CN101855463A - 螺纹锁定/普通转矩紧固件和紧固件组件 - Google Patents

Abstract

一种螺纹锁定紧固件组件，包括：限定内螺纹的螺母锚定件，所述内螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述内螺纹在轴向截面中具有的牙形关于从所述轴线沿径向向外延伸的第一虚拟线对称；和具有外螺纹的紧固件杆，所述外螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述外螺纹被接纳在所述内螺纹中，使得所述轴线大致重合。所述外螺纹在轴向截面中具有的牙形具有：径向内基部区域，其关于从所述杆轴线沿径向延伸的第二虚拟线对称；和可偏转的径向外牙顶，其关于所述第二虚拟线不对称，使得所述牙顶防止所述外螺纹牙形在所述内螺纹牙形中沿轴向居中，除非将足够的轴向力施加于所述杆以偏转所述牙顶。

Description

螺纹锁定/普通转矩紧固件和紧固件组件

技术领域

本发明涉及螺纹锁定/普通转矩紧固件和紧固件组件，特别是涉及具有改进的外螺纹牙形几何形状的紧固件，这种改进的外螺纹牙形几何形状优化了组件接合整体性。

背景技术

通常公认的是，具有螺纹锁定类型紧固件上特定设计外螺纹的物体用于当紧固件拧入螺母锚定件(nut anchor)中时形成配合螺纹干涉状态，其中螺母锚定件已经根据已知的或公认的螺纹标准(例如ISO标准965/1)被预攻丝。在此所使用的术语“螺母锚定件”的含义包括任意分立螺母或者可供紧固件拧入的任意锚定件或支撑件。

这样的配合螺纹干涉可在螺纹大直径或称外径处出现，如图1A中所示。此图显示出组装到螺母锚定件的预攻丝内螺纹3中的外螺纹2的局部截面图，其中，螺纹干涉4在配合螺纹的外径处可见。通过使从外螺纹2的中径5到此螺纹的外径或称大直径的距离超过从内螺纹的中径6到此螺纹的外径或称大直径的距离，形成干涉。干涉4的量决定螺纹紧固件/螺母锚定件组件的螺纹锁定能力。

配合螺纹干涉也可在底径或称内径处出现，如图1B中所示。在此，紧固件外螺纹7组装到具有内螺纹8的螺母锚定件。在螺纹底径处可见的干涉9形成组件的螺纹锁定特性。

第三种类型的配合螺纹干涉图示在图1C中。在此，具有外螺纹10的紧固件显示被组装到具有内螺纹11的螺母锚定件中。在此组件中，干涉12沿螺纹牙侧之一形成。

在图1A至1C中，紧固件的具有外螺纹2、7或10的头部沿箭头H的方向定位。

显然，所有上述的已知组件仅依靠配合螺纹干涉而实现螺纹锁定效果。在业界通常公认的是，配合螺纹干涉的量是对于可通过任一上述组件而获得的螺纹锁定程度的控制因素。在所有这些示例中，连续重复使用螺纹紧固件导致配合螺纹磨损，从而使螺纹锁定程度随时间而减弱。

虽然每种前述的现有技术螺纹干涉组件可对特定应用生效，不过，在有些应用中，这些组件不能实现所希望的螺纹锁定效果，结果，组件接合整体性可能受损。换句话说，螺纹紧固件可在已接合组件承受外加力时变松。术语“已接合组件”是指：在组件中，螺纹紧固件已经承受由于施加转矩用于产生适合组装而在紧固件中产生的拉伸力。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的螺纹锁定类型紧固件组件，其在承受外加力时具有优异的组件接合整体性。

本发明的进一步的目的在于提供一种螺纹锁定紧固件组件，其可重复使用而不会显著丧失其锁定能力。

本发明的另一目的在于提供一种这种类型的组件，其可用于各种不同应用中。

又一目的在于提供这样的紧固件组件，其具有增强的夹紧载荷保持能力。

本发明的再一目的在于提供一种螺纹锁定紧固件，其当组装到螺母锚定件时提供一个或多个前述优点。

本发明的进一步的目的在于提供这样的紧固件，其批量制造相对比较容易和便宜。

本发明的又一目的在于提供这种类型的紧固件，其杆可具有柱形或凸瓣形构造。

在下文中，其它目的将显而易见并将变得明显。

因此，本发明包括结构、元件组合和部件构造的特征，这些将在以下详细描述中例示，本发明的范围将由权利要求限定。

通常，本发明使用在配合紧固件和螺母锚定件螺纹的大直径或称外径处形成的螺纹干涉，从而通过在紧固件螺纹上引入特定设计的牙顶来增强整体螺纹锁定性能，所述牙顶用于将在紧固件固紧在螺母锚定件中以实现组装时由于牙顶偏转所致的残余能量储存在螺纹中。

如将在下文中更详细地所述，最佳地，当螺纹牙顶的偏转不超过会导致紧固件螺纹牙顶永久变形的量时利用紧固件螺纹中的残余或储存能量。也就是说，所述偏转最佳地保持在紧固件螺纹材料和几何形状的“比例极限(limit of proportionality)”内。

根据本发明，所述紧固件具有螺纹杆，螺纹杆具有轴向杆芯和形成在杆芯上的螺旋螺纹。螺纹的轴向截面牙形提供：径向内螺纹基部区域，其从杆芯延伸到与杆芯轴线分开且平行的虚拟基准线。牙形还提供：径向外螺纹牙顶，其从基准线延伸到螺纹的尖端并可偏转。基部和牙顶通过从杆芯延伸到尖端的导面和从面限定。从面具有径向内部分和径向外部分，径向内部分和径向外部分在基准线处接合，以限定小于180度的内角，使得当紧固件拧入螺母锚定件中且紧固件的从面通过选定力而靠近螺母锚定件的导面时，螺纹牙顶偏转以增大所述内角，由此，将残余能量储存在紧固件螺纹中，使得已接合组件具有增强的接合整体性和夹紧载荷保持力。

附图说明

为了更全面理解本发明的实质和目的，应参照以下结合附图进行的详细描述，其中：

图1A至1C(已描述)是显示出内/外自锁定螺纹组件的截面的示意图，其中，在螺纹大直径或称外径、螺纹底径或称内径、以及一个螺纹牙侧处分别形成螺纹锁定干涉；

图2是具有根据本发明的螺纹牙形的螺纹锁定紧固件的局部侧视图；

图3是以显著更大放大率显示出图2所示紧固件的螺纹牙形的示意图；

图4是显示出被组装到螺母锚定件但在拉伸力施加于紧固件杆之前的图2所示紧固件的各部分的截面的侧视图；和

图5是以显著更大放大率显示出图4所示组件一部分在拉伸力施加于紧固件杆之后的示意图。

具体实施方式

参见图2，体现本发明的螺纹锁定紧固件20包括驱动头22和整体以24表示的杆，杆24从所述头沿中心轴线A延伸。所述头可为任何所希望的类型或构造，并可包括有利于紧固件旋转的所示凹部22a或突出部。而且，虽然所示杆24具有大致圆形截面，不过其也可具有凸瓣形截面形式。例如，其可具有三叶形截面形式，如美国专利3,195,156中所述。根据特定的应用，杆可具有多至7个凸瓣。优选地，杆24的自由端部分渐缩，如24a所示，以利于将紧固件插入螺母锚定件N(图4)中。

杆24包括杆芯26，且杆芯26具有围绕杆芯26以螺旋形式形成的螺纹28。这种螺纹在轴向截面中具有牙形28’并可沿杆芯的整个长度或沿杆芯的一部分延伸。螺纹具有大直径或称外径32、底径或称内径34和对给定尺寸紧固件而言通常恒定的螺纹牙形高度36。螺纹的螺旋角或盘旋角α的量通过外径34和螺纹轴向螺距38之间的直接关系确定。通常，轴向螺距将基于由组件制造商所选的螺母锚定件中的预攻丝螺纹的轴向螺距。

现在参见图3，其中更详细地显示出螺纹28的螺纹牙形28’。螺纹牙形28’包括从杆芯26(图2)延伸到平行于杆芯设置的虚拟基准线D的径向内区域或称基部区域40和从基准线D延伸到螺纹尖端44的径向外区域或称牙顶42。这两个区域40和42通过螺纹牙形的导面46和从面48定界。

如图3中可见，这些面分别包括在杆芯26处具有牙底的径向内部分46a和48a，并且会聚而使得基部40关于垂直于杆芯和杆轴线A(图2)延伸的高程线(elevation line)L对称。优选地，基部40被线L等分，并限定内角β，且对标准已知螺纹形式而言基于中径50，其中，螺母锚定件N具有相配的中径51。

在基准线D上方，牙顶42关于线L不对称，且其具有导面部分46b和从面部分48b。面部分48b在基准线D的临界部位52交叉于面部分48a，并与面部分48a限定内角γ，γ在158°至162°的范围内，且优选地为160°。导面部分46b可或多或少地为部分46a的延伸部，如图3中虚线所示。更优选地，此导面形成凹口，如此图中以实线所示，使得牙顶42在基准线D处具有选定宽度54。最小凹口应处于使得图3中的角度δ约为165°的位置，并在其与此图中如虚线所示基准线D的交叉部交叉于导面部分46a。所示牙顶还具有选定高度56和在尖端44处的选定宽度58。如图所示，尖端宽度58与牙顶高度56被一起用来以及被设置比例成在螺纹牙顶42的外径与螺母锚定件N(图4)的内螺纹的大直径之间提供干涉(或称过盈)，即，类似于图1A中的干涉4。

现在参见图4，其中所示组件包括拧入预攻丝螺母锚定件N中的紧固件20，其中存在设置在紧固件头22与螺母锚定件N之间的板60形式的工件。当紧固件头22顺时针旋转时，形成在紧固件杆上的螺旋螺纹使得紧固件沿轴向向前(左)运动进入螺母锚定件的螺纹中。从图4中可见，紧固件外螺纹与螺母锚定件内螺纹的啮合在螺纹28的齿顶(crest)处的62处形成径向干涉(深色)。克服这种径向干涉并允许组件生效所需的力在此被称为“普通转矩(prevailing torque)”。必须克服这种普通转矩以使螺母锚定件N与板60的相对面以及此板与紧固件头22的相对面相互接触。

在图4所示组件中，这些状况已显现。换句话说，在组件各部件的所示位置，压缩载荷C为零，由此紧固件杆的拉伸力为零。而且对于这些状况，螺母锚定件N的每个螺纹的导面N’与紧固件20的对应螺纹28的从面分开，不过其在62处沿径向干涉。这可在图3中更清楚显示，其中螺母锚定件的导面N’以虚线显示。在这些状况下，螺纹牙顶42仍然处于自然的无应力和未偏转状态，并与干涉62之外的螺母螺纹面N’分开，由于干涉62而在将紧固件组装到螺母锚定件中的过程中形成普通转矩。

现在参见图4和5，紧固件20的连续顺时针旋转将使紧固件螺纹28承受拉伸力T，拉伸力T将产生轴向力W，轴向力W将施加于每个在临界部位52(图4和5)处的螺纹28的盘旋结构(convolution)，由此使对应的螺纹牙顶42以量G偏转(至图5中的左方)。这种偏转将在紧固件头22、板60和螺母锚定件N的相对面之处产生正夹紧载荷C，如图4中所示。每个牙顶42持续偏转，直到在每个螺纹盘旋结构的从面48与对应螺母锚定件螺纹的导面N’之间基本上不存在间隙，即，直到图3中的螺纹牙形28’的螺纹面48a和48b相对平直，如图5中以实线所示。应注意的是，图3中所示的紧固件螺纹28的有效中径50和螺母锚定件N的有效中径51是实现牙顶偏转量G的必要部分。在任何情况下，在这种接合点处，可通过外螺纹牙顶偏转形成的最大夹紧载荷C将得以实现。

应注意的是，螺纹28的基部40是刚性的，且其不会偏转至任何显著程度。施加于图5中的临界部位52处的轴向力W低于产生的最大拉伸载荷T，且牙顶42的偏转在螺纹牙顶几何形状和紧固件材料的“比例极限(limit of proportionality)”内，使得牙顶不出现永久变形的状况。换句话说，未超过螺纹的弹性极限。这样，如果所产生的紧固件拉伸力T发生松弛，则将会保持将力作用在从面部分48b的外端，即，作用在径向干涉62处(图5)，这将在组件内保持压缩力C的比例，即使在拉伸力T减小之后也是如此。

这样，储存在偏转牙顶42中的能量加到并保持夹紧载荷力而使其超过使用传统螺纹锁定组件可产生的力(如在图1A至1C中所示的力)。换句话说，螺纹牙顶偏转和在螺纹内储存的残余能量提供附加的机械手段或装置以对螺纹尖端处出现的径向干涉62进行补充，由此与已知的这种通用类型组件相比，增强了本发明的组件的接合整体性。

如前所述，优选的是，紧固件螺纹28的导面形成凹口。采用凹口的优选方式是为了确保当螺纹牙顶42如图5中所示偏转时，用于产生期望偏转所需的力低于紧固件29在正确固紧时其中将会产生的总拉伸力T。这样，设置凹口以提供可接受的螺纹牙顶“惯性动量”，其中螺纹牙顶“惯性动量”通过图3中所示的牙顶基部宽度54、牙顶高度56和尖端宽度58之间的几何关系形成。

如果组件设计不要求在低于紧固件20拉伸强度的力的作用下实现螺纹牙顶偏转G，则螺纹牙顶42的导面部分46b不需形成凹口。

在不背离本发明的范围的情况下，可对本发明的紧固件进行各种修改和添加。例如，螺纹牙形28’的导部分和从部分可具有被设计以实现具体目的的多种形状。而且，螺纹牙形28’的螺距和尺寸可根据螺母锚定件N的材料而改变。此外，虽然螺纹牙顶42的偏转是本发明的组成部分，但不应认为通过示例方式给出的例示无法以一定方式修改以实现与本发明相关的前述夹紧载荷保持。而且，其它设计参数可以基于制造紧固件和/或螺母锚定件的材料并且据此改变。

还应注意的是，本紧固件可使用与制造其它不具有前述增强螺纹锁定能力的更传统的这种通用类型紧固件相同的工艺制成并具有相似成本。因此，本发明应具有广泛应用性。

这样，还可看出，通过使本发明的内容变得显而易见的以上描述，有效实现了前述目的。而且，在不背离本发明的范围的情况下可对前述结构进行各种其它改变。因此，在以上描述中包含的所有内容或在附图中显示的所有内容应被理解为是示例性的，而不是限制性的。

还应理解的是，所附权利要求意在涵盖在此描述的本发明的所有通用和具体特征。

Claims (16)

1.一种螺纹锁定紧固件，包括杆，所述杆包括具有纵向轴线的杆芯和螺纹，所述螺纹的牙形在轴向截面中提供了：刚性相对较高的径向内基部，其从所述杆芯延伸到与所述轴线分开且平行的虚拟基准线；可偏转的径向外牙顶，其从所述基准线延伸到所述螺纹的尖端，所述基部和牙顶是由从所述杆芯延伸到所述尖端的螺纹导面和从面界定的，所述从面具有从所述杆芯延伸到所述基准线的径向内部分和从所述基准线延伸到所述尖端的径向外部分，所述径向内部分和径向外部分限定了小于180度的内角，使得当利用选定力而逆着螺母锚定件螺纹的导面拉曳所述从面时，所述牙顶偏转，从而增大所述内角。

2.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述基部具有规则梯形的形状，所述形状关于垂直于所述轴线延伸的高程线对称，而所述牙顶关于所述高程线不对称。

3.如权利要求2所述的紧固件，其中，所述导面在所述基准线处或所述基准线上方形成凹口，以减小偏转所述牙顶所需的所述选定力。

4.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述杆具有限定了多至7个凸瓣的截面。

5.如权利要求4所述的紧固件，其中，所述杆的截面为三叶形。

6.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述内角为158°至162°。

7.一种螺纹锁定紧固件组件，包括：

限定内螺纹的螺母锚定件，所述内螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述内螺纹在轴向截面中具有的牙形关于从所述轴线沿径向向外延伸的第一虚拟线对称；和

具有外螺纹的紧固件杆，所述外螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述外螺纹被接纳在所述内螺纹中，使得所述轴线大致重合，所述外螺纹在轴向截面中具有的牙形具有：径向内基部区域，其关于从所述杆轴线沿径向延伸的第二虚拟线对称；和可偏转的径向外牙顶，其关于所述第二虚拟线是不对称的，使得所述牙顶防止所述外螺纹牙形在所述内螺纹牙形中沿轴向居中，除非将足够的轴向力施加于所述杆以偏转所述牙顶。

8.如权利要求7所述的紧固件，其中，所述外螺纹的导面在所述牙顶处形成凹口，以利于所述偏转。

9.如权利要求7所述的紧固件，其中，所述内螺纹具有圆形截面，所述外螺纹具有凸瓣形截面，所述牙顶与所述内螺纹的圆形截面形成干涉。

10.如权利要求9所述的紧固件，其中，所述外螺纹具有多至7个的凸瓣。

11.如权利要求10所述的紧固件，其中，所述外螺纹为三叶形。

12.一种螺纹锁定紧固件组件，包括：

限定内螺纹的螺母锚定件，所述内螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述内螺纹在截面中具有圆形周边，并在轴向截面中具有通常规则梯形形状的牙形；和

具有外螺纹的紧固件杆，所述外螺纹具有纵向轴线、导面和从面，所述外螺纹被接纳在所述内螺纹中，使得所述轴线大致重合，所述外螺纹在截面中具有凸瓣形周边，并在轴向截面中具有牙形，所述牙形具有：径向内基部区域，其具有通常规则梯形形状，所述形状具有从所述杆轴线沿径向向外延伸的等分线；和可偏转的径向外牙顶，其关于所述等分线不对称，在预定组装预载荷下，所述外螺纹的导面啮合所述内螺纹的导面，所述牙顶防止在所述预载荷下所述外螺纹在所述内螺纹中沿轴向居中。

13.如权利要求12所述的紧固件，其中，所述外螺纹的导面在所述牙顶处形成凹口，以利于所述偏转。

14.如权利要求12所述的紧固件，其中，所述凸瓣形周边具有多至7个的凸瓣。

15.如权利要求14所述的紧固件，其中，所述凸瓣形周边为三叶形。

16.如权利要求12所述的紧固件，其中，所述基部区域和所述牙顶具有限定158°至162°内角的从面。

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