УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ ГАЙКА И БОЛТ Российский патент 2013 года по МПК F16B29/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к крепежной системе, а более конкретно к виброустойчивой крепежной системе, которая включает в себя гайку и болт, обладающий высокой усталостной прочностью.

Уровень техники

Обычные гайки и болты удобны в использовании, но как те, так и другие подвержены ослаблению в условиях действия больших вибрационных нагрузок. Более того, витки резьбы болта способны создавать концентрацию напряжений и не обладают достаточной усталостной прочностью, чтобы выдерживать высокие пиковые нагрузки. Существует необходимость в крепежной системе на основе гайки и болта, которая не поддается ослаблению в условиях вибраций, обладает повышенной усталостной прочностью для выдерживания высоких пиковых нагрузок, и которую можно быстро установить и демонтировать с помощью обычного монтажного инструмента.

Раскрытие изобретения

Крепежная система включает в себя болт, обладающий высокой усталостной прочностью, выполненный из первого материала, и гайку, выполненную из второго материала, более мягкого, чем первый материал болта. В одном варианте осуществления приблизительное отношение твердости болта к твердости гайки в крепежной системе составляет 4:3 или выше. Болт включает в себя наружные резьбовые витки болта, а гайка включает в себя внутренние резьбовые витки гайки, которые соответствуют наружным резьбовым виткам болта и сопрягаются с ними. В одном варианте осуществления в крепежной системе используется сочетание особой геометрии витков резьбы гайки и болта и различия в твердости между гайкой и болтом для создания виброустойчивой системы. В одном варианте осуществления крепежная система предусматривает удобство гайки и болта, но обладает усталостной прочностью и виброустойчивостью усовершенствованных запорных болтов. При затягивании посредством вращения с помощью обычного вращательного инструмента, рабочие стороны резьбы гайки соответствуют противоположным рабочим сторонам резьбы болта. После того как рабочие стороны резьбы гайки и болта полностью сопряжены, гребни резьбовых витков болта входят в более мягкие соответствующие опорные рабочие стороны резьбы гайки. Одновременно с вхождением гребня резьбы болта более мягкие гребни резьбы гайки «затекают» радиально внутрь соответствующих впадин профиля резьбы болта. Этот полный контакт между гайкой и болтом ограничивает перемещение гайки в поперечном направлении относительно продольной оси болта. В результате этого крепежная система обладает высокой виброустойчивостью. В процессе затягивания такая крепежная система создает зажим почти, как и обыкновенные гайка и болт. Данная крепежная система, однако, отличается тем, что в ней одновременно используется часть энергии зажима для создания уникальных характеристик виброустойчивости.

Настоящее изобретение может использоваться в различных сферах применения и окружающих средах, например, для военной техники, в сельскохозяйственном оборудовании, для легкового и грузового транспорта, а также для железнодорожного транспорта. Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными после прочтения подробного описания вариантов осуществления изобретения, которое приводится ниже лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения сделана ссылка на последующее подробное описание вариантов осуществления, рассматриваемых в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - вид сбоку крепежной системы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - вид в сечении по линии А-А в направлении стрелок, относящийся к крепежной системе, представленной на Фиг.1;

Фиг.3 - увеличенный вид в сечении витков резьбы гайки и соответствующих витков резьбы болта, используемых в крепежной системе, представленной на Фиг.2, при этом гайка и болт показаны в незатянутом положении, гайка изображена слева, а болт - справа;

Фиг.4 - увеличенный вид в сечении витков резьбы гайки и витков резьбы болта, представленных на Фиг.3, однако гайка и болт показаны в затянутом положении;

Фиг.5А и 5В - увеличенные виды в сечении деталей формы резьбы в одном варианте осуществления соответственно гайки и болта, использованных в крепежной системе, представленной на Фиг.1;

Фиг.5С - увеличенный вид в сечении деталей формы резьбы в другом варианте осуществления гайки, использованной в крепежной системе, представленной на Фиг.1;

Фиг.6 - результаты испытаний образцов крепежной системы, представленной на Фиг.1;

Фиг.7 - результаты испытаний при повторном использовании образцов крепежной системы, представленной на Фиг.1;

Фиг.8 - сравнительные данные по результатам испытаний образцов крепежной системы, представленной на Фиг.1, в сравнении с крепежными системами предшествующего уровня техники;

Фиг.9 - дополнительные подтверждающие результаты испытаний образцов крепежной системы, представленной на Фиг.1;

Фиг.10 - диаграмма плотности затяжки для крепежной системы, представленной на Фиг.1, в сравнении со стандартной крепежной системой;

Фиг.11А и 11В - увеличенные виды деталей формы резьбы в другом варианте осуществления соответственно гайки и болта, использованных в крепежной системе, представленной на фиг.1;

Фиг.12А-12С - другой вариант осуществления гайки, использованной в крепежной системе, представленной на Фиг.1;

Фиг.13А и 13В - увеличенные виды в сечении витков резьбы гайки, представленной на Фиг.12А-12С, и витков резьбы болта, представленного на Фиг.11А, при этом гайка и болт показаны соответственно в незатянутом положении и затянутом положении, болт показан слева, а гайка показана справа на обеих Фиг.13А и 13В;

Фиг.14 - результаты испытаний на усталость образцов болтов, имеющих детали формы резьбы, представленные на Фиг.11А, в сравнении со стандартным болтом с крупной резьбой (UNC); а также

Фиг.15 - результаты испытаний на поперечную вибрацию образцов крепежной системы на основе гайки и болта, представленной на Фиг.13А и 13В.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Как показано на фиг.1 и 2, крепежная система 10 включает в себя болт 12 и гайку 14, которая сопрягается по резьбе с болтом 12, предназначенные для крепления двух рабочих деталей, узлов и т.п. (на чертежах не показаны). В одном варианте осуществления болт 12 представляет собой болт, обладающий высокой усталостной прочностью, выполненный из первого материала, а гайка 14 выполнена из второго материала, который является более мягким, чем первый материал, из которого выполнен болт 12. Материалы, используемые для изготовления болта 12 и гайки 14, подробнее описаны ниже.

Как показано на фиг.1 и 2, в одном варианте осуществления болт 12 включает в себя удлиненное тело 16, имеющее первый конец 18 и второй конец 20, противоположный первому концу 18, а также увеличенную головку 22 болта, расположенную на первом конце 18. В одном или более вариантах осуществления головка 22 болта может иметь любой размер или форму, известные в данной области техники (например, представлять собой шестигранную головку, головку каретного болта, полукруглую головку, цилиндрическую головку и т.д.). Тело 16 включает в себя резьбовой участок 24, имеющий наружные резьбовые витки 26 болта. Варианты осуществления резьбовых витков 26 болта будут подробно описаны ниже. В одном или более вариантах осуществления резьбовые витки 26 болта 12 аналогичны тем, что используются в крепежной системе BOBTAIL®, изготовленной компанией Alcoa Fastening Systems (дочерней компанией заявителя), которая раскрыта в патенте США № 7293339, содержание которого включено сюда путем ссылки. Вариант осуществления болта, раскрытый в патенте США № 7293339, включает в себя укороченную резьбу и большой радиус впадины профиля резьбы (на данных чертежах не показаны). В другом варианте осуществления укороченная резьба и большой радиус впадины профиля резьбовых витков 26 болта приводят к увеличению сечения болта и снижению концентрации напряжений, что обеспечивает повышенную усталостную и сдвиговую прочность болта 12 на резьбовом участке 24.

Как показано на фиг.1 и 2, в одном варианте осуществления гайка 14 включает в себя внешний шестигранник 28, обеспечивающий затягивание и ослабление гайки 14 при закручивании и откручивании на болте 12 соответственно. В одном или более вариантах осуществления гайка 14 может представлять собой соответствующую гайку любого типа, известного в данной области техники, например, шестигранную гайку, квадратную гайку, накидную гайку, гайку-барашек, гайку с фланцем и т.д. Гайка 14 содержит внутренние резьбовые витки 30 (см. фиг.2), которые соответствуют резьбовым виткам 26 болта 12 и входят с ними в зацепление. Варианты осуществления резьбовых витков 30 гайки 14 будут подробно описаны ниже.

В одном варианте осуществления болт 12 и гайка 14 выполнены из материалов, обеспечивающих отношение твердости болта к твердости гайки, равное приблизительно 4:3 или выше. В одном варианте осуществления болт 12 представляет собой болт класса прочности 8, выполненный из среднеуглеродистой легированной стали, а гайка 14 выполнена из малоуглеродистой стали в состоянии со сформированной головкой или в обработанном состоянии. В другом варианте осуществления болт 12 выполнен из среднеуглеродистой стали. В других вариантах осуществления гайка 14 выполнена из малоуглеродистой легированной стали или из среднеуглеродистой стали. В одном варианте осуществления болт 12 может характеризоваться любым классом прочности, известным в данной области техники, например, классом 2, классом 5, классом 8, классом 8.8, а также классом 10.9. В одном варианте осуществления крепежная система 10 способна обеспечить высокую степень затяжки (класса 8 или класса 10.9) при использовании для гайки 14 малоуглеродистой стали (в состоянии со сформированной головкой или в обработанном состоянии). В другом варианте осуществления состояние со сформированной головкой или обработанное состояние приводят к снижению расходов по сравнению с обычной гайкой. Как правило, обычные гайки требуют дорогостоящей дополнительной термообработки для обеспечения твердости. Гайка 14 крепежной системы 10 не требует дополнительной термообработки.

В другом варианте осуществления крепежная система 10 выполнена из титана, алюминия или нержавеющей стали либо из стали, соответствующей классу 2, либо соответствующей классу 5, при условии, что сохраняется отношение твердости болта к твердости гайки, равное приблизительно 4:3 или выше. Отношение твердости болта к твердости гайки, равное приблизительно 4:3 или выше, гарантирует, что резьбовые витки 26 болта существенно не деформируется в условиях действия нагрузки. Если твердость болта будет увеличена в данном соотношении, резьба 26 болта существенно не деформируется в условиях действия нагрузки. Однако если в этом соотношении увеличивается твердость гайки или уменьшается твердость болта, резьба 26 болта может деформироваться, что приведет к непредсказуемой потери прочности на растяжение.

В одном варианте осуществления диапазон твердости для гайки 14 составляет Rb 75-95. В одном варианте осуществления диапазон твердости для болта 12 класса прочности 8 и класса прочности 10.9 составляет Rb 33-39. В одном варианте осуществления диапазон твердости для болта класса прочности 5 и класса прочности 8.8 составляет Rb 24-34 В одном варианте осуществления диапазон твердости для гайки 14 составляет Rb 53-75.

Как показано на фиг.3, резьбовые витки 30 гайки 14 (показанные слева на фиг.3), а также резьбовые витки 26 болта 12 (показанные справа на фиг.3) показаны в незатянутом положении друг относительно друга. Резьбовые витки 26 болта определяются множеством гребней 32, множеством впадин 34, а также множеством рабочих сторон 36 резьбы. Каждая из рабочих сторон 36 соединяет соответствующий гребень из множества гребней 32 с соответствующей впадиной из множества впадин 34. Аналогичным образом, витки 30 внутренней резьбы гайки образованы множеством гребней 38 и множеством впадин 40. Каждая из рабочих сторон 42 соединяет соответствующий гребень из множества гребней 38 с соответствующей впадиной из множества впадин 40.

На фиг.4 резьбовые витки 30 гайки и резьбовые витки 26 болта показаны в затянутом положении друг относительно друга. Когда болт 12 и гайка 14 сопряжены друг с другом, одна из множества рабочих сторон 42 резьбовых витков 30 гайки согласуется с соответствующей рабочей стороной из множества рабочих сторон 36 резьбовых витков 26 болта. После того как рабочие стороны 36, 42 полностью сопряжены, при затягивании гайки 14 на болте 12 одна из множества опорных рабочих сторон 42' резьбового витка 30 гайки обтекает соответствующий гребень 32 резьбовых витков 26 болта. А именно, гребни 32 резьбовых витков 26 болта входят в «мягкие» опорные рабочие стороны 42' резьбовых витков 30 гайки. Одновременно с вхождением гребней 32 резьбовых витков 26 болта в опорные рабочие стороны 42 резьбовых витков 30 гайки каждый из гребней 38 резьбовых витков 30 гайки под силовым воздействием затекает радиально в соответствующую впадину 34 резьбовых витков 26 болта, а именно в радиус впадины 34. Будучи затянутой, гайка 14 не может перемещаться в поперечном направлении D относительно оси a-a болта 12 (см. фиг.2). В результате этого достигается плотный контакт между резьбовыми витками 26 болта и резьбовыми витками 30 гайки по всей длине гайки 14.

Поперечная вибрация - известная причина ослабления соединения гайки и болта. В случае крепежной системы 10, гайка 14 не может перемещаться в поперечном направлении D относительно болта 12. В затянутом состоянии рабочие стороны 42 резьбовых витков 30 гайки согласуются с рабочими сторонами 36 резьбовых витков 26 болта по всей длине гайки 14. Кроме того, контактные поверхности образуются перпендикулярно поперечному направлению D на гребнях 32 и впадинах 34 резьбовых витков 26 болта, тем самым полностью блокируя поперечное перемещение гайки 14 относительно болта 12. В результате этого ослаблению, вызванному вибрацией, оказывается сопротивление. В процессе затягивания крепежная система 10 создает зажим почти как и обыкновенные гайка и болт, однако, крепежная система 10 отличается тем, что в ней одновременно используется часть энергии зажима для создания уникальных характеристик ее виброустойчивости.

Крепежная система 10 считается системой «со свободным вращением», а это означает, что для вращения гайки при перемещении по болту 12 до граничной плоскости крутящий момент прикладывать не требуется. Данный признак «свободного вращения» составляет отличие от многих более традиционных конструкций виброустойчивых крепежных систем, на которые часто ссылаются как на гайки «с преобладающим значением крутящего момента». Пригонка таких гаек «с преобладающим значением крутящего момента» является как более медленной, так и более сложной.

Вариант осуществления резьбообразных деталей 30, 26 гайки 14 и болта 12 соответственно (использованных в первоначальных испытаниях крепежной системы 10, описанных ниже) показан на фиг.5А и 5В, где представлена крепежная система 10 5/8 дюйма (16 мм). В одном варианте осуществления размеры, которые не показаны на фиг.5А и 5В, следующие:

внутренний диаметр гайки: 0,581±0,001”

внешний диаметр гайки: 0,637±0,001”

внутренний диаметр болта: 0,568”

внешний диаметр болта: 0,622±0,002”

Все радиусы являются тангенциальными и сложными.

Вышеуказанные размеры соответствуют варианту осуществления гайки 14, полученной с использованием расточной оправки на токарном станке. В другом варианте осуществления гайка 14 нарезана с использованием высокоскоростного гайконарезного станка и метчика. Процесс нарезания резьбы требует наличия «зоны разгрузки» на внутреннем диаметре гайки 14. На фиг.5С показан вариант осуществления детали, нарезанной гаечной резьбы 30.

Различные виброиспытания проводили на образцах вышеописанной 5/8-дюймовой крепежной системы 10. В частности, образцы крепежной системы 10 испытывали на установке Джанкера для проведения испытаний на поперечную вибрацию, имеющей мощность 50 kip, изготовленной SPS Unbraco. Несколько образцов крепежной системы 10 выполняли с предварительным натягом и нагружали в поперечном направлении с использованием плиты, создающей полное смещение 0,120”, управляемое кулачком, работающим с частотой 12,5 Гц. Гайку 14 крепежной системы 10 устанавливали на вибрирующую плиту. На внутренней стороне плиты имелся зазор 0,110”, для того чтобы предусмотреть изгиб и создать поперечную нагрузку. Для проведения виброиспытаний выполнялась следующая процедура:

(1) Крепежную систему 10 помещали на установку Джанкера, при этом гайка 14 была видна в верхней части установки.

(2) Установку Джанкера запускали, а усилие затяжки в условиях испытаний регистрировали с помощью осциллографа Николет.

(3) Испытания прерывали через 5 минут или при отказе крепления, в зависимости от того, что происходило первым.

В результате были получены данные виброиспытаний крепежной системы 10, которые представлены на фиг.6. Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. Образцы помечали как «усовершенствованный #1» - «усовершенствованный #3». Результаты испытаний свидетельствуют, что образцы крепежной системы 10 показали высокие характеристики в виброиспытаниях на установке Джанкера. В начале испытаний крепежные системы 10 проявляли ослабление, затем стабилизировались примерно на уровне предварительного натяга 20000 фунт-сила и далее продолжали работать бесконечно долго, не проявляя дальнейшего ослабления. Значения твердости гаек 14, использованных в вышеупомянутом испытании, составляли (по Роквеллу) от RB 84 до 86. Твердость болтов 12 состаляла в пределах Rc 35-38.

На фиг.7 показаны данные повторных испытаний крепежной системы 10. Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. Следующее испытание было проведено путем повторного использования тех же гаек 14 и болтов 12, которые применялись в первоначальных виброиспытаниях, описанных выше и представленных на фиг.6. Гайки 14 и болты 12 в этот раз были перегруппированы, так чтобы на каждом из болтов 12 была установлена другая гайка 14, не та, что в первоначальных испытаниях. В начале испытаний крепежные системы 10 проявляли ослабление, затем стабилизировались примерно на уровне предварительного натяга 22500 фунт-сила и далее продолжали работать бесконечно долго, не проявляя дальнейшего ослабления. Эти повторные испытания показали, что гайки 14 и болты 12 могут быть повторно использованы в произвольном сочетании без какой-либо существенной потери виброустойчивости.

На фиг.8 представлены сравнительные данные испытаний образцов крепежной системы 10. Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. Таким образом, на этом графике показаны данные первоначальных испытаний для крепежной системы 10 (с пометками «усовершенствованная #1» - «усовершенствованная #3») по сравнению с другими виброустойчивыми крепежными системами (помеченными как система на основе стопорной гайки «типа Stover», система на основе гайки «с фланцем» и система «с введением нейлона»), а также системой BOBTAIL®, описанной выше (помеченной как «Bobtail»). Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. Как показано на фиг.8, предварительные натяги для образцов крепежной системы 10 (также как и для системы BOBTAIL®) незначительно снижались, а затем оставались стабильными примерно на уровне 20000 фунт-сила. Напротив, предварительные натяги в других системах испытывали мгновенное падение и далее плавно снижались до нуля или почти до нуля за короткий отрезок времени. Соответственно это свидетельствует о том, что крепежная система 10 обладает высокой виброустойчивостью.

На фиг.9 представлены дополнительные подтверждающие данные испытаний для крепежной системы 10. Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. На графике показан эффект различия в твердости между болтом 12 и гайкой 14, а также его влияние на стопорящие свойства. В этих испытаниях болт 12 со стандартной крупной резьбой UNC 5/8”-11 класса прочности 8 использовали совместно с гайкой 14 (Rb 89-91) с внутренней резьбой, нарезанной стандартным метчиком 5/8”-11. На этом графике показаны результаты трех испытаний стандартных гаек 14 с резьбой UNC, имеющих ту же твердость(Rb 89-91) как и в крепежной системе 10 (помечены как «Supplemental»), наложенные на результаты трех испытаний гаек 14 (помеченных как «Bobtail»). График показывает, что в процессе вибрации стопорящие свойства гаек UNC со временем деградируют, а стопорящие свойства гаек 14 настоящей крепежной системы 10 - нет. Таким образом, эти результаты испытаний показывают, что виброустойчивость в отношении стопорящих свойств крепежной системы 10 является не только результатом меньшей твердости гайки 14.

На фиг.10 показана плотность затяжки для крепежной системы 10. Крепежной системе 10 присуща некоторая плотность затяжки. Вообще, плотность затяжки стандартного соединения гайки и болта варьируется в пределах приблизительно 25-30% для заданного крутящего момента. Варьирование плотности затяжки крепежной системы 10 может быть в пределах около 20%. Это объясняется тем, что крепежная система 10 работает с деформированием (пластической деформации) материала гайки 14. Меньшая твердость материала выполняет функцию «подушки» и делает кривую «инсталляции» более плоской. Поскольку более мягкая гайка 14 работает в плоской части кривой пластической деформации, значительные различия в крутящем моменте приводят к малым различиям в затяжке болта. Наоборот, твердая, не проявляющая пластичности гайка имеет весьма крутой наклон кривой затяжка - крутящий момент. По этой причине малые различия в крутящем моменте вызывают большие различия в затяжке болта.

В другом варианте осуществления резьбовые витки 26, 30 болта и гайки каждые включают в себя однонаправленную резьбу. Такая однонаправленная резьба требует, чтобы гайка 14 располагалась так, чтобы резьбовые витки 26, 30 болта и гайки точно соответствовали друг другу. В одном варианте осуществления окончательная геометрия крепежной системы 110 диаметра 5/8” (16 мм) (т.е. гайка 114 и болт 112) показана на фиг.11А и 11В. Размеры, которые не включены в фиг.11А и 11В, следующие:

внутренний диаметр болта: 0,568”

внешний диаметр болта: 0,622±0,002”

внутренний диаметр гайки: 0,581±0,001”

внешний диаметр гайки: 0,637±0,001”

Все радиусы являются тангенциальными и сложными.

В другом варианте осуществления гайка 114 представляет собой гайку, показанную на фиг.12А-12С. Более конкретно, гайка 114 имеет угол профиля резьбы, равный 80 градусам, выходящий в резьбовой зазор в виде плоского угла. Таким образом, если говорить о крепежной системе 110, показанной на фиг.13А и 13В, когда гайка 114 и соответствующий болт 112 (характеристики резьбы которого показаны на фиг.11В) сопряжены друг с другом, гребни 132 резьбовых витков 126 болта соударяются с соответствующими опорными рабочими сторонами 142' резьбовых витков 130 гайки первыми, а это приводит к тому, что болт 112 (выполненный из более твердого материала) «врезается» в гайку 114 (выполненную из более мягкого материала) при меньшем усилии затяжки. Это обеспечивает виброустойчивость при меньшем крутящем моменте/усилии затяжки. Такая формообразующая последовательность (когда резьбовые витки 130 гайки первоначально выстраиваются по форме вокруг гребней 132 резьбовых витков 126 болта) приводит к созданию признака виброустойчивости при меньших усилиях затяжки. В одном варианте осуществления виброустойчивость достигается, например, если болт класса 8 затянут с усилием затяжки по классу 5.

На фиг.14 показаны усредненные результаты испытаний на усталость в условиях растяжения для крепежной системы 110 в сравнении со стандартной крепежной системой UNC. Максимальную нагрузку в фунтах измеряли как функцию количества циклов. Система 110, использованная в качестве образца, представляет собой систему класса 8 с диаметром 5/8”. Как видно на фиг.14, усталостная долговечность крепежной системы 110 в пять раз выше, чем у сопоставимой стандартной системы UNC. Кроме того, было измерено, что максимальное значение напряжений, рассчитанных для крепежной системы 110, составило 142 KSI, в то время как максимальное значение напряжений, рассчитанных для традиционной системы UNC, составило 194 KSI, а значит уровень напряжений в крепежной системе 110 на 27% ниже, чем в системе UNC.

На фиг.15 показаны результаты испытаний на поперечную вибрацию для четырех образцов крепежной системы 110. Изменение предварительного натяга, выраженного в фунт-силе, измеряли как функцию времени, выраженного в секундах. Использовали образцы крепежной системы 110 диаметром 3/4” при предварительном натяге 38000 фунт-сила. Как показано на фиг.15, предварительные натяги незначительно снижались, а затем оставались стабильными. Соответственно это дополнительно свидетельствует о том, что крепежная система 110 обладает высокой виброустойчивостью.

В итоге крепежные системы 10, 110 обладают различными предпочтительными признаками. Например, в виду виброустойчивости крепежных систем 10, 110, они требуют меньшего технического обслуживания, а время их безотказной работы дольше. Резьба «со свободным вращением» предусматривает быструю сборку и возможность легкой замены. Это также предотвращает повреждения каких-либо покрытий на системах 10, 110. Поскольку резьбовые витки 26, 126 болта являются укороченными и имеют низкий коэффициент надреза, они обладают высокой усталостной прочностью и поглощают высокие пиковые нагрузки. В одном варианте осуществления крепежные системы 10, 110 могут иметь класс прочности 8.8 или 10.9, а потому предусматривают легко достижимое повышение качества в сравнении с традиционными гайками и болтами. Наконец, крепежные системы 10, 110 имеют предсказуемое соотношение крутящий момент/затяжка. В результате скрепленные узлы устойчивы к разрушению при скольжении, а их элементы сохраняют правильное относительное положение и служат дольше.

Следует понимать, что варианты осуществления, представленные в настоящем описании, являются лишь примерами, и специалист в данной области техники сможет предложить много изменений и дополнений, не выходящих за рамки сущности и объема изобретения. Например, в одном варианте изобретения болты 12, 112 могут включать в себя резьбовой стержень любого типа, такой как каретный болт, шестигранный болт, U-образные болты, J-образные болты, крепежные винты и т.д. В одном варианте осуществления гайки 14, 114 могут включать в себя гайку любого типа, например, шестигранную гайку, квадратную гайку, колпачковую гайку, гайку-барашек, гайку с фланцем и т.д. В одном варианте осуществления с крепежными системами 10, 110 могут использоваться соответствующие подкладные шайбы любого типа, такие как плоские, квадратные, стопорные, стыковочные, отбойные и т.д. (на чертежах не показаны). В одном варианте осуществления крепежные системы 10, 110 могут включать в себя соответствующие покрытия, например, покрытие цинком, гальваническое, хромом и т.д. Соответственно все такие изменения и дополнения должны быть включены в объем вариантов осуществлений, описанных здесь, согласно приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к виброустойчивой крепежной системе, включающей болт и гайку, и направлено на более надежную фиксацию соединения. Виброустойчивая крепежная система включает в себя болт, обладающий высокой усталостной прочностью, выполненный из первого материала, и гайку, выполненную из второго материала, более мягкого, чем первый материал болта. Болт включает в себя резьбовые витки, а гайка включает в себя резьбовые витки гайки, которые согласуются с резьбовыми витками болта. В крепежной системе используется сочетание особой геометрии резьбовых витков гайки и болта и различия в твердости между гайкой и болтом для обеспечения виброустойчивости. В затянутом состоянии гребни резьбовых витков болта входят в мягкие опорные рабочие стороны резьбовых витков гайки. Одновременно с вхождением гребней болтов более мягкие гребни резьбовых витков гайки затекают радиально внутрь впадин профиля резьбовых витков болта. Такой полный контакт между гайкой и болтом ограничивает перемещение гайки в поперечном направлении относительно продольной оси болта. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Крепежная система для скрепления множества деталей вместе, содержащая:
болт, имеющий удлиненное тело, выполненное с возможностью расположения в выровненных отверстиях в деталях, оканчивающееся на одном конце увеличенной головкой и включающее в себя резьбовой участок с множеством наружных резьбовых витков, образованных множеством гребней и множеством впадин, при этом один из множества гребней соединен с соответствующей одной из множества впадин посредством опорной рабочей стороны, а болт выполнен из первого материала; и
гайку с множеством внутренних резьбовых витков, образованных множеством гребней и множеством впадин, при этом один из множества гребней резьбовых витков соединен с соответствующей одной из множества впадин резьбовых витков посредством опорной рабочей стороны, причем резьбовые витки гайки имеют такой размер и форму, чтобы входить в зацепление по резьбе с резьбовыми витками болта, а гайка выполнена из второго материла, более мягкого, чем первый материал болта,
при этом, когда резьбовые витки гайки входят в зацепление с резьбовыми витками болта, каждый из множества гребней резьбовых витков болта входит в соответствующую одну из множества опорных рабочих сторон резьбовых витков гайки, а каждый из множества гребней резьбовых витков гайки деформируется и затекает в соответствующую одну из множества впадин резьбовых витков болта для создания полного контакта между резьбовыми витками гайки и резьбовыми витками болта, так чтобы ограничить перемещение гайки в направлении, поперечном продольной оси болта.

2. Система по п.1, в которой первый материал болта и второй материал гайки представляет собой сталь.

3. Система по п.2, в которой первый материал болта представляет собой среднеуглеродистую легированную сталь.

4. Система по п.3, в которой второй материал гайки представляет собой низкоуглеродистую сталь.

5. Система по п.3, в которой второй материал гайки представляет собой низкоуглеродистую легированную сталь.

6. Система по п.3, в которой второй материал гайки представляет собой среднеуглеродистую сталь.

7. Система по п.3, в которой второй материал гайки представляет собой среднеуглеродистую легированную сталь.

8. Система по п.2, в которой первый материал болта представляет собой среднеуглеродистую сталь.

9. Система по п.2, в которой отношение твердости болта к твердости гайки составляет приблизительно 4:3.

10. Система по п.9, в которой твердость гайки составляет от приблизительно Rb 75 до приблизительно Rb 95.

11. Система по п.9, в которой болт представляет собой болт класса прочности 8, имеющий твердость от приблизительно Rc 33 до приблизительно Rc 39.

12. Система по п.9, в которой болт представляет собой болт класса прочности 10.9, имеющий твердость от приблизительно Rc 33 до приблизительно Rc 39.

13. Система по п.9, в которой болт представляет собой болт класса прочности 5, имеющий твердость от приблизительно Rc 24 до приблизительно Rc 34.

14. Система по п.9, в которой болт представляет собой болт класса прочности 8.8, имеющий твердость от приблизительно Rc 24 до приблизительно Rc 34.

15. Система по п.9, в которой твердость гайки составляет от приблизительно Rb 53 до приблизительно Rb 75.

16. Система по п.1, в которой резьбовые витки гайки включают в себя однонаправленную резьбу и резьбовые витки болта включают в себя однонаправленную резьбу.

17. Система по п.1, в которой резьбовые витки гайки включают в себя двунаправленную резьбу и резьбовые витки болта включают в себя двунаправленную резьбу.

18. Система по п.17, в которой резьбовые витки гайки имеют угол профиля резьбы, составляющий приблизительно 80°.

19. Система по п.17, в которой резьбовые витки гайки имеют угол профиля резьбы, составляющий приблизительно 50°.

20. Система по п.1, в которой крепежная система представляет собой систему со свободным вращением.

21. Крепежная система для скрепления множества деталей вместе, содержащая:
стержневой элемент, имеющий удлиненное тело, выполненное с возможностью расположения в выровненных отверстиях в деталях, оканчивающееся на одном конце увеличенной головкой и включающее в себя резьбовой участок с множеством наружных резьбовых витков, образованных множеством гребней и множеством впадин, при этом один из множества гребней соединен с соответствующей одной из множества впадин посредством опорной рабочей стороны, а стержневой элемент выполнен из первого материала; и
гайку с множеством внутренних резьбовых витков, образованных множеством гребней и множеством впадин, при этом один из множества гребней резьбовых витков гайки соединен с соответствующей одной из множества впадин резьбовых витков гайки посредством опорной рабочей стороны, причем резьбовые витки гайки имеют такой размер и форму, чтобы входить в зацепление по резьбе с резьбовыми витками стержня, а гайка выполнена из второго материла, более мягкого, чем первый материал стержневого элемента,
при этом, когда резьбовые витки гайки входят в зацепление с резьбовыми витками стержневого элемента, каждый из множества гребней резьбовых витков стержня входит в соответствующую одну из множества опорных рабочих сторон резьбовых витков гайки, а каждый из множества гребней резьбовых витков гайки деформируется и затекает в соответствующую одну из множества впадин резьбовых витков стержня для создания полного контакта между резьбовыми витками гайки и резьбовыми витками стержня, так чтобы ограничить перемещение гайки в направлении, поперечном продольной оси стержневого элемента.