PT2158408E - União roscada com intervalo variável - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO UNIÃO ROSCADA COM INTERVALO VARIÁVEL Campo da Invenção A invenção refere-se a uma união roscada entre uma peça roscada macho e uma peça roscada fêmea, aplicável a todos os tipos de uniões roscadas, tais como, por exemplo, uniões roscadas entre um implante dentário e o parafuso, sendo este último utilizado para suster um dente artificial, etc.

Estado da Técnica

Uniões roscadas convencionais entre uma peça macho (com um perfil de rosca composto por uma série de filetes) e uma peça fêmea (também com um perfil de rosca composto por uma série de filetes, no qual o perfil de rosca da peça macho se encaixa perfeitamente) foram concebidos de modo a não haver intervalos ou, por outras palavras, de modo a que os perfis de rosca de ambas as peças encaixem perfeitamente um no outro.

Após uma análise a estas uniões, chegou-se à conclusão de que a distribuição de tensões nos filetes durante a vida útil da união roscada faz com que alguns filetes suportem uma maior tensão em relação a outros.

Mais concretamente, os filetes sujeitos a uma maior tensão são os primeiros filetes ou, por outras palavras, os filetes mais próximos da cabeça do parafuso, ou seja, os que estão mais afastados da ponta do parafuso. 2

Algumas patentes, tais como a US3664540 e a US2870668, são conhecidas e descrevem uniões roscadas em que há um intervalo entre o perfil de rosca da peça externa (macho) e a peça interna (fêmea) e o perfil de rosca da peça fêmea. 0 intervalo aumenta de forma linear, a fim de distribuir a tensão de forma homogénea ou, por outras palavras, de modo a que todos os filetes suportem, aproximadamente, a mesma tensão.

No entanto, este intervalo que aumenta de forma linear não permite controlar a distribuição de tensão em toda a união roscada, o que seria interessante em determinadas aplicações para as quais seriam desejáveis uniões roscadas com distribuições de tensão diferentes.

Nestas aplicações em particular, nem uma união roscada tradicional (em que os primeiros filetes estão sujeitos à maior tensão), nem uma união roscada tal como a do documento US3664540 ou do documento US2870668 (em que todos os filetes estão sujeitos à mesma tensão) seriam as mais adequadas.

Pelo contrário, nestas aplicações em particular será interessante que o pico de tensão ocorra em qualquer um dos filetes da união roscada, até mesmo nos últimos filetes.

Por exemplo, nas uniões roscadas utilizadas na aeronáutica, os últimos filetes têm de ser os mais sobrecarregados, a fim de assegurarem que, em caso de quebra do parafuso, a maior parte do parafuso permaneça 3 (que, desta forma, continua a funcionar) garantindo que a união roscada seja mantida.

Em alternativa, pode ser igualmente interessante conceber a união roscada de modo a que haja falhas na cabeça do parafuso, o que vai facilitar a extração do parafuso em caso de quebra. 0 documento GB569581 mostra uma união roscada com as caracteristicas do preâmbulo da reivindicação 1. A invenção tem por objetivo apresentar um desenho para uma união roscada adequada para aplicações, em que não seja necessária a distribuição homogénea de tensão nem que os primeiros filetes estejam sob maior tensão.

Breve Descrição da Invenção 0 objeto da invenção é uma união roscada de uma peça macho e uma peça fêmea, ambas com um perfil de rosca composto por filetes, em que a rosca do perfil de rosca da peça macho é diferente da rosca do perfil de rosca da peça fêmea, havendo um intervalo controlado entre ambas as peças.

De acordo com a presente invenção, uma das duas peças (macho ou fêmea) apresenta um passo de rosca variável.

Assim, a união roscada entre ambas as peças apresenta um intervalo que varia de uma forma não-linear (ao contrário dos intervalos nos documentos US3664540 e US2870668, nos quais o passo de rosca de ambas as peças é ligeiramente 4 diferente, mas sempre constante, criando um intervalo que varia de forma linear).

Ajustando adequadamente o desenho especifico dos passos de rosca (e, portanto, o tipo de intervalo não linear), é possivel controlar a distribuição da tensão ao lonqo da união roscada, de acordo com os interesses de cada aplicação especifica.

Portanto, a invenção permite configurar ou escolher a área da união roscada que vai estar sujeita a uma maior tensão, o que permite controlar a área da união em que irá ocorrer a quebra. 0 passo de rosca variável pode ser na peça macho ou na peça fêmea. Deve ser tido em conta que, se for aplicado na peça macho, é geralmente um passo de rosca crescente, ao passo que se for aplicado à peça fêmea, é geralmente um passo de rosca decrescente. A outra peça terá um perfil de rosca com um passo de rosca constante.

De notar que os termos "crescente" e "decrescente" são utilizados observando a união roscada a partir da cabeça em direção à ponta da peça macho (a peça macho será geralmente um parafuso ou afim). 0 intervalo com uma variação não linear apresenta uma variação substancialmente parabólica, elíptica ou polinomial de grau n. 5 A escolha de um tipo ou outro de intervalo depende da aplicação em que a invenção vai ser utilizada.

Breve Descrição das Figuras

Os pormenores da invenção podem ser verificados nas figuras em anexo, que não pretendem limitar o âmbito da invenção: - A Figura 1 mostra uma união roscada convencional sem intervalos. - A Figura 2 mostra um diagrama de uma união roscada de acordo com a invenção. - A Figura 3 mostra uma vista ampliada de vários filetes consecutivos da união roscada da figura anterior. - A Figura 4 mostra a distribuição da tensão ao longo da união roscada da Figura 1. - A Figura 5 mostra a distribuição da tensão da união roscada da Figura 2. - A Figura 6 mostra um gráfico da tensão no que diz respeito ao intervalo. - A Figura 7 mostra um gráfico da distribuição de forças ao longo dos filetes numa união roscada convencional sem intervalo, numa união roscada convencional com um intervalo que aumenta de forma linear, e na união roscada de acordo com a invenção mostrada na Figura 2. - A Figura 8 mostra uma tabela discriminativa dos valores do intervalo de uma união convencional e de várias formas de realização da invenção. A Figura 9 mostra a representação gráfica dos intervalos da figura anterior. 6

Descrição Pormenorizada da Invenção A Figura 1 mostra uma união roscada convencional entre uma peça fêmea (1) e uma peça macho (2), em que não existem intervalos entre as duas peças (1, 2). A Figura 2 mostra uma forma de realização da união roscada de acordo com a invenção, entre uma peça fêmea (1) e uma peça macho (2), em que os intervalos (3) entre ambas as peças (1, 2) são formados em resultado do facto de o passo de rosca (4) da peça fêmea (1) e o passo de rosca (4) da peça macho (2) serem diferentes.

De acordo com a invenção, o passo de rosca (4) de uma das duas peças (1, 2) aumenta de um filete para outro de maneira inconstante.

Por conseguinte, a largura dos intervalos (3) aumenta de forma não linear.

Na forma de realização mostrada na figura, é a peça fêmea (1) que apresenta o passo de rosca (4) crescente, ao passo que a peça macho (2) apresenta o passo de rosca constante (4).

Entenda-se "passo de rosca" (4) como a distância entre um filete e o filete seguinte no perfil de rosca. 7 A Figura 3 mostra uma vista ampliada de vários filetes consecutivos da união roscada entre a peça fêmea (1) e a peça macho ( 2) . 0 passo de rosca (4b) da peça macho (2) é fixo, enquanto o passo de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) aumenta nos filetes sucessivos.

Os passos de rosca (4a, 4a', 4a", 4b) são de forma a que a largura dos intervalos (3) apresente uma variação substancialmente parabólica, elíptica ou polinomial de grau n.

Para que o intervalo (3) aumente de maneira substancialmente parabólica, o passo de rosca (4b) da peça macho (2) é constante, enquanto que o passo de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) segue uma função linear relativamente ao número de filetes, isto é, a diferença entre um passo de rosca e o passo de rosca anterior é um valor constante.

Por outras palavras, a representação gráfica do passo de rosca da peça fêmea (1) de acordo com o número de filetes é uma linha reta.

Por exemplo, se o passo de rosca (4b) da peça macho (2) é um valor constante 'p', os passos de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) são p+k, p+2k e p+3k, respetivamente, sendo que k é uma constante.

Portanto, neste caso, a largura dos intervalos (3, 3', 3") é k, 3k e 6k respetivamente. A série completa de larguras do intervalo, para um elevado número de filetes, seria k, 3K, 6k, lOk, 15k, 21k, 28k... ou, por outras palavras, uma largura que cresce de maneira substancialmente parabólica de acordo com o número de filetes, como mostra a Figura 9.

Para que o intervalo (3) aumente de maneira substancialmente elíptica, o passo de rosca (4b) da peça macho (2) é constante, enquanto que o passo de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) segue uma função parabólica relativamente ao número de filetes.

Por exemplo, o passo de rosca da peça fêmea (1) cresce de forma a que a segunda rosca seja um valor constante maior do que o primeiro; o terceiro é o dobro do segundo e por aí adiante.

Mais concretamente, se o passo de rosca (4b) da peça macho (2) é um valor constante 'p', os passos de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (I) podem ser p+k, p+3k e p+6k respetivamente.

Por conseguinte, a largura dos intervalos (3, 3', 3") obtida é k, 4k e lOk respetivamente. A série completa de largura do intervalo, para um número elevado de filete seria k, 4k, lOk, 20k, 35k, 56k, 84k... ou, por outras palavras, uma largura que aumenta de maneira substancialmente elíptica, de acordo com o número de filetes, como mostra a Figura 9. 9

Para que o intervalo (3) aumente de maneira substancialmente polinomial de grau η, o passo de rosca (4) da peça macho (2) é constante, enquanto que o passo de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) segue uma função polinomial de grau-(n-l) relativamente ao número de filetes.

Por exemplo, para um intervalo (3, 3', 3"), cuja largura cresce de acordo com um polinómio de grau 5, o passo de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) deve crescer de acordo com uma função polinomial de grau 4.

Olhando para valores específicos a título exemplificativo, se o passo de rosca (4b) da peça macho (2) é um valor constante 'p', os passos de rosca (4a, 4a', 4a") da peça fêmea (1) podem ser p+k, p+5k e p+15k respetivamente.

Por conseguinte, a largura dos intervalos (3, 3', 3") obtida é k, 6k e 21k respetivamente. A série completa de largura do intervalo para um elevado número de filetes, seria k, 6k, 21k, 56k, 126k, 252k, 462k... ou, por outras palavras, uma largura que cresce de forma substancialmente polinomial de grau 5, de acordo com o número de filetes, como se pode ver na Figura 9.

Logicamente, os casos de crescimento parabólico e de crescimento elíptico são casos específicos do crescimento polinómio de grau n, em que n=2 e n=3 respetivamente. 10 A Figura 4 mostra a distribuição de tensão ao longo da união roscada convencional da Figura 1, em que a escala indica os valores de tensão (MPa) com diferentes niveis de cinzento.

Como se pode ver na figura, os niveis elevados da tensão (sombreado quase branco) estão concentrados nos primeiros filetes (lado esquerdo da Figura) da peça macho (parafuso).

Em seguida, após uma transição relativamente abrupta (indicada em diferentes tons de cinzento) há um grande número de filetes sujeitos a pouca tensão (a cinzento escuro e preto) localizados na ponta da peça macho. O valor máximo de tensão suportada pela peça macho é de aproximadamente 752 MPa. A Figura 5 mostra a distribuição de tensão ao longo da união roscada da Figura 2.

Neste caso, a invenção conduz a vários efeitos interessantes.

Em primeiro lugar, todos os filetes estão sujeitos a tensão de forma uniforme, que é valorizado, porque a transição entre os niveis de cinzento é mais suave do que na Figura 4.

Em segundo lugar, o valor máximo ou o pico de tensão aplicada à peça macho é reduzido a um valor de cerca de 568 MPa. 11

Por outras palavras, em comparação com a união roscada da Figura 4, o valor máximo da tensão aplicada à peça macho (parte inferior nesta e noutras figuras) é reduzido em aproximadamente 20%. A Figura 6 mostra um gráfico que representa os valores máximos de tensão suportada pela união roscada (em N/mm2) relativamente ao parâmetro ' k' (em mm) acima descrito, através do qual o crescimento do passo de rosca é parametrizado.

Mostram-se duas curvas: uma curva continua referente a uma união roscada com um intervalo que cresce de forma parabólica, de acordo com a invenção, e uma curva tracejada referente a uma união roscada com um intervalo que cresce de forma linear de acordo com os documentos US3664540 ou US2870668.

Ambas as uniões pretendem selecionar o melhor valor 'k', que é aquele em que a máxima tensão suportada pela união roscada é mínima.

Observa-se também que a união roscada com um intervalo que cresce de forma parabólica apresenta geralmente valores máximos de tensão mais baixos do que uma união roscada com um intervalo que cresce de forma linear, sendo esta diferença maior para valores 'k' mais elevados.

Por conseguinte, através de uma união roscada de acordo com a invenção, com um valor ' k' adequado, é possível obter-se uma redução significativa na tensão máxima em comparação com as uniões dos documentos US3664540 e US2870668 . 12 A Figura 7 mostra um gráfico da distribuição de forças de contacto (em N) suportadas por cada filete ao longo dos filetes que compõem a união roscada (indicado pelo número de filetes).

Mostram-se três curvas: uma curva continua referente a uma união roscada convencional sem intervalos; uma curva tracejada referente a uma união roscada convencional com intervalos que crescem de forma linear, de acordo com os documentos US3664540 ou US2870668; uma curva de traço-ponto referente a uma união roscada de acordo com a invenção com intervalos que crescem de forma parabólica.

Como mostra a figura, na união roscada convencional sem intervalo, o primeiro filete absorve uma força extremamente elevada (cerca de 275 N) e a força diminui rapidamente nos filetes seguintes.

Na união roscada com um intervalo que cresce de forma linear, os primeiros filetes são menos sobrecarregados, e a força máxima é aplicada no nono e décimos filetes, com um valor máximo de cerca de 175 N.

No entanto, na união roscada de acordo com a invenção, todos os filetes estão sujeitos a tensão de maneira uniforme, o que é benéfico, pois reduz o risco de quebra de algum dos filetes, o que normalmente acontece quando alguns filetes são sujeitos a uma tensão muito superior à dos outros.

Além disso, o valor máximo de força suportada é muito mais baixo do que nas duas uniões roscadas convencionais; 13 na verdade, é cerca de 80 N, o que corresponde a uma redução de 70% e 55% respetivamente, em comparação com as duas uniões roscadas convencionais. A Figura 8 mostra uma tabela que representa os intervalos crescentes obtidos de acordo com várias séries de crescimento polinomial: grau 1 (crescimento linear, conhecido no estado da técnica), 2 (crescimento parabólico), 3 (crescimento elíptico), 4, 5 e 6. A Figura 9 mostra a representação gráfica destes intervalos no que diz respeito ao número de filetes.

Esta representação gráfica ajuda a observar o crescimento parabólico, elíptico, etc. dos intervalos de acordo com a invenção. A união roscada da presente invenção pode ser fabricada utilizando qualquer processo convencional adequado, tal como a mecanização, injeção, laminação, etc., tendo em conta que deve ser possível criar uma rosca não constante (que é considerada perfeitamente possível através de qualquer um destes métodos). O processo de fabrico não requer ferramentas especiais ou um maior tempo de produção do que o processo de fabrico de uma união roscada convencional.

Adicionalmente, é de salientar que não há um parâmetro ideal de crescimento do passo de rosca.

Parâmetros ideais de passo de rosca irão depender das dimensões da rosca, do material da rosca, da carga a que a união roscada está sujeita, etc. 14

Dependendo das necessidades de cada aplicação, calculam-se diferentes parâmetros ideais.

De uma maneira particularmente vantajosa, a união roscada de acordo com a invenção é aplicada na união entre um implante dentário e um parafuso de ligação do implante dentário, em que o implante dentário é a peça fêmea (1) e o parafuso é a peça macho (2) . A parte que vai ser unida ao implante dentário será, normalmente, um pivot, mas também pode ser qualquer outro componente protético, tal como um pilar intermediário, um pilar UCLA, etc.

Em qualquer caso, a união externa de acordo com a invenção proporciona um conjunto mecânico mais robusto (implante, parafuso e componente protético) em comparação com os conjuntos mecânicos das uniões roscadas convencionais.

Portanto, a robustez do conjunto é aumentada sem ter de se utilizar materiais diferentes em relação àqueles normalmente utilizados e sem ter de aumentar o custo de fabrico dos diferentes elementos do conjunto mecânico. LISBOA, 13 de MARÇO de 2012

Claims (4)

1 REIVINDICAÇÕES 1. União roscada entre uma peça fêmea (1) e uma peça macho (2), em que ambas as peças (1, 2) compreendem um perfil de rosca composto por uma série de filetes, em que o perfil de rosca de pelo menos uma das duas peças (1, 2) possui um passo de rosca variável (4a, 4b) de modo que um intervalo (3) crescente seja criado entre ambos os perfis de rosca, em que a diferença entre o passo de rosca das peças (1, 2), não é constante de acordo com o número de filetes e segue uma função polinomial de grau (n-1), de modo que o intervalo (3) varie de forma não linear de acordo com uma função polinomial de grau (n), caracterizada por: - a diferença entre o passo de rosca das peças (1, 2) seguir uma função parabólica (grau 2), de modo que o intervalo (3) varie elipticamente (grau 3).

2. União roscada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a peça macho (2) possuir um passo de rosca constante (4b) e a peça fêmea (I) possuir um passo de rosca variável (4a).

3. União roscada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a peça macho (2) possuir um passo de rosca variável (4b) e a peça fêmea (I) possuir um passo de rosca constante (4a).

4. Utilização de uma união roscada de acordo com qualquer das reivindicações anteriores numa união entre um implante dentário e um parafuso de ligação para ligar outra peça ao implante dentário, em que o implante 2 dentário é a peça fêmea (1) e o parafuso é a peça macho (2) . LISBOA, 13 de MARÇO de 2012