專利名稱：墊片和該墊片的使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種需要在螺釘內(nèi)有一定量預(yù)應(yīng)力的螺紋聯(lián)接件。通過使用一個(gè)在螺帽或螺母下的預(yù)緊墊片來實(shí)現(xiàn)預(yù)張緊。
通常人們?cè)谝粋€(gè)螺帽或螺母下面放置一個(gè)墊片，以便通過扭矩使螺釘更容易旋緊，進(jìn)而減少作用于支座的表面壓力或通過使用一合適形狀的墊片確保螺釘?shù)木o固。用一個(gè)合適形狀的墊片，可以避免由于一傾斜的支座作用在螺釘上的彎曲效應(yīng)，或者墊片可以用于密封聯(lián)接件或作為聯(lián)接件的部分的電絕緣物。墊片還可以做成各種形狀，例如成形為杯狀，在固緊時(shí)它將被展平，從而在螺釘中產(chǎn)生張力。
對(duì)大多數(shù)螺紋聯(lián)接件而言，給螺釘一個(gè)足夠而精確的預(yù)張緊使聯(lián)接件的作用可靠發(fā)揮是必要的。通過施加扭矩使螺釘旋轉(zhuǎn)至一個(gè)較緊的位置，或在旋下螺母或螺釘之前通過使用一個(gè)與所需的預(yù)應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的預(yù)定力拉伸螺釘而產(chǎn)生所需預(yù)應(yīng)力的效果。
螺釘常常需要借助轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘或螺母的扭轉(zhuǎn)工具通過扭矩來固緊。為了順利固緊螺釘或螺母，它們必須也位于相應(yīng)側(cè)上。為產(chǎn)生一定的、預(yù)定的在螺釘中的張應(yīng)力，該工具就必須具有一個(gè)扭矩限制或測(cè)量功能。很多因素，如磨擦，由扭矩產(chǎn)生在螺釘上的預(yù)應(yīng)力是相當(dāng)不精確的。并且，通過扭矩產(chǎn)生的預(yù)張力造成螺釘?shù)募羟袘?yīng)力，這將導(dǎo)致螺釘一部分潛在預(yù)張緊的消耗。
螺釘在其裝配前也可以被加熱，由此它就會(huì)因熱膨脹而伸展。當(dāng)螺釘趁熱安裝上，并伸展到所需的程度后，一旦冷卻它就使聯(lián)接件固緊，螺釘中將保持所需的預(yù)應(yīng)力。螺釘也可通過將一個(gè)放入其中一管孔中的加熱元件來加熱，如使用一電阻加熱?；跓崤蛎浀念A(yù)張緊方法的缺點(diǎn)是足夠的伸長所需的高溫造成安裝困難，而且有可能削弱金屬螺釘?shù)慕饘賵?jiān)固性。
也可以通過預(yù)張緊工具使螺釘伸長從而實(shí)現(xiàn)預(yù)張緊，如以液壓或其它的一些方法操作的預(yù)張緊工具，它們登載于德國公開文件第3,733,243號(hào)或瑞士公開文件第7,701,049-4號(hào)中，這些必要工具往往復(fù)雜而且常常不適合于標(biāo)準(zhǔn)螺釘?shù)念A(yù)張緊。
美國專利文件第4,450,616公開了一種由形狀記憶金屬制成的墊片，如果螺釘趨于松動(dòng)使用它可以確保螺釘?shù)墓叹o。根據(jù)該專利文件，一個(gè)由形狀記憶金屬?zèng)_壓制成的彈性墊片以奧氏體形式在一升高的超過Af點(diǎn)的溫度(200℃)壓成一杯狀。當(dāng)它冷卻到低于Mf點(diǎn)(低于-150℃)的馬氏體區(qū)域，螺釘很容易旋擰下，而墊片變形成盤狀。當(dāng)溫度通過熱傳導(dǎo)超過Af點(diǎn)上升時(shí)，墊片趨向恢復(fù)其杯狀。因?yàn)樗谋瓲詈蛷椥?，墊片不會(huì)以預(yù)張緊所要求的方式拉伸螺釘。
日本公開文件第62-116,292號(hào)公開了一種用于固緊核反應(yīng)器容器蓋的彈性墊片。這種墊片是由形狀記憶金屬制成，并其被設(shè)計(jì)成用來固定螺釘，以便當(dāng)溫度升高而螺釘因受熱膨脹時(shí)保持密封效果。目前的發(fā)明并不適合于螺檢的預(yù)張緊。
根據(jù)本發(fā)明的墊片，按照權(quán)利要求書的特征部分中所限定的墊片，其不必使用特別的工具就能產(chǎn)生所需的一定程度的預(yù)應(yīng)力。螺釘與螺母可以是通常的標(biāo)準(zhǔn)螺釘或螺母。根據(jù)本發(fā)明的預(yù)張緊方法不會(huì)還在螺釘中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力。而且如果需要的話，螺釘?shù)恼麄€(gè)預(yù)張緊能被利用。在空間形狀及缺少空間來限制工具使用的地方，螺釘也能夠被預(yù)張緊。
本發(fā)明是以在受溫度影響的形狀記憶金屬的晶體結(jié)構(gòu)中能夠發(fā)生一相位變形為基礎(chǔ)。這種變形現(xiàn)象稱為馬氏體反應(yīng)。由形狀記憶金屬合金制造的部件的形狀和體積在由一外力而引起一變形之后，能夠在一個(gè)較低的加熱溫度準(zhǔn)確地恢復(fù)到與原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)相一致。這種形狀復(fù)原一般在4-8％的變形之后依然會(huì)產(chǎn)生。這種馬氏體反應(yīng)開始并發(fā)生在20℃左右(從As到Af)一個(gè)變化極小的轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，這種情況通常適合于溫度范圍在-30℃～+100℃之間的一個(gè)所要求的區(qū)域中。在一定條件下，馬氏體反應(yīng)在結(jié)晶構(gòu)造上是完全可以轉(zhuǎn)換的。形狀記憶金屬的變形并不是以熱膨脹為基礎(chǔ)的，而是以被一定溫度變化所激發(fā)的晶體結(jié)構(gòu)的相位變化為基礎(chǔ)。一旦達(dá)到變形溫度，變形隨即立刻發(fā)生。由于變形溫度較低，被加熱的部件不需要大量的熱量。
形狀記憶金屬主要以兩種形式存在一種只具有單向形狀記憶功能，而另一種具有雙向記憶功能。在以單向形狀記憶功能為基礎(chǔ)的形狀記憶金屬部件中，被一個(gè)預(yù)定的變形溫度所激發(fā)的變形是不能轉(zhuǎn)換的。而以雙向形狀記憶金屬功能為基礎(chǔ)的場(chǎng)合下，當(dāng)該部件被冷卻到一預(yù)定的溫度以下的(Ms到Mf范圍)變形即可轉(zhuǎn)換。在下文中，以單向形狀記憶功能為基礎(chǔ)的形狀記憶金屬稱之為單向形狀記憶金屬，而以雙向形狀記憶功能為基礎(chǔ)的形狀記憶金屬稱之為雙向形狀記憶金屬，且變形溫度被稱之為上限變形溫度(Af)和相應(yīng)的下限變形溫度(Mf)。
幾種形狀記憶金屬合金能夠經(jīng)受極高的應(yīng)力(甚至在800～1000N/mm2)，而不會(huì)塑化及失去形狀記憶特性。因此，由這種金屬制成的墊片能夠產(chǎn)生與變形相一致的很大的力。
以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述，其中

圖1示出了一個(gè)螺釘，其有一個(gè)在其螺帽下方放置的由形狀記憶金屬制成的墊片；和圖2示出了一個(gè)螺釘，其有一個(gè)在其螺帽下方放置的由形狀記憶金屬制成的墊片，以及在該墊片與螺帽之間有一個(gè)用于調(diào)整預(yù)應(yīng)力的間隙。
如圖1所示，由一種單向記憶金屬制成的墊片4的功用如下形狀記憶金屬墊片4被安裝在將要被固定的部件1a與螺帽3之間并位于螺帽3下方的位置，墊片4的厚度尺寸的設(shè)定考慮了將要被預(yù)張緊的螺釘2的長度和預(yù)張緊的需要，而且螺釘被輕輕地向下旋緊。借助于一加熱裝置如通常的熱氣扇，將墊片4加熱到上限變形溫度，由此墊片4將膨脹并且使螺釘2張緊到使用狀態(tài)。螺釘能夠以正常方式旋松。
當(dāng)使用一個(gè)由雙向形狀記憶金屬制成的墊片4時(shí)，預(yù)張緊將按照上文所述的方式發(fā)生。而螺釘2的旋松則例如借助干冰將墊片4冷卻到下限變形溫度即可完成，此時(shí)墊片4恢復(fù)到原來的尺寸，而無需使用強(qiáng)力工具只輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘即可將其旋松。該雙向形狀記憶金屬墊片能夠多次使用。
根據(jù)圖2所示方法，螺帽3和形狀記憶金屬墊片4之間留有一間隙5。通過調(diào)整間隙的大小，可以影響螺釘伸長的范圍，進(jìn)而影響螺釘?shù)墓叹o效果。
當(dāng)該螺釘?shù)某叽绾托螤钣洃浗饘賶|片的性能均為已知條件時(shí)，間隙5能夠按通常的方式計(jì)算出來，這里就不再詳述了。間隙的使用可以使諸如標(biāo)準(zhǔn)尺寸的形狀記憶金屬墊片與變換長度的螺釘一起使用。
按照本發(fā)明，由圖1、圖2所示的兩個(gè)應(yīng)用只不過是墊片應(yīng)用的兩個(gè)例子，這一點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講是很明顯的。對(duì)于有螺帽和榫頭的螺釘而言，此墊片也同樣可以用于螺釘/螺母。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，另一點(diǎn)也是很明顯的，即按照本發(fā)明的預(yù)張緊墊片除用于螺釘及螺母外，還可以用于其它固定部件。也很明顯，在同一緊固點(diǎn)處可以一個(gè)疊在另一個(gè)上放置幾個(gè)墊片，從而借助于同一厚度的墊圈的功能使多于一個(gè)墊片的一組墊片(如具有標(biāo)準(zhǔn)厚度)用于改變長度的螺釘?shù)念A(yù)張緊。
如果螺釘是由鋼制造成的，預(yù)張緊螺釘所表現(xiàn)出的預(yù)張緊伸長在通常為可延伸長度的0.2％的范圍內(nèi)。另一方面，在產(chǎn)生伸長能力的場(chǎng)合下，形狀記憶金屬的變形能力如上所述在4～8％范圍內(nèi)。因此，對(duì)于已經(jīng)使用相當(dāng)薄的墊片的預(yù)張緊螺釘來說，達(dá)到足夠的伸長是可能的。
如果需要的話，在螺釘中央或者可能的話，在墊片上加工出一個(gè)孔，即可更精確地測(cè)量出螺釘?shù)纳扉L。
如一個(gè)實(shí)例表明，借助于形狀記憶金屬墊片將一個(gè)總長度為315mm的M24×38.8SFS2063牌號(hào)的螺釘固緊。
假設(shè)螺釘安裝在一個(gè)長度是直徑的1.5倍的螺紋孔中，結(jié)果產(chǎn)生約259mm的可延伸長度。如果螺釘固緊到90％程度，預(yù)應(yīng)力等于576N/mm2。在這種場(chǎng)合預(yù)張緊力是195,000N，而螺釘伸長約0.54mm(為可延長長度的0.2％)。
假設(shè)通過形狀記憶金屬可獲得5％的延伸率，形狀記憶金屬墊片的厚度應(yīng)是約11mm(假設(shè)形狀記憶金屬的彈性模數(shù)與鋼的彈性模數(shù)相同。彈性模數(shù)的差別對(duì)所需墊片的厚度產(chǎn)生影響)。
當(dāng)使用一個(gè)形狀記憶金屬墊片的外徑是36mm，內(nèi)徑是26mm，厚度是11mm時(shí)，墊片內(nèi)部的壓應(yīng)力同墊片下的表面壓力一樣，將為400N/mm2。
本發(fā)明的使用并不局限于加熱形狀記憶金屬墊片的單一方式。有時(shí)候，將使整個(gè)機(jī)器部件達(dá)到能夠激發(fā)形狀記憶金屬的溫度將是有益的，特別是有許多固接點(diǎn)時(shí)更是如此。
本文中，使用了形狀記憶金屬這一術(shù)語，它定義了一種金屬，其在多數(shù)場(chǎng)合是一種金屬合金，其長度尺寸變化是由于晶體特性導(dǎo)致的，而不是由于熱脹特性產(chǎn)生的。而且這種金屬合金的變化在由臨界值確定的限制范圍內(nèi)是永久性的。一個(gè)著名的具有添加劑的鎳鈦合金就是一例。但本發(fā)明不僅限于這種合金或者所提到的已知合金。
權(quán)利要求
1.一種通常為環(huán)形的板狀墊片(4)，用于在諸如一螺釘和/或螺母那樣的一緊固元件(2)下面形成達(dá)到一預(yù)定的程度的預(yù)張緊，所述緊固元件用于將諸如機(jī)械部件(1a，1b)那樣的兩個(gè)或若干個(gè)部件聯(lián)接在一起，當(dāng)希望在螺釘(2)中形成一預(yù)定的預(yù)應(yīng)力時(shí)，所述墊片適于放置在螺帽或螺母(3)和將被固定或固緊或連接于一個(gè)螺釘或螺母上的部件(1a)之間，其特征在于，所述墊片(4)用形狀記憶金屬制造，而這種金屬的上限變形溫度比聯(lián)接件的使用與安裝溫度要高，墊片(4)的厚度尺寸將根據(jù)將要預(yù)張緊的螺釘?shù)拈L度和預(yù)張緊的需要來確定，且還要根據(jù)在形狀記憶金屬的上限變形溫度產(chǎn)生的膨脹因素來確定，以此方式使墊片(4)的膨脹以及與其變形相關(guān)的由其所產(chǎn)生的力，將足以使螺釘(2)形成所需的伸長效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的墊片，其特征在于墊片是由一種單向記憶金屬制造的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的墊片，其特征在于墊片(4)是由一種雙向形狀記憶金屬制造的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的墊片，其特征在于墊片的下限變形溫度比聯(lián)接件的最低使用溫度還低。
5.一種借助于一螺釘(2)和/或螺母(3)或一相應(yīng)的緊固元件將一機(jī)械的或類似的部件(1a，1b)聯(lián)接在一起的方法，它使用至少一個(gè)如權(quán)利要求1-4所述的墊片(4)，用于預(yù)張緊一螺釘或一相應(yīng)的緊固元件(2)，其特征在于依靠加熱一個(gè)或幾個(gè)形狀記憶金屬墊片(4)至上限變形溫度，就可以實(shí)施預(yù)張緊，而上限變形溫度適合于設(shè)定成比將要固緊的聯(lián)接件的使用和安裝溫度要高，這樣就會(huì)產(chǎn)生固緊效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于靠留出一間隙(5)產(chǎn)生預(yù)張緊，間隙(5)處于螺帽/螺母(3)和形狀穩(wěn)定的形狀記憶金屬的墊片(4)之間，墊片(4)放置在該間隙下方而位于該間隙和一將要緊固的部件(1a)之間，墊片的尺寸根據(jù)螺釘或相應(yīng)緊固元件的性能以及墊片的性能來設(shè)定，以此方式獲得一合適的預(yù)應(yīng)力，此后，使墊片達(dá)到上限變形溫度，該溫度適合于設(shè)定成高于聯(lián)接點(diǎn)的最高使用與安裝溫度，從而，就產(chǎn)生所需的預(yù)張緊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，使用雙向形狀記憶金屬墊片，并通過將墊片冷卻至比聯(lián)接件的使用溫度要低的下限變形溫度而拆卸此聯(lián)接件。
全文摘要
一種預(yù)緊墊片，其由一種形狀記憶金屬制造，以及使用該墊片的一種方法是通過利用形狀記憶金屬在其達(dá)到預(yù)定溫度后變形的性能來完成恰當(dāng)?shù)念A(yù)張緊。
文檔編號(hào)F16B1/00GK1142863SQ94194911
公開日1997年2月12日 申請(qǐng)日期1994年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月30日
發(fā)明者J·M·凱托-托科伊 申請(qǐng)人:克瓦爾納坦姆渦輪機(jī)股份公司