CZ2004193A3 - Spojovací šroub pro vysoké předpětí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká úchopného prostředku spojovacího šroubu, který je utahován přes mez kluzu svého materiálu v tažné části dříku.

Dosavadní stav techniky

Utahování předepjatých spojovacích šroubů za mez kluzu jejich materiálu zvyšuje kvalitu procesu montáže, neboť za cenu omezených plastických deformací, jako vyrovnávacího faktoru, je dosaženo při hromadné výrobě nejlepší stability utahovacího momentu. K tomuto účelu se používají převážně minimálně upravené konvenční šrouby, s předem plánovanou zónou s kritickým průřezem v tahové části mezi svíranými plochami, v níž je poprvé překročena mez kluzu materiálu.

Jejich kritický průřez X-X, situovaný buď v závitové části nebo v partii uměle vyštíhleného dříku pod hlavou, je při utahování vždy namáhán koncentrovaným a kombinovaným způsobem, totiž tahovým napětím σ od síly předpětí F a zároveň smykovým napětím τ od reakčního momentu v závitech jako zbytku utahovacího momentu M_u matice po odečtu třecího momentu Mr pod její integrovanou podložkou na příslušné stykové ploše. Maximální možné dosažitelné předpětí je tedy omezeno přítomností smykového napětí τ v kritickém průřezu X-X.

V praxi je znám princip, jak v montážním procesu dosáhnout absence krutu umělým natažením šroubu vnějším způsobem až k mezi kluzu, pak volným došroubováním matice na tloušťku sevřeného svazku a následným uvolněním montážního zařízení. Stlačování sevřených dílů však musí probíhat současně a úměrně s natahováním šroubu, což vyžaduje složité a prostorově náročné zařízení, takže použití tohoto principu je omezeno na větší rozměry šroubů.

Jsou také známy šrouby s úchopným prostředkem na svém volném konci naproti hlavě, které se používají zejména pokud hlava není přístupná při utahování. Používány jsou standardní úchopné prostředky typu vnějšího šestihranu či profilu TORX nebo další přiřazené závitové sekce menšího průměru s opačným stoupáním závitu, které jsou ·

4 4 · 4 · ··

4 4 · · 4 4 · · 4 • · · · · 4 4 4 4 444 • 4 4 4 4 4 · · · 4 4 4 4 4

4 444 444 ··· ·· 4444 44 4

-2axiálně přimknuty k čelu volného konce hlavní závitové části šroubu vyčnívajícímu za utaženou maticí. Jejich použití je však omezeno jejich nedostatečnou momentovou kapacitou i malou únosností obzvlášť namáhaného přechodu do závitové části dříku. To je způsobeno průměrově stísněnými poměry a kubickou citlivostí krutové odolnosti profilu na velikosti místního účinného průměru.

Do výčtu známých provedení patří i varianta, která původní kritický průřez X-X šroubu po celé délce závitové části prizmaticky zachovává a tuto část, vyčnívající za maticí, nijak nezeslabuje, toliko prodlužuje. Reakční moment M_r z utahovacího nářadí je zachycen na prodlouženém konci svěrnými čelistmi. Maximální dosažitelný moment je však omezen malým disponibilním průměrem a nutností omezit maximální přítlačnou sílu čelistí kvůli možným problémům při demontáži matice přes potenciálně zdeformovaný závit a nebezpečí lokálního porušení povrchové protikorozní ochrany velkými tlaky svěrných čelistí.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje spojovací šroub pro vysoké předpětí, utahovaný maticí přes mez kluzu materiálu v místě svého dříku mezi sevřenými plochami spoje, jednostranně opatřený hlavou, se závitovou částí s hladkým závitem prizmatického profilu, jehož podstata spočívá vtom, že jeho úchopný prostředek pro fixaci utahovacím nářadím při montáži je umístěn na volném závitovém konci dříku šroubu, protilehlém hlavě, a je tvořen alespoň třemi podélnými drážkami, směrem od čela dříku šroubu k hlavě šroubu zmenšující se šířky i hloubky a plynule vybíhajícími k povrchu, jejichž paty leží na kuželové základně souosé s osou šroubu, přičemž vzájemný průnik drážek a závitové části včetně výběhu na konci šroubu, obsahuje alespoň tři společné závity nebo jejich stopy, a přičemž největší vzdálenost pat drážek od vnějšího průměru závitu v místě čela dříku šroubu je alespoň dvakrát větší než hloubka profilu závitu.

Šroub podle vynálezu umožňuje při utahování dislokovat smykové napětí τ z kritického průřezu X-X, v němž dojde k překročení meze kluzu materiálu, do části mezi maticí a volným koncem šroubu, čímž je v kritickém průřezu vytvořena rezerva pro vzrůst tahového napětí σ od síly předpětí F, kterou je možno podstatně zvýšit.

-3444*4* * · ·· ·· · • * * 4 4 « 4 444

4444 4 4 4 4 444

4 444 4 4 · · 4444

4 444 44«

444 44 4444 44 4

Pro správnou funkci je výhodné, aby drážky úchopného prostředku byly vytvořeny jako průnik závitové části šroubu včetně výběhu na konci šroubu s povrchy kuželových ploch, jejichž rotační osy jsou rovnoběžné s osou šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány ve vzdálenosti větší než je polovina průměru závitu, přičemž největší poloměr základny kuželové plochy v rovině čela dříku je větší než 0,4 násobek vnějšího průměru závitu. Alternativně mohou také drážky být definovány jako průnik závitové části šroubu včetně výběhu na konci šroubu s povrchy jehlanů, jejichž osy jsou rovnoběžné s osou šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány, přičemž jehlany jsou natočeny jednou svou hranou k ose šroubu.

Přirozeně je také výhodné, aby nářadí zabírající do drážek úchopného prostředku mělo své satelitní sekce, korespondující s jednotlivými drážkami, vůči sobě axiálně posuvné, aby mohlo dojít k dokonalému dotyku styčných ploch ve všech drážkách, a tím k rovnoměrnému rozložení kontaktních tlaků.

Přehled obrázků na výkresech

Obr.1 znázorňuje v axonometrickém pohledu konstrukční provedení šroubu s pěti drážkami úchopného prostředku vytvořenými průnikem kuželových ploch, obr. 2 s drážkami vytvořenými jehlanem. Na obr. 3 je zobrazena praktická aplikace šroubu podle vynálezu v částečném řezu sestavy hydraulického lůžka hnacího agregátu automobilu, včetně schématu dislokací momentových namáhání dříku šroubu při utahování. Na obr. 4 a 5 je znázorněna jedna drážka úchopného prostředku vytvořená kuželovou plochou, obr. 4 zobrazuje pohled na volný konec šroubu v rovině čela dříku a obr. 5 podélný řez šroubem vedený patou drážky. Na obr. 6 a 7 je znázorněna jedna drážka úchopného prostředku vytvořená jehlanem, obr. 6 zobrazuje pohled na volný konec šroubu v rovině čela dříku a obr. 7 podélný řez šroubem vedený patou drážky.

Příklady provedení vynálezu

Spojovací šroub 1 podle vynálezu se závitovou částí 3 o vnějším průměru D je jednostranně opatřen hlavou 4 , která dosedá svou rovinnou kontaktní plochou 8 na nejbližší sevřený díl 12 a s výhodou není opatřena žádným dalším zvláštním úchopným • 99 99 ·· · • 9 9 · 9 9 9 · 9 9 9 · 9 • 9 999 9 9 99 9999

9999 999

999 99 9999 99 9

-4prostředkem pro zachycení reakčního momentu nářadím, vyjma přirozeného působení tření. Vlastní úchopný prostředek 15 šroubu, vůči němuž se měří a udává úhel utažení matice 2, se pak nachází na opačném, volném konci dříku 7 šroubu, protilehlém jeho hlavě 4 jako tvarový prvek v podobě podélných přímých drážek 5 proměnné šířky i hloubky, plynule vybíhajících a přecházejících do závitové části 3 šroubu. Drážky 5 tohoto úchopného prostředku, vytvořené od čela 16 dříku šroubu, vybíhají v zamontovaném stavu ještě mimo matici 2 a přesahují částečně nebo zcela do závitové části 3 a do jejího výběhu na konci šroubu 1 s redukovaným průměrem, minimálně v délce tří stoupání závitů, takže závity částečně protíná. Pokud mají být oba tyto prvky vyráběny postupným tvářením, je třeba v okolí linie jejich průniku vytvořit korekční hluchý prostor pro vyhrnutí stranového výronku z následné válcovací operace.

Závit v části 3 šroubu je hladký a nemá žádné pojišťovací nebo závitotvorné prostředky, které by enormně zvětšovaly tření matice 2 na šroubu 1 a vnášely tak na šroub 1 nežádoucí přídavné torzní namáhání. Stejná zásada se týká i provedení vnitřního závitu matice 2, jejíž konstrukce potenciálně vyžaduje rovněž posílení, např. opatření vnějším dvanáctihranem, případně větší podložkou. Je třeba nově pamatovat na odpovídající zvýšení momentového rozsahu utahovacího nářadí.

Na šroubu Ije dále z důvodu jeho změkčení vytvořen co nejštíhlejší dřík 7 , avšak jen do té míry, aby byla i nadále zachována pozice kritického průřezu X-X šroubu 1 v krutově odlehčené závitové části 3. V případě potřeby může šroub 1 disponovat i hladkou resp. jinak upravenou, např. zdrsněnou nebo vroubkovanou přechodovou částí 6 mezi dosedací plochou 8 hlavy a dříkem 7, sloužící pomocným účelům, jako je těsnění nebo lehká poziční fixace dílů spoje před vlastní montáží. Potom jde taková úprava, vedle momentu tření pod hlavou 4 šroubu na ploše 8, jako další přídavná momentová kapacita pro fixaci, na vrub potenciálního zvětšení zbytkového momentu Mz. ale bez podstatné újmy na výsledném efektu, který závisí na torzních tuhostech.

Konkrétní příklad vhodného použití šroubu s vysokým předpětím podle vynálezu je uveden na obr.3. Ten představuje částečný podélný řez uchycení motorového hydraulického lůžka H tříbodového uložení hnacího agregátu automobilu s výkyvnou momentovou vzpěrou k jeho závěsné konzole 9. Šroubový spoj zde sestává ze šroubu 1 výše popsaných vlastností, matice 2, jádra 10 lůžka, konzoly 9 motoru a dorazové misky 12, jako vložené podložky pod hlavou 4 šroubu. Utahování šroubu 1 maticí 2 přes mez kluzu jeho materiálu je řízené úhlem utažení, tj.v konečné fázi vzájemnou dvouvřetenovou úhlovou diferencí natočení matice 2 a úchopného prostředku 15 šroubu.

• 9 • · · • 9999 • •9 9999 9

9 999 9 9 9 9

9 999 9 999

9999 999

999 99 9999 99 9

-5Docílení zvlášť vysokého předpětí F šroubu je v některých případech existenční podmínkou pro schopnost lůžka 11 spolehlivě přenášet i značné příčné zatížení vyosenými reakčními silami S, pro které lůžko 1_£ původně nebylo dimenzováno ani určeno.

Každá drážka 5 úchopného prostředku je tvořena průnikem závitové části 3 s povrchem rotační kuželové plochy 14, což je plocha, jejíž veškeré normály teoreticky svírají s její rotační osou a stejný úhel d. Rotační osy a kuželových ploch jsou rovnoběžné s osou o šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány ve vzdálenosti větší než je polovina průměru D závitu. Kontaktní tlak je v každé drážce rovnoměrně rozložen na všechny body dotykových přímek v příslušné části celé kuželové výseče či segmentu o středovém úhlu a, přičemž největší poloměr r kuželové plochy v rovině čela 16 dříku šroubu není menší než 0,4 násobek D a maximální hloubka t drážky, měřená od jmenovitého průměru závitu D ve stejném místě, je rovna alespoň dvojnásobné výšce v profilu závitu. Eventuálnímu vymezení reálně existujících individuálních tolerancí mezi jednotlivými drážkami 5 úchopného prostředku slouží blíže nespecifikovaná konstrukce, masivní a ůchopné místo ještě vyztužující, upínací hlavy nářadí s možností diferencí vymezujících axiálních posuvů jednotlivých konvexních kuželových prstů nářadí.

Jako krajní, technologicky výhodný případ provedení podle vynálezu, avšak s nižšími nároky na únosnost úchopného prostředku 15, může být i drážkování tohoto druhu s nekonečně velkým zaoblením r, přecházející do tvaru nosu se šikmými rovinnými sraženími na konci dříku 7 šroubu.

V jiném technologicky podmíněném případě je možno alternativně použít jako drážek 5 úchopného prostředku útvary, vytvořené průnikem závitové části 3 s povrchy jehlanů 19, jejichž osy b jsou rovnoběžné s osou o šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány, přičemž jehlany 19 jsou vždy jednou svou hranou 20 přivráceny kose o šroubu, při zachování délkových i hloubkových relací, uvedených výše pro pronikající kuželovou plochu. Hrana 20 jehlanu v tomto případě vytváří patu drážky 17. Je zřejmé, že tvořící jehlan nemusí mít nutně pravoúhlou podstavu a tedy ani úhel £ drážky v rovině čela 16 dříku, nemusí být potom pravý.

·· ···· ·· ·· ·· · • · · · · · · ··· • · ··· · · · · · · · • · ···· ···· ···· ·· ···· · · · ···«· ····*· 9· ·

-6Na obr. 3 je patrné konstrukční uspořádání šroubového spoje podle vynálezu s rozdělením působících momentů. Zde se celkový utahovací moment Mu matice vyčerpává především třecím momentem Mk (ca 50% z M_u) na smýkané ploše 13 integrované podložky pod maticí 2 , dále užitečným a šroub 1 napínajícím momentem Gen asi 10% z M_u) a momentem tření v závitech (ca 40% z M_u). Moment, předávaný na šroub i maticí 2 je třeba při utahování zachytit stejně velkým reakčním momentem, který je rozdělen na hlavní reakční moment Mr úchopného prostředku a zbytkový reakční moment Mg zachycený třením pod hlavou 4 šroubu tak, že převažující hlavní reakční moment M_r je výhodně dislokován mimo kritický profil šroubu X-X. Přitom poměr hlavního a zbytkového momentu M, / Mg se u šroubu o přibližně prizmatickém průřezu dříku automaticky nastaví v recipročním poměru délek L /1 jeho větví po obou stranách matice.

Dislokací co největší části reakčního momentu M_£ k zachycení na volný závitový konec šroubu, se vzhledem ke kombinovanému charakteru namáhání dříku 7 šroubu na mezi kluzu posiluje tahová složka napětí na úkor krutové, takže při stejné dimenzi závitu a materiálových vlastnostech lze docílit neobvykle vysokého montážního předpětí. To pak může být v ideálním případě proti konvenčním řešením řádově ještě o další čtvrtinu větší, než je předpětí, uváděné dosud v technických příručkách, směrnicích a normách jako maximálně dosažitelné (například u běžného šroubu je tento teoretický potenciál zvýšení asi 27%). V reálných poměrech je však třeba počítat s nepatrně skromnějším výsledkem, neboť ještě působí reakční zbytkový moment Mg, jako produkt tření pod hlavou 4 šroubu. Pak jde o staticky neurčitý případ, rozdělení krutového namáhání M_r / Mg, na obě větve o délkách I a L dříku, nastane podle jejich torzních tuhostí, závislých na konkrétní konstrukci šroubu 1_. Ve znázorněných proporcích by pak byl i přesto reálný přínos řešení podle vynálezu stále ještě asi řádově 25% nad současně známé maximum.

Průmyslová využitelnost

Šroub podle vynálezu je určen pro speciální strojírenské aplikace maticových spojů, utahované přes mez kluzu materiálu šroubu, které při rozměrové a hmotnostní úspornosti vyžadují extrémně vysoké síly montážního předpětí, popř. pro dlouhé štíhlé šrouby, u nichž je předpětí v důsledku zkroucení jejich dříku od reakčního momentu nedostatečné.

-7·· ·· • · · · • · · • · 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9

999 99 9999 ·· ···· • · • ···

9 9 9

9 9 9

9 9999

9 9

9

Použitá označení šroub matice závitová část šroubu hlava šroubu drážka úchopného prostředku přechodová část dříku šroubu dřík šroubu dosedací plocha hlavy šroubu konzola motoru jádro lůžka hydraulické lůžko motoru podložka s dorazem třecí plocha matice kuželová plocha tvořící drážku jedné satelitní sekce úchopného prostředku úchopný prostředek šroubu čelo dříku šroubu pata drážky úchopného prostředku kuželová plocha obsahující paty drážek úchopného prostředku jehlan tvořící drážku jedné satelitní sekce úchopného prostředku hrana jehlanu přivrácená k ose šroubu a osa kuželové plochy tvořící drážku jedné satelitní sekce úchopného prostředku b osa jehlanu tvořícího drážku jedné satelitní sekce úchopného prostředku

I délka torzní větve, zatížené bez tahu pouze momentem M_r o rotační osa šroubu t největší hloubka drážky úchopného prostředku v hloubka profilu závitu

D jmenovitý průměr závitu

F síla předpětí po utažení šroubu přes mez kluzu

L délka tažné části dříku, namáhaná jen momentem M_z

M_u utahovací moment matice

M_k třecí moment matice v dotykové ploše pod maticí

M_r hlavní reakční moment šroubu, zachycený úchopným prostředkem ······ ·· ·· ·· · ··· ···· ·Φ· • « ··♦ · · · · · · · • · · · · · · · · · ···· • · · · · · · · ♦ ·· ··· ·· ···· ·· *

-8Μζ zbytkový reakční moment šroubu, zachycený třením pod jeho hlavou

S příčná reakční síla, zatěžující šroubový spoj

X-X kritický řez šroubu a středový úhel dotykové výseče drážky úchopného prostředku v rovině čela dříku β úhel výseče drážky úchopného prostředku v rovině čela dříku úhel mezi normálou kuželové plochy a osou kužele a σ tahové napětí v kritickém řezu šroubu X-X τ smykové napětí v kritickém řezu šroubu X-X

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spojovací šroub (1) pro vysoké předpětí, utahovaný maticí (2) přes mez kluzu materiálu v místě svého dříku (7) mezi sevřenými plochami spoje, jednostranně opatřený hlavou (4), jehož závitová část (3) má hladký závit prizmatického profilu, vyznačený tím, že jeho úchopný prostředek (15) pro fixaci utahovacím nářadím při montáži je umístěn na volném závitovém konci dříku (7) šroubu protilehlém hlavě (4), a je tvořen alespoň třemi podélnými drážkami (5), směrem od čela (16) dříku šroubu k hlavě (4) šroubu zmenšující se šířky i hloubky a plynule vybíhajícími k povrchu, jejichž paty (17) leží na kuželové základně (18) souosé sosou šroubu (o), přičemž vzájemný průnik drážek (5) a závitové části (3) včetně výběhu na konci šroubu obsahuje alespoň tři společné závity nebo jejich stopy, a přičemž největší vzdálenost pat (17) drážek od vnějšího průměru (D) závitu v místě čela (16) dříku šroubu je alespoň dvakrát větší než hloubka (v) profilu závitu.
2. 2. Spojovací šroub podle nároku 1, vyznačený tím, že drážky (5) úchopného prostředku jsou definovány průnikem závitové části (3) šroubu včetně výběhu na konci šroubu s povrchy kuželových ploch (14), jejichž rotační osy (a) jsou rovnoběžné s osou (o) šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány ve vzdálenosti větší než je polovina průměru závitu (D), přičemž největší poloměr (r) základny kuželové plochy v rovině čela (16) dříku je větší než 0,4 násobek vnějšího průměru závitu (D).
3. 3. Spojovací šroub podle nároku 1, vyznačený tím, že drážky (5) úchopného prostředku jsou definovány průnikem závitové části (3) šroubu včetně výběhu na konci šroubu s povrchy jehlanů (19), jejichž osy (a) jsou rovnoběžné sosou (o) šroubu a jsou kolem ní satelitně uspořádány, přičemž jehlany jsou natočeny jednou svou hranou (20) k ose šroubu (o).