КРЕПЕЖНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СБОРКИ КРЕПЕЖНОГО УСТРОЙСТВА
FASTENING DEVICE AND FASTENING DEVICE ASSEMBLY METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к крепежным устройствам типа ʺболт-гайкаʺ. Более конкретно предметом настоящего изобретения является герметичное крепежное устройство. В частности, данное изобретение относится к области авиастроения.
Уровень техники
Крепежные устройства типа ʺболт-гайкаʺ или крепежные устройства с зажимным болтом и втулкой очень широко применяются в авиационной промышленности, в частности для соединения вместе двух элементов конструкции. Как правило, такие соединения должны быть герметичными, непроницаемыми для газа или жидкости и применяются, например, в топливных баках или для предотвращения проникновения влаги во избежание коррозии собранных элементов.
Раскрытие изобретения
Известное техническое решение для обеспечения такой герметичности заключается в установке уплотнения между охватываемым крепежным элементом (штифтом или зажимным болтом) и отверстием, в которое он вставляется. После установки соответствующего охватывающего крепежного элемента (гайки или втулки) уплотнение затвердевает в результате полимеризации его компонентов, что обеспечивает герметичность соединения и его защиту от коррозии.
Однако использование герметика в охватывающем крепежном элементе является сложной задачей, увеличивающей время и затраты на установку крепежных элементов.
Кроме того, при установке охватывающего крепежного элемента на охватываемый крепежный элемент, например при затягивании гайки на штифте или втулки на зажимной болт, следует избегать возникновения высокой силы трения между охватывающим крепежным элементом и панелью конструкции. В результате такого трения возникает риск повреждения панели, которые в настоящее время часто изготовляются из композиционных материалов.
Одно техническое решение заключается в использовании гайки с пружинной зубчатой шайбой, как, например, описано в патентном документе US 4986712. Как указывается в данном документе, шайба удерживается на месте с помощью острых выступов в основании гайки. С помощью данных выступов шайба привязывается к гайке, обеспечивая возможность свободного вращения гайки относительно шайбы.
Когда узел гайки с шайбой, описанный в документе US 4986712, используется в качестве крепежного элемента соединения для конструкционной панели, при наворачивании гайки на штифт шайба входит в контакт с одной из панелей. Для того чтобы затянуть гайку крутящим моментом затяжки заданной величины, в данном случае важно, чтобы сила трения между гайкой и шайбой была меньше, чем сила трения между шайбой и панелью. Таким образом, шайба остается неподвижной относительно панели, в то время как гайка вращается относительно шайбы, что сделано для того, чтобы создать требуемый крутящий момент затяжки.
Как указано в патентном документе US 4986712, на поверхность гайки, находящуюся в контакте с шайбой, нанесено покрытие на базе кадмия, которое, в свою очередь, покрыто слоем парафина. Данный парафин выполняет роль смазки между гайкой и шайбой.
Предметом настоящего изобретения является узел, содержащий шайбу, которая сама обеспечивает смазку поверхности взаимодействия шайбы с охватывающим крепежным элементом, а также герметичность собранного узла и простоту его установки.
Более конкретно, одним аспектом настоящего изобретения является шайба для охватывающего крепежного элемента типа гайки или втулки, содержащая кольцевое основание и юбку практически цилиндрической формы, отходящую от внешней периферии данной кольцевой базы, причем указанная кольцевая база, по меньшей мере, частично покрыта слоем вязкого композиционного материала, способным образовывать герметичное покрытие в результате полимеризации.
При соединении узла, содержащего шайбу и охватывающий крепежный элемент, с охватываемым крепежным элементом слой вязкого композиционного материала способен обеспечивать смазку поверхности сопряжения шайбы с охватывающим крепежным элементом. Кроме того, вследствие движения охватывающего крепежного элемента происходит распределение указанного выше вязкого состава, в результате чего после его полимеризации образуется герметичное уплотнение.
В качестве вязкого состава может использоваться герметик, известный по существующему уровню техники, например жидкий полисульфидный каучуковый герметик в смеси с кислородным донорным реагентом.
Еще одним аспектом настоящего изобретения является узел, содержащий описанную выше шайбу и охватывающий крепежный элемент, на который устанавливается данная шайба, таким образом, что охватывающий крепежный элемент может свободно вращаться по оси юбки относительно шайбы.
В соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения сборка охватывающего крепежного элемента на шайбе осуществляется путем введения его в контакт со слоем вязкого композиционного материала. Таким образом, это дает возможность работать с узлом, содержащим охватывающую крепежный элемент и шайбу, без разъединения данных элементов.
Согласно одному альтернативному варианту осуществления изобретения юбка шайбы содержит упругое средство защелкивания для соединения с охватывающим крепежным элементом, позволяющее охватывающему крепежному элементу вращаться относительно шайбы. Таким образом, это позволяет зажимать шайбу в предварительно выбранном охватывающем крепежном элементе перед соединением с охватываемым крепежным элементом, таким как штифт или зажимной болт.
Еще один аспект изобретения относится к способу герметичной сборки крепежной системы, содержащей:
- описанную выше шайбу;
- охватывающий крепежный элемент, который при установке может свободно вращаться относительно оси на шайбе;
- охватываемый крепежный элемент, край которого может взаимодействовать с охватывающим крепежным элементом.
Указанный способ предусматривает выполнение следующих операций:
- вставку охватываемого крепежного элемента в отверстие соединяемых элементов конструкции;
- установку шайбы в охватывающий крепежный элемент, помещение слоя вязкого композиционного материала между внутренней плоской поверхностью охватывающего крепежного элемента и кольцевым основанием шайбы;
- надевание узла охватывающего крепежного элемента с шайбой на конец охватываемого крепежного элемента до отметки, когда шайба вступит в контакт с одним из соединяемых элементов конструкции, чтобы зафиксировать вращение указанной шайбы вокруг оси относительно указанного элемента конструкции или защитить указанный элемент конструкции от действия деформирующего усилия от охватывающего крепежного элемента;
- продолжение установки охватывающего крепежного элемента с его перемещением относительно шайбы, в результате которого происходит распределение вязкого состава по направлению к охватываемому крепежному элементу, с целью заполнения зазоров между охватываемым и охватывающим крепежными элементами и/или между охватываемым крепежным элементов и отверстием в элементе конструкции;
- затвердевание вязкого состава за счет полимеризации после завершения установки охватывающего крепежного элемента.
Затвердение вязкого состава обеспечивает герметичность узла, а также его защиту от коррозии. Наличие вязкого состава на шайбе освобождает оператора от выполнения трудных операций, таких как нанесение герметика на стенки отверстия элемента конструкции или на резьбу штифта.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется ниже чертежами. Данные чертежи приводятся в качестве примера и не ограничивают настоящее изобретение. На чертежах представлены:
- Фиг.1А: Вид в разрезе узла гайки с шайбой в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения;
- Фиг.1В: Вид в разрезе узла гайки с шайбой в соответствии с другим возможным вариантом осуществления настоящего изобретения;
- Фиг.1C: Вид в разрезе узла втулки с шайбой в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения;
- Фиг.2: Вид в разрезе крепежного устройства ʺштифт-гайкаʺ в сборке в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения;
- Фиг.3: Вид в разрезе крепежного устройства ʺзажимной болт-втулкаʺ в сборке в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На Фиг.1А показан вид в разрезе крепежного устройства в соответствии с одним из возможных вариантов осуществления изобретения. Узел 10 включает в себя шайбу 11, надетую на крепежную гайку 12.
Шайба 11 содержит кольцевое основание 15 и охватывающую практически цилиндрическую юбку 13, расположенную по оси 14 на внешней периферии кольцевого основания 15.
Юбка 13 совместно с кольцевым основанием 15 образуют полость, в которой размещается втулка 16 гайки 12. Втулка 16 выполнена практически в форме цилиндра, окружающего ось 14. Далее на втулке 16 выполнен участок 17 практически в форме усеченного конуса, диаметр которого уменьшается по мере удаления от втулки 16 по оси 14.
В кольцевом основании 15 выполнено круглое отверстие 18, центр которого расположен на оси 14. Аналогичным образом, в гайке 12 выполнено отверстие 19 с резьбой по той же самой оси 14. Во втулке 16 резьбовое отверстие 19 в направлении по оси продолжается расточенным отверстием 20, диаметр которого больше диаметра вышеуказанного резьбового отверстия 19.
На кольцевое основание 15 нанесен слой 21 вязкого состава типа герметика. Данный герметик после полимеризации способен образовывать герметичное уплотнение.
2
Предпочтительно, данный герметик содержит жидкий полисульфидный каучук и кислородо-выделительный реагент, например двуокись марганца (MnO). Герметик данного типа широко применяется в авиастроении, в частности для герметизации топливных баков.
Общая структура полисульфидного мономера имеет следующую формулу:
2
4
2
2
4
n
2
4
2
2
4
HS-(CH-O-CH-O-CH-S-S)-CH-O-CH-O-CH-SH,
где n - целое число, как правило от 5 до 50, от которого в основном зависит вязкость полимера.
Двуокись марганца - это полимеризационный агент, заставляющий кислород реагировать с концевой меркаптановой частью мономерного звена макромолекулы, в результате чего происходит образование дисульфидной связи между двумя мономерными звеньями. Затем происходит затвердение герметика и образуется герметизирующий слой. В зависимости от состава используемого герметика реакция происходит и заканчивается в течение от 20 минут до 24 часов при температуре приблизительно 20°С. Применительно к настоящему изобретению могут быть использованы, например, герметики, известные под торговыми марками ʺPR1776ʺ и ʺPR1762ʺ.
В Таблице 1 приводится пример герметика, который может быть использован для настоящего изобретения. Данный герметик содержит основание и полимеризационный агент, которые необходимо смешать для того, чтобы произошло затвердение.
Таблица 1
Компоненты
Массовый процент
- Основа:
Карбонат кальция
26,15
Двуокись титана
3,10
Жидкий полисульфидный каучук
58,50
Летучий растворитель
2,25
- Полимеризационный агент:
Двуокись марганца
5,53
Масло
3,95
Разбавитель
0,51
Для обеспечения соединения узла 10 со штифтом с целью образования герметичного соединения реакцию между полисульфидным каучуком и двуокисью марганца необходимо затормозить до момента вступления герметика в контакт со штифтом.
В соответствии с одним из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения узел 10 включает в себя слой 21 герметика, содержащего полисульфидный каучук, смешанный с двуокисью марганца. Например, герметик может быть изготовлен из смеси основания и полимеризационного агента, показанных в Таблице 1. В таком случае можно содержать узел 10 при низкой температуре до тех пор, пока крепежный узел не будет установлен, с целью блокировки реакции полимеризации.
Согласно еще одному из возможных вариантом осуществления изобретения слой 21 герметика содержит полимеризационный агент, такой как двуокись марганца, в капсулах (например, в керамических капсулах). Таким образом, полимеризационный агент изолирован от полисульфидного каучука до момента окончания установки крепежного узла, как описано ниже.
Поскольку слой 21 является вязким, он может прилипать к внутренней поверхности 22 втулки 16 гайки, удерживая шайбу 11 на гайке 12.
Кроме того, в примере, показанном на Фиг.1, шайба 11 содержит средство защелкивания на гайке 12. Точнее говоря, высота юбки 13 по оси 14 больше, чем суммарная высота по оси втулки 16 плюс высота по оси вязкого слоя 21. На внутренней поверхности юбки 13 выполнены клиновидные ребра 23, обеспечивающие возможность защелкивать шайбу 11 на втулке 16 гайки 12. После этого гайка 12 по-прежнему может свободно вращаться относительно шайбы 11 вокруг оси 14.
В способе осуществления, показанном на Фиг.1А, кольцевое основание 15 является плоским и образует угол 90° с юбкой. В другом возможном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1В, данное кольцевое основание 15 может быть выполнено в виде усеченного конуса, ось которого совпадает с осью 14, диаметр которого уменьшается по мере удаления от юбки. В данном варианте кольцевое основание 15 образует с юбкой 13 угол больше 90°. Предпочтительно, данный угол составляет от 90° до 120°. С целью первоначального распределения герметика по направлению к центру кольцевого основания шайбы, конструкция шайбы выполнена таким образом, что диаметр ее кольцевого основания больше, чем внешний диаметр гаечной втулки.
На Фиг.1C показан вид в разрезе крепежного узла 10А в соответствии с еще одним возможным вариантом осуществления данного изобретения. Узел 10А содержит шайбу 11, спрессованную по периметру втулки 12А. Данная шайба во всех отношениях идентична шайбе, показанной на Фиг.1В, и также содержит слой 21 герметика на своем кольцевом основании. Втулка 12А данного узла содержит фланец 16А, плавную трубчатую часть 17А и гладкое внутреннее отверстие 19А. Кольцо данного типа предназначено, в частности, для использования вместе с зажимными болтами прессовой посадки в панелях из композиционных материалов.
На Фиг.2 представлено крепежное устройство в сборке согласно одному из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения. Данная крепежная система 30 предназначена для жесткого и герметичного соединения конструкционных элементов (31, 32), таких как композиционные панели летательных аппаратов.
Данная крепежная система 30 включает в себя узел 10, показанный на Фиг.1А, а именно шайбу 11 и гайку 12.
Система 30 также содержит штифт 33 с диаметром, равным диаметру отверстия 34, выполненного в панелях (31, 32). Цель описанного ниже способа установки системы 30 заключается в обеспечении уплотнения между системой 30 и отверстием 34.
После того как штифт 33 вставлен в отверстие 34, резьбовой конец 35 штифта заворачивают в резьбовое отверстие 19 узла 10, содержащего шайбу 11, гайку 12 и слой герметика 21.
На данном этапе способа установки слой 21 находится в форме вязкого состава, такого как невулканизированный герметик. Как было описано выше при рассмотрении Фиг.1А, в качестве данного герметика может быть использован состав на основе жидкого полисульфидного каучука, содержащего двуокись марганца в микроинкапсулированной форме.
В качестве варианта, узел 10 может храниться при низкой температуре после нанесения на шайбу 11 полисульфидной смеси в контакте с двуокисью марганца.
Согласно еще одному возможному варианту, герметик, образующий слой 21, приготовляют и наносят на шайбу 11 непосредственно перед тем, как ее соединяют с гайкой 12 и устанавливают данную гайку на штифт 33.
Гайку 12 узла 10 наворачивают на резьбу штифта 33 таким образом, чтобы шайба 11 вошла в контакт с поверхностью закрепляемого элемента 31.
На данном этапе наличие вязкого слоя 21 обусловливает силу трения между шайбой 11 и внутренней поверхностью 22, которая является более низкой, чем сила трения между указанной шайбой и закрепляемым элементом 31. Таким образом, при наворачивании гайки, шайба 11 остается зафиксированной относительно закрепляемого элемента 31.
По мере наворачивания, гайка 12 приближается ближе к шайбе в направлении по оси 14, в результате чего происходит раздавливание вязкого слоя 21. В частности, герметик перемещается ближе к центральной оси 14. Такое перемещение к оси, в частности, усиливается за счет формы усеченного конуса кольцевого основания 15, образующего угол более 90° с юбкой 13. Это происходит потому, что втулка гайки первой входит в контакт с периферийным периметром кольцевого основания, подталкивая герметик в направлении к центру кольцевого основания. При дальнейшем навинчивании гайки кольцевое основание контактирует с закрепляемым элементом конструкции, выпрямляется и становится плоским, продолжая выжимать герметик к центру кольцевого основания.
Таким образом, герметик слоя 21 поступает в зазоры 36 между гайкой 12 и штифтом 33 и/или между штифтом 33 и отверстием 34. В зависимости от размеров системы 30 объем слоя 21 выбирают таким, чтобы он, предпочтительно, в достаточной степени заполнил зазоры 36, обеспечив при этом герметичное крепежное соединение.
Кроме того, если герметик слоя 21 содержит реагент в микроинкапсулированной форме, то вследствие трения между гайкой 12 и шайбой 11 микрокапсулы разрушаются и реагент освобождается.
В случае, если кольцевое основание 15 выполнено в форме усеченного конуса, давление между гайкой 12 и элементом 31 деформирует указанную поверхность. Полное затягивание гайки обеспечивает сплющивание данного кольцевого основания 15, в результате чего получается конфигурация, показанная на Фиг.2.
После полного затягивания гайки 12 на штифте 33 в результате полимеризации полисульфидного каучука данный герметик отвердевает по прошествии периода времени приблизительно от 20 минут до 24 часов. После этого указанная конструктивная крепежная система становится герметичной.
На Фиг.3 представлена крепежная система 40 в сборке согласно одному из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения. Данная крепежная система 40 предназначена для жесткого и герметичного соединения конструкционных элементов (31, 32), таких как композиционные панели летательных аппаратов.
Данная крепежная система 40 включает в себя узел 10А, показанный на Фиг.1C, а именно шайбу 11 и втулку 12А.
Система 40 также включает в себя зажимной болт 33А, содержащий гладкую гильзу 41, запирающую часть 42, резкую проточку 43, вытягивающую ножку 44, входящую в гильзу 45, которая, в свою очередь, вставлена с зазором в отверстие, просверленное в панелях (31, 32). Цель описанного ниже способа установки системы 40 заключается в обеспечении уплотнения между системой 40 и элементами конструкции.
Диаметр гладкой гильзы 41 зажимного болта больше, чем внутренний диаметр гильзы 45. Зажимной болт 33А вставляют в гильзу 45, таким образом, что вытягивающая ножка 44 выходит из отверстия в панели 32. Специальный инструмент (не показан) захватывает вытягивающую ножку 44 зажимного болта и прикладывает к ней тянущее усилие, таким образом, чтобы ввести гладкую гильзу 41 в гильзу 45, до тех пор, пока головка зажимного болта не войдет в контакт с гильзой 45. Затем с помощью другого инструмента втулку 12А спрессовывают на запирающей части 42. При опрессовке материал втулки смещается как радиально внутрь (чтобы жестко соединить втулку 12А с запирающей частью 42 зажимного болта), так и по оси в направлении к панели 32, после того, как производится нажатие на инструмент. Шайба 12А не вращается на втулке, а служит лишь для защиты панели при опрессовке втулки от деформирующих усилий, исходящих от втулки. В процессе этой операции, как было указано выше, герметик 21 выдавливается по направлению к центру кольцевого основания, заполняя кольцевой зазор между кольцевым основанием 15 шайбы, втулкой 12А и гильзой 45. И, наконец, для завершения операции сборки, вытягивающую ножку отламывают, используя для этого глубокую проточку 43.
После опрессовки втулки 12А на зажимном болте 33А, в результате полимеризации полисульфидного каучука данный герметик отвердевает по прошествии периода времени приблизительно от 20 минут до 24 часов. После этого данный узел становится герметичным.
В одном из возможных вариантов, не приведенном в данном описании, узел 10 или 10А может использоваться совместно с крепежным устройством, содержащим гладкую гильзу, резьбу, глубокую проточку и вытягивающую ножку; пример такого способа осуществления описывается в патентном документе US 6665922.
В одном из возможных вариантов, не приведенном в данном описании, узел 10 ʺшайба-гайкаʺ также может использоваться совместно с крепежным устройством, содержащим гладкую гильзу, резьбу, глубокую проточку, вытягивающую ножку и гильзу, в которую вставляется с помощью усилия в гладкую гильзу; пример такого способа осуществления описывается в патентном документе ЕР 1903221. Таким образом, невулканизированный герметик перемещается по направлению к гильзе, когда гайку навинчивают на резьбу крепежного устройства, до тех пор, пока он не образует уплотнительный шов вокруг втулки.
В одном из возможных вариантов осуществления, не приведенном в настоящем описании, узел ʺшайба-гайкаʺ 10 также может быть использован вместе со штифтом и гильзой, в которую с усилием вставляется хвостовик штифта, так, как это описано в патентном документе FR 2946707. Таким образом, когда гайку навинчивают на резьбу штифта, невулканизированный герметик смещается по направлению к гильзе, до тех пор, пока не образует уплотнительный шов вокруг втулки.