TWI693977B - 具有完全表面驅動接觸之驅動系統的緊固件、鑽頭或衝頭 - Google Patents

具有完全表面驅動接觸之驅動系統的緊固件、鑽頭或衝頭 Download PDF

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Abstract

一種具有完全表面驅動接觸之驅動系統。驅動系統有助於將表面接觸模式或區域之典型鑽頭-凹槽反應(驅動)轉矩值達到最大，藉此有助於將鑽頭-凹槽表面接觸應力、塗層損傷、凹槽擴孔及鑽頭的過早疲勞破壞減到最小。

Description

具有完全表面驅動接觸之驅動系統的緊固件、鑽頭或衝頭
本申請案主張2015年3月19日提出之美國專利暫時申請案第62/135,390號之權益，其全文係以引用方式併入本文中。
本發明大抵關於驅動系統，像是包含鑽頭及緊固件，以及用於在緊固件中形成凹槽之衝頭。
典型的緊固件驅動系統設計或幾何形狀造成驅動工具(亦即，鑽頭)與緊固件驅動特徵(亦即，凹槽)之間的許多表面接觸模式。例如，有些驅動系統幾何形狀造成「點狀」表面接觸模式，意即當鑽頭旋轉成初步和凹槽接觸時(接近零反應轉矩)，其係在一個點(或凹槽附近的複數個點)處接觸到凹槽。
其他驅動系統幾何形狀造成「線狀」表面接觸模式，意即當鑽頭旋轉成初步接觸時，其係在複數條線處接觸到凹槽。欲將鑽頭放入緊固件中之凹槽內時，鑽頭與凹槽之間必有些間隙。當鑽頭旋轉時，鑽頭與凹槽之間的間隙變 窄，直到和凹槽之側壁產生線接觸。點狀及線狀接觸系統會在整個驅動系統產生高應力且也會增加鑽頭破壞。
另有其他驅動系統幾何形狀造成從鑽頭末端到凹槽頂部的「區域狀」接觸表面模式。大致上，「區域狀」接觸表面模式較「線狀」接觸表面模式有利，且「線狀」接觸表面模式較「點狀」接觸表面模式有利。
惟，即使是關於「區域狀」接觸表面模式，隨著鑽頭-凹槽反應轉矩(亦即，驅動轉矩)增大，驅動鑽頭幾何形狀呈彈性扭曲(亦即，扭轉且壓縮)，凹槽幾何形狀亦然(亦即，壓縮)，導致鑽頭-凹槽接觸表面模式改變且從鑽頭末端移向凹槽頂部。隨著反應轉矩增大，表面接觸模式區域趨向於減小，所以進一步增加了鑽頭-凹槽接觸應力。在凹槽頂部處增加之接觸應力將損傷緊固件的表面精製(亦即，塗層)，且亦導致凹槽破壞(擴孔)。在鑽頭上增加之接觸應力(及扭轉)則導致過早磨損、凹槽破壞及疲勞破壞。
本發明實施例之一目的在提供一種具有完全表面驅動接觸之驅動系統。
本發明實施例之一目的在提供一種驅動系統，其有助於將表面接觸模式或區域之典型鑽頭-凹槽反應(驅動)轉矩值達到最大，藉此有助於將鑽頭-凹槽表面接觸應力、塗層損傷、凹槽擴孔及鑽頭的過早疲勞破壞減到最 小。
簡而言之，本發明之一實施例提供一種驅動系統，其包括一緊固件，其中，緊固件包含驅動表面，驅動表面係由一或多個圓弧形成之多邊形漸開線或單一圓弧結構形成。關於界定驅動表面的圓弧，較佳為各圓弧具有固定半徑(亦即，一圓之一分段)。
本發明之另一實施例提供一種鑽頭，包含驅動表面，驅動表面由一或多個圓弧形成之多邊形漸開線形成或為單一圓弧結構。關於界定驅動表面的圓弧，較佳為各圓弧具有固定半徑(亦即，一圓之一分段)。
本發明之又一實施例提供一種衝頭，包含表面，表面由一或多個圓弧形成之多邊形漸開線形成或為單一圓弧結構。關於界定表面的圓弧，較佳為各圓弧具有固定半徑(亦即，一圓之一分段)。
10‧‧‧凹槽/衝頭
11‧‧‧緊固件
12‧‧‧凸部
14‧‧‧驅動表面
16‧‧‧出屑槽
18‧‧‧壁面
20‧‧‧鑽頭
21‧‧‧凸部
23‧‧‧壁面
24‧‧‧驅動表面
26‧‧‧前壁面
28‧‧‧後壁面
30‧‧‧點
32‧‧‧點
40‧‧‧圓形
200‧‧‧圓形漸開線-高精度
202‧‧‧多邊形漸開線-1圓弧
204‧‧‧多邊形漸開線-2圓弧
206‧‧‧多邊形漸開線-3圓弧
208‧‧‧一圓弧結構
本發明之結構及操作的組織與情形，連同其進一步之目的與優點可以藉由參考文後說明與附圖充分瞭解，圖中相同參考編號表示相同元件，其中：圖1揭示根據本發明之實施例之凹槽(或衝頭)；圖2係鑽頭之截面圖，其對應於圖1中所示之凹槽；圖3揭示圖2之鑽頭插入圖1之凹槽中；圖4類似於圖3，但是揭示鑽頭已旋轉成和凹槽之驅動壁面完全表面接觸之後的鑽頭及凹槽； 圖5係放大圖，其清楚揭示完全表面接觸；圖6係放大圖，其揭示鑽頭旋轉之前，在鑽頭及凹槽之間的間隙；圖7及8揭示圖1中所示凹槽之部位，但是也指示其一些尺寸；圖9及10揭示圖2中所示鑽頭之部位，但是也指示其一些尺寸；圖11-13提供相關於圖1中所示凹槽之視圖；圖14-21提供相關於替代實施例之視圖；圖22係視圖，其比較複數個實施例；及圖23-27揭示設於凹槽之凸部之間的延伸壁面之不同版本。
儘管本發明容許實施例有不同形式，本文內亦在圖中揭示及詳細說明，應該瞭解的是本文應視為本發明原理之舉例說明，而非將本發明限制於所揭示者。
本發明之複數個實施例揭露於本文內。各實施例提供一具有完全表面驅動接觸之驅動系統。較明確說，各實施例包括一緊固件，其中，緊固件包括一凹槽，其包含由多邊形漸開線形成之驅動表面或設置成單一圓弧結構。
關於術語「漸開線」，漸開線為初期在一基圓上之一點的軌跡，其移動使得一沿著圓之切線到接觸切點的其直線距離等於沿著圓弧從初始點到瞬間切點的距離。或者， 漸開線為當一直線繞行一圓之周邊且無滑移時，該直線上之一點的軌跡。漸開線較佳由線或一段棉花之末端描繪之路徑看出，線或棉花則從其圓柱形捲軸繞出。
欲產生一漸開線輪廓時，一線可以藉由例如從一圓柱繞出之一繩線描繪得到。圓柱可以視為基圓。在此繞出期間的任一點處，生成線(亦即，繩線)係與圓柱相切且其垂直於漸開線。若兩漸開線輪廓互相接觸，則生成線即相切於兩圓柱，其一般稱為壓力線。
在數學上，一漸開曲線係得自下列方程式：
Figure 105108557-A0202-12-0005-1
其中，R=到漸開線上任一點的半徑；θ=從漸開線5之起點到半徑R的角度；及β=繩線需繞出之角度。
藉由產生線長等於
Figure 105108557-A0202-12-0005-3
及角β所對之基圓之周長，使得
Figure 105108557-A0202-12-0005-2
並經由代入
Figure 105108557-A0202-12-0005-4
此即容許漸開線繪製成極座標(R,θ)。
通常將角寫成下列形式之壓力角(φ)函數θ=tan φ-φ=Inv φ
此處Inv φ為漸開線函數，其值係表列在許多用於不同齒輪之書中。接著可以使用許多計算，像是不同半徑 處之齒厚度(T 1 )的判定，其使用下列方程式。
Figure 105108557-A0202-12-0006-5
應該注意的是一包含本發明之緊固件、鑽頭、衝頭、等等可以具有驅動表面，由於現實生活上的製造過程及材料，其在顯微鏡下並非完美之多邊形漸開線。
圖1揭示一凹槽10，像是一緊固件11或其他結構中之凹槽(圖1亦揭示一衝頭10之末端表面輪廓)，此處之凹槽10即根據本發明之一較佳實施例。較明確說，凹槽10組構成設置複數個凸部12，各凸部具有由多邊形漸開線形成之驅動表面14。在較佳實施例中，各驅動表面由一包含兩圓弧之多邊形漸開線形成，其中，各圓弧有不同半徑，但是各圓弧有固定半徑(亦即，各圓弧為一圓之一分段)。各凸部12之間為一出屑槽16，其設有一延伸於相鄰凸部12之間的壁面18。這些壁面18及其不同之外形將詳述於後。
圖2提供一相對應外部驅動(像是一鑽頭20)之截面圖，此處之鑽頭20係設置相關聯於圖1所示之凹槽10，且此處之鑽頭20係根據本發明之較佳實施例。較明確說，鑽頭20之外部表面之輪廓相對應於圖1所示凹槽10之輪廓，以致使鑽頭20可插入凹槽10中，並可依順時針方向或逆時針方向旋轉，以利驅動供凹槽10形成 於其中之緊固件。
鑽頭20對應於凹槽10。依此，鑽頭20包含複數個凸部21，各凸部21包含由多邊形漸開線形成之驅動表面或驅動壁面24。較明確說，驅動表面24較佳由包含兩圓弧之多邊形漸開線形成，且各圓弧有固定半徑(亦即，為一圓之一分段)。較佳地，出屑槽21之間的各壁面23為凹圓凸頂點及凹圓凹頂點的至少其中一個，容後詳述。
當鑽頭20初期插入凹槽10時，鑽頭20及凹槽10出現如圖3所示之情況，其中，鑽頭20之驅動壁面24與凹槽10之驅動壁面14之間有間隙21。假設鑽頭20接著依順時針方向旋轉，鑽頭20及凹槽10出現如圖4所示之情況，其中，鑽頭20之前壁面26接觸到凹槽10之相對應驅動壁面14，同時鑽頭20之後壁面28離開凹槽10之相對應驅動壁面14，以產生間隙22。
鑽頭20之前壁面26與凹槽10之相對應驅動壁面14之間的完全表面接觸較佳從圖5看出，其提供鑽頭20之前壁面26的其中之一與凹槽10之驅動壁面14的其中之一之間的干涉放大圖。完全表面接觸從點30延伸至點32。另方面，在鑽頭20旋轉之前，鑽頭20之前壁面26與凹槽10之相對應驅動壁面14之間的間隙21較佳可從圖6看出，其提供鑽頭20之前壁面26的其中之一與凹槽10之相對應驅動壁面14的放大圖。如圖4中所示，但是針對點30、32之間的表面接觸，鑽頭20與凹槽10之間 的間隙22為固定，且較佳為當鑽頭20旋轉時仍呈固定。
儘管本文內揭露其他組構，圖1、2中所示之兩多邊形漸開線組構仍為較佳。藉由此組構，過渡半徑(亦即，各圓弧之間的區段)不致被洗掉。此外，一最小間隙22設於鑽頭與凹槽之間。儘管各圓弧較佳具有一不同半徑，各圓弧較佳具有一固定半徑(亦即，各圓弧為一圓之一分段)。圖1所示之尺寸A、B為直徑。這些尺寸有助於本特徵之測量、在尺寸A提供較多凸部寬度、減少鍛頭工具的鑿切機會、及增加凸部處之鑽頭面積。
圖7揭示圖1所示凹槽之一部分，並指示某些尺寸。圖8揭示凹槽之驅動壁面的其中之一，並指示其他尺寸，包括兩圓弧之各別半徑(R1及R2)。如圖所示，當R1不等於R2時，R1及R2各為固定值。關於各尺寸之實際值，一特定實施例可提供例如(所有值為吋)R1=0.0198752778，R2=0.0397505556，A=0.155，B=0.1206，Fa=0.0086，Fb=0.0360759556，Ea=0.0086，Eb=0.0360759556，P=0.0689，S=0.0689，Ra=0.007及Rb=0.005。關於Gr、G，Gr可以是17.9021442092度且G(REF)可以是18.9716157232度。此僅為本發明之一實施例，許多其他大小、形狀等皆有可能，其仍在本發明之範疇內。
圖9、10相似於圖7、8，但是其相關於圖2中所示之鑽頭20。如圖所示，鑽頭之形狀對應於凹槽者。圖11-13提供複數個關於兩圓弧組構之視圖且其不言自 明。
圖14-16提供複數個關於一替代實施例之視圖且其不言自明。較明確說，圖14-16揭示一組構，此處凹槽之各驅動壁面設置成由一包含一圓弧之多邊形漸開線形成，該圓弧具有固定半徑(亦即，其為一圓之一分段)。
圖17-19提供複數個關於另一實施例之視圖且其不言自明。較明確說，圖17-19揭示一組構，此處凹槽之各驅動壁面設置成由一包含三圓弧之多邊形漸開線形成，其中各圓弧具有不同半徑，但是各圓弧具有固定半徑(亦即，各圓弧為一圓之一分段)。
圖20-21提供複數個關於又一實施例之視圖且其不言自明。較明確說，圖20-21揭示一組構，此處凹槽之各驅動壁面設置成一單一圓弧結構，其中圓弧之半徑為固定(亦即，圓弧為一圓之一分段)。
圖22係比較複數個不同實施例之視圖。參考編號200為圓形漸開線-高精度，參考編號202為一多邊形漸開線-1圓弧，參考編號204為一多邊形漸開線-2圓弧，參考編號206為一多邊形漸開線-3圓弧，及參考編號208為一圓弧結構(垂直圓弧)。
圖1及2揭示一組構，其中，凸部12之間的壁面18設置成平坦狀。在圖23中揭示極為清楚，其揭示凹槽10在左邊，且鑽頭20在右邊。這是關於壁面18的一較佳組構，因為其提供了壁面18總體界定成一六角形，因此 六角形工具可以插入凹槽中並且用於驅動緊固件(除了圖23中右邊所示之相對應鑽頭外)。
圖24-27各揭示一替代實施例，且在各情況中，凹槽在左邊，且相對應之鑽頭(相似外形)在右邊。在圖24所示之實施例中，出屑槽之間的各壁面18為半圓形(亦即，凸圓)並以參考編號40標示圓形。
在圖25所示之實施例中，凸部14之間的各壁面18為凹圓形。在圖26所示之實施例中，凸部14之間的各壁面18為凸頂點。在圖27所示之實施例中，凸部14之間的各壁面18為凹頂點。
儘管本文內所揭露之凹槽無一特別揭示或揭述深度，任一凹槽之深度可依據應用及驅動系統之所需性質而採取任意適當形式。例如，深度可以是平坦形(例如，凹槽底部可以是平坦形)、凹形、具有球形底部、等等。例如，深度可以使各驅動壁面相關於深入凹槽而呈半圓柱形。
關於設置成和本文內所揭露之任一凹槽接觸的鑽頭，其較佳設置成略為螺旋狀(亦即，預先扭曲)。此區域接觸模式凹槽幾何形狀之使用方式係與相對應略為螺旋狀鑽頭幾何形狀組合。因此，在接近零反應轉矩處，鑽頭末端先接觸到凹槽且隨著轉矩增加，鑽頭-凹槽表面接觸模式區域擴大並從鑽頭末端延伸到凹槽頂部。
儘管本發明之實施例已揭露實施為凹槽在緊固件頭部中之形式，許多實施例也可以使用具有外部輪廓之外部驅動件(像是鑽頭)形式，其仍與已揭述之凹槽一致。事實 上，本文內所提供之圖式甚至也適用於這些實施例。此外，儘管圖中揭示六個凸部之系統，本發明可以使用較多或較少凸部之系統，像是三、四或五個凸部之系統。
儘管本發明之特定實施例己揭示及揭述，可以想見的是習於此技者在不脫離本發明之精神及範疇下，尚可設計出許多變化。

Claims (20)

  1. 一種緊固件，包含凹槽；設於該凹槽中之複數個驅動表面，每一個驅動表面係由包含複數個圓弧的多邊形漸開線所形成，其中，每一個圓弧具有半徑及點的軌跡，其中，每一個半徑為固定但相互不同的，且其中，每一個半徑具有相同的點的軌跡。
  2. 如申請專利範圍第1項之緊固件，其中，該凹槽係組構成設置複數個凸部，各該凸部包含由多邊形漸開線形成之驅動表面。
  3. 如申請專利範圍第1項之緊固件，其中，該凹槽係組構成設置複數個凸部，各該凸部包含由含有兩圓弧的多邊形漸開線形成之驅動表面。
  4. 如申請專利範圍第3項之緊固件，其中，各該圓弧具有不同半徑，且各該圓弧具有固定半徑，其中各該圓弧為圓之分段。
  5. 如申請專利範圍第3項之緊固件，進一步包含各該凸部之間的壁面，該壁面呈平坦形。
  6. 如申請專利範圍第3項之緊固件，進一步包含各該凸部之間的壁面，該壁面呈凹圓形。
  7. 如申請專利範圍第3項之緊固件，進一步包含各該凸部之間的壁面，該壁面係凸頂點。
  8. 如申請專利範圍第3項之緊固件，進一步包含各該凸部之間的壁面，該壁面係凹頂點。
  9. 一種鑽頭，包含複數個驅動表面，每一個驅動表 面由具有複數個圓弧的多邊形漸開線所形成，其中，每一個圓弧包括半徑及點的軌跡，其中，每一個半徑為固定但相互不同的，且其中，每一個半徑具有相同的點的軌跡。
  10. 如申請專利範圍第9項之鑽頭，其中，該鑽頭包含複數個出屑槽，各該出屑槽包含由多邊形漸開線形成之表面。
  11. 如申請專利範圍第9項之鑽頭，其中，該鑽頭包含複數個出屑槽，各該出屑槽包含由含有兩圓弧的多邊形漸開線形成之表面。
  12. 如申請專利範圍第11項之鑽頭，其中，各該圓弧具有不同半徑，且各該圓弧具有固定半徑，其中各該圓弧為圓之分段。
  13. 如申請專利範圍第11項之鑽頭，進一步包含各該出屑槽之間的壁面，該壁面呈平坦形。
  14. 如申請專利範圍第11項之鑽頭，進一步包含各該出屑槽之間的壁面，該壁面呈凹圓形。
  15. 如申請專利範圍第11項之鑽頭，進一步包含各該出屑槽之間的壁面，該壁面係凸頂點及凹頂點的至少其中一個。
  16. 一種衝頭，包含複數個表面，每一個表面由具有複數個圓弧的多邊形漸開線所形成，其中，每一個圓弧包括半徑及點的軌跡，其中，每一個半徑為固定但相互不同的，且其中，每一個半徑具有相同的點的軌跡。
  17. 如申請專利範圍第16項之衝頭，其中，該衝頭 包含複數個出屑槽，各該出屑槽包含由多邊形漸開線形成之表面。
  18. 如申請專利範圍第16項之衝頭，其中，該衝頭包含複數個出屑槽，各該出屑槽包含由含有兩圓弧的多邊形漸開線形成之表面。
  19. 如申請專利範圍第16項之衝頭，其中，各該圓弧具有不同半徑，且各該圓弧具有固定半徑，其中各該圓弧為圓之分段。
  20. 如申請專利範圍第16項之衝頭，進一步包含各該出屑槽之間的壁面，該壁面呈平坦形、凹圓形、凸頂點或凹頂點。
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