具有可变锥度的接附装置系列

摘要

于该先前技术中，存在多数不同系列的钻头及长度，变化该接附件的每一直径，而与具有圆柱形本体的接附件相反，单一工具足以用于此接附件。对于待紧固的元件的每一厚度，所述技术领域中具有通常知识者必需提供适当的工具及装置，除了替换该工具所需的时间损失以外，这代表工具准备中的相当大成本。本发明有关根据待紧固的厚度(12；31)改造该装置(1；20)的锥度(C1；C2)的比率的观念。较佳地是，所述轴衬的锥度的比率落在百分之1及百分之4之间。如此，然而具有不同比率的锥度，以用于具有相同外径(16A；16C)的装置的三或四个参考间隙，能紧固所有可能厚度的元件，而不需要修改在待组装元件内所制成的钻孔的直径。

说明书

技术领域

本发明有关具有可变锥度的接附装置系列。以一般方式，本发明的技术领 域有关螺丝及轴衬的接附装置。更特别是，本发明有关意欲用于组装事先以圆 柱形方式钻孔的航空器的结构元件的螺丝及轴衬。

背景技术

于该先前技术中，为了在此等结构元件内安装接附装置，圆柱形及/或锥 形螺丝是已知的，并由金属材料所制成，且在一钻孔内以增进该螺丝的滑动能 力的涂层所覆盖，该钻孔是在待组装的元件中制成。

于该先前技术中，美国专利文件第US4048898、US4702658及US3270410 号为亦已知，所述专利文件分别叙述一用于接附金属多层元件的锥形装置、一 用于减少锥形接附装置的力量与安装成本的装置、及一用于将一件设备预加应 力的方法。具有圆锥形轴杆的接附件通常被航空器制造厂于具有因干涉而难以 接近及需要安装的组装区域中所使用。干涉是藉由安装具有一本体的螺丝所界 定，该本体的外径大于其所插入的钻孔的直径，这造成该钻孔于该螺丝的安装 期间扩展。对于金属材料，藉由干涉，螺丝的安装系仅只藉由拉动或推动它们 进入该钻孔所施行，而由于该螺丝的轴杆的嘴部半径的最佳化设计及一具有低 摩擦系数的涂层，该钻孔不会造成该结构变得受损。对于金属材料，藉由干涉 的安装增加该结构的耐久寿命。

新一代航空器使用一由合成材料所制成的结构，该合成材料具有以一显著 的方式使该航空器减轻的优点，且其对于疲劳现象是不敏感的，然而，与金属 结构相反的，其具有传导性不佳的缺点，且造成关于耐闪电冲击的问题。为了 耐闪电，如此需要藉由干涉安装进入所述合成材料而存在于该接附件及该钻孔 间的任何间隙亦必需被修正。

藉由干涉将接附件安装于由合成材料所制成的结构中存在有显著的脱层 危险，关于该脱层危险是由于该接附件的本体摩擦抵靠着该合成结构内所制成 的钻孔，这可藉由脱层导致损坏及因此导致减少的阻抗。

如此，变得需要使用最初于该结构中安装有间隙而覆盖该接附件的本体的 轴衬，以便保护该合成材料不遭受任何脱层。其次，此轴衬的径向扩展是需要 的，以便为了先前所规定的理由而移去此间隙。

用于具有圆锥形轴杆的接附件，在航空器结构内的圆锥形钻孔的建立呈现 一些困难，且造成所属技术领域中具有通常知识者使用一具有圆锥形轴杆的螺 丝，该圆锥形轴杆以一譬如由不锈钢所制成的圆锥形轴衬加套。此装置接着被 安装于该结构的圆柱形钻孔中，以便防止用于机械加工该圆锥形钻孔的需求。

基于美国专利第US4048898号的先前技术使用一轴衬，该轴衬在该外面 是圆柱形的，且在其内为圆锥形的，并容纳一具有圆锥形轴杆的螺丝。根据被 组装的元件的厚度，该本体的长度增加，而且其直径亦增加。

因此，于先前技术中，有多少待组装元件的不同厚度，就有多少接附装置 用的参考件。换句话说，待组装的元件越厚，所述元件的钻孔的直径越大，且 该轴衬的直径越大。此大变化性对于所属技术领域中具有通常知识者构成一主 要技术问题。实际上，对于待接附元件的每一厚度，他/她必需提供该适当的 工具及装置，除了替换该工具所需的时间损失以外，其表示工具准备中的相当 大的成本。再者，具有各种钻孔尺寸的观念阻碍以简单及坚定的方式预测待组 装元件的结构强度。

所属技术领域中具有通常知识者已藉由建立不同钻头及长度的系列、变化 该接附件的每一直径解决此问题，且如此已经减少所需的工具的数目，然而对 于待紧固的任何长度尚未抵达需要单一工具，如存在用于具有圆柱形本体的接 附件者。

发明内容

为了解决此问题，本发明有关根据该装置的高度改造该装置的锥度的比率 的概念。锥度的比率与截头锥的最大直径及最小直径间的差值除以其高度的比 率有关，且被表示为一百分比。该锥度的比率因此是藉由以下公式所界定： C＝(D-d)/H。

本发明亦可有关在混合结构内的应用，亦即使用合成及金属材料，譬如铝 或钛型合金，在此该装置将被安装在形成该航空器的结构的连续式金属/合成 层中；或譬如在纯金属结构内，譬如由铝或钛所制成者。于此范例中，没有脱 层风险存在，然而使用本发明的利益将在于消除圆锥形钻孔的优点。

根据本发明的轴衬的锥度的比率被包括于百分之数十及百分之10之间。 如此，以具有相同外径的装置的三或四个间隙，然而具有不同的锥度的比率， 在所述结构元件中所遭遇的所有所述厚度组构能被紧固，所述厚度组构典型由 该装置的直径的一倍分布至十倍，且没有修改在待组装元件内所制成的钻孔。

本发明因此有关一系列用于接附事先以圆柱形方式钻孔的元件的装置，每 一装置包括

-一螺丝，其沿着一轴线延伸，且包括一锥形轴杆及一头部；

-一轴衬，其意欲用于在其包围区域中容纳该螺丝的轴杆，该轴衬沿着该 相同的轴线延伸，且具有一外部圆柱形表面及一内部锥形表面，

其特征为

-其包括具有轴衬的至少二装置，在藉由干涉来安装之前，该轴衬呈现一 完全相同的外径及该内部表面的不同的锥度比率。

附图说明

本发明及其不同的应用将在阅读以下的叙述之后及在检查所述所附图面 之后被较佳了解。这些图面被呈现为一粗略的导引，且绝非为对本发明的一受 限的导引。所述图面显示：

图1为根据本发明的一系列接附装置的第一范例的横截面的概要表示图；

图2为根据本发明的接附装置的另一范例的横截面的概要表示图；

图3为根据本发明的一系列接附装置的第二范例的轴衬的横截面的概要 表示图；

图4为该紧固范围的特写影像的一概要表示图。

具体实施方式

于这些图面中，完全相同的元件保有相同的参考数字。

图1以概要方式表示用于根据本发明的接附元件的一系列装置的第一实 例的横截面图。于一实例中，所述待组装的元件构成一航空器结构，且该系列 包括二接附装置1及20。

装置1由横越经过其中间的其对称轴5的左手侧A1所表示，并在藉由干 涉来安装之前，亦即在该安装的一开始处，当该装置已被插入该航空器结构内， 而没有应力、具有间隙、及没有径向扩展时。该装置在藉由干涉来安装之后藉 由在该结构内的径向扩展、由该轴线5的右手侧B1所表示，该横截面是藉由 此轴线5所界定。

装置20在藉由干涉来安装之前、由横越经过其中间的其对称轴24的左手 侧A20所表示。该装置在藉由干涉来安装之后、由轴线24的右手侧B20所表 示，该横截面系藉由此轴线24所界定。

接附装置1为意欲用于组装以圆柱形方式事先钻孔3的四个结构元件40、 41、42及43，该钻孔具有一直径18。于第一范例中，所述待组装的元件40、 41、42及43具有一被给与该参考数字12的总厚度。装置1包括一沿着轴线5 延伸的螺丝4。螺丝4包括在一侧面上延伸进入一平坦的圆柱形头部7的锥形 轴杆6、及在另一侧面上延伸进入一螺纹17。该头部7形成具有一垂直于轴线 5的平面的圆盘，该圆盘意欲被以一大体上平行于该元件的上表面13的方式 定位。

装置1亦包括一轴衬8，其意欲用于在其包围区域中容纳该螺丝4的锥形 轴杆6。轴衬8沿着该相同的轴线5延伸，且具有一外部圆柱形表面9及一内 部锥形表面10。

在藉由干涉来安装之前，一被称为突出部份P1之距离分开该螺丝4的头 部7的下表面14及该轴衬8的上表面15。

为了造成装置1的可能引导进入该圆柱形钻孔3，在藉由干涉来安装之前， 于该轴衬8的外径16A与元件40、41、42及43的钻孔直径18之间需要最初 的组装间隙J1。于高精密组装的范例中，该最初的间隙及扩展是藉由制造厂 以大约数十微米的精密程度预先机械加工该外径与该轴衬所控制，使其螺丝预 先装配至该突出部份P1，其本身亦被制造厂所控制的。

接附装置20为意欲用于组装事先以圆柱形方式钻孔22的二结构元件44 及45，该钻孔具有相同的直径18。于此第二范例中，待组装的元件包括二层 44及45，且具有一被给与该参考数字31的整个厚度。装置20包括一沿着轴 线24延伸的螺丝23。螺丝23包括在一侧面上延伸进入一平坦的圆柱形头部 26的锥形轴杆25、及在另一侧面上延伸进入一螺纹39。该头部26形成具有 一垂直于轴线24的平面的圆盘，该圆盘意欲被以一大体上平行于该元件44 的上表面32的方式定位。

装置20亦包括一轴衬27，其意欲用于容纳该螺丝23的锥形轴杆25。轴 衬27沿着该相同的轴线24延伸，且具有一外部圆柱形表面28及一内部锥形 表面29。

在藉由干涉来安装之前，一突出部份P2分开该螺丝23的头部26的下表 面33及该轴衬27的上表面34。

为了造成装置20的可能引导进入该圆柱形钻孔22，在藉由干涉来安装之 前，于该轴衬27的外径16C与元件44及45的钻孔直径18之间需要最初的 组装间隙J2。

一方面为了组装元件40、41、42及43，且另一方面为了组装元件44及 45，螺丝4及23为藉由使用环绕着该螺纹17旋紧的螺帽的拉动作用、或藉由 使用一牵引心轴、或藉由在该头部上的推动作用所插入。如此遍及该整个厚度， 干涉被建立于该螺丝、该轴衬、及待组装元件之间。在藉由干涉来安装之后， 此干涉对应于该钻孔的直径18及该轴衬的外径16B与16D间的差值IF1及 IF2。该干涉被选择及预定，以便至少补偿该最初的间隙数量，亦即藉由施加 一径向压力在待组装的元件上充填该空的空间，且如此对该元件径向地预先施 加应力。

由于体积的保持作用，在藉由干涉来安装期间发生该轴衬的厚度Δ1及Δ 2中的减少。实际上，在轴衬8及27的上端，在藉由干涉来安装之前，所述 厚度e8A及e27C为分别大于在藉由干涉来安装之后的厚度e8B及e27D。用 于简化的目的，厚度中的变动被考虑为遍及该轴衬的整个长度是相同的。

因此，在藉由干涉来安装之前，该二装置1及20包括具有完全相同的外 径16A及16C及该内部表面的不同锥度比率C1及C2的轴衬8及27。更精确 言之，分别藉由该轴线5及24与轴衬8及27的锥形表面10及29所形成的锥 度比率分别与轴衬8及27的高度19及30相反地变化。

典型地，该锥度比率掉落在数十分之一及百分之10之间、较佳地是于百 分之1及百分之4之间。于该具体实施例的较佳模式中，螺丝4及23的轴杆 6及25的锥度比率分别与轴衬8及27的内表面10及29的锥度比率相同。于 另一选择中，螺丝4及23的轴杆6及25的锥度比率可为大体上与轴衬8及 27的内表面10及29不同，以便在控制下的方式中沿着该厚度产生一可变的 干涉比率。于另一选择中，该锥度的比率能以此一便于调整被界定区域中的干 涉的方式在相同的子系列内局部地变动。

根据以下的公式，该锥度的比率根据该界面IF、该突出部份P、厚度Δ及 该间隙J中的减少而变动：C＝(IF+J+Δ)/P。

根据本发明，在藉由干涉来安装之后，轴衬8及27的高度19及30至少 对应于其外径16B及16D的一倍，且最多对应于此直径的十倍。在藉由干涉 来安装之前，藉由关于该轴衬的外径所选择的干涉值所界定的干涉的比率在0 及百分之3之间变动。

概要言之：

IF1＝16B-18及IF2＝16D-18；

J1＝18-16A及J2＝18-16C；

Δ1＝2(e8A-e8B)及Δ2＝2(e27C-e27D)。

于一给数值的范例中，在此J＝0.05毫米；Δ＝0.1毫米；

IF＝0.05毫米；及P＝10毫米；这变成：

C＝(0.05+0.05+0.1)/10＝0.2/10＝百分之2。

于此范例中，轴衬8的锥度的比率等于其内部锥形表面10的最大直径D8 及最小直径d8间的差值除以其高度19的比率，且被表示为一百分比。换句话 说，C8＝(D8-d8)/19。

于此范例中，轴衬27的锥度的比率等于其内部锥形表面29的最大直径 D27及最小直径d27间的差值除以其高度30的比率，且被表示为一百分比。 换句话说，C27＝(D27-d27)/30。

图2以一概要的方式表示根据本发明的接附装置80的另一范例的横截面 图。这是一埋头式头部装置。装置80包括一沿着轴线82延伸的螺丝81。螺 丝81包括锥形轴杆83，其在一侧面上延伸进入一埋头式头部84，且在另一侧 面上延伸进入一螺纹85。该埋头式头部84的上端86形成具有一垂直于轴线 82的平面的圆盘，该圆盘意欲被以一大体上平行于所述待组装元件的上表面 的方式定位。

装置80亦包括一轴衬87，其适合用于与意欲用于螺丝81。轴衬87包括 一能够容纳螺丝81的锥形轴杆83的圆锥形轴杆88、及一能够容纳该埋头式 头部84的锥形部件93。轴衬87沿着该相同的轴线82延伸，且具有一外部圆 柱形表面89及一内部锥形表面90。

在藉由干涉来安装之前，一被称为突出部份P3的距离分开该螺丝81的头 部84的下表面91及该轴衬87的上表面92。

图3以一概要的方式表示根据本发明的接附装置系列的轴衬的横截面图。

根据本发明，用于一给定的直径，该系列装置是由N个数目的子系列所 构成，每一个子系列包括数个具有不同高度及完全相同的锥度比率的装置。

于此范例中，用于直径49，该系列包括分别具有百分之1、百分之2.5及 百分之4的锥度比率与具有完全相同的外径49的三个子系列46、47及48。

根据本发明，以一般的方式，用于一个子系列N，以此一便于遍及待紧固 的厚度的整个范围建立连续性的方式，一轴衬的最小高度等于子系列N-1的轴 衬的最大高度。

于此范例中，子系列47的轴衬的最小高度50等于子系列46的轴衬的最 大高度51，且子系列48的轴衬的最小高度52等于子系列47的轴衬的最大高 度53。

所述轴衬的高度藉由十六分之一时、亦即藉由1.5875毫米的间隔推导出。 于图3中，多数水平、平行的实线表示所述轴衬的高度，在所述子系列46、 47及48的每一个中，每一轴衬分开达十六分之一时。

于一给数值的范例中，一轴衬的最小外径为15.04毫米，具有在此直径的 一倍、亦即15.04毫米与此直径的十倍、亦即150.4毫米间的高度。

于图3中的范例中，子系列46的轴衬的最小高度54量起来为其外径的 1.5倍，亦即1.5x35毫米＝52毫米，且子系列48的轴衬的最大高度55量起来 大约为其外径的四倍＝142毫米。换句话说，根据本发明包括三个子系列46、 47及48的系列能够使诸元件被紧固，所述元件已被钻孔，且其厚度掉落于52 毫米及142毫米之间，该钻孔具有一很小地超过35毫米所测量的直径。

根据本发明，对于该三个子系列46、47及48的所有装置，不论其高度为 何，直径49及74分别为完全相同的。

于此范例中，用于来自该三个子系列46、47及48的最高装置的每一个， 该内表面的最小直径58是完全相同的。

于一变动中，在一系列内，用于子系列的最高装置的每一个，该直径58 是不同的。

于子系列46中，该倾斜实线56对应于具有该最大高度51的轴衬的锥形 内表面。该最大轴衬的最小内径58为沿着此截头锥56突出，且如此根据该轴 衬的高度变动。因此，子系列46的所有轴衬具有完全相同的锥度比率。

子系列46的轴衬的锥度的比率譬如等于其内部锥形表面56的最大直径 74及最小直径58间的差值除以其高度51的比率，且被表示为一百分比。

于子系列47中，该倾斜实线60对应于具有该最大高度53的轴衬的锥形 内表面。该最大轴衬的最小内径58沿着此截头锥60突出，且如此根据该轴衬 的高度变动。因此，子系列47的所有轴衬具有完全相同的锥度比率。

子系列47的轴衬的锥度的比率譬如等于其内部锥形表面60的最大直径 74及最小直径58间的差值除以其高度53的比率，且被表示为一百分比。

子系列47特别地包括三个具有不同高度的轴衬X、Y及Z。每一高度被 分开达十六分之一时。

于子系列48中，该倾斜实线60对应于具有该最大高度55的轴衬的锥形 内表面。该最大轴衬的最小内径58是沿着此截头锥64突出，且如此根据该轴 衬的高度变动。因此，子系列48的所有轴衬具有完全相同的锥度比率。

子系列48的轴衬的锥度的比率譬如等于其内部锥形表面64的最大直径 74及最小直径58间的差值除以其高度55的比率，且被表示为一百分比。

图4以一概要方式表示用于装置X、Y及Z的可接受的紧固范围的特写影 像。该紧固范围可与一装置组装的结构的最大厚度及最小厚度间的差值。一重 迭范围77能够让该轴衬X或Y被适当地使用于紧固掉落在此范围内的相同厚 度的元件。于此范例中，该重迭范围77对应于十六之一时的双重边际78及 79。

此三十二分之一时的重迭范围77能够使一具有掉落在此重迭范围内的厚 度的结构将使用轴衬X或Y的其中之一被组装。当待紧固的厚度是位于接近 X的紧固范围的末端或在Y的紧固范围的正好开始处时，这变得特别感兴趣 的，且一不确定性存在于X或Y的选择之间。此重迭范围77亦可补偿该结构 于组装期间的压密效应。