具有电磁效应保护特性的自对准套筒式凸头

摘要

一种用于复合结构的紧固件系统(10)，其通过包含自对准头(SAH)紧固件(12)和自对准自封闭(SASS)垫圈(14)的电磁能量保护，该SAH紧固件(12)具有带有球形接合表面的头部和从头部延伸以便通过复合结构中的孔插入的柄，该SASS垫圈(14)具有容纳柄的喉部和与头部的球形接合表面对接的球形配合表面。

说明书

技术领域

本公开的实施例总体涉及用于在复合结构中采用的金属紧固件的紧固件 技术的领域，且更特别地涉及具有球形头部的紧固件，其中该球形头部被成 形使得其与球形垫圈配合，该球形垫圈包含机械地附接到其底座的聚合环， 以在闪电条件期间产生阻止热粒子喷射和边缘火花的含压系统。

背景技术

使用复合材料的结构制造仍需要紧固件，用于许多装配操作。金属紧固 件是导电的，从而产生闪电攻击和其它EME问题的电磁效应(EME)设计考 虑。必须针对闪电条件设计紧固件点火模式，该闪电条件包括紧固件头的外 表面和其它结构或紧固件套筒之间的热粒子喷射(HPE)和电弧。

当闪电攻击碳纤维增强聚合物(CFRP)结构时，一显著部分的电流可能 通过紧固件进入到附近的结构中。当电能在两个表面之间经过时，接触电阻 加热可能分解材料并在孔中或在紧固件和关联的内螺纹紧固件(诸如，螺母 或易碎的衬圈)之间的空间中产生热气体(或等离子体)。如果产生的压力足 够大，则气体可以找到低压路径并从紧固件系统逸散到加燃料区域。该路径 有时在凸出的紧固件头下面的表面中。这些逸散气体可能足够热以随着其逸 散而腐蚀金属零件(紧固件或结构)，从而产生被称为HPE的粒子或液滴。

因为闪电攻击电能在结构接头之间传导，所以能量穿过金属紧固件。特 定紧固件的凸出的紧固件头已经经历紧固件头的边缘和与该头接触的结构之 间的电弧。电弧可以存在于紧固件头和该结构之间，如果正在使用套筒式紧 固件，则可以存在于紧固件头和套筒之间。

现有紧固件系统通常需要紧固件的安装外加在紧固件头上预制帽的安装 的时间和劳动密集型过程或其它程序，诸如从紧固件头的暴露表面移除电介 质涂层。

因而，期望的是提供一种适用于复合结构应用的紧固件系统，其克服HPE 和电弧两者同时克服现有技术紧固件安装程序的缺点。

发明内容

本文公开的实施例提供用于复合结构的紧固件系统，该紧固件系统提供 包含自对准头(SAH)紧固件和自对准自封闭(SASS)垫圈的电磁能量保护， 该SAH紧固件具有带有球形接合表面的头部和从头部延伸以便通过复合结构 中的孔插入的柄，该SASS垫圈具有容纳该柄的喉部和与头部的球形接合表面 结合的球形配合表面。

实施例允许一种EME保护紧固件系统的安装方法，其识别复合结构中用 于插入紧固件的孔并将套筒的主体插入孔中，其中凸缘接触该结构的表面。 密封件然后插入SASS垫圈中的密封缺口(seal relief)中且在孔和套筒凸缘上 方定位SASS垫圈，其中齿槽底面(bottom land)与套筒凸缘接触。SAH紧 固件插入套筒中，从而膨胀套筒以便于套筒主体和SAH紧固件柄以及套筒主 体和复合孔两者之间的过盈配合。SAH紧固件的头部上的球形接合表面与 SASS垫圈上的球形配合表面结合以适应由于孔的非正交性产生的SAH紧固 件中的角偏差。内螺纹紧固件然后在SAH紧固件的末端中的螺纹上扭转。可 以通过提供带有位于其上的拔销的SAH紧固件柄来完成EME保护紧固件系 统的实施例的制造。在柄的第一末端上形成螺纹且在柄的第二末端上提供具 有球形接合表面的头部。可扳动埋头孔被提供在柄中，用于提供反抗转矩且 阻止SAH紧固件的旋转。SAH紧固件具有电介质涂层。SASS垫圈具有用来 容纳SAH紧固件的柄的喉部和用来容纳SAH紧固件头部的接合表面的球形 配合表面。喉部中的喇叭口(flare)适应柄的角位移。提供密封缺口以容纳密 封件。齿槽底面被提供在密封缺口内侧的SASS垫圈上，用于接触套筒凸缘。 电介质涂层被提供在不含齿槽底面的SASS垫圈上。提供具有凸缘以接触 SASS垫圈的齿槽底面和具有主体以便插入结构孔中并容纳SAH紧固件的柄 的套筒。

根据本发明的一个方面，提供一种用于制造EME保护紧固件系统的方法， 该方法包含：提供SAS紧固件柄；在柄上提供拔销；在柄的第一末端上形成 螺纹；在柄的第二末端上提供具有球形接合表面的头部；在柄中提供可扳动 埋头孔以便于SAH紧固件的扭转；提供具有电介质涂层的SAH紧固件；提 供具有喉部以容纳SAH紧固件的柄的SASS垫圈；提供具有球形配合表面以 容纳SAH紧固件头的接合表面的SASS垫圈；在喉部中提供喇叭口以适应柄 的角位移；提供密封缺口以容纳密封件；在密封缺口内侧的SASS垫圈上提供 齿槽底面，用于接触套筒凸缘；在不含齿槽底面的SASS垫圈上提供电介质涂 层；以及提供具有凸缘以接触SASS垫圈的齿槽底面和具有主体以便插入到结 构孔中并容纳SAH紧固件的柄的套筒。

已经讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例独立地实现， 或可以在另一些实施例相被组合，参考下列描述和附图能够了解其进一步的 细节。

附图说明

图1是飞行器生产和服务方法的流程图。

图2是飞行器的框图。

图3是用于EME保护的紧固件的第一实施例的侧剖视图。

图4A是自对准头紧固件元件的等距视图。

图4B是自对准头紧固件元件的侧剖视图。

图5A是用于图3的第一实施例的自对准自密封配合垫圈的等距剖视图。

图5B是图5A的自对准自密封配合垫圈的侧剖视图。

图6A是套筒的等距视图。

图6B是套筒的侧剖视图。

图7A是图5A和图5B的自对准自密封配合垫圈采用的密封件的等距视 图。

图7B是图7A的密封件的侧剖视图。

图8是用于EME保护的紧固件的第二实施例的侧剖视图。

图9A是图8的实施例中的自对准自密封配合垫圈的等距视图。

图9B是图9A的自对准自密封配合垫圈的侧剖视图。

图10A是用于图9A和图9B的自对准自密封配合垫圈的密封件的等距视 图。

图10B是图10A的密封件的侧剖视图。

图11是实施具有EME保护的紧固件的示例实施例的方法的流程图。

图12是用于制造具有EME保护的紧固件系统的方法的流程图。

具体实施方式

本实施例提供具有球形头部的凸头EME紧固件，该球形头部被成形以与 球形垫圈配合，该球形垫圈包含机械地附接到球形垫圈的底座的聚合环。配 合件产生含压系统以阻止在闪电条件期间的HPE(高能量火花)和边缘点火。 此外，当前实施例中说明的紧固件能够安装到以大于0度的角度(即，非正 交于表面)钻孔的结构中的孔中。配合件的球形几何结构可以包含更多材料 厚度以适应较大的角度(即，+/－6°)或容纳重量减轻的更少的材料以适应 较小的角度(即，+/－2°)。球形几何结构减少向上夹固期间的点载荷且因 此防止目前可能的电气结合路径问题—配合件的掉屑。无附加密封或处理要 求的紧固件的安装满足闪电要求。

更具体地参考附图，本公开的实施例可以在如图1所示的飞行器加生产 和服务方法100和如图2所示的飞行器102的背景下描述。在预生产期间， 示例性方法100可以包括飞行器102的规范和设计104和材料采购106。在生 产期间，发生飞行器102的组件和子配件加工108和系统整合110。此后，飞 行器102可以经历认证和交付112，以便投入使用114。当由顾客使用时，飞 行器112被安排用于日常维护和维修116(这也可以包括修改、重新配置、翻 新等)。

可以通过系统集成商、第三方和/或操作者(例如，顾客)执行或实施方 法100的每个过程。出于本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何 数量的飞行器加工商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的 外包商、分包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事单 位、服务组织等。

如图2所示，通过示例性方法100生产的飞行器102可以包括具有多个 系统120和内部122的机身118。高水平系统120的示例包括推进系统124、 电气系统126、液压系统126和环境系统130中的一者或多者。可以包括任何 数量的其它系统。虽然示出航空航天示例，但本发明的原则可以应用于其它 工业，诸如汽车工业。

可以在生产和服务方法100的任意一个或更多个阶段期间采用本文呈现 的装置和方法。例如，对应于生产过程108的组件或子配件可以以类似于飞 行器102投入使用时生产的组件或子配件的方式制造或加工。另外，可以在 生产阶段108和110期间利用一个或更多个装置实施例、方法实施例或其组 合，例如，通过大体加速飞行器102的装配或减少飞行器102的成本。类似 地，当飞行器102投入使用时，可以利用装置实施例、方法实施例或其组合 中的一者或多者来例如但不限于维护和维修116。

本文描述的实施例提供紧固件系统，该紧固件系统提供可用于在如图1 和图2所限定的飞行器的方法或系统中的装配要求和上述或任何类似结构装 配中使用的EME保护。如图3所示，紧固件系统10的第一实施例包含容纳 在自对准自封闭(SASS)垫圈14中的自对准(SAH)头紧固件12。插入在 紧固件系统将在其中被采用的结构20中的装配孔18中的套筒16容纳SAH 紧固件12的柄22，其中SAH紧固件的第一末端26上的螺纹24容纳在内螺 纹紧固件28(例如，螺母或易碎的衬圈)中。柄中的多切面或多叶片的可扳 动埋头孔30(例如，六角头埋头孔)被用作扳动件插座，用于扭转紧固件系 统。在SASS垫圈14和结构20之间提供密封件31。

在图4A和图4B中详细示出SAH紧固件12。头部32从与螺纹端26相 对的SAH紧固件12的第二末端34延伸。头部上的接合表面36对接至SASS 垫圈中的配合表面(将关于图5A和图5B更详细描述)。接合表面36基本是 球形的，从而提供与SASS垫圈14的对准，而不管由于结构中的非正交孔而 产生的垫圈的任何角位移或SAH紧固件的柄22的角位移。对于示例实施例， 采用的球形半径38具有紧固件柄直径40的直径的大约1.5倍的比率。头部 32的外周边的斜面42被提供以便于与SASS垫圈的表面汇合。对于示例性实 施例，SAH紧固件由6AL-4V的钛合金制造且涂有电介质或电绝缘涂层。在 示例性实施例中，涂层是粘合的环氧树脂涂层。对于示例性实施例，如将在 随后更详细描述的，通过SASS垫圈14的合适的配合厚度，大约是紧固件的 柄直径的0.6倍的相对头部厚度44提供接受+/－6°的角位移的能力，同时 大约是柄直径的0.17倍的减小的头部厚度提供用于+/－2°的角位移。适应 由于非正交孔产生的紧固件的角位移的能力使得能够引起小的接触面积并导 致可能的高电压分解的点载荷最小化，从而增强由实施例提供的EME保护。

图5A和图5B示出图3中示出的紧固件的实施例的SASS垫圈14的细节。 SASS垫圈14具有被设置大小以容纳SAH紧固件12的头部32的外直径46。 外直径46相对于SASS垫圈的厚度48基本恒定。如先前描述的，具有基本球 形形状的SASS垫圈中的配合表面50与SAH紧固件12的头部32上的接合表 面36对接。喉部52容纳SAH紧固件的柄22并具有喇叭口54以进一步适应 紧固件的角位移。在另一些实施例中，替代地采用喉部的增加的直径以适应 紧固件的角位移。如先前描述的，可以将垫圈的厚度48调整为与紧固件头部 32的厚度相当以适应期望的角位移角并建立用于SAH紧固件的角偏移限制。 在示例性实施例中，0.67倍的柄直径的厚度关系提供+/－6°，而0.19倍的 柄直径的减小的厚度提供+/－2°。SASS垫圈14上的齿槽底面56与套筒16 上的凸缘60对接，如将在随后更详细描述的。密封缺口58围绕齿槽底面56 以容纳密封件31。密封件31围绕套筒16的凸缘60的周边，这将关于图6A 和图6B更详细地描述。缺口58包括从夹表面64直径向内成角度的膨胀体积 31，以便于密封件31的接合，如将关于图7A和图7B更详细描述的。该构造 增强了密封以防止存在于紧固件头部和结构或紧固件头部和套筒之间的空间 中任何气体逸散。对于示例性实施例，SASS垫圈14由A286耐蚀钢(CRES) 制造且具有电介质或电绝缘涂层。SASS垫圈的外部分上的电介质涂层在垫圈 的底部和结构或套筒之间提供电介质屏障。电介质涂层阻止配合的SAH紧固 件头部和SASS垫圈和结构和/套筒的边缘处的电弧。类似地，可以遮掩接合 表面36和配合表面50以消除涂层或可以移除涂层以提供裸金属表面。

在图6A和图6B中最优地示出的套筒16与紧固件的柄22配合并允许安 装到复合结构中的过盈配合孔中。套筒的主体67的内直径(ID)66小于紧固 件柄22的直径40。主体67的组合的ID 66和厚度68允许套筒16被安装到 复合结构内而不造成损害。当紧固件柄22滑入套筒主体67中时，套筒的ID 66 的表面被润滑且允许紧固件12以使套筒16径向膨胀，从而阻止损害复合结 构同时增加结构中的紧固件柄和套筒孔70以及套筒16和装配孔18之间的接 触面积。采用紧固件柄22上的拔销72或半径引入的几何结构(在图4A和图 4B中最优地示出)和套筒上的凸缘60和主体67之间的倒角74以增强SAH 紧固件12到套筒16内的插入对齐和套筒的膨胀。增加的接触面积通过配合 结构和最小化的可能导致潜在的HPE的空气间隙改善电路径。凸缘60为SASS 垫圈的齿槽底面56提供传导性接触表面。SASS垫圈的齿槽底面56的上电介 质涂层的缺失改善垫圈的底部和套筒之间的导电性。涂层的缺失改善能量从 套筒转移到垫圈的导电路径并阻止在紧固件头部的边缘和套筒处的任何电 弧。附加地，套筒的底部部分涂有电介质或电绝缘涂层以阻止套筒和配合的 内螺纹紧固件(诸如，螺母或易碎的衬圈)的埋头孔之间的电弧。

对于示例性实施例，套筒16由A286 CRES制造。套筒主体67的ID 66 的表面可以被铝涂覆。

图7A和图7B示出图3的实施例的示例性密封件31的细节。密封件31 具有足以分明(clear)SASS垫圈的齿槽底面56和套筒16的凸缘60的内直 径76。外直径78与SASS垫圈的直径46基本相同，从而提供将在夹表面64 和结构20之间接合的密封环80。角焊道(angular bead)82被提供以容纳在 SASS垫圈中成角度的膨胀体积62中。对于示例实施例，密封件是聚合的且 围绕SASS垫圈14的外部分，使得在垫圈的底部和结构或套筒之间存在密封 件。除了抑制HPE，电介质密封件还阻止在对接的SAH紧固件头部和SASS 垫圈和结构和/或套筒的边缘处的任何电弧。

图8示出紧固件系统210的第二实施例。紧固件系统210包含与先前参 考图4A和图4B描述的紧固件基本相同的SAH紧固件12，该SAH紧固件12 容纳在自对准自密封(SASS)垫圈214中。与先前关于图6A和图6B描述的 套筒基本相同的、插入到紧固件系统将在其中被采用的结构20中的装配孔18 中的套筒16容纳SAH紧固件12的柄22，其中SAH紧固件的第一末端26上 的螺纹24容纳在内螺纹紧固件28(例如，螺母或易碎的衬圈)中。柄中的多 切面或多叶片的可扳动埋头孔30(诸如六角头埋头孔)被用于反抗转矩且阻 止紧固件系统的旋转。在SASS垫圈14和结构20之间提供密封件31。

图9A和图9B示出图8中示出的紧固件的实施例的SASS垫圈214的细 节。SASS垫圈214具有被设置大小以容纳SAH紧固件12的头部32的直径 246。垫圈214的直径膨胀超过SASS垫圈的厚度248，其中第一锥形表面260 和第二锥形表面262终止于圆柱形脚264中。正如先前的实施例，具有基本 球形形状的SASS垫圈中的配合表面250与SAH紧固件12的头部32上的接 合表面36对接。喉部252容纳SAH紧固件的柄22并具有喇叭口254以进一 步适应紧固件的角位移。如先前描述的，可以将垫圈的厚度248调整为与紧 固件头32的厚度相当以适应期望的角位移角。如先前描述的，SASS垫圈214 上的齿槽底面256与套筒16上的凸缘60对接。密封缺口258围绕齿槽底面 256以容纳密封件231。密封件231围绕套筒16的凸缘60的周边。缺口258 在脚264的内侧以便于密封件231的接合，这将关于图10A和图10B更详细 地描述。该构造进一步增强了密封以阻止存在于紧固件头部和结构或紧固件 头部和套筒之间的任何气体逸散。对于示例性实施例，SASS垫圈214由A286 耐蚀钢(CRES)制造且也具有电介质涂层。SASS垫圈的外部部分上的电介 质涂层在垫圈的底部和结构或套筒之间提供电介质屏障。电介质涂层防止配 合的SAH紧固件头部和SASS垫圈以及结构和/套筒的边缘处的电弧。可以遮 掩齿槽底面256以消除涂层或可以移除涂层以提供裸露的金属表面。类似地， 可以遮掩接合表面36和配合表面250以消除涂层或可以移除涂层以提供裸露 的金属表面。

图10A和图10B详细示出用于图8的实施例的密封件231。密封件31是 具有直径266的改进的O形环，该直径266被设置大小以便密封件被容纳在 的缺口258中。顶部矩形焊道268和底部矩形焊道270是材料的加工固有的 分型线。

本文公开的实施例用于如图11描述的方法中的紧固件EME保护。在步 骤1102中，识别用于紧固件插入的复合结构中的孔。在步骤1104中，套筒 的主体被插入到孔中，其中凸缘接触结构的表面。在步骤1105中，密封件被 插入SASS垫圈中的密封缺口中，且在步骤1106中，SASS垫圈在孔和套筒 凸缘上方定位，其中齿槽底面与套筒凸缘接触，且在步骤1107中，通过由套 筒的凸缘和套筒的主体之间的倒角形连接件和SAH紧固件的柄上的锥形部分 引导，SAH紧固件被插入套筒，在步骤1108中，套筒被膨胀以便于套筒主体 和SAH紧固件柄以及套筒主体和复合孔两者之间的过盈配合。在步骤1110 中，SAH紧固件的头部上的球形接合表面与SASS垫圈上的球形配合表面对 接，以适应由于孔的非正交性产生的在SAH紧固件中的角偏差。在步骤1112 中，采用紧固件的柄中的多切面或多叶片的可扳动埋头孔(诸如，六角头埋 头孔)在SAH紧固件的末端中的螺纹上扭转内螺纹紧固件(诸如，螺母或易 碎的衬圈)。

可以如图12所示地完成具有EME保护的紧固件系统的制造。在步骤1202 中，SAH紧固件柄被提供，且在步骤1204中，拔销被提供在柄上。在步骤 1206中，螺纹在柄的第一末端上产生，且在步骤1208中，具有球形接合表面 的头部被提供在柄的第二末端上。在步骤1210中，多切面或多叶片的可扳动 埋头孔30(诸如，六角头埋头孔)被提供在柄中，用于反抗转矩且阻止SAH 紧固件的旋转。在步骤1212中，SAH紧固件被提供电介质涂层。在步骤1214 中，SASS垫圈被提供喉部以容纳SAH紧固件的柄，且在步骤1216中被提供 球形配合表面以容纳SAH紧固件头部的接合表面。在步骤1218中，在喉部 中提供喇叭口以适应柄的角位移。在步骤1220中提供密封缺口以容纳密封件。 在步骤1222中，齿槽底面被提供在密封缺口内侧的SASS垫圈上，用于接触 套筒凸缘。在步骤1224中，电介质涂层被提供在不含齿槽底面的SASS垫圈 上。在步骤1226中提供具有凸缘以接触SASS垫圈的齿槽底面并具有用于插 入到结构孔中的主体以便插入结构孔的主体并容纳SAH紧固件的柄。

现已经根据专利法规详细描述本公开的各种实施例，本领域技术人员将 认识到本文公开的具体实施例的修改和替换物。这种修改在如随附权利要求 限定的本公开的范围和目的之内。