专利名称：用于固定螺栓的连接装置和方法
技术领域：
本申请涉及固定螺栓的连接装置和方法。更具体而言，本申请涉及具有改进的疲劳抗性的连接装置和连接系统，以及用于固定具有改进的疲劳抗性的螺栓的方法。
背景技术：
固定连接经常使用形状封闭(form closure)以便提供两个或更多不同部件之间的紧密连接。此类固定连接可由螺钉、钉子、螺栓、铆钉或类似物来提供。这些连接的功能为确保连接的部件的牢固或固定的安装，并且传递施加至连接的部件的力。特别地，螺钉连接是常见和流行的方式，以最低的成本来提供良好的连接。因此， 螺钉可用于技术专业的几乎每一处连接。例如，凸缘连接被螺钉固定以便连接两个近似圆形的部件。典型地，螺钉必须提供良好和稳固的功能，以避免来自分离的部件的任何损坏。特别地，在诸如风能系统的非常大的应用中，螺钉连接必须满足高安全性要求。风能系统的凸缘连接也被螺钉固定，并且所需的强度通过使用大型螺钉而获得。由于可能暴露于高负载下的构造和材料，对这些连接总是留有风险。此外，在任何技术案例中，螺钉的尺寸均为安全性和成本之间的折衷。
发明内容
鉴于如上所述，提供了一种连接装置、一种连接系统和一种固定螺栓的方法。根据本申请的第一方面，提供了一种连接装置。该连接装置包括带有具有一个或多个凹槽的固定部分的螺栓，凹槽的周缘在至少两个部分之间是可微分的；中间元件，该中间元件的内部侧上带有一个或多个凸起的切割部，并且该中间元件的外部侧上带有螺纹， 其中该一个或多个凸起的切割部适于与螺栓的固定部分的一个或多个凹槽配合；以及在内部侧上具有螺纹的紧固件，其中紧固件适于拧在中间元件上。根据本申请的另一方面，提供了一种连接系统。该连接系统包括带有在其一端处适于与中间元件配合的固定部分的螺栓，其中该固定部分具有适于提供应力消除的几何形状的一个或多个凹槽；适于夹持螺栓的夹持部件，其中该夹持部件在其内部侧上具有一个或多个凸起，并且在其外部侧上具有螺纹，其中该一个或多个凸起适于与螺栓的固定部分的一个或多个凹槽配合；以及在内部侧上具有螺纹的螺母，其中该螺母适于通过与夹持部件的外部侧上的螺纹配合而拧在该夹持部件上，以便提供夹持部件和螺栓的固定部分之间的形状封闭。根据本申请的又另一方面，提供了一种加紧螺栓的方法。该方法包括提供了带有具有一个或多个凹槽的至少一个固定部分的螺栓；以在外部侧上具有螺纹并且在内部侧上具有一个或多个凹槽的中间元件环绕该螺栓，以便中间元件的一个或多个凸起的切割部与螺栓的一个或多个凹槽配合；以与中间元件的外部侧上的螺纹配合的在内部侧上具有螺纹的紧固件加紧螺栓和中间元件，以便中间元件和螺栓的固定部分形成形状封闭。
由所附的权利要求，描述和附图，本发明的进ー步的方面、优势和特点是显而易见 的。
包括其最佳模式、针对本领域中的技术人员的本发明的完全且使能的公开在本详 细说明的剰余部分中更详细地阐明，包括对附图的參考，在其中图1显示了根据本文描述的实施例的连接装置的示意性分解视图；图2显示了根据本文描述的实施例的中间元件的示意性顶部视图；图3显示了根据本文描述的实施例的已安装的连接装置的示意性视图；图如显示了根据本文描述的其它实施例的已安装的连接装置的示意性视图；图4b显示了根据本文描述的ー些实施例的螺栓的凹槽的几何形状的示意性的、 更详细的视图；并且图5显示了根据本文描述的实施例的固定螺栓的方法的示意性流程图；零部件清単
100连接装置/系统
110凸缘
120螺栓
121固定部分
122凹槽
130中间元件
131中间元件的第一半
132中间元件的第二半
133凸起的切割部/突起 140 紧固件
150垫圏
160中心线
190凹槽的几何形状
210提供螺栓
220提供中间元件230加紧螺栓
具体实施例方式现将详细參考本发明的多个实施例，其中一个或多个示例在图中图示。各示例作为本发明的解释，而非意味着作为本发明的限制而提供。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特性可用于其它实施例上或与其它实施例协作来产生一个又另一个实施例。本发明意在包括此类修改和变化。螺钉连接的强度取决于不同的条件。这些条件包括材料、尺寸、装配顺序、负载、位置等。由于螺钉的几何形状，螺钉一方面允许紧密的连接，并且另一方面可引起缺口应力。 缺口应力出现在带有缺口几何形状的装置上。当装置由于张紧、弯曲、扭曲和/或剪切而承受应力时，几何形状上带有急剧变化的缺口(例如螺纹及其类似物)引起装置中的应力峰。 这些应力峰降低了装置的强度并且可缩短寿命。缺口应力可构成螺钉-螺母连接的薄弱点。伴随着诸如材料缺陷的进一步的因素的添加，缺口应力可产生严重的后果。因此，螺钉必须以适当的方式定尺寸，并且所使用的螺钉的尺寸必须增大，来确保合适的功能。否则，螺钉的寿命周期被缩短，并且螺钉可必须更频繁地更换。螺钉的更换可导致高成本，尤其因为在机器内螺钉连接可能仅通过极大的努力而接近。例如，螺纹具有尖锐缺口。尖锐缺口引发螺纹中的高疲劳性。此外，尖锐缺口以负面方式影响通过该螺纹传递的负载。因此，在具有螺纹的螺栓的寿命期间可能产生在螺纹中的缺口处开始的裂纹。裂纹可扩展并且可导致螺栓完全失效。本申请的连接装置避免了这些问题，并提供了能够降低缺口应力的排列。因此，本申请提供了带有改进的疲劳性能的螺栓-螺母连接。在根据本文描述的实施例的连接装置和连接系统中的螺栓-螺母连接具有改进的几何形状，其有助于提高螺栓对疲劳性的抵抗力，并且相对于本领域中已知的螺纹而言，可因此提高连接的寿命周期和安全性。术语“连接装置”和“连接系统”在此申请中同义地使用。根据本文描述的实施例的连接装置100在图1中显示。连接装置100包括螺栓 120。螺栓120放置在必须连接的装置110中。装置可为板件、凸缘或类似物。典型地，在螺栓120的至少一端处提供了固定部分121。根据一些实施例，固定部分121可具有带有限定几何形状的凹槽122。典型地，这些凹槽122具有应力消除的几何形状。例如，凹槽122并不像螺纹的尖锐缺口那样具有锐角、尖角或类似物。然而，螺纹包含具有足够尖锐的角度的凹槽以形成缺口。与之相反，凹槽的几何形状应理解为带有基本平滑的几何形状的凹进。例如，凹槽可具有圆周的部分的形状。根据一些实施例，凹槽122可具有连续地结合了不同几何形状的形状。根据一些实施例，具有凹槽的凹槽的周缘是连续可微分的。因此，凹槽122的几何形状被设计成使得负载的传递是基本连续的，并且在螺栓的横截面之上是大致恒定的。典型地，改进的载荷传递可描述为在装置的横截面之上的负载分布的改进。例如， 与在其上带有螺纹的螺栓相比，带有凹槽的螺栓可提供改进的负载传递，因为凹槽具有阻止应力峰出现的平滑的形状。例如，改进的负载传递特征在于应力量的平滑变化。在应力的分布中不出现尖角、峰或类似物。改进的负载传递可由螺栓120的固定部分121的凹槽133的应力消除的几何形状提供。该应力消除的几何形状可描述为不具有突然变化的几何形状。典型地，引起减少的缺口应力的应力消除的几何形状在至少两个部分之间是可微分的。根据一些实施例，应力消除的几何形状是基本连续可微分的。基本连续可微分应理解为在诸如凹槽自身的尺寸的特定范围中连续可微分。也即，由于制造工艺或材料特性的小变化不应认为阻止凹槽的几何形状成为连续可微分。此外，具有尺寸例如为凹槽的尺寸的1/20、1/10或甚至1/5的变化的几何形状仍然理解为连续可微分。应力消除的几何形状可降低螺栓120中的缺口应力。与带有尖锐的缺口和凹痕或在至少两个部分之间不可微分的几何形状的螺栓相比，带有应力消除的几何形状的螺栓 120的缺口应力可降低。此外，连接装置100提供了中间元件130。根据一些实施例，中间元件130在内部侧上具有一个或多个凸起的切割部133，并且在外部侧上具有螺纹。典型地，中间元件130 的凸起的缺口 133在尺寸和形状上与螺栓120的固定部分121的凹槽122配合。凸起的切割部133和在中间元件130的外部侧上的螺纹之间的几何形状的比较显示了例如由凸起的切割部133和凹槽122提供的平滑的几何形状以及具有诸如螺纹的尖锐的边缘的几何形状之间的差异。当中间元件130的凸起的切割部133与螺栓120的固定部分121的凹槽122配合时，提供了形状封闭。随后，螺栓120由中间元件130和螺栓120的凹槽122之间的形状封闭固定。因此，可能的是中间元件130将螺栓120保持在限定的位置上。根据一些实施例， 中间元件130可为将螺栓夹紧在预定的位置上的夹持部件。根据本文描述的一些实施例，中间元件130可出于安装的目的而划分为两部分。 这两部分可见为图1中的中间元件的第一部分131和中间元件的第二部分132。中间元件的两部分131、132可通过依次以该两部件131、132围绕螺栓120而方便地安装。根据其它实施例，中间元件可分为多于两个部分，例如中间元件可具有三个、四个、五个或多于五个部分。根据一些实施例，中间元件由一件材料制成，并且在内部和外部侧具备预定的几何形状之后分离。例如，一件材料在外部侧上获得螺纹并且在内部侧上获得凸起的切割部。 在此之后，该件材料被切割(例如以任何常规的方法或借助激光或射流切割方法)。如图1中可见，提供了紧固件140。该紧固件140在内部侧上具有适于与中间元件130的外部侧上的螺纹配合的螺纹。此外，紧固件140具有允许紧固件140固定中间元件130的内径。例如，紧固件140可固定中间元件的两部分131和132。此外，图1中在紧固件140和要连接的装置110之间提供了垫圈150。根据一些实施例，紧固件140可为螺母或类似物。该螺母适于通过将中间元件130 压向螺栓120的固定部分121而将中间元件130固定至螺栓120。特别地，中间元件130 的凸起的切割部133被压入螺栓120的固定部分121的凹槽122。以此方式，中间元件130 的凸起的切割部133和螺栓120的凹槽122可提供形状封闭。使用垫圈150来分散紧固件 140的负载。根据本文描述的一些实施例，连接装置100可提供给凸缘110。例如，凸缘连接用于连接两个管道彼此连接的管道凸缘。凸缘连接的另一应用为两根梁的连接。典型地，本文描述的连接装置适于在风能系统中使用。根据一些实施例，装置110可为凸缘。该凸缘可为风能系统的部件。例如，凸缘连接可在风能系统中用来将风能系统的塔架锁定至地面。根据一些实施例，在图2中，中间元件130以顶部视图显示。在此实施例中，中间元件130被分为两部分131和132。中间元件的各个部分131、132以同样的方式制造。中间元件的第一和第二部分131、132提供了开口 135、一个或多个凸起的切割部133以及在外侧上的螺纹136。在图3中显示了根据本文描述的实施例的连接系统300。连接系统300以横截面视图以安装的方式显示了图1中的连接装置100。螺栓120被插入可为诸如凸缘的部件部分11。中间元件的两部分131、132被放置在螺栓120的周围，以便中间元件130的凸起的切割部或突起133与螺栓120的凹槽122 配合。紧固件140围绕中间元件的第一和第二部分131、132以及螺栓120。紧固件140被拧在中间元件130上。通过加紧紧固件140，螺栓120的固定部分121和中间元件130以预定的强度连接。此外，在中间元件的第一和第二部分131、132以及紧固件140之间提供了形状封闭。图如显示了连接系统的另一实施例。在此实施例中，螺栓120的凹槽122提供了改进的几何形状。图如中由虚线圆A突出的凹槽可在显示了沿着中心线160的凹槽122的轴向横截视图的图4b中更详细地看到。如可在图4b中所见，凹槽122的几何形状190具有至少两个不同的半径。图4b中示出了两个半径Rl和R2，限定了应力消除的凹槽133的几何形状190。根据一些实施例，两个半径由平滑的交点连接。例如，半径被连接以使得该几何形状是基本连续可微分的。在图4b的实施例中，半径Rl小于半径R2。因此，凹槽122 的几何形状190可适于负载情况以便提供该连接装置的甚至更牢固的应用。例如，凹槽在负载作用的方向上可具有更小的半径。例如，如图如中所示，当负载沿着中心线160从螺栓120向固定部分121施加时，在该方向上首先出现更大的半径以便提供连接装置110方面的良好结果。如在图如中可见，中间元件130的构造适于与螺栓120的固定部分121的改进的几何形状配合。典型地，中间元件130的凸起的切割部133具有与凹槽122相同但是呈相反的方式的几何形状，以便凹槽122与凸起的切割部133可相互配合。根据一些实施例，只要该凹槽的几何形状允许负载的应力减轻的传递，则凹槽的形状可以任何方式修改。根据一些进一步实施例，凹槽的数目可变化。在图中，螺栓被示例性地显示为带有三个凹槽。根据一些实施例，凹槽的数目可为少于或多于三个。例如，凹槽的数目可为两个或仅一个。根据其它实施例，凹槽的数目可为四个、五个或甚至多于五个。凹槽的数目和凹槽的形状取决于负载情况。本领域中的技术人员将选择凹槽以及关连的凸起的切割部的数目和形状，以确保适当的功能和改进的疲劳特性。根据一些实施例，螺栓120可在各端处具有固定部分，以在各方向上固定该螺栓 120。在螺栓12的相反端处的第二固定部分还可具有如上文所描述的带有应力消除几何形状的凹槽。典型地，第二固定部分可具有与第一固定部分相同的几何形状和构造。根据一些实施例，如图5中可见，提供了固定螺栓的方法。在一个实施例中，该方法包括在步骤210中提供要连接的两个部件，并且将螺栓插入这两个部件中的孔中。螺栓具有带有如上文所述的凹槽的固定部分。然后，在步骤220中，螺栓的固定部分由中间元件围绕。例如，中间元件可为夹持部件。根据一些实施例，中间元件可具有两个或多个部件，以使得螺栓的固定部分的一半首先由中间元件的第一部分围绕，并且然后固定部分的另一半由中间元件的第二部分围绕。 中间元件的第一和第二部分可为如上文所描述的第一和第二部分131、132，并且可进一步包括其所描述的所有实施例。在步骤230中提供了在内部侧上具有螺纹的紧固件。该紧固件与中间元件的外部侧上的螺纹配合。紧固件被加紧，并且因此能够提供中间元件和紧固件之间的形状封闭。通过加紧紧固件，在螺栓的固定部分和中间元件之间提供了进一步的形状封闭。因此，螺栓被加紧并且可保持在预定的位置上。通过这些形状密封，要连接的部件通过螺栓连接。因此， 螺栓由中间元件夹持并且由紧固件加紧。以此方式，防止螺栓移动，并且可固定要连接在一起的部件。根据一些实施例，上文描述的方法可用来提供降低了由于连接装置中的缺口应力的连接。缺口效应的减少可由螺栓中凹槽的数目来提供，或可由螺栓的凹槽的形状来提供， 或可由二者的组合来提供。因此，通过提供阻止了连接螺栓中的应力峰的用于连接装置的方法，上文描述的方法提供了去除缺口应力的螺栓。根据一些实施例，该方法可用于固定凸缘连接。根据仍进一步实施例，该方法可在风能系统中使用。另外，如本领域中已知，通过根据本文描述的实施例的方法和连接装置，螺纹的拉伸剪切负载可被改变为压缩剪切负载。上文描述的连接系统允许提高疲劳抗性。此外，上文描述的实施例可使用用于安装连接系统的已知安装方法。例如，该方法和连接系统允许使用用于固定紧固件的已知的加紧方法。此外，用于确保连接的合适功能的预张力也可由已知的方法计算。因此，新的安装或计算方法并非必须应用于使用上文的系统和方法。根据一些实施例，上文的构造给予了将不同的材料使用于螺栓和螺纹的可能性。 例如，在非常高负载的情况下可使用钛质而非钢质螺纹。因此，连接装置的尺寸可容易地适于每个负载情况。此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利范围由权利要求限定，并且可包括由那些本领域中的技术人员想到的其它实例。如果它们具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或如果它们包括并非实质不同于权利要求的字面语言的等价的结构元件，则此类其它示例意在处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种连接装置，包括a)包括固定部分(121)的螺栓(120)，所述固定部分(121)包括在至少两个部分之间其周缘是可微分的一个或多个凹槽(122)；b)中间元件(130)，包括在所述中间元件的内部侧上的一个或多个凸起的切割部 (133)和所述中间元件的外部侧上的螺纹，其中所述一个或多个凸起的切割部适于与所述螺栓的所述固定部分的所述一个或多个凹槽配合；以及c)紧固件(140)，包括在所述内部侧上的螺纹并且适于固定所述中间部件。
2.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述中间元件(130)被分为至少两部分。
3.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述紧固件为螺母。
4.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述一个或多个凹槽的周缘是基本连续可微分的。
5.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述一个或多个凹槽的每一个提供了在横截面中包括至少两个不同的半径的几何形状，所述横截面包括所述螺栓的中心线。
6.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述螺栓的所述中间元件 (130)和所述固定部分(121)被布置成提供形状封闭。
7.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置为适于凸缘连接的连接装置。
8.根据任一前述权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置为适于在风能系统中使用的连接装置。
9.一种固定螺栓的方法，包括a)提供包括至少一个固定部分的螺栓，所述至少一个固定部分包括一个或多个凹槽；b)以在外部侧上包括螺纹、并且在内部侧上包括一个或多个凸起的切割部的中间元件围绕所述螺栓，使得所述中间元件的所述一个或多个凸起与所述螺栓的所述一个或多个凹槽配合；以及c)以在所述内部侧上具有螺纹的紧固件固定所述螺栓和所述中间元件，所述紧固件的所述内部侧上的螺纹与所述中间元件的所述外部侧上的螺纹配合，使得所述中间元件和所述螺栓的所述固定部分提供形状封闭。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，与带有螺纹的螺栓相比，所述螺栓中的缺口效应是减轻的。
全文摘要
本发明涉及用于固定螺栓的连接装置和方法，具体而言，提供了一种连接装置。该连接装置包括带有具有一个或多个凹槽(122)的固定部分(121)的螺栓(120)；中间元件(130)，在该中间元件的内部侧上带有一个或多个凸起的切割部(133)，并且在该中间元件的外部侧上带有螺纹，其中该一个或多个凸起的切割部适于与螺栓的固定部分的一个或多个凹槽配合；以及在内部侧上具有螺纹并且适于固定中间元件的紧固件(140)。
文档编号F16B31/06GK102278350SQ20111017357
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者D·黑德 申请人:通用电气公司