CZ304894A3

CZ304894A3 - Fixing element with thread

Info

Publication number: CZ304894A3
Application number: CZ943048A
Authority: CZ
Inventors: Anton Prof Dr Haerle
Original assignee: Harle Anton
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1994-12-05
Publication date: 1996-02-14
Also published as: TW297759B; KR950019281A; EP0660004A1; DE4342415A1; JPH07253109A; EP0660004B1; ATE141670T1; DE59400519D1; US5544993A; ES2092372T3; DE4342415C2

Description

Vynález se týká upevňovacích elementů podle předvýznakové části hlavního patentového nároku, a to z hledidka uspořádání konstrukčně podmíněných průřezových přechodů, které se v technice označují jako vruby a které jsou u upevňovacích elementů v závitové oblasti. Zejména se týká vynález uspořádání jednotlivých závitových boků na jejich přechodu k závitovému dnu členů pro přenos síly opatřených vnějším závitem, jako jsou šrouby všeho druhu, kolíky se závitem, vložky se závitem, pouzdra se závitem.

V dalším je tato základní problematika a princip řešení podle vynálezu uváděna na podkladě různých tvarů šroubových závitů na upevňovacích elementech. Může se přitom jednat o tvarově pevné šrouby nebo o jiné upevňovací elementy, opatřené vnějším závitem, které samy o sobě vytvářejí vnitřní závit a proto se také označují jako závitořezné šrouby. Vynář lez se také týká šroubových spojů metrické nebo UNC/UNF řady a jiných norem, zejména také šroubů a implanátů, opatřených vnějším závitem, a nástrojů pro použití na a v kostech.

Dosavadní_stav_techniky

Přídržnost a nosnost šroubů v tahovém zatížení a/nebo v kmitavém zatížení je ve velké míře závislá na geometrii vrubů. Zdě hraje významnou roli jak hloubka vrubu, tak i profil zakřivení, který je na dnu vrubu. Hloubka vrubu ve směru hloubky závitu je do značné míry závislá na vlastnostech materiálu, ve kterém je šroub zašroubován a ukotven, a nelze ji tak v podstatě upravovat bez mé závislosti na hloubce závitu změny přídržné funkce·

je průměr jádra šroubu, což je další parametr, který určuje nosnost šroubu.

Obecně lze říci, že minimální poloměr dna vrubu je v opačném poměru k účinku vrubu, to znamená, že čím je menší poloměr, tím je na tom šroub hůře z hlediska zalomení zatížením·

Zvětšení poloměru jádra však vede ke snížení překrytí boků zubů a tím i ke zvýšení zatížení nosných úseků boků.

Maximální koncentrace páutí jsou přitom umístěny poblí závitového dna, a to na počátku zatíženého stoupání závitového boku· Jev zvýšení pnutí, který indukuje účinek vrubu, se vytváří v každém úseku změny průřezu a je závislý na velikosti průřezu·

Z teoretického hlediska by se tedy měl průřez měnit na závitovém dnu a na počátku nárůstu závitových boků v minimálních hodnotách. Toho však nelze profilové křivky, která se u upevňovacích vu techniky zpravidla využívá na přechodu vému boku,uspokojivě dosáhnout· s prostou kruhovou funkcí elementů podle stak závitood závitu

Při zatížení upevňovacích prostředků závitem tahu, s vnějším hrají v první řadě roli tři síly, to znamená síla v síla v ohybu a rotační síla, přičemž poslední z nich působí jen při dotahování a uvolňování šroubového spoje. Při zašroubovávání závitových samořezných šroubů bez otvorů jádra vytváří podstatnoe část odporu v zašroubovávání šroubový dřík, pro který je třeba vytvořit prostor·

Stlačení materiálu přitom přímo závisí na průřezu jádra šroubu. Pokud se pro dosázení minimálního odporu při zašroubovávání zmenší jen průměr jádra, vytvářejí se na přechodech od závitového dna ke stoupajícím závitovým bokům koncentrace pnutí, protože také zašroubpvání závitových boků do materiálu se uskutečňuje při procesu stlačení a při určitém odporu proti zašroubovávání. Rotační pnutí na závitovém dnu lze jednak zmenšit harmonickou změnou průřezu v tomto místě, ale jednak také usnadněním zqformování závitu do materiálu. Tak velmi výrazně působí uspořádání závitových boků nad průměrem závitů. V rámci této skutečnosti se podle obecně platné definice průměru boků rozumí průměr imaginárního válce, který je upraven souose se závitem a u kterého každá libovolná čára pláště protíná profil závitu tak, že drážkou závitu a zubem závitu tvořené úseky jsou stejně velké.

Při zašroubovávání šroubu do duktilní plastické hmoty vyvolává špička závitu při vnikání do materiálu materiálový tok ve směru žlábku závitu a potom také ve směru závitového dna. Tvarovací odpor je tím menší, čím méně brání profilový bok toku materiálu. Tak jak je až dosud známé chování tohoto toku materiálu, vytváří se při něm zaoblený vnější obrys stlačovaného materiálu. Přímé uspořádání boků je proto méně vhodné než harmonicky konkávně zakřivený tvar boků, který prakticky jako pluh vychyluje materiál do drážky závitu a zde k závitovému dnu.

Pevnost tvarově pevného šroubového spojení je ale také v podstatě dána pevností střihu vnitrního závitu v materiálu, přičemž procentní podíl toho materiálu, který vyplňuje závitovou drážku, hraje určitou roli ve vztahu k rozměrům závitové drážky. Optimální by bylo pokud možno úplné naplnění závitové drážky a vytvoření jistého radiálního pnutí, takže by se při podélném tahu na šroub určoval odpor proti vy tažení nejen odstřižným válcem, který je závislý na vnějším průměru šroubu, nýbrž by se ještě zvyšoval radiálními silami, vyvolanými závitovým bokem. Vyklenuté vytvoření s malým dílčím bočním úhlem těch bočních úseků, které jsou vzdáleny od závitového dna, podporuje tento účinek.

Vynález si klade za úkol uspořádat závitové boky tak, aby se za prvé vytvořil v materiálu optimální odpor proti vytažení, za druhé, aby se udržoval nepatrný odpor závitu při zaformovávání a za třetí aby byly změny průřezu na pře* chodu mezi závitovým dnem a závitovým bokem vytvarovány tak, aby se zde vytvářela minimální koncentrace pnutí podmíněná působením vrubu, a to v této, zvláště trvalým zatížením ve zlomu ohrožené oblasti.

Vytčený úkol se řeší upevňovacím elementem podle vynálezu podle význakové části hlavního patentového nároku. Další výhodná uspořádání jsou obsažena v dalších patentových nárocích.

Lze tedy uvést, že se navrhuje, aby ta oblast na přechodu od závitového dna k nárůstu boků, která je ohrožena trvalým zatížením ve zlomu, byla opatřena profilem zakřivení, který má harmonický přechod od axiálně upravené tečny na závitovém dnu k úhlu s osou závitu, který vytváří navenek stoupající závitový úsek. Tohoto harmonického přechodu se dosahuje tím, že poloměr zakřivení, to znamená reciproční hodnota zakřivení, klesá z maximální hodnoty na závitovém dnu kontinuálně s narůstajícím odstupem od nejhlnb* ší části závitového dna až k minimální hodnotě v bočním úseku. Křivka závitového profilu v závitovém dnu a v sousedícím bočním úseku přitom může být tvořena například jedním nebo více úseky jedné nebo více elips* Velmi dobrého vytvoření poloviny závitové drážky lze také dosáhnout prostřednictvím úseku, který má funkci obdobnou y = xⁿ, přičemž n má hodnotu mezi 1 až 5, s výhodou zhruba 3, a dosahuje se například prostřednictvím kubické paraboly.

Tím se nejen sníží koncentrace pnutí na závitovém dnu, která je vyvolávána účinkem vrubu, ale současně se také umožní menší hloubka vrubu, protože je nyní možné typický vrub jádra pro kruhové segmenty zploštit. Prostřednictvím nyní v místech kritických pro zlomy způsobené trvalým zatížením zvětšeného poloměru jádra lze přídavně dosáhnout podstatného zvýšení nosnosti šroubu.

U šroubů, které jsou vystaveny značnému ohybu nebo střihu, lze se vyrovnat s různým zatížením na nosném boku a boku s vůlí tím, že změny zakřivení na přechodu závitového dna k zatíženému boku se zvolí ještě menší než k boku s vůlí. Profil obou do závitového dna přecházejících úseků boků není potom již popisován prostřednictvím jednotlivých funkcí, avšak je vytvořen například ze dvou různých úseků elipsy.

Uspořádání boku závitu jako celku je proto možné s výhodou zvolit jako profil, který má od minimálního zakřivení na závitovém dnu v radiálním směru nejprve kontinuálně narůstající zakřivení a po dosažení maxima zakřivení sejopět dále rozvíjí kontinuálně k minimu zakřiveni. U tvarově pevných šroubů pro využití v plastických hmotách, dřevěných materiálech, měkkých kovech a kostech přitom může být minimum zakřivení zhruba v úrovni průměru boku.

-Q2-yýkre šech

Příklady provedení upevňovacích elementů se závitem podle vynálezu jsou v dalším vysvětleny na podkladě výkresové části.

Na obr. 1 je schematicky znázorněn úsek tvarově pevného šroubu pro plastické materiály se závitovým profilem podle vynálezu. Na obr. 2 je schematicky a ve větším měřítku znázorněn úsek závitového boku blízký k závitovému dnu se závitovým profilem podle vynálezu.

Na obr. 3 je znázorněna závitová drážka kostního šroubu se závitovým profilem podle vynálezu.

Na obr. 4 je schematicky znázorněn výřez závitového spojení podle 1S0, u kterého je závitový profil podle vynálezu znázorněn na čepu. Na obr. 5 je ve větším měřítku znázorněno závitové dno čepu.

PÉí

Na obr. 1 je znázorněn tvarově pevný šroub pro použití u plastických materiálů, jako plastických hmot, duraplastů, atd. se závitovým profilem podle vynálezu, který má dřík 1/ osu 5 závitu a závitové boky 2, 3, 4. Závitový profil 6 je tvořen závitovým dnem 12 a stoupajícími závitovými boky 8, a je mimo jiné definován stoupáním h závitu 10. Závitovou drážku závitového profilu 6 vymezující boční strana sestává z prvního úseku 11, který je blízký k závitovému dnu 12, který vyůstuje do závitového dna 12 v oblasti vyznačené šipkou, a z druhého úseku .13, který je vzdálený od závitového dna 12 a který přechází do hrotu 14 závitového zubu· Pokud se na druhý úsek 13 uloží před jeho výběhem do hrotu 14 závitového zubu tečna 15, svírá tato s normálou 16 na osu 5 závitu úhel 17 části boku· Tečna 18, uložená na závitové dno 12, prochází rovnoběžně s osou 5 závitu a definuje průměr jádra šroubu.

Závitový profil podle vynálezu se kromě jiného vyznačuje na závitovém dnu 12 křivkou 20 závitového profilu 6, která má více různých zakřivení a která harmonickým přechodem od závitového dna 12 k závitovým bokům 8, 9 v tomto místě snižuje koncentraci pnutí podmíněnou účinkem vrubu. Princip řešení je ve větším měřítku znázorněn na obr, 2,

Na obr, 2 je znázorněn přechod stoupajícího závitového boku do závitového dna, přičemž jsou zde patrný dotykové body tečen ^na křivce 20 závitového profilu 6,

Tečna Τθ na závitovém dnu odpovídá tečně 18 na obr. 1 a prochází rovnoběžně vzhledem k ose 5 závitu. Přerušovaná čára 19 představuje normálu na tečnu Τθ v nejhlubším místě závitového dna 12 a tvoří současně začátek nárůstu závitových boků 8, 9. Ostatní tečny Σ|_γ svírají s osou závitu úhel alfa, který narůstá v souladu s odstupem dotykových bodů od nejhlubšího dotykového bodu Ρθ na závitovém dnu 12 a který narůstá s různými hodnotami. Středy a hodnoty poloměrů zakřivení j^s<>^u přiřazeny křivkovým segmentům v oblasti dotykových bodů P tečen. Středy těchto poloměrů zakřive—n ní r^ γ, které charakterizují jednotlivé třivkové úseky, se přemistují souhlasně s dotykovými body a hodnoty těchto poloměrů se chovají opačně k odstupu dotykových bodů P|^7 od dotykového bodu Ρθ.

Na obr. 3 je znázorněn závitový profil kostního šroubu, který má první úseky 21, 22, které jsou upraveny blíže k závitovému dnu 25, a druhé úseky 23, 24, které jsou upraveny dále od závitového dna 25. Průměr 26 boků protíná závitový profil tak, že úseky tvořené drážkou profilu a zubem profilu jsou stejně velké a může být přibližně označen jako hranice mezi prvními úseky 21, 22 a druhými úseky 23, 24. které vytvářejí vždy jeden bok závitového zubu.

Druhé úseky 23, 24 závitu, které jsou více vzdálené od závitového dna 25, mohou být vyklenuty bud ve tvaru křivek

46. 47 nebo mohou být vytvořeny v souladu s tečnami odpovídajícími přímkám 48, 49, které se dotýkají křivky 20 závitového profilu 6. Tečny £8, 52 k zakřivenému průběhu křivky závitového profilu svírají s normálami 50 na osu závitu úhel 51 části boku.

Na obr. 4 je znázorněn výřez závitového spoje ISO, u kterého závitový zub 27 vnitřního závitu zabírá do závitové drážky čepu 28. Je zde také čarou vyznačen průměr 29 boku tohoto závitového spoje. Dále je znázorněn hrot 30 dříku čepu trojúhelníku závitového profilu. Pro ISO vnější závit typické zaoblení závitového dna znázorňuje křivka 31. Dále jsou zde znázorněny závitové boky 35, 36 čepu a závitové boky 37, 38 vnitřního profilu. Křivky závitových profilů podle vynálezu v úsecích vnějšího závitu, které jsou blízké k závitovému dnu, jsou vyznačeny křivkami 32 a 33, přičemž křivka 32 představuje minimální rozměr a křivka 33 maximální rozměr průměru jádra šroubu. Oblast 34, která je · vytvořena tečkovanými čárovými úseky, zobrazuje v řezu materiálový zisk, získaný závitovým profilem podle vynálezu v závitovém dnu, to znamená zmenšení hloubky vrubu.

Uspořádáním závitového profilu podle vynálezu na závitovém dnu se tedy jednak zmenší působící pnutí závislé na poloměru zakřivení vrubu a současně také se dosáhne zvětšení průřezu šroubu v oblasti kritické na zlomy způsobené trvalým zatížením, která je v závitovém dnu·

Na obr· 5 jsou znázorněny poměry na závitovém dnu 4JL závitového šroubu ISO, přičemž jsou zde patrny závitové boky 39» 40, které stoupají směrem vzhůru, a přerušovanou křivkou závitové dno 41 odpovídající stavu techniky· Křivka 42 znázorňuje křivku závitového profilu podle vynálezu v závitovém dnu 41 a v navazujícím úseku závitového boku, přičemž ten je tvořen segmentem elipsy, přičemž elipsovitá část 43, která nepatří ke křivce závitového profilu, je zakreslena přerušovaně. Přímka 45 představuje normálu na tečnu 44 ke křivce závitového profilu v nejnižší poloze závitového dna a poukazuje špičkou šipky na hmotnostní zisk v závitovém dnu 41 závitu podle vynálezu ve srovnání se závitem ISO v souladu se stavem techniky.

Zatímco provedení znázorněná a vysvětlená na obrázcích jsou opatřena vnějším závitem, mohou být závitové profily stejně podle vynálezu využity i u vnitřních závitů, přičemž je zde zejména výhodné profilování podle vynálezu na závitovém dnu·

Vynález se také týká způsobu výroby závitu a tím také nástroje pro výrobu závitu, neupnutě působící nástroje, vit vyrábějícího úseku tvar závitovému profilu, nebo se přičemž se jedná o upnuté nebo které mají alespoň v části zápovrchové plochy odpovídající jedná o způsob, prostřednictvím rozměrným vychylováním.

kterého je možné jeho nástroji vyrábět závitový profil tří10 Vynález byl znázorněn na obrázcích a použitou terminologii je třeba chápat ve smyslu slovního popisu, avšak nikoli ve smyslu omezení·

Je zřejmé, že v rámci podstaty vynálezu jsou možné růiné modifikace a variace vynálezu. Vztahové znaky v obrázcích a v nárocích slouží jen pro lepší porozumění a v žádném případě je nelze chápat jako omezení vynálezu na konkrétně znázorněné vytvoření, protože vynález lze využít také jiným způsobem, než je to znázorněno.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1· Upevňovací element se závitem s pnutí optimalizujícím závitovým profilem, který má osu závitu, stoupání h závitu, závitové dno a na obě strany navazující závitové boky, rozdělující průměr boku na první, na závitové dno navazující úsek a na druhý, od závitového dna vzdálený úsek, přičemž každý od závitového dna vzdálený úsek má v oblasti blízké ke hrotu závitu úhel části boku o hodnotě menší než 40°, vyznačující se tím, že závitový profil (6) v oblasti blízké k závitovému dnu (12), která je složena ze dvou prvních úseků (11; 21; 22), opisuje křivku s nejméně čtyřmi různými zakřiveními,
2. Upevňovací element se závitem podle nároku 1, vyznačující se tím, že závitový profil (6) v oblasti blízké k závitovému dnu (12) opisuje křivku s nejméně pěti různými zakřiveními.
3. Upevňovací element se závitem podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že poloměr r zakři- ffldX vení na přechodu od závitového dna (12) ke stoupajícímu závitovému boku (8, 9) má hodnotu větší než 0,25 stoupání h závitu (10).
4. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že poloměr r zakřivení na přechodu od závitové-

Q13X ho dna (12) ke stoupajícímu závitovému boku (8, 9) má hodnotu větší než 0,5 stoupání h závitu (10).
5. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závitový profil (6) tvoří v prvním úseku (11; 21; 22) a/nebo ve druhém úseku (13; 23; 24) křivku s kontinuální změnou zakřivení.
6. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závitový profil (6) nemá v závitovém dnu (12) žádné zakřivení.
7. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závitový profil (6) má v prvním úseku (11; 21; 22) nejméně v oblasti bezprostředně navazující na závitové dno (12; 25) s narůstající axiální vzdáleností od minima závitového dna (12; 25) také narůstající zakřivení, a úhel alfa, sevřený dotykovými tečnami T_n(i_7) ^na křivce (20) závitového profilu (6) s osou narůstá ve stejném smyslu s axiálním odstupem dotykových bodů Ρ_η(^_γ) ^od dotykového bodu Ρθ minima závitového dna (12; 25).
8. Upevňovací element se závitem podle nároku 7, vyznačující se tím, že úhel alfa má hodnotu v oblasti 0 až 85°.
9. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že křivka (20) závitového profilu (6) má jeden nebo více úseků (21, 22, 23, 24) křivky druhého nebo vyššího řádu.
10. Upevňovací element se závitem podle mároku 9, vyzná- čující se tím, že křivka (20) závitového profilu (6) má jeden nebo více úseků (21, 22, 23, 24) jedné elipsy nebo různých elips.
11. Upevňovací element se závitem podle nároku 10, vyznačující se tím, že podíl a/b hlavní osy (a) a vedlejší osy (b) elipsovitých úseků (21, 22, 23, 24) má hodnotu v oblasti 1,5 až 15, s výhodou zhruba 3·
12. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že křivka (20) závitového profilu (6) má jeden nebo více úseků (21, 22, 23, 24) s jednou nebo s rozdílnými křivkovými funkcemi rovnice y = xⁿ , přičemž n má hodnotu mezi 1 až 5, s výhodou zhruba 3.
13. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že po obou stranách na závitové dno (25) navazující, to je první úseky (21; 22) jsou vytvořeny různě.
14. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že od závitového dna (12) vzdálenější druhý úsek (13) je vytvořen konkávně.
15. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že oba od závitového dna (25) vzdálené, to je druhé závitové úseky (23; 24) jsou vytvořeny různě.
16. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závit je vytvořen jako vnější závit.
17. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závit je vytvořen jako vnitřní závit,
18. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závitový profil (6) je vytvořen na členech pro přenos síly pro osteosyntézní operace, jako kostních šroubech, šroubových miskách, na nástrojích pro řezání závitů.
19. Upevňovací element se závitem podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že závitový profil (6) je vytvořen v/na maticích, šroubech, závitových vložkách, závitových objímkách, šroubových vložkách.
20. Nástroj pro výrobu závitového profilu podle jednoho nebo několika z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že nástroj má sám o sobě doplňkový povrcho* vý profil vzhledem k závitovému profilu nebo vytváří závitový profil odpovídajícím prostorovým vychýlením.