[发明专利]限扭螺套、连接、连接方法和旋动器

说明书

本发明总的来说涉及紧固件，更具体地说，涉及限扭型紧固件，该种紧固件的紧固方法，一种由此而产生的连接，和安装用的旋动器。

在一个由带有公螺纹和母螺纹的紧固件系统中，母紧固件上有旋在公紧固件外螺纹上的内螺纹。扳动两个紧固件的表面，拧紧并夹紧其中的一个或多个工件，在它们之间经常放置垫圈。紧固件和工件的组合被称之为“连接”。带公螺纹紧固件被称为“螺钉”，“螺栓”或“销”;母螺纹紧固件则被称为“螺母”或“螺套”;而工件则被称为“板”或“构件”。

紧固件承受沿其轴向的载荷、即拉伸载荷，以及垂直于轴的剪切载荷。由于螺栓和螺套作用在板上一个夹紧力，所以始终存在拉伸载荷;这一载荷被称为“夹紧”或“预应力”。当用紧固件连接一个或多个板，并且板在板面内受载时，一个板就倾向于在另一个板上滑动;当这种载荷出现时，便受到紧固件的反抗，板就作用一个剪力在紧固件上。剪力垂直于紧固件的轴线和拉力。循环载荷使紧固件发生疲劳破坏。在航空应用中，剪切疲劳破坏是最危险的。

一个满意的连接绝对需要足够的夹紧或预应力。一个被夹紧力的反作用而充分加载的紧固件可以抵抗疲劳破坏。预应力也有助于构件抵抗疲劳破坏。因此，理想的是，知道紧固件作用于结构的夹紧力确实存在，因而该连接具有足够的疲劳强度。足够的夹紧也使板避免错动和微振摩损，并且保证防止载荷变化和连接失效。

夹紧力大小与对螺套施加扭矩使其进一步被在螺栓上拧紧而压在工件上所产生的抵抗有关，当夹紧力增大时，对进一步旋紧的抵抗增加，拧动螺套所需的扭矩也增加。

这一事实被用在紧固件中，以便依靠使螺套的板紧部分产生破坏而终止拧紧的方法来建立一个预定的夹紧力。G.S.维因（Wing）的美国专利2，940，495和埃德加·斯坦塞尔（Edgar    Stencol）的美国专利4，260，005号公开了两种这类紧固件。

在维因的专利中，公开了一种在航空工业中广泛应用的螺套。它具有一个经一个易断的危险颈部与一个内螺纹部分连接的旋紧部分。当旋加的预载达到理想的夹紧力时，螺套产生断裂。一段圆形带螺纹部分紧紧压在与之配合的螺栓上，形成螺纹锁紧装置。这种紧固件的问题是，产生了多余的废件，旋紧部分。这一废件必须从所在的环境中清除。这种紧固件还比较昂贵，因为需要进行可观的机械加工使它的易断的危险颈部保持严格的公差，以便保证严格的破断扭矩。

斯坦塞尔的专利描述的螺套具有多个在轴向外表圆围分布的凸角，这些凸角作为板紧用的表面，并被用来实现扭矩限制。一个板手工具（如一个三角形套筒）具有与凸角侧面啮合的平面，用来转动螺套。当到达预定夹紧应力后，凸角受径向压缩而破坏，并消失在螺套体中，由于工具不再抓紧凸角，板紧停止。当凸角破坏时，斯坦塞尔螺套的径向向内变形压紧螺栓的螺母，形成螺纹锁紧装置。

使用冲击板手能很快拧紧紧固件。维因紧固件的危险颈部和斯坦塞尔紧固件的凸角在螺套转过很小角度后就产生了破坏，并且，当使用冲击板手时破坏得更快。安装扭矩过快地作用到螺套上导致由于板的松驰而产生某些预应力损失;松驰产生的原因是初始加载后板的连续变形。因为材料从被夹紧区离开，这些变形降低了单位面积载荷和绝对载荷。危险颈部或凸角的破坏对应于一个理想的预应力。松驰是一个不定常现象。若预应力的建立比较缓慢，则松驰和预应力的损失变小。

能够改变同一螺套的预应力也是理想的。比如，当一些板的抗压性不如另一些板时，有必要降低它们所受的压缩载荷。

在某些应用中，为了获得高于设计值的预应力，或补偿松驰所造成的应力损失，需要进行二次拧紧。对于维因和斯坦塞尔螺套的标准结构来说，不可能进行二次拧紧。而且由于失去了拧紧部分，这些螺套一旦被拧紧后就很难再松开。

对航空紧固件的一个重要要求就是可以重现夹紧力。夹紧力直接与所施扭矩有关。尽管如此，在典型的紧固件系统中，大量扭矩不是用于实现夹紧，而是用于克服摩擦。减少这种寄生摩擦就能降低驱动力，降低对安装工具的要求，并且增加夹紧力的精确度。

在预应力取决于某些外部拧紧部分破损的紧固件系统中（如斯坦塞尔螺套上的凸角），施加在螺套上的径向力使螺套产生膨胀，将对预应力产生有害影响。

许多紧固件系统中都有螺纹锁紧装置，以防止螺套从螺栓上松脱。其中一种螺纹锁紧装置是使用变形螺纹的螺套，在局部区域增加螺套和螺栓螺纹间的摩擦力。通过螺栓螺纹传递到螺套上的较大的圆周应力能降低螺纹锁紧装置的效能，因为圆周应力克服了螺套中的变形，并且使螺纹锁紧装置塑性变形。从而丧失其功能。