Крепежное соединение



Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение
Крепежное соединение

 


Владельцы патента RU 2485363:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) (RU)

Изобретение относится к машиностроению, в частности к высокоресурсным и герметичным болтовым и болт-заклепочным соединяемым деталям, и направлено на повышение усталостной долговечности и герметичности соединения. Крепежное соединение содержит стержень, снабженный потайной головкой, установленный в отверстие соединяемых деталей, шайбу, гайку или обжимное кольцо. Потайная головка выполнена с углом конусности α в пределах от 20° до 45°, а глубина Н0 гнезда под потайную головку и его угол конусности α0 равны

где Н - высота потайной головки; α - угол конусности потайной головки; Δг=D-D0 - номинальный натяг по потайной головке; Δ=d-d0 - номинальный натяг по стержню; D и D0 - соответственно диаметры потайной головки и гнезда под потайную головку; d и d0 - диаметры стержня и отверстия под стержень соответственно. Диаметр потайной головки больше диаметра гнезда на 0,8÷2,5%, а угол конусности потайной головки больше угла конусности гнезда под потайную головку на 2÷3°. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к высокоресурсным и герметичным болтовым и болт-заклепочным соединяемым деталям.

Известно болтовое и болт-заклепочное соединение с радиальным натягом по стержню крепежа со стандартной потайной головкой 90°±1° и соответствующим гнездом к ней 90°±30' (Ярковец А.И. и др. Конструктивно-технологические особенности выполнения соединений болтами с потайными головками при высоких радиальных натягах. Авиационная промышленность №1, 1975).

Однако такое соединение имеет недостаточную усталостную долговечность и герметичность вследствие зазора между головкой крепежа и зенкованным гнездом, обусловленного разностью углов и выступов на конической поверхности головки крепежа от штамповки крестообразного шлица, несоосностью и непараллельностью осей головки крепежа и гнезда, а также перекосом гнезда по сравнению с соединением с выступающей головкой. Кроме того, снижение усталостной долговечности этих соединений вызывает высокий коэффициент концентрации напряжений в зоне сопряжения конической и цилиндрической поверхностей, а также возможной щелевой коррозией материала под головкой крепежа.

Известен крепеж для соединения деталей из стеклопластика, содержащий резьбовую часть и головку. Для обеспечения герметичности соединения на торцевой поверхности головки, обращенной к соединяемой детали, выполнены концентрические заостренные кольцевые выступы, имеющие на вершине насечку (Авторское свидетельство №297812 кл. F16b 35/04 от 4.06.1971). Однако такая конструкция крепежа обеспечивает недостаточную герметичность, так как остается зазор вдоль стержня крепежа в зоне насечки на вершинах выступов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности к достигаемому результату является крепеж «заклепка-кольцо», содержащий заклепку и кольцо, снабженное кольцевыми выступами на опорных торцах кольца (Патент Великобритании №1.266.893, кл. F16b 19/08 от 15.03.1972). Этот крепеж также обладает недостатком, поскольку скользящая посадка кольца на стержень заклепки не обеспечивает полной герметичности соединения.

Известно также соединение с высокой усталостной прочностью, содержащее болт с потайной конической головкой, угол которой составляет 70°, при этом отверстие в детали со стороны головки крепежа имеет зенковку с углом конуса на 4° больше угла конуса головки болта (Патент Великобритании №1.312.882, кл. F16B 5/02, 5/04; 19/046 35/04 от 11.04.1973). Однако при такой малой разнице углов конуса головки болта и зенкованного гнезда практически исключается возможность обеспечения гарантированного контактного давления по всей поверхности головки болта. Вследствие этого соединение недостаточно герметично и подвержено воздействию коррозии.

Цель изобретения: разработка крепежа, позволяющего повысить усталостную долговечность и герметичность соединения за счет создания гарантированного натяга в соединении по всей конической поверхности гнезда; предупредить коррозионное воздействие на материал детали в зоне головки крепежа; дополнительно повысить усталостную долговечность и герметичность соединения местным глубоким пластическим деформированием материала вокруг кромки отверстия посредством внедрения кольцевого выступа конической формы на опорной поверхности шайбы, устанавливаемой с радиальным натягом на стержень крепежа при приложении к гайке нормированного крутящего момента в болтовом соединении или усилия обжатия кольца в болт-заклепочном соединении.

Указанные цели достигаются за счет того, что в крепежном соединении, содержащем стержень, снабженный потайной головкой, установленный в отверстие соединяемых деталей, шайбу, гайку или обжимное кольцо, согласно заявляемому изобретению потайная головка выполнена с углом конусности α в пределах от 20° до 45°, а глубина H0 гнезда под потайную головку и его угол конусности α0 равны

,

,

где H - высота потайной головки; α - угол конусности потайной головки; ΔГ=D-D0 - номинальный натяг по потайной головке; Δ=d-d0 - номинальный натяг по стержню; D и D0 - соответственно диаметры потайной головки и гнезда под потайную головку; d и d0 - диаметры стержня и отверстия под стержень соответственно. При этом диаметр потайной головки D больше диаметра гнезда D0 на 0,8÷2,5%, а угол конусности потайной головки больше угла конусности гнезда под потайную головку на 2°÷3°. Этим создается большой натяг и, как следствие этого, высокие контактные давления, обеспечивающие герметичность соединения.

Кроме того, на торцевой поверхности шайбы выполнен кольцевой выступ и кольцевые впадины, симметрично расположенные относительно кольцевого выступа. Кольцевой выступ в сечении имеет форму равнобедренного треугольника высотой 0,5÷1 мм и углом при вершине в пределах от 30°÷60°. Такие размеры и форма кольцевого выступа позволяют обеспечивать упрочнение местным глубоким пластическим деформированием соединяемой детали за счет возникающих технологических остаточных сжимающих напряжений. При приложении крутящего момента к гайке или усилия обжатия кольца происходит внедрение кольцевого выступа в соединяемую деталь на некотором расстоянии от кромки отверстия. Кроме того, при внедрении кольцевого выступа создается высокое контактное давление, обеспечивающее герметичность соединения.

Внутренний диаметр шайбы меньше диаметра стержня крепежа на 0,5÷1,5% в зависимости от материала шайбы, а натяг от этого обеспечивает дополнительную герметичность соединения. При этом входная внутренняя кромка шайбы выполнена конической с углом конусности 10°÷1,5° и глубиной, равной 1/4 толщины шайбы.

На фиг.1 и фиг.2 показано исходное положение стержня 3 (болт и болт-заклепка соответственно) перед запрессовкой; на фиг.3 и фиг.4 - запрессованный в пакет стержень с шайбой (болт и болт-заклепка соответственно); на фиг.5 - шайба с кольцевым выступом; на фиг.6 и фиг.7 - соединение после сборки (болтовое и болт-заклепочное соответственно); на фиг.8 - болтовое соединение с выступающей головкой после сборки.

Крепежное соединение содержит соединяемые детали 1 и 2, стержень 3, установленный в отверстие пакета, гайку (кольцо) 4 и шайбу 5. Стержень выполнен с потайной головкой 6 с углом конусности в пределах от 20° до 45°. Пунктирные линии обозначают положение исходных недеформированных стенок отверстий.

Диапазон углов конусности потайной головки от 20° до 45° установлен ввиду следующих факторов. При углах конусности потайной головки менее 20° ухудшаются условия работы детали с зенкованным гнездом 1 при действии нагрузки на отрыв. Потайная головка с углом конуса более 45° оказывает очень слабое воздействие в качестве клина для создания требуемого контактного давления (радиального и осевого) под головкой. В интервале угла конусности потайной головки 20°÷45° реализуется процесс упругопластического деформирования сопрягаемых деталей и обеспечиваются условия для создания высоких контактных давлений по поверхности потайной головки, обеспечивающие герметичность и высокую усталостную долговечность соединения.

Кроме того, в рекомендуемом интервале угла конусности потайной головки существенно уменьшается концентрация напряжений в районе сопряжения конической и цилиндрической поверхностей верхней детали, что также позволяет повысить усталостную долговечность соединения.

Из условия обеспечения требуемой стяжки пакета и надежной работы детали с зенкованным отверстием на отрыв интервал угла конусности потайной головки крепежа 20°÷30° является предпочтительным для элементов соединения «крепеж-пакет» в сочетании из материалов сталь (титановый сплав)-титановый сплав, а интервал углов 30°÷45° - из материалов сталь (титановый сплав)-алюминиевый сплав.

Диаметр конусообразной потайной головки крепежа D больше соответствующего исходного диаметра гнезда D0 на 0,5÷2,5%, за счет чего возникают упругопластические деформации в сопрягаемых деталях (головка крепежа-деталь с зенкованным отверстием), как следствие этого, высокие контактные давления, обеспечивающие повышение усталостной долговечности, коррозионной стойкости и герметичности соединения.

Глубина H0 гнезда под потайную головку и угол ее конуса α0 равны

,

,

где H - высота потайной головки; Δ=d-d0 - номинальный натяг по стержню; ΔГ=D-D0 - номинальный натяг по потайной головке; d и d0 - диаметр стержня и отверстия; D и D0 - диаметр потайной головки и гнезда.

На одной из опорных поверхностей шайбы 5 выполнен концентрический кольцевой выступ 7 и кольцевые впадины 8, симметрично расположенные относительно выступа. Кольцевой выступ имеет в поперечном сечении форму равнобедренного треугольника высотой 0,5÷1 мм в зависимости от толщины соединяемой детали 2 и с углом при вершине в пределах 28°÷30° для шайбы из стали и 55°÷60° для шайбы из алюминиевого сплава. Такие размеры и форма кольцевого выступа 7 позволяют обеспечивать местное глубокое пластическое деформирование детали 2 для получения требуемого уровня остаточных сжимающих напряжений.

Материал, перемещаемый кольцевым выступом по мере внедрения его в деталь 2, заполняет кольцевые впадины 8, что позволяет обеспечить плотное прилегание шайбы к поверхности соединяемой детали и полное внедрение кольцевого выступа. В результате создаются высокие контактные давления в зоне клина, обеспечивающие повышение усталостной долговечности соединения и его герметичность.

Внутренний диаметр шайбы 5 меньше диаметра стержня крепежа на 0,5÷0,8% для шайбы из стали и на 0,8÷1,5% для шайбы из алюминиевого сплава, а входная внутренняя кромка шайбы выполнена конической с углом конуса 15°, что обеспечивает качественную посадку ее с радиальным натягом на стержень крепежа с созданием гарантированного уплотнения контактных поверхностей «шайба-стержень».

Установка шайбы 5 с кольцевым выступом с натягом на стержень крепежа, установленного с зазором в отверстие соединяемых деталей фиг.8, также обеспечивает повышение усталостной долговечности и герметичности соединения. При этом исключается необходимость применения дополнительных герметизирующих материалов, что приводит к снижению массы и стоимости конструкции.

Выполнение соединений в пакете деталей осуществляется следующим образом. В зенкованное отверстие соединяемых деталей устанавливают стержень 3 с соблюдением соосности стержня и отверстия. Затем стержень 3 запрессовывается или затягивается в пакет деталей 1 и 2, при этом потайная головка устанавливается заподлицо с поверхностью детали 1. На выступающую из пакета часть стержня устанавливается шайба 5. Затем при стяжке пакета посредством гайки или обжимного кольца происходит перемещение шайбы 5 в продольном направлении с реализацией натяга и внедрением кольцевого выступа 7 до плотного прилегания шайбы к поверхности детали 2.

Для оценки эффективности предлагаемых конструктивных решений были проведены испытания на усталостную долговечность и герметичность односрезных образцов соединений из алюминиевого сплава Д16Т при циклической нагрузке . Для сравнения проведены испытания таких же образцов соединений, выполненных болтами со стандартной головкой с углом конуса 90° с радиальным натягом, равным 1%.

Усталостная долговечность образцов соединений с углом конуса головки болта 20° составила Np=(2,8÷16)104 циклов до разрушения, а для соединений со стандартной головкой - Np=(1,5÷9)104 циклов.

Экспериментально определен условный коэффициент герметичности соединения КГ в виде отношения числа циклов нагружения до разгерметизации NГ к числу циклов до разрушения Np

Коэффициент герметичности соединений для болтов с углом конуса головки 20° составил KГ=0,9÷1, а для болта со стандартной головкой KГ=0,4÷0,6.

Результаты испытаний образцов соединений с болтом с выступающей головкой (фиг.8), установленного с зазором в соединяемые детали, и с шайбой из 30ХГСА с кольцевым выступом показали, что усталостная долговечность их при составила Np=11·104 циклов, а соединений болтом со стандартной шайбой составила Np=104 циклов. При этом условный коэффициент герметичности соединений с шайбой с кольцевым выступом и со стандартной шайбой соответственно равны КГ=1 и KГ=0.

Использование изобретения позволит повысить усталостную долговечность конструкции с предлагаемыми крепежными соединениями в 24÷10 раз по сравнению с усталостной долговечностью стандартных соединений, повысить коррозионную стойкость и герметичность, исключив при этом необходимость применения дополнительных герметизирующих материалов.

1. Крепежное соединение, содержащее стержень, снабженный потайной головкой, установленный в отверстие соединяемых деталей, шайбу, гайку или обжимное кольцо, отличающееся тем, что потайная головка выполнена с углом конусности α в пределах от 20° до 45°, а глубина Н0 гнезда под потайную головку и его угол конусности α0 равны


где Н - высота потайной головки; α - угол конусности потайной головки; ΔГ=D-D0 - номинальный натяг по потайной головке; Δ=d-d0 - номинальный натяг по стержню; D и D0 - соответственно диаметры потайной головки и гнезда под потайную головку; d и d0 - диаметры стержня и отверстия под стержень соответственно, при этом диаметр потайной головки больше диаметра гнезда на 0,8%÷2,5%, а угол конусности потайной головки больше угла конусности гнезда под потайную головку на 2°÷3°.

2. Крепежное соединение по п.1, отличающееся тем, что внутренний диаметр шайбы меньше диаметра стержня на 0,5%÷1,5%, при этом входная внутренняя кромка шайбы выполнена конической с углом конусности 10°÷15° и глубиной, равной 1/4 толщины шайбы.

3. Крепежное соединение по п.1, отличающееся тем, что на торцевой поверхности шайбы выполнен кольцевой выступ и кольцевые впадины, симметрично расположенные относительно кольцевого выступа.

4. Крепежное соединение по п.3, отличающееся тем, что кольцевой выступ в сечении имеет форму равнобедренного треугольника высотой 0,5÷1 мм и углом при вершине в пределах от 30°÷60°.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к разъемным средствам крепления объектов на стержнях в области строительства и направлено на повышение надежности соединения. .

Изобретение относится к разъемным средствам крепления объектов на стержнях в области строительства и направлено на повышение надежности соединения. .

Изобретение относится к фурнитуре для крепления облегченной плиты к перпендикулярно расположенной другой облегченной плите и направлено на возможность передачи больших сил в зоне соединения.

Изобретение относится к системе из двух секций фюзеляжа самолета и соединительной структуры для соединения обшивок фюзеляжа. .

Изобретение относится к пластмассовому клеевому дюбелю, предназначенному для вставления в облегченную плиту, и направлено на возможность использования дюбеля без опасности повреждения облегченной плиты.

Изобретение относится к области общего и специального тяжелого машиностроения и может использоваться во всех областях промышленного производства для обеспечения соединения высоконагруженных элементов механических конструкций, и направлено на повышение производительности и снижение трудоемкости соединения элементов конструкции без использования сложных затягивающих устройств.

Изобретение относится к области машиностроения и авиадвигателестроения и может быть использовано для соединения вращающихся деталей ротора газотурбинного двигателя авиационного и наземного применения.

Изобретение относится к быстрозажимным средствам для съемных теплоизоляционных панелей (СТП). .

Изобретение относится к машиностроению, к устройствам, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин, для соединения деталей осью, а именно к разборным соединениям двух деталей, одна из которых совершает качающие эксплуатационные движения на оси относительно второй неподвижно закрепленной детали, и в конструкциях, у которых отсутствуют подшипники как отдельная деталь, и направлено на устранение трения между торцевыми поверхностями деталей при обеспечении достаточной надежности соединения.

Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано для соединения деталей в самолетостроении и ракетостроении, и направлено на повышение качества соединения деталей.

Изобретение относится к соединительной крепежной детали, содержащей простирающийся в осевом направлении корпус с головкой, ножкой и гибкой, выполненной в форме юбки манжетой и кольцевую уплотнительную шайбу, и направлено на улучшение герметичности соединения.

Изобретение относится к крепежным элементам. .

Изобретение относится к монтажному/сборочному элементу, предназначенному для использования при сборке изделий перекрывающихся пластин и/или составных элементов, и направлено на более надежное соединение элементов.

Изобретение относится к устройству для крепления соединительного элемента предмета арматуры к опоре из листового материала и направлено на упрощение съема крепежного устройства без повреждений.

Изобретение относится к крепежным средствам и направлено на обеспечение высокой прочности крепежного средства при уменьшении обжимной нагрузки. .

Изобретение относится к трубопроводному транспорту. Соединительный инструмент для соединения сегментов восстанавливающей трубы для восстановления существующего трубопровода. Сегмент образован в виде единого целого из, по меньшей мере, пластины внутренней поверхности, которая составляет внутреннюю поверхность по окружности восстанавливающей трубы, и боковых пластин, которые имеют выполненное на них установочное отверстие и расположены по обеим сторонам пластины внутренней поверхности, так чтобы проходить в направлении по окружности восстанавливающей трубы. Соединительный инструмент включает в себя трубчатый соединительный палец, который выполнен с возможностью разделения на половинки пальца и введения в установочное отверстие в боковой пластине первого сегмента с частью соединительного пальца, остающейся снаружи первого сегмента. Соединительный инструмент дополнительно содержит разделительный палец, который может быть введен в трубчатый соединительный палец, чтобы разделить соединительный палец на половинки пальца и прижать их к первому сегменту для крепления к нему. Половинки пальца, остающиеся снаружи первого сегмента, вставлены с защелкиванием во второй сегмент через установочное отверстие его боковой пластины, таким образом соединяя первый и второй сегменты в продольном направлении восстанавливающей трубы. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 23 ил.
Наверх