Резьбонакатывающая крепежная деталь

 

Изобретение относится к стержневым крепежным деталям, а точнее к резьбовыдавливающим винтам, болтам, шпилькам, формирующим метрическую резьбу в гладком отверстии и способным к самостопорению. Резьбонакатывающая самостопорящаяся крепежная деталь содержит резьбообразующий стержень, имеющий в поперечном сечении форму криволинейного трехгранника или пятигранника с дугообразными сторонами и вершинами, имеющими радиусы различной величины. Радиус дуг дугообразных вершин криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения r=0,39-0,50Dоп., где r - радиус дуги дугообразной образующей вершины криволинейного трехгранника или пятигранника, Dоп. - диаметр описанной окружности криволинейного трехгранника или пятигранника. Радиус дуг дугообразных сторон криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения R≥0,59Dоп., где R - радиус дуги дугообразной образующей стороны криволинейного трехгранника или пятигранника. В результате повышается надежность и стойкость резьбового соединения в целом, увеличивается площадь контакта вершин витков резьбообразующего стержня с резьбой в сопрягаемом отверстии, повышаются стопорящие свойства стержня. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к стержневым крепежным деталям, в частности к резьбонакатывающим, а точнее резьбовыдавливающим винтам, болтам, шпилькам, формирующим метрическую резьбу в гладком отверстии и способным к самостопорению.

Известны конструкция резьбонакатывающего самостопорящегося винта и способ его изготовления [2], [11] и др.

Конструкция стержня, описанная в [2] и [11] (прототип), имеет поперечное сечение в форме криволинейного дугообразного многогранника с нечетным числом выпуклых сторон, плавно соединяющихся с расположенными между ними резьбонакатывающими дугообразными гранями, где многогранник представляет собою криволинейный трехгранник или пятигранник с выпуклыми сторонами и дугообразными гранями - вершинами. Противоположно расположенные образующие дуги каждой дугообразной стороны и вершины криволинейного многогранника образованы радиусами, проведенными из одной точки (см., например, фиг.18 прототипа), т.е. R - радиус 105 образующей дуги 103 стороны трехгранника, а r - радиус 111 образующей дуги 108 вершины трехгранника, при этом радиус образующей дуги 103 стороны находят из формулы R=Dоп./2+2,741 к или, округляя, R=Dоп./2+3 к, а радиус образующей дуги 108 вершины определяют из формулы r=Dоп./2-3,741 к или, округляя, r=Doп./2+4 к, где Dоп. - диаметр описанной окружности 114 фигуры трехгранника, к - величина некруглости последней, т.е. расстояние 116 между образующей дугой 112 стороны трехгранника и воображаемой описанной окружностью 114.

Радиусы R и r кругов кривизны образующих дуг соответствующих противоположных стороны и вершины криволинейного трехгранника проведены из одной точки, лежащей на оси, соединяющей центр трехгранника с его вершиной, и отстоящей от центра последнего на величину эксцентриситета. Координаты точек на осях расположены на пересечениях с прямыми, соединяющими эти точки, образуя треугольник с углами 60^o. Эксцентриситет жестко связан с некруглостью, т.е. величина смещения центров радиусов от центра трехгранника - величина постоянная: R+r=const=Dоп.-к. Часто вершины резьбовых витков срезаны.

Размеры поперечного сечения заготовки винта под накатку резьбы зависят от величины к - коэффициента некруглости фигуры. Чем она больше, тем меньше сопротивление резьбообразованию и крутящий момент ввинчивания, тем меньше стопорящие свойства, с другой стороны, чем меньше величина к, тем выше сопротивление резьбообразованию и крутящий момент, тем больше стопорящие свойства детали. Величина общего зацепления резьбы винта с гнездом по вершинам профиля составляет около 25% от общей длины окружности витка резьбы.

Данная конструкция резьбонакатывающего винта получила широкую известность под названием Taptite.

Недостатком известной конструкции резьбонакатывающей самостопорящейся крепежной детали является то, что величина общего зацепления рабочей части вершины резьбового витка с полученной резьбой гнезда составляет всего 25%, т. е. 3/4 длины окружности стержня находится вне зацепления со стенками отверстия. Последнее приводит к тому, что из-за высоких нагрузок при растяжении и кручении стойкость вершин, их стопорящие свойства будут недостаточные, из чего следует, что прочностные свойства резьбового соединения с деталью известной конструкции будут также недостаточно высокие.

Наличие постоянного эксцентриситета не позволяет варьировать радиусами. Кроме того, на практике в резьбовом соединении получается неполное заполнение профиля боковых поверхностей сопрягаемой детали, не всегда резьба на боковых сторонах трехгранного стержня полного профиля.

Конструкция винтов, описанная в [7], является развитием известной конструкции Taptite и отличается от первой наличием трех участков на стержне: заходного, центрирующего и стопорящего, при этом заходный участок конца стержня имеет более выраженную трехгранность (величина некруглости (к) фигуры наибольшая), чем на стопорящем участке. Криволинейные стороны резко переходят в дугообразные грани фигуры. На стопорящем участке этот переход максимально плавный (величина некруглости (к) минимально наименьшая). Между указанными участками выполнен участок для стабилизации или центрирования стержня винта в отверстии, равный 1-3 ниткам резьбы. Данная конструкция получила известность под названием Duo-Taptite.

Геометрическое построение конструкции профиля резьбы Duo-Taptite такое же, что и Taptite. Недостатком конструкции является то, что она более сложна и трудоемка в изготовлении, требует специального сложного инструмента. Величина некруглости (к) на стопорящем участке по сравнению с резьбой Taptite уменьшается на 40-60%, что, естественно, увеличивает площадь контакта сопрягаемых деталей в гнезде, но также резко увеличивает трение и сопротивление резьбообразованию, а следовательно, и крутящий момент ввинчивания.

За прототип принята конструкция резьбонакатывающего самостопорящегося винта, описанная в [11].

Целью изобретения является создание резьбонакатывающей самостопорящейся крепежной детали, обладающей более высокими стопорящими свойствами и небольшим крутящим моментом резьбообразования, повышение надежности и стойкости резьбового соединения с деталью предлагаемой конструкции, создание высокопрочного резьбового соединения.

Предлагаемая конструкция профиля витка резьбы резьбообразующего стержня решает поставленные задачи: увеличение площади контакта вершин витков резьбообразующего стержня с резьбой в сопрягаемом отверстии, ведет к повышению стопорящих свойств этого стержня (т.к. вершины выдерживают большие знакопеременные нагрузки), к повышению надежности и стойкости резьбового соединения в целом, а при регулируемой величине некруглости (к) ведет к плавному нарастанию усилия резьбообразования при минимальном крутящем моменте, к более плавному формообразованию профиля резьбы в отверстии.

Указанные задачи решаются за счет изменения профиля образующих дуг дугообразных вершин и сторон криволинейного многогранника.

Отличие заявляемой резьбонакатывающей самостопорящейся крепежной детали от прототипа состоит в том, что на резьбообразующем стержне, имеющем в поперечном сечении форму криволинейного трехгранника или пятигранника с дугообразными сторонами и вершинами, имеющими радиусы различной величины, радиус дуг дугообразных вершин криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения r=0,39-0,50Dоп., где r - радиус образующей дуги дугообразной вершины криволинейного трехгранника или пятигранника, Dоп. - диаметр описанной окружности криволинейного трехгранника или пятигранника.

На резьбообразующем стержне радиус дуг дугообразных сторон криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения R≥0,59Dоп.,
где R - радиус образующей дуги дугообразной стороны криволинейного трехгранника или пятигранника.

Получаемая форма профиля образующих дуг дугообразных сторон и вершин резьбового витка многогранного стержня детали является существенным отличием от прототипа, ведет к увеличению длины указанной образующей дуги, к увеличению ширины вершин в зоне перехода образующей дуги дугообразной стороны в образующую дугу дугообразной вершины, а следовательно, и увеличению площади вершины в этой зоне по ее бокам, что в конечном итоге ведет к увеличению площади контакта криволинейных образующих вершин детали с накатываемой резьбой в отверстии гнезда и получению более прочного резьбового соединения при минимальном крутящем моменте резьбообразования.

Заявителю и авторам не известны аналогичные конструкции резьбонакатывающих самостопорящихся крепежных деталей, включающие отличительные признаки заявляемой резьбонакатывающей самостопорящейся крепежной детали, что позволяет считать предлагаемую конструкцию соответствующей условиям патентоспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения и его отличия от прототипа поясняются чертежами.

Пример детали с трехгранным сечением стержня.

На фиг.1 показано трехгранное поперечное сечение стержня резьбонакатывающего самостопорящегося винта с резьбой типа Taptite - прототип.

На фиг.2 показано трехгранное поперечное сечение стержня резьбонакатывающего самостопорящегося винта с дугообразной образующей витка резьбы предлагаемой формы.

На фиг. 3 показано поперечное сечение резьбового витка стержня винта с предлагаемой формой профиля образующей дуги, фиг. 2, в сравнении с прототипом, фиг.1.

Обозначения на чертежах.

Фиг.1 - образующая дуга 1 дугообразной вершины, образующая дуга 2 дугообразной стороны криволинейного трехгранника, оси 3, расположенные по окружности через 120^o, точки 4, радиусы 5 и 6 противоположных дуг 1 и 2 дугообразных вершины и стороны криволинейного трехгранника, пунктирные прямые линии 7, 8, 9, проходящие через точки 4, образующие равносторонний треугольник, описанная окружность 10 криволинейного дугообразного трехгранника, некруглость 11.

Фиг.2 - образующая дуга 12 дугообразной вершины, образующая дуга 13 дугообразной стороны криволинейного трехгранника, радиус 14 дуги 12, проведенный из точки 15, радиус 16 дуги 13, проведенный из точки 17, оси 18, расположенные друг от друга через 120^o, E1 - расстояние (эксцентриситет) от центра криволинейного трехгранника до точки 15, Е2 - расстояние (эксцентриситет) между точками 15 и 17 на осях 18, 19 - точка соединения образующих дуг 12 дугообразных вершин с образующими дугами 13 дугообразных сторон криволинейного трехгранника.

Фиг. 3 - наложение образующей дуги 20 предлагаемого профиля на известный профиль 21 прототипа, пунктирные прямые 22 и 23 - границы длины образующей дуги 1 дугообразной вершины прототипа, пунктирные прямые 24 и 25 - границы длины образующей дуги 12 дугообразной вершины предлагаемого профиля, дополнительные рабочие участки 26 при вершине криволинейного трехгранника.

Как видно из сравнения, фиг. 3, длина полученной образующей дуги 12, предлагаемого профиля, дугообразной вершины (между прямыми 24 и 25) намного больше длины образующей дуги 1 дугообразной вершины (между прямыми 22 и 23) известного профиля, типа Taptite. Ширина сектора, образуемого дугой 12, увеличилась с 60^o до 110^o. При этом величина некруглости 11 как известной, так и предлагаемой формы к=0,25 мм, т.е. одинаковая. Изменение профиля и увеличение длины дуги 12, соответственно, приводят к приращению площади по бокам вершин криволинейного трехгранника зоны 26, что в свою очередь ведет к увеличению площади контакта сопрягаемых деталей в резьбовом соединении, т.е. к увеличению стопорящих свойств. Некруглость (к) фигуры криволинейного многогранника может регулироваться на увеличение или уменьшение с последующим уменьшением или увеличением крутящего момента при изменении стопорящих свойств деталей.

Работа резьбонакатывающего самостопорящегося винта.

При вворачивании в гладкое отверстие вершины 12 резьбового витка внедряются в его стенку и выдавливают в нем канавку. Металл из канавки, перемещаясь радиально по боковым стенкам витка, формирует ответную резьбу в отверстии гнезда и образует прочное резьбовое соединение.

Построение криволинейного трехгранного профиля.

Для построения берем известные табличные величины - диаметр описанной окружности трехгранного стержня (Dоп.) и величину некруглости трехгранной фигуры (к), например, французской фирмы "Goben Dode", приведенные в [1].

Пример: Резьбонакатывающий самостопорящийся винт М 8 с метрической резьбой. Принимаем Dоп. = 8,13 мм при к=0,25 мм (8,13-7,88), подставляем в известные формулы прототипа, где
r=Dоп./2-3,741 к, a R=Dоп./2+2,741 к,
и, произведя соответствующие действия, получаем известный профиль резьбового стержня (Taptite). В данном случае радиус образующей дуги дугообразных вершин криволинейного трехгранника будет равен
r=8,13/2-3,741•0,25=3,129 мм,
а радиус образующей дуги дугообразных сторон трехгранника будет равен
R=8,13/2+2,741•0,25=4,750 мм.

На основании полученных размеров строят криволинейный трехгранный профиль, фиг.1. В результате построения получились два противолежащих сектора - маленький радиусом 5, равным 3,129 мм, и большой радиусом 6, равным 4,750 мм. Дуга 1 малого сектора касается окружности 10 и является образующей дугой дугообразной вершины криволинейного трехгранника, а противоположная дуга 2 большего сектора, тангенциально соединяясь с дугами 1 смежных вершин, является образующей дугой дугообразной стороны этого трехгранника. Оба сектора ограничены углом 60^o. Расстояние 11 между образующей дугой 2 и окружностью 10 является величиной некруглости (к) фигуры, равной 0,25 мм.

Построение профиля предлагаемой формы, фиг.2.

Резьбонакатывающий винт М 8, Dоп.=8,13 мм, к=0,25 мм. Из соотношений
r=0,39-0,50Dоп. и R≥0,59Dоп.

определяют радиус 14 образующей дуги 12 дугообразной вершины трехгранника и радиус 16 образующей дуги 13 дугообразной стороны трехгранника соответственно. Величина радиуса образующей дуги стороны ограничивается величиной радиуса образующей дуги вершины трехгранника.

При наименьших коэффициентах
r=0,390Dоп.=0,39•8,13=3,170 мм,
R=0,592Dоп.=0,592•8,13=4,812 мм,
дающие минимальное приращение площади вершины трехгранника.

При наибольших коэффициентах
r=0,5Dоп.=0,5•8,13=4,065 мм,
R=2,0Dоп.=2,0•8,13=16,26 мм.

При величинах эмпирических коэффициентов (r) менее 0,39 дугообразные образующие поверхности вершин и сторон криволинейного трехгранника предлагаемой формы накладываются на известные дугообразные образующие прототипа. При возрастании коэффициента r более 0,39 происходит увеличение длины образующей дуги дугообразной вершины резьбового витка, увеличение рабочей площади последней, увеличение площади самого резьбового витка, внедряющегося в материал отверстия, увеличение зоны контакта сопрягаемых резьбовых деталей, а следовательно, увеличение стопорящих свойств резьбовой детали и достижение более прочного резьбового соединения.

ОАО "Этна" имеет большой опыт в изготовлении, установке и эксплуатации винтов с резьбовыдавливающим профилем типа Taptite. Конструкция резьбового стержня предлагаемой формы была изготовлена и испытана в лабораторных и производственных условиях.

В результате сравнительных проверок по построению известного профиля (Taptite) и предлагаемого (например, винт М 8) выяснилось, что криволинейная образующая нитки резьбы стержня на длине одного витка увеличилась на 3,8115 мм, или на 15,4%, а площадь поперечного сечения одного витка предлагаемого профиля увеличилась на 1,068 кв. мм, или на 2,2%.

Испытания подтвердили высокие стопорящие свойства изделия, надежность конструкции в резьбовом соединении, технологичность в изготовлении. Величина крутящего момента ввинчивания винтов с предлагаемым профилем стержня не превышает крутящий момент аналогичных винтов с резьбой типа Taptite.

Полученный при испытаниях положительный результат позволяет сделать вывод о "промышленной применимости" предложенной конструкции самостопорящего винта с резьбонакатывающей резьбой предлагаемого профиля.

Источники информации
1. Журнал "Автомобильная промышленность", 1992, 3, стр.20, "Самостопорящиеся крепежные детали", авторы В.А. Макаров, Г.В. Бунатян, В.А. Антонов.

2. Патент США 3195156, НКИ 10/10, 1965 (аналог 1).

3. Патент США 3918345, НКИ 85/45, 1975.

4. Патент США 3246556, НКИ 85/46, 1966.

5. Патент США 3263473, НКИ 72/88, 1966.

6. Патент США 3426820, НКИ 151/22, 1969.

7. Патент США 4040328, НКИ 85/46, 1977 (аналог 2).

8. Патент США 3681963, НКИ 72/88, 1972.

9. Патент США 3803889, НКИ 72/88, 1974.

10. Патент США 3978760, НКИ 85/47, 1976.

11. Патент Великобритания 1009447, НКИ В 3 А, 1965 (прототип).

Формула изобретения

1. Резьбонакатывающая самостопорящаяся крепежная деталь, содержащая резьбообразующий стержень, имеющий в поперечном сечении форму криволинейного трехгранника или пятигранника с дугообразными сторонами и вершинами, имеющими радиусы различной величины, отличающаяся тем, что радиус дуг дугообразных вершин криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения
r=0,39-0,50Dоп.,
где r - радиус дуги дугообразной образующей вершины криволинейного трехгранника или пятигранника;
Dоп.- диаметр описанной окружности криволинейного трехгранника или пятигранника.

2. Резьбонакатывающая самостопорящаяся крепежная деталь по п.1, отличающаяся тем, что радиус дуг дугообразных сторон криволинейного трехгранника или пятигранника определяется из соотношения
R≥0,59Dоп.,
где R - радиус дуги дугообразной образующей стороны криволинейного трехгранника или пятигранника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3