JP2004510102A - 取り外し不可能な構造のファスナ組立体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
組立体が挿入される、従来の穿設された概ね整列された孔を有する2枚のパネルを、一時的に或いは永久的に固定するためのピンおよびナットファスナ組立体を製造する装置および方法。業界で制定された所定の強度基準を維持しながら、ピンとナットの重量が軽減される。ピンのねじ部が相手方のナットのねじ部に沿って減少される。ピンは境界領域が冷間加工されてもよい。
Description
【0001】
発明の背景
発明の分野
本発明は、ファスナ組立体に関し、特に、航空機パネル等のための取り外し不可能な構造のファスナ組立体に関するものである。
【0002】
関連する技術の説明
ファスナは、多様な用途に用いられており、ともに連結されている表面により、ファスナが特に適合しなければならない独自の厳しい要件が課せられている。
【0003】
航空機の構造においては、リベット或いは構造的なファスナが用いられている用途により、最も厳しい要件のいくつかが課せられる。特に、ファスナは、航空機の異なる部材を固定しなければならないが、それらが用いられる厳しい環境によって、それらが受ける力および振動のもとで、締付力がなくなるのを阻止しなければならない。
【0004】
航空機の構造体にパネルを組み付けるのに、航空機のボディにパネルが取り付けられる場合に位置合わせの問題が生じるかもしれない。航空会社は、何年にも亘って、パネルとボディの基礎構造に線状に穴開けをするような、この問題の解決策を探し求めた。パネルの寸法および孔の数によって、パネルや基礎構造の孔は、今もなお位置ずれが生じ、従来のファスナの取付けには多くの課題が提起されている。従って、取付の間、穿設された孔に位置合わせする能力のあるファスナが必要とされている。これによって、航空機のパネルにファスナを取り付けるのに必要とされる努力が軽減されよう。
【0005】
大部分の航空機の締め付け用途において、ファスナは、結合部(joint)の強度より概ね強く形成される。殆どの場合、ファスナが、まだ無傷であっても結合部は破損する(例えば、孔が延びたり、エッジに亀裂が入ったり等)。従って、結合部の強度をよりよく補足するとともに、航空機産業によって求められている、相当な重量軽減をもたらすファスナが必要とされている。
【0006】
航空機産業によって、制定された基準に妥協することなく、この目標を実現することが重要である。このような基準は、業界によって承認された専門職業人組織(例えば、航空宇宙規格(NAS))によって発表され、或いは、Boeing Airplane Co.或いは、Lockheed Martinのような業界のリーダーによって制定される。
【0007】
発明の概要
2枚の航空機パネルをともに永久的に取り付けるための装置を提供することが本発明の目的である。
【0008】
さらに、本発明の他の目的は、過去に用いられたものより軽い部品を用いて、航空機全体の重量を相当低減して、前述の目的を達成することである。特に、標準的な構造のファスナ用途については、本発明は、同等な直径のファスナに用いられているねじ径よりも小さなねじ径を用いている。例えば、直径6.35mm(1/4”)のピンは、一般的に直径6.35mm(1/4”)のねじを使用するが、本発明では、6.35mm(1/4”)のボルトは、修正された谷の径およびルート半径を有する直径5.49mm(0.216”)のねじを取り入れている。
【0009】
航空機の構造体の孔と航空機のパネルの孔とを位置合わせすることができるピンを提供することも本発明の目的である。この特徴により、締付、取付工程の間、孔が位置ずれしていた殆どの場合にファスナの取付けが容易になる。
【0010】
前述の目的を達成する方法を提供することも本発明の別の目的である。
【0011】
これらの目的および他の目的は、一端にヘッド、他端にねじシャフト部を有するピンを提供することによって好ましく実現される。ヘッドとシャフト部を連結する過渡部、外側外径D1および内側ねじの谷の径d1のねじを提供するために、外側外径Dおよび内側谷の径dの標準ねじを使用してもたらされる特別の特性を有するねじ。外径と谷の径の間の距離hは、元の外径Dと元の谷の径dとの間の距離の約55%から65%の間である。ねじ貫通孔を有する主本体部を備えるナットは、ピンのねじシャフト部に螺合可能に取り付けられてもよく、ナットのねじは、ピンのねじと螺合するようになっている。(溝によって分割された環状のねじ山(ridge)によって錠止要素が設けられてもよい。)前述のことにより、通常の本体直径および修正されたより小さい直径のねじと一体のファスナが製造され、制定された基準の厳しい要件に合致するためのピンおよびナットのこの組合せを可能にする特徴がもたらされる。
【0012】
好ましい実施形態の説明
本出願の図1を参照すると、1対の合わせパネル11、12(図8も参照)を、ともに永久的に固定するファスナ組立体10が示されている。組立体10は、一端のヘッド14、および他端のねじシャフト部15が、一体の主本体部16によって相互に連結されたピン13(図1)を含む。ヘッド14は、その下側17にテーパが付けられていてもよい。6角形のドライブソケット(hex drive socket)18は、議論すべき理由によりねじシャフト部15の終端部に形成されてもよい。
【0013】
パネル11は、主外部パネルであり、航空機の外板等になってもよいものであり、座ぐり(countersunk)20(図8参照)で皿もみした孔19を有する。パネル11は、貫通する孔21(図1)を有する内側パネル12に当接するようになっている。孔21は、孔19と概ね整列している(しかし、後述するように僅かに位置ずれしていることがある)。
【0014】
組立体10は、略円筒形の主本体部26および内側ね貫通孔27を有するナット24を含む。ナット24もまた、主本体部26と一体且つ主本体部26から延出する円筒部30に終端する円形の外向きフレア・スカート部28を有する。ナット24の外部ドライブ方式は、主本体部26の外周の周りに延びる複数の離隔した突部29の形で設けられてもよい。これらの突部29は、主本体部26の周辺に矩形の離隔した領域を切削により形成するか、或いは、図8に明瞭に見られるように、主本体部から離れるように延びるスロットにより形成される。
【0015】
図1のピン13は、一端に、拡大してもよいヘッド14、円筒形のシャンク部16,6角形のドライブソケット18および端部101を有するピンブランク100(図2)から形成されてもよい。縮径した過渡部102は、シャンク部16と端部101との間に設けられる。過渡部102によって、シャンク部16と端部101につながる頸部103が相互に連結される。それは、シャンク部16に隣接する丸い肩104、および頸部103につながる交差部105を含む。ブランク100の、ヘッド14における通常の鍛粒線(grain flow)を流れ線106で示す。縮径した過渡部102、肩104、交差部105および頸部103での通常の鍛粒線を流れ線107で示す。
【0016】
図3に見られるように、シャンク部16につながるヘッド14の下側17の部分は、線108で示すように、従来周知の技術である冷間加工がなされてもよい。肩104と頸部103の間の交差部105の領域は、線109で示すように技術分野において周知の冷間加工であってもよい。
【0017】
図2および図3に見られるように、シャンク部16の外径は、端部101の外径より相当大きい。例えば、シャンク部16は、直径が約6.35mm(0.250インチ)であってもよく、端部101は、直径が約5.49mm(0.216インチ)であってもよい。このように、ねじシャフト部15のねじ外径は、シャンク部16の外径より約14%小さい。
【0018】
修正された螺旋ねじ(図4)は、図4に示すねじシャフト部15を形成する端部101に形成される。ねじは、転造の如き任意の適切な方法で形成され、また、ねじに沿った粒子材料lの流れを鍛粒線110で示す。
【0019】
ヘッド部14は、皿頭(countersink head)として、図1から図4に示すが、所望により、異なる形状、例えば、突出ヘッド(protruding head)等にしてもよい。
【0020】
ねじ部15の詳細図を図5に示す。従来のねじの同様な図を図6に示す。図6に見られるように、ねじ部30は、谷の径dを有する溝32によって、ねじ部31から分離している。各ねじ部は、外径Dを有する、台形の歯が形成される前の元の頂点33を有する。ねじ部間の交差部は、半径Rを有する直径d1に湾曲形成されている。ねじ部30、31の側部は水平に対して約60°の角度aを形成してもよい。ピッチ即ちねじ部30の外側および隣接するねじ部31の内側の間の距離Pはピンによって異なる。個々のピンは、25.4mm(1インチ)あたり約20から32のねじ部のピッチを有してもよい。図6におけるD1とd1の距離hは約0.67Hであり、ここで、HはDとdの間の距離である。
【0021】
本発明において特に意図することとして、図5に見られる類似の寸法は、図6における類似の寸法と同様であり、同様なねじ部34、35間の距離Pは、図6のものと同じである。D1とd1の間の距離hは、約0.55H−0.65Hである。半径Rは、図6の標準ピンの半径の約1.25−1.50である。角度aはなお60°である。
【0022】
このように、本発明は、図5に示すようなねじを使用することを意図しており、このねじは、図5に示すように、d1がある値になるまで溝32に追加の材料を維持することで、図6に示す標準的なねじと比較され、図5の(図6のものと同じ)D1とd1の相異は、0.55H−0.65Hである。もちろん、寸法の異なるねじは、異なるピッチ(P)およびルート半径(R)を有するが、比例した寸法は同じになる。
【0023】
前述のことは、制定された業界の基準に規定された破壊要件或いは張力要件に妥協することなく重量軽減に大きな役割を果たす。
【0024】
ナット24(図7)の内部ねじ27は、ねじシャフト15と螺合し、更なる説明は必要ないと思われる。このようなねじ27は、このように同等な強度のナットとともに使用されれば、同じ負荷要件に適合する。ナット24のねじの重量が低減されたことによって、さらに節約される。加えて、ナットは重量軽減に寄与する軽量の材料からなる。
【0025】
ピン13とナット24のねじ形状は、このように従来のピンの通常の外径6.35mm(1/4”)より小さいが、ここに開示された特徴のある新規なねじ形状は、外径が6.35mmより実際小さいが、6.35mm径のピンに課せられた、業界で制定された要件を満足する。
【0026】
試験では、ここに開示されたピン13を使用すると、従来のピンより約8%の重量の節約となる。ここに開示されたナットを使用すると、従来のナットより約4%の重量の節約となる。
【0027】
使用するには、図8に示すように、ピン13は、パネル11、12の整列された貫通孔19、21に、ヘッド14のテーパの付いた下側17が、パネル11の座ぐり20に着座するまで挿入される。孔19、21が僅かに位置ずれしている場合、シャフト15がパネルの1つの孔から他方へ通過する際に、丸い肩104が、パネルを整列するのに役立つ。この肩104には、さらに整列するのに役立つようにテーパが付けられてもよい。ナット24は、ねじシャフト15上で、パネル12に当接するまで矢印35の方向に回転される。このねじ込は、手動でも、任意の適切な方法で行ってもよい。しかし、六角形工具(hex tool)(図示せず)をピン13の六角形ソケット(hex socket)18に挿入して、ピン13を所定の位置に保持し、他方、他の工具(図示せず)を突部29にロックし、ナット24を矢印35の方向に回転させることが好ましい。ピン13を保持する間、ねじシャフト15上でナット24を回転させることによって、シャフト15とナット24との螺合が確実になされ、パネルが完全に固定される。ナット24は、変形部(deformation)36(或いはさらに離隔した位置で)のように、その外部で突き当或いは変形されて内部ねじに変形を起こさせて、ナット24をシャフト15に取り外し不可能に確実に固定してもよい。
【0028】
特定のナット24が開示されたが、多種類のナットが使用可能である。これらのナットは、ねじ部がナット24と同じであり、図9から図12に、ナット40から43までが夫々図示されている。各ケースにおいては、図1のナット24と同様な部品には、同じ参照数字が引用されている。このように、図9を参照すると、ナット40は、ナット24の部分30と同様な略円形の端部44、テーパの付いた主本体部45、および略円形の小直径の端部46を有する。複数の離隔した細長いスロット47が、部分44と部分46を相互に連絡している。スロット47は、ナット24の突部29と同様に機能して、適切な取付け工具(図示せず)に把持面を付与する。
【0029】
図10のナット41は、略円形のベース部48および小直径の端部49を有する。端部49は、離隔した複数の略矩形の切欠領域51を有するテーパの付いた主本体部50につながる。これらの領域(51)は適切な取付け工具(図示せず)の把持面を付与する。
【0030】
図11のナット42は、より小直径の一体の円筒部54につながるテーパ部53および一体の円形の端部52を有する。円筒部54は、六角形のナット部55と一体であり、ナット部55には適切な取付け工具(図示せず)により把持されるのに適した複数の平面56が形成されている。所望であれば、ナット部55は、従来技術で周知のように、取付け後にナットの残余部から分離する折取部を含んでもよい。
【0031】
最後に、図12のナット43は、円形のベース部57と、一体のテーパの付いた主本体部58とを有し、主本体部58は、より小直径の一体の略円筒部59につながっている。複数の離隔した一体の突起60は、適切な取付け工具(図示せず)により把持されるために円筒部59から外方に離れて延出する。
【0032】
多くのナットおよび把持面の変形例が、技術者に明瞭に思い浮かぶかもしれない。
【0033】
ピッチの直径、ねじ高さ、ねじの形状およびねじの谷の径でルート半径を変えてピンおよびナットのねじを変え、それにより、強度を維持しながらナットおよびピンの重量を軽減する方法がここに開示された。例えば、従来の直径6.35mm(1/4”)のピンは、ここに開示されたように変更することができ、多くの用途、特に、非常に多くのナットとピンの組合せを使用する航空機において相当な重量の節約をする。ピンおよびナットの破壊要件或いは張力要件への妥協は全くない。
【0034】
ナットは、軽量材料からなり、取付け工具によって係合される形状は、ナット或いは米国特許第5,702,214号公報のナットに、なお一層の重量軽減をもたらす。
【0035】
ステンレス鋼の如き任意の適切な材料が使用できる。この発明は、Hとhの比率が維持される限り、とのような特別のねじ直径のピンに適用してもよい。この比率は、約55%から65%である。
【0036】
ルート半径に沿って、開示されたようにねじ部の谷の径を増大することによって、ファスナが業界標準の破壊要件および張力要件に適合することが可能となる。
【0037】
さらに、用途によって、なお一層の重量軽減が可能である。例えば、ある用途は突出型のピンヘッドを必要とするかもしれない。図13の従来技術のピンに見られるように、線201はヘッドの冷間加工を示す。図14に見られるように、さらに重量を低減するために、半円形の材料のキャビティ202をヘッド200に彫り込んでもよい。
【0038】
図15に見られるように、図1のピン13と同様な、加工前のピン300は、ヘッド301、円筒形のシャンク部302、連続的にねじが形成される端部305および(図1のソケット18と同様な)内部ドライブソケット303を有してもよい。さらに細長いキャビティ304は、さらに重量を軽減するために、ソケット303と軸方向に整列して、ピン300の内部に沿って延出してもよい。
【0039】
全て軸方向に整列したヘッド部、円筒形シャンク、過渡部を備えたピンおよびドライブソケットを有するナットを含むファスナ組立体が開示されている。ヘッド部は、ファスナが取り付けられる用途に適応するように、テーパ付きであったり、突出したり等、従来技術で周知の種々の形状に形成してもよい。シャンクは、用途に必要な軸方向の剪断強度および破断強度を有するように寸法決めされてもよく、そして過渡部は、取付けを容易にし、且つピンのシャンクからねじ部まで負荷の伝達が可能になるように形成される。後者は、強度がピンヘッド部と等しく、そして、ドライブソケットにより、ピンのねじ部にナットのねじ部を締める手段が提供される。
【0040】
ナットは、相手方のピンのねじ部にナットを締め付けるのに役立つ、セルフロッキング特性を持つ外形形状を有してもよい。ピンヘッドは、ねじシャフトと略同じ強度を有してもよく、突出型、皿頭型、或いは従来技術において知られた任意の他の適切な型式であってもよい。ピンシャンクは、特定の用途に必要な剪断荷重を実現するために十分な強度を有してもよい。螺旋ねじが開示されているが、ピンシャフトの縦軸に垂直な面内にある一連の環状の離隔したねじ或いは溝によって分離されたねじ山を使用してもよい。ピンは、さらに重量を軽減するために、およびドライブナットがピンに締め付けられるとき、ピンを所定の位置に保持するのに役立つように内部ドライブソケットを有してもよい。
【0041】
重量を低減する減少したねじ径を有するピンが開示されている。この修正されたねじによりピンが、制定された業界の基準に適合することが可能となる。このねじは、ねじを通過する荷重の剪断流れ(shear flow)を改善する減少したねじ高さを有する。ねじは、応力集中を減少させ、そして剪断流れ範囲を増大してファスナの破断性能を改善する増大したルート半径を有する。ピンの冷間加工により、ピンの全体に亘って鍛粒線が増大して、構造的な強度および破断性能が改善される。
【0042】
ピンの過渡部により、航空機の構造内の概ね整列された孔に、ファスナが挿入されるときに自動調心が可能となる。湾曲部104は、ねじ部が第2のパネルの孔を通過すると、第2のパネルの孔に当接して第2のパネルを移動させて、第1のパネルと孔が整列する。ピンシャンクには、位置合わせを改善するためにテーパをつけてもよい。ねじの転造によりピンの破断能力が改善される。
【0043】
「ねじ」という用語は、各々が溝により互いに分離された、離隔したねじ部或いは複数の離隔した環状ねじ部或いはねじ山を有する螺旋ねじを含む。図5に示された要素および比率が維持される限り、任意の適切な寸法を使用してもよい。例えば、6.35mm(0.250インチ)の円筒形シャンク部を有するピンが使用されてもよく、ここに示された発明は、5.48mm(0.216インチ)のねじ直径を有することになる。ねじは、このように修正されて、業界の強度基準に適合するピンが提供される。
【0044】
本発明は、特定用途の強度基準に妥協することなく、ファスナ組立体の重量を大きく低減する。
【0045】
本発明の特定実施形態を開示したが、当業者には種々の変形例が想到され、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によるファスナ組立体の分解図であり、ファスナが取り付けられる1対のパネルを示す。
【図2】
図1のファスナ組立体のピンを形成するピンブランクの正面図
【図3】
図1のファスナ組立体のピンの形成段階を示す、図2と同様な図
【図4】
図1のファスナ組立体のピンの形成段階を示す、図2と同様な図
【図5】
図1のピンのねじ部の概略図
【図6】
従来のピンのねじの、図5と同様な図
【図7】
図1の組立体のナット単体の斜視図
【図8】
図1の組み立てられたファスナ組立体のナット締付の最終段階を示す正面図
【図9】
図7のナットの変形例の斜視図
【図10】
図7のナットの変形例の斜視図
【図11】
図7のナットの変形例の斜視図
【図12】
図7のナットの変形例の斜視図
【図13】
従来のピンヘッド部の正面図
【図14】
図13のヘッドの切取部を示す、図13と同様な図
【図15】
図1のピンのさらなる変形例を示す平面図
発明の背景
発明の分野
本発明は、ファスナ組立体に関し、特に、航空機パネル等のための取り外し不可能な構造のファスナ組立体に関するものである。
【0002】
関連する技術の説明
ファスナは、多様な用途に用いられており、ともに連結されている表面により、ファスナが特に適合しなければならない独自の厳しい要件が課せられている。
【0003】
航空機の構造においては、リベット或いは構造的なファスナが用いられている用途により、最も厳しい要件のいくつかが課せられる。特に、ファスナは、航空機の異なる部材を固定しなければならないが、それらが用いられる厳しい環境によって、それらが受ける力および振動のもとで、締付力がなくなるのを阻止しなければならない。
【0004】
航空機の構造体にパネルを組み付けるのに、航空機のボディにパネルが取り付けられる場合に位置合わせの問題が生じるかもしれない。航空会社は、何年にも亘って、パネルとボディの基礎構造に線状に穴開けをするような、この問題の解決策を探し求めた。パネルの寸法および孔の数によって、パネルや基礎構造の孔は、今もなお位置ずれが生じ、従来のファスナの取付けには多くの課題が提起されている。従って、取付の間、穿設された孔に位置合わせする能力のあるファスナが必要とされている。これによって、航空機のパネルにファスナを取り付けるのに必要とされる努力が軽減されよう。
【0005】
大部分の航空機の締め付け用途において、ファスナは、結合部(joint)の強度より概ね強く形成される。殆どの場合、ファスナが、まだ無傷であっても結合部は破損する(例えば、孔が延びたり、エッジに亀裂が入ったり等)。従って、結合部の強度をよりよく補足するとともに、航空機産業によって求められている、相当な重量軽減をもたらすファスナが必要とされている。
【0006】
航空機産業によって、制定された基準に妥協することなく、この目標を実現することが重要である。このような基準は、業界によって承認された専門職業人組織(例えば、航空宇宙規格(NAS))によって発表され、或いは、Boeing Airplane Co.或いは、Lockheed Martinのような業界のリーダーによって制定される。
【0007】
発明の概要
2枚の航空機パネルをともに永久的に取り付けるための装置を提供することが本発明の目的である。
【0008】
さらに、本発明の他の目的は、過去に用いられたものより軽い部品を用いて、航空機全体の重量を相当低減して、前述の目的を達成することである。特に、標準的な構造のファスナ用途については、本発明は、同等な直径のファスナに用いられているねじ径よりも小さなねじ径を用いている。例えば、直径6.35mm(1/4”)のピンは、一般的に直径6.35mm(1/4”)のねじを使用するが、本発明では、6.35mm(1/4”)のボルトは、修正された谷の径およびルート半径を有する直径5.49mm(0.216”)のねじを取り入れている。
【0009】
航空機の構造体の孔と航空機のパネルの孔とを位置合わせすることができるピンを提供することも本発明の目的である。この特徴により、締付、取付工程の間、孔が位置ずれしていた殆どの場合にファスナの取付けが容易になる。
【0010】
前述の目的を達成する方法を提供することも本発明の別の目的である。
【0011】
これらの目的および他の目的は、一端にヘッド、他端にねじシャフト部を有するピンを提供することによって好ましく実現される。ヘッドとシャフト部を連結する過渡部、外側外径D1および内側ねじの谷の径d1のねじを提供するために、外側外径Dおよび内側谷の径dの標準ねじを使用してもたらされる特別の特性を有するねじ。外径と谷の径の間の距離hは、元の外径Dと元の谷の径dとの間の距離の約55%から65%の間である。ねじ貫通孔を有する主本体部を備えるナットは、ピンのねじシャフト部に螺合可能に取り付けられてもよく、ナットのねじは、ピンのねじと螺合するようになっている。(溝によって分割された環状のねじ山(ridge)によって錠止要素が設けられてもよい。)前述のことにより、通常の本体直径および修正されたより小さい直径のねじと一体のファスナが製造され、制定された基準の厳しい要件に合致するためのピンおよびナットのこの組合せを可能にする特徴がもたらされる。
【0012】
好ましい実施形態の説明
本出願の図1を参照すると、1対の合わせパネル11、12(図8も参照)を、ともに永久的に固定するファスナ組立体10が示されている。組立体10は、一端のヘッド14、および他端のねじシャフト部15が、一体の主本体部16によって相互に連結されたピン13(図1)を含む。ヘッド14は、その下側17にテーパが付けられていてもよい。6角形のドライブソケット(hex drive socket)18は、議論すべき理由によりねじシャフト部15の終端部に形成されてもよい。
【0013】
パネル11は、主外部パネルであり、航空機の外板等になってもよいものであり、座ぐり(countersunk)20(図8参照)で皿もみした孔19を有する。パネル11は、貫通する孔21(図1)を有する内側パネル12に当接するようになっている。孔21は、孔19と概ね整列している(しかし、後述するように僅かに位置ずれしていることがある)。
【0014】
組立体10は、略円筒形の主本体部26および内側ね貫通孔27を有するナット24を含む。ナット24もまた、主本体部26と一体且つ主本体部26から延出する円筒部30に終端する円形の外向きフレア・スカート部28を有する。ナット24の外部ドライブ方式は、主本体部26の外周の周りに延びる複数の離隔した突部29の形で設けられてもよい。これらの突部29は、主本体部26の周辺に矩形の離隔した領域を切削により形成するか、或いは、図8に明瞭に見られるように、主本体部から離れるように延びるスロットにより形成される。
【0015】
図1のピン13は、一端に、拡大してもよいヘッド14、円筒形のシャンク部16,6角形のドライブソケット18および端部101を有するピンブランク100(図2)から形成されてもよい。縮径した過渡部102は、シャンク部16と端部101との間に設けられる。過渡部102によって、シャンク部16と端部101につながる頸部103が相互に連結される。それは、シャンク部16に隣接する丸い肩104、および頸部103につながる交差部105を含む。ブランク100の、ヘッド14における通常の鍛粒線(grain flow)を流れ線106で示す。縮径した過渡部102、肩104、交差部105および頸部103での通常の鍛粒線を流れ線107で示す。
【0016】
図3に見られるように、シャンク部16につながるヘッド14の下側17の部分は、線108で示すように、従来周知の技術である冷間加工がなされてもよい。肩104と頸部103の間の交差部105の領域は、線109で示すように技術分野において周知の冷間加工であってもよい。
【0017】
図2および図3に見られるように、シャンク部16の外径は、端部101の外径より相当大きい。例えば、シャンク部16は、直径が約6.35mm(0.250インチ)であってもよく、端部101は、直径が約5.49mm(0.216インチ)であってもよい。このように、ねじシャフト部15のねじ外径は、シャンク部16の外径より約14%小さい。
【0018】
修正された螺旋ねじ(図4)は、図4に示すねじシャフト部15を形成する端部101に形成される。ねじは、転造の如き任意の適切な方法で形成され、また、ねじに沿った粒子材料lの流れを鍛粒線110で示す。
【0019】
ヘッド部14は、皿頭(countersink head)として、図1から図4に示すが、所望により、異なる形状、例えば、突出ヘッド(protruding head)等にしてもよい。
【0020】
ねじ部15の詳細図を図5に示す。従来のねじの同様な図を図6に示す。図6に見られるように、ねじ部30は、谷の径dを有する溝32によって、ねじ部31から分離している。各ねじ部は、外径Dを有する、台形の歯が形成される前の元の頂点33を有する。ねじ部間の交差部は、半径Rを有する直径d1に湾曲形成されている。ねじ部30、31の側部は水平に対して約60°の角度aを形成してもよい。ピッチ即ちねじ部30の外側および隣接するねじ部31の内側の間の距離Pはピンによって異なる。個々のピンは、25.4mm(1インチ)あたり約20から32のねじ部のピッチを有してもよい。図6におけるD1とd1の距離hは約0.67Hであり、ここで、HはDとdの間の距離である。
【0021】
本発明において特に意図することとして、図5に見られる類似の寸法は、図6における類似の寸法と同様であり、同様なねじ部34、35間の距離Pは、図6のものと同じである。D1とd1の間の距離hは、約0.55H−0.65Hである。半径Rは、図6の標準ピンの半径の約1.25−1.50である。角度aはなお60°である。
【0022】
このように、本発明は、図5に示すようなねじを使用することを意図しており、このねじは、図5に示すように、d1がある値になるまで溝32に追加の材料を維持することで、図6に示す標準的なねじと比較され、図5の(図6のものと同じ)D1とd1の相異は、0.55H−0.65Hである。もちろん、寸法の異なるねじは、異なるピッチ(P)およびルート半径(R)を有するが、比例した寸法は同じになる。
【0023】
前述のことは、制定された業界の基準に規定された破壊要件或いは張力要件に妥協することなく重量軽減に大きな役割を果たす。
【0024】
ナット24(図7)の内部ねじ27は、ねじシャフト15と螺合し、更なる説明は必要ないと思われる。このようなねじ27は、このように同等な強度のナットとともに使用されれば、同じ負荷要件に適合する。ナット24のねじの重量が低減されたことによって、さらに節約される。加えて、ナットは重量軽減に寄与する軽量の材料からなる。
【0025】
ピン13とナット24のねじ形状は、このように従来のピンの通常の外径6.35mm(1/4”)より小さいが、ここに開示された特徴のある新規なねじ形状は、外径が6.35mmより実際小さいが、6.35mm径のピンに課せられた、業界で制定された要件を満足する。
【0026】
試験では、ここに開示されたピン13を使用すると、従来のピンより約8%の重量の節約となる。ここに開示されたナットを使用すると、従来のナットより約4%の重量の節約となる。
【0027】
使用するには、図8に示すように、ピン13は、パネル11、12の整列された貫通孔19、21に、ヘッド14のテーパの付いた下側17が、パネル11の座ぐり20に着座するまで挿入される。孔19、21が僅かに位置ずれしている場合、シャフト15がパネルの1つの孔から他方へ通過する際に、丸い肩104が、パネルを整列するのに役立つ。この肩104には、さらに整列するのに役立つようにテーパが付けられてもよい。ナット24は、ねじシャフト15上で、パネル12に当接するまで矢印35の方向に回転される。このねじ込は、手動でも、任意の適切な方法で行ってもよい。しかし、六角形工具(hex tool)(図示せず)をピン13の六角形ソケット(hex socket)18に挿入して、ピン13を所定の位置に保持し、他方、他の工具(図示せず)を突部29にロックし、ナット24を矢印35の方向に回転させることが好ましい。ピン13を保持する間、ねじシャフト15上でナット24を回転させることによって、シャフト15とナット24との螺合が確実になされ、パネルが完全に固定される。ナット24は、変形部(deformation)36(或いはさらに離隔した位置で)のように、その外部で突き当或いは変形されて内部ねじに変形を起こさせて、ナット24をシャフト15に取り外し不可能に確実に固定してもよい。
【0028】
特定のナット24が開示されたが、多種類のナットが使用可能である。これらのナットは、ねじ部がナット24と同じであり、図9から図12に、ナット40から43までが夫々図示されている。各ケースにおいては、図1のナット24と同様な部品には、同じ参照数字が引用されている。このように、図9を参照すると、ナット40は、ナット24の部分30と同様な略円形の端部44、テーパの付いた主本体部45、および略円形の小直径の端部46を有する。複数の離隔した細長いスロット47が、部分44と部分46を相互に連絡している。スロット47は、ナット24の突部29と同様に機能して、適切な取付け工具(図示せず)に把持面を付与する。
【0029】
図10のナット41は、略円形のベース部48および小直径の端部49を有する。端部49は、離隔した複数の略矩形の切欠領域51を有するテーパの付いた主本体部50につながる。これらの領域(51)は適切な取付け工具(図示せず)の把持面を付与する。
【0030】
図11のナット42は、より小直径の一体の円筒部54につながるテーパ部53および一体の円形の端部52を有する。円筒部54は、六角形のナット部55と一体であり、ナット部55には適切な取付け工具(図示せず)により把持されるのに適した複数の平面56が形成されている。所望であれば、ナット部55は、従来技術で周知のように、取付け後にナットの残余部から分離する折取部を含んでもよい。
【0031】
最後に、図12のナット43は、円形のベース部57と、一体のテーパの付いた主本体部58とを有し、主本体部58は、より小直径の一体の略円筒部59につながっている。複数の離隔した一体の突起60は、適切な取付け工具(図示せず)により把持されるために円筒部59から外方に離れて延出する。
【0032】
多くのナットおよび把持面の変形例が、技術者に明瞭に思い浮かぶかもしれない。
【0033】
ピッチの直径、ねじ高さ、ねじの形状およびねじの谷の径でルート半径を変えてピンおよびナットのねじを変え、それにより、強度を維持しながらナットおよびピンの重量を軽減する方法がここに開示された。例えば、従来の直径6.35mm(1/4”)のピンは、ここに開示されたように変更することができ、多くの用途、特に、非常に多くのナットとピンの組合せを使用する航空機において相当な重量の節約をする。ピンおよびナットの破壊要件或いは張力要件への妥協は全くない。
【0034】
ナットは、軽量材料からなり、取付け工具によって係合される形状は、ナット或いは米国特許第5,702,214号公報のナットに、なお一層の重量軽減をもたらす。
【0035】
ステンレス鋼の如き任意の適切な材料が使用できる。この発明は、Hとhの比率が維持される限り、とのような特別のねじ直径のピンに適用してもよい。この比率は、約55%から65%である。
【0036】
ルート半径に沿って、開示されたようにねじ部の谷の径を増大することによって、ファスナが業界標準の破壊要件および張力要件に適合することが可能となる。
【0037】
さらに、用途によって、なお一層の重量軽減が可能である。例えば、ある用途は突出型のピンヘッドを必要とするかもしれない。図13の従来技術のピンに見られるように、線201はヘッドの冷間加工を示す。図14に見られるように、さらに重量を低減するために、半円形の材料のキャビティ202をヘッド200に彫り込んでもよい。
【0038】
図15に見られるように、図1のピン13と同様な、加工前のピン300は、ヘッド301、円筒形のシャンク部302、連続的にねじが形成される端部305および(図1のソケット18と同様な)内部ドライブソケット303を有してもよい。さらに細長いキャビティ304は、さらに重量を軽減するために、ソケット303と軸方向に整列して、ピン300の内部に沿って延出してもよい。
【0039】
全て軸方向に整列したヘッド部、円筒形シャンク、過渡部を備えたピンおよびドライブソケットを有するナットを含むファスナ組立体が開示されている。ヘッド部は、ファスナが取り付けられる用途に適応するように、テーパ付きであったり、突出したり等、従来技術で周知の種々の形状に形成してもよい。シャンクは、用途に必要な軸方向の剪断強度および破断強度を有するように寸法決めされてもよく、そして過渡部は、取付けを容易にし、且つピンのシャンクからねじ部まで負荷の伝達が可能になるように形成される。後者は、強度がピンヘッド部と等しく、そして、ドライブソケットにより、ピンのねじ部にナットのねじ部を締める手段が提供される。
【0040】
ナットは、相手方のピンのねじ部にナットを締め付けるのに役立つ、セルフロッキング特性を持つ外形形状を有してもよい。ピンヘッドは、ねじシャフトと略同じ強度を有してもよく、突出型、皿頭型、或いは従来技術において知られた任意の他の適切な型式であってもよい。ピンシャンクは、特定の用途に必要な剪断荷重を実現するために十分な強度を有してもよい。螺旋ねじが開示されているが、ピンシャフトの縦軸に垂直な面内にある一連の環状の離隔したねじ或いは溝によって分離されたねじ山を使用してもよい。ピンは、さらに重量を軽減するために、およびドライブナットがピンに締め付けられるとき、ピンを所定の位置に保持するのに役立つように内部ドライブソケットを有してもよい。
【0041】
重量を低減する減少したねじ径を有するピンが開示されている。この修正されたねじによりピンが、制定された業界の基準に適合することが可能となる。このねじは、ねじを通過する荷重の剪断流れ(shear flow)を改善する減少したねじ高さを有する。ねじは、応力集中を減少させ、そして剪断流れ範囲を増大してファスナの破断性能を改善する増大したルート半径を有する。ピンの冷間加工により、ピンの全体に亘って鍛粒線が増大して、構造的な強度および破断性能が改善される。
【0042】
ピンの過渡部により、航空機の構造内の概ね整列された孔に、ファスナが挿入されるときに自動調心が可能となる。湾曲部104は、ねじ部が第2のパネルの孔を通過すると、第2のパネルの孔に当接して第2のパネルを移動させて、第1のパネルと孔が整列する。ピンシャンクには、位置合わせを改善するためにテーパをつけてもよい。ねじの転造によりピンの破断能力が改善される。
【0043】
「ねじ」という用語は、各々が溝により互いに分離された、離隔したねじ部或いは複数の離隔した環状ねじ部或いはねじ山を有する螺旋ねじを含む。図5に示された要素および比率が維持される限り、任意の適切な寸法を使用してもよい。例えば、6.35mm(0.250インチ)の円筒形シャンク部を有するピンが使用されてもよく、ここに示された発明は、5.48mm(0.216インチ)のねじ直径を有することになる。ねじは、このように修正されて、業界の強度基準に適合するピンが提供される。
【0044】
本発明は、特定用途の強度基準に妥協することなく、ファスナ組立体の重量を大きく低減する。
【0045】
本発明の特定実施形態を開示したが、当業者には種々の変形例が想到され、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によるファスナ組立体の分解図であり、ファスナが取り付けられる1対のパネルを示す。
【図2】
図1のファスナ組立体のピンを形成するピンブランクの正面図
【図3】
図1のファスナ組立体のピンの形成段階を示す、図2と同様な図
【図4】
図1のファスナ組立体のピンの形成段階を示す、図2と同様な図
【図5】
図1のピンのねじ部の概略図
【図6】
従来のピンのねじの、図5と同様な図
【図7】
図1の組立体のナット単体の斜視図
【図8】
図1の組み立てられたファスナ組立体のナット締付の最終段階を示す正面図
【図9】
図7のナットの変形例の斜視図
【図10】
図7のナットの変形例の斜視図
【図11】
図7のナットの変形例の斜視図
【図12】
図7のナットの変形例の斜視図
【図13】
従来のピンヘッド部の正面図
【図14】
図13のヘッドの切取部を示す、図13と同様な図
【図15】
図1のピンのさらなる変形例を示す平面図
Claims (36)
- 一端にヘッドと、該ヘッドに一体の円筒状シャンクと、ねじ部と、該ねじ部および前記シャンクを相互に連結する過渡部とを有するピンを含むファスナ組立体であって、
前記ピンが、離隔したねじ部を有し、該ねじ部の各々が元のねじ山の外径(outer crest diameter)D、内側ねじ部の谷の径(minor inner threaded diameter)dとともに元の外側ねじ部の外径(threaded major diameter)D1を有し、内側ルート半径Rおよび谷の径d1を有するねじを付与し、谷の径d1と元のねじ部の外径 D1の距離は、元のねじ山の外径Dと元の谷の径dの間の距離Hの約55%から65%であり、ルート半径Rが前記ルート半径Rの1.25−1.50倍であることを特徴とするファスナ組立体。 - 前記ピンの前記ねじ付きシャフト部に螺合可能に取り付けられるねじ付き貫通孔と一体の本体部を有するナットを備え、該ナットの前記ねじが前記ピンの前記ねじと螺合するよう形成されていることを特徴とする請求項1記載のファスナ組立体。
- 前記ナットが、前記ピンの前記シャフトから離隔した外周を有し、該外周が同様形状の取付け工具によって係合するよう不規則に形成されていることを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナットを前記ピンのシャフト部に取り外し不可能にロックするナット錠止手段を含むことを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナット錠止手段が、前記ピンのねじ付きシャフト部に係合する、前記ナットの変形部を含むことを特徴とする請求項4記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから延出した複数の突部を有し、該突部が同様な形状の取付け工具と係合することを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナットに、該ナットの一終端から他端にスロットが形成されており、該スロットが同様形状の取付具と係合することを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナットの前記本体部が周縁を有し、該周縁が、該周縁の周りに延出する複数の離隔した切欠部を有することを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから離隔した前記ねじ貫通孔の前記終端に、取付工具と係合する6角形状のナット部を有することを特徴とする請求項2記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから離隔した前記ねじ貫通孔の前記終端に、前記ナットの中心縦軸に垂直な方向に延びる複数の離隔した突部を有し、該突部が同様な形状の取付け工具と係合することを特徴とする請求項2記載の組立体。
- hがHの55−65%の間であることを特徴とする請求項1記載の組立体。
- 一端にヘッド、他端にねじ付きシャフト部、および前記ヘッドを相互に連結する、一体の主本体部を備え、離隔したねじ部、各ねじ部が元のねじ山外径Dおよび元の内側ねじ部の谷の径dを有する元の外側ねじ部の外径D1を有し、ピンに内側ルート半径Rおよび谷の径d1を付与し、該谷の径d1と前記元のねじ外径D1との間の距離hは、前記元のねじ山の外径Dおよび前記元の谷の径dの間の距離Hの約55%から65%であり、ルート半径Rが、前記ルート半径の1.25−1.50倍であることを特徴とするファスナ組立体。
- 前記ナットが、前記ピンの前記シャフトから離隔した外周を有し、該外周が同様形状の取付け工具と係合するよう不規則に形成されていることを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから延出した複数の突部を有し、該突部が同様な形状の取付け工具と係合することを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 前記ナットに、該ナットの一終端から他端にスロットが形成されており、該スロットが同様形状の取付具と係合することを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 前記ナットの前記本体部が周縁を有し、該周縁が、該周縁の周りに延出する複数の離隔した切欠部を有することを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから離隔した前記ねじ貫通孔の前記終端に、取付工具と係合する6角形状のナット部を有することを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 前記ナットが、前記ピンから離隔した前記ねじ貫通孔の前記終端に、前記ナットの中心縦軸に垂直な方向に延びる複数の離隔した突部を有し、該突部が同様な形状の取付け工具と係合することを特徴とする請求項12記載の組立体。
- hがHの55−65%の間であることを特徴とする請求項12記載の組立体。
- 一端にヘッドと、他端にねじ付きシャフト部と、前記ヘッドおよび前記シャフト部を相互に連結する一体の主本体部とを有するピンおよび前記ピンの前記ねじ付きシャフト部に螺合可能に取り付けられるねじ付き貫通孔を有する主本体部を有し、前記ねじが前記ピンの前記ねじと係合するよう形成されているナットを備え、
前記ピンが離隔したねじ部を有し、各々のねじ部が元のねじ山外径Dおよび元のねじ部の谷の径dとともに元の外側ねじ部の外径D1を有するとともに、内側ルート半径Rおよび谷の径d1を有するピンのねじ部を提供し、前記谷の径d1と前記元のねじ部の外径D1との間の距離hは、前記元のねじ山外径Dおよび前記元の谷の径dとの間の距離Hの約55%から65%であり、ルート半径Rは、前記ルート半径Rの1.25−1.50倍であることを特徴とするファスナ組立体。 - 整列した孔を有する1対の合わせパネルをともに永久的に固定するためのねじ付きピンおよびナットの組合せを形成し、前記ピンが前記整列された孔を通って延出して、前記ピンの破断基準或いは張力基準に妥協することなくねじ付きナットの同様な形状のねじと螺合するための方法において、
ねじ部を有するピンを形成し、各々のねじ部が元のねじ山外径Dおよび元のねじ部の谷の径dとともに元の外側ねじ部の外径D1を有し、内側ルート半径Rおよび谷の径d1を有するピンのねじ部を提供し、前記谷の径d1と前記元のねじ部の外径D1との間の距離hは、前記元のねじ山外径Dおよび前記元の谷の径dとの間の距離Hの約55%から65%であり、ルート半径Rは、前記ルート半径Rの1.25−1.50倍であることを特徴とする方法。 - 前記ナットが前記ピンの修正されたねじと螺合するように、前記ピンのねじと螺合するように前記ナットにねじを形成することによって、各ピンのねじシャフト部に螺合可能に取り付けられるようになっている前記ネジ付き貫通孔を有する本体部を備えるナットを形成する工程を含むことを特徴とする請求項21記載の方法。
- hがHの約55−65%であることを特徴とする請求項21記載の方法。
- 前記ナットの外周を同様な形状の取付け工具と係合するように不規則に形成する工程を含むことを特徴とする請求項22記載の方法。
- 材料を付加する前記工程が、金属材料を付加する工程を含むことを特徴とする請求項21記載の方法。
- ヘッド部と、
該ヘッド部と一体の円筒形シャンク部と、
該円筒形シャンク部と一体の過渡部と、
相手方のドライブナットに前記ピンを固定するようにした前記過渡部と一体の取付手段と、
前記シャンク部および前記過渡部と軸方向に整列した、前記ピンの前記取付手段に一体に形成されたドライブソケットとを備え、
前記取付手段が、各々が元の外側ねじ山外径Dおよび元の内側ねじ部の谷の径d1とともに元の外側ねじ部外径D1を有して内側ルート半径Rおよび谷の径d1を有するピンねじ部を提供する離隔したねじ部を有し、前記谷の径d1と前記元のねじ部外径D1との間の距離hは、前記元のねじ山外径Dと前記元の谷の径dとの間の距離Hの55−65%であり、ルート半径Rは前記ルート半径Rの1.25−1.50倍であることを特徴とするピン。 - 前記ヘッドが、前記シャンク部の前記直径に対し拡大していることを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記取付手段が、離隔したねじ部を有する螺旋ねじであることを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記取付手段が、互いに離隔した複数の環状ねじ部を有することを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記ヘッドが、前記シャンク部の前記直径に対し直径が拡大しているとともに冷間加工された下側を有することを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記過渡部が、冷間加工されていることを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記過渡部が、前記シャンク部から前記取付手段につながる湾曲した肩部を含むことを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記取付手段が、転造螺旋ねじであることを特徴とする請求項26記載のピン。
- 前記ヘッドが、前記シャンク部と反対側に、前記ヘッドから削り出された材料部分を有する突出ヘッドであることを特徴とする請求項26記載の方法。
- 細長い室が、前記ドライブソケットに軸方向に整列して、前記ピンの内側に設けられていることを特徴とする請求項26記載のピン。
- 過渡部が、ピンの取付けの際、パネルの整列に役立つよう付与されていることを特徴とする請求項26記載のピン。
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