PL196608B1 - Gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim - Google Patents

Abstract

Gwintowany element z laczny, maj acy o s wzd lu zn a, z lbem zaopatrzonym w przeznaczone do wspó lpracy z wkr eta- kiem powierzchnie usytuowane wokó l osi wzd luznej i wkr e- tak do u zycia wraz z nim, który to wkr etak ma powierzchnie nap edzaj ace do nap edzania przeznaczonych do wspó lpra- cy z wkr etakiem powierzchni lba elementu z lacznego, znamienny tym, ze co najmniej jedna z powierzchni ma taki kszta lt, ze w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma punkt pocz atkowy (54) oddalony od osi wzd lu znej (44) elementu z lacznego (10) o promie n pocz at- kowy R i , i jest poprowadzony do zewn etrznego punktu ko nco- wego oddalonego od osi wzd luznej (44) o promie n, który jest nie wi ekszy od 3,5 d lugo sci pocz atkowego promienia R i , przy czym powierzchnie nap edzaj ace wkr etaka s a za- sadniczo równoodleg le od przeznaczonych do wspó lpracy z wkr etakiem powierzchni lba elementu z lacznego (10), ale maj a inny wymiar w przekroju poprzecznym, by umo zliwi c wspó lprac e wkr etaka z lbem elementu z lacznego (10) tak, ze odpowiednie powierzchnie nap edzaj ace wkr etaka i powierzch- nie lba przeznaczone do wspó lpracy z wkr etakiem mog a by c oddzielane przez luz, który ma umo zliwi c ograniczony obrót wkr etaka wzgl edem elementu z lacznego, a spiralne powierzchnie wkr etaka i elementu z lacznego maj a kszta lt umo zliwiaj acy znaczny i równoczesny styk pomi edzy powie- rzchniami, kiedy wkr etak jest obracany o k at luzu i do zetkni e- cia z odpowiednimi powierzchniami elementu z lacznego. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.10.1998 (62) Numer zgłoszenia, z którego nastąpiło wydzielenie:

340302 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

28.10.1998, PCT/US98/22864 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

14.05.1999, WO99/23389 PCT Gazette nr 19/99 (51) Int.Cl.

F16B 23/00 (2006.01) B25B 15/00 (2006.01)

Gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym (54) w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim

(30) Pierwszeństwo: 31.10.1997,US,08/961,626	(73) Uprawniony z patentu: PHILLIPS SCREW COMPANY,Wakefield,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.01.2001 BUP 03/01	(72) Twórca(y) wynalazku: W. Dodd Stacy,Etna,US
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2008 WUP 01/08	(74) Pełnomocnik: Jan Wierzchoń, JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY, Biuro Patentów i Znaków Towarowych Sp.J.

(57) Gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim, który to wkrętak ma powierzchnie napędzające do napędzania przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem powierzchni łba elementu złącznego, znamienny tym, że co najmniej jedna z powierzchni ma taki kształt, że w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma punkt początkowy (54) oddalony od osi wzdłużnej (44) elementu złącznego (10) o promień początkowy Ri, i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej (44) o promień, który jest nie większy od 3,5 długości początkowego promienia Ri, przy czym powierzchnie napędzające wkrętaka są zasadniczo równoodległe od przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem powierzchni łba elementu złącznego (10), ale mają inny wymiar w przekroju poprzecznym, by umożliwić współpracę wkrętaka z łbem elementu złącznego (10) tak, że odpowiednie powierzchnie napędzające wkrętaka i powierzchnie łba przeznaczone do współpracy z wkrętakiem mogą być oddzielane przez luz, który ma umożliwić ograniczony obrót wkrętaka względem elementu złącznego, a spiralne powierzchnie wkrętaka i elementu złącznego mają kształt umożliwiający znaczny i równoczesny styk pomiędzy powierzchniami, kiedy wkrętak jest obracany o kąt luzu i do zetknięcia z odpowiednimi powierzchniami elementu złącznego.

PL 196 608 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrę tak do uż ycia wraz z nim.

Gwintowane elementy złączne, powszechnie używane do celów przemysłowych, zwykle są napędzane narzędziami elektrycznymi z dużymi prędkościami i za pomocą dużych momentów obrotowych. Uwarunkowania takie przyczyniają się do powstania trudnych problemów konstrukcyjnych, zwłaszcza w odniesieniu do przenoszenia momentu obrotowego przez powierzchnie robocze narzędzi, a szczególnie w odniesieniu do gwintowanych elementów złącznych, które mają łeb elementu złącznego o kształcie przeznaczonym do współpracy z narzędziem napędzającym, zazwyczaj nazywanym wkrętakiem.

W idealnym przypadku, systemy napę dowe (zestawienie element złączny/końcówka narzę dzia) powinny być łatwe do wytworzenia, uwzględniając zarówno kształt geometryczny łba, jak i zagłębienia w ł bie, oraz niezbę dne oprzyrzą dowanie do kszta ł towania ł ba elementu złącznego i wkrę taków dostosowanych do kształtu łba i zagłębienia. Wkrętak i łeb elementu złącznego po spasowaniu powinny równomiernie przyjmować naprężenia, aby uniknąć powstawania zlokalizowanych obszarów silnych naprężeń, które mogłyby spowodować odkształcenie łba, zwłaszcza zagłębienia w łbie i/lub wkrętaka, a zatem przedwczesne uszkodzenie systemu napę dowego. System napę dowy powinien przeciwstawiać się ześlizgnięciu wkrętaka z łba elementu złącznego czy zagłębienia w łbie w trakcie napędzania elementu złącznego. W wielu zastosowaniach jest bardzo ważne, aby element złączny wytrzymywał kilka cykli montażu-demontażu, np. w tych zastosowaniach, gdzie elementy złączne muszą być usuwane w celu dokonania naprawy lub wymiany części, albo w celu wyjęcia i ponownego zamontowania płyt umożliwiających dostęp. W idealnym przypadku, system napędzania elementu złącznego powinien nadawać się do takiego powtarzalnego stosowania, zwłaszcza w otoczeniu, gdzie łeb elementu złącznego, a zwłaszcza zagłębienie, mogą ulegać zanieczyszczeniu, zamalowaniu, skorodowaniu lub innym szkodliwym oddziaływaniom. W takich otoczeniach ważne jest, by system napędowy zapewniał współpracę elementu złącznego i wkrętaka przy przyłożeniu momentu obrotowego w kierunku wykręcania. Może być konieczne, by system napędowy nadawał się do przykładania nawet większych momentów obrotowych przy wykręcaniu elementu złącznego, co może zdarzyć się wtedy, gdy element złączny jest wkręcany przy użyciu nadmiernego momentu obrotowego lub tam, gdzie wystąpi korozja na styku gwintów, albo jeśli cykliczne zmiany temperatury zmontowanych elementów spowodowały powstanie zwiększonego naprężenia na elemencie złącznym. Jeśli utrudnione jest spełnienie jednego lub kilku spośród tych warunków, można stosować ustępstwa na rzecz niektórych z nich.

Powszechnie stosuje się wiele różnych konfiguracji łbów elementów złącznych i wkrętaków, a w szczególnoś ci konfiguracji zagłębień i wkrę taków, w tym pewną liczbę zagłębień krzyż owych, takich jak ujawnione w opisach patentowych USA Re. 24.878 (Smith i in.); 3.237.506 (Muenchinger) i 2.474.994 (Tomalis). Inne kształty geometryczne elementów złącznych obejmują kształty wielogarbne typu ujawnionego w opisie patentowym USA nr 3.763.725 (Reiland) i żebrowane systemy napędowe, ujawnione w opisie patentowym USA nr 4.187.892 (Simmons). Opis patentowy USA 5.598.753 (Lee) obejmuje zabezpieczony przed manipulacją element złączny z trzema symetrycznie ułożonymi kanałami, zagłębionymi i wyciętymi w łbie, z których każdy ma parę ścianek. Ukształtowanie każdej z tych ś cianek jest koliste. Wś ród pospolitych konfiguracji zagłębień jest również system Allena, który jest zasadniczo prostościennym gniazdem sześciokątnym do przyjmowania podobnie ukształtowanego wkrętaka. Za wyjątkiem systemów żebrowych, ścianki i powierzchnie wkrętaka i zagłębienia zwykle są wykonane tak, aby ściśle pasowały do siebie, w celu uzyskania styku pomiędzy powierzchnią napędzającą a powierzchnią napędzaną. W przypadku elementów złącznych z zagłębieniem krzyżowym, takie sprzężenie pomiędzy powierzchniami może wystąpić tylko wtedy (jeżeli w ogóle jest to możliwe), gdy wkrętak jest prawidłowo ustawiony i osadzony w zagłębieniu. Praktycznie jednak, aby umożliwić wprowadzenie wkrętaka w zagłębienie, musi istnieć pewien luz pomiędzy nimi. Konieczność istnienia takiego luzu jest jeszcze ważniejsza w przypadku zagłębień posiadających zasadniczo pionowe ścianki napędowe, jak w przypadku systemów według opisu patentowego Reilanda '725 i w systemie Allena. We wszystkich tych systemach praktycznie występuje konieczność stosowania takiego luzu, gdyż dobre dopasowanie i zetknięcie na szerokich powierzchniach roboczych wkrętaka i zagłębienia jest rzadko uzyskiwane. W większości systemów napędzania gwintowanych elementów złącznych, wkrętak współpracuje z zagłębieniem w łbie w taki sposób, że uzyskuje się raczej styk

PL 196 608 B1 punktowy lub liniowy, a nie styk na szerokiej powierzchni. W konsekwencji, po przyłożeniu momentu obrotowego do wkrętaka, siły wywierane na łeb elementu złącznego mają tendencję do skupiania się w zlokalizowanych obszarach, powodując silne miejscowe naprężenia.

Takie miejscowe naprężenie może plastycznie odkształcić zagłębienie, powodując powstanie skosów lub innych odkształceń, które mogą powodować przedwczesne, niezamierzone wyślizgnięcie wkrętaka z zagłębienia.

Znane są rozwiązania nakierowane na rozwiązywanie tych trudności. Na przykład, opis patentowy USA nr 2.248.695 (Bradshaw) ujawnia łeb elementu złącznego i wkrętak, których powierzchnie napędzające i napędzane są krzywoliniowe i usytuowane mimośrodowo względem osi elementu złącznego. W elemencie złącznym Bradshawa można zastosować dowolną odpowiednią krzywiznę, taką jak kształt okręgu lub spirali logarytmicznej, jeżeli tylko zapewnione jest wspólne wiązanie i blokowanie wskutek sprzężenia ciernego. Natomiast późniejsze systemy napędzania elementów złącznych, takie jak wspomniane powyżej, wydają się nie stosować rozwiązania Bradshawa wykorzystującego sprzężenie cierne.

Pożądane byłoby wprowadzenie ulepszeń w elementach złącznych i we wkrętakach tak, aby ograniczyć lub wyeliminować trudności znane ze stanu techniki, w szczególności aby ograniczyć powstawanie lokalnych naprężeń w łbie elementu złącznego i w końcówce wkrętaka, a także aby umożliwić pozostawienie dużego luzu pomiędzy współpracującymi powierzchniami napędzającymi/napędzanymi, przy zapewnieniu szerokiego powierzchniowego styku końcówki wkrętaka i przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem ś cianek elementu złącznego, w trakcie cyklu roboczego.

Cel ten spełnia rozwiązanie według wynalazku, którego przedmiotem jest gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim.

Gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim, który to wkrętak ma powierzchnie napędzające do napędzania przeznaczonych do współpracy z wkrę takiem powierzchni ł ba elementu złącznego, wedł ug wynalazku charakteryzują się tym, ż e co najmniej jedna z powierzchni ma taki kształt, że w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma punkt początkowy oddalony od osi wzdłużnej elementu złącznego o promień początkowy Ri, i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej o promień, który jest nie większy od 3,5 długości początkowego promienia Ri, przy czym powierzchnie napędzające wkrętaka są zasadniczo równoodległe od przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem powierzchni łba elementu złącznego, ale mają inny wymiar w przekroju poprzecznym, by umożliwić współpracę wkrętaka z łbem elementu złącznego tak, że odpowiednie powierzchnie napędzające wkrętaka i powierzchnie łba przeznaczone do współpracy z wkrętakiem mogą być oddzielane przez luz, który ma umożliwić ograniczony obrót wkrętaka względem elementu złącznego, a spiralne powierzchnie wkrętaka i elementu złącznego mają kształt umożliwiający znaczny i równoczesny styk pomiędzy powierzchniami, kiedy wkrętak jest obracany o kąt luzu i do zetknięcia z odpowiednimi powierzchniami elementu złącznego.

Według wynalazku, ukształtowanie powierzchni napędzających wkrętaka i napędzanych elementu złącznego, które w przekroju poprzecznym odpowiada odcinkowi linii spiralnej, umożliwia zachowanie znacznego luzu pomiędzy wkrętakiem a przeznaczoną do współpracy z wkrętakiem powierzchnią łba elementu złącznego podczas wprowadzania i wyjmowania wkrętaka, który to luz jest jednak likwidowany w trakcie obrotu wkrętaka względem łba elementu złącznego. Spiralne kształty ścianek napędowych wkrętaka i ścianek napędzanych elementu złącznego są takie, że zetknięcie ścianek następuje na stosunkowo szerokim obszarze, dzięki czemu naprężenie rozkłada się na większej powierzchni. Spiralnie ukształtowane ścianki napędzające i napędzane są ustawione tak, by kierować główną część przyłożonego momentu obrotowego zasadniczo prostopadle do promienia elementu złącznego z niewielkim udziałem (lub zerowym) ciernego sprzężenia zbliżonego do stycznego.

W szczególnoś ci, co najmniej jedna z powierzchni stanowią ca w przekroju poprzecznym odcinek linii spiralnej może być ścianką boczną zagłębienia do wprowadzenia wkrętaka.

Ścianki napędowe wkrętaka i współpracujące z wkrętakiem ścianki zagłębienia mogą być ukształtowane tak, aby były prawie pionowe, chociaż akceptowalny może być pewien kąt pochylenia, wynoszący kilka stopni. Takie ukształtowanie ścianek napędowych umożliwia przenoszenie dużych momentów obrotowych, nie stwarzając znacznych skierowanych osiowo sił, sprzyjających osiowemu wypchnięciu wkrętaka z zagłębienia. Ograniczenie tendencji do wyślizgiwania się końcówki wkrętaka

PL 196 608 B1 z zagłębienia pozwala na stosowanie stosunkowo płytkich zagłębień, w przypadku których uzyskuje się większą wytrzymałość łba elementu złącznego, niż w przypadku tradycyjnych głębokich zagłębień.

Może być także stosowany system napędowy z napędzanymi z zewnątrz elementami złącznymi, w którym narzędzie napędzające (wkrętak) ma zagłębienie, a napędzane powierzchnie elementu złącznego są utworzone przez obwodowe powierzchnie na łbie elementu złącznego.

Stosownie do potrzeb, ścianki wkręcane i wykręcane mogą być ukształtowane asymetrycznie lub symetrycznie względem płaszczyzny poprowadzonej przez zagłębienie, co pozwala na takie ukształtowanie łba elementu złącznego, że spiralne powierzchnie napędowe współpracują tylko w kierunku wkrę cania, lub tylko w kierunku wykrę cania, albo zarówno w kierunku wkrę cania, jak i w kierunku wykręcania. Dodatkowo, spiralne powierzchnie mogą mieć różne długości łuku i orientacje tak, że przenoszony moment obrotowy może być większy w jednym kierunku niż w drugim. Dzięki temu łeb elementu złącznego może przenosić większe momenty obrotowe w kierunku wykręcania niż w kierunku wkręcania, wskutek czego zawsze można przyłożyć moment obrotowy wystarczający do przezwyciężenia momentu obrotowego użytego poprzednio w trakcie montażu.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia gwintowany element złączny z płaskim łbem mającym zagłębienie o ściankach spiralnych; fig. 2 przedstawia końcówkę wkrętaka przeznaczonego do współpracy z zagłębieniem gwintowanego elementu złącznego według fig. 1; fig. 3 pokazuje widok z góry łba elementu złącznego mającego zagłębienie z jednym garbem spiralnym, z wkrętakiem pokazanym w przekroju (w zagłębieniu) według wynalazku; fig. 4 przedstawia widok podobny jak na fig. 3, na którym wkrętak został obrócony względem elementu złącznego, by spowodować zetknięcie spiralnej powierzchni wkrętaka ze spiralną powierzchnią zagłębienia; fig. 5 prezentuje wykres (we współrzędnych biegunowych) spirali o stałej szczelinie, która tworzy najkorzystniejszy kształt dla współpracujących ze sobą ścianek wkrętaka i zagłębienia według wynalazku; fig. 6 stanowi wykres siły i przedstawia równowagę siły pomiędzy wkrętakiem a zagłębieniem według wynalazku przy przyłożeniu momentu obrotowego do elementu złącznego przez wprowadzony wkrętak; fig. 7 stanowi wykres siły podobny do fig. 6 i przedstawia składowe powstające pomiędzy znanym wkrętakiem a zagłębieniem, gdzie konstrukcja systemu polega na sprzężeniu ciernym pomiędzy wkrętakiem a zagłębieniem; fig. 8A-8E przedstawiają schematycznie widoki z góry łbów elementów złącznych posiadających zagłębienia wieloskrzydłowe, w których spiralnie ukształtowane ścianki zagłębienia są przeznaczone do współpracy z wkrętakiem obracanym w kierunku przeciwnym do ruchu zegara; fig. 9A-9D schematycznie przedstawiają spiralnie ukształtowane zagłębienia z wieloma skrzydłami mającymi ścianki wkręcania i wykręcania, z których każda ma kształt spiralny; fig. 10A przedstawia schematyczny widok z góry elementu złącznego mającego zagłębienie według wynalazku, w którym skrzydła zagłębienia mają asymetrycznie ukształtowane spiralne ścianki wkręcania i wykręcania, przeznaczone do tworzenia większego momentu obrotowego w kierunku przeciwnym do ruchu zegara (wykręcanie) niż w kierunku zgodnym z ruchem zegara (wkręcanie), a ponadto pokazuje wkrętak w przekroju poprzecznym; fig. 10B przedstawia element złączny i wkrętak z fig. 10A, gdzie wkrętak został obrócony w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, w kierunku wykręcania, a spiralne ścianki wykręcania wkrętaka i zagłębienia są zetknięte ze sobą; fig. 11A stanowi schematyczny widok z góry elementu złącznego z wieloskrzydłowym zagłębieniem i wkrętaka, w którym współpracujące ze sobą powierzchnie elementu złącznego i wkrętaka w jednym kierunku obrotu mają kształt spirali o stałej szczelinie, a proponowane ścianki napędzające mają kształt innej spirali, a ponadto przedstawiono tu ścianki wkręcania we wkrętaku obrócone do zetknięcia ze ściankami wkręcania w zagłębieniu; a fig. 11B przedstawia widok podobny do fig. 11A, ale na którym wkrętak został obrócony w kierunku przeciwnym do ruchu zegara względem łba elementu złącznego, by spowodować zetknięcie spiralnych powierzchni o stałej szczelinie, należących do wkrętaka i do zagłębienia.

Figura 1 przedstawia przykładowy gwintowany element złączny 10 mający trzon 12 z gwintem 14 utworzonym przy jednym końcu, oraz mający łeb 16 z zagłębieniem 18, utworzony przy drugim końcu. Zagłębienie 18 przedstawiono jako posiadające część środkową 20 i wiele przebiegających promieniowo na zewnątrz skrzydeł 22. Zagłębienie w przykładzie wykonania z fig. 1 jest ukształtowane tak, że każde z jego skrzydeł 22 ma ściankę 24 wkręcania (przyjmując, że gwint 14 jest prawoskrętny) i ś ciankę 26 wykrę cania. Ścianka 24 wkrę cania i ś cianka 26 wykrę cania korzystnie są zasadniczo pionowe i przebiegają zgodnie lub w przybliżeniu zgodnie z cylindryczną powierzchnią równoległą do wzdłużnej osi elementu złącznego. Ścianki wkręcania i wykręcania oraz inne powierzchnie zagłębienia mogą być utworzone także tak, aby miały pewne dodatnie pochylenie, to znaczy mogą być one rozbieżPL 196 608 B1 ne nieco w kierunku od dna do góry zagłębienia. Dno zagłębienia może być utworzone przez stożkową ściankę denną 28. Promieniowo zewnętrzny koniec każdego skrzydła może być tak ukształtowany, aby zapewnić gładkie krzywoliniowe przejście pomiędzy ścianką 24 wkręcania a ścianką 26 wykręcania w danym skrzydle. Zagłębienie zawiera również wewnętrzną przejściową ściankę 32 pomiędzy ścianką 24 wkręcania jednego skrzydła 22 a ścianką 26 wykręcania następnego sąsiedniego skrzydła 22.

Figura 2 przedstawia wkrętak 34 przeznaczony do współpracy z wieloskrzydłowym zagłębieniem zawierającym powierzchnie o przekroju spiralnym, przedstawionym na fig. 1. Wkrętak 34 można rozważać jako zawierający trzon 36 i wieloskrzydłowe ostrze 38 ukształtowane na końcu trzonu 36. To ostrze 38 zawiera środkową część 42, od której odchodzi promieniowo wiele skrzydeł 40. Końcowa ścianka 42 wkrętaka może mieć kształt stożkowy lub inny. Korzystnie końcowa ścianka 42 ma taki kształt, że kiedy wkrętak 34 jest całkowicie osadzony w zagłębieniu 18, pozostaje pewien luz pomiędzy częścią końcowej ścianki 42 a dolną ścianką 28 zagłębienia. Każde ze skrzydeł może być traktowane jako posiadające ściankę 46 wkręcania i ściankę 48 wykręcania.

Rozwiązanie według wynalazku można przedstawić i ocenić w odniesieniu do jednogarbnego przykładu wykonania, przedstawionego schematycznie na fig. 3 i 4. Łeb 16 elementu złącznego, pokazany w widoku z góry, ma jednogarbne zagłębienie 18A tworzące ściankę 24A wkręcania i ściankę 26A wykręcania (przy założeniu, że element złączny ma gwint prawoskrętny). Ścianka 26 wykręcania, ma kształt spiralny, ponieważ jej przecięcie z płaszczyzną prostopadłą do osi 44 elementu złącznego tworzy odcinek linii spiralnej. Ścianka 24A wkręcania przedstawiona jest jako zasadniczo płaska, przebiegająca w przybliżeniu w kierunku promieniowym od punktu początkowego do zewnętrznego końca spirali. Wkrętak 34A przedstawiono w przekroju wzdłuż płaszczyzny prostopadłej do osi 44 elementu złącznego przy górnej powierzchni łba 16 elementu złącznego. Jednogarbny wkrętak 34A można traktować jako mający ściankę 46A wkręcania i ściankę 48A wykręcania, z których każda zasadniczo ma identyczny kształt geometryczny przekroju poprzecznego, jak ścianka 24A wkręcania i ścianka 26A wykręcania zagłębienia 18A. Ścianka 48A wykręcania wkrętaka 34A ma taki kształt, by tworzyła zasadniczo taką samą linię spiralną, jak ścianka 26A zagłębienia. Co najmniej ta część ostrza wkrętaka 34A, która wchodzi w obwiednię utworzoną przez zagłębienie, ma ścianki równoległe do analogicznych ścianek zagłębienia. Wkrętak jest zwymiarowany względem zagłębienia tak, że kiedy jest osadzony w zagłębieniu, wówczas pomiędzy odpowiednimi ściankami napędzającymi wkrętaka i zagłębienia może istnieć zasadniczo równomierny luz 50. Ten luz 50 pomiędzy zagłębieniem a wkrętakiem jest duży i powinien być dobrany tak, aby umożliwić łatwe wprowadzenie wkrętaka w zagłębienie, a także wyjęcie, w rozmaitych warunkach pracy, również w razie zanieczyszczenia, korozji itp. zagłębienia.

Figura 4 przedstawia schematycznie wkrętak i zagłębienie z fig. 3, przy czym wkrętak jest obracany w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, by spowodować zetknięcie spiralnej ścianki 48A wykręcania tego wkrętaka z zasadniczo równoległą spiralną ścianką 26A zagłębienia. Z fig. 4 widać, że kiedy wkrętak został obrócony do zetknięcia jego spiralnej powierzchni z powierzchnią zagłębienia, szczelina 50 pomiędzy spiralnymi ściankami wykręcania wkrętaka i zagłębienia jest całkowicie likwidowana, natomiast szczelina 52 pomiędzy ściankami wkręcania wkrętaka i zagłębienia zwiększa się, by utworzyć kąt θ, który odpowiada obrotowi niezbędnemu do obrócenia wkrętaka do pełnego zetknięcia z zagłębieniem. Kiedy zatem wkrętak jest obracany w kierunku zmniejszającego się promienia spirali, luz 50 jest eliminowany, a spiralne powierzchnie stykają się całkowicie ze sobą na rozległej powierzchni. Według wynalazku, linia spiralna jest dobrana i ustawiona tak, by umożliwić przenoszenie dużego momentu obrotowego. W idealnym przypadku cała spiralna powierzchnia wkrętaka współpracuje z całą spiralną powierzchnią zagłębienia, równocześnie na całym swym obszarze. Taka współpraca pozwala uniknąć powstawania punktów dużej koncentracji naprężeń i zapewnia szerokie i równomierne rozłożenie przyłożonego obciążenia.

Jest zrozumiałe, że na schematycznej ilustracji pojedynczego garbu według fig. 3 i 4, linia spiralna przebiega od swego punktu początkowego 54 (fig. 4) do swego punktu końcowego 56 (fig. 4). Zgodnie z wynalazkiem, współpracujące powierzchnie wkrętaka i zagłębienia są lepiej spasowane w obrę bie fragmentu spiralnego usytuowanego bliż ej punktu pocz ą tkowego 54, niż w obrębie fragmentu spiralnego usytuowanego bliżej punktu końcowego 56, ponieważ fragmenty spiralne usytuowane bliżej wnętrza będą w większym stopniu przenosiły przyłożoną siłę w postaci momentu obrotowego, a w mniejszym w postaci siły skierowanej promieniowo na zewnątrz, która nie przyczynia się do napędzania elementu złącznego. Na fig. 4 widać, że usytuowany promieniowo bardziej wewnątrz

PL 196 608 B1 fragment spiralny, np. fragment 58, będzie przenosić większą część przyłożonej siły w postaci momentu obrotowego na element złączny, niż fragment 60 usytuowany bardziej na zewnątrz, gdzie znacznie większa składowa przyłożonej siły będzie zwrócona promieniowo na zewnątrz, a znacznie mniejsza część tworzy moment obrotowy. Ważnym aspektem wynalazku jest zatem to, że spiralnie ukształtowane ścianki są takie, że wykorzystywane są ich obszary promieniowo bardziej wewnętrzne. W praktycznym zastosowaniu element z łączny wedł ug wynalazku bę dzie zawierać segment spirali oznaczony przez 58, natomiast część reprezentowana przez segment 60 nie powinna być wykorzystywana. Jak opisano bardziej szczegółowo poniżej, spiralne powierzchnie są ustawione względem wzdłużnej osi 44 elementu złącznego tak, że większa część momentu obrotowego przykładanego przez wkrętak do elementu złącznego będzie służyć do obracania elementu złącznego, a nie do wywierania siły zwróconej promieniowo na zewnątrz. Jak pokazano, przenoszenie momentu obrotowego w kierunku wykręcania bę dzie większe niż w kierunku wkrę cania (w prawo). Wedł ug wynalazku, ustawienie spiralnych powierzchni można zmieniać, aby zapewnić żądaną proporcję pomiędzy możliwościami przenoszenia momentu obrotowego w kierunku wkręcania oraz w kierunku wykręcania, zależnie od konkretnego zastosowania elementu złącznego.

Figura 5 przedstawia we współrzędnych biegunowych idealną linię spiralną o pożądanych właściwościach do stosowania według wynalazku, którą można ustawić względem osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej gwintowanego elementu złącznego, a która po obróceniu, np. o kąt θ, będzie równoodległa od nie obróconej linii spiralnej, w pewnym odstępie od niej. Jak pokazano na fig. 5, idealna linia spiralna pokazana w położeniu A po obróceniu o kąt θ do położenia B, jest równoodległa od spirali w położeniu A, i jest zdystansowana od spirali z położenia A o szczelinę C. Chociaż szczelina C będzie zwiększać się wraz ze wzrostem kąta obrotu θ, to dla danego kąta θ szczelina C pozostaje stała na całej długości spirali. Kształt geometryczny spirali ze stałą szczeliną jest określony przez następujące równanie wyrażone we współrzędnych biegunowych:

θ = 4(R / R_i )² - 1 + arcsin(R / R_i )^-1 - (π/2) gdzie:

= ką t obrotu (w radianach) promienia przecinającego krzywą w odległości R od osi obrotu odpowiadającej osi wzdłużnej 44;

Ri = początkowy promień mierzony od osi obrotu do punktu początkowego spirali; oraz

R = promień spirali przy kącie obrotu θ również mierzony od osi obrotu.

Z powyż szego wynika, ż e kiedy wkr ę tak ma ś cianki napę dzają ce w kształ cie spirali ze stałą szczeliną i jest obracany do zetknięcia ze spiralnymi powierzchniami łba elementu złącznego, wówczas spiralna ścianka napędzająca wkrętaka zetknie się w pełni i równocześnie z odpowiednią spiralną powierzchnią napędzaną łba elementu złącznego. Należy rozumieć, że, jak opisano powyżej w nawią zaniu do fig. 4, wykres z fig. 5 we współ rzę dnych biegunowych ma jedynie ilustrować idealną spiralę, w której szczelina pomiędzy obróconymi położeniami spirali jest stała tak, że spirale można traktować jako równoległe.

Według wynalazku, czoło spirali na ściance napędzanej łba elementu złącznego jest usytuowane tak, że punkt początkowy 54 spirali jest promieniowo oddalony od środkowej osi 44 zagłębienia o promień Ri. Zgodnie z wynalazkiem, te fragmenty czół spirali, które są usytuowane bliżej punktu początkowego 54, będą przenosiły większą część przyłożonego momentu obrotowego w kierunku, który będzie obrotowo napędzać element złączny, niż fragmenty usytuowane bardziej na zewnątrz. Spiralna powierzchnia wkrętaka i łba przeznaczona do współpracy z wkrętakiem będą najskuteczniej przenosić moment obrotowy przy ukształtowaniu tych powierzchni zgodnie z fragmentami spirali, które są usytuowane bliżej punktu początkowego 54. Według wynalazku, przenoszące siłę ścianki powinny być krzywoliniowe, zgodnie z fragmentem linii spiralnej pomiędzy R=1 na fig. 5 a R=3,5 włącznie (oznaczono jako punkt 62), a korzystniej w zakresie od R=1 do R=2. Jeśli chodzi o kąt środkowy wycinka koła, naprzeciwko łuku którego jest usytuowana żądana wewnętrzna część spirali, kąt ten może wynosić co najwyżej 125°, korzystniej 90° lub mniej, a najkorzystniej w przybliżeniu 45° lub mniej.

Figury 6 i 7 są wykresami siły, przedstawiającymi składowe siły działające w dowolnym punkcie wzdłuż krzywoliniowej powierzchni współpracujących ze sobą ścianek wkrętaka i zagłębienia w łbie elementu złącznego. Fig. 6 przedstawia wykres siły dla przedmiotowego wynalazku. Fig. 6 przedstawia wkrętak 34B ze ścianką 48B napędzania wykręcania we współpracy powierzchniowej wzdłuż krzywoliniowej powierzchni zetknięcia 68 ze ścianką 26B wykręcania łba 16B elementu złącznego

PL 196 608 B1 z zagłębieniem. Fig. 6 przedstawia schematycznie wektory sił y, kiedy przył o ż ony jest moment obrotowy w kierunku przeciwnym do ruchu zegara, jak proponowano w punkcie 70 wokół osi 44B elementu złącznego. W wybranym interesującym punkcie 72, wkrętak 34B przykłada siłę 74 do powierzchni 26B zagłębienia wzdłuż kierunku prostopadłego do powierzchni współpracy 68. Siła prostopadła 74 rozkłada się na składową 76, która przenosi tylko moment obrotowy na element złączny, i na drugą składową 78, która wytwarza skierowaną promieniowo na zewnątrz siłę ściskającą, ale nie wytwarza momentu obrotowego. Dodatkowo siła prostopadła 74 powoduje powstanie siły tarcia 80 wzdłuż stycznej 82 do powierzchni sprzężenia 68. Siła tarcia 80 rozkłada się z kolei na składową 84, która sumuje się ze składową 76 powodującą moment obrotowy, i na drugą składową 86, która ma przeciwny zwrot niż składowa 78 skierowana promieniowo na zewnątrz i odejmuje się od niej. Wartość siły tarcia 80 w stosunku do normalnej siły 74 zależy od współczynnika tarcia, który oczywiście będzie się zmieniać wraz z gładkością powierzchni, smarnością i materiałem elementu złącznego. Współczynnik tarcia może przykładowo mieścić się w zakresie 0,1-0,4, przy czym przy wyznaczaniu wykresów siły według fig. 6 i 7 wybrano współczynnik tarcia 0,4. Fig. 6 pokazuje zatem, że przy kształcie geometrycznym ścianek napędzających i ścianek napędzanych według przedmiotowego wynalazku, moment obrotowy jest wytwarzany głównie przez składową 108 siły prostopadłej nawet przy dużym współczynniku tarcia przyjętym dla celów ilustracji. Zdolność elementu złącznego według wynalazku do przenoszenia momentu obrotowego nie zależy w istotnym stopniu od składowej 84 siły tarcia.

Figura 7 jest wykresem sił podobnym do wykresu z fig. 6, ale pokazuje działanie krzywoliniowej powierzchni współpracy 68' wkrętaka z zagłębieniem, która jest usytuowana tak, że styczna 82' do krzywoliniowej powierzchni sprzężenia 68' w punkcie 72' jest bardziej zbliżona do prostopadłej do promienia wykreślonego od osi 44B' elementu złącznego do punktu 72'. Konstrukcja taka jest przedstawiona w patencie 2.248.696 (Bradshaw). Z porównania fig. 7 z fig. 6 wynika, że znana konfiguracja powoduje znacznie większe skierowane promieniowo na zewnątrz obciążenie łba elementu złącznego, co obrazują różnice długości wektorów składowych 78' i 86', przy czym działanie to jest zasadniczo zależne od zmieniających się i często nieprzewidywalnych zjawisk tarcia przy wytwarzaniu momentu obrotowego. Bazowanie według stanu techniki na tarciu wynika z porównania składowej tarcia 84' ze składową 76'. Na podstawie powyższego można ocenić, że linia prostopadła do stycznej do odcinka linii spiralnej będzie tworzyć kąt z promieniem poprowadzonym od osi wzdłużnej do punktu styczności, reprezentujący stopień przenoszenia siły przyłożonej przez wkrętak w postaci momentu obrotowego na element złączny. Według wynalazku kąt ten powinien być nie mniejszy niż 17°, a korzystnie wynosi znacznie więcej niż 17°.

Figury 8A-8E ilustrują schematycznie elementy złączne z łbami mającymi zagłębienia o ściankach spiralnych. W tych przykładach wykonania zagłębienia mają taki kształt, by ich spiralnie ukształtowany kontur na ściankach wykręcania sprzyjał przykładaniu większego momentu obrotowego w kierunku wykręcania niż w kierunku wkręcania. Ścianki wkrę cania pokazano jako zasadniczo płaskie, chociaż ścianka wkręcania może mieć dowolny żądany kształt, włącznie z kształtem spiralnym według wynalazku.

Figury 9A-9D przedstawiają zastosowanie wynalazku w dwukierunkowym spiralnym systemie napędzania przeznaczonym do wytwarzania zasadniczo takiego samego momentu obrotowego, zarówno w kierunku wykręcania jak i w kierunku wkręcania. W tych przykładach wykonania, ścianki wykręcania i ścianki wkręcania jednego lub więcej skrzydeł mają kontury spiralne ustawione w przeciwnych kierunkach, aby zapewnić wł a ściwoś ci współ dział ania ze spiralnie ukształ towaną ścianką napędzającą, zarówno w kierunku wkręcania jak i w kierunku wykręcania.

Figury 10A i 10B przedstawiają wieloskrzydłowy system napędowy, w którym skrzydła (przedstawiono trzy) zawierają spiralne ścianki napędzane, zarówno w kierunku wkręcania jak i w kierunku wykręcania, ale gdzie jedna ze ścianek napędzanych każdego skrzydła ma możliwość przenoszenia większego momentu obrotowego niż druga. Przykłady wykonania przedstawione na fig. 10A i 10B zapewniają możliwość przenoszenia większego momentu obrotowego w kierunku wykręcania, ponieważ ścianki napędzania wykręcania mają większą długość łuku i odpowiednio pole powierzchni niż ścianki napędzane przy wkręcaniu.

Chociaż wynalazek może być najskuteczniej realizowany praktycznie w przypadku linii spiralnej o stałej szczelinie, jak opisano powyżej, mogą być opracowane systemy, które zawierają spirale nieco różniące się od najkorzystniejszej spirali z zasadniczo stałą szczeliną, nadal zapewniając jednak znaczne zalety w porównaniu ze stanem techniki. Fig. 11A i 11B przedstawiają przykład takiego zagłębienia i wkrętaka 34F, gdzie zagłębienie zawiera cztery skrzydła 22F, z których każde ma napędza8

PL 196 608 B1 jącą ściankę 26F wykręcania skonstruowaną tak, by miała spiralę o stałej szczelinie, oraz napędzającą ściankę 24F wkręcania o innym kształcie spirali, która jest ustawiona tak, by kierowała większą część siły z wkrętaka do zagłębienia w kierunku wytwarzania momentu obrotowego. Przejścia 90, 90', 92, 92' powierzchni wkręcania i wykręcania na każdym skrzydle wkrętaka i zagłębienia mogą mieć kształt łukowy. We wszystkich przykładach wykonania pożądane jest, aby zapewniony był wystarczająco duży luz, odpowiedni do określonego zastosowania, pomiędzy powierzchniami napędzającymi wkrętaka a powierzchniami zagłębienia. Inaczej niż w systemach według stanu techniki, w których znaczny luz pomiędzy obwiednią utworzoną przez powierzchnię wkrętaka a obwiednią zagłębienia ma tendencję do uwydatniania dużego skupienia naprężeń w punkcie lub w linii styku, przedmiotowy wynalazek zasadniczo jest niewrażliwy na takie duże luzy, ponieważ luz jest równomiernie kasowany, gdy spiralnie ukształtowane powierzchnie napędzające są obracane w zakresie kąta luzu θ do sprzężenia ze współpracującymi spiralnymi powierzchniami zagłębienia. Przykładowo, szczelina 0,002 -0,004 cala (0,05-0,1 mm) w całości wokół i pomiędzy obwiednią wkrętaka a obwiednią zagłębienia, nie powinna mieć znacznego szkodliwego wpływu na możliwość przenoszenia momentu obrotowego przez ten system.

Głębokość zagłębienia może zależeć od kształtu i wymiarów łba elementu złącznego i trzonu, od materiału, z którego wykonany jest element złączny, oraz od innych wymiarów zagłębienia. Głębokość powinna być wybrana tak, aby łeb elementu złącznego miał odpowiednią wytrzymałość, zwłaszcza w przypadku elementów złącznych 71 z płaskim łbem 100°, w przypadku których stosunkowo płytki płaski łeb zawiera niewiele materiału, w którym można utworzyć zagłębienie; a zatem konieczne jest przyjęcie kompromisowego rozwiązania dotyczącego wytrzymałości połączenia pomiędzy łbem a trzonem. Tam, gdzie przedmiotowy wynalazek ma być uż yty w celu zapewnienia moż liwoś ci przenoszenia zwiększonego momentu obrotowego, dzięki zetknięciu wkrętaka z zagłębieniem na rozległym obszarze powierzchni, stanie się możliwe stosowanie dużych napędzających momentów obrotowych nawet w elementach złącznych z płaskim łbem o płytkich zagłębieniach, bez pogarszania wytrzymałości łba elementu złącznego.

Wkrętak i łeb elementu złącznego według przedmiotowego wynalazku mogą być wytwarzane w konwencjonalnej dwuuderzeniowej maszynie do kształtowania łbów. Koniec drutu lub innego materiału, z którego wykonywany jest element złączny, jest wspierany w matrycy maszyny, a następnie przeciwległy koniec drutu, przeznaczony na łeb, jest uderzany najpierw stemplem, który częściowo kształtuje łeb, a następnie stemplem wykończającym, który wykańcza łeb i ewentualnie kształtuje zagłębienie na wkrętak. Stempel do kształtowania zagłębienia typowo będzie zawierać główny korpus z koń cem o kształ cie dostosowanym do tworzenia części ł ba elementu złącznego, oraz koń cówkę dostosowaną do kształtowania spiralnego zagłębienia. Korpus i końcówka stempla będą zasadniczo zgodne z kształtem geometrycznym wkrętaka, pokazanego na fig. 2. Ze względu na trudności przy wytwarzaniu zagłębień mających ścianki doskonale pionowe, pewne dodatnie pochylenie ścianek zagłębienia, ewentualnie rzędu 1°, może powstawać nawet wtedy, jeżeli usiłuje się wykonać dokładnie pionowe ścianki. Takie niewielkie pochylenie nie ma znacznego wpływu na działanie spiralnie ukształtowanego systemu przenoszenia momentu obrotowego. W razie potrzeby zagłębienie może być wykonane z jeszcze większym pochyleniem dodatnim, np. pochylenie ścianki można zwiększyć do 5-6° od pionu, bez istotnego zmniejszenia użyteczności rozwiązania według wynalazku. Wkrętak może być wytwarzany przy użyciu innych tradycyjnych technik, takich jak tłoczenie półwyrobu wkrętaka za pomocą jednej lub kilku kształtowych matryc w celu wytworzenia skrzydeł o żądanym kształcie lub przez frezowanie ostrza wkrętaka za pomocą specjalnie ukształtowanych frezów.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Gwintowany element złączny, mający oś wzdłużną, z łbem zaopatrzonym w przeznaczone do współpracy z wkrętakiem powierzchnie usytuowane wokół osi wzdłużnej i wkrętak do użycia wraz z nim, który to wkrętak ma powierzchnie napędzające do napędzania przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem powierzchni łba elementu złącznego, znamienny tym, że co najmniej jedna z powierzchni ma taki kształ t, ż e w przekroju poprzecznym stanowi odcinek linii spiralnej, który ma punkt początkowy (54) oddalony od osi wzdłużnej (44) elementu złącznego (10) o promień początkowy Ri, i jest poprowadzony do zewnętrznego punktu końcowego oddalonego od osi wzdłużnej (44) o promień , który jest nie wię kszy od 3,5 dł ugoś ci począ tkowego promienia Ri, przy czym powierzchnie

   PL 196 608 B1 napędzające wkrętaka są zasadniczo równoodległe od przeznaczonych do współpracy z wkrętakiem powierzchni łba elementu złącznego (10), ale mają inny wymiar w przekroju poprzecznym, by umożliwić współpracę wkrętaka z łbem elementu złącznego (10) tak, że odpowiednie powierzchnie napędzające wkrętaka i powierzchnie łba przeznaczone do współpracy z wkrętakiem mogą być oddzielane przez luz, który ma umożliwić ograniczony obrót wkrętaka względem elementu złącznego, a spiralne powierzchnie wkrętaka i elementu złącznego mają kształt umożliwiający znaczny i równoczesny styk pomiędzy powierzchniami, kiedy wkrętak jest obracany o kąt luzu i do zetknięcia z odpowiednimi powierzchniami elementu złącznego.