TWI498490B - 螺紋鎖固／常置扭力固定件及固定件總成 - Google Patents

Description

螺紋鎖固/常置扭力固定件及固定件總成

本發明係關於一種螺紋鎖固/常置扭力固定件及固定件總成，尤其係關於具有改良螺紋外觀幾何形狀之固定件，該螺紋外觀幾何形狀可使總成接合完整度最佳化。

一般公認，在螺鎖式固定件上具有特別設計之外螺紋之目的在於，當固定件(fastener)被螺入螺帽錨件中時，造成匹配螺紋干涉的條件，該螺帽錨件依照習知且公認之如ISO標準965/1的螺紋標準預先攻牙匹配。在此使用的術語「螺帽錨件」意指包括固定件可螺入的任何個別之螺帽或任何錨件或支件。

此匹配螺紋干涉可在螺紋主要徑或外徑處產生，如第1A圖所示。圖中顯示組合到螺帽錨件之預先攻牙的內螺紋3之外螺紋2的片斷橫剖面圖，其中螺紋干涉4係在匹配螺紋之外徑處可見。干涉係藉由具有從外螺紋2的節徑5的距離超過內螺紋的節徑6到該螺紋主要徑或外徑之距離而產生。干涉4之大小係悠關螺紋固定件/螺帽錨件總成之螺鎖性能。

匹配螺紋干涉亦在螺紋次要徑或內徑處產生，如第1B圖所示。在該處，固定件之外螺紋7被組合到具有內螺紋8的螺帽錨件內。在螺紋次要徑之干涉9產生總成之螺鎖特徵。

第3種匹配螺紋干涉係顯示於第1C圖中。在圖中，顯示具有外螺紋10之固定件被組合到具有內螺紋11的螺帽錨件內。在此總成中，干涉12沿著螺紋面之一而產生。

在第1A至1C圖中，具有外螺紋2,7,10之固定件的頭係位於箭號H之方向。

明顯地，所有上述諸習知總成僅依賴匹配螺紋干涉以達成螺鎖效應。工業界一致公認，匹配螺紋干涉的大小係以上總成之任一者所可獲得的螺鎖程度背後的關鍵因素。在所有此等例子中，螺紋化固定件之連續再使用會造成匹配螺紋的磨損，因而隨時間經過而造成較低程度的螺鎖。

雖然剛敘述的每一先前技術之螺紋干涉總成可在特定的應用中有效，但是在一些應用中無法達到所希望的螺鎖效果，結果使總成接合的完整性受損。換言之，當接合的總成受到外部施加力量時，螺紋固定件變成鬆動。術語「接合的總成」係指一總成，其中螺紋固定件受到用於產生可接受之總成的施加扭力而在固定件中所引起的抗拉應力之作用。

因而，本發明之目的在提供一改良的螺鎖式固定件總成，當受到外部施加的力量作用時，其產生優異的總成接合完整性。

本發明之另一目的在提供一螺鎖式固定件總成，其可再度使用而不致大幅地損失其鎖住能力。

本發明之另一目的在提供一此種總成，其可使用於許多不同的應用中。

又另一目的在提供固定件總成，其具有強化的挾持負荷保持能力。

又另一目的在提供一螺鎖式固定件總成，當組合到螺帽錨件時，其提供一個或多個上述優點。

本發明之又另一目的在提供此一固定件，其相當容易且低成本地進行量產。

本發明之又另一目的在提供此一固定件，其柄部可具有一圓柱形或小葉狀構造。

其他目的有一些已很明顯，有一些將於後面出現。

因而，本發明包括構造特徵、元件之結合及零件配置，在下列詳細說明中將舉例，且本發明之範圍將在申請專利範圍中指出。

一般，本發明使用在匹配的固定件之主要徑或外徑與螺帽錨件螺紋產生的干涉，以全面強化螺鎖性能，其係當固定件被鎖緊在螺帽錨件以完成一總成時，藉由在固定件螺紋上包含一特別設計的齒冠，由齒冠的偏轉而在螺紋中儲存殘留能量。

如隨後將更詳細說明，在固定件螺紋上之殘留或儲存能量之使用，係當螺紋齒冠的偏轉不超過造成固定件螺紋齒冠之永久變形的偏轉值時為最佳使用。亦即，偏轉最好保持在固定件螺紋材料及幾何形狀的「比例限度」內。

依照本發明，固定件有螺紋化柄，其具軸向芯部及形成在芯部上的螺紋。螺紋之軸向橫剖面外形提供一徑向內螺紋基部區域，從芯部延伸到一與芯軸隔開且平行的假想基準線。此外形亦提供一徑向外螺紋齒冠，從基準線延伸到螺紋的頂端且可偏轉。螺紋基部及齒冠係由從芯部延伸到頂端的前及後面所限制。後面具有徑向內部及徑向外部，其等在基準線結合，以形成小於180°之夾角，故當固定件被螺入螺帽錨件內且固定件螺紋之後面以選定的力被拉抵住於螺帽錨件之前面時，螺紋齒冠被偏轉以增加夾角，藉此而將殘留能量儲存在固定件螺紋，使接合的總成具有強化的接合完整性及挾持負荷保持性。

參考第2圖，依本發明之螺鎖固定件20包含驅動頭22及從頭沿中心軸心A延伸之柄24。頭可為如圖示之任何希望的類型或構造，且可包含槽或凹部22a，或突部，其可促進固定件之轉動。並且，雖然圖示的柄24通常為圓形剖面，但是亦可為小葉狀橫剖面之形式。例如，其可如於美國專利No.3,195,156中所述，具有三葉橫剖面。視特別的應用而定，柄可具有多達7葉。較佳為柄24之自由端段在24a逐漸變細，以方便固定件插入螺帽錨件N(第4圖)。

柄24包含芯部26，其具有以螺旋型式產生在芯部26周圍的螺紋28。此螺紋在軸向剖面具有外形28’，其可延伸於芯部之整個長度或沿著其一部分。螺紋具有主要徑或外 徑32、次要徑或內徑34、及螺紋外形高度36，此高度對已知尺寸固定件通常係固定。螺紋之螺旋角α的大小係由外徑32與螺紋之軸向齒距38而決定。通常，軸向齒距係與由總成製造商選擇的螺帽錨件中的預先攻牙之螺紋吻合。

現在參考第3圖，其更詳細地顯示螺紋28之外形28’。螺紋之外形28’包括徑向內區域或基部區域40，從芯部26(第2圖)延伸到平行於芯部的假想基準線D；及徑向外區域或齒冠42，從基準線D延伸到螺紋頂端44。兩區域40及42係由螺紋外形前面(leading face)46及後面(trailing face)48所限制。

由第3圖看出，此等面各包含徑向內部46a及48a，其等之根部在芯部26，且其等聚束，使得基部40係對稱於延伸垂直於芯部及柄軸心A的高度線L(第2圖)。較佳為，基部40被線L二等分，且形成夾角β且符合標準之習知螺紋型式之節徑50，螺帽錨件N具有相容的節徑51。

在基準線D上方，齒冠42對線L並非對稱，且其具有前面部46b及後面部48b。面部48b與面部48a在基準線D上之臨界點52交叉，且與後者形成一夾角γ，其在158°至162°的範圍內，較佳為160°。前面部46b可或多或少為徑向內部46a之延伸部，如第3圖之虛線所示。更佳為，如第3圖之實線所示，前面被凹入，使得齒冠42在基準線D有選定的寬度54。最小的凹入必須在第3圖中之角度δ為約165°，且在其與基準線D之交叉處與前面部46a交叉， 如圖中之虛線所示。圖示之齒冠在頂端44亦具有選定的高度56及選定的寬度58。如吾等將了解，頂端寬度58及齒冠高度56被一起使用且比例上被定為，可在螺紋齒冠42之外徑與螺帽錨件N的內螺紋之主要直徑之間提供干涉(第4圖)，即與第1A圖中之干涉4相同。

現在參考第4圖，其顯示一總成，包括螺入預先攻牙之螺帽錨件N的固定件20，有一為板60之型式的工件被放置在驅動頭22與螺帽錨件N之間。當驅動頭22順時針方向旋轉時，形成在固定件柄上的螺紋使固定件軸向往前(左)移動進入螺帽錨件的螺紋中。由第4圖可知，固定件之外螺紋與螺帽錨件之內螺紋的嚙合在螺紋28之頂峰62形成徑向干涉(突出)。克服此徑向干涉且完成一總成所需的力，在此被稱為「常置扭力」。此常置扭力必須被克服，以使螺帽錨件N之相對面及板60，及該板的相對面與驅動頭22彼此接觸。

第4圖顯示完全符合此等條件的總成。換言之，在總成元件之圖示位置，壓縮負荷C為零，且誘發性固定件柄抗拉應力T為0。而且以此等條件，螺帽錨件N之每一螺紋的前面N’係與固定件20之對應的螺紋28之後面隔離，除了其等在62徑向干涉處之外。此在第3圖中更清楚顯示，螺帽錨件N之前面N’係以虛線表示。在此等條件下，螺紋齒冠42仍在自然未受應力及未偏轉狀態，且除了在干涉62之外與螺帽螺紋面N’隔離，在固定件進入螺帽錨件 的組合期間從干涉62處產生常置扭力。

現在參考第4及5圖，固定件20之連續順時針轉動，會使固定件螺紋28受到抗拉應力T作用，其會發展出軸向應力W，施加在臨界點52(第4及5圖)之每一螺紋28處，藉此使得對應之螺紋齒冠42偏轉(往第5圖之左)一個量G。此偏轉會在驅動頭22、板60、及螺帽錨件N之相對面發展出正向挾持負荷C，如第4圖所示。每一齒冠42之偏轉持續進行，直到在每一螺紋之後面48與對應之螺帽錨件螺紋的前面N’之間實質上無間隙為止，即，直到第3圖中的螺紋外形28’之螺紋面48a及48b相當地直為止，如第5圖中之實線所示。須提及，第3圖中的螺紋28之固定件有效節徑50及螺帽錨件N之有效節徑51係建立齒冠偏轉量G之不可分部分。在任何情況，在此接合處，可由外螺紋齒冠偏轉而發展出最大的挾持負荷C。

須提及，剛性的螺紋28之基部40並不偏轉到任何相當的程度。施加在第5圖中之臨界點52的軸向應力W係在最大誘發抗拉負荷T之下，且齒冠42的偏轉係在螺紋齒冠幾何形狀及固定件材料之「比例限度」之內，使得齒冠並不達到永久設定之條件。換言之，螺紋之彈性限度並未超過。故，若發生誘發抗拉負荷T之減輕時，必有一力作用在後面部48b之外端，即在徑向干涉62處(第5圖)，即使在抗拉應力T已減少後，其可維持壓縮力C之一個比例在總成內。

因此，儲存在偏轉的齒冠42之能量加入到挾持負荷力，使此挾持負荷力會超過使用如第1A至1C圖所顯示的傳統的螺鎖總成產生者。換言之，螺紋齒冠偏轉及儲存在螺紋內的殘留能量會提供增加的機械手段，用以補助產生在螺紋頂端的徑向干涉62，因而與此一般型式的習知總成比較，可強化吾人之總成的接合完整性。

如上述提及者，固定件螺紋28之前面宜被凹入。凹入係用於確保當螺紋齒冠42如第5圖所示被偏轉時，產生所要的偏轉所需的力低於當正確地鎖緊時在固定件20中誘發的總抗拉應力T。故，凹入之存在係用於提供螺紋齒冠之可接受的「慣性矩」，其係由第3圖所示的齒冠基部寬度54、齒冠高度56及頂端寬度58之間的幾何形狀關係而產生。

若總成設計不需要螺紋齒冠偏轉量G在小於固定件20之抗拉強度的力之下建立，螺紋齒冠42之前面部46b即無須凹入。

在不違離本發明之範圍，本固定件可作許多變化及修改。例如，螺紋外形28’之前及後面部可具有許多形狀被設計成用以達成特定目的。並且，螺紋外形28’之齒距及尺寸可視螺帽錨件N之材料而改變。除此之外，雖然螺紋齒冠42之偏轉係本發明之不可分部分，但是不可假定例中之圖示係無法改變以達成本明相關之上述挾持負荷保持。並且，其他設計參數可依照製造固定件及/或螺帽錨件的材 料而改變。

亦須提及，本固定件可使用以相同成本製造此一般型式的其他、更習知且並無上述強化螺鎖性能的固定件之相同過程來製造。故，其具有廣泛的應用。

故可看出，從前述說明變成明顯的上述目的可有效地達成。並且，在不違離本發明之範圍，可從事上述構造的許多變化。故，包含在上述說明或顯示在附加圖面中的所有事物需解釋為說明用途而非限制用途。

且須了解，下列申請專利範圍係涵蓋在此說明的所有本發明通稱及具體特性。

20‧‧‧螺鎖固定件

22‧‧‧驅動頭

22a‧‧‧凹部

24‧‧‧柄

24a‧‧‧自由端段

26‧‧‧芯部

28‧‧‧螺紋

28’‧‧‧外形

32‧‧‧主要徑或外徑

34‧‧‧次要徑或內徑

36‧‧‧螺紋外形高度

38‧‧‧螺紋之軸向齒距

40‧‧‧基部區域

42‧‧‧齒冠

44‧‧‧螺紋頂端

46‧‧‧螺紋外形前面

46a,48a‧‧‧徑向內部

46b‧‧‧前面部

48‧‧‧螺紋外形後面

48b‧‧‧後面部

50,51‧‧‧節徑

52‧‧‧臨界點

54‧‧‧寬度

56‧‧‧選定的高度

58‧‧‧選定的寬度

60‧‧‧板

62‧‧‧干涉

A‧‧‧中心軸心

D‧‧‧假想基準線

G‧‧‧偏轉量

N‧‧‧螺帽錨件

W‧‧‧軸向應力

α‧‧‧螺旋角

為了更進一步了解本發明的特性及目的，將結合下列圖面而參照下列之詳細說明，其中：

第1A至1C圖，在先前技術部分中已說明，係顯示外/內自我鎖住螺紋總成之剖面圖，其中螺鎖干涉係分別在螺紋主要徑或外徑、在螺紋次要徑或內徑、及在螺紋面之一產生。

第2圖為具有本發明螺紋外形之螺鎖固定件之片斷側視圖。

第3圖係以較大比例顯示第2圖之固定件的螺紋外形之概圖。

第4圖係顯示在第2圖之固定件的部分之剖面的側視圖，其中固定件被組合到一螺帽錨件但是在抗拉應力被施 加到固定件柄之前。

第5圖係以較大比例顯示第4圖之總成一部分，在抗拉應力已經被施加到固定件柄後之概圖。

20‧‧‧螺鎖固定件

22‧‧‧驅動頭

22a‧‧‧凹部

24a‧‧‧自由端段

24‧‧‧柄

26‧‧‧芯部

28‧‧‧固定件螺紋

28’‧‧‧螺紋外形

34‧‧‧次要徑或內徑

36‧‧‧螺紋外形高度

38‧‧‧軸向齒距

Claims (13)

1. 一種螺鎖固定件，包括柄，其包含具有縱軸心的芯部及螺紋，該螺紋在軸向剖面的外形提供：徑向內相當剛性的基部，其沿著從芯部到與該軸心平行且分隔的假想基準線之半徑延伸；徑向外可偏轉齒冠，其從基準線沿著該半徑延伸到螺紋位於主要直徑之頂端，該基部及該齒冠係由從該芯部延伸到該頂端的螺紋前及後面所限制，該後面具有徑向內部、實質上直線部分，從該芯部延伸到於該基準線上的臨界點，該徑向外部、實質上直線部分從該基準線上的臨界點延伸到該頂端，該徑向內部及該徑向外部形成一鈍角之外部夾角且其中該齒冠係可相關於該臨界點偏轉，使得當後面以選定之力被拉抵住於螺帽錨件螺紋之前面時，該齒冠偏轉以增加該夾角至最大180度，該齒冠被偏轉之量係根據該螺紋之有效節徑及該螺帽錨件之有效節徑，該偏轉係在該固定件之頭部及該頭部與該螺帽錨件間所設置的板兩者的相對之面引發一第一正向夾持負荷，並且在該板與該螺帽錨件兩者的相對之面引發一第二正向夾持負荷，其中該前面在該基準線處或其上方被凹入，以減輕偏轉該齒冠所需的該選定力。
2. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該基部具有規則性梯形，其係對延伸垂直於該軸心的高度線為對稱，且齒冠係對該高度線為非對稱。
3. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該柄具有形成至多7葉的橫剖面。
4. 如申請專利範圍第3項之固定件，其中該柄之橫剖面為三葉形。
5. 如申請專利範圍第1項之固定件，其中該夾角為158°至162°。
6. 一種螺鎖固定件總成，包括：螺帽錨件，形成具有縱軸心及主要直徑之內螺紋、前面及後面，該內螺紋的軸向剖面具有一外形，其係對從該軸心徑向延伸的第1假想線為對稱，及固定件，具頭部、及自該頭部延伸的柄，該柄有具縱軸心之外螺紋、前面及後面，該外螺紋被收容在該內螺紋中，使得該諸軸心實質上吻合，該外螺紋之軸向橫剖面有一外形，具有徑向內基部區域，其係對從柄螺紋軸心延伸的半徑線為對稱，以及徑向外可偏轉齒冠區域，其係沿著該半徑線延伸至位於該螺紋之該主要直徑的頂端，該外螺紋之後面係由該基部區域之實質直線後面部分、及該齒冠之實質直線後面部分所組成，其等相交於臨界點並共同定義一鈍角之外部夾角，使得該齒冠防止外螺紋外形在內螺紋外形中軸向集中化直到該固定件被鎖緊於該螺帽錨件內足夠安置該頭部且施加足夠的軸向力到柄以使該齒冠偏轉為止，以便於增加該夾角至最大180度，該齒冠被偏轉之量係根據該螺紋之有效節 徑及該螺帽錨件之有效節徑，該偏轉係在該固定件之頭部及該頭部與該螺帽錨件間所設置的板兩者的相對之面引發一第一正向夾持負荷，並且在該板與該螺帽錨件兩者的相對之面引發一第二正向夾持負荷，其中該外螺紋之前面在該齒冠處被凹入，以促進該偏轉。
7. 如申請專利範圍第6項之總成，其中該內螺紋具有圓形橫剖面，外螺紋具有葉片狀橫剖面，且該齒冠產生與該內螺紋之圓形橫剖面的干涉。
8. 如申請專利範圍第7項之總成，其中該外螺紋具有至多7葉。
9. 如申請專利範圍第8項之總成，其中該外螺紋係三葉形。
10. 一種螺鎖固定件總成，包括：螺帽錨件，形成具有縱軸心、以及具有預定標準斜度之相對斜向的前面及後面之內螺紋，該內螺紋的橫剖面具有圓形周圍，及固定件，具頭部、及自該頭部延伸的柄，該柄有具縱軸心之外螺紋、前面及後面，該外螺紋被收容在該內螺紋中，使得該諸軸心實質上吻合，該外螺紋之軸向剖面有一外形，具有徑向內基部區域，其包含有具實質上與該內螺紋的前面相同斜度之後面部分區段，以及具後面部分之徑向外可偏轉齒冠，其與該基部區域之該後面部分定義出一鈍角之外部夾角，且於該周圍處僅與該內螺紋接合在預定總成預負荷之下，在該預負荷下，該齒 冠防止外螺紋在內螺紋中軸向集中化直到該固定件被鎖緊於該螺帽錨件內足夠安置該頭部且施加足夠的軸向力到柄以使該齒冠偏轉為止，以便於增加該夾角至最大180度，該齒冠被偏轉之量係根據該螺紋之有效節徑及該螺帽錨件之有效節徑，該偏轉係在該固定件之頭部及該頭部與該螺帽錨件間所設置的板兩者的相對之面引發一第一正向夾持負荷，並且在該板與該螺帽錨件兩者的相對之面引發一第二正向夾持負荷，其中該外螺紋之前面在該齒冠處被凹入以促進該偏轉。
11. 如申請專利範圍第10項之總成，其中該周圍具有葉。
12. 如申請專利範圍第11項之總成，其中該周圍為三葉形。
13. 如申請專利範圍第10項之總成，其中該基部區域及該齒冠具有後面形成158°至162°之夾角。