ES2333188B1 - Union roscada con holgura variable. - Google Patents
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Abstract
Unión roscada con holgura variable.
Unión roscada entre una pieza macho (2) y una
pieza hembra (1), en particular entre un tornillo y un implante
dental, ambas piezas (1, 2) provistas de un perfil de rosca dotado
de espiras, donde el paso de rosca (4b) del perfil de rosca de la
pieza macho (2) es diferente del paso de rosca (4a) del perfil de
rosca de la pieza hembra (1), con lo que se obtiene una holgura (3)
controlada entre ambas piezas. Según la invención, una de las dos
piezas (1, 2) presenta un paso de rosca variable. En consecuencia,
la unión roscada entre ambas piezas (1, 2) presenta una holgura (3)
que varía de forma no lineal. Ajustando adecuadamente el diseño
concreto de los pasos de rosca, es posible controlar la distribución
de tensiones a lo largo de la unión roscada según los intereses de
la aplicación.
Description
Unión roscada con holgura variable.
La invención se refiere a una unión roscada de
una pieza roscada macho y una pieza roscada hembra, aplicable a
todo tipo de uniones roscadas, como por ejemplo a uniones roscadas
entre un implante dental y un tornillo de sujeción de una pieza, en
particular de una prótesis dental.
Las uniones roscadas entre una pieza macho
(dotada de un perfil de rosca formado por una serie de espiras) y
una pieza hembra (dotada igualmente de un perfil de rosca formado
por una serie de espiras en el cual encaja el perfil de rosca de la
pieza macho) se han diseñado para no presentar holguras, es decir,
para que los perfiles de rosca de ambas piezas encajasen
perfectamente entre sí. Tras analizar estas uniones, se ha llegado
a la conclusión de que la distribución de tensiones sobre las
espiras durante la vida útil de la unión roscada era tal que
algunas espiras soportan más tensiones que otras. Concretamente,
las espiras que soportan más tensiones son las primeras espiras, es
decir, las espiras más próximas a la cabeza del tornillo, o lo que
es lo mismo, más alejadas de la punta del tornillo.
Se conocen algunas patentes tales como US3664540
y US2870668 que describen uniones roscadas en las que la holgura
entre el perfil de rosca de la pieza macho y el perfil de rosca de
la pieza hembra crece linealmente con el fin de uniformizar la
distribución de tensiones, es decir, con el fin de que todas las
espiras soporten aproximadamente la misma tensión.
Sin embargo, esta holgura de crecimiento lineal
no permite un control de la distribución de las tensiones a lo
largo de la unión roscada. Existen aplicaciones en las cuales sería
interesante disponer de uniones roscadas que presentasen una
distribución de tensiones aún diferente de las mencionadas. Es
decir, en estas aplicaciones no es del todo conveniente una unión
roscada tradicional (en la que las primeras espiras son las más
cargadas) ni una unión roscada del tipo de US3664540 y US2870668
(en las que todas las espiras están cargadas por igual), sino que
puede interesar en cambio que el pico de tensión se dé en cualquier
espira de la unión roscada, incluso en las últimas espiras. Por
ejemplo, las uniones roscadas utilizadas en aeronáutica deben ser
tales que sean las últimas espiras las más cargadas, con el fin de
conseguir que en caso de rotura del tornillo siga trabajando la
mayor parte del tornillo (garantizándose que se mantiene la unión
roscada). También puede ser interesante diseñar la unión roscada
para que el fallo ocurra en la cabeza del tornillo y así facilitar
la extracción del tornillo en caso de que se rompiese.
La invención pretende ofrecer un diseño de unión
roscada que sea apta para aplicaciones en las cuales no interesa
que la distribución de tensiones sea homogénea ni que la
distribución de tensiones sea tal que las primeras espiras sean las
más tensionadas.
Es objeto de la invención una unión roscada
entre una pieza macho y una pieza hembra, ambas provistas de un
perfil de rosca dotado de espiras, donde el paso de rosca del
perfil de rosca de la pieza macho es diferente del paso de rosca
del perfil de rosca de la pieza hembra, con lo que se obtiene una
holgura controlada entre ambas piezas. Según la invención, una de
las dos piezas (macho o hembra) presenta un paso de rosca variable.
En consecuencia, la unión roscada entre ambas piezas presenta una
holgura que varía de una forma no lineal (a diferencia de las
holguras obtenidas con las patentes US3664540 o US2870668, en las
cuales el paso de rosca de ambas piezas es ligeramente diferente
pero siempre constante, creándose una holgura que varía
linealmente). Ajustando adecuadamente el diseño concreto de los
pasos de rosca (y por lo tanto el tipo de holgura no lineal), es
posible controlar la distribución de tensiones a lo largo de la
unión roscada según los intereses de la aplicación. En
consecuencia, la invención permite elegir qué zona de la unión
roscada va a quedar más tensionada y por lo tanto controlar en qué
zona de la unión va a producirse la rotura, en caso de
producirse.
El paso de rosca variable puede presentarse
indistintamente en la pieza macho o en la pieza hembra. Ha de
tenerse en cuenta que, en el caso de estar aplicado en la pieza
macho generalmente se tratará de un paso de rosca creciente
mientras que en caso de estar aplicado a la pieza hembra
generalmente se tratará de un paso de rosca decreciente. La otra
pieza estará provista de un perfil de rosca de paso de rosca
constante.
Como nota, téngase en cuenta que en el uso de
los términos "creciente" y "decreciente" se observará la
unión roscada desde la cabeza hacia la punta de la pieza macho (la
pieza macho será un tornillo o similar, generalmente).
La holgura con variación no lineal es,
preferentemente, una holgura que presenta una variación
sustancialmente parabólica, elíptica o polinómica de grado n. La
elección de un tipo u otro de holgura depende de la aplicación en la
que se vaya a utilizar la invención.
Los detalles de la invención se aprecian en las
figuras que se acompañan, no pretendiendo éstas ser limitativas del
alcance de la invención:
- La Figura 1 muestra una unión roscada
convencional sin holguras.
- La Figura 2 muestra un dibujo esquemático de
una unión roscada según la invención.
- La Figura 3 muestra una vista ampliada de
varias espiras consecutivas de la unión roscada de la figura
anterior.
- La Figura 4 muestra la distribución de
tensiones a lo largo de la unión roscada de la Figura 1.
- La Figura 5 muestra la distribución de
tensiones en la unión roscada de la Figura 2.
- La Figura 6 muestra un gráfico de la tensión
con respecto a la holgura.
- La Figura 7 muestra un gráfico de la
distribución de las fuerzas a lo largo de las espiras en una unión
roscada convencional sin holgura, en una unión roscada convencional
con una holgura que se incrementa linealmente, y en una unión
roscada según la invención de acuerdo con la Figura 2.
- La Figura 8 muestra una tabla que representa
una holgura convencional y varios modos de realización de la
invención.
- La Figura 9 muestra la representación gráfica
de las holguras de la figura anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 muestra una unión roscada
convencional entre una pieza hembra (1) y una pieza macho (2), en
la cual no existen holguras entre ambas piezas (1, 2).
La Figura 2 muestra un modo de realización de
una unión roscada según la invención, entre una pieza hembra (1) y
una pieza macho (2), en la cual se forman ciertas holguras (3)
entre ambas piezas (1, 2) como consecuencia del hecho de que el
paso de rosca (4) de la pieza hembra (1) y el paso de rosca (4) de
la pieza macho (2) son diferentes. Según la invención, el paso de
rosca (4) de una de las dos piezas (1, 2) aumenta de una espira a
otra de una forma no constante, de manera que la anchura de las
holguras (3) crece de forma no lineal. En el modo de realización
representado en la figura, es la pieza hembra (1) la que presenta
el paso de rosca (4) creciente mientras que es la pieza macho (2)
la que presenta el paso de rosca (4) constante. Por "paso de
rosca (4)" se entiende la distancia entre una espira y la espira
siguiente del perfil de rosca.
La Figura 3 muestra una vista ampliada de varias
espiras consecutivas de la unión roscada entre la pieza hembra (1)
y la pieza macho (2). El paso de rosca (4b) de la pieza macho (2)
es fijo, mientras que el paso de rosca (4a, 4a', 4a'') de la pieza
hembra (1) va aumentando en las sucesivas espiras. Preferentemente,
los pasos de rosca (4a, 4a', 4a'', 4b) son tales que la anchura de
las holguras (3) presenta una variación sustancialmente parabólica,
elíptica o polinómica de grado n.
Para que la holgura (3) crezca de forma
sustancialmente parabólica, el paso de rosca (4b) de la pieza macho
(2) es constante mientras que el paso de rosca (4a, 4a', 4a'') de
la pieza hembra (1) sigue una función lineal con respecto al número
de espira, siendo la diferencia entre un paso de rosca y el paso de
rosca anterior un valor constante. Es decir, la representación
gráfica del paso de rosca de la pieza hembra (1) en función del
número de espira es una recta. Por ejemplo, si el paso de rosca
(4b) de la pieza macho (2) es un valor "p" constante, los
pasos de rosca (4a, 4a', 4a'') de la pieza hembra (1) son
respectivamente p+k, p+2k y p+3k, donde k es una constante.
Entonces, en este caso la anchura de las holguras (3, 3', 3'')
obtenidas es respectivamente k, 3k y 6k. La serie completa, para un
número elevado de espiras, estaría formada por unas holguras de
anchura k, 3k, 6k, 10k, 15k, 21k, 28k..., es decir una anchura que
crece de una forma sustancialmente parabólica en función del número
de espira, como se observa en la Figura 9.
Para que la holgura (3) crezca de forma
sustancialmente elíptica, el paso de rosca (4b) de la pieza macho
(2) es constante mientras que el paso de rosca (4a, 4a', 4a'') de
la pieza hembra (1) sigue una función parabólica con respecto al
número de espira. Por ejemplo, el paso de rosca de la pieza hembra
(1) crece de forma que el segundo paso de rosca es un valor
constante más largo que el primero, el tercero es dos veces ese
valor más largo que el segundo, y así sucesivamente. Citando
valores concretos a modo de ejemplo, si el paso de rosca (4b) de la
pieza macho (2) es un valor "p" constante, los pasos de rosca
(4a, 4a', 4a'') de la pieza hembra (1) pueden ser respectivamente
p+k, p+3k y p+6k. Entonces, la anchura de las holguras (3, 3', 3'')
obtenidas es respectivamente k, 4k y 10k. La serie completa, para
un número elevado de espiras, estaría formada por unas holguras de
anchura k, 4k, 10k, 20k, 35k, 56k, 84k..., es decir una anchura que
crece de una forma sustancialmente elíptica en función del número
de espira, como se observa en la Figura 9.
Para que la holgura (3) crezca sustancialmente
según una forma polinómica de grado n, el paso de rosca (4) de la
pieza macho (2) es constante mientras que el paso de rosca (4) de
la pieza hembra (1) sigue una función polinómica de grado
n-1 con respecto al número de espira. Por ejemplo,
si se desea una holgura (3, 3', 3'') cuya anchura crezca según un
polinomio de grado 5, el paso de rosca (4a, 4a', 4a'') de la pieza
hembra (1) debe crecer según una función polinómica de grado 4.
Citando valores concretos a modo de ejemplo, si el paso de rosca
(4b) de la pieza macho (2) es un valor "p" constante, los
pasos de rosca (4a, 4a', 4a'') de la pieza hembra (1) pueden ser
respectivamente p+k, p+5k y p+15k. Entonces, la anchura de las
holguras (3, 3', 3'') obtenidas es respectivamente k, 6k y 21k. La
serie completa, para un número elevado de espiras, estaría formada
por unas holguras de anchura k, 6k, 21k, 56k, 126k, 252k, 462k...,
es decir una anchura que crece sustancialmente según una forma
polinómica de grado 5 en función del número de espira, como se
observa en la Figura 9.
Lógicamente el caso del crecimiento parabólico y
el caso del crecimiento elíptico son casos particulares del caso de
crecimiento según un polinomio de grado n, con n=2 y n=3
respectivamente.
La Figura 4 muestra la distribución de tensiones
a lo largo de la unión roscada convencional de la Figura 1,
indicando una escala de los valores de tensión (MPa) en distintas
zonas de las piezas en relación con los distintos niveles de gris
representados. Como puede verse en la figura, las altas tensiones
se concentran en las primeras espiras (zona izquierda de la figura)
de la pieza macho (tornillo), las cuales están sombreadas casi en
blanco. Posteriormente, tras una transición relativamente abrupta
(mostrada en grises) se pasa a un gran número de espiras muy poco
tensionadas (en gris oscuro y negro) situadas en la zona de la
punta de la pieza macho. El valor máximo de tensión soportada por
la pieza macho es de unos 752 MPa.
La Figura 5 muestra la distribución de tensiones
en la unión roscada de la Figura 2. En este caso, mediante la
técnica de la presente invención se consiguen varios efectos que
pueden ser interesantes. En primer lugar, se tensionan de una forma
más uniforme todas las espiras, lo cual se aprecia porque la
transición entre niveles de gris es más suave que en el caso de la
Figura 4. En segundo lugar, se reduce el valor máximo o pico de
tensión aplicado a la pieza macho a un valor de unos 568 MPa. Es
decir, en comparación con la unión roscada de la Figura 4, en la
unión roscada de esta figura se reduce en aproximadamente el 20% el
valor máximo de tensión aplicado a la pieza macho (pieza inferior en
ésta y otras figuras).
La Figura 6 muestra un gráfico que representa
valores de tensión máxima soportada por la unión roscada
(en N/mm^{2}) con respecto al parámetro "k" (en mm) descrito anteriormente, mediante el cual se parametriza el crecimiento del paso de rosca. Se muestran dos curvas, una continua correspondiente a una unión roscada según la invención con holgura creciente parabólicamente y una discontinua correspondiente a una unión roscada con holgura creciente linealmente de acuerdo con patentes US3664540 o US2870668. Como se observa en la figura, en ambos casos se trata de seleccionar el valor de "k" óptimo, que es aquel para el cual se da el mínimo de tensión máxima soportada por la unión roscada. También se observa que la unión roscada con holgura creciente parabólicamente presenta en general valores máximos de tensión menores que la unión roscada con holgura creciente linealmente, siendo la diferencia aún mayor cuanto mayor es el parámetro Y. Por lo tanto mediante una unión roscada según la invención es posible, seleccionando un valor "k" adecuado, obtener una importante reducción de la tensión máxima en comparación con las uniones de las patentes US3664540 y US2870668.
(en N/mm^{2}) con respecto al parámetro "k" (en mm) descrito anteriormente, mediante el cual se parametriza el crecimiento del paso de rosca. Se muestran dos curvas, una continua correspondiente a una unión roscada según la invención con holgura creciente parabólicamente y una discontinua correspondiente a una unión roscada con holgura creciente linealmente de acuerdo con patentes US3664540 o US2870668. Como se observa en la figura, en ambos casos se trata de seleccionar el valor de "k" óptimo, que es aquel para el cual se da el mínimo de tensión máxima soportada por la unión roscada. También se observa que la unión roscada con holgura creciente parabólicamente presenta en general valores máximos de tensión menores que la unión roscada con holgura creciente linealmente, siendo la diferencia aún mayor cuanto mayor es el parámetro Y. Por lo tanto mediante una unión roscada según la invención es posible, seleccionando un valor "k" adecuado, obtener una importante reducción de la tensión máxima en comparación con las uniones de las patentes US3664540 y US2870668.
La Figura 7 muestra un gráfico de la
distribución de las fuerzas de contacto soportadas por cada espira
(en N) a lo largo de las espiras que forman la unión roscada
(indicadas por el nº de espira). Se muestran tres curvas, una
continua correspondiente a una unión roscada convencional sin
holguras, una discontinua con guiones correspondiente a una unión
roscada convencional con holguras crecientes linealmente según
US3664540 o US2870668, y una discontinua raya-punto
correspondiente a una unión roscada según la invención con holguras
crecientes parabólicamente. Como puede observarse en la figura, en
la unión roscada convencional sin holgura la primera espira absorbe
una fuerza muy elevada (unos 275 N) y la fuerza decrece muy
rápidamente en las espiras siguientes. En la unión roscada con
holgura creciente linealmente se cargan menos las primeras espiras
y la fuerza máxima se aplica sobre las espiras novena y décima, con
un valor máximo de unos 175 N. En cambio, en la unión roscada según
la invención se consigue cargar de una forma muy uniforme todas las
espiras de la unión roscada, lo cual es ventajoso porque reduce el
riesgo de que se rompa alguna espira en particular por verse más
cargada que el resto de espiras. Además, el valor máximo de fuerza
soportada es mucho menor que en las dos uniones roscadas
convencionales. De hecho ronda los 80 N, lo cual se
corresponde
con una reducción del 70% y del 55% respectivamente en comparación con las dos uniones roscadas convencionales.
con una reducción del 70% y del 55% respectivamente en comparación con las dos uniones roscadas convencionales.
La Figura 8 muestra una tabla que representa las
holguras crecientes obtenidas (coeficientes numéricos crecientes
multiplicados por la constante k) según una serie de crecimiento
polinómico de grado n=1 (crecimiento lineal, conocido en el estado
de la técnica), 2 (crecimiento parabólico), 3 (crecimiento
elíptico), 4, 5 y 6. La Figura 9 muestra la representación gráfica
de estas holguras con respecto al número de espira. Dicha
representación gráfica permite observar el crecimiento parabólico,
elíptico, etc. de las holguras crecientes según la invención.
Para la consecución del perfil adecuado con
nuestra invención se puede utilizar cualquier procedimiento de
fabricación de los que se utilizan en la generación de perfiles
roscados (por ejemplo mecanizado, inyectado, laminado, etc.)
únicamente teniendo en cuenta que dicho procedimiento debe permitir
poder crear un paso de rosca no constante (el cual se considera
perfectamente alcanzable con cualquiera de esos métodos). El
procedimiento de fabricación no necesita utillajes especiales ni
mayor tiempo de producción que el procedimiento de fabricación de
una unión roscada tradicional.
Por otro lado, hay que resaltar que no existen
unos parámetros óptimos de incremento de paso de rosca, dado que
éstos dependerán de las dimensiones de la rosca, del material con
el que esté construida, del estado de carga al que esté sometida,
etc. Además, para cada aplicación habrá que calcular dichos
parámetros apara ajustarlos a las necesidades de la aplicación.
De forma especialmente ventajosa, la unión
roscada según la invención se aplica a la conexión entre un
implante dental y un tornillo de conexión de una pieza al implante
dental, siendo el implante dental la pieza hembra (1) y siendo el
tornillo la pieza macho (2). La pieza que vaya a ser conectada al
implante dental será normalmente un poste pilar, pudiendo ser
también cualquier otro componente protésico, como un pilar de
cicatrización, un pilar UCLA, etc. En cualquiera de los casos se
consigue mediante la invención un conjunto mecánico (implante,
tornillo y componente protésico) más robusto que conjuntos
mecánicos provistos de uniones roscadas convencionales. Por lo
tanto, se logra aumentar la robustez del conjunto sin que sea
necesario recurrir a materiales diferentes de los habituales y sin
que sea necesario aumentar el coste de fabricación de los distintos
elementos del conjunto mecánico.
Claims (7)
1. Unión roscada entre una pieza hembra (1) y
una pieza macho (2), donde ambas piezas (1, 2) comprenden un perfil
de rosca formado por una serie de espiras, disponiendo el perfil de
rosca de al menos una de las dos piezas
(1, 2) de un paso de rosca (4a, 4b) variable de manera que entre ambos perfiles de rosca se crea una holgura (3) creciente, que se caracteriza por que:
(1, 2) de un paso de rosca (4a, 4b) variable de manera que entre ambos perfiles de rosca se crea una holgura (3) creciente, que se caracteriza por que:
- -
- la diferencia entre el paso de rosca de las piezas (1, 2) es inconstante en función del número de espira, de forma que la holgura (3) varía de forma no lineal.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Unión roscada, según la reivindicación 1, que
se caracteriza por que la diferencia entre el paso de rosca
de las piezas (1, 2) sigue una función polinómica de grado
n-1, de forma que la holgura (3) varía según una
función polinómica de grado n.
3. Unión roscada, según la reivindicación 2, que
se caracteriza por que la diferencia entre el paso de rosca
de las piezas (1, 2) sigue una función lineal, de forma que la
holgura (3) varía parabólicamente (grado 2).
4. Unión roscada, según la reivindicación 2, que
se caracteriza por que la diferencia entre el paso de rosca
de las piezas (1, 2) sigue una función parabólica (grado 2), de
forma que la holgura (3) varía elípticamente (grado 3).
5. Unión roscada, según la reivindicación 1, que
se caracteriza por que la pieza macho (2) tiene un paso de
rosca (4b) constante y la pieza hembra (1) tiene un paso de rosca
(4a) variable.
6. Unión roscada, según la reivindicación 1, que
se caracteriza por que la pieza macho (2) tiene un paso de
rosca (4b) variable y la pieza hembra (1) tiene un paso de rosca
(4a) constante.
7. Uso de una unión roscada según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores en una conexión entre un implante
dental y un tornillo de conexión de una pieza al implante dental,
donde el implante dental es la pieza hembra (1) y el tornillo es la
pieza macho (2).
Priority Applications (17)
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