CN105874225A - 用于无螺纹螺母锚定件的高性能滚丝螺钉/螺栓 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺钉/螺栓的螺纹牙型几何形状，其特别适合于在以下情形中形成配套的螺母螺纹：当螺钉插入锚定件中的平坦直径孔中，并且以一种方式旋转，通过该方式螺纹螺旋角将引起螺钉/螺栓相对的轴向向前运动进入锚定件内。这种旋转和相对轴向运动将是建立与螺钉/螺栓螺纹配套接触的螺母螺纹的原动力。

Description

用于无螺纹螺母锚定件的高性能滚丝螺钉/螺栓

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请号61/856,218的权益，其是由Alan Pritchard在2013年7月19日申请，题为“HIGH PERFORMANCE THREAD ROLLING SCREW/BOLT FOR USE INAN UNTHREADED NUT ANCHOR(用于无螺纹螺母锚定件的高性能滚丝螺钉/螺栓)”，并通过援引方式合并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种新型的螺钉螺纹牙型几何形状，当应用在插入由延性材料制成的无螺纹螺母锚定件内以便影响组件的高性能滚丝螺钉上时尤其具有益处。

背景技术

高性能滚丝螺钉在1960年代首次被引入市场，以便提供一种用于在钢铁或者轻质合金锚定件中攻丝产生配套的螺母螺纹的手段，其中在锚定件中形成的螺纹等同于通过与标准机用螺钉/螺母螺纹相关联的更加常规的螺纹攻丝或者螺纹成型技术产生的螺纹。当螺钉插入组件内时，将继续作为成品组件的一体部分。这种系统在许多方面，与在1930年代引入的用于组装金属板结构件的自攻丝螺钉相类似。两个系统之间的区别在于“高性能滚丝螺钉”将产生等同于指定的“机用螺钉标准”的配套螺母螺纹，并能够应用于厚度超过螺钉公称直径两倍的锚定件中。在1930年代的自攻丝螺钉中并不通常可获得这种特征。

在该行业中已经对“高性能滚丝螺钉”的原始设计概念做出了许多改进，已经认识到这样的产品的恰当节约成本的优点，要求除了当1960年代的版本引入之时所设想的那些益处之外的益处。

在全世界范围内有许多专利已被授权，这强调了前进中的方法的创造性本质，其中所述方法被采用以便迎合对这种类型的产品的工业需求。符合改进的需要的美国授权专利包括，特别是由Alan Pritchard申请，于1998年3月3日授权的美国专利号为5,722,808，题目为“THREADED FASTENER SYSTEM(带螺纹的紧固系统)”的专利，其内容通过援引合并入本文。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种螺钉/螺栓的螺纹牙型几何形状，其特别适合于在以下情形中形成配套螺母螺纹：即当螺钉插入到锚定件的平坦直径孔中，并且以一种方式旋转时，通过这种旋转方式，螺纹螺旋角将造成螺钉/螺栓相对的轴向向前运动进入到锚定件中。该旋转和相对的轴向运动将是建立具有与螺钉/螺栓螺纹配套接触的螺母螺纹的原动力。

该新型的螺纹牙型设计与应用在高性能滚丝螺钉中的其它已知设计的不同之处在于，其由三个限定的区域或者区段构成，在螺母螺纹的成型过程期间，每个区域或区段发挥它们自己的功能，还协同作用以便产生除其它已知系统之外的益处。本发明的螺纹牙型关于垂直于螺钉/螺栓的轴线的假想线对称。

限定为区域“A”的螺纹牙型的中间区段(附图2)围绕机用螺钉式螺纹的选定的基本中径加上选定的“基本偏差”而建立。选定的值可以是作为用于M牙型螺纹、U.N.C螺纹、U.N.F螺纹的标准或者被视为可应用于具体需要的任何其它标准而被接受的那些值。区域“A”的高度在该基准之上和之下被等分，从而产生梯形几何形状的区段。该梯形的高度的大小将说明性地处于中径公差的1.5-3倍的量级，所述中径公差根据具体的紧固件螺纹选定。梯形的角度与具体选择的标准相关。对于M牙型和统一标准螺纹，该角度是60°。

限定为区域“B”的螺纹牙型的牙顶区段(附图2)，是从抛物线的使用而建立。用于外侧区段的两侧的抛物线根据螺纹的外侧周边和牙顶宽度，结合区域‘A’的顶点外侧点终止处的点而构建。确定的这些点的位置将参考附图2和附图3而建立。

限定为区域“C”的牙底区段(附图2)是由双曲线的使用而建立的。用于内侧螺纹区域的两侧的双曲线根据区域‘A’的内侧点/外侧点以及螺纹牙底与螺纹之间的空间的中心相交处的点而构建。

首先要求保护的是：用于外侧牙顶(区域B)的抛物线以及用于牙底区段(区域C)的双曲线的建立使用不同的起始位置，从该起始位置建立相应的形状。用于牙顶的抛物线基于矩形，该矩形具有平行于梯形的侧面延伸的边。用于牙底双曲线的建立的矩形具有垂直于螺钉的轴线的边。在后文，这些区别的目的将被展示，并且它们的创新性应用将被描述。

螺钉/螺栓的进入点将由限定数量的螺距组成，其朝向该点向内逐渐变尖成锥形。由于该新型螺纹牙型的设计，在进入时，这些锥螺纹将具有抛物线形的形状，这限定为在整个牙型中作为区域‘B’那样。这种几何形状将允许初始低螺纹成型扭矩，随着螺母螺纹变得完全成型，螺纹成型扭矩将示出受控的增加。如果螺钉/螺栓需要被移除或者重新插入，则这种点螺纹形状也将协助避免“螺纹错扣”。

附图说明

通过结合附图参考以下描述，本发明的以上和进一步的优点可以被更好的理解，附图中同样的附图标记指代相同的或者功能相似的元件：

附图1是根据本发明的说明性实施例的紧固件的侧视图；

附图2是根据本发明的说明性实施例的创新的螺纹牙型的放大截面图；

附图3是根据本发明的说明性实施例，示出了用于产生螺纹牙顶部分的抛物线的展开图；以及

附图4是根据本发明的说明性实施例，示出了螺纹牙底双曲线的展开图。

具体实施方式

参见附图1，示出了螺纹成型螺钉/螺栓20，其包含根据本发明的说明性实施例的创新螺纹牙型26。螺钉/螺栓包括头部22，其带有用于在螺钉/螺栓与螺母构件‘N’之间施加相对旋转的合适的装置，其中螺母构件‘N’包含合适的无螺纹的导向孔。螺纹杆23从螺钉/螺栓的头部的下侧延伸，在距离头部22最远的末端处终止于锥形引导进入点24。杆23说明性地包括小叶片状横截面区域几何形状，该几何形状是美国专利3,195,196中所限定的形状，该专利的内容通过援引合并入本文中。如果需要，横截面区域也可以是圆形形状。锥形引导进入点24由锥形24a构成，以便促使其容易插入螺母锚定件‘N’中的引导孔内。

杆23包括芯部25和环绕芯部25生成的螺旋螺纹26。螺旋螺纹26关于假想线27对称，假想线27垂直于螺钉/螺栓轴线28。螺纹螺旋角α的大小是从针对螺纹大径29和选择的螺距34所选的数值的数学展开。

参考附图2，图中更详细示出了螺纹牙型。如从附图中可以看到的，螺纹26包括3个区域A、B和C。每个区域关于与紧固件轴线28(附图1)垂直的假想线27对称。

区域‘A’是当在横截面中观察时螺纹的中间区段。该区域可以被视为梯形，并且侧角101是60°或者可以是为了适于具体组件需要而选取的已知标准规格而指定的角度。直径31与为螺纹选取的基本中径加上选定的基本偏差有关。除了基本中径的使用之外的‘基本偏差’的使用，当与牙顶宽度40联合使用时，是在构建中获得明确的牙顶牙型抛物线的新颖的手段。梯形的高度32被直径31等分。高度32的大小说明性地等于为紧固件的螺旋螺纹26的直径31选取的制造公差的两倍。然而，梯形的高度可以处于选取的螺纹中径31的制造公差的1.3-2倍的范围内。平坦面宽度31a从高度31和齿面角101数学地确定。(例如：对于齿面角＝60°，31a＝31/sin60)。

与所选的中径31相关的梯形的宽度33，应当说明性地等于为紧固件所选的螺钉轴向螺距34的一半。梯形区域的末端在点35、35a、36和36a处终止。这些点为螺纹牙顶区域‘B’的起点(点35和35a)以及螺纹牙底结构区域‘C’的起点(点36和36a)提供相对位置。

区域‘B’被视为螺纹的牙顶，其在所选的紧固件的中径31之上具有牙顶宽度40和高度41。牙顶宽度40被与紧固件轴线28垂直的假想线27等分，并且具有等于所选的螺纹轴向螺距的十分之一的说明性大小。然而，牙顶宽度可以处于所选轴向螺距34的0.10-0.125倍的范围内。该牙顶宽度的末端由点42和42a标记。还有两个假想点43和43a被定位成垂直于并且直接相关于与区域‘A’的侧牙型面平行的线44和44a上。

牙顶的牙型45和45a构建为抛物线并且完成区域‘B’：螺纹牙型和牙顶区段。抛物线45构建在标记为35、42和43的点之间，抛物线45a构建在点35a、42a和43a之间。

参考附图3，图中示出了相关点之间可看到的抛物线45的结构。抛物线45a构建为抛物线45的镜像。

当紧固件最初被插入并且被驱动以便形成配套的螺母螺纹时，引入牙顶抛物线来提供螺母锚定件材料N的受控的流动速率。初始流动速率将相对较高，并随着获得配套螺纹啮合而将减小，并在抛物线的影响之下受控制。这种控制的优点是为了用于构建配套螺母和螺栓螺纹的更有效的方法。

区域‘C’的牙型面51和51a被构建成双曲线。牙型面51被构建在点36、52和53之间。点52具有位于紧固件芯部25的外侧周边和所选紧固件轴向螺距19的中点的说明性位置。点53具有从标记为区域‘A’的牙型面的36的位置向内延伸的假想垂直线及其与紧固件的芯部25的周边的交叉点处的说明性位置。

附图4示出了用于在螺纹牙型的牙底建立双曲线的方法的图。牙型面51a构建为具有末端36a、52a和53a的双曲线，其建立了上文段落中勾勒出的形状的镜像。

牙底形成将被建立成双曲线的目的在于辅助螺母材料以受控的速率流动，这将在高性能滚丝螺钉/螺栓插入期间改善螺母螺纹形成。进一步的优点是本发明创造性的螺纹牙底形状的新型构造将辅助抵抗螺钉/螺栓疲劳的可能性，这将是组件中的严重因素。

虽然前文已经描述了本发明的说明性实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在设计或构造的细节中可以做出多种变型或改型，而不偏离本发明。

本发明的一个替代实施例是构建本发明的创新性理解，使得当螺钉被用于塑性部件的组件时，其显示出优点。为了该目的可以采用的一些变化，参考附图2是：

螺纹角101将处于65度至75度的范围内。根据‘用于塑性材料的螺钉’的惯例选择牙顶宽度40。选择假想的中径31使得其是螺纹深度的高度的一半。这样的高度通过使用如下方式构建：螺钉外径29减去螺钉牙底直径25并将结果除以二。

牙型的牙顶(区域‘B’)具有构建为双曲线的螺纹面，该双曲线使用沿假想线44建立的限定的点42和43。这种假想线44现在将是用于塑性材料的创新螺纹的具有角度的牙型面。朝向螺纹牙底的螺纹形状将由双曲线构成。通过使用这种构建方法，螺纹的宽度33将减小，使得其相应于具有角度的面44与假想的中径31相交处的宽度。

也应当理解的是所附权利要求旨在涵盖本文中描述的本发明所有的一般特征和特定特征。

Claims (10)

1.一种外部带螺纹的紧固件，所述紧固件包括：

由三个区域限定的螺纹牙型；

其中，外侧区域牙型被限定为具有构建为抛物线的螺纹牙型面；

其中，中间区域被限定为具有构建为梯形的侧边的牙型面；

其中，内侧区域被限定为具有构建为双曲线的牙型面；

其中，牙型形状围绕选定的基本中径建立，所述中径是加上了选定的基本偏差的选定的公称基本中径，所述梯形的侧边的高度在所述中径的上方和下方等分；

其中，外侧区域抛物线从中间梯形的上部位置朝向螺钉/螺栓螺纹的大径、外径构建，其中，在所述外径处有牙顶宽度，所述抛物线在该牙顶宽度处终止，其中，内侧区域双曲线从所述中间梯形的内侧位置开始构建，并朝向螺纹小径延伸；以及

其中，内侧双曲线延伸至所述螺纹之间的中间、与所述螺纹小径相接的点处。

2.根据权利要求1所述的带螺纹的紧固件，其中，所述中间梯形的高度是为所述基本中径选取的制造公差加上所述选定的基本偏差之和的1.3倍。

3.根据权利要求1所述的带螺纹的紧固件，其中，所述中间梯形的高度处于为所述基本中径选取的制造公差加上所述选定的基本偏差之和的1.3倍至2倍的范围内。

4.根据权利要求1、2和/或3所述的带螺纹的紧固件，其中，所述螺纹牙型在其大径处的牙顶宽度是选定的轴向螺距的0.10倍。

5.根据权利要求1、2和/或3所述的带螺纹的紧固件，其中，所述螺纹牙型在其大径处的牙顶宽度处于选定的轴向螺距的0.100倍至0.125倍的范围内。

6.根据权利要求1、2或3和4或5所述的带螺纹的紧固件，其中，为所述螺纹的外侧牙型建立的抛物线在所述牙顶宽度的外侧点和所述中间梯形的上侧点/外侧点之间生成。

7.根据权利要求1所述的带螺纹的紧固件，其中，所述螺纹的内侧牙型建立成位于所述中间梯形的底侧点/外侧点与相邻螺纹之间的中间位置之间的双曲线，其中所述中间位置与所述螺纹小径相交。

8.根据权利要求1所述的带螺纹的紧固件，其中，为了构建用于相邻于所述牙顶的外表面的抛物线而建立的矩形平行于所述中间梯形的面。

9.根据权利要求1所述的带螺纹的紧固件，其中，用于构建牙底双曲线的矩形具有垂直于所述紧固件的轴线的竖直侧边。

10.一种外部带螺纹的紧固件，其具有由三个区域限定的螺旋螺纹牙型，所述外部带螺纹的紧固件包括：

第一区域，所述第一区域具有限定为具有构建为梯形的侧边的第一区域螺纹牙型面的牙型，其中，牙型形状基于预定的选定的基本中径而定，所述基本中径包括加上预定的基本偏差的选定的公称基本中径，其中所述梯形的侧边被设置使得所述梯形的侧边的中点在预定的基本中径的上方和下方被等分；

第二区域，所述第二区域具有限定为具有构建为抛物线的第二区域螺纹牙型面的牙型；以及

第三区域，所述第三区域具有限定为具有构建为双曲线的第三区域螺纹牙型面的牙型。