MX2014008193A

MX2014008193A - Tornillo autorroscante.

Info

Publication number: MX2014008193A
Application number: MX2014008193A
Authority: MX
Inventors: Kurt Müller
Original assignee: Ruia Global Fasteners Ag
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-10-14
Also published as: US9297403B2; WO2013102453A1; US20140328646A1; DE112012005558A5; CA2859688A1; DE202012000045U1; EP2906837B1; EP2906837A1

Abstract

La invención se refiere a un tornillo autorroscante (10) con una cabeza (12) y un soporte de rosca exterior (14); la sección transversal central del soporte de rosca exterior (14) tiene la forma de un polígono redondeado con n-lados, n siendo un número primo > 3.

Description

TORNILLO AUTORROSCANTE MEMORIA DESCRIPTIVA 5 La presente invención se refiere a un tomillo autorroscante con una cabeza y un soporte de rosca exterior.

Desde hace mucho tiempo se conocen los tornillos autorroscan- tes. Pero éstos tienen el problema, en particular cuando son montados en materiales de plástico, de que se requieren de considerables fuerzas de atorníllal o do debido a la alta fricción que hay entre el material del tornillo y el material de plástico. Este problema hace difícil el ensamblado.

Con base en lo anterior, el objetivo de la presente invención es desarrollar un tornillo autorroscante de este tipo, para simplificar el ensamblado. 15 Este objetivo se logra de acuerdo con la invención, por medio de un tornillo autorroscante que tiene una cabeza y un soporte de rosca exterior, en el que la sección transversal central del soporte de rosca exterior tiene la forma de un polígono redondeado con n lados, siendo n un número primo mayor que 3. Esta construcción puede aliviar las tensiones del componente (ten- 20 siones compresivas residuales) que surgen durante el procedimiento de ator- nillamiento gracias al espacio (corte) formado por la forma poligonal. Otro resultado es una simplificación adicional del ensamblado debido al autocentrado mejorado durante el procedimiento de roscado.

Para los tamaños normales de tornillo, ha resultado particularmente ventajosa una forma de polígono redondeado de 5 lados de la sección transversal del soporte de rosca exterior.

De igual manera, la forma de la sección transversal central del soporte de rosca exterior de preferencia es pentalobular.

Se proporciona una producción particularmente simple del tornillo de acuerdo con la invención, cuando la forma de sección transversal central del soporte de rosca exterior está formada por radios que se funden uno en el otro integralmente, alternando continuamente un radio grande y un radio pequeño. Esta configuración es particularmente adecuada para la aplicación al cuerpo básico del soporte de rosca por medio de formación (enrollado).

Se proporciona una construcción particularmente favorable de la forma de sección transversal central en el soporte de rosca exterior en la' que los centros de los radios que se funden entre sí descansan en un círculo con un radio específico alrededor del eje de rotación de la rosca exterior, en cada caso los radios pequeños emanan desde un punto en este lado del eje de rotación, en donde los radios grandes emanan en cada caso desde un punto en el otro lado del eje de rotación.

La construcción se simplifica todavía más cuando, desde cada punto, emana un radio pequeño en la línea limitante adyacente de la sección transversal central y al mismo tiempo emana un radio grande en cada línea limitante opuesta al eje de rotación de la sección transversal central.

A continuación la presente invención será descrita con más detalle con referencia a la modalidad que se describe en los dibujos anexos, en los cuales: La figura 1 es una vista lateral del tornillo autorroscante de acuerdo con la invención; La figura 2 es una vista agrandada de una parte del soporte de rosca exterior del tornillo de acuerdo con la invención de la figura 1 ; La figura 3 muestra el detalle "Z" de la figura 2; La figura 4 muestra un ejemplo de la sección transversal central pentalobular del soporte de rosca externo de un tornillo de acuerdo con la invención; La figura 5 muestra la construcción geométrica que resulta en la sección transversal de la figura 4; La figura 6 muestra las consideraciones geométricas adicionales que resultan en la construcción de la figura 5; La figura 7 muestra explicaciones adicionales de la construcción geométrica de las secciones transversales centrales pentalobuiares de acuerdo con la invención del soporte de rosca exterior; La figura 8 muestra otra sección transversal central de acuerdo con la invención para un soporte de rosca exterior que tiene un valor k mayor; La figura 9 muestra un paralelogramo de fuerzas en el perfil de rosca de acuerdo con la invención; La figura 10 muestra la cooperación de las fuerzas correspondientes de la figura 9 en los perfiles de rosca consecutivos; La figura 1 1 muestra las fuerzas correspondientes en la pieza de trabajo en la que ha sido atornillado un tornillo de acuerdo con la invención; y La figura 12 muestra una sección transversal central de acuerdo con la invención con un número más grande de lados, es decir, una sección transversal heptalobular junto con las construcciones geométricas que se requieren para este propósito.

La figura 1 muestra un tornillo autorroscante 10 de acuerdo con la invención, con una cabeza 12 y un soporte de rosca exterior 14. Aquí, el soporte de rosca exterior 14 tiene una rosca autorroscante 16 que consiste en un paso de rosca 18, cuya forma detallada se describe con más profundidad en la figura 2.

La cabeza 12 del tornillo 10 está provista con una aplicación de fuerza interior 20, que en este caso es una aplicación de fuerza interior hexa-lobular. Por supuesto, los tornillos de acuerdo con la invención pueden ser producidos con cualesquiera otras aplicaciones de fuerza interior o exterior.

La forma detallada de la rosca exterior 16 se puede ver con más claridad en la figura 2. Aquí, el paso de rosca 18 emana desde el cuerpo bási-co o centro del soporte de rosca exterior 14 en una manera redondeada a lo largo de un radio y tiene un ángulo de intersección de sus dos flancos 22, 24 de 30°. Este valor a resultado ser un valor empírico óptimo para tornillos auto-rroscantes.

Sin embargo, de acuerdo con la invención, el paso de rosca 18 no es simétrico. De hecho, los dos flancos 22, 24 del mismo tienen cada uno diferentes ángulos a la vertical en el eje de rotación del soporte de rosca exterior 14. Aquí, el flanco 22 que está orientado hacia la cabeza del tornillo tiene un ángulo de aproximadamente 20°, mientras que el flanco 24 remoto a la cabeza de tornillo 12 tiene un ángulo de sólo aproximadamente 10°.

Así, aquí el perfil de rosca de la rosca exterior 16 ha sido construido de manera asimétrica. En relación a esto, es particularmente preferible que el ángulo del flanco esté dividido de manera que el valor tangencial esté en mitades. Esto produce óptimamente: tan di = 0.3600? are tan cd = 19.799 tan a2 = 0.1800? are tan a2 = 10.201 La altura del perfil de rosca está determinada por los parámetros de fuerza del tornillo y componente, para proporcionar una protección ade-cuada contra un efecto de desprendimiento.

Debido a esta elección de los ángulos de flanco ai y a2, los valores del coeficiente de fricción en las mitades de flanco también cambian en esta cantidad entre el flanco descargado y el cargado. Un cálculo más preciso produce las porciones laterales del ángulo de flanco, que se ilustran en la figu-ra 2, de: di = 19.799° ~ 19.8° a2 = 10.201 ° ~ 10.2° Este cambio en el valor tangencial en un 50% produce un cambio en el valor del coeficiente de fricción de rosca en las mitades de flanco, y por lo tanto un cambio en las fuerzas radiales y las fuerzas principales, como se ilustra en la figura 9 por medio de paralelogramos de fuerza.

El cambio de la fuerza radial más grande hacia el lado del flanco cargado proporciona ventajas para el valor del coeficiente de fricción del flanco y para el efecto de auto aseguramiento.

La resolución de la fuerza axial en el tornillo actúa como una carga de tracción en el lado del flanco cargado y como una carga de presión en el lado del flanco no cargado en virtud del componente. La carga de presión del componente y la carga de tracción del tornillo balancean la conexión de tornillo. Esto produce las siguientes fuerzas radiales: FRI = tan en * FA FR2 = tan a2 * FA y por lo tanto las fuerzas principales resultantes: F1 = FA / eos ai F2 = FA / eos a2 Estas fuerzas principales resultantes caen verticalmente en los flancos de rosca. Las fuerzas principales alteradas proporcionan a la conexión un agarre óptimo contra una acción de cizallamiento por parte de la rosca interior, y un sobretorque favorable del tornillo. Esto produce la forma de flanco de acuerdo con la invención, ya que las fuerzas principales (F2 y Fi) no son absorbidas por el componente, sino por el flanco de rosca adyacente, como se ilustra en la figura 10.

Con respecto a esto, la figura 3 muestra el detalle "Z" de la figura 2, en el que se puede ver con más precisión la forma del perfil de rosca.

Como los valores tangenciales de las mitades también son los factores de fricción en los lados de flanco 22, 24, la fricción del lado de flanco cargado 22 es el doble de la fricción del lado de flanco no cargado 24. El au-tobloqueo es determinado por el factor de fricción del lado de flanco cargado 22. Esto evita la liberación automática por la vibración. Gracias a esta cons-trucción de acuerdo con la invención, las fuerzas de pre-tensión se mantienen en la conexión.

Para formar el flujo de material de la rosca que será atornillada en una manera controlada, la base de la rosca se configura con un radio Rk dependiente del paso. Este radio corre tangencialmente desde la geometría de flanco hacia la base de la rosca. Como resultado, no surge ningún efecto de muesca adicional en la sección transversal, lo que podría causar una reducción en la sección transversal del tornillo bajo una carga de tracción. Por último, de acuerdo con la invención se producen diferentes valores óptimos para los pasos y las secciones transversales tensionadas, dependiendo del material dentro del cual sea insertado el tornillo autorroscante 10 de acuerdo con la invención.

Para materiales plásticos con mayor resistencia (por ejemplo, materiales de plástico de termofijación) y aleaciones de fundición a presión, se necesitan pasos más pequeños y secciones transversales con más tensión en comparación con los termoplásticos, de manera que la conexión del tornillo cumpla óptimamente con los requerimientos técnicos. Los pasos y el diámetro central son funciones del diámetro externo y los valores de resistencia del componente y el tornillo. Se necesitan los siguientes principios de resistencia básicos para la configuración geométrica matemática de acuerdo con la figura 1 1 : Sección de sizallamiento del material de plástico: Asizallamiento = d| * * P en donde P es el paso de una rosca y di es el diámetro interno del agujero en el que será insertado el tornillo autorroscante.

La sección transversal tensionada del tornillo se expresa de la siguiente manera: As = dk2 * p /4 en donde dk es el diámetro central del tornillo 10.

El módulo de sección del material de plástico de desprendimiento se expresa de la siguiente manera: WK = (di4 - d,4) / ( 10 * d1) en donde di es el diámetro interno del agujero en el que será insertado el torni-lio.

El módulo de sección de la base de diente de rosca se expresa de la siguiente manera: Wz = h2 * dk * p en donde h es la altura del perfil de rosca, es decir, la diferencia entre el radio del centro de la rosca exterior y el radio exterior de la rosca exterior.

Entones se produce la siguiente ecuación para la resistencia del tornillo: Rm = Fs / As * p Para el torque se produce la siguiente ecuación (torque de apriete).

MA = FA * (ds / 2).

La figura 4 es una vista en sección de un centro pentalobular de acuerdo con la invención, de la rosca exterior 14 de un tornillo 10 de acuerdo con la invención. Aquí se puede ver que esta sección transversal tiene la forma de un pentágono de 5 lados altamente redondeado.

Esta forma se produce en donde regiones 26 que tienen un radio pequeño K y regiones 28 con un radio grande R alternan continuamente, y el contorno exterior de la sección transversal central se funden entre sí tangen-cialmente en los puntos de transición entre las regiones 26 con un radio pequeño r y las regiones 28 con un radio grande R.

La construcción del contorno exterior de la sección transversal del centro de la rosca exterior del tornillo de autorroscado de acuerdo con la invención, se describirá con mayor detalle a continuación con referencia a las figuras 5 a 7, los mismos caracteres representan las mismas distancias en la ilustración geométrica.

La figura 5 proporciona una ilustración sustancialmente más clara de la construcción geométrica correspondiente.

Para construir una sección transversal pentalobular correspondiente, se dibuja un círculo con un radio f a través del plano de rebanado al-rededor del punto del pasaje M del eje de rotación de la rosca exterior. En este círculo están determinados cinco puntos equidistantes 30 y por lo tanto cada uno de ellos tiene una distancia de 72 grados angulares, vistos desde el centro M. Desde estos puntos 30 están dibujados pequeños radios r en el lado de los puntos 30 remotos al centro M, y están dibujados radios grandes R en el otro lado del centro M, visto desde el respectivo punto 30.

Con respecto a esto, los siguientes tamaños relativos aplican a los radios R y r: Para calcular estos radios, primero se tienen que determinar las otras cantidades en la figura 5. Aquí, este punto de partida es el diámetro cen-tral promedio D predeterminado por el estándar. Este diámetro D forma la suma del radio grande R y el radio pequeño r. Así: D = R + r.

También hay un diámetro externo máximo de la sección transversal giratoria, identificado aquí como C.

La diferencia entre D y C es el valor k; esto establece la "no redondez" de la respectiva sección transversal pentalobular. Así: C - D = k.

La siguiente derivación adicional para las cantidades requeridas se produce de la siguiente manera: R = r + (p f-R-r f _ s s -sin 72° sin 72° sin 36' sin 36o sin 72° s = F * sin 54° , sin 72° . f¦ sin 72° f= sin 54° sin272° sin 36° sin54°-sin36° sin272° R = r + <{> sin54° sin36° sin272° r = R-<¡> sin 54° -sin 36° r=C-R-k r - r sin272° C-R-k = R-</>- -^-^ sin 54° -sin 36° Por último, el radio del círculo interior f tiene que ser determinado a partir de las cantidades predeterminadas, como se hará a continuación, utilizando la ilustración de la figura 6 anexa.

R = 2<j> + r - k?R - r = 2 - * R - r = R - r sin2 72° 2f - 1? = f - - sin 54° - sin 36° A continuación se establecen las dimensiones de rosca preferi- das para las diferentes clases de material de los materiales de plásticos poli-méricos, termoplásticos, polímeros de termofijación y metales ligeros, para ilustrar una modalidad particularmente preferida de la invención. Con este propósito se asumen las siguientes funciones generalmente aceptadas: Funciones generalmente aceptadas: Tolerancias de rosca: ø nominal = d = D de acuerdo con ± IT 13; ø central = dk de acuerdo con ½ IT 14; Base para d = D— pentalobular Separación de rosca (bajo la cabeza) a = 2P máx Redondeo de la cresta de rosca rs = 0.03P máx Agotamiento de rosca z = 2P máx = 0.5 (dv - 0.05)) * (1/tan 13°) ø de domo dz = dk - 0.05 Así, se producen los siguientes valores para los materiales indi¬ viduales, en cada caso empezando desde el diámetro nominal d como una variable: Materiales de plásticos poliméricos SP rosca de 0 nominal d = ø nominal (mm) 0 central dk = 0.51d + 0.10 (mm) Paso P = 0.45d-0.01 (mm) Altura de diente hz = 0.5(d-dk) (mm) Radio central Rk = 0.15P (mm) No redondez k = 0.04P (mm) Aquí, por ejemplo, para un diámetro nominal de 5.0, el paso P es de 2.24 mm, el diámetro central dk es de 2.65 mm y la no redondez preferida de la sección transversal pentalobular k es de 0.090 mm.

El diámetro de rodillo dv para estos valores ahora tiene que ser determinado en un ángulo de flanco a de 30°. El diámetro de rodillo dv es un mínimo de 3.1 3 mm, y, como un valor preferido debido a la reserva de 0.05 mm para la elongación de la rosca, es de 3.163 mm. El perfil de polígono se produce para una forma pentalobular preferida, derivado de la sugestión del diámetro de rodillo de dv ~ 3.16 mm = D para los parámetros antes descritos de la construcción geométrica del contorno exterior de la sección transversal pentalobular: C * 3.25 mm D ~ 3.16 mm E * 3.07 mm R = 2.4519 mm r = 0.7108 mm F= 0.9153mm y el área de sección transversal de la sección transversal del polígono-rodillo A es de 7.86 mm2.

A continuación, se establecen los valores principales (diámetro nominal d, paso P, diámetro central dk y valor de no redondez k) en un cuadro, para determinar el contorno exterior pentalobular de la sección transversal de polígono-rodillo k, de la siguiente manera: SP configuración de rosca (todas las medidas en mm) Para los termoplásticos, se proporciona el siguiente cálculo para los parámetros de rosca preferidos: Termoplásticos TP rosca de ø nominal d = ø nominal (mm) ø central dk = 0.72d-0.10 (mm) Paso P = 0.34d + 0.125 (mm) Altura de diente hz = 0.5(d-dk) (mm) Radio central Rk = 0.25P (mm) No redondez k = 0.04P (mm) Aquí de nuevo, por ejemplo, para un diámetro de rosca nominal de 5.0 mm, el paso P es de 1.83 mm, el diámetro central dk es de 3.50 mm y la no redondez de la sección transversal pentalobular k es de 0.073 mm; a un ángulo de flanco preferido a de 30°, el diámetro de rodillo dv es de 3.745 mm; con una reserva de 0.05 mm para la elongación de la rosca, el diámetro de rodillo es de 3.80 mm. Entonces, los parámetros individuales de la sección transversal pentalobular son: C » 3.87 mm k = 0.073 mm D = 3.80 mm E « 3.73 mm R = 2.6093 mm r = 1.1908 mm F= 0.7458 mm.

El área A de la sección transversal de polígono-rodillo A es así de 11.34 mm2.

Los parámetros principales para otros diámetros nominales d pa¬ ra tornillos especiales para termoplásticos se proporcionan entonces de acuerdo con el siguiente cuadro, en donde d es otra vez el diámetro nominal, P es el paso de rosca, dk es el diámetro central y k es la no redondez de la sección transversal pentalobular.

TP configuración de rosca (todas las medidas en mm) Para los plásticos de termofijación, se proporciona el siguiente cálculo para los parámetros de rosca preferidos: Plásticos de termofijación DP rosca de 0 nominal d = ø nominal (mm) ø central dk = 0.75d-0.04 (mm) Paso P = 0.19d + 0.28 (mm) Altura de diente hz = 0.5(d-dk) (mm) Radio central Rk = 0.2P (mm) No redondez k = 0.04P (mm) Aquí de nuevo, por ejemplo, para un diámetro de rosca nominal de 5.0 mm, el paso P es de 1.23 mm, el diámetro central dk es de 3.71 mm y la no redondez de la sección transversal pentalobular k es de 0.049 mm; a un ángulo de flanco preferido a de 30°, el diámetro de rodillo dv es de 3.964 mm; con una reserva de 0.05 mm para la elongación de la rosca, el diámetro de rodillo es de 4.01 mm. Entonces, los parámetros individuales de la sección transversal pentalobular son: C = 4.06 mm k = 0.049 mm D * 4.01 mm E = 3.96 mm R = 2.4850 mm r = 1.5290 mm y F= 0.5026 mm.

El área A de la sección transversal de polígono-rodillo A es así de 12.65 mm2.

Los parámetros principales para otros diámetros nominales d para tornillos especiales para plásticos de termofijación se proporcionan entonces de acuerdo con el siguiente cuadro, en donde d es otra vez el diámetro nominal, P es el paso de rosca, dk es el diámetro central y k es la no redondez de la sección transversal pentalobular.

DP configuración de rosca (todas las medidas en mm) Para los metales ligeros, se proporciona el siguiente cálculo para los parámetros de rosca preferidos: Metales ligeros LM rosca de 0 nominal d = ø nominal (mm) ø central dk = 0.785d-0.11 (mm) Paso P = 0.20d + 0.30 (mm) Altura de diente hz = 0.5(d-dk) (mm) Radio central Rk = 0.2P (mm) No redondez k = 0.04P (mm) Aquí de nuevo, por ejemplo, para un diámetro de rosca nominal de 5.0 mm, el paso P es de 1.30 mm, el diámetro central dk es de 3.82 mm y la no redondez de la sección transversal pentalobular k es de 0.052 mm; a un ángulo de flanco preferido a de 30°, el diámetro de rodillo dv es de 4.027 mm; con una reserva de 0.05 mm para la elongación de la rosca, el diámetro de rodillo es de 4.077 mm. Entonces, los parámetros individuales de la sección transversal pentalobular son: C « 4.13 mm k = 0.052 mm D = 4.08 mm E = 4.03 mm R = 2.5436 mm r = 1.5331 mm y F= 0.5312 mm.

El área A de la sección transversal de polígono-rodillo A es así de 13.05 mm2.

Los parámetros principales para otros diámetros nominales d para tornillos especiales para metales ligeros se proporcionan entonces de acuerdo con el siguiente cuadro, en donde d es otra vez el diámetro nominal, P es el paso de rosca, dk es el diámetro central y k es la no redondez de la sección transversal pentalobular.

LM configuración de rosca (todas las medidas en mm) Productos adicionales que tienen esta sección transversal pentalobular son productos con formas de rosca que forman su propia rosca hembra y pueden producir pasajes con roscas hembra. Éstos son: Elemento de sujeción autorroscante pentalobular para láminas de metal delgadas Elemento de sujeción de auto-formación pentalobular Estos productos tienen una forma de rosca básica de acuerdo con DIN 13 y el ø nominal de rosca también corresponde al ø nominal "D" de la forma pentalobular básica. Las dimensiones de rosca para el ø central y de flanco también se relacionan con la medición D de la forma de sección trans-versal pentalobular. Esto también significa que también se tienen que formar los productos ø "C" y "E" para el ø de flanco y el ø central.

Funciones generalmente aceptadas: Tolerancias de rosca de acuerdo con DIN 13, válidas para ø "D" de polígono No redondez k = 0.075P Elemento de sujeción autorroscante pentalobular para láminas de metal delgadas El punto de formación comercialmente disponible se usa para este producto que tiene una sección transversal pentalobular. De igual manera se puede tomar el ø nominal de rosca de DIN 13 e igualarlo con el correspondiente ø "D" de polígono. Debido a la geometría del producto en la región de transición (región de ranura) y a la forma básica pentalobular, estos productos no son verdaderos en su medición.

En consecuencia, se producen las siguientes dimensiones geométricas para los elementos de sujeción autorroscantes pentalobu lares para láminas de metal delgadas: Todas las mediciones están establecidas en mm.

También se pueden producir otras dimensiones de rosca con esta forma de sección transversal.

Elemento de sujeción de autoformación pentalobular Este producto con una sección transversal pentalobular tiene una forma de rosca de acuerdo con DIN 13. Estos productos no son verdaderos para medirlos debido a la transición del producto de la forma y región de ranu-ra y a la forma básica pentalobular.

Todas las mediciones están establecidas en mm.

Como un ejemplo de otra modalidad de la presente invención, con un número mayor de lados de polígono (n = 7), la figura 12 muestra la construcción geométrica y las dimensiones correspondientes para una sección transversal heptalobular, es decir, para una sección transversal central en forma de polígono redondeado de 7 lados.

De acuerdo con la presente invención, las siguientes fórmulas son generalmente válidas para calcular cualquier sección transversal N-lobular, n designa el número de lados de polígono redondeado y k designa la función del paso de rosca: 360° C = D-t-k a = n*4 D = R+r 1 F = * k (2* { 1 -cosa )) cosa (p = *k ( 1 -cosa ) 1 r = ½*C * k (2*( 1 -cosa ))

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Un tornillo autorroscante (10) con una cabeza (12) y un soporte de rosca exterior (14), en donde la sección transversal central del soporte de rosca exterior (14) tiene la forma de un polígono redondeado con n-lados, caracterizado porque n es 5 ó 7, y la forma del polígono redondeado con n-lados está formada de 2n porciones curvas (26, 28) con un radio grande R y un radio pequeño r de manera alternada, estos n-centros (30) de los radios R, r están ubicados a la misma distancia uno del otro en un círculo auxiliar que está dispuesto coaxialmente adentro de la sección transversal central y tiene un radio f, y cada centro (30) está asociado con la porción curva más cercana (26) con un radio pequeño r y con la porción curva opuesta (28) con un radio grande R en el círculo auxiliar arriba del centro (30).

2. El tornillo autorroscante (10) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque las dimensiones de la sección transversal central del soporte de rosca exterior (14) están determinadas de la siguiente manera, k es la no redondez deseada, objeto del material, de la sección transversal de la rosca, C es el diámetro del círculo envolvente y D el diámetro interno de rosca: 360° n*4