高强度封闭螺栓的制作方法

专利名称：高强度封闭螺栓的制作方法
背景技术：
发明领域本发明关于多件式紧固件，更具体地说是关于采用挤压结构的螺纹力矩型或拉力型的高强度螺栓，这种螺栓为固定在一起的工件提供了高的最终夹紧载荷。
作为一般用途，这种螺栓可特别适用于利用封闭部分的结构上，如盒式梁或柱、桥梁和类似构件上，特别适用于工件的一侧受阻或受限制的地方。
相关技术的描述本发明的紧固件通常还关于多件式封闭螺栓类紧固件，这种紧固件包括一个主套、一个可膨胀的套和一根螺栓，其中可膨胀的套响应螺栓加上的相应的轴向力作径向膨胀而形成封闭头。在这一方面，本发明的封闭螺栓与1997年2月18日授权的美国专利No.5603592“具有在延伸的夹紧区上的均匀的高夹紧区的高强度封闭螺栓”(下称′592专利)和1993年1月12日授权的No.5178502“高强度封闭螺栓”(下称′460专利)有关，这里指出以供参考。在美国专利No.5603592中，该封闭螺栓的结构公开成利用了受控制的螺帽和芯杆结构的拉力，一个螺帽螺接在螺栓的螺杆中的螺纹部分上，键槽部分位于螺杆的终端上，宜啮合键槽部分的具有中间套筒和宜夹紧螺帽的外部扳手件的安装工具用来在中心部位上的螺杆和螺帽之间加上力矩，从而提供相对转动，使螺帽拧到螺栓上，以达到夹紧效果。一对套筒、一个可膨胀的套和一个主套位于螺栓上，它们共同合作以响应所加力矩而形成封闭头。
由于在螺帽和螺栓之间加上力矩，螺帽起初将轴向力通过夹紧调节件传到主套上，同时，螺栓具有加大的头部，它对可膨胀的套传出一个相反的轴向力。当力矩和产生的相应的轴向力加大时，在主套反作用下的可膨胀的套径向膨胀以形成封闭头，在紧固件的延伸的夹紧区上方形成均匀形状的封闭头。
在这个安装阶段中，工件不受到由螺栓加压螺帽、夹紧调节件和封闭头之间的任何夹紧力。为了使封闭头与封闭侧面贴合，提供一个具有弱阻力件或剪切构件的夹紧调节件，它与一个腔不连通。该弱的阻力件或剪切构件的结构宜在预定量的轴向力下断裂，不再受阻的腔可使主套轴向移动，与可膨胀的套呈受载或不受载关系；这就可使形成的封闭头在不受主套轴向约束的情况下完全与工件的封闭侧面接触，主套基本自由移动，不与可延伸的套出现承载啮合。此时，通过进一步加上力矩，仅在通过螺栓的封闭头和螺帽之间作用的相应的轴向力而使工件推在一起。夹紧工件的力继续加大，力矩的量可一直加到螺栓的带键槽的螺杆部分与螺栓部分断裂为止。这个断裂载荷就确定为在工件上的最终夹紧载荷。
这种结构提供了一种广泛的夹紧范围，其中在该广泛的夹紧范围上形成了均匀结构的高强度封闭头。这种均匀结构的封闭头具有在夹紧范围上的相同的封闭侧凸起部。另外，这种封闭结构提供了一种结构，在该结构中，可采用能生产高强度紧固件的高强度的材料，同时，又可得到高的、均匀的夹紧力。
然而，这种紧固件要求有两个套筒来工作，可膨胀的管状套筒用能在低载荷下变形并能在螺栓头周围成形的相对较软的钢制成，主套用能象一个冲头一样起作用、以剪断剪切构件的硬的钢材制成。
第′592号专利公开了可采用一件式套筒(见第10列第40-42行)，但没有描述这样的实施例。同样′460专利也公开了可采用一件式套筒(第16列第13-15行)，但也没有描述这种实施例。因此，已经知道两种套筒具有不同的要求(主套必须硬到足以剪断剪切构件，可膨胀的套必须软到能变形并形成封闭头)，上述两个专利公开了用不同的钢材制造主套和可膨胀的套筒，每个套筒具有不同的硬度，′592和′460中没有一个公开用能满足两种套筒所有要求的一种钢材来制造一件式套筒。
发明概述本发明是对′592专利中公开的紧固件设计的改进。该封闭紧固件具有一个带加大的头部的螺栓，一个螺杆部分和一个夹紧部分。在加大的头部，较弱的构件和螺帽之间提供单个套筒。由于仅采用单个套筒，可使单个套筒最佳化，使它具有在所要求的参数下适当地隆起，同时具有足够的强度和刚度在形成隆起后刺穿可断裂构件，并能夹紧工件。
在优选实施例中，该紧固件设计成尽管具有较小的直径和少量的构件，仍具有与′592专利公开的紧固件相同或更高的强度性能。与′592专利的紧固件相比，在本发明的紧固件中采用少量的构件减少了制造和组装成本。
在本发明的一种形式中，单根套筒是具有均匀剖面、即在整个长度上剖面没有变化的直的管状结构，通过加上纵向载荷使可膨胀套筒部分(该部分在工件封密侧后方)隆起形成封密头。通过在可膨胀套筒上所需要的位置的环形带上回火，在预定位置形成封密头。该隆起的封闭头提供了加大的支撑面，因此完全能用在工件开口大于紧固件有效直径的情况中。
在本发明的特征是一个带螺纹的紧固件时，从美国专利No.5213460可以看出，这些特征的某一些可用于拉力型和锻模型紧固件。同时，本发明的特征可用于具有由可膨胀的套筒的径向膨胀而形成的封闭头的紧固件上，该膨胀是由主套构件的锥形鼻部形成的，这一点参见美国专利No.5178502和5213460。
因此，本发明的高强度封闭螺栓很适宜用在采用如满足ASTMA325或日本F8T技术条件的高强度螺栓中。本发明还可用在封密焊接的地方，螺母板和其它复杂结构的紧固系统用在如不能接近接头后侧的盒梁之类的结构件中。就这一方面，本发明的封密紧固件特别适用于建筑、桥梁等的结构中，在这类结构中，在能够提供高的夹紧载荷的情况下，高强度和长寿命是非常重要的。
下面可以看出，夹紧调节件可以是一个相当简单的结构，它可由高强度材料制成，其中抗断裂强度和剪切部分的强度可设定得比较高。因此，该相当简单的结构很易使抗剪切和断裂的载荷设定成足以保证封密头的变形，并能低到足以在最终夹紧和颈部断裂的最终扭矩载荷加上之前断裂。
因此，本发明的一个目的在于提供一种独特的封闭螺栓结构，它有利于采用高强度材料来生产具有较宽的夹紧范围的高强度的紧固件。
本发明的另一目的在于提供一种封闭螺栓结构，它包括一个提供较宽的夹紧范围的独特的夹紧调节件。
本发明的又一目的在于提供一种结构的独特的高强度封闭螺栓，该结构在较宽的夹紧范围上方形成具有均匀的、符合要求的构形的高强度的封密头。
本发明还有一个目的在于提供一种高强度的封闭螺栓，它可提供高的最终的夹紧载荷。
本发明的另一个通常的目的在于提供一种独特的高强度封闭螺栓，它采用了拉力控制型的螺纹结构，并在较宽的夹紧范围上提供正常的均匀的最终夹紧载荷。
本发明的又一个通常的目的在于提供一种独特的高强度封闭螺栓，它所具有的构件比现有的设计要少。
本发明的又一通用的目的在于提供一种独特的高强度封闭螺栓，它与已知的设计相比整个直径减小、并能提供等值或超过它们的强度特性。
本发明的上述和其它目的、特征、特性和优点，以及操作方法、结构相关构件的功能、和部件的结合及制造的经济性，通过下面参照附图的详细描述及所附权利要求可以更加清楚，上述所有方面形成本说明书的一部分，其中在各附图中，相同的参照数字表示相应的部件。
附图概述

图1是本发明紧固件在与固定在一起的工件的组装关系中的部分剖视的侧视图，图2a～e表示本发明紧固件的组装顺序，其中部分剖视，部分概略示出，图3a是本发明紧固件的螺栓的一个实施例的头部的部分示图。
图3b是图3a所示紧固件的一部分在套筒变形后的剖面图4a是本发明紧固件的螺栓的替换实施例的头部的部分示图，图4b是图4a所示紧固件的一部分在套筒变形后的剖面图，图5a是本发明紧固件的螺栓的替换实施例的头部的部分示图，图5b是图5a所示的紧固件的一部分在套筒变形后的剖面图，图6a是本发明紧固件的螺栓的替换实施例的头部的部分示图，图6b是图6a所示的紧固件的一部分在套筒变形后的剖视图，图7a是本发明紧固件的套筒的一个实施例的剖视图，图7b是本发明紧固件的套筒的替换实施例的剖视图，图8a是本发明的利用图7a的套筒的紧固件在套筒变形后的部分视图，图8b是本发明的利用图7b的套筒的紧固件在套筒变形后的部分视图，图9a是本发明紧固件的剪切垫的一个实施例的端视图，图9b是图9a所示剪切垫的剖视图，图10a是本发明紧固件的剪切垫的一个替换实施例的端视图，图10b是图10a所示剪切垫的剖视图，图10c是图10b的圆圈10c的放大图，图11是一个部分剖视的侧视图，它示出本发明的紧固件的一个替换实施例与固定在一起的工件的组装关系。
图12是本发明的套筒的退火钢带的典型的刚度曲线。
发明的详细描述从图1可见，一个封闭紧固件10包括中心螺栓12、一个环状螺母14、一个可膨胀的管状套筒16和一个剪切垫18。螺栓12具有加大的头20，它具有套筒啮合面21和一个易于插入一个孔的倒角的外边缘23。螺栓12还具有一根细长的杆22，该杆具有光滑的杆部24、螺纹部分26、断裂槽28和由安装工具(见图2a)夹紧的螺栓头夹紧部分30。断裂槽28具有减小的截面积，该面积设计成在安装过程结束时在预定载荷下断裂。螺栓头夹紧部分30包括多个轴向延伸的键槽32，在本发明的一种形式中，通常包括12条键槽结构。夹紧部分30还包括与螺接到螺栓12上的螺母14尺寸一样的用以啮合螺母14的螺纹。
可膨胀的管状套筒16是具有均匀的内和外径的均匀的管子。该外径与螺栓头20的外径相同或稍小。管状套筒的内径选成使它可在螺杆22上滑动，并在管状套筒16和光滑的螺杆部分24之间提供所需要的间隙。该管状套筒16包括与螺栓头20的面21贴合的端面34，和与剪切垫18贴合的端面36。管状套筒16由硬钢制成，但包括回火部分35，从而有利于在组装紧固件10时套筒16的变形。
在本优选实施例中，正如图1、9a和9b所示，剪切垫18包括一个埋头孔38，孔38的一个端面39用以与套筒16的端面36啮合，一个通孔40用以使螺栓12穿过，一个端面42用以与工件46的一个暴露面44贴合，一个端面48用以与螺母14的一端面50贴合。第二工件56具有一个封闭面58和与工件46上的孔62对准的孔60。
螺母14具有外表面51，该外表面具有与安装工具啮合的标准的六角形，该螺母包括一个埋头孔52，其外径大到足以接纳在剪切垫18受剪切时的管状套筒16的端部。埋头孔的深度选成能确定紧固件的有效的夹紧区。螺母14还包括一个螺纹孔54，该孔用于细长杆22的螺接夹紧部分30和螺纹部分26。螺母14还可按需要具有其它的外形，从而与其它类型的安装工具装置啮合。
剪切垫18在埋头孔38的下方具有预定的厚度，该厚度确定在螺栓12、套筒16和螺母14之间相应的轴向力对埋头孔52的周边产生的预定剪切载荷下会产生断裂的剪切截面。在螺栓12、套筒16、埋头孔38和螺母的螺纹孔之间的相对封闭的相对配合公差使这些构件保持在通常的同轴关系。
在使用紧固件10时，套筒16和螺杆22宜设置在分别穿过工件56和46中的对准孔60和62的位置上，剪切垫18的面42与工件46的面44贴合。这样，面42具有足够大的有效承载区，从而使紧固件10的安装载荷及安装后的工件46和56的操作载荷按需要分布在工件46的面44上。另外，剪切垫18的相对的承载面48贴合螺母14的承载面50，并提供足够大的有效承载区，以接纳安装和操作载荷。螺栓头20和套筒16的外径选成宜以所需要的公差配合穿过对准的孔60和62。
紧固件10宜由通过螺接在螺栓12的螺纹部分26上的螺母14加在螺栓和螺母14之间的力矩来设定。图2a表示插在工件46和56中并由安装工具70啮合的紧固件。工具70具有通常在先有技术中已知的结构，因此仅示出其一部分，为简洁起见省略了它的细节。螺母14的外表面宜由具有与啮合的外形的安装工具70的管状套筒构件72可驱动地啮合。安装工具70包括一个内套筒构件74，它的构形宜与螺栓12的带槽的压紧部分30配合。在一种形式中的工具中，内套筒构件74被弹性地轴向向前偏压，以与压紧部分30提供充分的啮合。外套筒构件72和内套筒构件74宜相互相对转动，因此，为了安装紧固件10，工具70加到紧固件10的外端，外套筒件72与螺母14啮合，内套筒件74与螺栓12的压紧部分30啮合。当工具起动时，内套筒构件74相对于外套筒构件转动，由此使螺母14前进螺接到螺栓12的螺纹部分26上。
通常有两种形式的安装工具70，在第一种中，内套筒构件74和外套筒构件72仅按照需要转动螺栓或螺母的相应的力矩，每个均能相对于安装工具移动。在这种类型的工具中，在安装过程开始时，内套筒构件74可在外套筒构件72静止不动时转动，因此使螺栓12相对于静止的螺母14转动。当紧固件10的构件与工件46和56产生增大的载荷关系时，通常外套筒构件和螺母14转动，而内套筒构件72保持静止不动。
在另一种安装工具70中，内套筒构件74总是相对于工具保持静止不动，仅是外套筒构件72相对于安装工具转动。因此，采用这种工具，螺栓12总是保持静止不动，螺母14转动。
在任何一种情况下，螺栓12相对于螺母14作轴向移动，同时，在内套筒构件74上所加的弹性轴向偏压使它轴向向后移动，从而使螺栓12相对于工具70产生附加的轴向移动。这样，通过由工具70在螺栓12和螺母14之间加上的力矩，在螺栓12和套筒16之间逐步加大相应的轴向力。
同时，随着螺母14的相对转动，当螺栓12开始作轴向移动时，加上的相应的轴向力在套筒16上增大了柱状载荷，在其回火部分35上引起径向向外延伸(隆起)，在离开工件56的封闭侧面58的一点上形成隆起构形的封闭头80，参见图2b。在本优选实施例中，当轴向力大约在50000～53000磅时形成隆起，当相应的轴向力增大时，可断裂的剪切垫18在套筒16下方的埋头孔的剪切部分82断裂，见图2c。在本优选实施例中，在轴向力约为57000-61000磅时剪切垫断裂。这就允许剪切部分82和套筒16开始进入螺母14的埋头孔52，并在隆起的封闭头80下方的套筒16部分上基本除去了轴向载荷。剪切垫的剪切部分82选择成具有足够的强度；从而在其受剪切之前能经受基本形成隆起的封闭头80的相应的轴向力。
螺母14相对于螺栓12的继续转动将使螺栓12和套筒16继续作轴向移动，使封闭头80移动到与工件56的封闭面58接触，在获得所要求的夹紧力之前使紧固件10相对于工件46和56加载。所要求的夹紧力将由设计成使断裂槽28断裂的力确定，由此就限制了安装工具70进一步加到紧固件70上的安装力。在断裂槽28断裂前也可以继续加上夹紧力，使隆起的封闭头80稍作延伸。参见图2d和2e，它们示出安装在工件中并加载到断裂槽28断裂点的紧固件10，在本发明的实施例中，轴向力大约在66000-71000磅之间。图2d通常表示由紧固件10固定的工件的最大厚度，图2e通常表示由紧固件10固定的工件的最小厚度。
紧固件可适用的工件的最大和最小厚度之间的范围是由剪切垫18的剪切部分82进入埋头孔52的深度和套筒16在剪切部分82剪切时可进入的深度确定的。埋头孔52的轴向深度选成大于距离L，该距离是指在封闭头80完全形成如图2所示那样后从可延伸的套筒16的封闭头80的自由端面83到工件56的封闭侧面58之间的距离。距离L可按照要固定在一起的工件的总厚度来进行变化。在最小的夹紧条件下、即如图2e所示的工件46和56最小总厚度的情况下，距离L将为最大值，因此埋头孔52的深度将至少应稍大于该最大距离L，从而确保封闭头80下方的套筒16部分，在封闭头80的端面83在紧固件10夹紧范围内的所有夹紧条件下与封闭侧面58贴合之前，不与螺栓12产生承载贴合。这就保证了封闭头80的端面83可自由地移动到与工件56的封闭侧面58贴合，如图2d和2e所示。因此由螺母14和螺栓12之间的力产生的相应的所有的轴向载荷通过螺栓头20和隆起的头80加到基本在螺母14、垫18和螺栓12之间的工件46和56上。
与带螺纹的螺杆部分26完全螺接的螺母14的螺纹数量选择成能足以提供所要求的夹紧工件46和56的载荷、并能经得住在产生的接头上的最大设计拉力载荷。因此，螺母14的螺纹部分54的长度选择成能足以提供必要数量的螺纹，以能经受完全螺接时的载荷(见图2d)。同时，带螺纹的螺杆部分26的长度选择成在紧固件10的整个夹紧范围内提供与螺母14的螺纹完全螺接，同时在安装后提供最小的突出长度。这样，在安装前后可使紧固件10的整个长度尽量减小。
为了尽量减小安装力矩载荷，从而有助于紧固元件起到适当的作用，总使紧固件可得到协调一致的适当的安装，已经发现，希望在螺栓12和垫18的表面上提供一种如二硫化钼的高性能的干膜润滑剂，以此减小紧固件10的移动部分之间的摩擦力。特殊情况下，当然并不是优选的做法是将在加润滑剂时，润滑剂也沉积在垫18的其它表面上。这些附加的润滑剂可从除表面48外的表面上除去。已经发现，由Kalgard公司制造的称作Kalgard FA的二硫化钼润滑剂是令人满意的，并能在磷化处理后再加上。
在螺母14上要提供电镀锌防腐蚀涂层，在螺母14的表面50上推荐使用如石蜡类的腊制润滑剂。套筒16不必进行润滑和/或涂层。当剪切垫18受剪、套筒16上的隆起头80移到工件56的表面58时，通过使螺母14相对于螺栓12的转动使工件46和56之间的夹紧载荷逐渐增大，工件46贴靠静止的垫18。
在一些应用中，除了在螺栓12，螺母14和垫18上加上涂层和/或镀层外，还可在套筒16上加上防腐油。一种防腐油可以是Amrep公司的商标为LANACOTE的油。
图3～6示出表面21的角度对螺栓21的影响。在利用两个套筒的先有技术的设计中，隆起的套筒比较软，表面21处于垂直于螺栓12的轴的一个平面的上方12°角上。这样做是为了引导围绕螺栓头的软的隆起的套筒材料，以形成漏斗形隆起。然而在本发明的紧固件中，已经发现，这种“漏斗形”的套筒减小了紧固件10的强度。因此要求防止较硬的本紧固件的套筒向上移动和围绕螺栓头20成形。已经发现，如果螺栓头20的表面21的外周向角永久变形或受剪，可出现不合需要的夹紧载荷的变化。因此，在组装本发明的较硬的套筒时，表面21的角度是很关键的，对此已进行了设计，以尽量减小上述缺陷。
已经发现推荐的角度，即如图3a所示的在垂直于螺栓12的轴的平面下方1°。换言之，表面21和长螺杆之间的夹角为89°。已经表明，该角度具有防止套筒跨接在头20上的倾向，还能尽可能地减小螺栓头20的表面21的外周向角的凸起或受剪切。图3b示出了本发明的具有这样角度的螺栓头的紧固件的截面示图。从图3b可以看出，套筒不跨接在螺栓头20上方，表面21的外周角的凸起量很小。该实施例已证明能改进多个紧固件之间的夹紧载荷改变情况。
图4a表示一个实施例，其中表面21的角度为在垂直于螺栓12的轴的平面下方5°。然而，从图4b可以看出，采用具有这种角度的螺栓头所安装的紧固件，在表面21的外周角上会产生很大的永久变形，套筒16本身也有很大的向外的永久变形，这些变形足以导致不需要的夹紧载荷的变化。
图5表示一个实施例，其中表面21具有角度为在垂直于螺栓12的轴的一个平面上方5°。然而，正如图5b看到的，安装具有这样角度的螺栓头的紧固件，会导致套筒跨接在螺栓头20的上方，因此使紧固件不能产生合适的夹紧力。
图6a表示一个实施例，其中表面21具有的角度为在垂直于螺栓12的轴的平面下方12°。然而正如图6b所示，安装具有这样角度的螺栓头的紧固件，会导致严重的永久变形，甚至表面21的外周角剪断以及套筒16本身严重地向外永久变形，从而导致不需要的夹紧载荷的变化。本实施例类似于′592专利公开的螺栓头实施例。
还已发现，紧固件10的强度与套筒16在封闭头80上方的部分和螺栓12的表面21下方的高度有很大关系。正如比较图7a和7b时看出的，套筒16在封闭头80上方的腿部84的高度H可按套筒16上的回火部分35的轴向位移而变化。如果回火部分35安置得在套筒16上较高，则在套筒16形成的封闭头80则较高，则腿部84的高度H如图7a所示较短，这个高度H还可受到带28的影响。另一方面，如果回火部分35位于套筒16上的较低的位置，封密头80将形成在套筒16的较低的位置上，则腿部84的高度H较长。
图8a和8b分别表示安装在螺栓12上的图7a和7b所示的套筒16的放大视图。正如通过比较图8a和8b可以看出的，具有较短腿部84的套筒16与具有较长腿部84的套筒相比实际上在螺栓头20和工件56(未示出)之间具有较长的剪切线。这样导致在安装紧固件时、剪切线既包括封闭头80的长度、也包括腿部84的长度的情况下，套筒16的腿部84稍稍向外凸出，参见图3b。
在图7b和图8b中示出套筒腿部84的顶部产生了类似的凸出部分，从而使腿部84的顶部与剪切线重迭。然而由于这种凸出部分不是在腿部84的整个长度上，在该实施例中的剪切线的长度不会增大到包括腿部84的长度，仅沿封密头80的长度运行。剪切线的长度仅在腿部延伸成剪切线连续地与封密头80和腿部84部分垂迭时才增大，如图7a和8a所示。如果上述重迭是不连续的，如图7b和8b所示，剪切线的长度不增大，此时紧固件的强度将仅基于通过封闭头的剪切线的长度。因此，图7a和8a的实施例通过较长的剪切线而提供了强度较高的紧固件，是一种推荐的实施例，而图7b和8b的实施例更能代表的是如′592和′460专利那样的先有技术。
随着采用高强度高刚度的材料，应要求减小诸如螺栓头20的内表面21和光滑的螺杆部分24之间的连接部分上的应力集中。这是通过连接部分的弯曲半径做到的。另外在套筒16的相对端的内径上提供倒角，从而防止套筒16切入具有弯曲半径的接头部分，还可采用类似的弯曲半径部分和倒角的其它连接部分和角部。
除了减小该应力集中外，还应注意减小配合的螺纹之间的应力集中，因此螺杆部分的螺纹做成在深度上呈燕尾形，并通常具有流线型的根部。因此在一个实施例中，螺纹采用了槽形和1992年2月25日授予Dixon的美国专利No.5090852的构思。
正如在′852 Dixon专利中所看出的，螺纹可以是具有通常的流线形的燕尾螺旋结构，因此可以做成具有所需要的高夹紧载荷的高强度连接结构。采用这种燕尾形螺纹结构，要求与螺母14的螺纹紧配合。在本发明的一种形式中，采用类似于3级螺纹配合公差。
如上所述，要求本发明的高强度紧固件对紧固接头提供高的最终的夹紧力。为了获得这个结果，要求安装工具70产生包括在断裂槽28上的最终螺栓断裂载荷的高的安装载荷。然而这些载荷是由力矩加上的，因此通常被工具吸收、并基本不传到操作者处置的安装工具70上，因此，在螺栓断裂槽28断裂时出现的高载荷基本由工具70通过加到紧固件10的力矩来吸收，安装工具70所需要的安装力矩由于使用了上面讨论的选定的润滑剂而大大减小了，这样可增大工具70的最终输出的转动速度，从而可大大减少安装所需要的时间。
图10a-c示出剪切垫的一个替换实施例。图10a-c实施例中，代替埋头孔38的是与孔40同心的、在每个面42和48上的环形槽90。正如图10c的放大图所示，每个槽最好具有半圆形截面。这些槽还可具有如V形那样的不同形状，也可具有相互不同的深度。两个槽90起到在垫18上提升应力的作用，从而在安装紧固件时在垫18上的孔之间产生剪断的断裂面。另外，也可在垫的一面上提供一个槽90。通过改变制成的垫的材料、厚度和尺寸，以及提升应力的形成结构的形状和位置，可以改变剪断垫所需要的力。
已公开的不同剪切垫的各种特征也可交替地以不同联合方式联合，从而产生替换的剪切垫实施例。
在带螺纹的紧固件的很多应用中，在安装后要能通过从螺栓上拧开螺母来拆掉紧固件，或者在某些情况下，通过在螺母和螺栓之间加上附加力矩再次拧紧接头。然而在某些应用中，拆除时的初始断开力可能相当高，当仅用板手加到螺母(如螺母14)上来拆除或再次拧紧时，螺母和相连的螺栓将一起转动，从而使拆除和再次拧紧工作有困难，而不能进行。在图11所示的一个替换实施例中，提供了一个结构，该结构允许在紧固件安装后分别用力夹紧螺栓和螺母，因此有利于拆除或重新拧紧接头。
正如图11看出的，该螺纹部分26包括第二带键槽/螺纹部分27，该部分类似于夹紧部分30，但从断裂槽28向内延伸。因此，在通过断裂槽28的断裂，常键槽的顶断30除去和最终安装时，该第二带键槽部分27仍留在螺栓12的自由端。该实施例的其它构件与图1所示的实施例相同。
第二带键槽部分27选成足够的长度，从而在最大的夹紧状态下，它将穿过螺母14的外端，足以与带槽的套筒构件(如工具70上的内套筒构件)进行适当的啮合。螺母14还可通过六角套筒构件(如工具70上的六角套筒构件72)啮合。因此，螺栓12相对于螺母14固定，从而在螺栓12和螺母14之间加上拆除或再拧紧的力矩(如上所述，构件的转动将取决于所用安装工具的类型)。在最大的夹紧状态下、即工件46和56的最大的总厚度在紧固件10的夹紧范围内，第二带键槽部分27超出螺母14的外端的凸出部分最小；同时，在最小的夹紧状态下，即工件46和56的最小总厚度在紧固件的夹紧范围内，第二带键槽部分27超出螺母14的外端的凸出部分最大。这就要求使凸出部分保持尽可能短，这可通过首先确定第二带键槽部分27的长度来做到，该长度要能提供与配合的套筒构件足够的啮合，以能经受在最大夹紧状态下的拆除时的力矩。由于该长度设定成尽可能短，在最小夹紧状态下，第二带键槽部分27的最大的凸出部分将是一个距离，该距离等于夹紧长度加宜用于最大夹紧状态确定的预先选定的凸出部分的长度。
在本发明的这个优选实施例中，所给出的尺寸是大约的，并考虑到误差参数内的波动，紧固件10具有下列技术条件。螺栓12由4140钢制成，并在机械加工(或成形)后硬化到Rc 36～38。螺栓头20的直径为2.799cm(1.102英寸)、长度为1.207cm(0.475英寸)，螺杆22的整个长度为16.289cm(6.413英寸)，光滑的螺杆部分24的直径为2.2cm(0.866英寸)，长度为7.112cm(2.8英寸)，螺纹部分的外径为2.2cm(0.8676英寸)，长度为7.366cm(2.9英寸)，断裂槽28的根部直径为1.549cm(0.610英寸)。螺纹部分26的螺纹具有最小直径为2.073cm(0.816英寸)，标准的螺纹顶为0.109cm(0.0429英寸)，螺距为0.318cm(0.125英寸)，夹紧部分30的螺纹尺寸与此相同，该夹紧部分也具有12个尖的驱动键槽，其外径为2.151cm(0.847英寸)。
管状套筒16由4130钢制成，在加工后被硬化到Rc46～49。它的外径为2.789cm(1.098英寸)，内径为2.253cm(0.887英寸)，长度为9.975cm(3.927英寸)。回火带状部分35在中部，离端部34约1.524cm(0.600英寸)并在其轴向长度上具有如图12所示的典型的硬度分布。采用这个实施例，组装后的封闭的隆起部分的外径将为4.191cm(1.650英寸)，高度为0.592cm(0.233英寸)，腿部84将比较短，从而能具有参考图7a和8a讨论的优点，在紧固件组装后它的典型长度为0.229～0.330cm(0.090～0.130英寸)。在组装后腿部84的外径与初始外径相比通常凸出0.051～1.27cm(0.020～0.050英寸)(或约1.8-4.5％)，在此情况下凸出率在1.5-5.0％之间。采用这种短腿部设计，正如图7a和8a所示，该紧固件的通常的断裂载荷超过93000磅，与图7b和8b的紧固件设计相比，它们的断裂载荷约为83000磅。因此，该短腿部设计大大增加了紧固件的断裂载荷。
另外，套筒可用抗腐蚀的合适的不锈钢制成。作为一种不是优选的办法，为提供带状部分35，不仅可用硬的套筒16回火做到，而且还可硬化除带状部分35外的其它部分来做到。
剪切垫18用4140钢制成，在机加工(或成形)后硬化到Rc41～44.它的厚度为0.584cm(0.23英寸)，外径为4.648cm(1.83英寸)，埋头孔直径为2.870cm(1.130英寸)，通孔40的直径为2.228cm(0.887英寸)，埋头孔38下方的厚度(即剪切面厚度)为0.366cm(0.144英寸)。
螺母14由4130钢制成，在机加工(或成形)后硬化到Rc36～38。它在相对的六角面之间的宽度为4.114cm(1.62英寸)，整个高度为3.81cm(1.50英寸)，埋头孔52的深度为1.397cm(0.55英寸)，直径为2.858cm(1.125英寸)，螺纹孔54的螺纹的最大直径为2.270cm(0.894英寸)，最小直径为2.121cm(0.835英寸)，其构形宜啮合螺栓12的螺纹部分26。
该紧固件的的夹紧范围为8mm±1mm，拟用在一般的27mm的用途中，其中的孔由30mm钻头钻成。当然，该紧固件还可具有其它尺寸和夹紧范围。
应该看到，不同实施例的各种特征可以互换以提供不同的实施例。除了图中示出的实施例外，可以看出，对用在不同夹紧范围的同样直径的紧固件来说，仅需改变螺栓和套筒以适应紧固件长度上所要求的变化。这个特征简化了紧固件构件的制造和设计要求。
在本发明已被认为是以最实际和优选的实施例来进行描述的同时，应该看到，它还可进行进一步的修改，并且不仅限于已公开的实施例。本申请和覆盖本发明的任何修改、用途、相当的布局或配合及通常的发明原理，还包括可采用前面的基本特征和所附权利要求的精神和范围的、本发明所包含的在先有技术中已知和习惯性实践内的脱离本公开的内容。
权利要求
1.一种封闭螺栓，用以以所需要的夹紧载荷来固定多个工件，工件中具有对准的孔并具有可接近的侧面和封闭的侧面，该螺栓宜由安装工具从工件的可接近侧面加上相应的轴向力来进行安装，上述封闭螺栓包括一个螺栓构件，在其加大的螺栓头的一端的端部具有长的螺杆，上述螺栓头包括在其下侧上的套筒啮合面，在上述套筒啮合面和上述长螺杆之间的角度约为88°～90°之间，一个通常宜接纳上述螺杆的长的管状套筒，上述管状套筒包括宜位于工件的对准孔中的第一套筒杆部分，和位于上述螺杆上的上述螺栓头和上述第一套筒部分之间、并安置成与上述螺栓头的上述套筒啮合面啮合的第二套筒杆部分，上述第二套筒杆部分具有一预定轴向长度的带状部分，上述带状部分的刚度小于第一套筒杆部分的刚度；啮合装置可操作地与上述管状套筒连接并包括一个啮合结构，上述啮合结构宜由安装工具啮合，从而由安装工具将相应的轴向力加在上述螺栓构件和上述啮合装置之间，从而以第一量级的相应的轴向力将工件夹在一起，上述第二套筒杆部分在上述螺栓头和工件的封闭侧面之间的上述带状部分上，能根据第二量级的相应的轴向力很容易地变形，该第二量级的轴向力小于上述第一量级，以在封闭侧面和在选定长度上的上述封闭头和上述套筒啮合面之间延伸的套筒腿部形成一个加大的、隆起的封闭头，一个承载装置，该装置用于将上述第二量级的相应的轴向力通过上述第一套筒杆部分传到上述第二套筒杆部分，并响应小于上述第一量级和大于上述第二量级的第三量级的相应的轴向力，使上述第一套筒杆部分移出与上述螺栓头的轴向承载关系，从而上述封闭头将啮合封闭侧面，使上述第一量级的相应的轴向力和加到工件上的最终载荷将基本加在上述螺栓、上述封闭头和上述啮合装置之间，上述承载装置宜位于工件可接近侧面对准的孔的外部，在上述螺杆上的固定装置，上述啮合装置包括可操作地与固定装置啮合的啮合结构，用以将上述螺栓构件和上述啮合结构连在一起；和其中，上述套筒的腿部在加上相应的轴向力时容易径向向外膨胀，上述套筒腿部的选定的长度选成使上述套筒腿部膨胀到足以增加穿过在工件和上述螺栓头之间的上述封闭头、并连续地包含上述套筒腿部的选定长度的剪切线的长度。
2.如权利要求1的封闭螺栓，具有上述承载装置，该承载装置包括一个一侧宜与工件可接近的侧面呈承载关系的承载构件。
3.如权利要求1的封闭螺栓，具有上述带状部分，该带状部分宜径向向外折迭，以响应上述第二量级的相应的轴向力形成隆起形式的上述封闭头。
4.如权利要求1的封闭螺栓，具有上述固定装置，该固定装置包括上述螺杆上的、由螺旋形螺纹确定的固定槽，具有配合螺纹的上述啮合结构宜与上述固定槽螺接，由此由加在上述螺栓构件和上述啮合结构之间的相应的力矩来提供上述螺栓构件和上述啮合装置之间的相应的轴向力。
5.如权利要求1的封闭螺栓，具有上述固定装置，该固定装置包括上述螺杆上的、由螺旋形螺纹确定的固定槽，上述啮合结构是具有宜与上述螺栓构件螺接的配合螺纹的螺母构件，由此由加在上述螺栓构件和上述螺母构件之间的相应的力矩在上述螺栓构件和上述螺母构件之间提供相应的轴向力，上述螺杆部分具有宜与安装工具啮合、从而能在上述螺栓构件和上述螺母构件之间加上力矩的带键槽的端部，上述带键槽的端部具有多个从键槽根部径向伸出的凸头确定的轴向延伸的尖的键槽，上述键槽通常均匀地周向分布，上述多个键槽位于围绕上述端部的每个象限上，上述螺旋形螺纹延伸在上述带键槽的端部上，上述键槽的顶部和根部的最大和最小直径基本与上述螺纹部分的上述螺旋形螺纹的最大和最小直径相同并协调一致，从而能螺接上述螺母构件。
6.如权利要求1的封闭螺栓，其中在上述套筒啮合面和上述长的螺杆之间的角度约为89°。
7.如权利要求6的封闭螺栓，其中上述带状部分的硬度在Rc28～35之间。
8.如权利要求7的封闭螺栓，其中上述第一套筒杆部分的硬度在Rc46～49之间。
9.如权利要求1的封闭螺栓，其中上述带状部分的硬度在Rc28～35之间。
10.如权利要求7的封闭螺栓，其中上述第一套筒杆部分的硬度在Rc46～49之间。
11.一种封闭螺栓，用以以所需要的夹紧载荷来固定多个工件，工件中具有对准的孔并具有可接近侧面和封闭面侧，该螺栓宜由安装工具从工件的可接近的侧面加上相应的轴向力进行安装，上述封闭螺栓包括一个螺栓构件，在其加大的螺栓头的一端的端部具有长的螺杆，在另一端具有螺纹部分，上述螺栓头包括在其下侧上的套筒啮合面，在上述套筒啮合面和上述长的螺杆之间的夹角大约在88～90°之间，一个通常宜接纳上述螺杆的长的管状套筒，上述管状套筒包括宜位于工件的对准的孔中的第一套筒杆部分，和位于上述螺杆上的上述螺栓头和上述第一套筒杆部分之间并安置成与上述螺栓头的上述套筒啮合面啮合的第二套筒杆部分，上述第二套筒杆部分具有预定轴向长度的带状部分，上述带状部分的刚度小于第一套筒杆部分的刚度，一个螺母，用以与上述螺杆的螺纹部分啮合、可操作地与上述管状套筒相连，并宜由安装工具啮合，从而由安装工具在上述螺栓和上述螺母之间加上相应的轴向力，以第一量级的相应的轴向力将工件夹在一起，上述第二套筒杆部分在上述螺栓头和工件封闭侧面之间的上述带状部分上响应小于上述第一量级的第二量级的相应的轴向力很易发生变形，从而形成在封闭侧面和在选定长度上的套筒腿部形成一个加大的、隆起的封闭头，一个剪切垫放置在上述套筒和上述螺母之间的工件的可接近侧，用以将上述第二量级的相应的轴向力通过上述第一套筒杆部分传到上述第二套筒杆部分，该剪切垫具有可断裂的剪切截面，它响应小于上述第一量级、大于上述第二量级的第三量级的相应的轴向力被剪断，使上述第一套筒杆部分与上述螺栓头移出轴向承载关系，从而上述封闭头将啮合封闭侧面，使上述第一量级的相应的轴向力和加到工件上的最终夹紧载荷将基本加在上述螺栓、上述封闭头和上述螺母之间，和其中上述套筒的腿部在加上相应的轴向力时径向向外膨胀，上述套筒腿部的选定的长度选成使上述套筒腿部膨胀到足以增加穿过在工件和上述螺栓头之间的上述封闭头并连续地包含上述套筒腿部的选定长度的剪切线的长度。
12.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述剪切垫包括宜与工件的可接近的侧面呈承载关系的一侧。
13.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述带状部分宜径向向外折迭，以响应上述第二量级的相应的轴向力形成隆起形式的上述封闭头。
14.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述螺栓的上述螺纹部分是由螺旋形螺纹确定的，上述螺母具有宜与上述螺纹部分螺接的配合螺纹，从而通过加在上述螺栓和上述螺母之间的相应的力矩在上述螺栓和上述螺母之间提供相应的轴向力。
15.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述螺杆包括宜与安装工具啮合从而在上述螺栓和上述螺母之间加上力矩的带键槽的端部，上述带键槽的端部具有多个由从键槽根部径向延伸的凸出部分确定的轴向延伸的尖的键槽，上述键槽通常沿周向均匀分布，多个上述键槽位于围绕上述端部的每个象限上，上述螺栓的上述螺纹部分的螺旋形螺纹在上述带键槽的端部上延伸，上述健槽的凸出部分和根部的最大和最小直径基本与上述螺纹部分的上述螺旋形螺纹的最大和最小直径相等和协调一致，从而可螺接上述螺母。
16.如权利要求15的封闭螺栓，其中在上述套筒啮合面和上述长的螺栓杆之间的夹角约为89°。
17.如权利要求16的封闭螺栓，其中上述带状部分的硬度在Rc 28～35之间。
18.如权利要求17的封闭螺栓，其中第一套筒杆部分的硬度在Rc46～49之间。
19.如权利要求11的封闭螺栓，其中在上述套筒啮合面和上述长的螺栓杆之间的夹角是大约89度。
20.如权利要求19的封闭螺栓，其中上述带状部分的硬度在Rc 28～35之间。
21.如权利要求20的封闭螺栓，其中上述第一套筒杆部分的硬度在Rc 46～49之间。
22.如权利要求21的封闭螺栓，其中上述带状部分的硬度在Rc 28～35之间。
23.如权利要求22的封闭螺栓，其中上述第一套筒杆部分的硬度在Rc 46～49之间。
24.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述螺母包括与上述剪切垫相邻并在上述剪切垫剪切后接纳上述可断裂的剪切部分的埋头孔。
25.如权利要求24的封闭螺栓，其中上述螺母的埋头孔具有确定一个夹紧腔的深度，夹紧腔的预定长度通常等于该紧固件的夹紧范围，其中夹紧范围定义为单根紧固件能固定在一起的工件的最小和最大的总厚度之差。
26.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述剪切垫的剪切截面包括由上述剪切垫中的埋头孔形成的减小的上述剪切垫的厚度部分。
27.如权利要求11的封闭螺栓，其中上述剪切垫的剪切截面包括由上述剪切垫的一侧上的至少一个圆槽形成的减少的上述剪切垫的厚度部分。
28.如权利要求27的封闭螺栓，其中上述剪切垫的上述剪切截面包括由上述剪切垫的每一侧上的至少一个圆形槽形成的减少的上述剪切垫的厚度部分。
29.如权利要求10的封闭螺栓，其中上述套筒腿部外径的径向向外的膨胀率在1.5～5.0％(0.020～0.050英寸)之间。
30.如权利要求29的封闭螺栓，其中上述套筒腿部外径的径向向外的膨胀率在1.8～4.5％之间。
31.如权利要求30的封闭螺栓，其中上述套筒腿部的在上述封闭头上部的长度在0.229～0.330cm(0.090～0.130英寸)之间。
32.如权利要求11的封闭螺栓，其中在上述封闭头形成后上述套筒腿部的长度在0.229～0.330cm(0.090～0.130英寸)之间。
33.一种封闭螺栓，用以以所需要的夹紧载荷来固定多个工件，工件中具有对准的孔并具有可接近的侧面和封闭的侧面，该螺栓宜由安装工具从工件的可接近的侧面加上相应的轴向力来安装，上述封闭螺栓包括一个具有长螺杆的螺栓构件，螺杆的一端是一个加大的螺栓头，该螺栓头包括位于其下方的套筒啮合面，一个通常宜接纳上述螺杆的长的管状套筒，上述管状套筒包括宜位于工件的对准的孔中的第一套筒杆部分，和宜位于上述螺杆上的上述螺栓头和上述第一套筒杆部分之间并安置成与螺栓头的套筒啮合面啮合的第二套筒杆部分，使第二套筒杆部分具有带预定长度的带状部分的套筒腿部，该带状部分的硬度小于第一套筒杆部分的硬度，可操作地与上述管状套筒连接的啮合装置，该啮合装置包括宜由安装工具啮合的啮合结构，从而可由安装工具在上述螺栓构件和上述啮合构件之间加上相应的轴向力，以第一量级的相应的轴向力将工件夹紧在一起，上述第二套筒部分在上述螺栓头和工件的封闭侧面之间的带状部分上，能响应小于上述第一量级的第二量级的相应的轴向力而很容易地变形，从而形成与在封闭头上方的上述套筒腿部一起的、贴靠上述封闭侧面的增大的封闭头，一个承载装置，用于将上述第二量级的相应的轴向力通过上述第一套筒杆部分传到上述第二套筒杆部分，并响应小于上述第一量级和大于上述第二量级的第三量级的相应的轴向力、使上述第一套筒杆部分移出与上述螺栓头的轴向承载关系，从而上述封闭头将啮合封闭侧面，使上述第一量级的相应的轴向力和加到工件上的最终夹紧载荷将基本上加在上述螺栓、上述封闭头和上述啮合装置之间，上述承载装置宜位于工件的可接近侧面上的对准的孔的外部；在上述螺杆上的固定装置，上述啮合装置包括可与上述固定装置一起操作的啮合结构，用以将上述螺栓构件和上述啮合结构连接在一起；和其中上述套筒的腿部在加上相应的轴向力时在上述带状部分上径向向外膨胀，该相应的轴向力足以与上述套筒腿部一起增加通过封闭头的剪切线的长度，上述带状部分宜径向向外折迭，以响应上述第二量级的相应的轴向力形成隆起形式的封闭头，在上述封闭头上方的上述套筒腿部的上述部分的长度在0.229～0.330cm(0.090-0.130英寸)之间。
34.如权利要求33的封闭螺栓，其中第一套筒杆部分的硬度在Rc46～49之间，带状部分的硬度在Rc 28～35之间。
35.如权利要求33的封闭螺栓，上述螺栓具有长的螺杆部分，螺杆的一端是一个增大的螺栓头，另一端具有螺纹部分，螺栓头包括位于其下方的套筒啮合面，在套筒啮合面和上述螺杆之间的夹角大约为88-90°，一个螺母用以与螺栓的螺纹部分啮合并可操作地与上述管状套筒相连，和宜由安装工具啮合，从而可由安装工具在上述螺栓和螺母之间加上相应的轴向力，从而以第一量级的相应的轴向力将工件夹紧在一起，一个剪切垫放在套筒和工件的可接近侧上的螺母之间，用以通过上述第一套筒杆部分将上述第二量级的相应的轴向力传到上述第二套筒杆部分上，该剪切垫具有响应小于上述第一量级和大于上述第二量级的第三量级的相应的轴向力剪断的可断裂的剪切截面，第一套筒杆部分移出与上述螺栓头呈轴向承载关系，从而使上述封密头与封密侧面啮合，从而使上述第一量级的相应的轴向力和加到工件上的最终夹紧载荷将基本加在上述螺栓、上述封闭头和上述螺母之间。
36.如权利要求35的封闭螺栓，其中上述剪切垫包括宜与工件的可接近表面呈承载关系的一侧，上述螺母包括与上述剪切垫相邻的、用于接纳剪切后的断裂的剪切部分的埋头孔。
37.如权利要求33的封闭螺栓，其中上述套筒腿部的上述带状部分的径向向外膨胀率在1.5～5.0％之间。
全文摘要
一种用以以所需的夹紧力来固定多个工件(46，56)的封闭螺栓，包括具有一根长螺杆(22)的螺栓(12)，螺杆一端是加大的螺栓头(20)，一根长的管状套筒(16)宜接纳上述螺杆(22)。套筒(16)包括宜位于工件的对准的孔(60，62)中的第一部分和位于上述螺杆上的上述螺栓头(20)和上述第一部分之间的第二部分(35)。一个螺母(14)可操作地与上述螺栓(12)相连并可由安装工具啮合，从而由安装工具在螺栓和螺母之间加上轴向力以夹紧工件(46，56)，第二套筒部分(35)在上述螺栓头(20)和工件的封闭面(58)之间的位置上易于变形。
文档编号F16B23/00GK1498313SQ00813810
公开日2004年5月19日 申请日期2000年6月14日 优先权日1999年7月13日
发明者欧内斯特·蒙特萨拉特, 欧内斯特 蒙特萨拉特 申请人:赫克国际公司