緊固件預應力連接的製作方法

2023-12-11 13:27:17 2

專利名稱：緊固件預應力連接的製作方法
技術領域：
本發明涉及緊固連接設計，例如螺接，特別地涉及向緊固件加預應力而使得處於最大應用載荷情況下在緊固件中產生更均勻的應力的連接。
背景技術：
當連接是非對成的且緊固件載荷不在緊固件的中心線上時，引起在彎曲平面中橫跨諸如螺栓的緊固件的杆11的彎曲應力。

圖1A和圖1B示意性地說明了作用了相同軸向載荷(比如，在螺栓的杆的軸線上的載荷)的兩緊固件。圖1A說明了在紙平面(在彎曲平面中，以至於使緊固件杆11向左凸)中在軸向預應力上添加的以至於使緊固件10的杆11受到彎曲和軸向載荷的彎曲應力。圖1B說明了僅受到軸向載荷(沒有彎曲載荷)的緊固件10的杆11，該軸向載荷在數量上等於在圖1A中螺栓的中心軸線處的軸向載荷12，以至於在兩個緊固件中的平均應力相等。
圖1A中的緊固件中的彎曲應力減小了緊固件和連接的載荷承受能力。由於引起的彎曲，在彎曲平面中的緊固件杆11的一邊14受到比另一邊16更大的應力。這是不希望得到的情況，因為橫跨緊固件杆分布的應力致使緊固件杆的邊14受到大的應力。在最大的載荷時更希望得到的應力情況應該是如圖1B所示的在最大載荷情況時在彎曲平面中橫跨緊固件杆11的均勻應力分布，在圖1B中應力12、14和16實質上是相等的。在有些情況中，緊固連接不能設計來排除在所有情況下緊固件中的彎曲應力，比如在應用載荷是動態且因此變化的連杆連接中。
緊固件中的平均應力與緊固件受到的載荷有關。在圖1A和圖1B中，緊固件10都受到相同的平均應力12，但是由於彎曲應力圖1A中的緊固件受到更大的最大應力14。如果失效發生了，它應該在沿邊14最大應力點處發生。因此，相對於受到相同的平均應力但具有均勻應力分布的緊固件，添加到軸向應力的彎曲應力減小了緊固件的載荷承受能力。
參見圖2A，當緊固連接時，由於收緊或拉緊緊固件而施加了初始預應力。這通過均勻預應力成分18表示。如果連接是非對稱的，緊固件孔的一側將比另一側受到更多應力。這使得緊固件杆11受到彎曲應力以及載荷以不均勻的方式橫跨緊固件杆11而施加。這通過非均勻成分20表示。此外，如果應用載荷偏心於緊固件的中心線施加，在緊固件中將出現另外的彎曲。圖1A中的應力成分12，14，和16是處於最大應用載荷時均勻成分18和非均勻成分20的總和。緊固件連接設計由於具有彎曲應力的緊固件中的最大應力大小而受限，所述彎曲應力使得如圖1B所示的均布應力輪廓成為更希望得到的選擇。
這裡所用的詞語「緊固件」是當施加載荷到連接時具有受到張力的杆的緊固件的任何類型，例如，螺栓、鉚釘、杆(螺紋的，銷的，焊接的，等等)，螺絲釘，等等。詞語「彎曲應力」指橫跨緊固件杆的非均勻應力。本發明包括在連接系統中的螺母的使用，螺母可以起螺栓頭的作用，因此緊固件的頭包括螺母、螺栓頭或螺釘頭、鉚釘頭或鉚接法蘭等等。
發明概要本發明提供一種在連接的應用中處於最大載荷情況橫跨螺栓杆的最大應力將會減少的螺接。當緊固件裝配以便連接時，通過引起在彎曲應力作用的彎曲平面中的緊固件杆中的彎曲應力的連接可以實現這個目的。由連接引起的彎曲應力實質上反比於由緊固件杆在使用時受到的最大應用載荷引起的在彎曲平面中的彎曲應力，以至於當施加最大應用載荷時減小了最大應力。
通過這樣做，本發明還減小了緊固件杆受到的循環平均應力。這對於增收緊固件的疲勞壽命非常有用。
在本發明的有用的方面中，當施加最大應用載荷時，由連接引起的彎曲應力在數量上和方向上產生在彎曲平面中的橫跨緊固件杆的實質上均勻應力分布，獲得本發明的十足的優點。
在本發明的一種形式中，連接有一種緊固件抵靠而產生在杆中的張力的座，該座相對於零件中的緊固件孔的軸線以不是90度的角度偏斜，緊固件杆穿過緊固件孔。座以這樣的方向轉向以至於產生方向相反於由最大應用載荷引起的彎曲應力的在緊固件中的彎曲應力。因此，由連接引起的彎曲應力抵消了由應用載荷引起的彎曲應力，減少緊固件杆上的最大應用載荷，以及減少緊固件杆受到的循環平均應力。
在本發明的另一種實施方式中，連接具有面向彼此且由緊固件接合在一起的接合面，接合面的一部分限定了在它們之間的引起了方向相反於由最大應用載荷引起的彎曲應力的在緊固件杆中的彎曲應力的自由間隙。
在本發明的另一種實施方式中，在零件中延伸的且接收緊固件杆的孔具有在一個零件中的第一部分和在另一個零件中的第二部分，且第一部分相對於第二部分偏斜以至於引起方向相反於由最大應用載荷引起的彎曲應力的在緊固件中的彎曲應力。
實施本發明的那些不同的方式可以單獨實施或彼此聯合實施。
在一種特別有用的方式中，連接是一種連接軸承蓋到連杆的杆部分的連杆中的連接。軸承蓋連接是本發明特別有用的應用，因為由於連杆的循環運動使緊固件杆受到循環彎曲應力，以至於利用本發明，給緊固件預加應力可以減小最大應用應力和緊固件杆中的循環平均應力。
本發明的前述和其他目的及優點將在隨後的詳細說明中出現。在說明中，參考了說明本發明的較佳的實施例的附圖。
附圖的簡要說明圖1A是典型的現有技術螺栓應力分布示意圖，說明在受到彎曲和軸向載荷的螺栓中的應力分布；圖1B是典型的現有技術螺栓應力分布示意圖，說明在僅受到軸向載荷的且軸向載荷的數量等於圖A中螺栓軸線處載荷的螺栓中的應力分布；圖2A是相似於圖1A的視圖，且應力示意圖說明了作為預應力和最大應力的總應力分量；圖2B是相似於圖2A的緊固件的視圖，但預應力和最大應力分布通過結合本發明的連接產生；圖3是具有根據本發明有角度的螺栓座的連杆軸承蓋連接的視圖，為了說明的目的，誇大了角度；圖4是相似於圖3的視圖，但它是現有技術連杆軸承蓋連接的視圖；圖5是具有根據本發明的有角度接合面的連杆軸承蓋連接的視圖，為了說明的目的，誇大了角度；圖6是具有根據本發明的在杆中的向內偏斜的帶螺紋的緊固件孔的連杆軸承蓋連接的視圖，為了說明的目的，誇大了角度。
具體實施例方式
參見圖2B，本發明提供一種緊固件夾緊連接設計，該設計提供一種處於最大應用載荷情況在緊固件杆11中的實質上均勻應力載荷分布。在圖2B中，應力示意圖說明了用矢量箭頭22、24和26的下面的集合標示的初始預應力和由矢量箭頭28、30和32的上面的集合標示的應用應力。在圖2A和圖2B中，平均預應力和平均最大應力是相同的，因此每個情況可以承受相同的系統載荷；然而利用本發明會導致在應用載荷下的下面的最大應力。連接的應用載荷是循環的，例如在連杆軸承蓋連接中，在這種情況下，平均循環應力還可以更小。總的循環應力振幅保持不變。
圖2A和圖2B的示意性應力圖是經簡化的，因此它們沒有顯示任何非主要的或偶然的連接彎曲預應力。如果存在連接彎曲預應力，圖2A中的預應力向量的水平集合應該是非均勻的(成某種角度)且在圖2B中相應的預應力向量應該需要調節來補償彎曲預應力。
處於最大應用載荷的均勻應力分布可以通過多種方式實現。現在，的典型的連杆軸承蓋連接如圖3中所示製造，使每個螺栓連接座36與相應的螺栓孔37和螺紋孔39中心線38成90°，非螺紋孔37在軸承蓋42中，螺紋孔39在連杆體44中。這樣產生了實質上如圖2A中的應力分布，且向量18表示靜預應力和向量29表示動態的應用載荷。注意到，在這種情況中，最大應力出現在內邊(朝向兩座36的機軸孔40)。
實施本發明的一種方式可以是通過基於將被抵消或彌補的最大應用載荷而選擇的微量朝向螺栓孔37和螺紋孔39中心線38偏斜每個連接連接座36。通常，取決於應用載荷的數量的該角度應該小於1度，例如0.125度。該角度還應在正確的方向以至於它抵消在最大應用(動態)載荷情況下的由連接和應用載荷引起的彎曲應力。如圖3中所示。機器加工成或形成與如圖所示的一樣平的兩座36，以至於它們都在彎曲平面的方向向內偏斜或轉向，以至於在每個螺栓10中引起相反於由應用載荷引起的彎曲應力的彎曲應力。換句話說，由於偏斜的座36，螺栓10趨向在紙平面中向外彎曲(相對於主孔40的軸線凸出)，然而應用載荷趨向將螺栓10向內彎曲(相對於主孔40的軸線凸進)。選定座36的角的方向和數量以及選定收緊螺栓10的扭矩，以至於在最大應用載荷情況下產生在緊固件10的杆中實質上均勻的應力分布，如圖2B中所示。
如果圖4中的螺栓孔37、39以及螺栓接合座沿同樣的軸中心線38用機器製造，座和螺栓的中心線就會由於製造過程互成90度，如圖3所示的典型的連接。需要其他的或不同的製造過程生成必需的螺栓座36的偏斜。這可以以多種方式實現。例如，圖4的螺栓座36的偏斜可以鑄造到軸承蓋42中。另一種方式是用一主軸沿軸線38加工螺栓孔，而用與鑽孔主軸成一小角度的主軸加工螺栓座。通過使用粉末冶金生產過程來形成在軸承蓋42中的每個螺栓座36的偏斜生成座36，還有一種方式可以生成座36的角。
生成處於最大應用載荷情況的在彎曲平面中橫跨螺栓杆11的均勻應力的另一種方式是生成接合面，接合面在主孔40的中心附近面向彼此，互相成小的角度向外逐漸尖細以至於生成鄰近於主孔40的區域中的每組接合面之間的小的自由間隙48。這如圖5所示。一個或兩個相對的面可傾斜，從而產生間隙48。這種小角度(在圖5中誇大了很多；可能小於1度，取決於準備抵消掉的應用載荷的量)可以通過加工通過鑄造或粉末冶金技術形成的面，或可以使連接塑性變形而生成間隙，後面的方法可以結合到連杆的蓋和杆的其他的典型的斷裂分裂生產工藝中。這容許蓋42朝間隙區域中的杆元件44彎曲，該間隙通過具有使緊固件10的杆11受到彎曲應力以至於使它們向外彎曲的作用的角度形成。當收緊螺栓10時，間隙48可以閉合或實質上閉合，或不閉合。選定間隙48的尺寸和使螺栓10收緊的扭矩以至於產生在最大應用載荷情況下的在彎曲平面中的緊固件10的杆11中的實質均勻的應力分布，如圖2B中所示。
生成在最大應用載荷情況下的橫跨螺栓杆11的彎曲平面中的均勻應力的另一種方法可以是生成與螺栓孔37和(沒有彎曲的)螺栓10的中心線38B成小角度的螺紋孔39的中心線38A，如圖6中所示。還有，軸線38A的角度誇大了很多且可能相對於軸線38B小於1度。與前面描述的實施例中的一樣，那些使螺栓10的杆11向外彎曲，在最大應用載荷的情況下產生在彎曲平面中橫跨螺栓杆的均勻應力分布，且減少了循環平均應力和減少了在螺栓杆11中最大應力。選定軸線38A的角和使螺栓10收緊的扭矩以至於在最大應用載荷情況下產生在緊固件10的杆11中的彎曲平面中的實質上均勻的應力分布，如圖2B中所示。
已經非常詳細地說明了本發明的較佳的實施例。對於本技術領域的技術人員來說，對所示的較佳實施例的許多修改和變化將是顯然的。因此，本發明不應限於所述的實施例。
權利要求
1.在通過緊固件夾緊至少兩零件之間的連接中，所述緊固件具有受拉力的且連接所述零件在一起的杆，在所述的改進中，所述連接在所述緊固件裝配而實施所述連接時引起在彎曲平面中的所述緊固件杆中的彎曲應力，由所述連接引起的所述彎曲應力實質上反比於由最大應用載荷引起的在所述彎曲平面中的彎曲應力，所述緊固件杆在使用中受到所述最大應用載荷，以至於在施加所述最大應用載荷時減少了所述最大應力。
2.如權利要求1所述的改進，其特徵在於，由所述連接引起的所述彎曲應力在量級上和方向上產生在施加所述最大應用載荷時在所述彎曲平面中橫跨所述緊固件杆的實質上均勻的應力分布。
3.如權利要求1所述的改進，其特徵在於，所述連接具有所述緊固件抵靠的座，以便在所述緊固件杆中引起拉力，所述座以不是90度的角相對所述零件中的緊固件孔的軸線偏斜，所述緊固件杆以一方向延伸穿過所述緊固件孔，以至於引起在方向上相反於由所述最大應用載荷引起的彎曲應力的、在所述緊固件的所述杆中的彎曲應力。
4.如權利要求1所述的改進，其特徵在於，所述連接具有面向彼此且由所述緊固件連接在一起的接合面，所述接合面的一部分限定了在它們之間的、引起了方向相反於由所述最大應用載荷引起的彎曲應力的、在所述緊固件杆中的彎曲應力的自由間隙。
5.如權利要求1所述的改進，其特徵在於，在所述零件中延伸的且接收所述緊固件杆的孔具有在一個所述零件中的第一部分和在另一個所述零件中的第二部分，且所述第一部分相對於所述第二部分偏斜，以至於引起方向相反於由所述最大應用載荷引起的彎曲應力的、在所述緊固件中的彎曲應力。
6.如權利要求5所述的改進，其特徵在於，所述第二部分是帶螺紋的。
7.如權利要求5所述的改進，其特徵在於，所述第一部分鄰接於實質上垂直於所述第一部分的軸線的緊固件座。
8.如權利要求1所述的改進，其特徵在於，所述連接是在一連杆中的連接，所述連杆連接軸承蓋到所述連杆的杆部分。
全文摘要
緊固件連接引起夾緊該連接的緊固件中的靜預應力，該靜預應力在量級相等於且方向相反於由應用載荷在緊固件中引起的彎曲應力。這樣的連接包括向內傾斜連杆軸承蓋的螺栓座，在蓋和與相鄰連杆的主孔的杆之間的螺接的表面處產生離隙，或當它們從螺接的接合面通過時將杆體中的螺紋孔向內偏斜。
文檔編號F16C9/04GK1875215SQ200480032074
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月28日 優先權日2003年10月31日
發明者H·J·諾特 申請人:Gkn燒結金屬股份有限公司