CN101796312B - 具有可变间隙的螺纹连接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在阴螺纹部件(1)和阳螺纹部件(2)之间、特别是在螺钉和牙科植入物之间的螺纹连接，两个部件(1，2)利用具有锥形体的螺纹牙形配合在一起，其中阳螺纹部件(2)的螺纹牙形的螺距(4b)不同于阴螺纹部件(1)螺纹牙形的螺距(4a)，由此在两个部件之间获得可控的间隙(3)。根据该发明，两个部件(1，2)中的一个具有可变的螺距。因此，两个部件(1，2)之间的螺纹连接具有以非线性方式变化的间隙(3)。经过适当地调整螺距的特定设计，可以按照应用的需要控制整个螺纹连接上的应力分布。

Description

具有可变间隙的螺纹连接

技术领域

本发明涉及一种阳螺纹部件和阴螺纹部件之间的螺纹连接，该螺纹连接适用于所有类型的螺纹连接，例如牙科植入物和螺钉之间的螺纹连接，其中所述螺钉用于保持假牙等。

背景技术

阳螺纹部件(具有由一系列锥形体(spire)构成的螺纹牙形)和阴螺纹部件(也具有由一系列锥形体构成的螺纹牙形，并且与所述阳螺纹部件完全配合)之间的传统的螺纹连接设计成使得不存在间隙，或者换句话说，使得两个部件的螺纹牙形彼此完全配合。分析完这些连接之后，得出这样的结论，即，在螺纹连接的使用寿命期间，锥形体上的应力分布使得一些锥形体承受比其它锥形体更大的张力。更具体地说，承受更大张力的锥形体是最初的锥形体，或者换句话说，是最接近螺钉头部的锥形体，或者同样地，是距离螺钉末端最远的锥形体。

已知一些专利例如US3664540和US2870668，其描述了螺纹连接，其中在外部(阳螺纹)的螺纹牙形和内部(阴螺纹)的螺纹牙形之间具有间隙。该间隙线性地增加以使应力均匀分布，或者换句话说，以使所有的锥形体大体上承受相同的张力。

然而，该线性增加的间隙不允许控制整个螺纹连接上的应力分布，而控制整个螺纹连接上的应力分布对于特定的应用是有意义的，在这些应用中希望具有不同的应力分布的螺纹连接。在这些特定的应用中，无论是传统的螺纹连接(其中最初的锥形体承受最大的应力)，还是如US3664540或US2870668中所述的螺纹连接(其中所有的锥形体承受相同的应力)，都不是最适宜的。相反，在这些应用中有意义的是，应力峰值可出现在螺纹连接的任何一个锥形体中，甚至出现在最后的锥形体中。例如，在航空中使用的螺纹连接中，最后的锥形体必须是负荷最大，以保证在螺钉断裂的情况下螺钉的大部分得以保留(并因此继续工作)，从而保证螺纹连接得以维持。或者，也有意义的是，设计螺纹连接使得在螺钉断裂的情况下故障发生在螺钉的头部，因此便于拔出螺钉。

本发明的目的是提供一种螺钉连接的设计，该设计适用于这样的应用，其中既不必使应力分布均匀，也不必使最初的锥形体承受最大应力。

发明内容

本发明的研究对象是阴螺纹部件和阳螺纹部件的螺纹连接，阴、阳螺纹部件均具有锥形体组成的螺纹牙形，其中阳螺纹部件的螺纹牙形的螺纹不同于阴螺纹部件的螺纹牙形的螺纹，在两个部件之间具有受控的间隙。根据本发明，两个部件(阴螺纹部件和阳螺纹部件)中的一个具有可变的螺距。因此，两个部件之间的螺纹连接具有以非线性的方式变化的间隙(不同于US3664540和US2870668中的间隙，在这两篇专利中，两个部件的螺距稍有不同但是总是恒定的，从而产生线性变化的间隙)。通过适当地调整螺距的特定设计(因此适当地调整非线性间隙的类型)，可以按照各个特定应用的需要控制整个螺纹连接上的应力分布。因此，本发明允许构造或选择将会承受较大应力的螺纹连接的区域，并且因此允许控制在连接的哪个区域将会发生破坏。

可变的螺距可以存在于阳螺纹部件或存在于阴螺纹部件内。必须考虑的是，如果可变螺距应用于阳螺纹部件，则该可变螺距通常是逐渐增大的螺距，而如果可变螺距应用于阴螺纹部件，则该可变螺距通常是逐渐减小的螺距。另一个部件将具有带恒定螺距的螺纹牙形。

应该记住的是，使用的术语″逐渐增大″和″逐渐减小″是指从阳螺纹部件(所述阳螺纹部件通常是螺钉或类似物)的头部朝末端观察所述螺纹连接时的情形。

优选地，非线性地变化的间隙以基本上为n次抛物线、椭圆或多项式的形式变化。一种或另一种间隙类型的选择取决于本发明将使用的应用。

附图说明

在附图中可以认识到本发明的细节，但附图不用于对本发明的范围进行限制：

-图1示出传统的没有间隙的螺纹连接；

-图2示出根据本发明的螺纹连接的示意图；

-图3示出前一附图中螺纹连接的几个连续锥形体的放大视图；

-图4示出图1中整个螺纹连接上的应力分布；

-图5示出图2中螺纹连接的应力分布；

-图6示出应力关于间隙的图表；

-图7示出传统的不具有间隙的螺纹连接、传统的具有线性逐渐增大的间隙的螺纹连接、和根据图2中所示的本发明的螺纹连接的整个锥形体上的力的分布图表；

-图8示出一表格，该表格详细列出传统的连接和本发明几个实施例的间隙值；

-图9示出前一附图中的间隙的图形表示。

具体实施方式

图1示出在阴螺纹部件1和阳螺纹部件2之间的传统的螺纹连接，其中在两个部件1、2之间不具有间隙。

图2示出根据本发明在阴螺纹部件1和阳螺纹部件2之间的螺纹连接的实施例，其中，由于阴螺纹部件1的螺距4和阳螺纹部件2的螺距4不同而在两个部件1、2之间形成间隙3。根据本发明，两个部件1、2之一的螺距4以不恒定的方式在锥形体之间增加。因此，间隙3的宽度以非线性的方式增加。在附图所示的实施例中，阴螺纹部件1具有逐渐增加的螺距4，而阳螺纹部件2具有恒定的螺距4。“螺距4”理解为在螺纹牙形中一个锥形体到下一个锥形体之间的距离。

图3示出阴螺纹部件1和阳螺纹部件2之间的螺纹连接的多个连续锥形体的放大视图。阳螺纹部件2的螺距4b是固定的，而阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″在连续的锥形体上增加。优选地，螺距4a、4a′、4a″、4b使得间隙3的宽度以基本上为抛物线、椭圆或n次多项式的形式变化。

对于以基本上为抛物线的形式增加的间隙3，阳螺纹部件2的螺距4b恒定，而阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″遵循关于锥形体编号/序号的线性函数；即，一个螺距和前一个螺距之间的差是定值。换句话说，关于锥形体编号的阴螺纹部件1的螺距的图形表示是直线。例如，如果阳螺纹部件2的螺距4b是定值“p”，则阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″分别是p+k、p+2k和p+3k，其中k是常数。因此，在这种情况下，间隙3、3′、3″的宽度分别是k、3k、和6k。对于多个锥形体，整个间隙的宽度序列将是k、3k、6k、10k、15k、21k、28k......，或者换句话说，宽度关于锥形体编号以基本上为抛物线的形式增加，如图9所示。

对于以基本上为椭圆的形式增加的间隙3，阳螺纹部件2的螺距4b恒定，而阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″遵循关于锥形体编号的抛物线函数。例如，阴螺纹部件1的螺距以这样的方式增长，即第二螺距比第一螺距长一个定值；第三螺距是第二螺距的两倍等等。更具体地说，如果阳螺纹部件2的螺距4b是定值“p”，则阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″可以分别是p+k、p+3k和p+6k。因此，间隙3、3′、3″的宽度分别是k、4k和10k。对于多个锥形体，整个间隙的宽度序列将是k、4k、10k、20k、35k、56k、84k......，或者换句话说，间隙宽度关于锥形体编号以基本上为椭圆的形式增加，如图9所示。

对于以基本上为n次多项式的形式增加的间隙3，阳螺纹部件2的螺距4恒定，而阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″遵循关于锥形体编号的n-1次多项式函数。例如，对于其宽度按照5次多项式增长的间隙3、3′、3″，阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″必须按照4次多项式函数增长。来看作为示例的具体数值，如果阳螺纹部件2的螺距4b是定值“p”，则阴螺纹部件1的螺距4a、4a′、4a″可以分别是p+k、p+5k和p+15k。因此，间隙3、3′、3″的宽度分别是k、6k和21k。对于多个锥形体，整个间隙的宽度序列将是k、6k、21k、56k、126k、252k、462k......，或者换句话说，间隙宽度关于锥形体编号以基本上为5次多项式的形式增加，如图9所示。

逻辑上，以抛物线的形式增加和以椭圆的形式增加的情况是以n次多项式的形式增加的特殊情况，其中分别为n＝2和n＝3。

图4示出图1中整个常规螺纹连接上的应力分布，其中以不同的灰度等级标识应力值(MPa)的大小。如图中所示，高的应力等级(色调几乎是白色的)集中于阳螺纹部件(螺钉)的最初的锥形体(附图的左边)。然后，在较急剧的过渡(不同的灰度所示)后，在阳螺纹部件末端存在大量轻微受力的锥形体(以深灰色和黑色示出)。阳螺纹部件承受的最大应力值大约为752MPa。

图5示出图2所示整个螺纹连接上的应力分布。在这里，本发明带来多个有益效果。首先，所有的锥形体均衡受力，这可以理解为因为灰度等级之间的过渡比图4中的平顺。其次，施加至阳螺纹部件的最大值或应力峰值减小至568MPa左右的值。换句话说，和图4中的螺纹连接相比，施加到阳螺纹部件(在该图和其它附图的底部)的最大应力值减小大约20％。

图6示出表示螺纹连接承受的最大应力(N/mm²)相对于上述“k”参数(mm)的图表，其中，螺距的增加以所述“k”参数为参数。图中示出两条曲线：一条是关于本发明具有以抛物线的形式逐渐增加的间隙的螺纹连接的连续曲线，一条是关于US3664540或US2870668具有以线性形式逐渐增加的间隙的螺纹连接的虚线。两个连接的目的均在于选择最优的“k”值，在该最优的“k”值下，螺纹连接承受的最大应力为最小。还应该注意到，具有以抛物线的形式逐渐增加的间隙的螺纹连接比具有以线性形式逐渐增加的间隙的螺纹连接总体上具有较低的最大应力值，对于较大的“k”值，该差异是显著的。因此，相比于US3664540和US2870668中的连接，使用本发明中具有适当“k”值的螺纹连接可使最大应力显著降低。

图7示出在构成螺纹连接的整个锥形体上，各个锥形体(由锥形体编号标识)承受的接触力(N)的分布的图表。图中示出三条曲线：一条是关于传统的没有间隙的螺纹连接的连续曲线；一条是关于US3664540或US2870668具有以线性形式增加的间隙的传统螺纹连接的虚线；一条是关于本发明具有以抛物线的形式增加的间隙的螺纹连接的点划线曲线。如图所示，在传统的没有间隙的螺纹连接中，第一锥形体承受极大的力(大约275N)，并且在后面的锥形体上力迅速降低。在具有以线性形式增加的间隙的螺纹连接中，最初的锥形体承受较低的负荷，最大的力施加在第九和第十个锥形体上，其中最大值大约为175N。然而，在根据本发明的螺纹连接中，所有的锥形体以均匀的方式负荷，这是有益的，因为使所有的锥形体以均匀的方式负荷减小了锥形体中的任何一个损坏的风险；在某些锥形体承载比其它的锥形体多很多的负荷时通常会发生锥形体损坏。此外，所承受的最大力的值比在两个传统的螺纹连接中的小很多；事实上，所述最大力的值大约为80N，这对应于比两种传统的螺纹连接分别减小70％和55％。

图8示出表示根据几个以多项式的形式增加的序列获得的逐渐增加的间隙的图表：1次(线性增加，现有技术已知)、2次(以抛物线的形式增加)、3次(以椭圆的形式增加)、4次、5次和6次。图9示出这些间隙关于锥形体编号的图示。该图示帮助观察根据本发明的以抛物线、椭圆等形式增加的间隙。

本发明的螺纹连接能使用任何传统的合适的工艺制造，例如机械化、注塑、层压等等，只要考虑它必须能产生不恒定的螺纹(这些方法中的任一种都可以理想地实现)。相比于传统的螺纹连接的加工工艺，该加工工艺不需要专用工具或较长的加工时间。

另一方面必须指出的是，没有任何最优化的螺距增加参数。最优化的螺距参数将取决于螺纹尺寸、螺纹材料、螺纹连接承受的负荷等等。根据各种应用的需要，可计算出不同的最佳参数。

在特别有益的方式中，本发明的螺纹连接应用于牙科植入物和牙科植入物的连接螺钉之间的连接，其中牙科植入物是阴螺纹部件1，螺钉是阳螺纹部件2。要连接至牙科植入物的部分一般是柱桩，但是也可是任何其它的修复构件，例如愈合柱(cicatrisation pillar)、UCLA柱(UCLA pillar)等等。总之，与传统的螺纹连接提供的机械装置相比，根据本发明的外部连接提供更坚固的机械副(植入物、螺钉和修复构件)。因此，该机械装置的坚固性增加，而无需使用与正常使用的材料不同的材料，也无需增加包含在机械装置中不同元件的生产成本。

Claims (4)

1.一种阴螺纹部件(1)和阳螺纹部件(2)之间的螺纹连接，其中两个部件(1，2)包括由一系列锥形体构成的螺纹牙形，两个部件(1，2)中的至少一个的螺纹牙形具有可变的螺距(4a，4b)，使得在两个螺纹牙形之间形成逐渐增加的间隙(3)，其中两个部件(1，2)的螺距之间的差值关于锥形体编号不恒定并遵循n-1次多项式函数，使得间隙(3)按照n次多项式函数以非线性的方式变化，其特征在于：

两个部件(1，2)的螺距之间的差值遵循抛物线函数，使得间隙(3)以椭圆的形式变化。

2.根据权利要求1所述的螺纹连接，其特征在于，阳螺纹部件(2)具有恒定的螺距(4b)，阴螺纹部件(1)具有变化的螺距(4a)。

3.根据权利要求1所述的螺纹连接，其特征在于，阳螺纹部件(2)具有变化的螺距(4b)，阴螺纹部件(1)具有恒定的螺距(4a)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的螺纹连接在牙科植入物和螺钉之间的连接中的应用，所述螺钉用于将另一部件连接到牙科植入物，其中牙科植入物是阴螺纹部件(1)，螺钉是阳螺纹部件(2)。

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