专利名称：紧固螺栓的连接装置和方法
技术领域：
本申请涉及紧固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抗疲劳性的连接装置和连接系统，以及用于以改进的抗疲劳性紧固螺栓的方法。
背景技术：
紧固连接常常使用构型封闭(form closure)，以便提供两个或更多个不同部件之间的紧密连接。这种紧固连接可由螺钉、钉子、螺栓、铆钉或类似物提供。这些连接的功能是为了确保连接的部件的牢靠或固定的配合且传递施加到连接的部件上的力。特别地，螺旋连接是以最小成本提供良好连接结果的常用且流行的方式。因此，螺钉可用于相关技术的几乎每种连接。举例而言，凸缘连接以螺旋的方式连接，以便连接两个近似圆形的构件。典型地，螺钉必须提供良好且可靠的功能以便避免来自单独的构件的任何损害。 特别地，在非常大型的应用中，诸如风能系统中，螺旋连接必须满足高安全性需求。风能系统的凸缘连接也以螺旋的方式连接，且通过使用较大螺钉实现所需强度。由于可向高载荷暴露的构造和材料，对于这些连接，总是存在其余的风险。此外，该螺钉的尺寸设置在任何技术情况下都在安全性与成本之间折中。
发明内容
鉴于上文所述，提供了紧固螺栓的连接装置、连接系统和方法。根据本申请的第一方面，提供一种连接装置。该连接装置包括螺栓，其具有紧固部，紧固部具有一个或多个凹槽，凹槽的周缘在至少两个部分之间可微分；开口销，其具有至少两个部分且当将该至少两个部分合在一起时在外侧上具有圆锥形且具有轴向孔，其中该轴向孔在孔的内侧上提供了一个或多个凸形切割部，其中凸形切割部适于与螺栓的紧固部的一个或多个凹槽配合；至少一个第一支承块，其在外侧上具有螺纹；至少一个第二支承块，其在外侧上具有螺纹，其中该至少一个第二支承块在内侧上适于与开口销的圆锥形配合；以及紧固件，其在内侧上具有螺纹，其中该紧固件适于螺旋连接到支承块上。根据本申请的另一方面，提供一种用于凸缘连接的连接系统。该连接系统包括螺栓，该螺栓在其一端处具有紧固部，紧固部适于与开口销配合，其中该紧固部具有一个或多个凹槽，凹槽适于提供应力消除几何形状；开口销，其适于夹持螺栓，其中开口销具有在开口销内侧上的一个或多个突起和在开口销外侧上的圆锥形，其中该一个或多个突起适于与螺栓的紧固部的一个或多个凹槽配合；至少一个第一螺纹块，其在外侧上具有螺纹；至少一个第二螺纹块，其具有在外侧上的螺纹和内侧上的圆锥形，其中该内侧适于与开口销的圆锥形配合；以及螺母，其具有在内侧上的螺纹，其中该螺母适于通过与第一螺纹块的外侧上的螺纹配合而螺旋连接于至少第一螺纹块上，且适于锁定至少一个第二螺纹块，从而提供在该至少一个第一螺纹块与开口销之间的构型封闭。根据本申请的又一方面，提供一种用于紧固螺栓的方法。该方法包括提供螺栓，该螺栓具有在其一端处的紧固部以及保持部，紧固部具有一个或多个凹槽；利用在外侧上具有螺纹的第一螺纹块包围该螺栓的保持部；利用第二螺纹块包围该螺栓，该第二螺纹块具有在外侧上的螺纹和在内侧上的圆锥形；利用开口销包围该螺栓的具有一个或多个凹槽的紧固部，该开口销具有在开口销内侧上的、适于与该螺栓的紧固部的一个或多个凹槽配合的一个或多个凸形切割部；以及利用螺母来紧固该螺栓、该第一螺纹块和第二螺纹块以及该开口销，该螺母在内侧上具有适于匹配第一螺纹块和第二螺纹块上的螺纹的螺纹。通过从属权利要求、说明书和附图，本发明的另外的方面、优点和特点显而易见。
在说明书的其余部分中(包括参考附图)，更具体描述了本发明的全面并可实施的公开内容(对本领域普通技术人员而言)，包括其最佳模式，在附图中图1示出根据本文所述的实施例的连接装置的示意分解图；图2示出根据本文所述的实施例的开口销的示意顶视图；图3示出根据本文所述的实施例的、紧固之前的安装好的连接装置的示意图；图4示出根据本文所述的实施例的、紧固之后的安装好的连接装置的示意图；图如示出根据本文所述的其它实施例的、紧固之后的安装好的连接装置的示意图；图恥示出根据本文所述的某些实施例的、螺栓凹槽几何形状的示意性的更详细的视图；以及图6示出根据本文所述的实施例的紧固螺栓的方法的示意流程图。部件列表100连接装置/系统110装置或凸缘120 螺栓121紧固部122 凹槽130 开口销131开口销的第一半132开口销的第二半133凸形切割部/突起140紧固件150支承块160支承块170中心线180 空间190凹槽的几何形状210提供螺栓220提供第一螺纹块230提供第二螺纹块
240提供开口销250紧固螺栓
具体实施例方式现将详细地参考本发明各个实施例，其一个或多个实例在附图中示出。以解释本发明的方式提供各个实例，且各个实例并不意味着限制本发明。举例而言，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可用于其它实施例或结合其它实施例使用以得到又一实施例。预期本发明包括这些修改和变型。螺旋连接的强度取决于不同的条件。在这些条件中，有材料、大小、组装次序、载荷、位置等。由于螺钉的几何形状，螺钉一方面允许紧密连接且另一方面可造成缺口应力。 该缺口应力出现于具有带缺口几何形状的设备中。当设备通过拉伸、弯曲、扭曲和/或剪切而加应力时，几何形状的急剧变化的缺口(诸如螺纹及类似物)会造成该设备中的应力峰值。这些应力峰值减小了设备的强度且可能会缩短寿命。缺口应力可构成螺钉-螺母连接的弱点。加上另外的因素，诸如材料弱点，缺口应力可具有严重后果。因此，螺钉必须以充分的方式设置尺寸且要用的螺钉大小必须增加以确保适当功能。否则，会缩短螺钉的寿命周期且螺钉可能必须更经常地更换。螺钉更换可导致高成本，特别是因为螺旋连接仅可在机器内做出很大努力才能接近。螺纹例如具有尖锐缺口。尖锐缺口造成带螺纹的螺栓中的高疲劳。另外，尖锐缺口会以不利的方式影响通过螺纹的载荷传递。因此，可在具有螺纹的螺栓的寿命期间出现裂缝，其始于螺纹中的尖锐缺口处。裂缝可发展且可导致总螺栓损失。本申请的连接装置避免了这些问题且提供了能够减小缺口应力的装置。因此，本申请提供具有改进的疲劳行为的螺栓-螺母连接。在根据本文所述的实施例的连接装置和连接系统中的螺栓-螺母连接具有修改的几何形状，其帮助增加螺栓的关于疲劳的抗性且因此与本领域中已知的螺旋连接相比可延长寿命周期以及提高连接的安全性。本申请的连接装置的强度通过提供两种不同的螺纹来紧固该装置而变得可能。术语“连接装置”和“连接系统”在整个本公开中同义地使用。在图1中示出根据本文所述的实施例的连接装置100。该连接装置100包括螺栓 120。螺栓放置于必须要连接的设备110中。设备可为板、凸缘或类似物。在一实施例中， 该螺栓的至少一端具有紧固部121。根据某些实施例，紧固部121可具有带有限定的几何形状的凹槽122。通常，这些凹槽122具有应力消除几何形状。举例而言，这些凹槽122并不具有如螺纹的尖锐缺口所具有的锐角、尖锐拐角或类似物。然而，螺纹包含凹槽，该凹槽带有足够尖锐以形成缺口的角度。与之相反，凹槽的几何形状应被理解为具有基本上平滑的几何形状的凹口。举例而言，凹槽可具有圆的区段的形状。根据某些实施例，凹槽122可具有连续地组合不同几何图形的形状。因此，凹槽122的几何形状设计为使得载荷传递基本上连续且在螺栓120的截面上近似恒定。典型地，改进的载荷传递可被描述为在设备的截面上的载荷分布的改进。举例而言，与在其上具有螺纹的螺栓相比，带凹槽的螺栓可提供改进的载荷传递，因为凹槽具有防止应力峰值出现的特定形状。改进的载荷传递的特征为例如应力量的平稳变化。在应力分布中不出现尖锐拐角、峰值或类似物。改进的载荷传递可由螺栓120的紧固部121的凹槽122的应力消除几何形状提供。该应力消除几何形状可被描述为不具有突然变化的几何形状。典型地，造成减小的缺口应力的应力消除几何形状在至少两个部分之间可微分。 根据某些实施例，应力消除几何形状基本上连续可微分。基本上连续可微分应被理解为在特定范围中连续可微分，例如在凹槽本身的尺寸方面。即，由于生产过程或材料特征造成的小差异不应被认为防止该凹槽的几何形状连续可微分。而且，具有这样的变化的几何形状仍然应被理解为连续可微分该变化的大小为凹槽大小的例如1/20、1/10或甚至1/5。应力消除几何形状可减小螺栓120中的缺口应力。与具有尖锐缺口和凹痕或者并非在至少两个部分之间可微分的几何形状的螺栓相比，带有应力消除几何形状的螺栓120 的缺口应力可减小。另外，该连接装置100提供开口销130。根据某些实施例，开口销130被分成至少两个部分。典型地，当开口销的单独的部分合在一起时，开口销130提供轴向孔和基本圆锥形的形状。开口销130在轴向孔的内侧上提供一个或多个凸形切割部133。典型地，开口销的凸形切割部133在大小和形状方面与螺栓120的紧固部121的凹槽122配合。根据某些实施例，开口销130可为夹持构件，其将该螺栓夹持在预定位置。根据本文所述的某些实施例，出于安装目的，开口销130可被分成两个部分。这两个部分可被看作图1中的开口销的第一部分131和开口销的第二部分132。根据其它实施例，开口销可被分成多于两个部分，例如开口销可具有三个、四个、 五个或多于五个部分。根据某些实施例，开口销由一件材料制成且在内侧和外侧具有预定几何形状之后分割。举例而言，一件材料得到在外侧上的圆锥形和在内侧上的凸形切割部。此后，该件材料被切割(例如，利用任何便利的方法或者借助于激光或射流切割方法)。根据某些实施例，提供第一支承块150、第二支承块160，每个支承块在外侧上具有螺纹。第一支承块150在内侧上具有预定几何形状，其与螺栓120的几何形状配合。另一支承块，即第二支承块160在内侧上具有与开口销130的外侧配合的预定几何形状。典型地，两个支承块具有相反方向的螺纹。典型地，第一支承块150具有与第二支承块160的螺纹相比方向相反的螺纹。这意味着如果第一支承块150具有左旋螺纹，那么第二支承块160具有右旋螺纹或者否则情况相反。对于此装置，当支承块150、160由同一紧固件140向下贴合(snug down)时，支承块150、160在相反方向上旋转。根据本文所述的某些实施例，开口销130的外侧形状可任意地选择，只要其与支承块的内侧的几何形状配合即可。根据本文所述的某些实施例，可提供连接装置100以用于凸缘110。凸缘连接用于连接(例如)管凸缘，其中两个管连接到彼此上。凸缘连接的另一应用是两个梁的连接。 典型地，本文所述的连接装置适用于在风能系统中使用。根据另外的其它实施例，凸缘110可为风能系统的部分。举例而言，凸缘连接可用于风能系统以将风能系统的塔架锁定到地面上。如可在图1中看出，提供紧固件140。紧固件140在内侧上具有螺纹，其适于与支承块150、160的外侧上的螺纹配合。另外，该紧固件具有内径，其允许紧固件140紧固支承块 150、160。根据某些实施例，紧固件可为螺母或类似物。螺母适于将支承块150、160紧固到螺栓120和开口销130。因此，紧固件140可螺旋连接于支承块150、160周围。在图2中，以顶视图示出根据某些实施例的开口销130。在此实施例中，开口销130 被分成两个部分131和132。开口销的部分131、132中的每一个以相同方式构建。开口销的第一部分131和第二部分132提供开口 135和一个或多个凸形切割部133。在图3中示出根据本文所述的实施例的连接系统300。连接系统300在截面图中以安装好的方式示出在由紧固件140紧固该连接系统之前的图1的连接装置100。螺栓插入于构件部分110中，该构件部分可(例如)为凸缘。在此实施例中，支承块150在螺栓120的紧固部121下方的位置绕螺栓放置。第二支承块160在螺栓120的中心线170的方向上放置于第一支承块150上方。典型地，开口销的两个部分131、132放置于螺栓周围，使得开口销130的凸形切割部或突起133与螺栓120的紧固部121的凹槽122 配合。紧固件140包围第一支承块150和第二支承块160。图4示出安装好的、被紧固的连接装置100的实施例。紧固件140由该紧固件140 的内侧上的螺纹和支承块150、160的外侧上的螺纹紧固。通过紧固该紧固件140，在螺栓120的紧固部与开口销的第一部分和第二部分 131,132的凸形切割部133之间提供构型封闭。根据本文所述的实施例，两个支承块150、 160具有相反方向的螺纹，使得当紧固件140向下贴合时，支承块150与160散开。当支承块150、160散开时，支承块之一，典型地为在内侧上带圆锥形的支承块(图4中的支承块 160)与开口销130发生接触。通过将支承块160压到开口销130上，开口销130被压到螺栓120的紧固部121上。特别地，开口销130的凸形切割部133被压到螺栓120的紧固部 121的凹槽122内。以此方式，开口销120的凸形切割部133和螺栓120的凹槽122可形成构型封闭。另外，在紧固件140与两个支承块150和160之间提供构型封闭。由于支承块150 和160提供相反方向的螺纹这一事实，当紧固件140向下贴合时，在两个支承块150与160 之间出现空间180。根据本文所述的某些实施例，空间180可被填充粘结剂、聚合物或适合于这些目的的任何其它物质。根据某些实施例，紧固件可通过转子的运动而向下贴合。根据其它实施例，支承块中的仅一个可旋转且另一个支承块可被固定。在该情况下，紧固件140可在设备110或垫片上摩擦，垫片可放置于支承块与设备110之间。支承块之一可被表示为锁定块，因为在一实施例中，块中的一个并不移动且固定并保持螺栓。图如示出连接系统的另一实施例。在此实施例中，螺栓120的凹槽122提供修改的几何形状。在图fe中由虚线圆A着重指出的凹槽可在图恥中更详细地看出，其中示出了沿着中心线160的凹槽122的轴向截面图。凹槽122的几何形状190具有至少两个不同半径，如在图恥中可看出。在图恥中示出两个半径Rl和R2，限定应力消除的凹槽133的几何形状190。根据某些实施例，两个半径通过平滑的相交部连接。举例而言，连接这些半径，使得该几何形状基本上连续可微分，在图恥的实施例中，半径Rl小于半径R2。由此，凹槽122的几何形状190可适于载荷情况，以便提供该连接装置的更可靠的应用。举例而言， 凹槽122可在载荷作用所处的方向中具有更小半径。假如载荷来自螺栓120而沿着中心线160到达紧固部121，如图fe所示，则较大直径在该方向上首先出现，以便提供连接该设备 110的良好结果。如在图fe中可看出，开口销130的构造适于与螺栓120的紧固部121的修改的几何形状配合。典型地，开口销130的凸形切割部133具有与凹槽122相同的几何形状，但呈相反的方式，使得凹槽122和凸形切割部可彼此配合。根据某些实施例，凹槽形状可以任何方式修改，只要凹槽的几何形状允许以应力消除的方式传递载荷。根据某些另外的实施例，凹槽的数量可改变。在附图中，螺栓被示范性地示出带有三个凹槽。根据某些实施例，凹槽的数量可小于或大于三。举例而言，凹槽的数量可为两个或仅一个。根据其它实施例，凹槽的数量可为四个、五个或甚至多于五个。凹槽的数量和凹槽的形状取决于载荷情况。本领域技术人员将选择凹槽和相关的凸形切割部的数量和形状，以便确保适当的功能和改进的疲劳行为。根据某些实施例，螺栓120可在每一端具有紧固部，以便在每个方向紧固该螺栓。 在螺栓的相对端的第二紧固部也可具有带应力消除几何形状的凹槽，如上文所述的凹槽。 典型地，第二紧固部可具有与第一紧固部相同的几何形状和构造。根据某些实施例，提供一种用于紧固螺栓的方法。在图6的流程图中示出该方法。 该方法在步骤210中包括提供待连接的两个部件，且在一实施例中将螺栓插入于这两个部件中的孔中。该螺栓具有带凹槽的紧固部，如上文所述。在中心线170的方向中基本上在螺栓的紧固部下方的螺栓120的保持部由至少两个支承块包围，如在上文中在步骤220和230中所述。在步骤220中，螺栓的保持部由在外侧上具有螺纹的第一螺纹块包围。在步骤230中，螺栓由在外侧上具有螺纹和在内侧上具有圆锥形的第二螺纹块包围，该圆锥形适于与开口销的形状配合。在步骤MO中，螺栓的紧固部然后由开口销包围，开口销可(例如)为夹持构件。 根据某些实施例，该开口销可具有两个或更多个部分，使得螺栓的紧固部的一半首先被开口销的第一部分包围，且然后紧固部的另一半由开口销的第二部分包围。开口销的第一部分和第二部分可为第一部分131和第二部分132，如上文所述，且还可包括其所述的所有实施例。在步骤250中提供紧固件。紧固件配合到第一支承块和第二支承块上，且能在支承块与紧固件之间提供构型封闭。通过在步骤250中紧固该紧固件，在螺栓的紧固部与开口销之间提供另一构型封闭。因此，螺栓被紧固且可保持在预定位置。通过这些构型封闭，由螺栓连接这些待连接的部件。由此，螺栓由开口销夹持且由紧固件上紧。以此方式，防止螺栓移动且螺栓可保持待连接在一起的部分。根据某些实施例，该方法可用于紧固凸缘连接。根据另外的其它实施例，该方法可用于风能系统中。根据某些实施例，上文所述的方法可用于提供连接，其减轻了由于连接装置中的缺口应力而产生的应力。缺口效应的减轻可通过螺栓中的凹槽的数量或者通过螺栓的凹槽的形状或者通过它们的组合来提供。所述的方法因此提供缺口应力减少(cbplete)的螺栓。
而且，本领域中已知的螺纹的拉伸-剪切载荷组合可通过根据本文所述的实施例的方法和连接装置而变成压-剪切载荷。上文所述的连接系统允许增加抗疲劳性。另外， 上述实施例可使用已知的安装方法来安装该连接系统。举例而言，该方法和连接系统允许使用已知的上紧方法来紧固该紧固件。此外，用于确保连接的适当功能的预加张力也可通过已知方法计算。因此，使用上述系统和方法，不必应用新的安装或计算方法。根据某些实施例，上述构造给出使用不同材料以用于螺栓和螺纹的可能性。举例而言，在很高载荷的情况下可使用钛而不是钢螺纹。因此，连接装置的尺寸可易于适应每种载荷情况。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使得本领域任何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。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这样的其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种连接装置，包括a)包括包含一个或多个凹槽(122)的紧固部(121)的螺栓(120)，该一个或多个凹槽的周缘在两个部分之间可微分；b)开口销(130)，包括至少两个部分(131，132)，且当将所述至少两个部分合在一起时在外侧上包括基本圆锥形并包括轴向孔，其中所述轴向孔在该孔的内侧上提供了一个或多个凸形切割部(133)，其中所述凸形切割部适于与所述螺栓的紧固部的一个或多个凹槽配合；c)在外侧上包括螺纹的至少一个第一支承块(150)；d)在外侧上包括螺纹的至少一个第二支承块(160)，其中至少一个第二支承块在内侧上适于与所述开口销的圆锥形配合；以及e)在内侧上包括螺纹的紧固件(140)，其中所述紧固件适于螺旋连接到所述支承块上。
2.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述至少两个支承块(150，160)具有相反方向的螺纹。
3.根据前述权利要求中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述至少两个支承块 (150，160)之一为适于将所述螺栓锁定于限定位置的锁定块。
4.根据前述权利要求中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述一个或多个凹槽 (122)的周缘基本上连续可微分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述一个或多个凹槽中的每一个有具有至少两个不同半径的几何形状。
6.根据前述权利要求中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置是适用于凸缘连接的连接装置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置适用于在风能系统中使用。
8.一种紧固螺栓的方法，包括a)提供螺栓，该螺栓包括在其一端处的紧固部以及保持部，所述紧固部包括一个或多个凹槽；b)利用在外侧上包括螺纹的第一螺纹块包围所述螺栓的保持部；c)利用在外侧上包括螺纹且在内侧上包括圆锥形的第二螺纹块包围所述螺栓；d)利用开口销包围所述螺栓的包括一个或多个凹槽的紧固部，所述开口销包括在该开口销内侧上的、适于与所述螺栓的紧固部的一个或多个凹槽配合的一个或多个凸形切割部；以及e)利用螺母来紧固所述螺栓、所述第一螺纹块和所述第二螺纹块以及所述开口销，所述螺母在内侧上包括适于与所述第一螺纹块和第二螺纹块上的螺纹匹配的螺纹。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在由所述螺母来紧固所述螺栓、所述螺纹块和所述开口销时，所述第一螺纹块和第二螺纹块散开。
全文摘要
本发明涉及紧固螺栓的连接装置和方法。提供了一种连接装置。该连接装置包括螺栓(120)，在其一端具有紧固部(121)，紧固部具有一个或多个凹槽(122)；开口销(130)，其具有圆锥形和在该开口销的内侧上的适于与螺栓(120)的紧固部(121)的一个或多个凹槽(122)配合的一个或多个凸形切割部(133)；两个支承块(150，160)，每个支承块在外侧上具有螺纹，其中这两个支承块中的至少一个在内侧上适于与开口销(130)的圆锥形配合；以及紧固件(140)，其在内侧上具有螺纹，其中该紧固件(140)适于螺旋连接到支承块(150，160)上。
文档编号F16B31/06GK102278349SQ20111017360
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