CN107000176A - 锥形带凸角驱动器及紧固件 - Google Patents
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Abstract
一种扭矩传送驱动器，其具有适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩的第一端部分，以及包括锥形形状的钻头的第二端部分，锥形形状的钻头具有驱动表面，驱动表面带有围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个凸角和凹槽，驱动表面具有自旋转轴线的15至65°之间的锥度角，驱动表面可操作地结合多个至少两个尺寸的紧固件中的对应驱动表面，钻头的锥形驱动表面包括第一锥形部分和第二锥形部分，第一锥形部分可操作地接合第一尺寸紧固件的驱动表面，第二锥形部分可操作地接合第二尺寸紧固件的驱动表面，第二尺寸紧固件的驱动表面大于第一尺寸紧固件的驱动表面。驱动角可自旋转轴线标称为52°。
Description
本国际申请请求享有在2014年9月11日提交的美国非临时专利申请14/483,498的优先权，该美国非临时专利通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种扭矩传送驱动器，其用于从扭矩发生源(诸如动力驱动器)将扭矩传送至紧固件来用于结构或装置的组装。
背景技术
用于扭矩传送系统的扭矩传送驱动器以及那些系统中使用的紧固件是本领域熟知的。驱动器的钻头具有特定形状的凹口或突起，其匹配紧固件中的互补形状的突起或凹口。更常规公知的扭矩传送系统之一是市场上称为PHILLIPS®(菲利普)驱动系统的十字型驱动系统。参见例如，美国专利号2,046,837。已经提出了许多形式和形状的扭矩传送驱动系统。参见例如美国专利号2,397,216。
四凸角、五凸角和六凸角的花键型扭矩传送系统是已知的。在美国专利号2,969,250；3,187,790; 3,584,667; 4,970,922和5,279,190中描述了这些四凸角、五凸角和六凸角扭矩传送系统以及它们的紧固件和驱动器的范例。较早版本的此类花键型扭矩传送驱动系统具有正方的转角，用于其的对应的紧固件凹口是制作起来困难且昂贵的，并且导致紧固件和/或驱动器中的应力，应力随重复使用而引起疲劳失效。稍后版本的五凸角和六凸角花键型扭矩驱动系统具有多个交叉（intersecting）相对弯曲表面，它们围绕紧固件头或驱动器钻头的360°周界均匀地分布来形成一系列交替的凸角和沟槽(flutes)。这些稍后的扭矩驱动系统克服了最早的花键型系统中固有的一些问题，但通常不能保持小于五度的凸角驱动角。在较高扭矩的应用中，力分量将提高，这导致凸角失效或从紧固件或驱动器中脱落(strip out)。这些稍后的花键型扭矩驱动系统中的一个版本在市场上称为TORX®驱动系统，其具有基于匹配的弧形表面的六凸角和五凸角构造，其设计成取得在10°至20°的范围内的驱动角。参见美国专利号3,584,667。
稍后版本的这类花键型扭矩传送驱动系统通过使由第一系列的椭圆形弯曲表面形成的紧固件头的从动(driven)表面和扭矩驱动器的驱动表面两者带有在它们之间交替的第二系列的椭圆形弯曲表面来将驱动角减小至零。这些椭圆形弯曲表面中的一个系列是凸形的，同时椭圆形弯曲表面中的交替的系列是凹形的。交替的凸形和凹形的椭圆形弯曲表面平缓且相切地合并以限定系列的交替的沟槽和凸角，沟槽和凸角围绕紧固件头或驱动器钻头的360°周界延伸。紧固件头和驱动器钻头的凸角和沟槽两者都是椭圆形弯曲截面的。并且，由于这些部件的交替的特性，故椭圆形弯曲凸角的中心和椭圆形弯曲沟槽的对应的中心设置在正六边形(但不是同一个六边形)的顶端。参见专利5,279,190。这种带凸角扭矩传送驱动系统的一个实施例已作为 TORX PLUS® 驱动系统在市场上销售。
某些现有扭矩传送驱动器受限于它们专用于一种或有限数量的尺寸的具有驱动表面的紧固件，该紧固件带有与驱动器的尺寸对应的凹口或突起。例如，以商品名 TORX®销售的带凸角紧固件需要一定直径的单独的驱动器来配合每个尺寸的对应紧固件。这意味着组装者在现场必须保持一组(set)驱动器，并且每次在安装不同尺寸的紧固件时，不同尺寸的钻头从该组中取出且安装在扭转枪上。例如需要T-1 TORX®驱动器来驱动T-1 TORX®紧固件，而需要T-2 TORX®驱动器来驱动T-2 TORX®紧固件，依此类推。其它紧固件系统，例如，以商标名PHILLIPS®出售的十字型系统可驱动多于一种尺寸的紧固件，但是这些系统易于发生驱动器从紧固件滑出(cam-out)。滑出是旋转抬升的运动，通过该运动驱动器抬升出紧固件凹口，这在紧固件和驱动器具有能致使表面之间的滑动运动的成角的表面时引起。由现有扭矩传送系统的滑出导致对紧固件和驱动器的损害，阻碍紧固件上紧至适当的扭矩，以及发生组件中的受损部件的刨边(shavings)和毛刺(burrs)。
现有系统造成安装不同尺寸的紧固件的组装者的低效率，组装者必须拿一种驱动器来安装一种尺寸的紧固件并拿另一个驱动器来安装另一种尺寸的紧固件，或替代地尝试利用错误尺寸的驱动器或滑出的驱动器来驱动紧固件，这就算可行也增加了困难。用对于紧固件过大或过小的驱动器来驱动紧固件阻碍驱动器的适当就位，增加了驱动器从紧固件滑出、紧固件的凹口或突起的脱落或剪切和/或不适当扭矩的紧固件安装的可能性(prospect)。这表现为安装中的低效率和浪费以及提高的在组件中误安装紧固件以及组件失效的发生率。在十字型例如PHILLIPS®驱动器之前的锥形驱动系统被熟知的是在扭矩下从紧固件滑出，导致紧固件和驱动器的损害和浪费，伴随降低的效率和增高的误安装紧固件和误组装产品、装置和机器的发生率。此外，现有的花键型系统是对于螺纹形成和螺纹切削(cutting)紧固件较低效的，因为驱动器趋于从紧固件中滑出并且驱动器在紧固件中晃动不维持轴向对准。所有这些问题在极小尺寸的紧固件头和扭转驱动器中更严重，特别对于带有小于0.063英寸（1.6毫米）的主螺纹直径的紧固件，且更特别对于具有小于大约0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径的紧固件。除了上述的问题外，由于所涉及的小的紧固件尺寸、凸角尺寸和间隙公差，故这些小紧固件趋于在使用中变形，。
发明内容
公开了一种扭矩传送驱动器，其具有：
主体，主体具有第一端部分和第二端部分，
第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩，
第二端部分与第一端部分相对，第二端部分包括锥形形状的钻头，钻头具有驱动表面，驱动表面包括围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个凸角和凹槽，凸角和凹槽具有锥形驱动表面，锥形驱动表面带有自旋转轴线的15至65°之间的锥度角，锥形驱动表面可操作地接合多个至少两个尺寸的紧固件中的类似形状和锥度的对应的驱动表面，
钻头的锥形驱动表面包括第一锥形部分和第二锥形部分，第一锥形部分可操作地接合第一尺寸紧固件的驱动表面，第二锥形部分可操作地接合第二尺寸紧固件的驱动表面，第二尺寸紧固件的驱动表面大于第一尺寸紧固件的驱动表面，每个凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比。
在一个替代方案中，驱动表面可具有四个凸角和凹槽。
钻头驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的驱动角。驱动侧过渡段的驱动角可在0°至5°之间。在一些实施例中，驱动角可小于零度，例如在0°至-10°之间，或者例如在-2°至-10°之间。驱动侧过渡段可在凸角高度的大约20%至60%之间。
紧固件驱动表面可形成凹口，并且锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。在替代方案中，紧固件驱动表面形成突起，并且锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。
扭矩传送驱动器的锥形驱动表面可具有自旋转轴线的20°至40°之间的、自旋转轴线的30°至40°之间的、自旋转轴线的45°至65°之间的、自旋转轴线的55°至65°之间的、自旋转轴线的45°至55°之间的、或自旋转轴线的50°至55°之间的锥度角。
还公开了一种紧固件系统，其包括：
多个紧固件，多个紧固件具有混合的至少两个尺寸的锥形驱动表面，每个紧固件具有驱动端部分和引导端部分，驱动端部分带有锥形驱动表面，
每个紧固件的驱动端部分可操作地接合扭矩传送驱动器，并且引导部分可操作地使紧固件紧固，
紧固件驱动表面包括围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个紧固件凸角和紧固件凹槽并且具有自旋转轴线的15至65°之间的锥度角，紧固件驱动表面可操作地接合扭矩传送驱动器上的类似形状和锥度的对应驱动表面，驱动表面的每个紧固件凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比，
扭矩传送驱动器，扭矩传送驱动器包括主体，主体具有第一端部分和第二端部分，
第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩，
第二端部分与第一端部分相对，第二端部分包括锥形形状的钻头，钻头包括围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个驱动器凸角和驱动器凹槽，从而形成锥形钻头驱动表面，锥形钻头驱动表面具有自旋转轴线的15至65°之间的锥度角，锥形钻头驱动表面可操作地接合多个紧固件的至少两个尺寸的驱动表面，
钻头的锥形驱动表面具有第一锥形部分以及第二锥形部分，第一锥形部分可操作地接合第一尺寸紧固件的驱动表面，第二锥形部分适于接合第二尺寸紧固件中的驱动表面，第二尺寸紧固件的驱动表面大于第一尺寸紧固件的驱动表面，每个驱动器凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比，
驱动器的驱动器凸角和凹槽互补地接合紧固件的紧固件凹槽和凸角。
在一个替代方案中，钻头驱动表面和对应的紧固件驱动表面可具有四个凸角和凹槽。
至少两个尺寸的紧固件驱动表面中的每个可具有基本上相同的至少一个截面。钻头驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的驱动角。驱动侧过渡段的驱动角可在0°至5°之间。在一些实施例中，驱动角可小于零度，例如在0°至-10°之间、或在-2°至-10°之间。驱动侧过渡段可在凸角高度的大约20%至60%之间。
紧固件驱动表面可形成凹口，并且锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。在一个替代方案中，紧固件驱动表面形成突起，并且锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。
在一些实施例中，扭矩传送驱动器的锥形驱动表面可具有自旋转轴线的20°至40°之间的、自旋转轴线的30°至40°之间的、自旋转轴线的45°至55°之间的、自旋转轴线的50°至55°之间的、自旋转轴线的55°至65°之间的、或自旋转轴线的45°至65°之间的锥度角。在一些实施例中，扭矩传送驱动器的锥形驱动表面可具有标称为45°或标称为52°的锥度角。
另外地，本公开内容包括一种多个紧固件的选集，其包括：
多个紧固件，多个紧固件具有混合的至少两个尺寸的锥形驱动表面，至少两个尺寸的驱动表面中的每个具有类似的截面形状，每个紧固件具有驱动端部分和引导端部分，
每个紧固件的驱动端部分可操作地接合扭矩传送驱动器，并且引导部分可操作地使紧固件紧固，
每个紧固件的驱动端部分包括围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个凸角和凹槽，从而形成锥形驱动表面，锥形驱动表面具有自旋转轴线的15至65°之间的锥度角，锥形驱动表面可操作地接合扭矩传送驱动器上的类似形状和锥度的对应驱动表面，驱动表面的每个凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比。
在一个替代方案中，锥形驱动表面可具有四个凸角和凹槽。
至少两个尺寸的锥形驱动表面中的每个可具有基本上相同的至少一个截面。紧固件驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，驱动侧过渡段具有适于接合对应驱动器表面的驱动角。驱动侧过渡段的驱动角可在0°至5°之间。在一些实施例中，驱动角可小于零度，例如在0°至-10°之间、或在-2°至-10°之间。驱动侧过渡段可在凸角高度的大约20%至60%之间。
紧固件驱动表面可形成凹口。替代地，紧固件驱动表面形成突起。锥形驱动表面可具有自旋转轴线的20°至40°之间的锥度角。在一些实施例中，锥形驱动表面可具有自旋转轴线的20°至40°之间的、自旋转轴线的30°至40°之间的、自旋转轴线的45°至55°之间的、自旋转轴线的50°至55°之间的、自旋转轴线的55°至65°之间的、或自旋转轴线的45°至65°之间的锥度角。在一些实施例中，锥形驱动表面可具有标称为45°或标称为52°的锥度角。
还公开了一种扭矩传送驱动器，其具有
主体，主体具有第一端部分和第二端部分；
第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩；
第二端部分与第一端部分相对，第二端部分包括锥形形状的钻头，锥形形状的钻头对应于多个不同尺寸的紧固件中的类似形状和锥度的凹口，其中，锥形形状的钻头具有自旋转轴线的15°至65°之间的锥度角；
其中，锥形形状的钻头包括对应于第一扭矩方向的驱动表面，驱动表面适于以小于2°的升角接合对应的锥形紧固件表面。
扭矩传送驱动器的第二端部分可为连续地减缩的。
锥形形状的钻头可包括多个凸角，凸角包括驱动表面和对应于第二扭矩方向的后表面（trailing surface）。驱动表面可大致平行于锥形形状钻头的径向。驱动表面和后表面之间的距离沿锥形形状钻头的锥度而减小。替代地或另外地，锥形形状钻头的锥度可不同于对应紧固件凹口的锥度。
在又一个方面中，公开了一种驱动器，驱动器包括中心轴，中心轴具有围绕轴线的逐渐渐缩的直径并适于接合多个不同紧固件尺寸以将扭矩施加至紧固件，驱动器具有：
凸角轮廓，凸角轮廓用于接合所述紧固件上的凹口，所述凸角轮廓具有多个凸角，每个凸角具有驱动侧和后侧，其中，凸角轮廓具有自驱动器的旋转轴线的15°至65°之间的锥度角；
其中，每个凸角的驱动侧沿所述逐渐渐缩的直径在大致恒定的径向位置处；并且
其中，每个凸角的驱动侧以减小的升角接合紧固件，以由此减少滑出。
驱动器的驱动侧和后侧之间的距离可沿逐渐渐缩的直径而减小。替代地或另外地，升角可在0至2度之间。在一个替代方案中，升角可在0至1度之间。
附图说明
图1A-1D是扭矩传送驱动器的概略图示，扭矩传送驱动器接合多个紧固件中的类似形状和锥度的对应凹口，
图2是扭矩传送驱动器的侧视图，
图3是图2的扭矩传送驱动器的端视图，
图4是从截面线4-4穿过图2的扭矩传送驱动器的截面视图，
图5是从图4的截面视图截取的细节视图，
图6是从截面线4-4穿过图2的扭矩传送驱动器的替代截面视图，
图7是从图6的截面视图截取的细节视图，
图8是紧固件头的顶视图，
图9是穿过图8的紧固件的局部截面视图，
图10是从截面线10-10穿过图9的紧固件的截面视图，
图11是穿过图2的截面线4-4的替代截面视图，
图12是穿过图2的截面线4-4的另一个替代截面视图，
图13是本公开内容的替代紧固件的透视图，
图14A是图2的扭矩传送驱动器的细节视图，以及
图14B是本公开内容的替代扭矩传送驱动器的细节视图，
图15是用于锥形带凸角驱动器和紧固件系统的所选择实施例的测试数据的图表。
具体实施方式
现在参看图1A-1D，示出了扭矩传送驱动器20的概略图示，扭矩传送驱动器20与具有不同凹口尺寸42、44、46的多个紧固件32、34、36中类似形状和锥度的对应凹口接合。诸如图1A-1D中所示，钻头（bit）的锥形驱动表面可包括可操作地接合第一紧固件32中的第一尺寸的凹口42的第一锥形部分52、可操作地接合第二紧固件34中的第二尺寸的凹口44的第二锥形部分54、以及可操作地接合第三紧固件36中的第三尺寸的凹口46的第三锥形部分56。如图1D中所示，在该应用中，第三紧固件36的第三尺寸的凹口46比第二紧固件34的第二尺寸的凹口44更大，而第二紧固件34的第二尺寸的凹口44要比第一紧固件32的第一尺寸的凹口42更大。如此，扭矩传送驱动器20适于有效地驱动多于一种尺寸的紧固件。尽管图1A-1D中所示的扭矩传送驱动器20可操作地有效接合并驱动三种不同尺寸紧固件凹口，但扭矩传送驱动器20可适用于期望的多种紧固件凹口尺寸和紧固件尺寸。如下文所述，扭矩传送驱动器典型地可有效接合并驱动2个至4个之间的不同紧固件驱动表面，例如凹口或突起。
如图2中所示，扭矩传送驱动器20包括主体60，主体60具有第一端部分62和第二端部分64。第一端部分62适于从扭矩发生源(例如，动力驱动器、手动操作的驱动器柄、钻机马达或如期望的其它扭矩发生源)接收并传送扭矩。如图2和3中所示，第二端部分64与第一端部分62相对，第二端部分64包括锥形形状的钻头66，钻头66具有围绕如图2中A所示旋转轴线的一系列的六个凸角70和凹槽72。如图2中所示，六个凸角70和凹槽72围绕旋转轴线对称布置，具有自旋转轴线的15°到65°之间的锥度角θ。在一个应用中，该锥度角θ为大约35°。替代地，锥度角为大约40°。在又一个应用中，锥度角选自25°至40°之间的角。在又一应用中，锥度角选自45°至60°之间的角。在又一个应用中，锥度角选自45°至55°之间的角、50°至55°之间的角、或55°至65°之间的角。在又一个应用中，锥度角近似是45°或近似是52°。增大的锥度角可以将更大的强度提供到凹口，从而减少紧固件和驱动器的磨损和失效。
图3和图4中所示的扭矩传送驱动器20为六凸角驱动器。在一个替代方案中，扭矩传送驱动器20和对应的紧固件可包括通过图11的截面为范例示出的五凸角扭矩传送系统，或可为通过图12的截面为范例示出的四凸角扭矩传送系统。在一个应用中，具有小于大约0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径的小紧固件可利用四凸角扭矩传送系统。替代地，具有小于大约0.063英寸(1.6毫米)的主螺纹直径的小紧固件可利用四凸角扭矩传送系统。在另一个应用中，具有小于大约0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径的小紧固件可利用五凸角扭矩传送系统。在又另一替代方案中，具有小于大约0.063英寸(1.6毫米)的主螺纹直径的小紧固件可利用五凸角扭矩传送系统。
在穿过锥形钻头66的任何截面处，诸如图4中所示的截面，每个凸角70的最外末端形成凸角外径74，且每个凹槽72的根部形成内径76。凸角外径74的半径和内径76的半径之间的差是凸角高度78。另外地，每个凸角具有宽度80。随钻头66向第二端呈锥形，每个凸角具有渐缩的高度和宽度。对于每个渐缩的凸角，凸角宽度与高度比对每个凸角随其沿轴线渐缩时是基本相同的。
主体60可为六角形杆（shank），其具有可操作地安装在扭矩发生源中或以其他方式接合扭矩发生源(例如，动力驱动器)的长度和截面尺寸。例如，在常规应用中，主体可具有5/16英寸的六角形截面。替代地，主体可具有1/4六角形截面。如期望，主体60可具有对应于应用中所需要的扭矩发生源的任何截面形状和尺寸。替代地，主体可包括插口(未示出)来接收在扭矩发生源上的对应接合部。
在图3-5的范例中，在每个凸角70和每个凸角70的至少一侧上的凹槽72之间的过渡段形成在外过渡段半径94和内过渡段半径96之间延伸的驱动侧过渡段82。如图5所示，在驱动侧过渡段82和从旋转轴线A延伸并与内过渡段半径96相切的径向线98之间测量驱动角α。驱动侧过渡段82适于接合对应紧固件表面来用于从驱动器向紧固件传递扭矩。驱动侧过渡段典型地在凸角高度的大约20%至60%之间。替代地，驱动侧过渡段在凸角高度的大约10%至80%之间。在又一替代方案中，驱动侧过渡段在凸角高度的大约20%至40%之间。如图5中所示，驱动侧过渡件82形成在0°至5°之间的驱动角α。替代地，如图6和7中所示，在每个凸角和每个凸角70的至少一侧上的凹槽之间的过渡段形成具有负驱动角的驱动侧过渡段82，其中驱动角α在0°至-10°之间。在一个应用中，驱动角α 在-2°至-10°之间。替代地，驱动角α 在-3°至-10°之间。在又一替代方案中，驱动侧过渡段可形成0°至-3°之间的驱动角。在本文使用时，正驱动角被定义成向外成角的驱动侧过渡段表面，使得从该表面垂直延伸的线指向内径76的外侧或远离内径76。相反，负驱动角被定义成向内成角的驱动侧过渡段表面，使得从该表面垂直延伸的线指向内径76的内侧或向着内径76。零度的驱动角提供了垂直于驱动侧过渡段表面的线，该线平行于凸角内径和/或外径的切线。典型地，紧固件驱动角与钻头驱动角近似相同，来提供表面与表面的接触。替代地，如期望，紧固件驱动角可大于或小于钻头驱动角，来容纳紧固件与驱动器之间的间隙。
在公-母接合（male-female engagement）中，锥形驱动器20可操作地驱动紧固件中的对应驱动表面。在一个应用中，如上文所述和图8-10中所示，紧固件36具有驱动端部分86和引导端部分88。驱动端部分86可操作地接合扭矩传送驱动器而引导部分88例如通过螺纹来可操作地使紧固件紧固。驱动端部分86具有驱动表面40，驱动表面40包括围绕旋转轴线的一系列的五个或六个紧固件凸角90和紧固件凹槽92，紧固件凸角90和紧固件凹槽92具有自旋转轴线的15°至65°之间的锥形驱动表面γ。紧固件凸角90和紧固件凹槽92可操作地接合驱动器上的类似形状和锥度的对应的驱动表面。每个紧固件凸角90具有渐缩的高度和宽度，其中凸角的宽度与高度之比是恒定的。在紧固件凹口中，凸角90突入凹口以接合驱动器上的驱动器凹槽72。类似地，驱动器上的驱动器凸角70接合紧固件凹口中的紧固件凹槽92。
在另一个替代方案中，例如图13中所示，紧固件驱动表面40包括四个、五个或六个凸角和凹槽的突起，来与驱动器（未示出）中的对应凹口接合。期望的是，本申请中描述对应于诸如图9中所示的紧固件中的凹口的驱动器钻头的驱动表面的论述和引用也应用于诸如图13中所示的紧固件上的作为突起的驱动表面。类似地，本申请中描述诸如图9中所示的紧固件中的凹口的驱动表面的论述和引用也应用于用于驱动诸如图13中所示的紧固件上的突起的驱动器中的凹口中的驱动表面。
凸角和凹槽呈锥形地进入凹口，至少到图9中以"P"指示的底平面。底平面P在本文使用时是对应的驱动器可插入凹口中的近似深度。在底平面P的下方，凹口的底部可为圆锥形的、半球形的、半球体形的、平的或如期望的任何其它弧形或成角度的形状来用于形成凹口。从底平面P，凹口的截面带凸角形状向具有锥度角γ的紧固件凹口的顶部向外呈锥形。凹口锥度角γ可与驱动器锥度角θ近似相同。替代地，凹口锥度角γ可略微大于驱动器锥度角θ以用于制造公差。在另一个替代方案中，凹口锥度角γ可比驱动器锥度角θ大0.5°至5°之间。如一个范例中，凹口锥度角γ可指定为35°至36°之间，且驱动器锥度角θ指定为34°至35°之间，其中凹口锥度角γ 和驱动器锥度角θ标称都为35°。在另一示例中，凹口锥度角γ可指定为52°至53°之间，且驱动器锥度角θ指定为51°至52°之间，其中凹口锥度角γ 和驱动器锥度角θ标称各自为52°。在另一示例中，凹口锥度角γ可指定为45°至46°之间，且驱动器锥度角θ指定为44°至45°之间，其中凹口锥度角γ 和驱动器锥度角θ标称各自为45°。然而，凹口锥度角γ和驱动器锥度角θ可为如期望的自旋转轴线的15°至65°之间的任何角。
可提供紧固系统，借助于紧固系统，一个扭矩传送驱动器20可操作地驱动多个不同尺寸的紧固件32、34、36。锥形驱动器20可构造成利用相同尺寸的钻头66驱动两个或更多不同尺寸的紧固件。在图1A-1D的范例中，锥形钻头的末端部分具有截面尺寸，其形成可操作地接合对应于第一锥形部分尺寸的紧固件的第一锥形部分52。第二锥形部分54可处于锥形钻头上的邻近第一锥形部分52的位置，第二锥形部分54具有大于第一锥形部分的截面尺寸。第二锥形部分54可操作地接合对应于第二锥形部分的尺寸的紧固件。类似地，第三锥形部分56邻近第二锥形部分54，第三锥形部分56可操作地接合对应于第三锥形部分的尺寸的紧固件。例如，一个驱动器可适于驱动相关尺寸的6、8和10螺丝，其中钻头的第一锥形部分52适于#6螺丝，第二锥形部分54适于#8螺丝并且第三锥形部分56适于#10螺丝。在其它替代方案中，一个驱动器可适于驱动相关尺寸的8、10和12螺丝，并且另一个驱动器适于驱动相关的1/4英寸、5/16英寸和3/8英寸的螺丝。替代地，驱动器可适于驱动多个小紧固件，例如与驱动器相关的尺寸#0和#1的紧固件或更小。如期望的，驱动器可适于驱动两个或更多相继尺寸的相关紧固件。
对于一个驱动器20驱动多个不同尺寸的紧固件32、34、36，每个紧固件都具有对应于驱动器的驱动表面40，使得不同尺寸的驱动表面具有至少一个在尺寸和形状上基本相同截面。特别地，参看图1A-1D，于与期望的驱动钻头20相关的每个紧固件，在底平面P处的凹口42、44、46的截面的尺寸和形状是近似相同的。另外地，驱动器20的在第二端64处的对应截面尺寸和形状与底平面P处的紧固件尺寸和形状近似相同。对于某些应用，驱动器20的在第二端64处的截面尺寸和形状小于在底平面P处的紧固件尺寸和形状，从而易于驱动器插入凹口和从凹口除去。替代地，驱动器20的在第二端64处的截面尺寸和形状略微大于在底平面P处的紧固件尺寸和形状，使得驱动器和紧固件之间的干涉(interference)导致紧固件可释放地卡住(stick)驱动器，从而组装者不必须将紧固件保持到驱动器上。
紧固件的驱动表面和对应构造的钻头驱动表面构造成用于使紧固件驱动表面与对应的钻头驱动表面接合至足以允许从驱动器钻头至紧固件的良好扭矩施加的接合深度。例如，具有小于约0.039英寸(1.0mm)的主螺纹直径的小紧固件可具有小于0.010英寸(0.25毫米)的驱动表面的有效接合深度。对于例如具有大于大约0.236英寸(6.0毫米)的主螺纹直径的较大的紧固件，有效接合深度可为0.06英寸(1.5毫米)或更大。
对于某些较大紧固件应用，锥形紧固件驱动表面和相关驱动器可使用传统的冷锻和/或机加工技术制造。然而，较小的紧固件趋于需要增高的精度。在一个应用中，通过冲压来将紧固件驱动表面压出或模压到紧固件上。对于某些应用，例如对于具有小于大约0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径或替代地具有小于大约0.063英寸（1.6毫米）的主螺纹直径的小紧固件，驱动器可通过电子放电加工（EDM）或电化学加工（ECM）来制造。可构想出，滚铣（hobbing）也可用于某些适合的几何形状。
对于应用，如期望的，本扭矩传送驱动器可为钢或铝合金。在一个替代方案中，钢是中碳钢，例如AISI S2, 6150, 8650, 8660或如期望的为具有可硬化性和强度的其它工具钢组分或合金钢组分。中碳钢可在驱动器制成后被硬化。在扭矩传送驱动器形成后，钢驱动器可被硬化至58-62HRC的硬度。替代地，钢驱动器可被硬化至大于52HRC的硬度。
如上文所述，例如图3中所示的驱动器的凸角70随钻头66渐缩而渐缩。在这些实施例中，当钻头（见图2-4）的截面尺寸减小时，凸角70与凹槽72的比例将保持基本相同。因为凸角是锥形的，来自紧固件的对驱动器凸角所施加的反作用力示意地示为图14A中的“FR”，FR包括升角β。反作用力FR包括沿驱动器轴线的分量，示意地示为图14A中的“FV”，其在紧固件的驱动期间沿趋于抬升驱动器20和减少驱动器在紧固件凹口中的接合的方向。该过程被称为“滑出（cam out）”，因为随驱动扭矩增加而分力FV 也增加，当与分力 FV相对的力没有施加时，驱动器可沿远离紧固件凹口的方向抬升，并且在一些情况下，驱动器可抬升至足以与紧固件凹口脱离。
本公开的紧固件系统抑制滑出，并且对于某些应用可期望进一步减小导致滑出的力。在图14B中所示的一个范例中，驱动器66'的驱动表面102可被修改，同时后表面104可如先前阐述的那样呈锥形。如图14B中所示，驱动表面102可基本平行于驱动器的旋转轴线，取决于制造公差，将升角β减小至等于或接近零度。在一个替代方案中，驱动表面102上的升角可在0°至2°之间。该升角可被选择来减少当扭矩通过驱动器施加至紧固件时作用在驱动器上的竖直力的量。随扭矩需求的增加，会期望升角等于或接近零度。由应用来决定，在低扭矩布置中，升角可不需要被高度地约束。在图14B所示的具有驱动侧角近似为零度的布置中，当使用驱动器来使紧固件与对应的凹口上紧时，升角β将接近零，这减少了在紧固期间发生滑出的可能性。当图14B中所示的驱动器被使用于松开紧固件时，在驱动紧固件的除去的后表面104上的升角可大于零。紧固件可设计成容纳单独的驱动器来用于紧固件的安装和除去，这对于防擅动(tamper-resistant)应用会是期望的。
图14B中所示的驱动器66′使在紧固件凹口中的凸角的对应驱动侧上锥度能够更小，这增加了紧固件的凸角中的材料的量，从而使紧固件更强。紧固件凸角中所增加的材料可导致驱动器和紧固件之间的扭矩差在量上接近，这进一步有助于抑制滑出并改善驱动器的维护。
现在参看图15，执行了对所公开的锥形凸角驱动器和紧固件系统的测试。在各种情况中，使具有所选锥度角的一组锥形凸角驱动钻头与对应的凹口接合。如图15中所述，三次测试包括：五凸角驱动钻头和具有35°的锥度角的凹口、具有45°的锥度角的六凸角驱动系统、以及具有52°的锥度角的六凸角驱动系统。驱动钻头各自扭转，直到驱动系统不能确定该系统的强度。另外地，在标准的紧固件凹口以及形成于具有显著增加的强度的高速钢中的凹口两者中对驱动钻头进行测试，以便单独地对驱动钻头的强度进行分析。黑色参考线表示现有技术可商购六凸角直壁（straight-walled）驱动钻头的规定的驱动钻头强度。如所示，具有45°和52°的锥度角的六凸角驱动钻头两者都超越六凸角直壁驱动钻头的驱动钻头强度。因此，锥形凸角驱动器和紧固件提供驱动系统强度的改善连同对于多尺寸紧固件使用单个驱动器的能力，这些都同时降低在紧固期间发生滑出的可能性。
尽管在附图中和上述描述中已经详细示出了并描述了本发明，但本发明应被视为在特征上是示意性而非限制性的，应当理解，仅已示出并描述了优选的实施例，并且期望的是落在本发明的精神范围内的所有改变和修改都通过所附的权利要求和其等同方案来保护。
Claims (48)
1.一种扭矩传送驱动器，其包括：
主体，所述主体具有第一端部分和第二端部分，
所述第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩，
所述第二端部分与所述第一端部分相对，所述第二端部分包括锥形形状的钻头，所述钻头具有驱动表面，所述驱动表面包括围绕旋转轴线的一系列交替的四个、五个或六个凸角和凹槽，所述凸角和凹槽具有锥形驱动表面，所述锥形驱动表面带有自旋转轴线的45至65°之间的锥度角，所述锥形驱动表面可操作地接合多个至少两个尺寸的紧固件中的类似形状和锥度的对应的驱动表面，
所述钻头的锥形驱动表面包括第一锥形部分和第二锥形部分，所述第一锥形部分可操作地接合第一尺寸紧固件的驱动表面，所述第二锥形部分可操作地接合第二尺寸紧固件的驱动表面，所述第二尺寸紧固件的驱动表面大于所述第一尺寸紧固件的驱动表面，每个凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比。
2.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，所述驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的驱动角，所述驱动角在0°至5°之间。
3.根据权利要求2所述的扭矩传送驱动器，其中，所述驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间。
4.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，所述驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的负驱动角，所述驱动角在0°至-10°之间。
5.根据权利要求4所述的扭矩传送驱动器，其中，所述驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间。
6.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述紧固件驱动表面形成凹口，并且所述锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。
7.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述紧固件驱动表面形成突起，并且所述锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面。
8.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述锥形驱动表面具有自所述旋转轴线的55°至65°之间的锥度角。
9.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述锥形驱动表面具有自所述旋转轴线的45°至55°之间的锥度角。
10.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述第一尺寸紧固件和第二尺寸紧固件中至少一个具有小于0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径.
11.根据权利要求1所述的扭矩传送驱动器，其中，所述第一尺寸紧固件和第二尺寸紧固件中至少一个具有小于0.063英寸(1.6毫米)的主螺纹直径.
12.一种紧固件系统，其包括：
多个紧固件，所述多个紧固件具有混合的至少两个尺寸的锥形驱动表面，每个紧固件具有驱动端部分和引导端部分，所述驱动端部分带有所述锥形驱动表面，
每个紧固件的驱动端部分可操作地接合扭矩传送驱动器，并且所述引导部分可操作地使所述紧固件紧固，
所述紧固件驱动表面包括围绕旋转轴线的一系列交替的四个、五个或六个紧固件凸角和紧固件凹槽并且具有自所述旋转轴线的45至65°之间的锥度角，所述紧固件驱动表面可操作地接合所述扭矩传送驱动器上的类似形状和锥度的对应驱动表面，所述驱动表面的每个紧固件凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比，
扭矩传送驱动器，所述扭矩传送驱动器包括主体，所述主体具有第一端部分和第二端部分，
所述第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩，
所述第二端部分与所述第一端部分相对，所述第二端部分包括锥形形状的钻头，所述钻头包括围绕旋转轴线的一系列交替的五个或六个驱动器凸角和驱动器凹槽，从而形成锥形钻头驱动表面，所述锥形钻头驱动表面具有自所述旋转轴线的45至65°之间的锥度角，所述锥形钻头驱动表面可操作地接合所述多个紧固件的至少两个尺寸的驱动表面，
所述钻头的锥形驱动表面具有第一锥形部分以及第二锥形部分，所述第一锥形部分可操作地接合第一尺寸紧固件的驱动表面，所述第二锥形部分适于接合第二尺寸紧固件中的驱动表面，所述第二尺寸紧固件的驱动表面大于所述第一尺寸紧固件的驱动表面，每个驱动器凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比，
所述驱动器的驱动器凸角和凹槽互补地接合所述紧固件的紧固件凹槽和凸角.
13.根据权利要求13所述的紧固件系统，所述至少两个尺寸的紧固件驱动表面中的每个具有基本上相同的至少一个截面.
14.根据权利要求13所述的紧固件系统，所述钻头上的锥形驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的驱动角，所述驱动角在0°至5°之间.
15.根据权利要求15所述的紧固件系统，所述锥形钻头上的驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间.
16.根据权利要求13所述的紧固件系统，所述钻头上的锥形驱动表面包括在每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的紧固件表面的负驱动角，所述驱动角在0°至-10°之间.
17.根据权利要求17所述的紧固件系统，其中，所述锥形钻头上的驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间.
18.根据权利要求13所述的紧固件系统，其中，所述紧固件驱动表面形成凹口，并且所述锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面.
19.根据权利要求13所述的紧固件系统，其中，所述紧固件驱动表面形成突起，并且所述锥形钻头可操作地接合至少两个尺寸的紧固件驱动表面.
20.根据权利要求13所述的紧固件系统，其中，所述驱动器的锥形驱动表面和所述对应的紧固件驱动表面具有自所述旋转轴线的55°至65°之间的锥度角.
21.根据权利要求13所述的紧固件系统，其中，所述驱动器的锥形驱动表面和所述对应的紧固件驱动表面具有自所述旋转轴线的45°至55°之间的锥度角.
22.根据权利要求13所述的扭矩传送驱动器，其中，所述多个紧固件包括具有小于0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径的紧固件.
23.根据权利要求13所述的扭矩传送驱动器，其中，所述多个紧固件包括具有小于0.063英寸(1.6毫米)的主螺纹直径的紧固件.
24.一种多个紧固件的选集，其包括：
多个紧固件，所述多个紧固件具有混合的至少两个尺寸的锥形驱动表面，所述至少两个尺寸的驱动表面中的每个具有类似的截面形状，每个紧固件具有驱动端部分和引导端部分，
每个紧固件的所述驱动端部分可操作地接合扭矩传送驱动器，并且所述引导部分可操作地使所述紧固件紧固，
每个紧固件的所述驱动端部分包括围绕旋转轴线的一系列交替的四个、五个或六个凸角和凹槽，从而形成锥形驱动表面，所述锥形驱动表面具有自所述旋转轴线的45至65°之间的锥度角，所述锥形驱动表面可操作地接合所述扭矩传送驱动器上的类似形状和锥度的对应驱动表面，所述驱动表面的每个凸角具有渐缩的高度和宽度，具有基本上恒定的凸角宽度与高度比.
25.根据权利要求25所述的紧固件系统，所述至少两个尺寸的紧固件驱动表面中的每个具有基本上相同的至少一个截面.
26.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的过渡段形成驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的驱动器表面的驱动角，所述驱动角在0°至5°之间.
27.根据权利要求27所述的紧固件的选集，其中，所述驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间.
28.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，每个凸角和每个凸角的至少一侧上的凹槽之间的过渡段形成驱动侧过渡段，所述驱动侧过渡段具有适于接合对应的驱动器表面的负驱动角，所述驱动角在0°至-10°之间.
29.根据权利要求29所述的紧固件的选集，其中，所述驱动侧过渡段在所述凸角高度的大约20%至60%之间.
30.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，所述紧固件驱动表面形成凹口.
31.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，所述紧固件驱动表面形成突起.
32.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，所述锥形驱动表面具有自所述旋转轴线的55°至65°之间的锥度角.
33.根据权利要求25所述的紧固件的选集，其中，所述锥形驱动表面具有自所述旋转轴线的45°至55°之间的锥度角.
34.根据权利要求25所述的扭矩传送驱动器，其中，所述多个紧固件包括具有小于0.039英寸(1.0毫米)的主螺纹直径的紧固件.
35.根据权利要求25所述的扭矩传送驱动器，其中，所述多个紧固件包括具有小于0.063英寸(1.6毫米)的主螺纹直径的紧固件.
36.一种扭矩传送驱动器，其包括：
主体，所述主体具有第一端部分和第二端部分；
所述第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩；
所述第二端部分与所述第一端部分相对，所述第二端部分包括锥形形状的钻头，所述锥形形状的钻头对应于多个不同尺寸的紧固件中的类似形状和锥度的凹口，其中，所述锥形形状的钻头具有自旋转轴线的45°至65°之间的锥度角；
其中，所述锥形形状的钻头包括对应于第一扭矩方向的驱动表面，所述驱动表面适于以小于2°的升角接合对应的锥形紧固件表面.
37.根据权利要求37所述的扭矩传送驱动器，其中，所述第二端部分是连续地减缩的.
38.根据权利要求37所述的扭矩传送驱动器，其中，所述驱动表面大致平行于所述锥形形状的钻头的径向.
39.根据权利要求39所述的扭矩传送驱动器，其中，所述锥形形状的钻头包括多个凸角，所述多个凸角包括驱动表面和对应于第二扭矩方向的后表面.
40.根据权利要求40所述的扭矩传送驱动器，其中，所述驱动表面和所述后表面之间的距离沿所述锥形形状的钻头的锥度而减小.
41.根据权利要求41所述的扭矩传送驱动器，其中，所述锥形形状的钻头的锥度不同于对应的紧固件凹口的锥度.
42.根据权利要求37所述的扭矩传送驱动器，其中，所述锥形形状的钻头具有自所述旋转轴线的45°至55°之间的锥度角.
43.一种扭矩传送驱动器，其包括：
主体，所述主体具有第一端部分和第二端部分；
所述第一端部分适于接收并传送来自扭矩发生源的扭矩；
所述第二端部分与所述第一端部分相对，所述第二端部分包括六个凸角的锥形钻头，所述钻头对应于多个不同尺寸的紧固件中的类似形状和锥度的凹口，其中，所述锥形形状的钻头具有自旋转轴线的标称为52°的锥度角；
其中，所述锥形形状的钻头包括对应于第一扭矩方向的驱动表面，所述驱动表面适于以小于2°的升角接合对应的锥形紧固件表面.
44.一种驱动器，所述驱动器包括中心轴，中心轴具有围绕轴线的逐渐渐缩的直径并适于接合多个不同紧固件尺寸以将扭矩施加至所述紧固件，所述驱动器具有：
凸角轮廓，所述凸角轮廓用于接合所述紧固件上的凹口，所述凸角轮廓具有多个凸角，每个凸角具有驱动侧和后侧；
其中，所述凸角轮廓具有自所述驱动器的旋转轴线的45°至65°之间的锥度角；
其中，每个凸角的驱动侧沿所述逐渐渐缩的直径在大致恒定的径向位置处；并且
其中，每个凸角的驱动侧以减小的升角接合所述紧固件，以由此减少滑出.
45.根据权利要求45所述的驱动器，其中，所述驱动侧和所述后侧之间的距离沿所述逐渐渐缩的直径而减小.
46.根据权利要求45所述的驱动器，其中，所述驱动侧上的升角在0至2度之间.
47.根据权利要求45所述的驱动器，其中，所述驱动侧上的升角在0至1度之间.
48.根据权利要求45所述的驱动器，其中，所述驱动角自所述旋转轴线在45°至55°之间。
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