CN1628219B - 螺纹紧固结构以及螺栓和螺纹紧固工具 - Google Patents

Abstract

嵌合凸部(20)的圆弧部(32)的倾斜角(α)比凹槽(16)的圆弧部(26)的倾斜角(β)大，嵌合凸部(20)的轴向中间部分与凹槽(16)的开口边缘部分相结合，来传递紧固扭矩，因此，与因为α＜β，嵌合凸部(20)的前端部(20a)不得不结合在凹槽(16)的中间的情况相比，结合部位(38)的径向尺寸变大，在以相同的紧固扭矩进行紧固的情况下，与其径向尺寸成反比，加在结合部位(38)上的力变小。因此结合部位(30)上的嵌合凸部(20)、凹槽(16)的局部破损以及变形受到抑制，或者可以以更高的紧固扭矩很好地紧固小直径螺栓(10)。另一方面，如果加在结合部位(38)上的力变小，基于圆弧部(32)所产生的离开轴向的方向上的分力也变小。因此扳手(18)从凹槽(16)上浮起的脱扣现象受到抑制，小直径螺栓(10)的连接状态稳定。

Description

螺纹紧固结构以及螺栓和螺纹紧固工具

技术领域

本发明涉及螺纹紧固结构，特别是涉及即使对于螺纹部直径在约3mm以下的小直径螺栓也可以利用大的扭矩进行紧固的螺栓和螺纹紧固工具。

背景技术

螺纹连接的根本是将加在扭矩传递部的紧固扭矩转换成螺栓的紧固轴力，以将两个或两个以上的零件、构件固定在一起。因此设置在螺栓上的扭矩传递部的形状和直接传递紧固扭矩的螺纹紧固工具(钳子等)的嵌合状态通常必须一起考虑。特别是近些年，各种商品追求轻薄短小化，其使用的零件也更加趋于小型化，即使是螺栓零件要求更加小型化和相对地施加更高紧固扭矩的情况也越来越多。

针对与此，日本专利第3026965号公报公开了一种螺纹紧固结构，该装置由相互嵌合的嵌合孔和嵌合凸部构成，上述嵌合孔和嵌合凸部分别设置在螺栓以及紧固螺栓的螺纹紧固工具的一方以及另一方，同时分别绕中心线以120度的间隔形成具有向外周一侧伸出的3个扭矩传递部的三叉形状，通过转动上述螺纹紧固工具，借助该扭矩传递部将紧固扭矩传递给上述螺栓，其中，(a)上述嵌合凸部以及上述嵌合孔的上述扭矩传递部具有与从上述中心线的伸出方向相平行的一对侧部，同时相邻接的扭矩传递部的侧部分别借助以一定的曲率半径R朝向上述中心线一侧形成为凸形的圆弧部圆滑地连接，另一方面，(b)当将上述3个扭矩传递部的前端外接圆的直径定为g，将上述3个圆弧部的内结圆的直径定为b时，共同满足下式(1)以及(2)。对于这样的螺纹紧固结构，扭矩传递部内侧的区域(相当于嵌合凸部一侧的构件，参照图3(b)的EB)和在中心线的周围位于扭矩传递部之间的区域(相当于嵌合孔一侧的构件，参照图3(b)的ER)的面积差较小，为了获得嵌合凸部以及嵌合孔的强度的匹配，就要抑制嵌合凸部的破损和嵌合孔的变形，即使在螺纹部直径为例如约3mm以下的小直径螺栓的情况下，也可以以较高的紧固扭矩将螺栓紧固。

0.5g≤b≤0.6g    ...(1)

0.5b≤R≤0.6b    ...(2)

但是上述嵌合孔以随着接近开口部直径逐渐变大的方式倾斜成圆锥形状，另一方面，嵌合凸部以随着朝向轴向的前端一侧直径逐渐变小的方式倾斜成圆锥形状，同时嵌合孔一侧比嵌合凸部一侧倾斜大，在嵌合孔的中间与嵌合凸部轴向的前端相结合。因此其结合部位的径向尺寸较小，以相同的扭矩进行紧固时加在结合部位的力变大，可能会局部引起嵌合凸部破损和嵌合孔变形等。另外，与加在结合部位的力成正比，由于在轴向离开的方向上的分力变大，所以容易产生螺纹紧固工具浮起的脱扣现象，螺栓的连接状态可能会变得不稳定。特别地，因为结合部位变形等，如果使比结合部位倾斜角倾斜大的部分(例如图3中的扭矩传递部22的外周侧的前端面28和扭矩传递部30的外周侧的前端面36等)进行结合，那么倾斜大的部分更容易产生脱扣的情况。

发明内容

本发明是以上述情况为背景而得出的，其目的在于抑制设置于螺栓以及螺纹紧固工具的一方以及另一方上的嵌合孔以及嵌合凸部的结合部位的局部变形和破损，可以以更高的紧固扭矩将螺栓紧固。

为了达成所需目的，第1技术方案是一种由相互嵌合的嵌合孔以及嵌合凸部构成的螺纹紧固结构，上述嵌合孔以及嵌合凸部分别设置在螺栓以及紧固螺栓的螺纹紧固工具的一方以及另一方，同时分别形成具有绕中心线以120度的间隔向外周侧伸出的3个扭矩传递部的三叉形状，通过转动上述螺纹紧固工具、借助该扭矩传递部将紧固扭矩传递到上述螺栓上，其特征在于，上述嵌合凸部具有随着朝向轴向的前端部直径逐渐变小的结合用倾斜部，在该结合用倾斜部的中间与上述嵌合孔的开口边缘部相结合，上述嵌合凸部以及上述嵌合孔的三叉形状中与上述从中心线伸出的方向平行的相邻接的扭矩传递部的侧部借助分别以一定的曲率半径R朝向上述中心线一侧形成为凸形的圆弧部圆滑地连接，并且，上述结合用倾斜部设置在上述嵌合凸部的圆弧部上，该圆弧部与上述嵌合孔的开口边缘部的圆弧部相结合，将上述结合用倾斜部相对于上述中心线的倾斜角定为α、与该结合用倾斜部相结合的上述嵌合孔的结合部位相对中心线的倾斜角定为β时，上述嵌合孔以及嵌合凸部同时满足下列公式(a)、(b)以及(c)：

0°＜α≤8°...(a)

0°＜β≤8°...(b)

β＜α      ...(c)，

将上述3个扭矩传递部前端的外接圆的直径定为g、将上述3个圆弧部的内接圆的直径定为b时，上述嵌合孔以及嵌合凸部同时满足下列公式(d)以及(e)：

0.5g≤b≤0.6g    ...(d)

0.5b≤R≤0.6b    ...(e)。

第2技术方案在第1技术方案所述的螺纹紧固结构的基础上，其特征在于上述螺栓的螺纹部直径小于等于3mm。

第3技术方案在第1技术方案或第2技术方案所述的螺纹紧固结构的基础上，其特征在于，在上述螺栓上设置上述嵌合孔，在上述螺纹紧固工具上设置上述嵌合凸部。

第4技术方案是一种螺栓，其特征在于，具有在上述第1技术方案-第3技术方案的任何一项的螺纹紧固结构中所述的上述嵌合孔或者上述嵌合凸部。

第5技术方案是一种螺纹紧固工具，其特征在于，具有在上述第1技术方案-第3技术方案的任何一项螺纹紧固结构中所述的上述嵌合孔或者上述嵌合凸部。

在第1技术方案的螺纹紧固结构的情况下，在嵌合凸部上设置朝向轴向的前端一侧直径逐渐减小的结合用倾斜部，并在该结合用倾斜部的中间与嵌合孔开口边缘部相结合，以传递紧固扭矩，因此与现有装置那样嵌合凸部的轴向前端结合在嵌合孔中间的情况相比较，结合部位的径向尺寸变大，在以相同的紧固扭矩紧固的情况下，与其径向尺寸成反比，加在结合部位上的力变小。因此，结合部位的嵌合凸部以及嵌合孔的局部破损和变形受到抑制，或者可以以更高的紧固扭矩很好地紧固螺栓。另一方面如果加在结合部位的力变小，基于结合用倾斜部所产生的在轴向方向上离开的分力变小，所以可以抑制螺纹紧固工具浮起的脱扣现象，螺栓的连接状态稳定。

并且，嵌合凸部以及嵌合孔的扭矩传递部具有与从中心线的伸出方向平行的一对侧部，同时相邻接的扭矩传递部的侧部借助分别以一定的曲率半径R朝向中心线一侧形成为凸形的圆弧部圆滑地连接，并且3个扭矩传递部的前端的外接圆直径g，3个圆弧部的内接圆直径b，以及圆弧部的曲率半径R以满足上述公式(1)以及(2)的方式被设定，所以嵌合凸部的破损以及嵌合孔的变形都受到抑制，可以以高的紧固扭矩将螺栓紧固。

即如果以满足公式(1)以及(2)的方式构成三叉形状，扭矩传递部内侧的区域(相当于嵌合凸部一侧的构件，参照图3(b)的EB)和在中心线周围位于扭矩传递部之间的区域(相当于嵌合孔一侧的构件，参照图3(b)的ER)的面积差较小，可以获得嵌合凸部和嵌合孔的强度匹配。

如果根据各部分的数值进行具体的说明，三叉形状相邻接的扭矩传递部的侧部借助具有一定的曲率半径R的圆弧部圆滑地连接，同时该曲率半径R大于等于内接圆直径b的50％，换言之，大于等于外接圆直径的25％，因此更能防止嵌合凸部一侧的扭矩传递部根部的应力集中。又因为曲率半径R小于等于内接圆直径b的60％，即小于等于外接圆直径g的36％，所以可以确保在各扭矩传递部上与伸出方向平行的直线状的侧部，可以高效率地传递紧固扭矩。另一方面，因为内接圆直径b大于等于外接圆直径g的50％，所以可以充分确保嵌合凸部的厚度，获得高的机械强度，同时又因为小于等于60％，所以可以充分确保扭矩传递部的伸出尺寸，可以高效率地传递紧固扭矩，同时嵌合孔的变形受到抑制。

另外，嵌合凸部的结合用倾斜部的倾斜角α小于等于8°，嵌合孔的倾斜角β小于8°并且小于α，所以两者之间产生较大的静摩擦。据此螺栓容易被保持(附着)在螺纹紧固工具上，可以利用机器手自动紧固螺栓。另外，钢与钢的静摩擦系数一般可以认为在0.14以上，

所以如果螺栓以及螺纹紧固工具都是由钢制造，通过将倾斜角α定为小于等于8°，就可以获得适当的静摩擦系数。

第2技术方案涉及螺纹部直径小于3mm的小直径螺栓，通过使用本发明，减小加在嵌合凸部以及嵌合孔的结合部位上的力，而避免嵌合凸部以及嵌合孔的破损和变形，同时可以以高的紧固扭矩很好地紧固螺栓。

第4技术方案的螺栓以及第5技术方案的螺纹紧固工具实际上可以得到与第1技术方案-第3技术方案同样的作用效果。

在这里，螺纹紧固结构象第3技术方案一样在螺栓一侧设置嵌合孔(凹槽)，在螺纹紧固工具一侧设置嵌合凸部(叶片部)的情况比较多，但也可以在螺栓一侧设置嵌合凸部，而在螺纹紧固工具一侧设置嵌合孔。另一方面，在螺栓上设置的螺纹部可以是阴螺纹也可以是阳螺纹。

在嵌合凸部上设置朝向轴向的前端直径逐渐变小的结合用倾斜部，但这种结合用倾斜部以外的部分不一定非要倾斜，同时嵌合孔也可以沿轴向大致平行地进行设置。但是，通过锻造加工形成嵌合孔的情况下，最好设置向开口一侧直径逐渐变大的起模斜度，对应该嵌合孔，在嵌合凸部上最好设置朝向轴向的前端直径逐渐变小的倾斜。

有关嵌合凸部的结合用倾斜部的倾斜角α以及与该结合用倾斜部结合的嵌合孔的结合部位、即开口边缘部位的倾斜角β，考虑到附着性，最好例如象第4技术方案一样设定为小于等于8°，这些结合部以外的非结合部分、例如在扭矩传递部的圆弧部上设置结合用倾斜部的情况下，对于扭矩传递部的外周侧的前端面等，考虑到锻造成形性等最好以10°-20°左右的倾斜角进行倾斜.倾斜角α不局限于尺寸公差等，只要可靠地与嵌合孔的开口边缘部结合就行，例如可以设定为大于等于3°.有关倾斜角β，为了获得良好的附着性，最好设定在与倾斜角α的差(α-β)为小于等于2°，最好是小于等于1°.

第1技术方案在至少传递紧固扭局的结合部位、即对于嵌合孔来说是开口边缘部位，对于嵌合凸部来说，是与该嵌合孔的开口边缘部相结合的部位，只要满足公式(1)以及公式(2)就可以了，没必要嵌合凸部和嵌合孔的轴向全部区域都满足公式(1)以及公式(2)。

另一方面，本发明尤其适用于直径尺寸较小，难以获得紧固扭矩的螺纹部直径在小于等于3mm程度的小直径螺栓的螺纹紧固结构，也可以适用于螺纹部直径大于3mm的通常的螺栓的螺纹紧固结构。

附图说明

图1所示为本发明的一个实施例的小直径螺栓的视图，(a)是从头部看的平面图，(b)是省略一部分的正面图。

图2所示为设置在图1的小直径螺栓上的凹槽的视图，(a)是平面图，(b)是(a)的B-B线剖视图。

图3所示为图2的凹槽与扳手的嵌合凸部处于结合状态的视图，(a)是包含中心线O的剖视图，(b)是说明结合部位处的与中心线O垂直的两者截面的形状的视图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施例。

图1所示为本发明的一个实施例的小直径螺栓10的视图，(a)是从头部12一侧看的平面图，(b)是从与轴心成直角方向看的省略一部分的正面图。该小直径螺栓10，作为螺纹部设有M0.8×0.2的阳螺纹14，同时在其头部12上，作为紧固用的嵌合孔设有凹槽16。头部12的直径大约是1.4mm，厚度大约是0.2mm。

图2的(a)是上述凹槽16的放大平面图，(b)是(a)上B-B线剖视图。图3的(a)所示为设置在作为螺纹紧固工具的扳手18的前端一侧的嵌合凸部20被插入凹槽16内、其前端部20a与凹槽16相接合的状态的包含中心线O的剖视图。(相当于图2(b))，(b)是说明两者结合部的与中心线O成直角的截面形状的视图。中心线O是凹槽16和嵌合凸部20的中心，与小直径螺栓10的轴心一致。在这些图中，凹槽16绕中心线形成具有以120度的间隔向外周一侧伸出的3个扭矩传递部22的三叉形状，扭矩传递部22具有与从中心线O伸出的方向相平行的一对直线状的侧部24，同时相邻接的扭矩传递部22的侧部24分别借助具有一定曲率半径R的圆弧部26圆滑地连接。另一方面，嵌合凸部20相对于中心线O成直角的截面与凹槽16同样形成三叉形状，绕中心线O形成具有以120度的间隔向外侧伸出的3个扭矩传递部30的三叉形状(省略其详细图示)，扭矩传递部30具有与从中心线的伸出方向相平行的一对直线状的侧部34，同时相邻接的扭矩传递部30的侧部34分别借助具有与上述圆弧部26相同的曲率半径R的圆弧部32圆滑地连接。

凹槽16的圆弧部26以随着朝向轴向的开口侧(图2(b)以及图3(a)的上方)直径逐渐变大的方式，相对于中心线O以倾斜角β向外周一侧倾斜，另一方面，嵌合凸部20的圆弧部32以随着朝向轴向的前端(图3(a)中的下方)直径逐渐变小的方式，相对于中心线O以倾斜角α向内周一侧倾斜.倾斜角α比倾斜角β大，在本实施例中倾斜角α大约是6°30′，倾斜角β大约是5°45′，嵌合凸部20的圆弧部32如图3(a)所示以其轴向的中间部位，在凹槽16的开口边缘处与圆弧部26相接合，借助这些圆弧部32以及26和侧部34以及24来传递紧固扭矩，嵌合凸部20的圆弧部32相当于结合用倾斜部.

扭矩传递部22的外周侧的前端面28以随着朝向轴向的开口一侧直径逐渐变大的方式，相对于中心线O以倾斜角ε向外周侧倾斜，另一方面，扭矩传递部30的外周侧的前端面36以随着朝向前端部20a一侧直径逐渐变小的方式，相对于中心线O以倾斜角θ向内周一侧倾斜。这些倾斜角ε、θ都是大约15°。

在图3的(b)中，用实线表示的三叉形状的内侧代表凹槽16和嵌合凸部20相结合的部位38，即图3(a)中的凹槽16的开口边缘的位置上的嵌合凸部20的截面形状，该三叉形状的外侧实际上代表凹槽16所设置的头部12的截面形状。在相关的图3(b)中，尺寸g是3个扭矩传递部22、30的前端的外接圆40的直径，尺寸b是3个圆弧部26、32的内接圆42的直径，P是曲率半径为R的圆弧部26、32的曲率中心，在本实施例中，直径直径

曲率半径另外，f是扭矩传递部22的宽度尺寸，从下式(6)得出本实施例中的宽度尺寸圆弧部32和26以相接合的方式，严密地定位在靠近图3(b)所示的外接圆40的外周侧，其中凹槽16的扭矩传递部22的向外周侧伸出的尺寸，如图3(a)中所表明的那样，比起嵌合凸部20的扭矩传递部30的向外周侧伸出的尺寸被稍微加大。

f＝g·sin60°-2R...(6)

对于这样的螺纹紧固结构、或者小直径螺栓10、扳手18，相互嵌合的嵌合凸部20以及凹槽16形成为三叉形状，同时与该三叉形状相邻接的扭矩传递部22、30的侧部24、34分别借助具有一定的曲率半径R的圆弧部26、32圆滑地连接，并且直径b＝0.5×g，而曲率半径定为R＝0.5×b，所以可以同时抑制嵌合凸部20的破损以及凹槽16的变形，可以以较高的紧固扭矩紧固小直径螺栓10。

即如果设定b＝0.5×g、R＝0.5×b，如图3(b)所示，扭矩传递部22、30的内侧、即嵌合凸部20的扭矩传递部30的区域EB和位于扭矩传递部22、30之间的区域(相当于凹槽16一侧的构件)E_R的面积差较小，可获得嵌合凸部20以及凹槽16的强度匹配。

三叉形状的相邻接的扭矩传递部22、30的侧部24、34借助具有一定的曲率半径R的圆弧部26、32圆滑地连接，同时因为该曲率半径R是内接圆42直径b的50％、是外接圆40的直径g的25％，所以更能防止嵌合凸部20一侧的扭矩传递部30的根部的应力集中，并且因为在各个扭矩传递部22、30上，确保与伸出方向平行的直线状的侧部24、34，所以可以高效率地传递紧固扭矩。另一方面，因为内接圆42的直径b是外接圆40的直径g的50％，所以可以充分确保嵌合凸部20的厚度，获得高的机械强度，并且可以充分确保扭矩传递部22、30的伸出尺寸，可以高效率地传递紧固扭矩，同时可以抑制凹槽16的变形。

嵌合凸部20的圆弧部32以倾斜角进行倾斜，在其轴向的中间部分，与以倾斜角进行倾斜的凹槽16的圆弧部26在凹槽16的开口边缘部分进行结合，因此两者之间产生较大的静摩擦.从而，小直径螺栓10被很好地保持(附着)在扳手18上，可以利用机器手自动紧固小直径螺栓10.另外小直径螺栓10以及扳手18都是由钢铁材料(小直径螺栓10用碳素钢等，扳手18用铬钼钢和高速钢等)制成的，它们的静摩擦系数一般可以认为小于等于0.14，因为所以如果利用倾斜角倾斜角

的本实施例，从这点上可以获得适当的静摩擦。

如上所述，在凹槽16的圆弧部26上设置倾斜角

的倾斜，另一方面在扭矩传递部22的前端面28上设置倾斜角的倾斜，因此利用锻造加工就可以容易且高精度地形成这样的凹槽16。即，由于这些倾斜成为起模斜度，所以从锻造加工后的凹槽16拔出凸模变得容易，就可以以较高的精度锻造加工规定形状的凹槽16。

如果在圆弧部26上以倾斜角β设置倾斜，如图2(a)的平面图所表明的那样，扭矩传递部22的两侧部(侧面)24以逐渐向两侧、即向绕中心线O的圆周方向扩展的方式朝向开口一侧进行倾斜，因此嵌合凸部20的侧部34结合在其侧部24上，当施加紧固扭矩时，就产生将该嵌合凸部20从凹槽16中挤出的脱扣分力，但是由于倾斜角β大约是5°45′，侧部24的圆周方向的倾斜角度比它更小，所以几乎不成问题，紧固扭矩可以高效率被传递。另外，凹槽16的底部的圆弧部26的曲率半径R和上端开口部的曲率半径R尺寸相同，都是大约0.31mm。

如果使用具有这样三叉形状的凹槽16的小直径螺栓10，为了松开螺栓就必须使用象扳手18那样具有三叉形状的特殊的工具，从而一般人不能简单地松开螺栓，也获得了防止任意改动的效果。

另一方面，在本实施例中，嵌合凸部20的圆弧部32的倾斜角α比凹槽16的圆弧部26的倾斜角β大，嵌合凸部20的轴向的中间部分与凹槽16的开口边缘部分结合，来传递紧固扭矩。而现有技术中，因为α＜β，嵌合凸部20的前端部20a结合在凹槽16的中间，与这种情况相比，本实施例中结合部位38的径向尺寸变大，当以相同的紧固扭矩进行紧固时，与其径向尺寸成反比，加在结合部位38上的力变小。因此，结合部位38的嵌合凸部20以及凹槽16的局部破损以及变形受到抑制，或者可以利用较高的紧固扭矩很好地紧固小直径螺栓10。如果加在结合部位38上的力变小，基于圆弧部32的倾斜所产生的在轴向方向上离开的分力也变小，所以扳手18从凹槽16上浮起的脱扣现象受到抑制，小直径螺栓10的连接状态稳定。

以上根据附图详细说明了本发明的实施例，这只是一种是实施形态，本发明也可以根据本领域技术人员的知识进行各种变更和改良而加以实施。

如上所述，本发明在螺纹紧固结构、以及螺栓和螺纹紧固工具上得到很好地利用，上述螺纹紧固结构、以及螺栓和螺纹紧固工具抑制设置在螺栓以及螺纹紧固工具的一方以及另一方上的嵌合孔以及嵌合凸部的结合部位的局部变形以及破损，可以以较高的紧固扭矩紧固螺栓。

Claims (4)

1.一种螺纹紧固结构，由嵌合孔以及嵌合凸部构成，上述嵌合孔以及嵌合凸部分别设置在螺栓以及紧固螺栓的螺纹紧固工具的一方以及另一方，该嵌合孔和嵌合凸部分别形成具有绕中心线以120度的间隔向外周侧伸出的3个扭矩传递部的三叉形状，并相互嵌合，通过转动上述螺纹紧固工具、借助该螺纹紧固工具的扭矩传递部和上述螺栓的扭矩传递部将紧固扭矩传递到上述螺栓上，

其特征在于，与上述从中心线伸出的方向平行的相邻接的上述嵌合凸部以及上述嵌合孔的扭矩传递部的侧部，借助分别以一定的曲率半径R朝向上述中心线一侧形成为凸形的圆弧部圆滑地连接，该嵌合凸部的圆弧部与该嵌合孔的圆弧部相对，

在上述嵌合凸部的圆弧部上形成有随着朝向轴向的前端侧直径逐渐变小的结合用倾斜部，

将上述结合用倾斜部相对于上述中心线的倾斜角定为α、与该结合用倾斜部相结合的上述嵌合孔的上述圆弧部的开口边缘部相对上述中心线的倾斜角定为β时，同时满足下列公式(a)、(b)以及(c)：

0°＜α≤8°    ...(a)

0°＜β≤8°    ...(b)

0°＜(α-β)≤2°    ...(c)，

上述结合用倾斜部的沿上述轴向的中间部分与上述嵌合孔的上述开口边缘部相结合，

将上述3个扭矩传递部前端的外接圆的直径定为g、将上述3个圆弧部的内接圆的直径定为b时，同时满足下列公式(d)以及(e)：

0.5g≤b≤0.6g  ...(d)

0.5b≤R≤0.6b  ...(e)。

2.权利要求1所述的螺纹紧固结构，其特征在于，上述螺栓的螺纹部的直径小于等于3mm。

3.权利要求1或2所述的螺纹紧固结构，其特征在于，在上述螺栓上设置上述嵌合孔，在上述螺纹紧固工具上设置上述嵌合凸部。

4.一种螺栓和紧固螺栓的螺纹紧固工具，其特征在于，具有权利要求1-3任何一项所述的螺纹紧固结构。