ГЕРМЕТИЧНАЯ ГАЙКА
SEALING NUT

Изобретение относится к общей области герметичных гаек и, в частности, гаек, содержащих уплотнительное кольцо.
Герметичные гайки находят применение в авиационной промышленности для соединения конструктивных элементов, через которые проходит винт или аналогичное изделие, имеющее наружную резьбу, при этом указанные элементы требуют соединения, герметичного по отношению к жидкостям и к парам.
Когда необходимо соединить конструктивные элементы, которые в основном работают на сдвиг, на растяжение или на оба этих напряжения одновременно, используют винты, имеющие гладкую часть стержня, которая является цилиндрической или конической и имеет длину, позволяющую полностью пройти через интервал толщины соединяемых элементов. Длина стержня позволяет соединять толщины, колеблющиеся между минимальной толщиной ("grip min") и максимальной толщиной ("grip max"), при этом разница, как правило, составляет 1,6 мм (1/16 дюйма в британской системе). В англосаксонской терминологии интервал толщины называют "grip capacity".
Таким образом, цилиндрический или конический участок стержня винта превышает длину этого интервала, когда винт проходит через элементы, имеющие минимальную толщину, которую может соединить винт. С другой стороны, цилиндрический или конический участок не превышает этот интервал, когда винт проходит через элементы, имеющие максимальную толщину, которую может соединить винт.
Кроме того, винты, работающие на сдвиг, как правило, содержат стержень, наружный диаметр которого превышает максимальный наружный диаметр резьбы.
Следовательно, для соединения конструктивных элементов необходимо вместе с винтами, работающими на сдвиг или на растяжение, использовать гайку 10, показанную на фиг. 1, содержащую пространство 12 в опорной поверхности 14, предназначенной для вхождения в контакт с поверхностью S одного из стягиваемых элементов. Это пространство, находящееся между опорной поверхностью 14 и первым витком резьбы гайки, обычно называют камерой, и оно может иметь разные формы и размеры. В вышеупомянутом примере в камеру может заходить до 1,6 мм стержня винта, который может выступать из конструкции, имеющей минимальную толщину.
В некоторых случаях эти гайки должны быть также герметичными. Такая гайка показана на фиг. 2. В отверстии 18, просверленном в камере 12, установлено деформирующееся уплотнительное кольцо 16, как правило, из Teflon. Кольцо 16 имеет внутренний диаметр, превышающий диаметр резьбы и диаметр гладкого стержня, чтобы не мешать винту. Кольцо плотно установлено в отверстии 18 для обеспечения своего удержания в гайке во время транспортировки.
Уплотнительное кольцо имеет коническую форму, которая, как правило, выступает из опорной поверхности гайки. Таким образом, когда гайку затягивают на конструктивном элементе, уплотнительное кольцо одновременно сжимается в осевом направлении и деформируется в радиальном направлении внутрь камеры на стержне и/или на витках резьбы винта, образуя, таким образом, герметичную прокладку.
Заявитель заметил, что в некоторых конфигурациях соединения, содержащих винт 20 и герметичную гайку 10, показанные на фиг. 3, кольцо 16 не перетекает полностью в камеру 12 по причине текучести, а перетекает в часть 22 между опорной поверхностью 14 гайки и поверхностью S стягиваемого элемента. Это может происходить, когда винт устанавливают в конструкцию, имеющую минимальную толщину, и когда вся длина стержня, выступающая из конструкции, находится в камере.
Такое перетекание необходимо полностью исключить, так как оно серьезно нарушает механическую прочность соединения винт/гайка. Действительно, присутствие смазочного материала между опорной поверхностью гайки и поверхностью стягиваемого элемента влияет на коэффициент трения между этими поверхностями. Если коэффициент трения уменьшается, напряжение винта увеличивается сверх порога, допустимого для винта, что может привести к разрыву винта.
Настоящее изобретение относится к герметичной гайке, которая позволяет избегать перетекания уплотнительного кольца между гайкой и конструкцией при любой конфигурации соединения без снижения прочности, эффективности или конструктивной целостности компонентов соединения.
В частности, герметичная гайка включает в себя гайку и деформирующееся уплотнительное кольцо, при этом гайка содержит кольцевой корпус, проходящий в направлении оси вращения, цоколь, содержащий камеру и отверстие, просверленное в цоколе, при этом отверстие содержит кольцевую стенку дна, имеющую ширину, заключенную между первым внутренним радиусом и вторым радиусом. Уплотнительное кольцо содержит кольцевой корпус и торцевую сторону, выполненную с возможностью опираться на стенку дна, при этом торцевая сторона имеет ширину, заключенную между внутренним радиусом и наружным радиусом. Герметичная гайка выполнена таким образом, что соотношение между шириной стенки дна отверстия и длиной торцевой стороны кольца составляет от 20 до 45%.
При такой конфигурации уплотнительное кольцо всегда направляется внутрь камеры, независимо от конфигурации соединения, не перетекая за пределы камеры и отверстия.
Кроме того, заявленная гайка может иметь один или несколько из следующих отличительных признаков:
- герметичная гайка содержит скошенную фаску между стенкой дна отверстия и стенкой камеры гайки,
- скошенная фаска образует угол с осью вращения, составляющий от 45° до 60°,
- стенка дна и торцевая сторона имеют взаимодополняющие формы,
- стенка дна и торцевая сторона имеют, каждая, участок, расположенный по существу перпендикулярно к оси вращения,
- стенка отверстия содержит паз, выполненный радиально внутрь цоколя, и наружная стенка кольца имеет выступ, форма которого соответствует форме паза,
- кольцо имеет наружный радиус, превышающий внутренний радиус отверстия,
- соотношение между наружным радиусом кольца и внутренним радиусом отверстия составляет от 1,010 до 1, 016,
- объем кольца по отношению к свободному объему гайки составляет от 70% до 85%, при этом указанный свободный объем является наименьшим полым объемом внутри гайки между опорной поверхностью и первым витком резьбы гайки на конце резьбы, находящемся со стороны цоколя, после установки винта в гайку, когда винт занимает максимальный объем.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания со ссылками на чертежи, иллюстрирующие в качестве примеров варианты осуществления изобретения.
На фиг. 1 (уже описана) показана известная гайка с камерой, вид в разрезе;
на фиг. 2 (уже описана) показана известная герметичная гайка, вид в разрезе;
на фиг. 3 (уже описана) показано соединение, содержащее винт и известную герметичную гайку, частичный вид в разрезе;
на фиг. 4 показана герметичная гайка согласно варианту осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 5 показана герметичная гайка, изображенная на фиг. 4, вид в разрезе в разборе;
на фиг. 6 показана герметичная гайка согласно второму варианту осуществления, вид в разрезе;
на фиг. 7 показано соединение, содержащее винт и герметичную гайку согласно варианту осуществления изобретения, частичный вид в разрезе;
на фиг. 8 показана герметичная гайка согласно третьему варианту осуществления, вид в разрезе.
Герметичная гайка 100, показанная на фиг. 4 и 5, включает в себя гайку 101 и уплотнительное кольцо 130. Гайка 101 проходит в направлении оси вращения А указанной гайки и содержит головку 102 под ключ и цоколь 104. В данном случае головка 102 под ключ является шестигранной. Цоколь, наружный диаметр которого увеличен по отношению к наибольшему размеру шестигранника, имеет усеченную конусную верхнюю поверхность 106, которая содержит шесть граней, выполненных в виде выемок на этой усеченной конусной поверхности, как описано в патентной заявке FR 2937386, поданной на имя заявителя. Каждая грань в виде выемки совмещена с плоской поверхностью шестигранной головки под ключ.
На фиг. 5 показано, в частности, что цоколь 104 содержит опорную поверхность 108, противоположную усеченной конусной поверхности, и камеру 110, имеющую цилиндрическую стенку 112 и торцевую стенку 114, соединяющую цилиндрическую стенку 112 и первый виток резьбы 116. В этом примере торцевая стенка 114 является усеченной конусной поверхностью.
Резьба 116 выполнена на внутренней поверхности гайки между концом торцевой стенки 114 и верхним концом 118 гайки, противоположным опорной поверхности 108.
Цоколь 104 содержит также цилиндрическое отверстие 120, просверленное в камере 110, выходящее на опорную поверхность 108 и имеющее первый внутренний радиус R1, превышающий радиус камеры 110. Отверстие 120 содержит цилиндрическую стенку 122 и плоскую стенку 124 дна. В этом примере стенка дна является по существу перпендикулярной к оси А. Выражение «по существу» означает, что угол может меняться на несколько градусов.
Скошенная фаска 126 соединяет стенку 124 дна отверстия 120 с цилиндрической стенкой 112 камеры 110.
Стенка 124 дна представляет собой кольцевую поверхность А1, заключенную между первым внутренним радиусом R1 цилиндрической стенки 122 и вторым внутренним радиусом r1, определяемым как расстояние между осью А и расстоянием, на котором скошенная фаска 126 пересекается с торцевой стенкой 124. Кольцевая поверхность А1 имеет значение площади
2
2
A1=(R1-r1)⋅π
В двух измерениях стенка 124 дна имеет ширину L1, определяемую как разность радиусов (R1-r1).
Отверстие 120 предназначено для установки в нем уплотнительного кольца 130. На выходном контуре отверстия выполнена скошенная фаска 128 для направления введения кольца в отверстие.
Кольцо 130 представляет собой кольцевой венец с осью вращения А, содержащий верхнюю торцевую сторону 132, которая должна опираться на стенку 124 дна отверстия 120. Предпочтительно верхняя торцевая сторона содержит по меньшей мере одну поверхность, соответствующую форме стенки 124 дна гайки. В примере, представленном на фиг. 3, верхняя торцевая поверхность 132 полностью является плоской и по существу перпендикулярна к оси А.
Уплотнительное кольцо 130 содержит отверстие 134, диаметр которого, равный двукратному внутреннему радиусу r2, показанному на фиг. 3, превышает диаметр стержня винта, чтобы не создавать помехи для витков резьбы и стержня винта, на котором будет завинчена гайка. Кольцо может войти в контакт со стержнем винта, если винт, имеющий больший диаметр и называемый "oversize", используют для операции технического обслуживания вместо винта с номинальным диаметром, но кольцо не выполняет функцию стопорения винта и/или ограничения возможности потери гайки.
Нижняя торцевая сторона 136 уплотнительного кольца, противоположная верхней торцевой стороне 132, имеет форму усеченного конуса, при этом стенка отверстия 134 является более длинной в осевом направлении А, чем наружная стенка 138, предназначенная для вхождения в контакт с цилиндрической стенкой 122 отверстия.
Наружный радиус R2 кольца 130 превышает первый внутренний радиус R1 отверстия, поэтому кольцо необходимо вставлять в отверстие с усилием. Получаемое взаимодействие позволяет удерживать кольцо в отверстии, в частности, во время транспортировки, складирования и использования гайки. Предпочтительно соотношение перекрывания между наружным радиусом R2 кольца и внутренним радиусом R1 отверстия составляет от 1,010 до 1,016. Чем больше номинальный диаметр гайки, то есть диаметр измеренный во впадине витков резьбы, тем меньше соотношение перекрывания.
Опорная поверхность 132 кольца тоже является кольцевой поверхностью А2, заключенной между наружным радиусом R2 и внутренним радиусом r2 и имеющей значение площади
2
2
А2=(R2-r2)⋅π
В двух измерениях опорная поверхность 132 кольца имеет ширину L2, определяемую как разность радиусов (R2-r2).
Чтобы избегать любого случайного перетекания кольца, соотношение между значениями опорной ширины L1 и L2 должно быть больше или равно 20% и меньше или равно 45%, то есть:
20%≤L1/L2≤45%
Это отношение определяет соотношение ширины контакта между верхней торцевой стороной 132 кольца 130 и стенкой 124 дна гайки 101 в плоскости, по существу перпендикулярной к оси А.
Если соотношение ширины контакта между кольцом и гайкой меньше 20%, кольцо может перетекать во время своей установки в камеру 110 до витков резьбы 116: перетекание кольца во время его введения в гайку оказывается не контролируемым. Если материал кольца окажется в витках резьбы, коэффициент трения между витками винта и гайки уменьшится, и напряжение в винте может увеличиться сверх допустимого предела, что может привести к разрыву винта.
Если соотношение ширины контакта между кольцом и гайкой больше 45%, кольцо 130 может перетекать между опорной поверхностью 108 гайки и поверхностью конструкции, когда гайку 130 устанавливают на винте. Это тоже может привести к не контролируемому напряжению в винте по причине уменьшения коэффициента трения между входящими в контакт поверхностями.
В показанной ниже таблице 1 приведены примеры по диаметру для отношений между значениями опорной ширины L1 и L2 ряда гаек разного диаметра, протестированных заявителем.
Как было указано выше, скошенная фаска 126 соединяет стенку 124 дна отверстия 120 с цилиндрической стенкой 112 камеры 110. В данном случае скошенная фаска 126 позволяет направлять материал в сторону камеры 110. Она увеличивает свободное пространство в камере без удаления слишком большого количества материала в цоколе, чтобы обеспечивать целостность цоколя, когда он работает на сжатие.
Скошенная фаска 126 может иметь разные углы α, измеренные относительно оси вращения А, в зависимости от номинального диаметра гайки. В таблице 2 для каждого диаметра гайки указан предпочтительный угол скошенной фаски 126.
В некоторых конфигурациях камера 110 может быть полностью конической: как показано на фиг. 6, торцевая стенка 114 камеры и скошенная фаска 126 совпадают в одной и той же стенке, имеющей один и тот же угол. В примере на фиг. 6 угол α с осью вращения А равен 60°.
Заявитель осуществил несколько испытаний соединения и смоделировал по двухмерным готовым элементам эти же соединения, каждое из которых содержит винт, диаметр стержня которого соответствует максимуму допуска, конструкцию минимальной толщины, гайку, объем камеры которой соответствует минимуму допуска, и кольцо, все размеры которого соответствуют максимуму допуска.
В первом известном соединении, показанном на фиг. 3, гайка является известной гайкой с соотношением ширины контакта, составляющим от 78% до 96%. Во втором соединении, показанном на фиг. 7, гайка имеет соотношение ширины контакта, составляющее от 20% до 45%. Винты являются идентичными в обоих соединениях, в которых конструкции имеют одинаковую толщину.
Как было указано выше, в соединении, показанном на фиг. 3, материал кольца 16 не перетекает полностью в камеру 12, а перетекает в часть 22 между опорной поверхностью 14 гайки и поверхностью S стягиваемого элемента.
В соединении на фиг. 7, содержащем гайку, показанную на фиг. 5, не произошло перетекания материала кольца между гайкой и конструкцией и нет никакого пространства между стенкой камеры и стержнем винта. Таким образом, герметичность улучшилась, и риск превышения стандарта UTS (предел прочности на разрыв или на растяжение) винта исключен.
Предпочтительно объем кольца 130, включающий в себя объем материала кольца 130, относительно свободного объема гайки 101 находится в диапазоне от 70% до 85%. В данном случае свободный объем является наименьшим полым объемом внутри гайки 101 между опорной поверхностью 108 и первым витком резьбы 116 после установки винта в гайку, когда винт занимает максимальный объем. Условно, максимальный объем винта в свободном пространстве вычисляют путем умножения высоты камеры 110 между опорной поверхностью 108 и первым витком резьбы 116 со стороны указанной камеры, на площадь сечения, перпендикулярного к оси вращения А, гладкого стержня винта. При значении менее 70% объем кольца является слишком малым относительно объема камеры, и гайка не может быть герметичной. Сверх значения 85% кольцо может перетекать за пределы камеры в сторону витков резьбы или под цоколь и нарушить целостность гайки во время ее установки.
Предпочтительно гайка выполнена из титанового сплава, а кольцо выполнено, например, из ПТФЭ (продаваемого также под товарным знаком Teflon™ компанией Dupont de Nemours), чтобы гайка оставалась легкой. Разумеется, гайку и кольцо можно выполнить из других материалов, если вес не является главным критерием.
Как известно, головка под ключ содержит средство стопорения, такое как эллиптическая деформация или деформация в трех точках резьбы на наружной поверхности гайки вблизи верхнего конца 118. Если гайка выполнена из титанового сплава, предпочтительно стопор выполняют при помощи способа, описанного в заявке FR2947597, поданной на имя заявителя.
Изобретение не ограничивается описанным выше примером. Так, гайка может содержать усеченный конусный цоколь без выемок относительно усеченной конусной верхней поверхности.
Стенка отверстия 120 может быть конической с углом β, составляющим от 2° до 5° и открывающимся от опорной поверхности 108 к стенке 124 дна, между стенкой 122 и осью А гайки 101, чтобы улучшить удержание кольца 130 в отверстии, в частности, при низкой температуре (фиг. 8). Кольцо 130 имеет такой же угол β, составляющий от 2° до 5°, между наружной стенкой 138 и осью А. При значении угла более 5° кольцо невозможно вставить в коническое отверстие 120. При значении менее 2° разность угла является недостаточной для улучшения удержания кольца относительно цилиндрической стенки. Соотношение перекрывания между наружным радиусом R2 кольца и радиусом R1 отверстия, при этом указанные радиусы расположены на одинаковом осевом расстоянии соответственно от стенки 124 дна и от верхней торцевой поверхности 132, тоже составляет от 1,010 до 1,016.
Для соединения торцевой стенки 124 отверстия и цилиндрической стенки 112 камеры можно предусмотреть другую поверхность, отличную от скошенной фаски 126, например, лучевую или многолучевую поверхность.
Точно так же, стенка дна камеры может быть конической или может содержать, начиная от цилиндрической стенки отверстия, конический участок, затем участок, перпендикулярный к оси вращения А. В этих случаях торцевая сторона кольца, которая входит в контакт со стенкой дна, будет соответственно конической или будет содержать конический участок, соответствующий по форме коническому участку стенки дна, и участок, перпендикулярный к оси вращения. Измерения значений ширины L1 и L2 можно либо производить в угловом направлении, либо проецировать в направлении, по существу перпендикулярном к оси вращения. Поскольку обе поверхности имеют одинаковый угол относительно оси вращения, соотношение между значениями проецируемой ширины будет равно соотношению значений ширины, измеренных в угловом направлении.
В другом варианте отверстие может содержать паз, выполненный радиально внутрь стенки 122 отверстия, независимо от того, является стенка цилиндрической или конической, и имеющий радиус, превышающий радиус R1 отверстия. Кольцо может содержать выступ, выполненный радиально наружу стенки 138 и имеющий форму и размеры, соответствующие пазу, то есть позволяющие вставить указанный выступ в указанный кольцевой паз. Соединение паз/выступ позволяет улучшить удержание кольца в гайке. В этом случае при измерении значений ширины L1 и L2 дополнительные размеры пазов и выступов не учитываются. Пазы и выступы могут быть кольцевыми или могут быть выполнены только частично на периферии отверстия и кольца.