Высокоэффективный резьбонарезной винт/болт для использования с ненарезным гаечным крепежным элементом

Изобретение относится к геометрии профиля резьбы винта и направлено на повышение надежности соединения винта и гайки при нарезке резьбы. Резьбовой крепежный элемент с наружной резьбой содержит профиль резьбы, определенный тремя зонами. Профиль наружной зоны определен как имеющий поверхности профиля резьбы, построенные как парабола. Центральная зона определена как имеющая поверхности профиля, построенные как стороны трапеции. Внутренняя зона определена как имеющая поверхности профиля, построенные как гипербола. Форма профиля построена вокруг выбранного базового среднего диаметра резьбы, причем средний диаметр резьбы является выбранным номинальным базовым средним диаметром резьбы, к которому прибавлено выбранное абсолютное отклонение, при этом боковые стороны трапеции по высоте проходят на равные расстояния выше и ниже среднего диаметра. Парабола наружной зоны построена от верхнего положения центральной трапеции к большему, наружному, диаметру резьбы винта/болта, при этом по наружному диаметру проходит ширина вершины, на которой кончается парабола, при этом гипербола внутренней зоны построена от внутреннего положения центральной трапеции и проходит к внутреннему диаметру резьбы. Внутренняя гипербола проходит к центру между витками резьбы в точке, где она соприкасается с внутренним диаметром резьбы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США, серийный №61/856,218, поданной 19 июля 2013 г. Аланом Притчардом (Alan Pritchard) «HIGH PERFORMANCE THREAD ROLLING SCREW/BOLT FOR USE IN AN UNTHREADED NUT ANCHOR» (Высокоэффективный резьбонарезной винт/болт для использования с ненарезанным гаечным крепежным элементом) и включенной в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к новой геометрии профиля резьбы винта, особенно предпочтительной при использовании высокоэффективного резьбонарезного винта, вводимого в ненарезанный гаечный крепежный элемент или пластичный материал для осуществления сборки.

Уровень техники

Высокоэффективные резьбонарезные винты впервые появились на рынке в 1960-х годах, обеспечивая средства для нарезки сопряженной резьбы в стальных и легкосплавных гайках, где резьба, нарезанная в гайке, аналогична резьбе, полученной путем традиционной нарезки или способами нарезки резьбы, связанными со стандартной резьбой для крепежного винта/гайки. При введении винта в собираемый узел винт становится нераздельной частью готового узла. Эта система во многих отношениях аналогична самонарезающим винтам, появившимся в 1930-х годах для сборки конструкций из листового металла. Разница между этими двумя системами состоит в том, что высокоэффективный резьбонарезной винт обеспечивает сопряженную резьбу в гайке, отвечающую установленному «унифицированному стандарту резьбы», и может использоваться в крепежных элементах, толщина которых в два раза превышает номинальный диаметр резьбы. Это отличие не обеспечивалось самонарезающими винтами 1930-х годов.

Было осуществлено множество усовершенствований оригинального конструктивного решения высокоэффективного резьбонарезного винта, имеющих признанные преимущества над винтами, представленными в 1960-х годах.

Было выдано множество патентов по всему миру, подчеркивающих наличие элемента изобретения в постоянных усовершенствованиях, предназначенных для удовлетворения рыночного спроса на продукт такого типа. Выданные патенты США, удовлетворяющие потребность в усовершенствованиях, включают, помимо прочего, патент US 5,722,808, озаглавленный «THREADED FASTENER SYSTEM (Система резьбового соединителя» и выданный на имя Алана Причарда (Alan Pritchard) 3 марта 1998), содержание которого целиком включено в настоящий документ посредством ссылки.

Сущность изобретения

Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение геометрии профиля резьбы винта/болта, в частности подходящей для нарезки сопряженной резьбы в гайке при введении винта в гладкое отверстие в гайке и при таком его вращении, что угол подъема резьбы приводит к относительному осевому поступательному перемещению винта/болта внутрь гайки. Это вращение и относительное осевое перемещение являются основным механизмом нарезки в гайке резьбы, отвечающей резьбе винта/болта.

Новый профиль резьбы отличается от других известных профилей, применяемых в высокоэффективных резьбонарезных винтах, тем, что он содержит три определенные зоны, или части, каждая из которых выполняет свою функцию в процессе нарезки резьбы в гайке, но которые действуют совместно, что обеспечивает преимущества над другими известными системами. Профиль резьбы в соответствии с настоящим изобретением является симметричным относительно воображаемой линии, перпендикулярной оси винта/болта.

Средняя часть профиля резьбы, обозначенная как зона A (фиг. 2), построена вокруг выбранного базового среднего диаметра резьбы крепежного элемента плюс выбранное «абсолютное отклонение». Выбранные значения могут быть значениями, принятыми за стандарт для профиля метрической резьбы М, унифицированной крупной резьбы (UNC - от англ. «unified coarse»), унифицированной тонкой резьбы (UNF - от англ. «unified fine») или другими стандартными значениями, считающимися применимыми для различных нужд. Зона A по высоте распространяется на равные расстояния выше и ниже этого значения, создавая трапецеидальную геометрию. Размер примерной высоты трапеции от 1,5 до 3 раз больше допуска по шагу резьбы, выбранного для конкретной резьбы крепежного элемента. Угол трапеции соответствует конкретному выбранному стандарту. Для профиля М и унифицированных резьб этот угол составляет 60°.

Вершинная часть резьбового профиля, обозначенная как зона B (фиг. 2), имеет параболическую форму. Парабола для обеих сторон наружной части строится от наружного контура и ширины вершины резьбы так, чтобы включать в себя верхнюю/наружную точку зоны А. Положение этих определяемых точек рассчитывается по фиг. 2 и 3.

Впадинная часть, обозначенная как зона C (фиг. 2), имеет гиперболическую форму. Гипербола для обеих сторон внутренней зоны резьбы строится от внутренней/наружной точки зоны A, так чтобы включать точку, в которой впадинная часть совпадает с центром пространства между витками резьбы.

Исходно требуется, чтобы при построении параболы от наружной вершины (зона В) и гиперболы впадинной части (зона С) использовались разные начальные положения, от которых строятся соответствующие формы. Парабола для вершины основана на прямоугольнике, сторона которого проходит параллельно боковой поверхности трапеции. Прямоугольник для построения гиперболы впадины имеет стороны, перпендикулярные оси винта. Назначение этих отличий и новизна их использования будут описаны ниже.

Точка введения винта/болта состоит из определенного числа витков резьбы, которые сужаются внутрь к этой точке. Благодаря профилю резьбы в соответствии с настоящим изобретением эта сужающаяся резьба имеет форму параболы на входе, обозначенном как зона B в полном профиле. Эта геометрия обеспечивает исходное малое значение крутящего момента нарезки резьбы, который будет испытывать регулируемый рост по мере нарезки резьбы гайки. Эта форма нарезки резьбы у точки введения помогает также избежать заедания резьбы в случае, если винт/болт нужно будет вывинтить и ввинтить заново.

Краткое описание графических материалов

Различные преимущества настоящего изобретения можно легче понять из описания изобретения, которое будет приведено ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых аналогичные или функционально близкие элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг. 1 представлен вид сбоку крепежного элемента в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 2 представлен увеличенный разрез профиля резьбы в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 3 представлена детализация построения верхушечной части резьбы, т.е. параболы, в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 4 представлена детализация построения гиперболы впадины резьбы в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

Подробное раскрытие иллюстративных вариантов осуществления

На фиг. 1 представлен резьбонарезной винт/болт 20, содержащий новаторский профиль 26 резьбы в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Винт/болт содержит головку 22 с подходящим средством для осуществления относительного вращения между винтом/болтом и гайкой N, содержащей подходящее ненарезанное направляющее отверстие. Резьбовой стержень 23 проходит от нижней стороны головки винта/болта, достигая вершины в суженной ведущей входной точке 24 на дальнем от головки 22 конце. Иллюстративный стержень 23 содержит лобулярную геометрию поперечного сечения, раскрытую в патенте США №3,195,196, содержание которого целиком включено в настоящий документ посредством ссылки. При необходимости поперечное сечение также может быть круглым. Суженная ведущая входная точка 24 выполнена с конусностью 24а для облегчения введения в направляющее отверстие в гайке N.

Стержень 23 содержит сердцевину 25 и спиральную резьбу 26, выполненную вокруг сердцевины 25. Спиральная резьба 26 является симметричной относительно воображаемой линии 27, перпендикулярной оси 28 винта/болта. Величина угла α подъема резьбы однозначно определяется математически по выбранным значениям для большого диаметра 29 резьбы и выбранного шага 34 резьбы.

На фиг. 2 более подробно представлен профиль резьбы. Как можно видеть на чертеже, резьба 26 содержит три зоны - А, В и С. Каждая из зон симметрична относительно воображаемого перпендикуляра 27 к оси крепежного элемента 28 (фиг. 1).

Зона A является центральной частью резьбы, если смотреть в разрезе. Можно видеть, что эта зона является трапецеидальной, причем боковые углы 101 трапеции равны 60°, но для нужд конкретной сборки может быть выбран и другой угол, соответствующий известному стандарту. Диаметр 31 соответствует выбранному среднему диаметру резьбы плюс выбранное абсолютное отклонение. Использование абсолютного отклонения выше значения среднего диаметра является новым средством для получения окончательной параболы профиля вершины, причем в построении используется ширина 40 вершины. Трапеция по высоте 32 распространяется на равные расстояния относительно диаметра 31. Величина высоты 32 трапеции может, например, быть в два раза больше технологического допуска, выбранного для диаметра 31 спиральной резьбы 26 крепежного элемента. Однако высота трапеции может быть от 1,3 до 2 раз больше технологического допуска, выбранного для среднего диаметра 31 резьбы. Ширина 31а плоской поверхности математически определена высотой 31 и углом 101. (Например: для угла конуса 60° 31a=31/sin 60°).

Ширина трапеции 33 относительно выбранного диаметра 31 должна быть равна, например, половине осевого шага резьбы 34 винта, выбранного как крепежный элемент. Концы трапецеидальной зоны кончаются в точках 35, 35а, 36 и 36а. Эти точки обеспечивают относительные положения начальных точек для зоны B вершины резьбы (точки 35 и 35а) и зоны C впадины резьбы (точки 36 и 36а).

Зона B рассматривается как вершина резьбы, имеющая ширину 40 и высоту 41 над выбранным средним диаметром резьбы крепежного элемента 31. Вершина по ширине 40 распространяется на равные расстояния относительно воображаемого перпендикуляра 27 к оси 28 крепежного элемента, а размер ширины вершины равен одной десятой выбранного осевого шага винта. Однако ширина вершины может составлять от 0,10 до 0,125 от выбранного осевого шага 34. Концы этой ширины вершины обозначены точками 42 и 42а. Две дополнительные воображаемые точки 43 и 43а расположены перпендикулярно параллелям 44 и 44а к боковым поверхностям профиля зоны A и непосредственно связаны с ними.

Профили 45 и 45а вершины построены в виде параболы и дополняют зону B, профиль резьбы и вершину. Парабола построена между точками 35, 42 и 43, и парабола 45а построена между точками 35а, 42а и 43а.

На фиг. 3 представлена парабола 45, если смотреть между опорными точками. Парабола 45а построена как зеркальное отображение параболы 45.

Вершина параболы предназначена для обеспечения регулируемого расхода материала гайки N при начальном введении крепежного элемента и его продвижении для нарезки сопряженной резьбы гайки. Начальный расход является относительно высоким и затем снижается и регулируется под действием параболы по мере зацепления сопряженной резьбы. Преимущество этого регулирования обеспечивает более эффективный способ получения сопряженной резьбы гайки и болта.

Поверхности 51 и 51а профиля зоны C построены в виде гиперболы. Поверхность 51 профиля построена между точками 36, 52 и 53. Точка 52 лежит на наружной периферии сердцевины 25 крепежного элемента и средней точки выбранного осевого шага 19 резьбы. Точка 53 на чертеже является пересечением воображаемой перпендикулярной линии, проходящей внутрь от положения 36 поверхности профиля зоны A, и ее пересечения с периферией сердцевины 25 крепежного элемента.

На фиг. 4 представлен способ, применяемый для построения гиперболы во впадине профиля резьбы. Поверхность 51а профиля построена как гипербола с крайними точками 36а, 52а и 53а, образующими зеркальное отображение вышеописанной формы.

Целью построения впадины резьбы в виде гиперболы является желание способствовать регулированию скорости потока материала гайки и таким образом улучшить нарезку резьбы гайки при введении высокоэффективного резьбонарезного винта/болта. Дополнительным преимуществом является то, что новая конструкция формы впадины резьбы в соответствии с изобретением помогает бороться с тем фактом, что потенциал усталости винта/болта является важным фактором сборки.

Хотя изобретение раскрыто выше на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что множество различных изменений или модификаций дизайна или конструкции может быть сделано без отклонения от сущности изобретения.

Одним из альтернативных вариантов осуществления изобретения является создание нового понимания настоящего изобретения, которое дает преимущества при использовании винта в сборке пластичных компонентов. Для этого могут быть осуществлены следующие изменения со ссылкой на фиг. 2.

Угол 101 резьбы должен составлять от 65° до 75°. Ширина 40 вершины выбирается в соответствии с обычной практикой для винта, используемого в пластичных материалах. Воображаемый средний диаметр 31 выбирается так, что он составляет половину высоты глубины резьбы. Такая высота получается как разность между наружным диаметром 29 винта и диаметром 25 впадинной части винта, поделенная на два.

Вершина профиля (зона В) имеет резьбовую поверхность, построенную как гиперболическая кривая, использующая определенные точки 42 и 43 как построенные на воображаемой линии 44. Эта воображаемая линия 44 теперь будет являться угловой поверхностью профиля резьбы для использования в пластичных материалах в соответствии с настоящим изобретением. Форма резьбы по направлению к впадине будет иметь вид гиперболической кривой. Использование этого способа построения позволяет уменьшить ширину резьбы 33 таким образом, чтобы она соответствовала ширине в месте столкновения угловой поверхности 44 с воображаемым средним диаметром 31.

Также должно быть ясно, что прилагаемая формула изобретения покрывает все родовые и специфические признаки описанного изобретения.

1. Резьбовой крепежный элемент с наружной резьбой, содержащий:

профиль резьбы, определенный тремя зонами,

причем профиль наружной зоны определен как имеющий поверхности профиля резьбы, построенные как парабола;

причем центральная зона определена как имеющая поверхности профиля, построенные как стороны трапеции;

причем внутренняя зона определена как имеющая поверхности профиля, построенные как гипербола;

причем форма профиля построена вокруг выбранного базового среднего диаметра резьбы, причем средний диаметр резьбы является выбранным номинальным базовым средним диаметром резьбы, к которому прибавлено выбранное абсолютное отклонение, при этом боковые стороны трапеции по высоте проходят на равные расстояния выше и ниже среднего диаметра;

причем парабола наружной зоны построена от верхнего положения центральной трапеции к большему, наружному, диаметру резьбы винта/болта, при этом по наружному диаметру проходит ширина вершины, на которой кончается парабола, при этом гипербола внутренней зоны построена от внутреннего положения центральной трапеции и проходит к внутреннему диаметру резьбы; и

причем внутренняя гипербола проходит к центру между витками резьбы в точке, где она соприкасается с внутренним диаметром резьбы.

2. Резьбовой крепежный элемент по п. 1, в котором высота центральной трапеции в 1,3 раза превышает технологический допуск, выбранный для базового среднего диаметра резьбы, плюс выбранное абсолютное отклонение.

3. Резьбовой крепежный элемент по п. 1, в котором высота центральной трапеции от 1,3 до 2 раз больше допуска, выбранного для базового среднего диаметра резьбы, плюс выбранное абсолютное отклонение.

4. Резьбовой крепежный элемент по любому из пп. 1-3, в котором ширина вершины профиля резьбы на его наружном диаметре составляет 0,10 от выбранного осевого шага резьбы.

5. Резьбовой крепежный элемент по любому из пп. 1-3, в котором ширина вершины профиля резьбы на его наружном диаметре составляет от 0,10 до 0,125 от выбранного осевого шага резьбы.

6. Резьбовой крепежный элемент по любому из пп. 1-3, в котором парабола, построенная для наружного профиля резьбы, построена между наружной точкой ширины резьбы и верхней/наружной точкой центральной трапеции.

7. Резьбовой крепежный элемент по п. 1, в котором внутренний профиль резьбы построен как гипербола между нижней/наружной точкой центральной трапеции и средним положением между соседними витками, там, где среднее положение совпадает с внутренним диаметром резьбы.

8. Резьбовой крепежный элемент по п. 1, в котором прямоугольник, построенный для построения параболы для наружной поверхности, прилегающей к вершине, параллелен поверхности центральной трапеции.

9. Резьбовой крепежный элемент по п. 1, в котором прямоугольник для построения гиперболы впадины имеет вертикальные стороны, перпендикулярные оси крепежного элемента.

10. Резьбовой крепежный элемент с наружной резьбой, содержащий спиральный профиль резьбы, определенный тремя зонами, содержащий:

первую зону с профилем, определяемым как содержащий поверхности профиля резьбы первой зоны, построенные как стороны трапеции, причем форма профиля построена вокруг заданного выбранного базового среднего диаметра резьбы, равного выбранному номинальному базовому среднему диаметру резьбы, к которому прибавлено предварительно заданное абсолютное отклонение, при этом стороны трапеции построены так, что средняя точка сторон трапеции находится на одинаковом расстоянии выше и ниже заданного базового среднего диаметра;

вторую зону, содержащую профиль, определенный как содержащий поверхности профиля резьбы второй зоны, построенные как парабола, и

третью зону, содержащую профиль, определенный как содержащий поверхности профиля резьбы третьей зоны, построенные как гипербола.