，焊接的，等等)，螺丝钉，等等。词语“弯曲应力”指横跨紧固件杆的非均匀应力。本发明包括在连接系统中的螺母的使用，螺母可以起螺栓头的作用，因此紧固件的头包括螺母、螺栓头或螺钉头、铆钉头或铆接法兰等等。
发明概要本发明提供一种在连接的应用中处于最大载荷情况横跨螺栓杆的最大应力将会减少的螺接。当紧固件装配以便连接时，通过引起在弯曲应力作用的弯曲平面中的紧固件杆中的弯曲应力的连接可以实现这个目的。由连接引起的弯曲应力实质上反比于由紧固件杆在使用时受到的最大应用载荷引起的在弯曲平面中的弯曲应力，以至于当施加最大应用载荷时减小了最大应力。
通过这样做，本发明还减小了紧固件杆受到的循环平均应力。这对于增收紧固件的疲劳寿命非常有用。
在本发明的有用的方面中，当施加最大应用载荷时，由连接引起的弯曲应力在数量上和方向上产生在弯曲平面中的横跨紧固件杆的实质上均匀应力分布，获得本发明的十足的优点。
在本发明的一种形式中，连接有一种紧固件抵靠而产生在杆中的张力的座，该座相对于零件中的紧固件孔的轴线以不是90度的角度偏斜，紧固件杆穿过紧固件孔。座以这样的方向转向以至于产生方向相反于由最大应用载荷引起的弯曲应力的在紧固件中的弯曲应力。因此，由连接引起的弯曲应力抵消了由应用载荷引起的弯曲应力，减少紧固件杆上的最大应用载荷，以及减少紧固件杆受到的循环平均应力。
在本发明的另一种实施方式中，连接具有面向彼此且由紧固件接合在一起的接合面，接合面的一部分限定了在它们之间的引起了方向相反于由最大应用载荷引起的弯曲应力的在紧固件杆中的弯曲应力的自由间隙。
在本发明的另一种实施方式中，在零件中延伸的且接收紧固件杆的孔具有在一个零件中的第一部分和在另一个零件中的第二部分，且第一部分相对于第二部分偏斜以至于引起方向相反于由最大应用载荷引起的弯曲应力的在紧固件中的弯曲应力。
实施本发明的那些不同的方式可以单独实施或彼此联合实施。
在一种特别有用的方式中，连接是一种连接轴承盖到连杆的杆部分的连杆中的连接。轴承盖连接是本发明特别有用的应用，因为由于连杆的循环运动使紧固件杆受到循环弯曲应力，以至于利用本发明，给紧固件预加应力可以减小最大应用应力和紧固件杆中的循环平均应力。
本发明的前述和其他目的及优点将在随后的详细说明中出现。在说明中，参考了说明本发明的较佳的实施例的附图。
附图的简要说明图1A是典型的现有技术螺栓应力分布示意图，说明在受到弯曲和轴向载荷的螺栓中的应力分布；图1B是典型的现有技术螺栓应力分布示意图，说明在仅受到轴向载荷的且轴向载荷的数量等于图A中螺栓轴线处载荷的螺栓中的应力分布；图2A是相似于图1A的视图，且应力示意图说明了作为预应力和最大应力的总应力分量；图2B是相似于图2A的紧固件的视图，但预应力和最大应力分布通过结合本发明的连接产生；图3是具有根据本发明有角度的螺栓座的连杆轴承盖连接的视图，为了说明的目的，夸大了角度；图4是相似于图3的视图，但它是现有技术连杆轴承盖连接的视图；图5是具有根据本发明的有角度接合面的连杆轴承盖连接的视图，为了说明的目的，夸大了角度；图6是具有根据本发明的在杆中的向内偏斜的带螺纹的紧固件孔的连杆轴承盖连接的视图，为了说明的目的，夸大了角度。
具体实施例方式
参见图2B，本发明提供一种紧固件夹紧连接设计，该设计提供一种处于最大应用载荷情况在紧固件杆11中的实质上均匀应力载荷分布。在图2B中，应力示意图说明了用矢量箭头22、24和26的下面的集合标示的初始预应力和由矢量箭头28、30和32的上面的集合标示的应用应力。在图2A和图2B中，平均预应力和平均最大应力是相同的，因此每个情况可以承受相同的系统载荷；然而利用本发明会导致在应用载荷下的下面的最大应力。连接的应用载荷是循环的，例如在连杆轴承盖连接中，在这种情况下，平均循环应力还可以更小。总的循环应力振幅保持不变。
图2A和图2B的示意性应力图是经简化的，因此它们没有显示任何非主要的或偶然的连接弯曲预应力。如果存在连接弯曲预应力，图2A中的预应力向量的水平集合应该是非均匀的(成某种角度)且在图2B中相应的预应力向量应该需要调节来补偿弯曲预应力。
处于最大应用载荷的均匀应力分布可以通过多种方式实现。现在，的典型的连杆轴承盖连接如图3中所示制造，使每个螺栓连接座36与相应的螺栓孔37和螺纹孔39中心线38成90°，非螺纹孔37在轴承盖42中，螺纹孔39在连杆体44中。这样产生了实质上如图2A中的应力分布，且向量18表示静预应力和向量29表示动态的应用载荷。注意到，在这种情况中，最大应力出现在内边(朝向两座36的机轴孔40)。
实施本发明的一种方式可以是通过基于将被抵消或弥补的最大应用载荷而选择的微量朝向螺栓孔37和螺纹孔39中心线38偏斜每个连接连接座36。通常，取决于应用载荷的数量的该角度应该小于1度，例如0.125度。该角度还应在正确的方向以至于它抵消在最大应用(动态)载荷情况下的由连接和应用载荷引起的弯曲应力。如图3中所示。机器加工成或形成与如图所示的一样平的两座36，以至于它们都在弯曲平面的方向向内偏斜或转向，以至于在每个螺栓10中引起相反于由应用载荷引起的弯曲应力的弯曲应力。换句话说，由于偏斜的座36，螺栓10趋向在纸平面中向外弯曲(相对于主孔40的轴线凸出)，然而应用载荷趋向将螺栓10向内弯曲(相对于主孔40的轴线凸进)。选定座36的角的方向和数量以及选定收紧螺栓10的扭矩，以至于在最大应用载荷情况下产生在紧固件10的杆中实质上均匀的应力分布，如图2B中所示。
如果图4中的螺栓孔37、39以及螺栓接合座沿同样的轴中心线38用机器制造，座和螺栓的中心线就会由于制造过程互成90度，如图3所示的典型的连接。需要其他的或不同的制造过程生成必需的螺栓座36的偏斜。这可以以多种方式实现。例如，图4的螺栓座36的偏斜可以铸造到轴承盖42中。另一种方式是用一主轴沿轴线38加工螺栓孔，而用与钻孔主轴成一小角度的主轴加工螺栓座。通过使用粉末冶金生产过程来形成在轴承盖42中的每个螺栓座36的偏斜生成座36，还有一种方式可以生成座36的角。
生成处于最大应用载荷情况的在弯曲平面中横跨螺栓杆11的均匀应力的另一种方式是生成接合面，接合面在主孔40的中心附近面向彼此，互相成小的角度向外逐渐尖细以至于生成邻近于主孔40的区域中的每组接合面之间的小的自由间隙48。这如图5所示。一个或两个相对的面可倾斜，从而产生间隙48。这种小角度(在图5中夸大了很多；可能小于1度，取决于准备抵消掉的应用载荷的量)可以通过加工通过铸造或粉末冶金技术形成的面，或可以使连接塑性变形而生成间隙，后面的方法可以结合到连杆的盖和杆的其他的典型的断裂分裂生产工艺中。这容许盖42朝间隙区域中的杆元件44弯曲，该间隙通过具有使紧固件10的杆11受到弯曲应力以至于使它们向外弯曲的作用的角度形成。当收紧螺栓10时，间隙48可以闭合或实质上闭合，或不闭合。选定间隙48的尺寸和使螺栓10收紧的扭矩以至于产生在最大应用载荷情况下的在弯曲平面中的紧固件10的杆11中的实质均匀的应力分布，如图2B中所示。
生成在最大应用载荷情况下的横跨螺栓杆11的弯曲平面中的均匀应力的另一种方法可以是生成与螺栓孔37和(没有弯曲的)螺栓10的中心线38B成小角度的螺纹孔39的中心线38A，如图6中所示。还有，轴线38A的角度夸大了很多且可能相对于轴线38B小于1度。与前面描述的实施例中的一样，那些使螺栓10的杆11向外弯曲，在最大应用载荷的情况下产生在弯曲平面中横跨螺栓杆的均匀应力分布，且减少了循环平均应力和减少了在螺栓杆11中最大应力。选定轴线38A的角和使螺栓10收紧的扭矩以至于在最大应用载荷情况下产生在紧固件10的杆11中的弯曲平面中的实质上均匀的应力分布，如图2B中所示。
已经非常详细地说明了本发明的较佳的实施例。对于本技术领域的技术人员来说，对所示的较佳实施例的许多修改和变化将是显然的。因此，本发明不应限于所述的实施例。
权利要求
1.在通过紧固件夹紧至少两零件之间的连接中，所述紧固件具有受拉力的且连接所述零件在一起的杆，在所述的改进中，所述连接在所述紧固件装配而实施所述连接时引起在弯曲平面中的所述紧固件杆中的弯曲应力，由所述连接引起的所述弯曲应力实质上反比于由最大应用载荷引起的在所述弯曲平面中的弯曲应力，所述紧固件杆在使用中受到所述最大应用载荷，以至于在施加所述最大应用载荷时减少了所述最大应力。
2.如权利要求1所述的改进，其特征在于，由所述连接引起的所述弯曲应力在量级上和方向上产生在施加所述最大应用载荷时在所述弯曲平面中横跨所述紧固件杆的实质上均匀的应力分布。
3.如权利要求1所述的改进，其特征在于，所述连接具有所述紧固件抵靠的座，以便在所述紧固件杆中引起拉力，所述座以不是90度的角相对所述零件中的紧固件孔的轴线偏斜，所述紧固件杆以一方向延伸穿过所述紧固件孔，以至于引起在方向上相反于由所述最大应用载荷引起的弯曲应力的、在所述紧固件的所述杆中的弯曲应力。
4.如权利要求1所述的改进，其特征在于，所述连接具有面向彼此且由所述紧固件连接在一起的接合面，所述接合面的一部分限定了在它们之间的、引起了方向相反于由所述最大应用载荷引起的弯曲应力的、在所述紧固件杆中的弯曲应力的自由间隙。
5.如权利要求1所述的改进，其特征在于，在所述零件中延伸的且接收所述紧固件杆的孔具有在一个所述零件中的第一部分和在另一个所述零件中的第二部分，且所述第一部分相对于所述第二部分偏斜，以至于引起方向相反于由所述最大应用载荷引起的弯曲应力的、在所述紧固件中的弯曲应力。
6.如权利要求5所述的改进，其特征在于，所述第二部分是带螺纹的。
7.如权利要求5所述的改进，其特征在于，所述第一部分邻接于实质上垂直于所述第一部分的轴线的紧固件座。
8.如权利要求1所述的改进，其特征在于，所述连接是在一连杆中的连接，所述连杆连接轴承盖到所述连杆的杆部分。
全文摘要
紧固件连接引起夹紧该连接的紧固件中的静预应力，该静预应力在量级相等于且方向相反于由应用载荷在紧固件中引起的弯曲应力。这样的连接包括向内倾斜连杆轴承盖的螺栓座，在盖和与相邻连杆的主孔的杆之间的螺接的表面处产生离隙，或当它们从螺接的接合面通过时将杆体中的螺纹孔向内偏斜。
文档编号F16C9/04GK1875215SQ200480032074
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月31日
发明者H·J·诺特 申请人:Gkn烧结金属股份有限公司