專利名稱：先進(jìn)的螺母及螺栓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種緊固系統(tǒng)，尤其是一種包括螺母和高疲勞強(qiáng)度螺栓的抗振動(dòng)的緊 固系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的螺母和螺栓很方便使用，但是在嚴(yán)重的振動(dòng)載荷下兩者易松開(kāi)。此外，螺栓 的螺紋會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且不具備承受高尖峰載荷的必要疲勞強(qiáng)度。需要一種抵抗振動(dòng) 松開(kāi)的螺母及螺栓緊固系統(tǒng)，該緊固系統(tǒng)具有優(yōu)越的疲勞強(qiáng)度以抵抗高尖峰載荷，并且可 以利用普通的安裝工具迅速地安裝和拆卸。

發(fā)明內(nèi)容
一種緊固系統(tǒng)，其包括由第一材料制造的高疲勞強(qiáng)度的螺栓和由比所述螺栓的第 一材料軟的第二材料制造的螺母。在一實(shí)施例中，所述緊固系統(tǒng)包括螺栓與螺母硬度的比 大致為4 3或更高。螺栓包括螺栓外螺紋，并且螺母包括與所述螺栓外螺紋匹配并通過(guò) 螺紋配合的預(yù)攻絲的螺母內(nèi)螺紋。在一實(shí)施例中，所述緊固系統(tǒng)利用了螺母螺紋及螺栓螺 紋的獨(dú)特幾何形狀以及螺母及螺栓之間硬度差異的結(jié)合，來(lái)形成一種抗振動(dòng)的系統(tǒng)。在一 個(gè)實(shí)施例中，緊固系統(tǒng)提供了螺母及螺栓的方便性，但卻具有先進(jìn)鎖緊螺栓的疲勞強(qiáng)度和 抗振性。當(dāng)利用普通的扭矩工具旋轉(zhuǎn)地?cái)Q緊時(shí)，螺母螺紋的牙側(cè)順應(yīng)螺栓的相對(duì)牙側(cè)。在 螺母和螺栓的牙側(cè)完全配合好之后，螺栓螺紋的牙頂嵌入到螺母螺紋的更軟的、相應(yīng)的承 載牙側(cè)中。隨著上述螺栓牙頂嵌入的同時(shí)，更軟的螺母的螺紋牙頂徑向地向內(nèi)流變并且流 變到螺栓螺紋相應(yīng)的牙根半徑中。螺母和螺栓的該完全接觸限制了螺母在相對(duì)于螺栓縱軸 線的橫向方向上的移動(dòng)。結(jié)果，該緊固系統(tǒng)具有良好的抗振性。在擰緊過(guò)程期間，本緊固系 統(tǒng)產(chǎn)生了非常類似于標(biāo)準(zhǔn)螺母和螺栓的夾緊。然而，本緊固系統(tǒng)的不同之處在于同時(shí)使用 夾緊能量的一部分來(lái)形成獨(dú)特的抗振動(dòng)特性。本發(fā)明可用于各種應(yīng)用和環(huán)境中，例如，軍事裝備、農(nóng)業(yè)設(shè)備、汽車及貨運(yùn)應(yīng)用和 軌道應(yīng)用。在閱讀了下面參照附圖作為示例給出的對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明后，將更清 楚地明白本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


為了更好地理解本發(fā)明，參考以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的緊固系統(tǒng)的側(cè)視圖；圖2是沿圖1所示的緊固系統(tǒng)的線A-A并且在箭頭方向上觀察時(shí)的剖視圖；圖3是圖2所示緊固系統(tǒng)采用的螺母的螺母螺紋和螺栓的相應(yīng)螺栓螺紋的放大剖 視圖，螺母和螺栓圖示在松開(kāi)位置中，螺母圖示在左邊并且螺栓圖示在右邊；圖4是圖3所示螺母的螺母螺紋和螺栓的螺栓螺紋的放大剖視圖，但是螺母和螺 栓圖示在擰緊位置中；圖5A和5B分別是圖1中所示緊固系統(tǒng)采用的螺母和螺栓的一實(shí)施例的螺紋牙型 細(xì)節(jié)的放大剖視圖；圖5C是圖1中所示緊固系統(tǒng)采用的螺母的另一實(shí)施例的螺紋牙型細(xì)節(jié)的放大剖 視圖；圖6示出了圖1中所示緊固系統(tǒng)樣品的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；圖7示出了圖1中所示緊固系統(tǒng)樣品的重新使用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；圖8示出了圖1中所示緊固系統(tǒng)樣品與現(xiàn)有的緊固系統(tǒng)相比較的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié) 果；圖9示出了圖1中所示緊固系統(tǒng)樣品的進(jìn)一步的支持試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；圖10描繪了圖1中所示緊固系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)緊固系統(tǒng)相比較的夾緊一致性圖表；圖IlA和圖IlB分別是圖1中所示緊固系統(tǒng)采用的螺栓和螺母的另一個(gè)實(shí)施例的 螺紋牙型細(xì)節(jié)的放大圖；圖12A到圖12C顯示了圖1中所示緊固系統(tǒng)采用的螺母的另一實(shí)施例；圖13A和圖13B是圖12A到圖12C中所示螺母的螺母螺紋和圖IlA中所示螺栓的 螺栓螺紋的放大剖視圖，所述螺母和螺栓分別被圖示為處于松開(kāi)位置和擰緊位置中，在圖 13A和13B兩者中螺栓圖示在左邊并且螺母圖示在右邊；圖14示出了具有圖IlA中所示牙型細(xì)節(jié)的螺栓樣品與標(biāo)準(zhǔn)UNC螺栓相比較的疲 勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果；和圖15示出了圖13A和圖13B中所示螺母和螺栓緊固系統(tǒng)的樣品的橫向振動(dòng)試驗(yàn) 數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1和圖2，緊固系統(tǒng)10包括螺栓12和螺母14，所述螺母14與螺栓12通過(guò) 螺紋配合，用于將兩個(gè)工件、接頭等(在圖中未示出)相互緊固在一起。在一實(shí)施例中，螺 栓12是由第一材料制造的高疲勞強(qiáng)度螺栓，而螺母14是由比螺栓12的第一材料要軟的第 二材料制造的。在下文中將更詳細(xì)地描述用來(lái)制造螺栓12和螺母14的材料。仍然參見(jiàn)圖1和圖2，在一實(shí)施例中，螺栓12包括細(xì)長(zhǎng)的螺桿16和增大的螺栓 頭22，螺桿16具有第一端18及與第一端18相反的第二端20，螺栓頭22位于第一端18。 在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，螺栓頭22可以由現(xiàn)有技術(shù)已知的任何大小和形狀的螺栓頭組成 (例如，六角頭、車身螺栓頭、扁圓頭、槽頭等)。螺桿16包括具有螺栓外螺紋26的螺紋部 分24。在以下將更詳細(xì)描述螺栓外螺紋26的實(shí)施例。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，螺栓12的 螺栓外螺紋26類似于由Alcoa FasteningSystems (本申請(qǐng)受讓人的關(guān)聯(lián)公司)制造的 BOBTAIL 緊固系統(tǒng)的螺栓螺紋，其在美國(guó)專利No. 7，293，339中被公開(kāi)了，該專利通過(guò)引用被并入本文。美國(guó)專利No 7，293，339中公開(kāi)的螺栓的實(shí)施例包括淺螺紋和大牙根 半徑(在本申請(qǐng)的附圖中未示出)。在另一個(gè)實(shí)施例中，螺栓外螺紋26的淺螺紋和大牙根 半徑產(chǎn)生了較大的螺栓橫截面和減小的應(yīng)力集中，從而為螺栓12改善了螺紋部分24中的 疲勞強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。仍然參見(jiàn)圖1和圖2，在一實(shí)施例中，螺母14包括外六角28，以便于螺母14在螺 栓12上的轉(zhuǎn)動(dòng)松緊。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，螺母14可包括本領(lǐng)域中已知的任何一種合 適的螺母，例如，六角螺母、方形螺母、蓋形螺母、蝶形螺母、凸緣螺母等。螺母14包括預(yù)攻 絲的螺母內(nèi)螺紋30 (參見(jiàn)圖2)，螺母內(nèi)螺紋30與螺栓12的螺栓外螺紋26配合并且通過(guò)螺 紋嚙合。在以下將更詳細(xì)描述螺母14的螺母內(nèi)螺紋30的實(shí)施例。在一實(shí)施例中，螺栓12和螺母14的制造材料滿足螺栓與螺母的硬度比約為4 3 或更高。在一實(shí)施例中，螺栓12是8級(jí)(Grade)強(qiáng)度的螺栓，并且是由中碳合金鋼制造的； 并且螺母14是由低碳鋼在墩粗(as-headed)狀態(tài)或機(jī)加工狀態(tài)下制成的。在另一個(gè)實(shí)施 例中，螺栓12是由中碳鋼制造的。在其他實(shí)施例中，螺母14是由低碳合金鋼或中碳鋼制造 的。在一實(shí)施例中，螺栓12可以是本領(lǐng)域中已知的任何等級(jí)，例如，2級(jí)、5級(jí)、8級(jí)、8. 8類 (Class)和10. 9類。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)螺母14使用低碳鋼(墩粗狀態(tài)或機(jī)加工狀態(tài))時(shí)， 緊固系統(tǒng)10能夠獲得很高的夾緊力(8級(jí)或者10.9類)。在另一個(gè)實(shí)施例中，與普通的螺 母相比，墩粗狀態(tài)和機(jī)加工狀態(tài)導(dǎo)致了成本節(jié)省。一般地，普通的螺母需要昂貴的二次熱處 理過(guò)程以獲得硬度。緊固系統(tǒng)10的螺母14不需要二次熱處理過(guò)程。在另一個(gè)實(shí)施例中，緊固系統(tǒng)10是由鈦、鋁或者不銹鋼或者2級(jí)通用(utility grade)鋼型或5級(jí)通用鋼型來(lái)制造的，只要保持螺栓與螺母的硬度近似比為4 3或更高。 螺栓與螺母的硬度近似比為4 3或者更高確保了當(dāng)在負(fù)載下時(shí)螺栓外螺紋26不會(huì)顯著 變形。如果螺栓硬度的比增大，則當(dāng)在負(fù)載下時(shí)螺栓外螺紋26不會(huì)顯著變形。然而，如果 螺母硬度的比增大或者如果螺栓硬度的比減小，則螺栓外螺紋26會(huì)變形，從而引起不可預(yù) 料的張力損失。在一實(shí)施例中，螺母14的硬度范圍為Rb75_95。在一實(shí)施例中，8級(jí)和10. 9類的螺 栓12的硬度范圍為Rc33-39。在一實(shí)施例中，5級(jí)和8.8類的螺栓12的硬度范圍為此24-34。 在一實(shí)施例中，螺母14的硬度范圍為Rb53-75。參見(jiàn)圖3，螺母14的螺母內(nèi)螺紋30 (圖示在圖3的左邊)和螺栓12的螺栓外螺紋 26(圖示在圖3的右邊)圖示成處于相互松開(kāi)的位置中。螺栓外螺紋26由多個(gè)牙頂32、多 個(gè)牙根34和多個(gè)牙側(cè)36所限定。各牙側(cè)36將多個(gè)牙頂32中相應(yīng)的一個(gè)接合到多個(gè)牙根 34中相應(yīng)的一個(gè)上。類似地，螺母內(nèi)螺紋30是由多個(gè)牙頂38、多個(gè)牙根40所限定。多個(gè) 牙側(cè)42中的每一個(gè)將多個(gè)牙頂38中相應(yīng)的一個(gè)接合到多個(gè)牙根40中相應(yīng)的一個(gè)上。參見(jiàn)圖4，螺母內(nèi)螺紋30和螺栓外螺紋26圖示為處于相互擰緊的位置中。當(dāng)螺 栓12和螺母14相互配合時(shí)，螺母內(nèi)螺紋30的多個(gè)牙側(cè)42中的一個(gè)與螺栓外螺紋26的多 個(gè)牙側(cè)36中相應(yīng)的一個(gè)順應(yīng)。在螺母14擰緊在螺栓12上時(shí)，在牙側(cè)36、42完全配合好之 后，螺母內(nèi)螺紋30的多個(gè)承載牙側(cè)42’中的一個(gè)圍繞螺栓外螺紋26相應(yīng)的一個(gè)牙頂32流 變。也就是說(shuō)，螺栓外螺紋26的牙頂32嵌入到螺母內(nèi)螺紋30柔軟的承載牙側(cè)42’中。在 螺栓外螺紋26的牙頂32嵌入到螺母內(nèi)螺紋30的承載牙側(cè)42中的同時(shí)，螺母內(nèi)螺紋30的 各牙頂38受力并且徑向地流變到螺栓外螺紋26的相應(yīng)牙根34中，具體地說(shuō)，流變到牙根
634的牙根半徑中。一旦被擰緊，則螺母14不能在橫向方向D上相對(duì)于螺栓12的軸線a-a 移動(dòng)(參見(jiàn)圖2)。結(jié)果，在螺母14的全長(zhǎng)上獲得了螺栓外螺紋26和螺母內(nèi)螺紋30之間的
一致接觸。橫向振動(dòng)被公認(rèn)是螺母和螺栓松動(dòng)的原因。在緊固系統(tǒng)10的情況下，螺母14不 能在橫向方向D上相對(duì)于螺栓12移動(dòng)。當(dāng)擰緊時(shí)，在螺母14的全長(zhǎng)上，螺母內(nèi)螺紋30的 牙側(cè)42與螺栓外螺紋26的牙側(cè)36相順應(yīng)。另外，在螺栓外螺紋26的牙頂32和牙根34 上垂直于橫向方向D形成接觸面，從而完全阻止螺母14相對(duì)于螺栓12的橫向運(yùn)動(dòng)。結(jié)果， 抵抗了振動(dòng)誘發(fā)的松開(kāi)。在擰緊過(guò)程期間，緊固系統(tǒng)10產(chǎn)生了非常類似于標(biāo)準(zhǔn)螺母和螺栓 的夾緊，但是緊固系統(tǒng)10的不同在于，它同時(shí)使用夾緊能量的一部分來(lái)形成其獨(dú)特的抗振 動(dòng)特性。緊固系統(tǒng)10被認(rèn)為是“自由運(yùn)轉(zhuǎn)”，這意味著不需要轉(zhuǎn)矩來(lái)把螺母14在螺栓12上 向下旋到最外邊緣線(sheet line)。該“自由運(yùn)轉(zhuǎn)”的特征不同于通常被稱為“經(jīng)常作用 的扭矩”(prevailing torque)螺母的許多更加普通的抗振動(dòng)緊固系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些“經(jīng)常作 用的扭矩”螺母的裝配不但較緩慢而且較困難。圖5A和5B分別示出了螺母14和螺栓12的螺紋30、26的牙型細(xì)節(jié)(它們?cè)谌缦?所述的緊固系統(tǒng)10的初始試驗(yàn)中使用)的實(shí)施例，是5/8英寸(16毫米)的緊固系統(tǒng)10。 在一實(shí)施例中，圖5A和5B中未示出的尺寸如下螺母小徑0. 581 士. 001英寸螺栓小徑0. 568英寸螺母大徑0. 637 士. 001英寸螺栓大徑0. 622 士. 002英寸全部半徑正切和橋接(blended)全部半徑正切和橋接上述尺寸相應(yīng)于在車床上使用鏜桿制造出的螺母14的實(shí)施例。在另一個(gè)實(shí)施例 中，利用高速攻絲機(jī)和絲錐來(lái)給螺母14攻絲。攻絲加工需要在螺母14的小徑處有間隙區(qū)。 圖5C顯示了攻絲螺母內(nèi)螺紋30細(xì)節(jié)的一實(shí)施例。在前述5/8英寸的緊固系統(tǒng)10的樣品上進(jìn)行各種振動(dòng)試驗(yàn)。特別是，在由SPS Unbrako制造的50千磅(kip)能力的Junker，s橫向振動(dòng)機(jī)上對(duì)緊固系統(tǒng)10的樣品試驗(yàn)。 緊固系統(tǒng)10的幾個(gè)樣品以預(yù)定的載荷安裝，并且橫向裝載板，該板在以12. 5赫茲運(yùn)轉(zhuǎn)的凸 輪控制下產(chǎn)生0. 120英寸的總變形。緊固系統(tǒng)10的螺母14被安裝在該振動(dòng)板上。在振動(dòng) 板內(nèi)側(cè)有0. 110英寸的間隙，以允許彎曲并且產(chǎn)生橫向載荷。振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行以下的試驗(yàn)步 驟(1)將緊固系統(tǒng)10安裝到Junker’ s機(jī)中，使螺母14在Junker’ s機(jī)頂部可見(jiàn)。(2)給Junker’ s機(jī)通電，并且在Nicolet示波器上監(jiān)視試驗(yàn)的夾持載荷。(3)在5分鐘后或者緊固件失效后(無(wú)論哪個(gè)首先發(fā)生)，停止試驗(yàn)。結(jié)果，收到關(guān)于緊固系統(tǒng)10的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖示在圖6中。對(duì)照以秒為單位的 時(shí)間來(lái)計(jì)量以磅力(lbf.)為單位的預(yù)載荷。樣品被標(biāo)為“先進(jìn)#1”到“先進(jìn)#3”。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明緊固系統(tǒng)10的樣品在Junker's振動(dòng)試驗(yàn)中表現(xiàn)很好。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，緊固系統(tǒng)10 呈下降趨勢(shì)，然后在大約20，000磅力的預(yù)載荷下穩(wěn)定，并且無(wú)限期地繼續(xù)，沒(méi)有進(jìn)一步的 松開(kāi)。上述試驗(yàn)中所用螺母14的硬度值為(洛氏硬度Rockwell) Rb84到86。螺栓12的硬 度在 Rc35-38。圖7示出了緊固系統(tǒng)10的重新使用的測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)照以秒為單位的時(shí)間來(lái)計(jì)量以磅力為單位的預(yù)載荷。通過(guò)重新使用在以上結(jié)合圖6描述的初始振動(dòng)試驗(yàn)中所用的相同 螺母14和螺栓12來(lái)進(jìn)行以下試驗(yàn)。然后重新布置螺母14和螺栓12，以便各螺栓12接收 不同于初始試驗(yàn)中的螺母14。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，緊固系統(tǒng)10呈下降趨勢(shì)，然后在大約22，500 磅力的預(yù)載荷下穩(wěn)定，并且無(wú)限期地繼續(xù)，沒(méi)有進(jìn)一步的松開(kāi)。該重新使用的試驗(yàn)表明螺母 14和螺栓12可以被隨意地重新使用，而抗振性沒(méi)有任何嚴(yán)重的降低。圖8示出了緊固系統(tǒng)10樣品的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)照以秒為單位的時(shí)間來(lái)計(jì)量以磅 力為單位的預(yù)載荷。該圖顯示了緊固系統(tǒng)10的初始試驗(yàn)數(shù)據(jù)(標(biāo)注為“先進(jìn)#1”到“先進(jìn) #3，，)與其他抗振動(dòng)緊固系統(tǒng)(標(biāo)注為"Stoverized"鎖緊螺母系統(tǒng)、“凸緣"螺母系統(tǒng) 和"尼龍鎖緊"系統(tǒng))以及如上所述的BOBTAIL 系統(tǒng)之間進(jìn)行的比較。對(duì)照以秒為 單位的時(shí)間來(lái)計(jì)量以磅力為單位的預(yù)載荷。如圖8所示，緊固系統(tǒng) ο (以及BOBTAIL 系統(tǒng))的樣品的預(yù)載荷稍微降低，然后保持穩(wěn)定在大約20，000磅力。相反，其他系統(tǒng)的預(yù) 載荷直接下降，并且在短時(shí)間內(nèi)在零或者接近于零處變平直。因此，這說(shuō)明緊固系統(tǒng)10具 有良好的抗振動(dòng)性。圖9示出了緊固系統(tǒng)10另外的支持性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)照以秒為單位的時(shí)間來(lái)計(jì)量以 磅力為單位的預(yù)載荷。該圖示出了螺栓12和螺母14之間硬度差異的影響，并且在鎖緊特 性方面的效果。在該試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)的8級(jí)5/8英寸-11的UNC螺栓12與螺母14(Rb89_91) 一起使用，該螺母具有用標(biāo)準(zhǔn)的5/8英寸-11的絲錐攻出的螺紋內(nèi)徑。該圖顯示了與緊固 系統(tǒng)10具有相同硬度(Rb89-91)的標(biāo)準(zhǔn)UNC攻絲螺母14(標(biāo)注為“補(bǔ)充”)的三個(gè)試驗(yàn)和 螺母14(標(biāo)注為“Bobtail”)的三個(gè)試驗(yàn)的疊加。該圖顯示出在振動(dòng)期間，UNC螺母的鎖緊 特性隨時(shí)間而下降，而本發(fā)明緊固系統(tǒng)10的螺母14的鎖緊特性則不會(huì)。因此，這些試驗(yàn)數(shù) 據(jù)表明了緊固系統(tǒng)10的鎖緊特性的抗振性不僅僅是螺母14變軟的結(jié)果。圖10示出了緊固系統(tǒng)10的夾緊力一致性。在緊固系統(tǒng)10中固有地存在夾緊力 一致性。通常，標(biāo)準(zhǔn)的螺母和螺栓在一定的轉(zhuǎn)矩下夾緊力變化大約25-30%。緊固系統(tǒng)10 的夾緊力變化可以低至大約20%。這是由于緊固系統(tǒng)10在螺母14材料的變形(屈服)范 圍內(nèi)工作。較軟的材料起到襯墊的作用并且使安裝曲線變平。由于較軟的螺母14處于屈 服曲線的平坦部分中，轉(zhuǎn)矩上的大差別引起螺栓張力的小差別。相反，硬的不屈服的螺母則 在轉(zhuǎn)矩-張力曲線中具有非常陡的斜度。就此而言，轉(zhuǎn)矩上的小差別引起了螺栓張力的大 差別。在另一個(gè)實(shí)施例中，螺栓和螺母的螺紋26、30均包括單向螺紋。該單向螺紋要求 螺母14定向成使得螺栓和螺母的螺紋26、30匹配。在另一個(gè)實(shí)施例中，螺栓和螺母的螺紋 26、30是雙向的。在一實(shí)施例中，圖IlA和IlB中示出了 5/8英寸(16毫米)直徑的緊固系 統(tǒng)110 ( S卩，螺母114和螺栓112)的幾何形狀。圖IlA和IlB中未包括的尺寸如下螺栓小徑0. 568參考(ref.) 螺母小徑0. 581 士. 001英寸螺栓大徑0. 622 士. 002英寸 螺母大徑0. 637 士. 001英寸全部半徑正切和橋接全部半徑正切和橋接在另一個(gè)實(shí)施例中，螺母114的特征如圖12A到圖12C所示。更加特別地，螺母114 包括80度的夾角，該夾角向外延伸到攻絲間隙平頂。因此，關(guān)于圖13A和13B中所示的緊 固系統(tǒng)10，當(dāng)螺母114和相應(yīng)的螺栓112 (在圖IlB中示出了其螺紋的特點(diǎn))相互配合時(shí)， 螺栓螺紋126的牙頂132首先碰撞螺母螺紋130相應(yīng)的承載牙側(cè)142’，導(dǎo)致螺栓112 (由較硬的材料制造)的一點(diǎn)在較低的載荷下刺入螺母114(由較軟的材料制造)。這樣就提供了 在較低轉(zhuǎn)矩/夾緊載荷下的抗振性。該成形次序(螺母螺紋130首先圍繞螺栓螺紋126的 牙頂132成形)產(chǎn)生了在較低載荷下的抗振特性。在一實(shí)施例中，例如，如果用5級(jí)的夾緊 載荷來(lái)上緊8級(jí)螺栓，則獲得了抗振性。圖14示出了緊固系統(tǒng)110與標(biāo)準(zhǔn)UNC緊固系統(tǒng)相比的張力一張力疲勞試驗(yàn)的平 均試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)照循環(huán)次數(shù)來(lái)計(jì)量以磅力為單位的最大載荷。所使用的樣品系統(tǒng)110是 5/8英寸直徑的、8級(jí)的系統(tǒng)。如從圖14中看到的，緊固系統(tǒng)110的疲勞壽命是可比的標(biāo)準(zhǔn) UNC系統(tǒng)的五倍。此外，已經(jīng)測(cè)得，緊固系統(tǒng)110的計(jì)算最大應(yīng)力為142KSI (千磅/平方英 寸)，而普通UNC系統(tǒng)的計(jì)算最大應(yīng)力為194KSI，由此可得緊固系統(tǒng)110的應(yīng)力比UNC系統(tǒng) 的小27%。圖15示出了緊固系統(tǒng)110的四個(gè)樣品的橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)照以秒為單位的 時(shí)間來(lái)計(jì)量以磅力為單位的預(yù)載荷。在38，000磅力預(yù)載荷下使用直徑為3/4英寸的緊固 系統(tǒng)110的樣品。如圖15所示，預(yù)載荷稍微減小，然后保持穩(wěn)定。因此，這進(jìn)一步表明了緊 固系統(tǒng)110具有良好的抗振動(dòng)性?？偠灾?，緊固系統(tǒng)10、110具有各種有益的特征。例如，因?yàn)榫o固系統(tǒng)10、110是 抗振動(dòng)的，所以它們較少需要維護(hù)并且設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)?！白杂蛇\(yùn)轉(zhuǎn)”的螺紋保證 了快速裝配和易于拆卸。這還避免了破壞緊固系統(tǒng)10、110的任何覆層。因?yàn)槁菟菁y26、 126淺并且具有低的缺口系數(shù)，所以它們具有高的疲勞強(qiáng)度并且能吸收高的尖峰載荷。在一 實(shí)施例中，緊固系統(tǒng)10、110可以具有8. 8類或10. 9類強(qiáng)度，并且因此能夠升級(jí)普通的螺母 和螺栓。最后，緊固系統(tǒng)10、110具有可預(yù)測(cè)的扭矩/張力關(guān)系。結(jié)果，被緊固好的接頭能 抵抗滑移破壞，并且各部件保持對(duì)準(zhǔn)并且更持久。應(yīng)該理解，此處所描述的實(shí)施例僅是示例性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不 脫離發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行許多變化和改進(jìn)。例如，在一實(shí)施例中，螺栓12、112 可以包括任何一種螺紋銷，例如，車身螺栓、六角螺栓、U形螺栓、J形螺栓、機(jī)螺栓等。在一 實(shí)施例中，螺母14、114可以包括任何一種螺母，例如，六角螺母、方形螺母、蓋形螺母、蝶形 螺母、凸緣螺母等。在一實(shí)施例中，緊固系統(tǒng)10、110可以使用任何一種合適的襯墊，例如， 平的、方的、鎖緊的、接駁的(dock)、防塵的(fender)等(圖中未示出)。在一實(shí)施例中，緊 固系統(tǒng)10、110可以包括合適的覆層，例如，鍍鋅、電鍍、鍍鉻等。因此，所有這樣的變化和改 進(jìn)都應(yīng)包括在如權(quán)利要求所限定的本文描述的實(shí)施例的范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種用于將多個(gè)工件相互固定在一起的緊固系統(tǒng)，包括螺栓，其具有細(xì)長(zhǎng)的螺桿，該螺桿適合于被定位在工件中對(duì)準(zhǔn)的開(kāi)口內(nèi)，所述螺桿在一端處有擴(kuò)大的頭部并且所述螺桿包括螺紋部分，該螺紋部分具有多個(gè)螺栓外螺紋，所述螺栓的螺栓外螺紋由多個(gè)牙頂和多個(gè)牙根限定，多個(gè)牙頂中的一個(gè)通過(guò)承載牙側(cè)連接到多個(gè)牙根中相應(yīng)的一個(gè)上，所述螺栓是由第一材料制造的；和螺母，其具有多個(gè)螺母內(nèi)螺紋，所述螺母內(nèi)螺紋由多個(gè)牙頂和多個(gè)牙根限定，所述螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)牙頂中的一個(gè)通過(guò)承載牙側(cè)連接到所述螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)牙根中相應(yīng)的一個(gè)上，所述螺母內(nèi)螺紋的大小和形狀適合與所述螺栓外螺紋通過(guò)螺紋嚙合，所述螺母是由比螺栓的第一材料更軟的第二材料制造的，其特征在于，當(dāng)所述螺母內(nèi)螺紋與螺栓的螺栓外螺紋嚙合時(shí)，螺栓外螺紋的多個(gè)牙頂中的每一個(gè)嵌入到螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)承載牙側(cè)的相應(yīng)的一個(gè)中，并且螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)牙頂中的每一個(gè)發(fā)生變形并且流變到螺栓外螺紋的多個(gè)牙根相應(yīng)的一個(gè)中，以在螺母內(nèi)螺紋和螺栓外螺紋之間形成完全接觸，以便限制螺母在橫向于螺栓縱軸線的方向上移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓的第一材料和所述螺母的第二材料 都是鋼。
3.如權(quán)利要求2所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓的第一材料是中碳合金鋼。
4.如權(quán)利要求3所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母的第二材料是低碳鋼。
5.如權(quán)利要求3所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母的第二材料是低碳合金鋼。
6.如權(quán)利要求3所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母的第二材料是中碳鋼。
7.如權(quán)利要求3所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母的第二材料是中碳合金鋼。
8.如權(quán)利要求2所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓的第一材料是中碳鋼。
9.如權(quán)利要求2所述的緊固系統(tǒng)，其中，螺栓的硬度與螺母的硬度的比為大約4 3。
10.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母包括在大約Rb75到大約Rb95范圍 內(nèi)的硬度。
11.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓是硬度在大約Rc33到大約Rc39范 圍內(nèi)的8級(jí)螺栓。
12.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓是硬度在大約Rc33到大約Rc39范 圍內(nèi)的10. 9類的螺栓。
13.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓是硬度在大約Rc24到大約Rc34范 圍內(nèi)的5級(jí)螺栓。
14.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺栓是硬度在大約Rc24到大約Rc34范 圍內(nèi)的8. 8類的螺栓。
15.如權(quán)利要求9所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母包括在大約Rb53到大約Rb75范圍 內(nèi)的硬度。
16.如權(quán)利要求1所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母內(nèi)螺紋包括單向的螺紋，并且所述 螺栓外螺紋包括單向的螺紋。
17.如權(quán)利要求1所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述螺母內(nèi)螺紋包括雙向的螺紋，并且所述 螺栓外螺紋包括雙向的螺紋。
18.如權(quán)利要求17所述的緊固系統(tǒng)，其中，螺母內(nèi)螺紋包括大約80度的夾角。
19.如權(quán)利要求17所述的緊固系統(tǒng)，其中，螺母內(nèi)螺紋包括大約50度的夾角。
20.如權(quán)利要求1所述的緊固系統(tǒng)，其中，所述緊固系統(tǒng)是自由運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
21.一種用于將多個(gè)工件相互固定在一起的緊固系統(tǒng)，包括銷部件，其具有細(xì)長(zhǎng)的螺桿，該螺桿適合于被定位在工件中對(duì)準(zhǔn)的開(kāi)口內(nèi)，所述螺桿在 一端處有擴(kuò)大的頭部并且所述螺桿包括螺紋部分，該螺紋部分具有多個(gè)銷外螺紋，所述銷 部件的銷外螺紋由多個(gè)牙頂和多個(gè)牙根限定，多個(gè)牙頂中的一個(gè)通過(guò)承載牙側(cè)連接到多個(gè) 牙根中相應(yīng)的一個(gè)上，所述銷部件是由第一材料制造的；和螺母，其具有多個(gè)螺母內(nèi)螺紋，所述螺母內(nèi)螺紋由多個(gè)牙頂和多個(gè)牙根限定，所述螺母 內(nèi)螺紋的多個(gè)牙頂中的一個(gè)通過(guò)承載牙側(cè)連接到所述螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)牙根中相應(yīng)的一 個(gè)上，所述螺母內(nèi)螺紋的大小和形狀適合與所述銷外螺紋通過(guò)螺紋嚙合，所述螺母是由比 銷部件的第一材料更軟的第二材料制造的，其特征在于，當(dāng)所述螺母內(nèi)螺紋與所述銷部件的銷外螺紋嚙合時(shí)，銷外螺紋的多個(gè)牙 頂中的每一個(gè)嵌入到螺母內(nèi)螺紋的多個(gè)承載牙側(cè)的相應(yīng)的一個(gè)中，并且螺母內(nèi)螺紋的多個(gè) 牙頂中的每一個(gè)發(fā)生變形并且流變到銷外螺紋的多個(gè)牙根的相應(yīng)的一個(gè)中，以在螺母內(nèi)螺 紋和銷外螺紋之間形成完全接觸，以便限制螺母在橫向于銷部件縱軸線的方向上移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗振動(dòng)的緊固系統(tǒng)，包括由第一材料制造的高疲勞強(qiáng)度的螺栓和由比所述螺栓的第一材料要軟的第二材料制造的螺母。所述螺栓包括螺栓螺紋，并且所述螺母包括與所述螺栓螺紋配合的預(yù)攻絲的螺母螺紋。所述緊固系統(tǒng)利用螺母螺紋及螺栓螺紋的獨(dú)特幾何形狀以及螺母和螺栓之間的硬度差異的結(jié)合來(lái)提供抗振性。當(dāng)擰緊時(shí)，螺栓螺紋的牙頂嵌入到螺母螺紋柔軟的承載牙側(cè)中。隨著螺栓牙頂嵌入的同時(shí)，更軟的螺母螺紋的牙頂徑向地向螺栓螺紋的牙根半徑內(nèi)流變。螺母和螺栓之間的該完全接觸限制了螺母在相對(duì)于螺栓縱軸線的橫向方向上的移動(dòng)。
文檔編號(hào)F16B39/28GK101915261SQ20101000144
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者R·J·科比特, 小詹姆斯·L·沃拉爾德 申請(qǐng)人:美鋁公司