CN109690092A - 具有全表面驱动接触的驱动系统 - Google Patents

Abstract

具有全表面驱动接触的驱动系统。所述驱动系统易于在典型的钻头‑凹部反作用(驱动)扭矩值下使表面接触图案或面积最大化，从而易于使钻头‑凹部表面接触应力、涂层损坏、凹部扩孔和过早钻头疲劳失效最小化。所述驱动系统包括具有由多边形渐开线或单弧结构形成的驱动表面的紧固件和/或钻头。还提供一种冲头，用于在所述紧固件或所述钻头中形成凹部，其中所述冲头具有相应的表面。

Description

具有全表面驱动接触的驱动系统

相关申请(优先权要求)

本申请是2016年3月16日提交的美国专利申请序列号15/072,028的部分继续申请，其要求2015年3月19日提交的美国临时申请序列号62/135,390的权益，两者的全部内容通过引用并入本文。本申请还要求2016年9月15日提交的美国临时申请序列号62/395,096的权益，该临时申请也通过引用整体并入本文。

背景技术

本发明一般涉及驱动系统，如涉及钻头(bit)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(punch)。

典型的紧固件驱动系统设计或几何形状导致驱动工具(即，钻头)和紧固件驱动特征(即凹部)之间的各种表面接触图案。例如，一些驱动系统的几何形状导致“点”接触表面图案，这意味着当钻头旋转到与凹部初始接触时(具有接近零的反作用扭矩)，它以一点(凹部周围的多个点)接触凹部。

其他驱动系统几何形状导致“线”接触表面图案，这意味着当钻头旋转到初始接触时，它以多条线接触凹部。为了将钻头放置在紧固件中的凹部内，钻头和凹部之间必须存在某种间隙。当钻头旋转时，钻头和凹部之间的间隙变窄，直到与凹部的侧壁线接触。点和线接触系统都会在整个驱动系统中产生高应力，并且还会增加钻头故障。

另外的驱动系统几何形状导致从钻头的端部到凹部的顶部的“区域”接触表面图案。通常，“区域”接触表面图案比“线”接触表面图案更有利，并且“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，随着钻头-凹部反作用扭矩(即，驱动扭矩)增加，驱动钻头几何形状弹性变形(即，扭转和压缩)，并且凹部几何形状(即，压缩)使得钻头-凹部接触表面图案改变并从钻头的端部向凹部的顶部转移。随着反作用扭矩增加，表面接触图案面积趋于减小，因此进一步增加了钻头-凹部接触应力。在凹部的顶部增加的接触应力可能损坏紧固件表面(即，涂层)，并可能导致凹部失效(扩孔)。钻头上增加的接触应力(和扭转)可能导致过早磨损、凹部失效和疲劳失效。

发明内容

本发明的一个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。

本发明的一个实施例的目的是提供一种驱动系统，该驱动系统易于在典型的钻头-凹部反作用(驱动)扭矩值下使表面接触图案或面积最大化，从而易于使钻头-凹部表面接触应力、涂层损坏、凹部扩孔和过早钻头疲劳失效最小化。

简而言之，本发明的一个实施例提供一种包括紧固件的驱动系统，其中所述紧固件包括由一个或多个弧形成的多边形渐开线形成的驱动表面，或者是单弧结构。对于限定所述驱动表面的弧，优选地，每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。

本发明的另一个实施例提供一种钻头，该钻头包括由一个或多个弧形成的多边形渐开线形成的驱动表面，或者是单弧结构。对于限定所述驱动表面的弧，优选地，每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。

本发明的另一个实施例提供一种冲头，该冲头包括由一个或多个弧形成的多边形渐开线形成的表面，或者是单弧结构。对于限定所述表面的弧，优选地，每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述，可以最好地理解本发明的结构和操作的组织和方式及其进一步的目的和优点，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的凹部(或冲头)；

图2是与图1中所示的凹部对应的钻头的截面图；

图3示出图2的钻头插入图1的凹部中；

图4类似于图3，但示出了钻头旋转到与凹部的驱动壁全表面接触之后的钻头和凹部；

图5是清楚地示出全表面接触的放大图；

图6是示出在钻头旋转之前钻头和凹部之间的间隙的放大图；

图7和8示出图1中所示的凹部的部分，但也指出其一些尺寸；

图9和10示出图2中所示的钻头的部分，但也指出其一些尺寸；

图11-13提供与图1中所示的凹部有关的视图；

图14-21提供与替代实施例有关的视图；

图22是比较实施例的视图；和

图23-27示出设置在凹部的瓣之间的不同形式的延伸壁；和

图28-53示出本发明的替代实施例。

具体实施方式

虽然本发明可以容许不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述了特定实施例，应理解，本公开被认为是本发明的原理的示例，并且不意图将本发明限制于所示内容。

本文公开了本发明的多个实施例。每个实施例都提供具有全表面驱动接触的驱动系统。具体地，每个实施例都包括紧固件，其中所述紧固件包括凹部，所述凹部包括由多边形渐开线形成的驱动表面或者设置为单弧结构。

对于术语“渐开线(involute)”，渐开线是一个点的轨迹，该点最初在基圆上，然后移动使得其沿着该圆的切线到切向接触点的直线距离等于沿着该圆的弧从初始点到相切的即时点的距离。或者，渐开线是当直线围绕圆的圆周滚动而没有滑动时该直线上的点的轨迹。当例如绳子或棉线从其圆柱形卷轴展开时，渐开线被最佳地可视化为由该绳子或棉线的端部描绘出的路径。

为了产生渐开线轮廓，可以例如通过从圆柱体展开绳子来描绘线。该圆柱体可以称为基圆。在该展开期间的任意点，生成线(即，该绳子)与该圆柱体相切并且垂直于渐开线曲线。如果两个渐开线轮廓彼此接触，则生成线将与两个圆柱体相切，这通常称为压力线。

在数学上，渐开线曲线取自以下等式：

其中R＝到渐开线上任意点的半径；θ＝从渐开线的起点到半径R的角度；β＝绳子展开所经过的角度。

生成线长度等于也等于角度β所对着的基圆周长的长度，使得

或

并通过替代

这允许在极坐标(R，θ)中绘制渐开线曲线。

通常以如下形式将角度写为压力角的函数

其中是渐开线函数，其值在用于不同齿轮的许多书中列出。然后可以在许多计算中使用它，例如使用下面的等式确定不同半径的齿厚(T₁)。

应该指出，在给定真实制造工艺和材料的情况下，包含本发明的紧固件、钻头、冲头等可以具有在显微镜下不是完美多边形渐开线的驱动表面。

图1示出凹部10，如紧固件11或其他结构中的凹部(图1还可以示出冲头10的端面轮廓)，其中凹部10是根据本发明的优选实施例。具体地，凹部10构造成提供多个瓣12，每个瓣12具有由多边形渐开线形成的驱动表面14。在该优选实施例中，每个驱动表面由包括两个弧的多边形渐开线形成，其中每个弧具有不同的半径，但是每个弧具有恒定的半径(即，每个弧是圆的一部分)。在各瓣12之间是槽16，槽16提供在相邻的瓣12之间延伸的壁18。这些壁18以及它们可以采用的不同形状将在下文中更详细地描述。

图2提供诸如钻头20的相应外部驱动的截面图，其中钻头20是与图1中所示的凹部10相关联地提供的，并且其中钻头20根据本发明的优选实施例。具体地，钻头20的外表面的轮廓对应于图1中所示的凹部10的轮廓，使得钻头20可插入凹部10中，并且可以在顺时针或逆时针方向上旋转，以驱动其中形成有凹部10的紧固件。

钻头20对应于凹部10。因此，钻头20包括多个瓣21，每个瓣21包括由多边形渐开线形成的驱动表面或驱动壁24。更具体地，优选地，驱动表面24由包括两个弧的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。优选地，槽21之间的每个壁23是平坦、凹圆、凸顶和凹顶中的至少一个，这将在下文中更全面地描述。

当钻头20最初插入凹部10中时，钻头20和凹部10可以如图3中所示那样，其中在钻头20的驱动壁24和凹部10的驱动壁14之间存在间隙21。然后，假定钻头20顺时针旋转，则钻头20和凹部10可以如图4中所示那样，其中钻头20的前壁26与凹部10的相应驱动壁14接合，而钻头20的后壁28与凹部10的相应驱动壁14间隔开以提供间隙22。

当图5中可以最好地看到钻头20的前壁26与凹部10的相应驱动壁14之间的全表面接触，图5提供了钻头20的一个前壁26与凹部10的一个驱动壁14之间的界面的放大图。该全表面接触从点30延伸到点32。另一方面，在图6中可以最好地看到，在钻头20旋转之前钻头20的前壁26与凹部10的相应驱动壁14之间的间隙21。图6提供了钻头20的一个前壁26和凹部10的相应驱动壁14的放大图。如图4中所示，但是对于点30和32之间的表面接触，钻头20和凹部10之间的间隙22是恒定的，并且优选地在钻头20旋转时保持恒定。

虽然本文公开了其他构造，但是图1和2中所示的两个弧的多边形渐开线构造是优选的。利用这种构造，混合半径(即，各弧之间的部分)不会被冲洗。另外，在钻头和凹部之间提供最小间隙22。虽然每个弧优选地具有不同的半径，但是每个弧优选地具有恒定的半径(即，每个弧是圆的一部分)。图1中所示的A和B尺寸是直径。具有这些直径有助于测量该特征，在A尺寸中提供更多的凸起宽度，减少镦头工具碎裂的机会，并且在瓣处增加钻头面积。

图7示出图1中所示的凹部的一部分，并且指出一些尺寸。图8仅示出凹部的一个驱动壁，并且指出一些其他尺寸，包括两个弧中每个弧的半径(R1和R2)。如图所示，虽然R1不等于R2，但是R1和R2中的每一个都是恒定的。对于每个尺寸的实际值，一个具体实施例可以提供，例如(所有值以英寸为单位)，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，Rb＝0.005。对于Gr和G，Gr可以是17.9021442092度并且G(REF)可以是18.9716157232度。这只是本发明的一个实施例，并且在保持在本发明的范围内的同时，完全可以有许多其他尺寸、形状等。

图9和10类似于图7和8，但是涉及图2中所示的钻头20。如图所示，该钻头具有与凹部相对应的形状。图11-13提供与两个弧构造有关的多个视图，并且不需要加以说明。

图14-16提供与替代实施例有关的多个视图，并且也不需要加以说明。具体地说，图14-16示出一种构造，其中凹部的每个驱动壁设置为由包括一个弧的多边形渐开线形成，所述弧具有恒定的半径(即，它是圆的一部分)。

图17-19提供与另一个实施例有关的多个视图，并且不需要加以说明。具体地说，图17-19示出一种构造，其中凹部的每个驱动壁设置为由包括三个弧的多边形渐开线形成，其中每个弧具有不同的半径，但是每个弧具有恒定的半径(即，每个弧是圆的一部分)。

图20-21提供了与另一个实施例有关的多个视图，并且不需要加以说明。具体地说，图20-21示出一种构造，其中凹部的每个驱动壁设置为单弧结构，其中弧的半径是恒定的(即，弧是圆的一部分)。

图22是比较不同实施例的视图。附图标记200表示圆渐开线-高精度，附图标记202表示多边形渐开线-1弧，附图标记204表示多边形渐开线-2弧，附图标记206表示多边形渐开线-3弧，附图标记208表示一个弧结构(垂直弧)。

图1和图2示出了一种构造，其中瓣12之间的壁18设置为平坦的。这在图23中非常好地示出，图23示出左侧的凹部10，右侧的钻头20。对于壁18，这是优选的构造，因为它提供了壁18共同限定六边形形状，因此六角形工具可以插入该凹部中并用于驱动紧固件(除了在图23中右侧示出的相应钻头之外)。

图24-27中的每一个示出了替代实施例，并且在每种情况下，凹部显示在左侧，并且相应的钻头(类似形状)显示在右侧。在图24中所示的实施例中，槽之间的每个壁18是半圆形的(即凸圆)，并用附图标记40表示该圆。

在图25中所示的实施例中，瓣14之间的每个壁18是凹圆。在图26中所示的实施例中，瓣14之间的每个壁18是凸顶。在图27中所示的实施例中，瓣14之间的每个壁18是凹顶。

尽管本文公开的凹部中没有一个的深度被具体示出或描述，但是根据应用和驱动系统的期望特性，任何凹部的深度可以采用任何适当的形式。例如，深度可以是平坦的(例如，凹部底部的深度可以是平坦的)、圆锥形的、具有球形底部等。例如，深度可以使得每个驱动壁是关于向下进入凹部的半圆柱形。

关于被提供用于接合本文公开的任何凹部的钻头，优选地，钻头设置为略微螺旋形(即，预扭转)。这样，区域接触图案凹部几何形状的使用与对应的略微螺旋的钻头几何形状组合。因此，在接近零反作用扭矩时，钻头的端部首先接触凹部，并且随着扭矩增加，钻头-凹部表面接触图案区域扩展并从钻头的端部延伸到凹部的顶部。

虽然本发明的实施例已经被描述为以紧固件头部中的凹部的形式实现，但是实施例可以采用具有外部轮廓的外部驱动(如钻头)的形式，所述外部轮廓与所描述的凹部一致。实际上，本文提供的附图甚至也适用于这样的实施例。另外，虽然附图示出了六瓣系统，但是本发明可以关于涉及更多或更少瓣的系统来实现，例如三瓣、四瓣或五瓣系统。

图28-31示出根据本发明的一个实施例的其上具有外部驱动轮廓102的紧固件100。外部驱动轮廓102包括多个瓣104，每个瓣104包括由多边形渐开线形成的驱动表面或驱动壁106。更具体地，优选地，每个驱动表面106由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。每个驱动表面106之间的壁108可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所述的那样。如图29和30中所示，外部驱动轮廓102可以具有弯曲的顶表面110。轴112(图29中仅示出其一部分)优选地在其上形成有螺纹(如线114所示)。

图32-34示出紧固件120，其与图28-31中所示的非常相似，唯一区别在于：顶表面122是平坦的(而不是弯曲的)并且其中形成有六边形凹部124，并且每个瓣126具有靠近顶表面122的截头(truncation)128。这些差异不仅提供重量减轻(即，与图28-31中所示的紧固件100相比)，而且还通过六边形的凹部124提供额外的内部驱动表面。图35示出相同的紧固件120，但是示出了没有六边形凹部124或者在其中形成(例如冲压)六边形凹部124之前的紧固件120。凹部124可以采用除六边形之外的形状以提供可以用相应形状的驱动器驱动的驱动表面。

图36示出具有驱动表面轮廓142的钻头(即，驱动器)140，该驱动表面轮廓142包括瓣144，瓣144构造成提供对紧固件中的标准凹部的杆状配合。钻头的驱动表面轮廓142具有由多边形渐开线形成的驱动表面146。更具体地，优选地，每个驱动表面由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。驱动表面146之间的壁148可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。如图所示，钻头140的端面150可以是平坦的。

图37示出根据本发明的另一个实施例的具有凹部162的紧固件160。凹部162提供瓣164，其中每个瓣164包括由多边形渐开线形成的驱动表面或驱动壁166。更具体地，优选地，每个驱动表面166由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。各驱动表面166之间的壁168可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。优选地，随着壁168向下进入凹部，它们向内逐渐变细(即，在凹部162的顶部170处凹部162中间隔180度的壁168与壁168之间的距离大于随着壁168向下进入凹部162的该距离)。

图38提供钻头172的局部视图，钻头172可用于驱动图37中所示的紧固件160。如图38中所示，钻头172的形状与紧固件160的凹部162相对应，并且具有瓣174，其中每个瓣174包括由多边形渐开线形成的驱动表面或驱动壁176。更具体地，优选地，每个驱动表面176由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。各驱动表面176之间的壁178可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。然而，优选地，随着壁178从钻头172的端部180沿着钻头172前进，壁178向外逐渐变细(即，在钻头172的端部180处间隔180度的壁178与壁178之间的距离小于随着壁178沿着钻头向下行进(即，朝向点182移动)时的该距离)。

图39提供示出钻头172(见图38)插入紧固件160的凹部162(见图37)中的截面图，并且不需要加以说明。

图40和41分别示出紧固件190和钻头200，每个都是根据本发明的一个实施例，并且与图37和38中所示的紧固件160和钻头172非常类似，只是墙壁192、202是变细的，这些壁192、202是直的，而壁194、204是变细的。具体地说，紧固件190(见图40)中的凹部197的每个瓣196的壁194随着壁194从凹部197的端部199向下进入凹部197而向内逐渐变细。相应地，钻头200的每个瓣206的壁204(参见图41)随着壁204从钻头200的端部208沿着钻头向下前进(即，朝向线210移动)而向外逐渐变细。

图42示出具有凹部222的紧固件220，凹部222具有中心柱224，并且有效地提供在瓣226和槽228之间具有不等间距的5瓣驱动系统。紧固件220根据本发明的一个实施例。每个瓣226具有由多边形渐开线形成的驱动表面230。更具体地，优选地，每个驱动表面230由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。驱动表面230之间的壁232可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。

图43-50给出了示出各种数量的瓣的各种轮廓(每个轮廓可以对应于紧固件中的凹部、用于在紧固件中形成凹部的冲头或者用于驱动紧固件的钻头)，其中每个瓣具有延伸到瓣的端部的驱动表面。具体地说，图43、47和48中所示的每个形状具有六个瓣250，图44、45、46和49中所示的每个形状具有三个瓣250，并且图50中所示的形状具有四个瓣250。不管怎样，每个瓣250具有由多边形渐开线形成的驱动表面252。更具体地，优选地，每个驱动表面252由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。驱动表面252之间的壁254可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。

图51示出紧固件260，其具有逐渐变细形式的凹部262，在凹部262的底部具有圆形导向器264。凹部262具有不相等的瓣266和槽268，这意味着每个的宽度随着瓣266或槽268向下进入凹部262而变化。图52示出紧固件270，其与图51中所示的紧固件260非常相似，但是具有相等的瓣272和槽274，这意味着每个的宽度不会随着瓣272或槽274向下进入凹部276而改变。每个紧固件260、270根据本发明的一个实施例。每个紧固件260、270的瓣266、272具有由多边形渐开线形成的驱动表面267、278。更具体地，优选地，每个驱动表面267、278由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。驱动表面267、278之间的壁269、280可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。瓣266、272、槽268、274或两者都可以设置为随着瓣272或槽274从凹部276的顶部朝向在凹部276的底部的导向器282向下进入凹部而向内逐渐变细。

图53示出七瓣驱动轮廓300，其可有效地对应于紧固件中的凹部、用于在紧固件中形成凹部的冲头或用于驱动紧固件的钻头。该轮廓根据本发明的一个实施例，并且每个瓣302具有由多边形渐开线形成的驱动表面304。更具体地，优选地，每个驱动表面304由包括两个弧(或者是单弧结构)的多边形渐开线形成，并且每个弧具有恒定的半径(即，是圆的一部分)。驱动表面之间的壁306可以采用许多不同的形式和形状，如上文关于其他实施例所描述的那样。如图所示，轮廓可以包括中心柱308。如果设置在安装的紧固件的凹部的中间，则该中心柱将使紧固件是防拆的，因为只有特定的工具才可以用于卸载该紧固件。另外，轮廓具有七瓣的事实将防止诸如具有错误瓣数(即，4瓣、5瓣或6瓣)的那些不符的驱动工具在该紧固件上使用。

关于本文提到的任何瓣和槽，它们中的任何一个都可以被设置为逐渐变细或非逐渐变细(即，向下进入凹部，或沿着钻头或冲头向下)以及相等或不相等(即，就宽度是否均匀而言，向下进入凹部或沿着钻头或冲头向下)。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是可以设想本领域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出各种修改。

Claims (20)

1.一种紧固件，包括外部驱动轮廓和凹部中的至少一个；在所述外部驱动轮廓上和在所述凹部中至少之一的驱动表面，每个所述驱动表面由多边形渐开线和单弧结构中的至少一个形成。

2.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述外部驱动轮廓和所述凹部中的至少一个包括多个瓣，其中每个瓣由多边形渐开线形成。

3.根据权利要求3所述的紧固件，其中每个瓣由包括两个弧的多边形渐开线形成。

4.根据权利要求3所述的紧固件，其中每个弧具有不同的半径，并且每个弧具有恒定的半径，其中每个弧是圆的一部分。

5.根据权利要求3所述的紧固件，还包括在各瓣之间的壁，所述壁是平坦的。

6.根据权利要求3所述的紧固件，还包括在各瓣之间的壁，所述壁是凹圆、凸顶和凹顶中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述外部驱动轮廓的顶表面是平坦和弯曲中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的紧固件，其中所述外部驱动轮廓的顶表面中形成有凹部。

9.根据权利要求7所述的紧固件，其中所述外部驱动轮廓的顶表面中形成有六边形凹部。

10.根据权利要求1所述的紧固件，其中每个所述瓣都是截头的。

11.根据权利要求1所述的紧固件，还包括在所述瓣之间的壁，其中所述壁向内和向外至少之一逐渐变细。

12.根据权利要求1所述的紧固件，还包括在所述凹部内的中心柱。

13.一种包括表面的钻头或冲头，所述表面由多边形渐开线和单弧结构中的至少一个形成。

14.根据权利要求13所述的钻头或冲头，其中所述钻头包括多个槽，每个槽包括由多边形渐开线形成的表面。

15.根据权利要求13所述的钻头或冲头，其中所述钻头包括多个槽，每个槽包括由包括两个弧的多边形渐开线形成的表面。

16.根据权利要求15所述的钻头或冲头，其中每个弧具有不同的半径，并且每个弧具有恒定的半径，其中每个弧是圆的一部分。

17.根据权利要求15所述的钻头或冲头，还包括在各槽之间的壁，所述壁是平坦的。

18.根据权利要求15所述的钻头或冲头，还包括在各槽之间的壁，所述壁是凹圆的。

19.根据权利要求15所述的钻头或冲头，还包括在各槽之间的壁，所述壁是凸顶的。

20.根据权利要求15所述的钻头或冲头，还包括在各槽之间的壁，所述壁是凹顶的。