CN113710907B - 用于螺栓张力的改进控制和高防松效果的安全垫圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垫圈，其具有中心孔(3)、螺栓下头接合表面(4)和承座接合表面(14)，其中‑螺栓下头接合表面(4)上的细齿包括锯齿(7)结构，所述锯齿结构(10)的边缘具有类似回旋镖的形状，‑螺栓下头接合表面(14)的细齿上包括多个齿(15)，在螺栓下头接合表面的俯视图中，这些齿沿着从螺栓下头接合表面(14)的内圆周(5)到外圆周(6)的方向行进并且关于从垫圈中心(2)出发的径向延伸直线倾斜，并且‑在细齿的横截面视图中，齿(17)和锯齿(18)二者的边缘的顶部分段都是圆形的。

Description

用于螺栓张力的改进控制和高防松效果的安全垫圈
技术领域
本发明涉及一种在其两个表面都具有细齿的垫圈。
背景技术
垫圈例如被用于避免被拧紧到相应承座上的螺纹栓出现不想要的松动，这是通过在拧紧状态下对螺栓诱导产生张力来实现的。诱导产生的张力与从承座上松开螺栓的阻力相关。该张力一方面由垫圈和螺栓之间的摩擦力决定，另一方面由垫圈和承座之间的摩擦力决定。
在实践中，对螺栓头施加一定的扭矩，该扭矩转而应转化为明确定义的张力。然而，这仅适用于垫圈和要与之接合的表面之间的摩擦力也是明确定义的情况。
这通常是螺栓头的下侧(螺栓下头)要与垫圈的一个表面接合的情况，因为螺栓的材料和表面条件(如螺栓等级和涂层的性质)是明确定义的。相比之下，在实践中，承座的材料(以及由此的硬度)和表面可以有很大程度的变化，因此，垫圈的另一个表面和承座之间的摩擦力可以有很大程度的变化。这就造成了一个问题，即针对所施加的相同扭矩，对螺栓诱导产生的张力可能会有相当大程度的变化。
为了克服这个问题，例如从DE2811108A1已知了如下垫圈：所述垫圈在要与承座接合的垫圈表面(下文中也表示为垫圈的“承座表面”)和要与螺栓下头接合的表面(下文中也表示为垫圈的“下头表面”)具有不同的细齿(图案)。
然而，这些已知的结构不能在所有情况下都保证当螺栓被拧紧在承座上(这是在螺栓上诱导产生明确定义的张力所必需的)时，垫圈不会在承座上滑动。此外，人们希望进一步改善螺栓/垫圈/承座连接件的松开扭矩(untightening torque)，并改善螺栓/垫圈/承座组件上诱导产生振动应力后螺栓上的残余张力。
发明内容
本发明是基于这样的发现，即如果垫圈在其承座表面和下头表面都具有不同的、特别设计的细齿，就可以提供一种克服已知垫圈的上述缺点并具有上述期望的改进特性的垫圈。
因此，本发明提供了一种垫圈，其具有中心孔、螺栓下头接合表面(下头表面)和承座接合表面(承座表面)，这两个表面上都具有细齿，其中
-螺栓下头接合表面上的细齿包括锯齿结构，
-在垫圈的螺栓下头接合表面的俯视图中，锯齿结构的边缘具有类似回旋镖的形状，回旋镖的尖端指向垫圈的松开方向，
-承座接合表面上的细齿包括多个齿15，在承座接合表面的俯视图中，多个齿沿着从垫圈表面的内圆周到外圆周的方向行进并且关于从垫圈中心开始的径向延伸的直线倾斜，使得靠近垫圈内圆周的齿的端部指向拧紧方向，并且
-在细齿的横截面视图中，齿和锯齿的顶部分段都是圆形的。
本发明的垫圈的特征的组合，一方面确保了垫圈的承座接合表面与承座表面之间的摩擦力非常大，以至于当螺丝被拧紧时，垫圈不会相对于承座移动，而只是相对于螺栓头移动。因此，在紧固/拧紧螺栓的过程中，垫圈被固定在其在承座上的位置，并且垫圈只相对于螺栓移动。因此，由施加在螺栓头上的扭矩诱导产生的摩擦是明确定义的，并转而在螺栓上诱导产生明确定义的、精确的张力(预紧力)。此外，即使在镀锌或涂漆的表面上也不会损坏承座表面。
此外，垫圈允许了改进的(增大的)松开扭矩，即必须施加到螺栓头以松开螺栓/垫圈/承座组件的扭矩。该松开扭矩是相对于所施加的一定的拧紧扭矩(即拧紧螺栓/垫圈/承座组件时对螺栓头施加的扭矩)而言增大的。因此，螺栓的抗松动能力得到了改善。
当本发明的垫圈用于以80Nm的扭矩拧紧的螺栓/垫圈/承座组件时，其显示出高于1、高于1.2或甚至高于1.3的最小松开扭矩与拧紧扭矩的提高的比例。
最后，包括本发明的垫圈的螺栓/垫圈/承座组件在对该组件施加振动应力后具有更大的残余张力。因此，再次提高了螺栓的抗松动能力。
垫圈下头表面的细齿包括锯齿结构。该锯齿的特征在于，在细齿的横截面视图中，相对于垂直于垫圈表面穿过锯齿的最大延伸部的平面而言，这些齿是不对称的，即相对于垫圈平面而言，它们具有角度较小的侧面(较平侧面)和角度较大的侧面(陡峭侧面)。垫圈平面是与垫圈表面平行的平面。
锯齿被布置成使其能够在螺栓的拧紧的方向(也表示为拧紧方向)上比在松开旋转方向(也表示为锁定方向)上更容易旋转，即当螺栓被拧紧时，螺栓的下头在锯齿的较平侧面上滑动。因此，拧紧方向上的摩擦力低于锁定方向上的摩擦力。
优选地，锯齿结构的锯齿彼此直接相邻，使得锯齿之间的垫圈表面不具有平面分段。
优选地，锯齿的较平侧面与垂直于垫圈表面穿过锯齿的最高延伸部的平面之间的角度为2°至20°，更优选地为4°至15°，最优选地为6°至12°。
此外，优选地，锯齿的陡峭侧面与垂直于垫圈表面穿过锯齿的最高延伸部的平面之间的角度为55°至75°，更优选地为58°至72°，最优选地为60至70°。
优选地，锯齿的高度(即锯齿在垂直于垫圈平面的方向上的最大尺寸)为0.10至0.25mm，更优选地为0.11至0.24mm，最优选地为0.12至0.23mm，例如0.15至0.20mm。
垫圈的总厚度是垫圈在垂直于垫圈平面的方向上的最小延伸量，即从一个垫圈表面到另一个垫圈表面的延伸量，不包括从这些表面突出的任何齿。
优选地，垫圈的下头表面上的细齿包括垫圈内圆周的每毫米0.8至1.2个，优选0.85至1.15个锯齿。例如，M10垫圈的内圆周约为33.3mm，锯齿数为36，使得内圆周的每毫米具有1.08个锯齿。
锯齿优选地为等距的。
优选地，各个锯齿沿垫圈的内圆周的延伸量(当在内圆周的倒角上方延伸时)为0.8至1.2mm，更优选地为0.85至1.15mm。
在本发明的垫圈下头表面的俯视图中，锯齿结构的边缘具有类似回旋镖的形状，即边缘的形状具有两个直的端部分段以及一个弯曲的中间分段，使得两个直的端部分段围成的角度小于180°。优选地，该角度为100°至170°，更优选地为110°至140°，最优选地为120°至150°。
回旋镖的尖端，即弯曲的中间分段的顶部，指向垫圈的松开方向，即从松开方向看，该边缘形状是凸的。垫圈的松开(拧紧)方向是指垫圈必须相对于螺栓头被旋转以便松开(拧紧)螺栓/垫圈/承座接合件的方向。由于通常必须将螺纹栓顺时针旋转以拧紧螺栓/垫圈/承座接合件，则在这种情况下，垫圈的拧紧方向是逆时针，而垫圈的松开方向是顺时针。
优选地，回旋镖的尖端是回旋镖形边缘向垫圈的松开方向延伸最多的点，即从垫圈中心径向延伸并与回旋镖尖端相切的线与从垫圈中心径向延伸并与回旋镖形边缘的任何其他点相切的线在松开方向上成正角。
“回旋镖”形状不需要是对称的，即两个端部分段可以具有不同的长度。
在优选的实施例中，该边缘的靠近垫圈外圆周的直的端部分段的长度为边缘总长度的35％至45％，弯曲的分段的长度为边缘总长度的35％至45％，并且靠近垫圈内圆周的直的分段的长度为边缘总长度的10％至30％。
优选地，回旋镖形边缘的内侧直的分段在向内圆周的方向上的端部和回旋镖形边缘的外侧直的分段在向外圆周的方向上的端部都位于从垫圈的中心径向延伸的线上。
根据本发明的垫圈优选地包括在螺栓下头接合表面的内周上的斜面部分(倒角)。
一方面，斜面部分避免了垫圈的下头接合表面的内侧部分与轴的加厚部分的干涉，该加厚部分通常存在于螺栓下头与螺栓轴连接的地方，并且另一方面，它允许用户更容易判定垫圈的哪个表面应该被应用于螺栓头，哪个表面被应用于承座。
垫圈可以包括或者可以不包括也位于下头表面外周上的斜面部分(倒角)。
优选地，斜面部分最多占到垫圈表面宽度的30％，优选地最多占到垫圈表面宽度的20％。
垫圈的宽度被定义为垫圈从其内圆周到外圆周的径向延伸量。
倒角优选地具有平面。
此外，斜面分段与垫圈表面形成的角度为20°至70°，更优选地为30°至60°，最优选地为35°至49°，例如45°。
该倒角优选地深入(penetrate)垫圈中，其深度达到垫圈厚度的50％，更优选地达到40％，最优选地达到30％。
优选地，回旋镖形的锯齿存在于没有斜面的垫圈表面的整个宽度上。
本发明的垫圈的承座接合表面(承座表面)上的细齿包括多个齿，在螺栓下头接合表面的俯视图中，这些齿沿着从垫圈表面的内圆周至外圆周方向行进，并且关于从垫圈中心开始的径向延伸直线倾斜。
齿关于从垫圈中心开始的径向延伸的直线倾斜，使得齿在宽度方向上的端部(靠近垫圈内圆周)指向拧紧方向。
优选地，倾斜角被定义为在垫圈承座表面的俯视图中，从垫圈中心开始的径向延伸的直线与齿之间的角度，该倾斜角为40°至80°，更优选地为50°至70°，最优选地为55°至65°，例如60°。
在垫圈承座表面的俯视图中，齿优选地具有直的形状。
齿优选地被构造成使得位于相对于径向延伸穿过垫圈中心的直线的偏移量为垫圈外径的0.2至0.3，更优选0.23至0.27(例如0.25)的位置处的齿与所述直线平行。
虽然垫圈的承座表面在宽度方向上存在齿没有延伸到的分段，但是优选地，齿从垫圈表面的内圆周到外圆周完全地延伸。
优选地，齿被设计成使得在齿的横截面视图中，它们在关于垂直于垫圈平面的方向上具有对称的形状。因此，当承座表面与承座相对旋转时，由齿引起的摩擦力在两个旋转方向上是相同的。
优选地，在齿的横截面视图中，齿的侧面与垫圈平面之间的角度为35°至65°，更优选为40°至60°，最优选为45°至55°，例如50°。
优选地，齿的高度，即齿在垂直于垫圈平面的方向上的最大尺寸，为0.10至0.25mm，更优选为0.11至0.24mm，最优选为0.12至0.23mm，例如0.15至0.20mm。
此外，优选地，齿彼此不是直接相邻的，而是在齿之间为平面分段。
存在于承座表面中的齿的数量为垫圈内圆周每毫米优选在1.6至2.0之间，更优选的是1.7至1.9。例如，M10垫圈的内圆周约为33.3mm，齿的数量为60，因此内圆周每毫米有1.8个齿。
优选地，该垫圈在其承座表面的内周上不具有斜面部分。
在本发明的垫圈中，在锯齿的横截面视图上看，下头表面上的锯齿和承座表面上的齿的边缘的顶部分段都是圆形的。
因此，没有垫圈图案的尖锐边缘朝向下头和承座的表面延伸，并在被拧紧时与下头和承座的表面接触。
优选地，圆形分段占齿的总高度的30％至70％，更优选40％至60％，最优选45％至45％，例如50％。
承座表面上的齿的圆形顶部分段的半径优选为0.05至0.20mm，更优选为0.07至0.18mm，最优选为0.08至0.16mm。
下头表面上的锯齿的圆形顶部分段的半径优选为0.10至0.40mm，更优选为0.12至0.35mm，最优选为0.17至0.32mm。
此外，优选地，锯齿的陡峭侧面和垫圈表面之间的分段也是圆形的。优选地，该半径小于0.15mm，更优选地小于0.12mm。
优选地，垫圈的表面硬度为450至620HV，更优选为470至600HV，更优选为490至580HV，最优选为510至560HV。
此外，优选地，垫圈的芯部的硬度为450至620HV，更优选470至600HV，更优选490至580HV，最优选510至560HV。
本文提到的所有维氏(“HV”)硬度都是根据ISO6507-1(2000年版)测量的，试验载荷为10kg。
对于垫圈，可以采用不同的表面处理方法，例如Delta Protect KL120。
本发明的垫圈通常具有平坦的形状，即垫圈表面平行于包括垫圈及其中心的平面。
然而，垫圈也可以是圆锥形的，即垫圈表面平行于轴线穿过垫圈中心的圆锥体。上文提到的“垫圈平面”则是与垫圈表面相切的平面。
附图说明
通过参照下面的示例进一步说明本发明，这些示例参照了附图，其中：
图1以俯视图示出了根据本发明的尺寸为M10的垫圈(垫圈#1)的实施例的在要与螺栓下头接合的表面(下头表面)上的细齿图案，
图2A)示出了垫圈1沿着图1中的C-C线的横截面，图2B)示出了其放大的截面，
图3以俯视图示出了垫圈#1在要与承座接合的表面上的细齿图案，
图4A)是垫圈#1沿着图3中的B-B线的另一个横截面，图4B)是其放大的截面，
图5示出了垫圈#1的横截面视图；
图6A)和图6B)分别示出了垫圈#1的下头表面和承座表面的立体图；
图7示出了垫圈#3的下头表面的细齿(对比的)，
图8显示了垫圈#3的承座表面的细齿(对比的)。
在这些图中，附图标记表示：
1：垫圈#1
2：垫圈中心
3：垫圈的中心孔
4：下头表面
5：内圆周
6：外圆周
7：锯齿
8：倒角
9：倒角的外圆周
10：锯齿的边缘
11：锯齿的陡峭侧面
12：锯齿的较平侧面
13：陡峭侧面的端部在垫圈表面处的分段
14：承座表面
15：锯齿
16：齿的侧面
17：齿的顶部分段
18：锯齿的顶部分段
19：锯齿边缘的内侧直的端部分段
20：锯齿边缘的弯曲的中间分段
21：锯齿边缘的外侧直的分段
22：垫圈#3
23：垫圈#3的下头表面
24：垫圈#3的锯齿边缘
25：垫圈#3的承座表面
26：垫圈#3的齿
27：垫圈#3的中心
具体实施方式
在图1至图6中，示出了本发明的M10垫圈1的实施例(垫圈#1)的不同视图。垫圈#1(以及垫圈#3)被假定用于螺栓/垫圈/承座组件中，该螺栓/垫圈/承座组件是通过相对于垫圈顺时针旋转螺栓头来拧紧的。因此，垫圈#1(以及垫圈#3)的拧紧方向是逆时针旋转，而松开方向是相对于螺栓头的顺时针旋转。图1示出了垫圈1的下头表面4。垫圈从内圆周5到外圆周6的直径为17.4至17.7mm。限定垫圈的中心孔3的内径为10.5至10.7mm，要被紧固在承座上的螺栓轴延伸穿过该中心孔。因此，垫圈的宽度为3.35至3.6mm。
垫圈的厚度为2.25至2.5mm。
从图1中可以进一步看出，在下头表面4上，存在具有回旋镖形边缘10的锯齿结构，该锯齿结构从垫圈的外圆周6延伸到倒角8的外圆周。从垫圈的内圆周5到外圆周6方向的0.6至0.7mm处存在倒角8。从图5可以看出，倒角8深入到垫圈厚度方向0.6至0.7mm。与垫圈平面的夹角为45°，且倒角表面为平面。
回旋镖形边缘由内侧直的端部分段19、指向垫圈的松开方向的弯曲的中间分段20以及外侧直的端部分段21形成。
在图2B)的放大侧视图中，示出了锯齿7的横截面，包括陡峭侧面11和较平侧面12。锯齿7的顶部分段18是圆形的，半径为0.17至0.23mm。同样，锯齿的陡峭侧面和垫圈表面之间的分段13也是圆形的，最大半径为0.10mm。
在图3中，示出了垫圈1的承座表面14。就螺栓头的相对运动来看，这里的拧紧方向是顺时针方向，松开方向是逆时针方向。
齿14具有直的形状且存在于垫圈表面的整个宽度上，从垫圈1的内圆周5延伸到外圆周6。齿相对于从垫圈中心2开始的径向延伸的直线来说倾斜了60°。
从图4B的放大侧视图可以看出，齿14具有近似三角形的形状，齿的侧面与垫圈平面的夹角为60°。从齿的高度的50％处开始的齿的顶部分段是圆形的，半径为0.08至0.12mm。
图6A)和图6B)中分别示出了垫圈#1的下头表面4和承座表面14的立体图。
在图7中，示出了对比垫圈#3 22的下头表面23。可以看出，该表面23上的细齿具有与垫圈#1相似的锯齿结构，并且在测试后的垫圈#3中，锯齿的高度与垫圈#1的高度相同。然而，锯齿24的边缘有完全弯曲的形状，并因此其形状与垫圈#1的锯齿边缘的回旋镖形状不同。
在图8中，示出了对比垫圈#3 22的承座表面25。可以看出，该表面25上的细齿具有与垫圈#1相似的锯齿结构，在测试后的垫圈#3中，锯齿的高度与垫圈#1的高度相同。然而，齿25的边缘关于从垫圈中心27开始的径向延伸直线并没有显示出倾斜，并因此齿结构与垫圈#1的齿结构不同。
示例
对三个不同的垫圈就它们在防止螺栓接合连接件的松动方面的性能进行了测试。
所测试的垫圈是：
垫圈#1(本发明)：如图1至6所示的并在上述相关文本中描述的根据本发明的垫圈(M10)，
垫圈#2(对比的)：由生产的商业垫圈“RIPP-LOCK”锁紧垫圈(M10)，以及
垫圈#3(对比的)：如图7和图8所示的垫圈(M10)，其类似于DE2811108A1中公开的垫圈。
采用了以下测试方法：
测试#1)：采用承座表面硬度钢100HV-200HV-300HV-Al的机械功能测试。这个实验台测试是用不同材料和硬度的板，将由螺钉、螺母和被测试的垫圈组成的螺栓接合连接件拧紧，然后松开。这个测试的目的是模拟螺栓接合连接件的“静态”应用。
通过这个测试，还可以检查在螺栓拧紧或松开期间，垫圈是否在承座表面上滑动。
采用了以下的测试条件：拧紧扭矩(“Tt”)＝80Nm，螺栓+螺母+垫圈涂覆片状锌粉，每次测试中测试10个样品。结果在下表1中给出，其中“Tumin”表示最小松开扭矩，“Tumax”表示最大松开扭矩，并且比例“Tumin/Tt”表示最小松开扭矩与拧紧扭矩之间的比例。
测试#2)：根据DIN 65151和DIN 25201第4部分(振动测试)，在横向负载条件下对闭锁紧固件的动态测试。该测试的目的是模拟在存在振动的情况下螺栓接合连接件在“动态”应用中的行为。
采用了以下测试条件：容克(Junker)试验2000次振动循环，螺栓等级10.9，螺栓+螺母+垫圈涂覆片状锌粉，21.2kN预紧力，承座表面硬度：200HV，频率：12.5Hz。
结果在下面的表2中给出。
表1：
表2：

Claims (15)

1.垫圈，其具有中心孔(3)、螺栓下头接合表面(4)以及承座接合表面(14)，两个表面上都具有细齿，其中
-所述螺栓下头接合表面(4)上的细齿包括锯齿(7)结构，
-在所述垫圈(1)的所述螺栓下头接合表面(4)的俯视图中，锯齿结构的边缘(10)具有类似回旋镖的形状，所述回旋镖的尖端指向所述垫圈的松开方向，
-所述承座接合表面(14)上的细齿包括多个齿(15)，在所述承座接合表面(14)的俯视图中，所述多个齿(15)沿着从所述承座接合表面(14)的内圆周(5)到外圆周(6)的方向行进并且关于从垫圈中心(2)开始的径向延伸的直线倾斜，使得靠近所述垫圈的所述内圆周的所述齿的端部指向拧紧方向，并且
-在细齿的横截面视图中，所述齿的顶部分段(17)和所述锯齿结构的锯齿的顶部分段(18)都是圆形的。
2.根据权利要求1所述的垫圈，其中，所述螺栓下头接合表面(4)在其内周具有倒角(8)。
3.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述锯齿结构的所述锯齿(7)彼此是直接相邻的，使得在所述锯齿(7)之间没有垫圈表面的平面分段。
4.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述锯齿(7)的较平侧面(12)与垂直于所述螺栓下头接合表面(4)穿过所述锯齿(7)的最高延伸部的平面之间的角度为2°至20°。
5.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述锯齿(7)的陡峭侧面(11)与垂直于所述螺栓下头接合表面(4)穿过所述锯齿(7)的最高延伸部的平面之间的角度为55°至75°。
6.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述锯齿(7)的高度为0.10至0.25mm。
7.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述垫圈的所述螺栓下头接合表面(4)上的细齿包括所述垫圈的内圆周(5)的每毫米0.8至1.2个所述锯齿(7)。
8.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述锯齿(7)结构的回旋镖形的所述边缘(10)的两个直的端部分段(19、21)围成的角度为100°至170°。
9.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，倾斜角被定义为在所述承座接合表面(14)的俯视图中，从所述垫圈中心(2)开始的径向延伸的直线与所述齿(15)之间的角度，所述倾斜角为40°至80°。
10.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，在所述承座接合表面(14)的俯视图中，所述齿(15)具有直的形状。
11.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述齿(15)被构造成使得位于相对于径向延伸穿过所述垫圈中心(2)的直线的偏移量为垫圈外径的0.2至0.3的位置处的齿与所述直线平行。
12.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述齿(15)被设计成使得在所述齿(15)的横截面视图中，所述齿(15)在关于垂直于垫圈平面的方向上具有对称的形状。
13.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，所述齿(15)的高度为0.10至0.25mm。
14.根据权利要求12所述的垫圈，其中，在所述齿(15)的横截面视图中，所述齿(15)的侧面(16)与垫圈平面之间的角度为35°至65°。
15.根据权利要求1或2所述的垫圈，其中，圆形分段占所述齿(15)的总高度的30％至70％。
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