УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА Российский патент 2000 года по МПК F16B23/00 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для передачи крутящего момента на резьбовую крепежную деталь, к конструкциям головок болтов, винтов, в частности к углублениям в них, к элементам контакта головки крепежной детали и постановочного ключа.

Известны головки болтов и углубления в головках винтов, выполненные в форме шестигранника.

Недостатком такого исполнения элементов для передачи крутящего момента является линейный контакт шестигранника головки с шестигранником ключа. При больших крутящих моментах, передаваемых головками ключей на деталь, происходит смятие ребер шестигранника детали и граней на головке инструмента, что приводит впоследствии к проворачиванию ключа и невозможности достижения необходимого момента затяжки для получения высокопрочного резьбового соединения.

Известно устройство для передачи крутящего момента в виде шести радиально направленных равномерно расположенных по окружности поверхности зацепления на головке болта трапецeидальных шлицевых выступов (патент Великобритании N 1032144, МПК F 16 B 23/00) [1].

Недостатком данной конструкции является то, что при больших крутящих моментах каждый выступ в головке ключа и каждый выступ на головке крепежной детали при максимальных усилиях затяжки начинают работать на срез. Выступы сминаются и выкрашиваются. Инструмент и головка детали выходят из строя.

Недостатком является и повышенная трудоемкость изготовления сопрягаемых элементов передачи крутящего момента на ключе и детали, особенно в массовом производстве методом объемной холодной штамповки.

Недостатки имеют и элементы для передачи крутящего момента, описанные в патенте Великобритании N 1360644, МПК F 16 B 23/00 [2] и патенте США N 33541624, МПК F 16 B 23/00 [3], где показаны конструкции 8- и 12-гранных головок болтов и гаек: линейное касание по граням, смятие и срез при больших крутящих моментах ввинчивания и затяжки.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для передачи крутящего момента охватываемого или охватывающего элементов в форме шести равномерно расположенных по окружности попеременно чередующихся криволинейных выступов и впадин, выполненных радиусами разной кривизны.

Необходимо отметить, что при взаимодействии с ответными элементами на головке ключа в нерабочем положении (нулевое) образующие профиля каждой пары зацепления подобны и эквидистантны между собой по всей окружности зацепления элементов.

Конструкции разработаны фирмой "Textron Inc.", США, и известны под товарным знаком TORX.

За прототип взята конструкция устройства для передачи крутящего момента на резьбовую крепежную деталь, описанная в проспекте фирмы "Bulten AB", Швеция, 1981, с. 1,2 [4].

Эта конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с известными и нашла широкое применение в промышленности во многих отраслях техники во всем мире, в частности в автомобилестроении, самолетостроении.

В России эти крепежные детали и постановочный инструмент для них закупаются за границей за валюту.

Проведенные испытания крепежных деталей зарубежного производства с элементами для передачи крутящего момента типа TORX выявили определенные недостатки данной конструкции. При максимальных усилиях затяжки резьбового соединения из-за относительно малых поверхностей контакта элементов для передачи крутящего момента крепежной детали и ответных постановочного инструмента (линейный осевой контакт по высоте выступа или впадины и почти точечный по криволинейной дуге) происходит смятие вершин выступов на крепежной детали и на инструменте, которое может привести к преждевременному выходу инструмента из строя.

Недостатки конструкции были подтверждены и моделированием на компьютере, результаты которого приведены на фиг. 5-7.

Такой характер контакта приводит к тому, что известная конструкция элементов для передачи крутящего момента затрудняет затяжку резьбовой детали с максимальным моментом и получениe высокопрочного резьбового соединения, надежного в экстремальных условиях работы.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение максимальной площади контакта взаимодействующих между собой криволинейных поверхностей выступов и впадин крепежной детали и постановочного инструмента, достижение максимального момента затяжки и получение высокопрочного резьбового соединения, максимально надежного в экстремальных условиях использования.

Одной из задач является создание собственного отечественного производства крепежных деталей подобной конструкции и постановочного инструмента к ним, прекращение закупок деталей за рубежом и сбережение иностранной валюты для других целей.

Указанные задачи решаются за счет существенного изменения формы образующей криволинейных выступов и впадин охватывающего или охватываемого элемента. Форма образующей выполнена в соответствии с характеристиками параметрических уравнений [5], при этом форма криволинейных выступов выполнена из соотношения, определяемого уравнением эпициклоиды
x = 1,21•L₁•cosϕ-λ₁•cos(L₂•ϕ);
y = 1,21•L₁•sinϕ-λ₁•sin(L₂•ϕ);
а форма криволинейных впадин - уравнением гипоциклоиды
x = 1,18•K₁•cosϕ+λ₂•cos(K₂•ϕ);
y = 1,18•K₁•sinϕ-λ₂•sin(K₂•ϕ).
где x и y - координаты;
L₁, L₂, K₁ и K₂ - коэффициенты соответствия количеству и размерам выступов и впадин;
ϕ - аргумент (0-360^o);
λ₁ и λ₂ - коэффициенты, определяющие характер параметрических изменений выступов и впадин,
при этом коэффициенты соответствия количеству и размерам выступов и впадин определяются по формулам
L₁=(2n+1)a;
L₂=2n+1;
K₁=(2n-1)a;
K₂=2n-1,
где n - число, определяющее количество выступов (впадин) при построении;
a - коэффициент, определяющий совокупность элементов фигуры, a = 0,03 Dоп., где Dоп. - диаметр описанной окружности.

Коэффициенты, определяющие характер параметрических изменений выступов и впадин, определяются по формулам
λ₁= 1,1979 a;
λ₂= 1,1682 a.
В качестве охватывающего элемента может быть фигурное углубление в торце головки винта, болта или постановочного инструмента.

В качестве охватываемого элемента может быть фигурная головка болта, гайки или постановочного инструмента.

Новая форма криволинейной образующей выступов и впадин устройства для передачи крутящего момента крепежной детали является существенным отличием от известной конструкции.

При использовании со стандартизированным инструментом (наконечники винтовертов или сменные торцевые головки) достигается неожиданный технический результат, дающий новый положительный эффект.

При внутреннем или наружном зацеплении элементов для передачи крутящего момента ключа и крепежной детали (нулевое положение) подобие и эквидистантность между криволинейными образующими элементов ключа и детали теряются. Предусмотренный зазор в зонах выступов и впадин между ключом и деталью попеременно уменьшается и увеличивается, т.е. уменьшается на вершинах выступов и впадин и увеличивается по их боковым образующим. В рабочем положении при повороте ключа на определенный угол до контакта его образующей с образующей детали увеличенный зазор выбирается, за счет чего криволинейная боковая образующая выступа или впадины ключа максимально совмещается с криволинейной образующей впадины или выступа детали. Получается контакт больших площадей двух криволинейных поверхностей: осевой по всей высоте элемента и по длине дуги криволинейной поверхности.

Предлагаемая форма криволинейной образующей выступов и впадин детали ведет к увеличению зазора в зоне боковых образующих выступов и впадин между деталью и ключом, что в свою очередь ведет к увеличению площади контакта криволинейных поверхностей образующей ключа и детали при повороте ключа.

Положительный эффект заключается в увеличении площади контакта боковых образующих ключа и детали, увеличении передаваемого крутящего момента, снижении напряжения на контактах сопрягаемых поверхностей зацепления, достижении максимального момента затяжки, получении высокопрочного резьбового соединения максимально надежного в экстремальных условиях эксплуатации техники.

Сущность предлагаемого изобретения и его отличие от известного прототипа поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана предлагаемая форма охватывающего элемента углубления в головке винта в зацеплении с охватываемым ключом (нулевое положение).

На фиг. 2 показано устройство по фиг. 1 с поворотом ключа до контакта.

На фиг. 3 показаны охватываемый и охватывающий элементы предлагаемой формы на примере головки болта в зацеплении с головкой ключа (нулевое положение).

На фиг. 4 показано устройство по фиг. 3 с поворотом ключа до контакта.

На фиг. 5 показана известная конструкция TORX деталь-ключ для охватываемого и охватывающего элементов (нулевое положение).

На фиг. 6 показано устройство по фиг. 5 для углубления в головке винта с поворотом ключа до контакта.

На фиг. 7 показано устройство по фиг. 5 для головки болта с поворотом ключа до контакта.

На фиг. 8 показаны в сравнении профили криволинейных образующих предлагаемой и известной, фиг. 1 и 5 соответственно.

Обозначения на чертежах.

Фиг. 1. Стандартный ключ находится в углублении в торце головки винта. Головка винта 1, ключ 2, криволинейная образующая 3 углубления в торце головки 1, криволинейная образующая 4 ключа 2. Между образующими 3 и 4 имеется зазор 5. В окружном направлении по криволинейным образующим 3 и 4 зазор 5 попеременно уменьшается и увеличивается, уменьшается между образующими на вершинах выступов ключа и впадин углубления и увеличивается между ними по их боковым образующим 5.

На фиг. 2 показана площадь контакта 6 между криволинейными поверхностями образующей 3 углубления в головке 1 и криволинейной поверхностью образующей 4 ключа 2, рабочее положение.

На фиг. 3 показаны торцевая головка 7 ключа и головка болта 8, нулевое положение. Головка 7 ключа установлена на головке 8 болта. Криволинейная образующая 9 на головке 8 болта, криволинейная образующая 10 внутри торцевой головки 7 ключа, зазор 5.

На фиг. 4 показана площадь контакта 11 между криволинейными поверхностями образующей 9 на головке болта 8 и криволинейной поверхностью образующей 10 торцевой головки 7.

Фиг. 5. Охватывающий и охватываемый элементы известной конструкции TORX - ключ установлен в углублении в головке винта. Головка винта 12, ключ 13, криволинейная образующая 14 в углублении головки 12, криволинейная образующая 15 ключа 13. Между образующими 14 и 15 в нулевом положении имеется зазор 16. Образующие 14 и 15 в известной конструкции подобны и относительно друг друга по всей окружности расположены эквидистантно, т.е. зазор 16 по всем точкам криволинейных выступов и впадин одинаков.

На фиг. 6 показана точка контакта 17 между криволинейными поверхностями образующих 14 и 15.

Фиг. 7. Головка болта 18 и торцевая головка ключа 19 известной конструкции TORX. Торцевая головка 19 надета на головку болта 18 и повернута на определенный угол до контакта. Криволинейная образующая 20 на головке болта 18, криволинейная образующая 21 на торцевой головке 19, точка контакта 22 криволинейных поверхностей образующих 20, 21.

Фиг. 8. Профиль предлагаемой криволинейной образующей 3 (фиг. 1), профиль известной криволинейной образующей 14 (фиг. 5) (охватывающие элементы) в сравнении.

Стрелками показано направление вращения элементов устройства для передачи крутящего момента.

Пример работы устройства.

Постановочный инструмент в форме наконечника ключа 2 или торцевой головки 7 устанавливается в углубление в торце головки 1 винта или на головку 8 болта, после чего поворачивается по стрелке до контакта боковых криволинейных поверхностей 4 и 10 инструмента с ответными боковыми криволинейными поверхностями 3 и 9 на головке крепежной детали. Далее идет ввертывание резьбовой крепежной детали и затяжка.

Пример выполнения устройства, где охватывающим элементом является углубление в торце винта, а охватываемым -стандартный наконечник винтоверта.

Углубление Dоп. = 6.8 мм, наконечник винтоверта Т 40. Коэффициенты выбираются из условий задачи и расчетом с использованием вышеприведенных формул
а = 0.03 Dоп. = 0.03 х 6.8 = 0.2 мм.

L₁ = (2n+1)a = (2х6 +1) 0.2 = 2.6 мм.

L₂ = 2n+1 = 12+1 = 13.

K₁ = (2n-1) a = (12-1) 0.2 = 2.2 мм.

K₂ = 2n-1=12 - 1= 11.

λ₁= 1,1979 a = 1,1979×0,2 = 0,239 мм.
λ₂= 1,1682 a = 1,1682×0,2 = 0,233 мм.
Подставляем в уравнения
Для выступов:


Для впадин:


При данных характеристиках параметрических уравнений получается криволинейная образующая с шестью симметрично расположенными по окружности попеременно чередующимися криволинейными выступами и впадинами. Длины криволинейных выступов и впадин равны между собой (относятся как 1:1).

При взаимодействии боковых поверхностей криволинейных дуг ключа и детали площадь контакта их составляет около 1.0 мм². В аналогичном типоразмере известной конструкции площадь контакта составляет около 0.2 мм². Из этого следует, что в среднем площадь контакта криволинейной образующей головки детали предлагаемой формы с постановочным инструментом в 5-8 раз больше площади контакта головки известной конструкции.

В настоящее время заводом АО "Этна" изготовлено несколько опытно-промышленных партий винтов с предлагаемой конструкцией углубления в головке и проведены испытания, в том числе в условиях конвейерной сборки автомобилей. Работа показала высокую прочность головок винтов и инструмента при затяжке детали и обеспечение высокопрочного резьбового соединения.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 1032144, МПК F 16 B 23/00 (аналог 1).

2. Патент Великобритании N 1360644, МПК F 16 В 23/00 (аналог 2).

3. Патент США N 3541624, МПК F 16 B 23/00 (аналог 3).

4. Проспект фирмы "Bulten AB", Швеция, 1981 (прототип).

5. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов, авторы И.Н. Бронштейн и К. А. Семендяев, М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980, с. 182-184.

Изобретение относится к конструкциям головок резьбовых крепежных деталей и постановочному инструменту. Устройство выполнено в виде охватывающего или охватываемого элемента в форме попеременно чередующихся криволинейных выступов и впадин, равномерно расположенных по окружности элемента. Форма образующей выступов и впадин выполнена в соответствии с характеристиками уравнений эпициклоиды и гипоциклоиды. Охватывающий элемент выполнен в виде углубления в головке винта или постановочного инструмента, а охватываемый элемент выполнен в виде фигурной головки болта, гайки или постановочного инструмента. В результате достигается максимальная площадь контакта взаимодействующих между собой криволинейных поверхностей выступов и впадин крепежной детали и постановочного инструмента, максимальный момент затяжки. Таким образом получается высокопрочное соединение, максимально надежное в экстремальных условиях использования. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для передачи крутящего момента, выполненное в виде охватывающего или охватываемого элемента в форме попеременно чередующихся криволинейных выступов и впадин, равномерно расположенных по окружности элемента, отличающееся тем, что форма образующей криволинейных выступов и впадин охватывающего или охватываемого элемента выполнена в соответствии параметрическим уравнениям, при этом форма выступов выполнена из соотношения, определяемого уравнением эпициклоиды
x = 1,21•L₁•cosϕ-λ₁•cos(L₂•ϕ);
y = 1,21•L₁sinϕ-λ₁•sin(L₂•ϕ);
а форма впадин - уравнением гипоциклоиды:
x = 1,18•K₁•cosϕ+λ₂•cos(K₂•ϕ);
y = 1,18•K₁•sinϕ-λ₂•sin(K₂•ϕ);
где х и y - координаты;
L₁, L₂ и К₁, К₂ - коэффициенты соответствия количеству и размерам выступов и впадин;
ϕ аргумент (0 - 360^o);
λ₁ и λ₂- коэффициенты, определяющие характер параметрических изменений выступов и впадин,
при этом коэффициенты соответствия количеству и размерам выступов и впадин определяются по формулам
L₁ = (2 • n + 1) • a,
L₂ = 2 • n + 1,
К₁ = (2 • n - 1) • a,
K₂ = 2 • n - 1,
где n - число, определяющее количество выступов (впадин) при построении;
a - коэффициент, определяющий совокупность элементов кривизны фигуры, a = 0.03 • Dоп., где Dоп. - диаметр описанной окружности,
а коэффициенты, определяющие характер параметрических изменений выступов и впадин определяются по формулам
λ₁ = 1,1979•a,
λ₂ = 1,1682•a.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что охватывающий элемент выполнен в виде фигурного углубления в торце головки винта или постановочного инструмента. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что охватываемый элемент выполнен в виде головки болта, гайки или постановочного инструмента.