CN107427993B - 具有全表面驱动接触的驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种具有全表面驱动接触的驱动系统。驱动系统倾向于典型的套头‑凹部反作用(驱动)扭矩值处最大化表面接触图案或区域，从而最小化凹部表面接触应力、涂层破坏、凹部铰大和过早套头疲劳失效。本发明实施例的目的是提供一种具有全表面驱动接触的驱动系统。具体来说，本发明实施例的目的是提供一种驱动系统，其倾向于在典型的套头‑凹部反作用(驱动)扭矩值处最大化表面接触图案或区域，从而最小化凹部表面接触应力、涂层破坏、凹部铰大和过早套头疲劳失效。

Description

具有全表面驱动接触的驱动系统

发明人

戴维·C·高斯(David C.Goss)

相关申请(优先权要求)

本申请要求2015年3月19日提交的美国临时申请第62/135390号的权益，其内容全部被纳入本文作为参考。

背景技术

本发明一般涉及驱动系统，例如包含套头和紧固件的驱动系统，以及用于在紧固件中形成凹部的冲头。

典型的紧固件驱动系统设计或几何形状产生驱动工具(即套头)和紧固件驱动功能(即凹部)之间不同的表面接触图案。例如，一些驱动系统的几何形状产生“点”接触表面图案，这意味着当套头被旋转以初始接触凹部(接近零的反作用扭矩)时，它在一个点(或围绕凹部的多个点)接触凹部。

其它驱动系统的几何形状产生“线”接触表面图案，这意味着当套头被旋转以初始接触时，它在多条线接触凹部。为了把套头放在紧固件的凹部内，套头和凹部之间必须有点间隙。当套头被旋转时，套头和凹部之间的间隙变窄，直到与凹部的侧壁有线接触。点和线接触系统在整个驱动系统中都产生高应力，也可能增加套头故障。

也有其它驱动系统的几何形状产生从套头底部到凹部顶部的“区域”接触表面图案。一般来说，“区域”接触表面图案比“线”接触表面图案更有利，而“线”接触表面图案比“点”接触表面图案更有利。

然而，即使对于“区域”接触表面图案，当套头-凹部反作用扭矩(即驱动扭矩)增加时，驱动套头的几何形状被弹性变形(即扭曲和压缩)，还有凹部的几何形状(即压缩)，促使套头-凹部接触表面图案改变并且从套头底部移向凹部顶部。当反作用扭矩增加时，表面接触图案面积趋于减小，从而进一步增加套头-凹部接触应力。在凹部顶部增加的接触应力可能会损坏紧固件完成(即涂层)，并且可能导致凹部失效(铰大)。套头上增加的接触应力(和扭曲)可能导致过早磨损、凹部失效和疲劳失效。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种具有全表面驱动接触的驱动系统。

具体来说，本发明实施例的目的是提供一种驱动系统，其倾向于在典型的套头-凹部反作用(驱动)扭矩值处最大化表面接触图案或区域，从而最小化套头-凹部表面接触应力、涂层破坏、凹部铰大和过早套头疲劳失效。

简而言之，本发明的实施例提供一种驱动系统，其包括紧固件，其中紧固件包含驱动表面，其由包含一个或多个弧或者单弧构造的多边形渐开线形成。关于定义驱动表面的弧，优选每个弧都具有恒定的半径(即，是圆的一段)。

本发明的另一实施例提供了套头，其包含驱动表面，其由包含一个或多个弧或者是单弧构造的多边形渐开线形成。关于定义驱动表面的弧，优选每个弧都具有恒定的半径(即，是圆的一段)。

本发明的另一实施例提供了冲头，其包含表面，其由包含一个或多个弧或者是单弧构造的多边形渐开线形成。关于定义表面的弧，最好每个弧都具有恒定的半径(即，是圆的一段)。

附图说明

本发明结构和操作的组织和方式，以及进一步的目的和优势，通过参考下面结合附图的描述将得到最佳的理解，其中相似的参考数字代表相似的元件，其中：

图1描述了根据本发明实施例的凹部(或冲头)；

图2是与图1中所示凹部相对应的套头的横截面图；

图3显示了插入到图1凹部中的图2中的套头；

图4与图3相似，但显示了套头已被旋转为与凹部的驱动壁完全接触之后的套头和凹部。

图5是清楚地显示了全表面接触的放大视图；

图6是显示了在套头被旋转之前的套头和凹部之间的间隙的放大视图；

图7和图8显示了图1所示的凹部的一部分，同时也显示了它的某些尺寸；

图9和图10显示了图2所示的套头的一部分，同时也显示了它的某些尺寸；

图11-13提供与图1中所示凹部相关的视图；

图14-21提供与可选实施例相关的视图；

图22是对实施例进行比较的视图；以及

图23-27描述了凹部的叶瓣之间提供的不同版本的延伸壁。

具体实施方式

尽管本发明可以不同形式实施，附图中有所示并且在本文中将详细描述为特定的实施例，可以理解，本公开旨在作为本发明原理的例证，而不是为了限制本发明为所描述的范围。

本发明的多个实施例在本文公开。每个实施例都提供具有全表面驱动接触的驱动系统。更具体地说，每个实施例都包括紧固件，其中紧固件包括凹部，其包含驱动表面，其由多边形渐开线形成或者被提供为单弧构造。

关于术语“渐开线”，渐开线是点的轨迹，最初在基圆上，其沿着相切的圆移动到接触的切点，使得其直线距离等于沿着圆弧从初始点到相切的即时点的距离。或者，当直线围绕圆的圆周滚动而不打滑时，渐开线是直线上点的轨迹。当绳子或棉花从其圆柱卷展开时，渐开线通过被例如绳子或棉花片追踪出轨迹得到最佳的可视化。

为了产生渐开线轮廓，线可通过展开例如来自圆柱体的绳子被追踪。圆柱体可被称为基圆。在展开过程中的任意点，产生的线(即绳子)都与圆柱体相切并且与渐开线曲线垂直。如果两个渐开线轮廓相互接触，则产生的线将与两个圆柱体都相切，这通常称为压力线。

从数学上来说，渐开线曲线是从下面的方程中提取的：

其中R＝到渐开线上任意点的半径；θ＝从渐开线开始到半径R的角；以及β＝绳子通过其必须被展开的角。

产生的线长度等于

以及角度β所对向的基圆圆周长度，从而

或者

并且通过替换

这允许在极坐标(R，θ)中绘制渐开线曲线。

把角度写成压力角

的函数是很常见的形式。

其中

是渐开线函数，它的值在许多书中被列成表用于不同的齿轮。这样可以在许多计算中使用，例如使用下面的等式确定不同半径下的齿厚(T₁)。

应该指出的是，本发明所包含的紧固件、套头、冲头等可具有驱动表面，考虑到现实生活中的制造工艺和材料，其在显微镜下不是完美的多边形渐开线。

图1描述了凹部10，例如紧固件11或其它结构中的凹部(图1也描述了冲头10的端表面轮廓)，其中凹部10与本发明的优选实施例相一致。具体来说，凹部10被配置为提供多个叶瓣12，每个都具有驱动表面14，其由多边形渐开线形成。在优选实施例中，每个驱动表面都由包含两弧的多边形渐开线形成，其中每个弧都具有不同的半径，但每个弧都具有恒定的半径(即，每个弧都是圆的一段)。在每个叶瓣12之间是凹槽16，其提供在相邻叶瓣12之间延伸的壁18。这些壁18及其采用的不同形状将在后文更详细地进行说明。

图2提供了对应的外部驱动例如套头20的横截面图，其中套头20被提供为与图1中凹部10相关，并且其中套头20与本发明的优选实施例相一致。具体来说，套头20的外表面轮廓对应于图1中所示的凹部10的轮廓，从而套头20被插入到凹部10中，并且可顺时针或逆时针方向旋转从而驱动紧固件，凹部10在紧固件中被形成。

套头20对应于凹部10。因此，套头20包含多个叶瓣21，每个叶瓣21都包含驱动表面或驱动壁24，其由多边形渐开线形成。更具体地说，驱动表面24优选由包含两弧的多边形渐开线形成，并且每个弧都具有恒定的半径(即，是圆的一段)。优选地，凹槽21之间的每个壁23都至少是平的、凹圆形、凸点和凹点中的一个，下文将更充分地进行描述。

当套头20最初被插入到凹部10中时，套头20和凹部10可如图3所示，其中，在套头20的驱动壁24和凹部10的驱动壁14之间有间隙21。假设套头20随后被顺时针旋转，则套头20和凹部10可如图4所示，其中，套头20的前壁26衔接对应凹部10的驱动壁14，而套头20的后壁28远离相应的凹部10的驱动壁14以提供间隙22。

套头20的前壁26和相应的凹部10的驱动壁14之间的全表面接触可在图5中最佳地看到，其提供了套头20的前壁26和凹部10的驱动壁14之间的接口的放大视图。全表面接触从点30延伸到点32。另一方面，套头20的前壁26和相应在套头之前的凹部10的驱动壁14之间的间隙21被旋转，并且可在图6中最佳地看到，其提供了套头20的前壁26之一和相应的凹部10的驱动壁14的放大视图。如图4所示，要不是点30和32之间的表面接触，套头20和凹部10之间的间隙22就是恒定的，并且优选在套头20旋转时保持恒定。

尽管本文公开了其它配置，但是如图1和图2所示的两弧多边形渐开线配置是优选的。有了这个配置，混合半径(即，每个弧之间的部分)就不会被冲走。此外，在套头和凹部之间提供了最小间隙22。尽管每个弧优选具有不同的半径，但是每个弧优选具有恒定的半径(即，每个弧都是圆的一段)。图1所示的A和B尺寸是直径。这些直径有助于测量这一特征，在A尺寸上提供更多的叶瓣宽度，减少锻头工具碎裂的机会，并且增加叶瓣处的套头区域。

图7显示了图1所示凹部的一部分，并且指出了一些尺寸。图8仅显示了凹部的驱动壁之一，并且指出了其它一些尺寸，包括两弧中每一个的半径(R1和R2)。如所示，尽管R1不等于R2，R1和R2每一个都是恒定的。关于每个尺寸的实际值，一个具体实施例可以提供，例如(所有值都是英寸)，R1＝0.0198752778，R2＝0.0397505556，A＝0.155，B＝0.1206，Fa＝0.0086，Fb＝0.0360759556，Ea＝0.0086，Eb＝0.0360759556，P＝0.0689，S＝0.0689，Ra＝0.007以及Rb＝0.005。关于Gr和G，Gr可以是17.9021442092度并且G(REF)可以是18.9716157232度。这仅仅是本发明的一个实施例，在不背离本发明范围的同时，大量其它尺寸、形状等是完全可能的。

图9和10与图7和图8相似，但与图2中所示的套头20相关。如所示，套头具有与凹部相对应的形状。图11-13提供了多个两弧配置相关的视图并且是自解释的。

图14-16提供了多个可选实施例相关的视图并且也是自解释的。具体来说，图14-16显示了这样的配置，其中每个凹部的驱动壁都被提供为由包含一个弧的多边形渐开线形成，所述弧具有恒定的半径(即，它是圆的一段)。

图17-19提供了多个与另一实施例相关的视图并且是自解释的。具体来说，图17-19显示了这样的配置，其中每个凹部的驱动壁都由包含三弧的多边形渐开线形成，其中每个弧都具有不同的半径，但是每个弧都具有恒定的半径(即，每个弧都是圆的一段)。

图20-21提供了多个与再一实施例相关的视图并且是自解释的。具体来说，图20-21显示了这样的配置，其中每个凹部的驱动壁都被提供为单弧构造，其中弧半径是恒定的(即，弧是圆的一段)。

图22是比较不同实施例的视图。参考数字200标识圆渐开线-高精度，参考数字202标识多边形渐开线-1弧，参考数字204标识多边形渐开线-2弧，参考数字206标识多边形渐开线-3弧，以及参考数字208标识单弧构造(垂直弧)。

图1和图2描述了这样的配置，其中叶瓣12之间的壁18被提供为平的。这在图23中显示得很好，其显示了左侧的凹部10和右侧的套头20。这是关于壁18的优选配置，因为它提供了壁18，共同定义了六边形形状，从而六角工具可被插入到凹部中并且用于驱动紧固件(除了图23右侧所示的相应套头外)。

每个图24-27都显示了可选实施例，并且在每种情况下都是凹部显示在左侧，而相应的套头(形状类似)显示在右侧。在图24所示的实施例中，凹槽之间的每个壁18都是半圆的(即凸圆形)，并且用参考数字40标识圆。

在图25所示的实施例中，叶瓣14之间的每个壁18都是凹圆形。在图26所示的实施例中，叶瓣14之间的每个壁18都是凸点。在图27所示的实施例中，叶瓣14之间的每个壁18都是凹点。

尽管本文公开的凹部的深度都没有被具体地显示或描述，但是任何凹部的深度都可根据应用程序和驱动系统所需的属性而采取任何适当的形式。例如，深度可以是平的(例如，凹部底部的深度可以是平的)、锥形的、具有球形底部等。例如，深度可以到这样的程度，每个驱动壁都是半圆柱体的，相对于向下进入凹部。

关于提供用于衔接本文公开的任何凹部的套头，套头被优选提供为稍微螺旋(即预扭)。这样，区域接触图案的凹部几何形状的使用与相应的稍微螺旋的凹部几何图形结合在一起。因此，在接近零的反作用扭矩下，套头的端部首先接触凹部，并且当扭矩增大时，套头-凹部表面接触图案区域从套头的端部扩展延伸到凹部的顶部。

尽管本发明的实施例已被描述为以紧固件头部中的凹部形式来实现，但是实施例也可采用具有外部轮廓的外部驱动(例如套头)的形式，其与已被描述的凹部相一致。实际上，本文提供的附图甚至也适用于这些实施例。此外，尽管附图显示了六叶瓣系统，但是本发明也可被实现为包含更多或更少叶瓣的系统，例如三、四或五叶瓣系统。

尽管已经显示和描述了本发明的特定实施例，但可以预见，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下设计各种修改。

Claims (20)

1.一种紧固件，包含具有中心的凹部；所述凹部中的驱动表面，所述驱动表面从内径延伸到外径，由多边形渐开线形成，所述多边形渐开线包括多个连续切线弧，其中每个弧具有所述凹部内的半径，所述弧相对于所述凹部的中心是凹的，其中每个半径恒定但不同，并且其中每个半径的中心位于凹部中心的半径的轨迹点上。

2.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述凹部用来提供多个叶瓣，每个叶瓣都包含驱动表面，其由多边形渐开线形成。

3.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述凹部用来提供多个叶瓣，每个叶瓣都包含驱动表面，其由包含两弧的多边形渐开线形成。

4.根据权利要求3所述的紧固件，其中每个弧半径都不同，并且每个弧都具有恒定的半径，其中每个弧都是圆的一段。

5.根据权利要求3所述的紧固件，还包含每个叶瓣之间的壁，所述壁是平的。

6.根据权利要求3所述的紧固件，还包含每个叶瓣之间的壁，所述壁是凹圆形。

7.根据权利要求3所述的紧固件，还包含每个叶瓣之间的壁，所述壁是凸点。

8.根据权利要求3所述的紧固件，还包含每个叶瓣之间的壁，所述壁是凹点。

9.一种包含驱动表面的套头，包含具有中心的凸部；所述表面从内径延伸到外径，由多边形渐开线形成，所述多边形渐开线包括多个连续切线弧，其中每个弧具有凸部内的半径，其中每个半径恒定但不同，并且其中每个半径的中心位于凸部中心的半径的轨迹点上。

10.根据权利要求9所述的套头，其中所述套头包含多个凸齿，每个凸齿都具有由多边形渐开线形成的表面。

11.根据权利要求9所述的套头，其中所述套头包含多个凸齿，每个凸齿都具有由包含两弧的多边形渐开线形成的表面。

12.根据权利要求11所述的套头，其中每个弧都具有不同的半径，并且每个弧都具有恒定的半径，其中每个弧都是圆的一段。

13.根据权利要求11所述的套头，还包含每个凸齿之间的壁，所述壁是平的。

14.根据权利要求11所述的套头，还包含每个凸齿之间的壁，所述壁是凹圆形。

15.根据权利要求11所述的套头，还包含每个凸齿之间的壁，所述壁是凸点和凹点中的至少一个。

16.一种包含表面的冲头，包含具有中心的凸部；所述表面从内径延伸到外径，由多边形渐开线形成，所述多边形渐开线包括多个连续切线弧，其中每个弧具有凸部内的半径，所述弧相对于所述凸部的中心是凸的，其中每个半径恒定但不同，并且其中每个半径的中心位于凸部中心的半径的轨迹点上。

17.根据权利要求16所述的冲头，其中所述冲头包含多个凸齿，每个凸齿都具有由多边形渐开线形成的表面。

18.根据权利要求16所述的冲头，其中所述冲头包含多个凸齿，每个凸齿都具有由包含两弧的多边形渐开线形成的表面。

19.根据权利要求16所述的冲头，其中每个弧都具有不同的半径，并且每个弧都具有恒定的半径，其中每个弧都是圆的一段。

20.根据权利要求17所述的冲头，还包含每个凸齿之间的壁，所述壁是平的、凹圆形、凸点或凹点。

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