CN103168178A - 用于拧紧螺纹紧固件的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的第一方面，提供了一种用于扭转连接螺纹紧固件和力矩输出装置的设备，它包括：第一连接部件（100），该第一连接部件可以与螺纹紧固件可旋转地螺纹接合；可以与第二连接部件（150）可旋转地锥形接合；可以与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合；第二连接部件（150），该第二连接部件可以与力矩输出装置的反作用部分不可旋转地接合；其中，当通过力矩输出装置的作用部分旋转时，第一连接部件（100）向螺纹紧固件施加负载。

Description

用于拧紧螺纹紧固件的装置

相关申请的交叉引用

本申请是共同待审的美国专利申请No.61/370015的继续申请，该美国专利申请NO.61/370015的申请日为2010年8月2日，标题为“Conical Geometry for Torsion Coupling During Bolting”，该文献的全部内容结合在本申请中，作为参考。

在本申请中公开的新技术改进了在以下共同拥有的已颁发的专利和专利申请中公开的技术：美国专利No.5137408，申请日为1991年12月3日，标题为“Fastening Device”；美国专利No.5318397，申请日为1992年5月7日，标题为“Mechanical Tensioner”；美国专利No.5622465，申请日为1996年4月26日，标题为“Lock Nut”；美国专利No.5640749，申请日为1995年6月13日，标题为“Method Of AndDevice For Elongating And Relaxing A Stud”；美国专利No.5888041，申请日为1997年10月17日，标题为“Lock Nut”；美国专利No.6254322，申请日为1998年3月3日，标题为“Bolt With A BoltMember,A Washer And A Sleeve For Applying Forces To The BoltMember And The Sleeve”等，这些文献的全部内容结合在本申请中，作为参考。

背景技术

普通的螺纹紧固件为已知。它们包括头部，该头部与杆（螺钉）的端部连接，或者包括螺母，该螺母可与杆（螺柱和螺母的组合）的端部螺纹接合。紧固件插入要拉紧的物体的孔中，所述物体例如为要相互连接的两个邻接凸缘。

在拧紧普通螺纹紧固件的过程中经常发生粘扣。压力建立于接触和滑动螺纹表面之间，在螺纹表面上的保护涂层和制造缺陷（当有时）将结块、破裂和/或擦去，和/或金属相接点剪切或锁定在一起。这种累积的结块-阻塞-剪切-锁定作用引起增加的粘结。通常，粘扣导致卡住-螺纹实际堵在一起。当继续拧紧时，紧固件可能拧断，或者它的螺纹被扯掉。

粘扣还并不只在螺栓和螺母的螺纹之间产生，还在螺母的表面和凸缘（紧固件引入该凸缘内）的表面之间产生，因为侧部负载改变了要转动的螺母的垂直位置。这又增加了螺母的转动摩擦，并使得由力矩产生的螺栓负载不可预计，这可能导致泄露或连接部故障。

而且，普通螺纹紧固件将为刚性，并由于非均匀环向应力而在螺母的底部在最先的两个或三个螺纹中失效。最后两个或三个螺柱或螺栓的螺纹保持普通紧固件的负载的80%。当紧固件失效时，通常是这些螺纹失效。这导致偏压螺母内径，以便在拧紧过程中首先使得顶部的螺纹负载。当螺母拧紧时，螺母变形和均匀分布负载。

当紧固件金属在应力作用下流动时，普通紧固件产生蠕变或变形。维持的蠕变量将随着温度而增加。不过，一旦完成拧紧，重要的是不再产生流动，因为这样的变形将导致减小螺栓拉伸和随后减小作用在凸缘/垫圈/连接部上的应力。当该应力减小至低于特定最小值时，将可能产生较高的泄露速率。

成热处理形式的加热和淬火将实现普通紧固件的表面调整。不过，普通紧固件通常在表面调整时非常脆弱和容易破裂。

普通的螺纹紧固件通常包括垫片。在高预负载时，在螺栓头部或螺母下面的力能够超过夹紧材料的压缩屈服强度。当产生这种情况时，过多嵌入和变形可能导致螺栓预负载损失。为了克服这种情况，在螺栓头部下面的垫片可以用于使得力分布在夹紧材料中的较宽区域上。

与普通螺纹紧固件相比，本领域还已知三件式螺纹紧固件，包括螺栓、螺柱、夹和/或垫片等，包括外部套筒、内部套筒和垫片。在垫片上的花键连接件使得内部套筒与垫片旋转连接。在拧紧过程中，力矩动力工具配置成使得反作用力转向内部套筒（该内部套筒具有较大的转动摩擦），并使得作用力转向外部套筒（该外部套筒具有较低的转动摩擦）。外部套筒开始转动、向上拉动内部套筒至预先标定的拉紧程度，因此将螺母或螺栓与它一起拉动。拧紧三件式紧固件为无扭转和无侧部负载。当在它的精确机械加工表面产生转动时，摩擦系数已知通过给定润滑剂而达到±3%负载精度。不需要反作用点，因为工具反作用在代替紧固件上，因此它能够用于非常有限的进入情况中，能够不用手、遥控或颠倒操作。三件式螺纹紧固件具有与它们代替的普通螺母或螺栓类似的尺寸。

通过三件式螺纹紧固件，几乎消除了螺纹粘扣和金属蠕变，因为匹配的螺栓或螺柱以纯拉紧而负载，而没有扭转。三件式紧固件增加了螺栓连接系统的弹性，这明显有助于将连接部保持在一起。这在高温螺栓连接用途（在该用途中，紧固件进行蠕变）中特别有利，因为与刚性系统中相比，弹性螺栓连接系统将更长，以便达到给定放松应力。弹性螺栓连接系统还能够通过补偿温度变化、连接部运动和内部压力变化来改进垫圈连接部的整体性。在外部套筒上的环向应力使得内部套筒直径在它的底部增加，在它的顶部减小。这使得螺纹应力分布更均匀，且减小了螺柱或螺栓失效的可能性。

三件式螺纹紧固件覆盖较宽范围的尺寸、螺纹形式、温度变化率和用途；通常专用于具有最小径向约束的用途；具有与标准重六边形螺母的对角（cross corner）尺寸近似的外径；实际上消除了粘扣（由于在内部和外部套筒之间的硬度差）；以及通过它们的贯穿螺栓设计而成为用于具有高螺柱拉伸的用途的合适选择。动力工具完全环绕不旋转垫片来起反作用，而没有侧部负载。相对较厚的外部套筒使应力最小，并使得它们能够在升高温度下处理较高负载。城堡形的外部套筒不需要过大尺寸的带孔的驱动器。

三件式紧固件的最大优点是由于内部和外部套筒的材料化学成分和硬度差，它们不会粘扣。一种方法包括使得外部套筒硬化和使得内部套筒相对较软。在拧紧过程中，内部套筒将膨胀，但是外部套筒压缩它，这使得系统保持平衡和避免失效。在其内表面上的螺柱/螺栓以及在其外表面上的外部套筒保持捕获内部套筒。

三件式紧固件在高于大约535℃（1000oF）的高温用途中有缺陷。系统热膨胀和应力需要减小紧固件负载或增加紧固件径向尺寸，这在给定用途中都不可能。而且，蠕变应变开始缓慢，然后加速。外部套筒将凸出至具有较低外部套筒厚度的三件式紧固件上，通常需要装配至限制应用的几何形状中。

另外，自反作用三件式紧固件通常有结构例如花键、六边形或正方形，以便能够与力矩输入装置的反作用部件扭转连接。这通过在两个部件之间的机械旋转干涉来实现。干涉通常通过在任意两种匹配结构（这两种匹配结构防止在两个部件之间旋转）之间的凸凹接合而产生。

在现有技术中还存在三件式机械拉紧螺柱装置。它们包括螺柱、螺母和垫圈。螺柱具有在两端上的外螺纹。在上部螺纹的下面，螺柱还将有花键或其它几何形状，以便与垫片内径产生旋转连接。螺柱的顶侧还有花键或其它几何形状，以便能够与力矩输入装置的反作用轴旋转连接。螺母有内螺纹，以便与螺柱顶侧上的螺纹匹配。螺母有花键或其它几何形状，以便能够从力矩输入装置引入力矩。垫片的内部几何形状将与在螺柱的顶部螺纹下面的花键或其它几何形状旋转匹配。

在螺栓连接用途中，应力通常在材料的弹性界限附近。使得三件式机械拉紧螺柱与力矩输入装置的力矩进行连接的反作用结构通常必须有过大尺寸，以便防止弹性材料失效。因此，利用现有技术不能通过在螺柱顶表面中的内部结构（例如正方形、六边形或内部花键孔）承载较高力矩值。因此，受到高螺栓连接应力的现有技术用途必须具有在螺柱顶侧上的外部结构，该外部结构将能够与来自力矩装置的足够尺寸反作用轴连接。

因此，本发明设计成解决这些问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，我们提供了一种用于扭转连接螺纹紧固件和力矩输出装置的设备，它包括：

第一连接部件，该第一连接部件可以与螺纹紧固件可旋转地螺纹接合；可以与第二连接部件可旋转地锥形接合；可以与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合；

第二连接部件，该第二连接部件可以与力矩输出装置的反作用部分不可旋转地接合；以及

其中，当通过力矩输出装置的作用部分旋转时，第一连接部件向螺纹紧固件施加负载。

本发明的进一步特征在所附权利要求2至9中提出。

有利的是，具有用于扭转连接的可选几何形状的装置能够有更高效和均匀地分布的负载应力分布；有更高扭转强度；有更低紧固件质量和体积。

附图说明

下面可以仅参考附图通过示例来介绍本发明，附图中：

图1是本发明实施例的透视图；

图2是本发明实施例的侧剖图；

图3是本发明实施例的俯视图；

图4是本发明实施例的侧剖图；以及

图5是本发明实施例的透视图。

具体实施方式

例如参考图1-3，图中表示了根据第一实施例的、用于扭转连接力矩输出装置（未示出）和螺纹紧固件（未示出）的装置1。装置1具有第一连接部件100，该第一连接部件100可以与螺纹紧固件可旋转地螺纹接合；可以与第二连接部件150可旋转地锥形接合；以及可以与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合。第二连接部件150可以与力矩输出装置的反作用部分不可旋转地接合。当通过力矩输出装置的作用部分而旋转时，第一连接部件100向螺纹紧固件施加负载，以便关闭连接部（未示出）。

第一连接部件100是环形体，如图1-3中所示，并成形为套筒。它有具有内螺纹装置120的内表面110，该内螺纹装置120可与连接部的螺纹紧固件（例如螺栓或螺柱）的外螺纹装置接合。它还有具有多边形形状121的外表面111，该外表面111可以与第二连接部件150的内表面160（该内表面160具有多边形形状170）可旋转地接合。多边形形状121成形为台阶形圆锥体的倒截头体。它还有下表面113，该下表面113可以与第二连接部件150的内表面160（该内表面160具有多边形形状170）可旋转地接合。

将外部圆柱形结构以较浅深度从第一连接部件100上除去。将连续的外部圆柱形结构以规则长度和宽度间隔而除去。各连续结构开始于前一个结构中止的位置处。除去的外部圆柱形结构的几何图形连续，直到空间限制添加另外的外部圆柱形结构。图1-3表示了四个外部圆柱形结构以规则长度和宽度间隔而除去。应当知道，除去的外部圆柱形结构的数量、尺寸、几何形状和间隔可以根据用途来变化，以便优化形成的连接件。使得一个除去的外部圆柱形结构与另一个在数量、尺寸、几何形状和间隔上变化将改变多边形形状121的标称角度。台阶长度的尺寸可以设置成无限小，以便产生平滑锥形。也可选择，第一连接部件100的外部部分可以在一个台阶（step）中除去，以便形成平滑的圆锥形外表面。

第一连接部件100还有上表面112，该上表面112具有锁定装置130，该锁定装置130可以由多个孔形成，这些孔沿轴向方向延伸以及沿周向方向相互间隔开。锁定装置130可以由任意合适几何形状（例如城堡形）形成。锁定装置130与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合。

第二连接部件150是环形体，且如图1-3中所示成形为套筒。它成形为台阶形圆锥体的空心截头体。内部圆柱形结构以较浅深度从第二连接部件150除去。连续内部圆柱形结构以规则长度和宽度间隔而除去。各连续结构开始于前一个结构中止的位置处。除去的内部圆柱形结构的几何图形连续，直到空间限制添加另外的内部圆柱形结构。

图1-3表示了四个内部圆柱形结构以规则长度和宽度间隔而除去。应当知道，除去的内部圆柱形结构的数量、尺寸、几何形状和间隔可以根据用途来变化，以便优化形成的连接件。使得一个除去的内部圆柱形结构与另一个在数量、尺寸、几何形状和间隔上变化将改变这些结构形成的圆锥形的标称角度。台阶长度的尺寸可以设置成无限小，以便产生平滑锥形。也可选择，第一连接部件100的内部部分可以在一个台阶（step）中除去，以便形成平滑的圆锥形内表面。

图2表示了装置1的尺寸。通常，对于第一和第二连接部件100和150的任意给定截面长度（L₁₀₀和L₁₅₀），截面宽度（W₁₀₀和W₁₅₀）将基本相似。

第二连接部件150有具有多边形形状170的内表面160，该内表面160可以与第一连接部件100的外表面111（该外表面111具有多边形形状121）可旋转地接合。多边形形状170成形为台阶形圆锥体的截头体。内表面110和160基本平滑。

第二连接部件150还有锁定装置180，该锁定装置180由多个外部花键形成，这些外部花键沿轴向方向延伸，并沿周向方向相互间隔开。锁定装置180可以与力矩输出装置的反作用部分的内部花键不可旋转地接合。

第二连接部件150还有下表面163，该下表面163搁置在连接部的上表面上。下表面163可以基本为粗糙的，并可以以多种不同方式来制造，例如通过多个脊、波纹或齿。

装置1以下述方式来操作。第二连接部件150施加在螺纹紧固件上面，并搁置在连接部的上表面上。通过旋拧第一连接部件100直到它的外表面111与第二连接部件的内表面160平齐，从而将第一连接部件100施加在螺纹紧固件上。然后，力矩输出装置的作用部分与第一连接部件100的锁定装置130接合。力矩输出装置的反作用部分与第二连接部件150的锁定装置180接合。力矩输出装置的作用部分使得第一连接部件100旋转。在第一连接部件100的旋转过程中，它在它的外表面111和第二连接部件的内表面160之间的平滑相接面上滑动，并绕螺纹紧固件转动，该螺纹紧固件伸长至预定负载，以便拧紧连接部。同时，第二连接部件150自身通过下表面163而埋在连接部的上表面上，并与力矩输出装置的反作用部分一起并不转动。当螺纹紧固件充分拉长（拧紧）时，力矩输出装置脱开。

图4-5表示了根据本发明第二实施例的、用于扭转连接螺纹紧固件和力矩输出装置的装置。

用于扭转连接螺纹紧固件和力矩输出装置的圆锥形几何形状产生更好的负载应力分布。该实施例引入低轮廓连接几何形状，通过更均匀地分布应力从而能够更高效地包装连接结构，该低轮廓连接几何形状将允许螺柱顶部的扭转连接结构形成于内部。

在螺柱的顶表面中的台阶形12点孔用于与三件式机械螺柱拉紧装置进行扭转连接。内部12点结构布置在螺柱的顶部并处于较浅深度。连续的12点结构以较小的12点尺寸逐渐添加，且各自在较浅深度，并各自开始于前一个12点结构中止的位置处。减小的12点几何形状的图形将减小，直到空间限制添加另外12点。改变一个12点结构与另一个的深度和尺寸变化将增加或减小这些结构形成的圆锥形形状的标称角度。具有用于各台阶的外部匹配结构的轴将允许均匀分布的应力分布和具有高扭转强度，同时减小螺柱的质量和体积。12点结构能够由将防止在两个部件之间旋转的任意几何形状来代替。台阶深度的尺寸能够设置成无限小，以便产生平滑锥形。混合的台阶尺寸和几何形状能够用于优化这种连接件的生产。

在标准螺栓连接工业术语中，装置1包括作为内部套筒的螺母（第一连接部件100）和作为外部套筒的垫片（第二连接部件150）。标准螺栓连接的平表面螺母和垫片相接面变化。与普通的三件式紧固件相比，力矩反作用点向上运动。本发明的装置利用普通三件式紧固件的几何形状，它允许外部套筒的表面修整以防止粘扣，通过普通螺母和垫片配置进行杠杆作用，它保持径向应变，以使得内部套筒可以被表面修整为具有最小断裂危险。

应当知道，本发明装置的各种部件都可以使用，包括：紧固件种类，例如木螺钉、机器螺钉、螺纹切削机器螺钉、片状金属螺钉、自钻孔SMS、六边形螺栓、车身螺栓、方头螺栓、凹头螺钉、定位螺钉、J形螺栓、凸肩螺栓、六边螺钉（sex screen）、匹配螺钉、吊架螺栓等；头部类型，例如扁平、椭圆形、盘形、构架形、圆形、六边形、六边形垫片、有狭槽的六边形垫片、内六角头、按钮等；驱动类型，例如十字槽H型（phillips）和十字槽F型（frearson），有狭槽、组合的、插座、六边形、窝头（allen）、正方形、梅花头（torx）、多种其它几何形状等；螺母类型，例如六边形、锁紧螺母、盖型螺母、盖帽式螺母、凸缘螺母、正方形、扭矩锁定、有狭槽、槽形螺母等；垫片类型，例如扁平、防护垫片、精加工、正方形、船坞形（dock）等；以及螺纹类型，例如尖锐V形、美制、统一标准、公制、正方形、ACME、惠氏螺纹标准、圆螺纹、锯齿螺纹、单个、双头、三头、双正方形、三重ACME等。

在本说明书和权利要求中，术语“锥形”、“锥形的”及其变化形式的意思是特定结构、台阶、数量、尺寸、几何形状和间隔可以从一端至另一端逐渐地、突然地、逐级地和/或成圆锥形地不一致、变化、变窄、变小、减小、变得更小、变薄等。

应当知道，上述各元件或者两个或更多元件也可以发现在与上述类型不同的其它类型结构中的有利用途。在前述说明中或者在随后的权利要求中或者在附图中公开的结构（这些结构以它们的特殊形式表示或者表示了用于执行所述功能的装置或者用于获得所述结果的方法或处理）在合适时可以单独或者以这些特征的任意组合地用于以不同形式实现本发明。

尽管本发明已经表示和介绍为用于流体操作工具中，但是它并不仅限于所示细节，因为在绝不脱离本发明精神的情况下可以进行多种改变和结构变化。

不用进一步分析，前面所述将充分揭示本发明的要点，以使得其它人能够通过应用当前知识而很容易的将它用于各种用途，而不会省略这样的特征，即从现有技术的观点来看，该特征清楚地构成本发明的总体或特定方面的基本特征。

当在本说明书和权利要求中使用时，术语“包括”、“包含”、“有”及其变化形式的意思是包括特定特征、步骤或整体。该术语并不解释为排除其它特征、步骤或部件的存在。

Claims (14)

1.一种用于连接螺纹紧固件和力矩输出装置的连接设备，包括：

第一连接部件，所述第一连接部件能与螺纹紧固件可旋转地螺纹接合；能与第二连接部件可旋转地锥形接合；能与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合；

第二连接部件，所述第二连接部件能与力矩输出装置的反作用部分不可旋转地接合；以及

其中，当通过力矩输出装置的作用部分旋转时，第一连接部件向螺纹紧固件施加负载。

2.根据权利要求1所述的连接设备，其中：第一连接部件和第二连接部件的可旋转锥形接合部成形为台阶形圆锥体的截头体或平滑圆锥体的截头体。

3.根据前述任意一项权利要求所述的连接设备，其中：第一连接部件和第二连接部件的可旋转锥形接合部成形为台阶形圆锥体的截头体，所述台阶形圆锥体的截头体具有变化的台阶数量、尺寸、几何形状和间隔。

4.根据前述任意一项权利要求所述的连接设备，其中：

第一连接部件的内表面与螺纹紧固件的外表面接合；

第二连接部件的内表面与第一连接部件的外表面和底表面接合；

第一连接部件的顶表面与力矩输出装置的作用部分接合；

第二连接部件的外表面与力矩输出装置的反作用部分接合；以及

第二连接部件的底表面与要闭合的连接部的表面接合。

5.根据前述任意一项权利要求所述的连接设备，其中：第二连接部件基本环绕第一连接部件。

6.根据前述任意一项权利要求所述的连接设备，其中：力矩输出装置为气动、电力、液压或人力驱动。

7.一种用于连接力矩输出装置和螺纹紧固件的连接设备，所述螺纹紧固件的类型为具有杆，所述杆具有锥形轴向孔，所述锥形轴向孔能与力矩输出装置的作用部分不可旋转地接合，所述连接设备包括：

第一连接部件，所述第一连接部件能与螺纹紧固件和第二连接部件可旋转地接合；能与力矩输出装置的反作用部分不可旋转地接合；

第二连接部件，所述第二连接部件能与螺纹紧固件不可旋转地接合；以及

其中，当力矩输出装置的作用部分使得螺纹紧固件旋转时，第一连接部件向螺纹紧固件施加负载。

8.根据权利要求7所述的连接设备，其中：螺纹紧固件和力矩输出装置的作用部分的不可旋转的锥形接合部成形为台阶形圆锥体的截头体或平滑圆锥体的截头体。

9.根据权利要求7或8所述的连接设备，其中：螺纹紧固件和力矩输出装置的作用部分的不可旋转的锥形接合部成形为台阶形圆锥体的截头体，所述台阶形圆锥体的截头体具有变化的台阶数量、尺寸、几何形状和间隔。

10.根据权利要求7、8或9所述的连接设备，其中：力矩输出装置的作用部分的外表面和锥形轴向孔的内表面成形为防止相对旋转的任意几何形状。

11.根据权利要求7、8、9或10所述的连接设备，其中：力矩输出装置为气动、电力、液压或人力驱动。

12.根据权利要求7、8、9、10或11所述的连接设备，其中：螺纹紧固件为第三连接部件。

13.一种基本如前面参考附图所述和/或如附图中所示的用于连接力矩输出装置和螺纹紧固件的连接设备。

14.一种如参考附图所述和/或如附图中所示的新颖特征或新颖特征组合。

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