CZ285019B6 - Spojovací šroub a klíč pro jeho utahování - Google Patents

Abstract

Šroub (30) je opatřen lalokovitým vybráním (31) v hlavě, u kterého je každý lalok (37) tvořen jedním obvodovým čelem (37'), ležícím v podstatě na obvodu kružnice se středem v ose šroubu a dvěma rovnoběžnými bočními čely (35, 36), směřujícími směrem dovnitř šroubu (30). Šroub (30) je opatřen reakčním povrchem (33) zabírajícím s utahovacím klíčem (32) s lalokovitým profilem (34). Části uvedeného reakčního povrchu (33), sevřené mezi sousedící laloky (37) sestávají z páru čel (38, 39) svírajících vzájemně tupý úhel, který je konkávní směrem ven ze šroubu (30).ŕ

Description

Šroub a klíč pro jeho utahování

Oblast techniky

Vynález se týká šroubu a klíče pro utahování tohoto šroubu.

Dosavadní stav techniky

Nejpoužívanějšími uspořádáními pro hlavy šroubů jsou ta, kde hlava je čtvercová, šestiúhelníková, trojúhelníková, ve formě zdvojeného čtverce, zdvojeného šestiúhelníku nebo zdvojeného trojúhelníku, přičemž stejných tvarů mohou být vybrání v hlavě. Všechny tyto uvedené geometrické tvary však sestávají z pravidelných úhelníků, takže umožňují, aby byly ovládány při jakémkoliv úhlovém natočení. U všech výše uvedených tvarů však záběrové povrchy mezi klíčem a šroubem během provádění utahování nenáleží k radiálním rovinám, procházejícím osou otáčení šroubu. Protože utahovací síla, přenášená z klíče na šroub, je v důsledku působení daného kroutícího momentu směrována kolmo k záběrovému povrchu v místě jejího působení, kdežto využitelná utahovací síla působí ve směru tangenciálním ke kružnici se středem k ose šroubu a procházející bodem působení síly, tj. kolmo na radiální rovinu, výsledkem je, že čím více se záběrové povrchy odklánějí od radiálních rovin, tím nižší využitelná skutečná utahovací síla je k dispozici v porovnání s přenášenou utahovací silou. Zvláště nízká účinnost při utahování je u šroubů, kde je hlava ve tvaru šestiúhelníku nebo má šestiúhelníkové vybrání, a dosahuje hodnot řádově 50 %.

Za účelem odstranění malé účinnosti u takových spojů se začaly více používat šrouby s příčnými drážkami nebojsou v některých případech používány šrouby, které mají hlavu opatřenou řadou, často šesti, radiálních laloků nebo lalokovitých vybrání, takže záběrové povrchy leží alespoň z části v podstatě v radiálních rovinách. U šroubů, opatřených lalokovitou hlavou, kdy má být provedeno utahování nebo povolování, je třeba použít klíče, majícího přizpůsobený odpovídající tvar, aby bylo dosaženo vysoké účinnosti utahovací síly.

Není-li k dispozici takový klíč, je provedení uvedených operací velmi obtížné. Z těchto důvodů jsou čela vybrání mezi laloky nebo vnějšími povrchy laloků hlavy šroubu tvarovány tak, že jejich průnik s rovinou, kolmo na osu šroubu, náleží k jednomu teoreticky pravidelnému mnohoúhelníku, takže v případě nutnosti lze šroub dotáhnout nebo povolit běžným klíčem, například v případě šestilalokové hlavy šroubu běžným šestihranným klíčem.

Navíc je v důsledku vůle mezi hlavou šroubu a klíčem u stávajícího řešení riziko, že při utahování šroubu vícehranným klíčem může být lalokovitý profil hlavy u kořene laloku zdeformován v důsledku porušení hran, takže není možné již více klíč nasadit.

Známý šroub je opatřen mnohoúhelníkovým vybráním, do kterého lze vložit klíč s přizpůsobeným profilem. Šroub a klíč mají povrchy, které jsou v kontaktu během utahování a uvolňování šroubu. Když na klíč působí kroutící moment, pak boční vůle mezi klíčem a šroubem je příčinou toho, že klíč se poněkud natočí ve směru hodinových ručiček vzhledem ke šroubu, čímž se způsobí, že záběrový povrch mezi nimi je tvořen velmi omezenými plochami, v podstatě zredukovanými na dotyk podél přímek, blízko hran klíčů. Utahovací síla F působí na tento záběrový povrch a je kolmá na tento povrch. Taková utahovací síla F však nemůže být obecně zcela využita síla v důsledku toho, že záběrový povrch neleží v radiálním směru.

Utahovací síla F ve skutečnosti může být rozložena na dvě složky Fr a Fu, tj. na radiální složku a tangenciální složku vzhledem kobvodu kružnice, mající svůj střed vose šroubu a procházející bodem, ve kterém síla působí, přičemž uvedené složky mají hodnoty

- 1 CZ 285019 B6

Fr = F . cos a a Fu = F . sin a, kde a je úhel sevřený stykovým povrchem s tečnou ke kružnici, procházející bodem působení síly F.

Složka Fr nepřispívá nijak ke vzájemnému působení mezi šroubem a klíčem při utahování, protože leží na přímce procházející středem rotace šroubu.

Utahování se děje výlučně působením složky

Fu = F . sin a.

Jak je zřejmé, účinnost utahování, daná poměrem mezi užitečnou utahovací tangenciální silou Fu a utahovací silou F, přenášenou z klíče na šroub, je výlučně funkcí sklonu a stykového povrchu vzhledem k tangenciálnímu směru v místě působení síly F. Čím více jsou stykové povrchy blíže k uvedenému tangenciálnímu směru, tím nižší je účinnosti utahování, kdežto tato účinnost nabývá vyšších hodnot, když stykové povrchy jsou v podstatě nastaveny v radiálním směru.

V případě, že se jedná o šroub s šestihrannou hlavou nebo hlavou šroubu s šestihranným vybráním, kde a je 30°, pak

Fu = F . sin 30° = 0,5 F a účinnost utahování je 50 %.

Další známý šroub je opatřen hlavou s lalokovitým vybráním, do kterého je vsunut klíč s odpovídajícím lalokovitým profilem. Záběrový povrch s klíčem má boční čela laloků, orientovaných ve směru blízkém ke směru radiálnímu, tj. boční čela svírají úhel okolo 90° s tangenciálním směrem v místě působení síly F, a proto platí přibližně

F = Fu, přičemž výsledkem při utahování spoje výše uvedeného typu je dosažení velmi vysoké účinnosti, protože prakticky veškerá síla, přenášená z klíče, může být použita pro utahování či povolování, a to nezávisle na počtu laloků.

V případě, že není k dispozici lalokovitý klíč, jakož tvar je přizpůsoben hlavě šroubu, může být k povolení či utažení šroubu použit vícehranný klíč, opatřený řadou boků, jejichž počet odpovídá počtu laloků ve vybrání hlavy šroubu, v tomto konkrétním případě šesti. Vícehranný klíč zabírá se stejnými čely, mezi laloky, v jejich hranách, a proto účinnost takového utahování spoje klesá v závislosti na úhlu a a má hodnotu 50 % při použití šestihranného klíče. Pokud je šroub utažen pomocí lalokovitého klíče a má být povolen pomocí šestihranného klíče, je nutno použít mnohem větší síly než by bylo potřeba při použití klíče lalokovitého.

Navíc ještě v důsledku vůle, vyplývající z rozdílu, daného lícováním mezi hlavním průměrem a skutečným průměrem, je způsobeno, že klíč působení proti hranám, vytvořeným průnikem mezi bočními čely laloků a čely laloků. Vyvinutí velké utahovací síly na šestihranný klíč v záběru s lalokovitým šroubem může snadno vést k poškození omačkáním uvedených hran a může tak ohrozit další vsunutí lalokovitého klíče.

Ještě další známý šroub má hlavu opatřenou lalokovitým vybráním, majícím zvláštní profil, známý jako „TORX“ /TM/, přičemž je vytvořen jako „šestihranný profil“. Takový šroub může být utahován a povolován prostřednictvím klíče odpovídajícího profilu.

-2 CZ 285019 B6

V důsledku provedení šestilalokového profilu a v důsledku vůle mezi klíčem a šroubem zabírá při utahování vnější povrch klíče s vnitřním přizpůsobeným povrchem šroubu v bodech působení síly, kde tečna k vnitřnímu povrchu svírá úhel a přibližně 75°. Využitá utahovací síla v tomto případě dosahuje hodnoty

Fu = F . sin 75° = 0,966 F.

Je zřejmé, že účinnost šestilalokového profilu je velmi vysoká, je zde však jedna nevýhoda, spočívající vtom, že uvedené přizpůsobení profilu vytváří body, ve kterých působí síla, která je situována radiálně, více do vnitřní polohy, než jsou konce laloků. Výsledné zmenšení ramena páky, na kterém působís síla, způsobí, že síla, působící ve stykových bodech mezi klíčem a šroubem, musí být mnohem vyšší než u klasického lalokovitého profilu při stejném působení kroutícího momentu.

Tento profil má navíc nevýhodu vtom, že je nezaměnitelný s jinými profily běžně používaných klíčů, takže v případě potřeby, kdy šestilalokový klíč není dostupný, je nemožné povolit nebo utáhnout uvažovaný šroub.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje šroub s lalokovitou hlavou nebo lalokovitým vybráním ve své hlavě, kde každý lalok je tvořen v podstatě obvodovým čelem a dvěma dalšími, na něj navazujícími, v podstatě rovnoběžnými bočními čely, směřujícími dovnitř šroubu a obvodově přecházejícími v záběrové povrchy pro styk s utahovacím klíčem, podle vynálezu, jehož podstatou je, že záběrové povrchy, uspořádané mezi dvěma sousedními laloky, sestávající vždy z páru čel, navzájem vůči sobě skloněných, která spolu svírají konkávní úhel ve směru k vnější straně šroubu.

Podle výhodného provedení vynálezu je šroub opatřen šesti laloky, přičemž konkávní úhel má velikost 155° až 165°, s výhodou pak 160°.

Podle dalšího výhodného provedení protíná rovina, v níž leží jedno z čel každého páru, mezní hranu mezi odpovídajícím sousedním čelem a bočním čelem sousedního laloku.

Podle dalšího výhodného provedení svírají přímky procházející oběma konci každého laloku a osou šroubu úhel o velikosti 18° až 22°, zejména 20°.

Výše uvedené nedostatky dále odstraňuje klíč s lalokovitou hlavou nebo lalokovitým vybráním v hlavě, kde každý lalok je tvořen v podstatě obvodovým čelem, a dvěma dalšími, na ně navazujícími, v podstatě rovnoběžnými bočními čely, směřujícími dovnitř klíče a obvodově přecházejícími v záběrové povrchy pro styk se šroubem, podle vynálezu, jehož podstatou je, že záběrové povrchy, uspořádané mezi dvěma sousedními laloky, jsou vždy tvořeny párem čel navzájem vůči sobě skloněných a svírajících spolu konkávní úhel ve směru k vnější straně šroubu.

Podle výhodného provedení je klíč opatřen šesti laloky, přičemž konkávní úhel má velikost 155° až 165°, zejména 160°.

Podle dalšího výhodného provedení je každý lalok klíče vytvořen na obvodě kružnice se středem v ose klíče, přičemž přímky procházející oběma konci každého laloku a osou klíče, svírají úhel o velikosti 18° až 22°, výhodně 20°.

-3 CZ 285019 B6

Výhodu šroubu podle vynálezu, opatřeného lalokovitou hlavou nebo lalokovitým vybráním v hlavě, je, že může být utahován či povolován jednak klíčem s přizpůsobeným profilem tak, aby se dosáhlo vysoké účinnosti utažení spoje, a jednak obvyklým vícehranným klíčem, přičemž při utahování se dosáhne vyšší účinnosti než u podobného spojení u šroubu s lalokovitou hlavou podle známého stavu techniky. U řešení podle vynálezu je rovněž odstraněno nebezpečí trvalé deformace hran záběrových povrchů.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení znázorněném na přiložených výkresech, na nichž obr. 1 znázorňuje půdorys hlavy šroubu s lalokovitým vybráním hlavy podle vynálezu a půdorys příslušného klíče, přičemž je znázorněno vzájemné působení sil mezi klíčem a šroubem, a obr. 2 znázorňuje půdorys hlavy šroubu s lalokovitým tvarem podle vynálezu a příslušný klíč.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn šroub 30, zhotovený podle vynálezu. Je opatřen hlavou s lalokovitým vybráním 31, do kterého je možno zasunovat odpovídající klíč 32 s lalokovitým profilem, tvořeným laloky 37c a záběrovými povrchy 34.

Ve většině běžných provedení má hlava šroubu 30 šest laloků 37.

Záběrový povrch 33 šroubu 30 pro záběr s klíčem 32 má u každého laloku 37 v podstatě obvodové čelo 37' a rovnoběžná boční čela 35, 36 orientovaná ve směru blízkému k radiálnímu směru, čímž svírají úhel téměř 90° s tangenciálním směrem v bodě působení síly F, takže užitečná utahovací sílaje blízká síle přenesené klíčem 32 s účinností blížící se 100 %.

Šroub 30 podle vynálezu má mezi všemi páry sousedních laloků 37 dvě čela 38, 39, která tvoří povrchy spolupracující s příslušnými povrchy klíče 32, a která jsou vůči sobě zalomená tak, že svírají úhel mezi 155° až 165°, s výhodou 160°, který je konkávní směrem k vnější části šroubu 30. Odpovídající přizpůsobené části klíče 32 jsou označeny stejnými vztahovými značkami jako odpovídající části šroubu 30, přičemž jsou opatřeny písmenem „c“. Klíč 32 má čela 38c, 39c oddělená laloky 37c. Velikosti čel 38, 39 jsou takové, že v závislosti na velikosti úhlu, který mezi sebou svírají, protíná rovina, v níž leží jedno z čel 38, 39 každého páru, mezní hranu 41 mezi odpovídajícím sousedním čelem 38, 39 a bočním čelem 35, 36 sousedního laloku 37, jak je znázorněno na obr. 1.

Toto uspořádání podle vynálezu, které je kompromisem mezi dvěma protichůdnými požadavky, vyplývá z možnosti nabízené šroubem 30 podle vynálezu, to jest, aby šroub 30 mohl být v případě potřeby utažen nebo povolen běžným vícehranným, například šestihranným klíčem 40, znázorněným čárkovaně při utahování a čerchované při povolování. Jak bylo výše uvedeno, ve skutečnosti platí, že čím mají čela 38 pro utahování a čela 39 pro povolování větší sklon vůči tangenciálnímu směru v bodě působení síly F, tím větší účinnosti kroutícího momentu je dosaženo.

Pokud by úhel byl příliš velký, mohlo by dojít k protažení čela 38, 39 tak, že by se nacházelo příliš blízko mezní hrany 41 mezi přilehlými čely 38 a 39, čímž by se příliš zmenšil záběrový povrch čel 38 a 39, což by vyvolalo velké specifické tlaky, které by mohly poškodit utahovaný spoj.

- 4 CZ 285019 B6

U vynálezu bylo postupováno tak, aby naklonění čel 38 a 39 umožňovalo dosažení dostatečně vysoké účinnosti, ale přitom aby velikost styčných ploch mezi záběrovými plochami šestihranného klíče 40 a záběrovými povrchy 33 šroubu 30 byla tak velká, jak je to jen možné.

Uhel okolo 160° mezi čely 38 a 39, který představuje uvedený větší sklon asi o 10° oproti čelům běžného šestihranného vybrání, také umožňuje, aby celkový rozdíl mezi jmenovitou velikostí Sna obr. 1, danou normami šestihranného klíče 40, a jeho skutečnou velikostí (tento rozdíl odpovídá 0,07 mm až 0,15 mm) byl využit tak, aby šestihranný klíč 40 byl v záběru svým povrchem (a ne pouze svými hranami) s celým záběrovým povrchem 33 čela 38, 39 šroubu 30.

Tímto způsobem je zabráněno silám, aby dosahovaly větších koncentrací na malých plochách klíče 32 a šroubu 30.

Pro výrobní technologii šroubu 30 s hlavou s lalokovitými vybráními 31 je předepsáno - a to z důvodů, týkajících se odolnosti vůči mechanickým napětím - že středový úhel náležející každému ze záběrových povrchů 33 šroubu 30, na něž působí šestihranný klíč 40, bude přibližně roven úhlu protilehlému každému laloku 37. Je proto výhodné, aby šroub 30 podle vynálezu, vzhledem ktomu, že pouze čela 38, 39, záběrového povrchu 33 jsou pokaždé vystavena namáhání, měl středové úhly protilehlé každému laloku 37 a středové úhly čel 38 a 39 v podstatě stejných velikostí, odpovídajících hodnotě 18° až 22°, výhodně 20°, pro šestilalokové vybrání hlavy šroubu 30. Protože rozsah čel 38 a 39 a jejich vzájemný náklon jsou dány, je tím velikost bočních čel 35. 36 laloků 37 následně určena, protože vnější průměr D laloků 37 je stanoven tak, že je 1,3 až l,4násobkem jmenovité velikosti S šestihranného klíče 40.

Šroub 30 s hlavou se šestihranným lalokovitým vybráním 31 podle předloženého vynálezu má, jak bylo uvedeno výše, úhel mezi každým párem čel 38, 39, který je směrem k venkovní straně šroubu 30 konkávní. Hodnota tohoto úhlu je mezi 155° až 165°, výhodně odpovídá 160°, což znamená, že v porovnání se známým šestilalokovým vybráním jsou čela 38 a 39 více skloněna k tangenciálnímu směru, a to v úhlu okolo 7,5° až 12,5°, to znamená že úhel a má pak hodnotu v rozmezí 37,5° až 42,5 °.

Využitelná utahovací síla, stanovená ze vztahu

Fu = F . sin a, která bude využita ve spojitosti s běžným šestihranným klíčem 40 vsunutým do vybrání hlavy šroubu 30 podle vynálezu, se bude měnit v rozmezí 61 % až 68 % síly F přenášené na šroub 30. Je zde tedy dosahováno účinnosti, která je větší než je obvyklá účinnost běžného šestihranného klíče 40 ve spojení s běžným šestihranným šroubem, a která činí 22 % až 36 %. Také síla zde působí na daleko větší záběrový povrch 33 šroubu 30, čímž se velice zmenší riziko zlomení nebo vzniku trvalých deformací.

Z výše uvedeného je patrné, že bylo dosaženo zamýšleného účelu vynálezu. Byl navržen šroub 30, který je opatřen lalokovitými vybráními 31, která umožňují provádět utahování a povolování šroubu 30 jak klíčem 32 odpovídajícího profilu, který umožňuje dosahování maximální účinnosti dotahování, tak tradičním šestihranným klíčem 40, přičemž bude ještě stále dosaženo účinnosti výše než u podobného spojení, dosaženého s lalokovitým šroubem podle známého stavu techniky.

Je samozřejmé, že výše uvedený popis provedení, využívající nových principů podle předloženého vynálezu, pouze představuje příklady, a proto ho nelze pokládat za omezení rozsahu předmětného vynálezu.

- 5 CZ 285019 B6

Například šroub 30, popsaný a zobrazený na výkresech, má vybrání uvnitř plochy hlavy šroubu 30, avšak lalokovitá vybrání 31 by také mohla být vytvořena na obvodu hlavy šroubu 30, aby mohl být utahován či polohován nástrčkovým klíčem, přičemž velikosti a konstrukční vlastnosti se nemění. Za účelem ujasnění provedení, zobrazeného na obr. 2, byly podobným nebo odpovídajícím prvkům přiřazeny stejné vztahové značky jako na obr. 1, byly však zvýšeny o 100. Šroub 130 má lalokovitou hlavu 131, která zapadá do tvarově přizpůsobeného klíče 132 se záběrovým povrchem 134. Lalokovitá hlava 131 má záběrový povrch 133 s laloky 137, které mají v podstatě obvodové čelo 137' a boční čela 135 a 136.

Každému páru přilehlých laloků 137 jsou přiřazena čela 138, 139, odpovídající záběrovým povrchům 134 klíče 132. Hlavním částem klíče 132 přizpůsobeným lalokovité hlavě 131 šroubu 130 jsou přiřazeny stejné vztahové značky, doplněné písmenem „c“. Klíč 132 má laloky 137c, mezi nimiž jsou uspořádána čela 138c a 139c, navzájem vůči sobě skloněná. Stejně jako u provedení, znázorněného na obr. 1, se využitá síla F blíží síle přenášeného klíčem 132 a její účinnost je téměř 100 %. Stejně jako u provedení podle obr. 1 je možno použít ruční klíč nebo mechanicky poháněný klíč pravoúhlého typu (Allen) nebo trubkového typu a tak dále.

Protože klíče musí být přizpůsobeny hlavě šroubu, jak samozřejmé, že výše uvedená výhodná přizpůsobení a rozdílné hodnoty úhlů pro povrchy hlav šroubu 30, 130 musí také platit pro přizpůsobený klíč 32, 132.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Šroub s lalokovitou hlavou (131) nebo lalokovitým vybráním (31) ve své hlavě, kde každý lalok (37, 137) je tvořen v podstatě obvodovým čelem (37', 137') a dvěma dalšími, na něj navazujícími, v podstatě rovnoběžnými bočními čely (35, 36, 135, 136), směřujícími dovnitř šroubu (30, 130) a obvodově přecházejícími v záběrové povrchy (33, 133) pro styk s utahovacím klíčem (32, 132), vyznačující se tím, že záběrové povrchy (33, 133), uspořádané mezi dvěma sousedními laloky (37, 137), sestávají vždy z páru čel (38, 39, 138, 139), navzájem vůči sobě skloněných, která spolu svírají konkávní úhel ve směru k vnější straně šroubu (30, 130).

2. Šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřen šesti laloky (37, 137), přičemž konkávní úhel má velikost 155 až 165°, s výhodou pak 160°.

3. Šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že rovina, v níž leží jedno z čel (38, 39, 138, 139) každého páru, protíná mezní hranu (41) mezi odpovídajícím sousedním čelem (38, 39, 138, 139) a bočním čelem (35, 36, 135, 136) sousedního laloku (37, 137).

4. Šroub podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se tím, že přímky procházející oběma konci každého laloku (37, 137) a osou šroubu (30, 130) svírají úhel o velikosti 18 až 22°, zejména 20°.

5. Klíč s lalokovitou hlavou (131) nebo lalokovitým vybráním (31) ve své hlavě, kde každý lalok (37c, 137c) je tvořen v podstatě obvodovým čelem (37'c, 137'c), a dvěma dalšími, na ně navazujícími, v podstatě rovnoběžnými bočními čely (35c, 36c, 135c, 136c), směřujícími dovnitř klíče (32, 132) a obvodově přecházejícími v záběrové povrchy (34, 134) pro styk se šroubem (30, 130), vyznačující se tím, že záběrové povrchy (34, 134), uspořádané mezi dvěma sousedními laloky (37c, 137c), jsou vždy tvořeny párem čel (38c, 39c, 138c, 139c) navzájem vůči sobě skloněných a svírajících spolu konkávní úhel ve směru k vnější straně klíče (32, 132).

- 6 CZ 285019 B6

6. Klíč podle nároku 5, vyznačující se tím, že je opatřen šesti laloky (37c, 137c), přičemž konkávní úhel má velikost 155° až 165°, zejména 160°.

5 7. Klíč podle nároku 6, vy z n a č u j í c í se tím, že každý lalok (37c, 137c) je vytvořen na obvodě kružnice se středem v ose klíče (32, 132), přičemž přímky procházející oběma konci každého laloku (37c, 137c) a osou klíče (32, 132), svírají úhel o velikosti 18° až 22°, výhodně 20°.