用于飞行器结构的紧固件的制作方法
【专利摘要】提供了用于飞行器结构的紧固件，该紧固件包括轴(118)和喇叭形头部(120)，其中，该喇叭形头部(120)包括靠近轴的第一区域以及位于第一区域的相对于轴的相反侧的第二区域，该第一区域具有第一曲率半径R1，该第二区域具有第二曲率半径R2，其中，第二曲率半径比第一曲率半径更大。
【专利说明】用于飞行器结构的紧固件
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于飞行器结构的紧固件。更具体地，本发明涉及设计成对于被紧固的板具有剪切和拉出的性能组合的紧固件。
【背景技术】
[0002]机械紧固件比如螺钉在本领域是已知的并且在飞行器结构中用于将板附接在一起。一些螺钉具有渐缩的沉头头部，该沉头头部配装至位于最外侧的板中的相应的凹形沉头成形部中以提供平齐的表面。
[0003]已知的沉头紧固件具有截头锥形头部，该截头锥形头部在截面中具有相反的直的渐缩的侧边。此种形式的沉头头部从轴至紧固件的端部表面向外地呈锥形变化，在紧固件的端部表面处有时设置有与工具接合的凹槽。头部的在呈锥形变化的边缘之间的包角(111011181^6在从90度到130度的范围内，大多数为大约100度。这种紧固件主要设计用来:(1)抵抗拉出力(即，被紧固的板沿轴向方向分离并且拉动紧固件的趋势)，(11)抵抗剪切力(即，板相对于彼此滑动的趋势)。
[0004]提供了一种沉头紧固件，其中，其头部延伸通过外板的厚度太多，这会导致“刀刃”状态。轴向孔的靠近紧固件轴的仅在沉头头部之下的较小的深度导致了这种状态。由于紧固件与板之间的径向接触的较小的表面面积，所以会在此区域中产生应力集中，从而对板造成损坏。
[0005]为了减轻“刀刃”状态的影响，应用“2/3规则”来将沉头的深度限制为板厚度的2/3而不是改变紧固件的特征。通常认为，通过在外板的孔呈圆筒形(即，孔绕紧固件轴完全沿轴向方向)的位置处设置1/3的厚度，将会避免或减少上文提到的应力集中。
[0006]如果外板较薄，则这当然是有问题的。在这种情况下，使用各种方法来克服刀刃状态。例如，可以减小沉头头部的深度，并且因此仍然能够遵循“2/3规则”。这种方法的问题在于，紧固件的头部的直径因此被制成为更小(假设沉头角保持恒定)。这种更小的头部直径减小了与板的轴向接触面积，因此增加了板上的应力并且减小了紧固件的拉出强度，同时板更容易失效。
[0007]—种替代性的方法是使用较大的沉头角以使得不会减小紧固件头部的面积。通过将角度从所说的100度增加至130度，紧固件头部能够保持相同的直径，而沉头区域可以制造得更浅以使得能够遵循2/3规则。然而，由于头部本身制造成强度较低(在沉头头部中的材料深度减小)，并且因此，紧固件本身的抗拉阻力减小，所以这种方法是不理想的。
[0008]在轴与头部之间的角度的急剧变化也导致了紧固件中的应力集中，就这一点而言是不期望的。
[0009]需要的是适合用于飞行器应用的紧固件，该紧固件能够提供在不显著地减少组件的拉出强度的情况下消除刀刃状态的改善的方法。
【发明内容】
[0010]根据本发明提供了用于飞行器结构的紧固件，该紧固件包括轴和喇叭形头部，其中，喇叭形头部包括靠近轴的第一区域以及位于第一区域的相对于轴的头部侧的第二区域，该第一区域具有第一曲率半径，该第二区域具有第二曲率半径，其中，第二曲率半径比第一曲率半径更大。
[0011]有利地，本发明提供了如下的在不显著减小拉出强度的情况下解决薄板的刀刃状态的方案。沉头头部的直径必须制造得较大以将来自于拉出负载状态的反作用力负载分散遍布到板的相应部分上(因此保持板中的应力较低)。然而，如所提到的，本发明涉及对薄板进行紧固，以及由于头部相当深，因此不可能提供从轴至头部的顶部的不间断的90度扇形截面。如此，为了提供从轴至头部的平滑的切向的过渡，小直径的第一部分过渡成大直径的第二部分。这在轴处提供了平滑的过渡，且在稍端部处提供了较大的头部，并且在不使头部太深的情况下消除了轴与头部之间的尖锐的拐角。
[0012]由于当轴过渡成头部时，孔的内壁主要轴向地定向，因此靠近轴的弧形的第一部分的存在也减少了刀刃状态的影响。如此，沉头头部能够制造成几乎与板同样深(甚至是同样深)。
[0013]优选地，第一区域与轴相邻(即，接合)，更优选地，第一区域的在第一区域与轴的直径的接合处即在第一区域与轴的直径的汇合处的切线与轴对准。
[0014]第一区域和第二区域可以相邻一即，接合。优选地，第一区域和第二区域的切线在两区域的会合处对准。
[0015]替代性地，喇叭形头部可以包括使第一区域和第二区域接合的中间区域，其中，中间区域的半径从第一半径逐渐增大到第二半径。该中间区域可以呈现出渐开线。
[0016]优选地，第二半径为第一半径的至少两倍。
[0017]第二半径可以在紧固件头部的端部处终止，或者在第二区域与头部的与轴相反的端部之间可以设置有端部区域，该端部区域相对于第一区域和第二区域相反地弯曲。
[0018]在安装时，喇叭形头部可以延伸超过外(沉头)板的厚度的2/3。该喇叭形头部也可以延伸贯穿整个板的厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]现在将参照附图对根据本发明的示例紧固件进行描述，在附图中:
[0020]图1为安装在板组件中的现有技术的沉头紧固件的截面图；
[0021]图2为根据本发明的第一喇叭形头部型紧固件的截面图；
[0022]图3为根据本发明的第二喇叭形头部型紧固件的截面图；以及
[0023]图4为安装在板组件中的图3中的紧固件的截面图。
【具体实施方式】
[0024]参考图1，已知的紧固件10安装在板组件12中，该板组件12包括第一板14和第二板16。紧固件10包括终止于沉头头部20的轴18。轴18通常是圆柱形的并且可以包括例如用于附接至第二板16的螺纹。紧固件10关于中心轴线Xl旋转对称。
[0025]头部20呈截头锥形并且从第一区域22到第二区域24呈锥形变化，该第一区域22具有与轴18的直径相等的直径并邻近轴18，该第二区域24具有比轴18的直径更大的直径并且终止于端部(暴露的)面54。在截面中，头部20具有直的且相对于中心轴线Xl成角度的边缘或侧边50和52。每个边缘与轴线Zl呈50度的角A，因此形成100度的沉头角(countersink angle)。在边缘50、52与轴18会合的位置处形成相对尖锐的拐角或非常小的半径60、61。
[0026]在第一板14内设置有相应的沉头孔26，头部20接合在第一板14中使得板的外表面与紧固件头部齐平。
[0027]如能够观察到的，在板14较薄的情况下，提供了沉头孔26的非常小的轴向部分70，这使得板14中产生应力集中。上文中提到的“2/3”试图减轻此应力集中。
[0028]转到图2，示出了根据本发明的紧固件100。紧固件100包括轴118，如同紧固件10一样，轴118可以带螺纹或者在轴118上具有其他合适的机械特征以便将紧固件100紧固至板组件(通常紧固至下板)。轴118终止于具有暴露的头部面154的沉头头部120。头部120在截面中具有喇叭形轮廓。在截面中，头部120具有边缘150、152。边缘以内凹的方式从轴118弯曲至面154。这样，头部120具有喇叭形形状。头部120关于紧固件的主轴线X2旋转对称。
[0029]为了说明紧固件100与紧固件10之间的区别，紧固件10的轮廓在图2中以虚线示出。
[0030]喇叭形头部120从第一区域122延伸至第二区域124中。第一区域122以与轴118的直径相等的轴向直径开始。然后，该喇叭形头部以形成具有半径Rl的轮廓的方式平滑地且向外地张开。第一区段122和第二区段124接合，且该第二区段124以半径R2继续向外张开。将会注意到的是，R2显著地大于R1。在这种情况下，半径Rl为近似1.5mm，而半径R2为5.47mm。第二区域124终止于端部区域130，该端部区域130具有轴向定向的边缘以形成靠近面154的小的圆柱形轮廓。
[0031]第一部分122和第二部分124在接合线132处接合。在此点处，关于半径Rl和R2的切线对准从而形成了从一个半径至另一个半径的平滑过渡。这意味着在头部深度没有变得过大的情况下从轴118至稍端部154提供了平滑的曲线(也就是说，如果头部从轴到稍端部均具有半径R2，则头部深度会变得过大)。
[0032]将注意到的是，当组装板时，由于曲率半径R1，因此在板的下表面处由于从轴至头部的过渡更平缓而没有形成刀刃状态。因此，头部的更多部分能够承担主要的径向载荷。这样，紧固件头部120可以延伸至接近上板的整个深度。另外，大的半径R2的提供增加了与板的接触面积并且意味着与简单地仅具有半径Rl相比，抗拉阻力变得更高。因此，两个半径的组合有助于提高和平衡紧固件100的总体机械要求。
[0033]转到图3，示出了与紧固件100相似的第二紧固件200，其区别在于替换了轴向边缘，端部区域230包括边缘232，边缘232沿与半径Rl和R2相反的方向形成半径。这有利于保证与主体板的良好配合。这还意味着在插入紧固件时由于曲线轮廓的“自对准”，用户不必使端部区域230与沉头孔合适地对准以保证紧固件200的紧密的插入。
[0034]最后，转到图4，示出了嵌入板214中的紧固件200。将注意的是，在靠近第一区域222的位置，由于Rl的半径曲率，沉头孔的尺寸的增加不显著。在第二区域224中，变为半径R2进一步朝向板214的表面延伸，如此，沉头孔能够扩张很多，从而增加头部的最大直径并且提高抗拉阻力。
[0035]半径町与以之间的过渡可以呈现多种方式。例如，可以提供渐开线七6 部段以使半径町和以平滑地会合。
[0036]替代性地，喇叭形头部本身在每一侧可以仅具有渐开线，但构造成使得靠近轴的瞬时半径比位于头部的稍端部处的瞬时半径更小。换句话说，随着曲线朝向紧固件的暴露表面延伸，半径不断增大。此实施方式也落入了本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种用于飞行器结构的紧固件，所述紧固件包括轴和喇叭形头部，其中，所述喇叭形头部包括: 靠近所述轴的第一区域，所述第一区域具有第一曲率半径，以及， 第二区域，所述第二区域位于所述第一区域的相对于所述轴的相反侧，所述第二区域具有第二曲率半径， 其中，所述第二曲率半径比所述第一曲率半径更大。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其中，所述第一区域与所述轴相邻。
3.根据权利要求2所述的紧固件，其中，所述第一区域的在其与所述轴的会合处的切线与所述轴对准。
4.根据任一前述权利要求所述的紧固件，其中，所述第一区域与所述第二区域相邻。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的紧固件，其中，所述喇叭形头部包括使所述第一区域与所述第二区域接合的中间区域，其中，所述中间区域的半径从所述第一半径逐渐增大到所述第二半径。
6.根据权利要求5所述的紧固件，其中，所述中间区域呈现渐开线。
7.根据任一前述权利要求所述的紧固件，其中，所述第二半径为所述第一半径的至少两倍。
8.根据任一前述权利要求所述的紧固件，其中，所述第二半径在紧固件头部的端部边缘处终止。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的紧固件，其中，所述喇叭形头部包括端部区域，所述端部区域位于所述第二区域与所述头部的与所述轴相反的端部之间，所述端部区域相对于所述第一区域和所述第二区域相反地弯曲。
10.一种板与根据权利要求1至9中的任一项所述的紧固件的组件，其中，所述喇叭形头部延伸超过所述板的厚度的2/3。
11.根据权利要求10所述的板与紧固件的组件，其中，所述喇叭形头部延伸贯穿整个所述板的所述厚度。
12.根据权利要求11所述的板与紧固件的组件，其中，所述喇叭形头部在上板表面的下表面处与所述轴接合。
13.一种文中大致参考附图描述的或基本根据附图的紧固件或组件。
【文档编号】F16B19/06GK104395618SQ201380033639
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】理查德·多宾, 约翰·斯塔基 申请人:空中客车营运有限公司