Крепежный элемент стопорного резьбового соединения и стопорное резьбовое соединение с его использованием
FASTENER FOR LOCKING THREADED CONNECTION AND LOCKING THREADED CONNECTION USING IT

Изобретение относится к стопорным соединениям типа «болт-гайка» и направлено на устранение ослабления резьбового соединения в результате разнонаправленной вибрации.
Известно болтовое соединение с самостопорящейся гайкой, которая выполнена с внутренней конусной проточкой на опорном торце, в котором установлен стопорный элемент. В проточке между гайкой и стопорным элементом размещено кольцо из мягкого материала, а стопорный элемент выполнен с продольными прорезями на наружной поверхности (SU 1820056, опубл. 07.06.1993 г.).
Известно  стопорное устройство содержавшее болт, который может быть использован для крепления между конструкциями, имеющий внутреннее кольцо конической формы с зажимными губками, на котором сформирован фланец, внутренне кольцо конической частью установлено в прижимную шайбу. На болт навинчена контргайка, которая посредством пружины воздействует на фланец внутреннего кольца (CN 1219654).
В результате патентно-информационных исследований также выявлены следующие технические решения в этой области техники, которые были учтены заявителем при анализе: WO 0201613700, WO 2016168589, CN 109026969, US 6244806, US 20200272503, US 5988965, KR 1020100091855, US 08621742, US4092080, EP0372496, FR2494790, DE 102007023981, JP 2018151053, AU 2004203070.
Наиболее близким техническим решением по общей совокупности признаков, выбранным заявителем в качестве прототипа, является застопоривающееся крепежное средство, содержащее болт, шайбу, в основании которой имеется сквозное отверстие для болта, несколько превышающее номинальный диаметр болта, причем вокруг сквозного отверстия для болта сформирована коническая втулка, которая продолжается на некоторое расстояние от этого отверстия и диаметр которой уменьшается в направлении вверх по оси болта, а в основании шайбы и конической втулке выполнен непрерывный сквозной паз, и гайку, в которой имеется часть с внутренней резьбой, которая свинчивается с резьбовой поверхностью болта, и часть с коническим отверстием, сформированная над частью с внутренней резьбой и выполненная таким образом, что внутренний диаметр той ее половины, которая не обращена в сторону шайбы, меньше диаметра внешнего края переднего участка указанной конической втулки, диаметр отверстия той ее половины, которая обращена в сторону шайбы, меньше диаметра внешнего края корневого участка указанной конической втулки шайбы, а высота несколько больше высоты этой втулки, при этом сформирована конусообразная поверхность, которая имеет такой же угол наклона, как и угол наклона поверхности конической втулки шайбы, причем часть конической втулки шайбы выполнена в виде утолщения, несколько смещенного от центра окружности сквозного отверстия для болта, на всей внутренней поверхности конической втулки шайбы в вертикальном направлении сформированы выступы, обращенные внутрь. По второму варианту создается сцепление болта и гайки по спирали, когда коническая втулка шайбы, диаметр которой уменьшен, устанавливается в части гайки с коническим отверстием (Патент на изобретение RU№ 2272186, опубл. 27.01.2005, конвенционный приоритет 01.05.2002 (пп.1-19) JP PCT/JP02/04374).
Недостатком известного стопорного соединения является невысокая надежность соединения при воздействии вибраций.
Технической задачей изобретения является повышение надежности резьбового стопорного соединения при воздействии разнонаправленных вибрационных нагрузок.
Техническая задача достигается тем, что заявляется крепежный элемент стопорного резьбового соединения в виде конической втулки, имеющей конусообразную внешнюю поверхность, которая обеспечивает возможность сопряжения с поверхностями ответных элементов стопорного соединения, на боковой поверхности конической втулки выполнена прорезь, а на внутренней поверхности конической втулки, имеющей цилиндрическую форму, в вертикальном направлении сформированы выступы, отличающийся тем, что коническая втулка имеет форму двух усеченных конусов, обращенных основаниями друг к другу с образованием в месте их соединения цилиндрического пояска, углы вершин каждого усеченного конуса составляют менее 90°, выступы, размещенные на внутренней поверхности конической втулки, выполнены в виде зубчатого венца, коническая втулка имеет высоту, обеспечивающую возможность перекрытия не менее двух витков наружной резьбы резьбового профиля ответного элемента стопорного соединения.
Техническая задача достигается тем, что заявляемое стопорное резьбовое соединение с использованием крепежного элемента, которое содержит стержень с наружной резьбой, гайки и надеваемую на стержень коническую втулку, в которой выполнена прорезь, внутренняя поверхность каждой из гаек имеет цилиндрическую часть с внутренней резьбой, которая свинчивается с резьбовым профилем стержня, и часть с коническим отверстием, конусообразная поверхность которого имеет угол наклона, обеспечивающий сопряжение с внешней поверхностью конической втулки, на внутренней поверхности конической втулки, имеющей цилиндрическую форму, в вертикальном направлении сформированы выступы, отличающееся тем, что коническая втулка имеет форму двух усеченных конусов, обращенных основаниями друг к другу с образованием в месте их соединения цилиндрического пояска, углы вершин каждого усеченного конуса составляет менее 90°, а выступы, размещенные на внутренней поверхности конической втулки, выполнены в виде зубчатого венца, при этом коническая втулка выполнена из материала, имеющего твердость больше чем твердость материала, из которого изготовлен стержень с наружной резьбой, и имеет высоту, обеспечивающую возможность перекрытия не менее двух витков резьбы резьбового профиля стержня, при этом дополнительно имеется прижимная шайба, которая выполнена с возможностью контакта с внешней поверхностью цилиндрического пояска, а на торцах гаек со стороны конического отверстия выполнены симметричные радиальные шлицы, взаимодействующие с прижимной шайбой.
Заявляемое стопорное соединение снабжено прижимной шайбой, которая надевается на коническую втулку до контакта с ее цилиндрическим пояском. Прижимная шайба может иметь плоскую или цилиндрическую форму с лепестками, которые симметрично отогнуты в противоположные стороны в направлении против хода отвинчивания гайки, обеспечивая прижимной шайбе пружинные свойства при контакте со шлицами гаек. Прижимная шайба выполнена съемной, для чего она может быть снабжена одной или более проушинами для облегчения разрушения ее контура в процессе демонтажа стопорного узла.
Гайки с внутренней резьбой предпочтительно имеют не менее четырех витков резьбы. На торцах гаек со стороны конического отверстия выполнены симметричные радиальные шлицы, предпочтительно треугольной формы в виде храповых зубьев, которые имеют наклон по ходу движения в сторону завинчивания, обеспечивающие дополнительную надежность стопорного соединения.
Под стержнем с наружной резьбой понимается болт или шпилька или иной аналогичный элемент, предпочтительно с резьбой М12.
Для изготовления конической втулки в качестве материала изготовления могут использоваться металлы или их сплавы, в том числе стали, предпочтительно твердостью 35-50 HRС.
Прорезь выполнена на боковой стенке заявляемой конической втулки в виде удлиненного сквозного отверстия по высоте боковой стенки, и обеспечивает конической втулке подпружиненные свойства.
Зубчатый венец на внутренней поверхности конической втулки выполнен с зубцами в количестве предпочтительно 60 штук с высотой профиля зубцов 0,1 - 0,4 мм. Количество зубцов задается высотой и внутренним диаметром конической втулки.
При этом длина (L) зубцов зубчатого венца рассчитывается по формуле:
L= p×n,
где
p - шаг резьбы,
n - это количество витков резьбы стрежня, которое перекрывает один зуб зубчатого венца.
Высота конической втулки обеспечивает возможность перекрытия не менее двух витков резьбы наружного резьбового профиля стержня. Зубцы зубчатого венца ориентированы вертикально, при этом количество точек контакта внутренней поверхности конической втулки с вершинами резьбового профиля стержня с наружной резьбой рассчитывается как произведение числа зубцов - b на количество перекрываемых витков резьбы: b*n. Так, при количестве зубцов зубчатого венца, равном 60, и для резьбы М12 с перекрытием 2-х витков резьбы стрежня, заявляемая конструкция втулки в стопорном соединении обеспечивает не менее 120 точек подпружиненного контакта, которые за счет повышенной твердости материала изготовления конической втулки по сравнению с материалом изготовления стержня, обеспечивает надежное зацепление с наружным резьбовым профилем стержня.
Заявляемое стопорное соединение является разборным и обеспечивает возможность многократного использования, за исключением заменяемой прижимной шайбы.
Сравнение заявляемой конической втулки с прототипом показывает, что она отличается следующими признаками:
- коническая втулка имеет форму двух усеченных конусов, обращенных плоскими основаниями друг к другу с образованием цилиндрического пояска в месте их соединения, а угол вершины каждого усеченного конуса составляет менее 90°;
- выступы на внутренней цилиндрической поверхности выполнены в виде зубчатого венца;
- коническая втулка имеет высоту, обеспечивающую возможность перекрытия не менее двух витков резьбы резьбового профиля ответного элемента с наружной резьбой.
Поэтому можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Сопоставительный анализ заявляемой конструкции с конструкцией конической втулки по прототипу показывает, что конструкционные особенности заявляемой конической втулки характеризуются новыми признаками, которые обеспечивают новый технический результат. В частности, в конструкции конической втулки с шайбой по прототипу, на внутренней поверхности конической втулки, в вертикальном направлении, сформированы выступы, обращенные внутрь, поэтому, когда диаметр конической втулки шайбы уменьшается и коническая втулка входит в часть гайки с коническим отверстием, выступы конической втулки шайбы входят в плотный контакт с резьбовой поверхностью болта, что приводит к зажатию и закусыванию конической втулки шайбы между болтом и гайкой. При этом необходимо обратить внимание, что коническая втулка выполнена из полимерного материала, а число выступов, как показано на Фиг. 20 описания прототипа, равно трем. Однако при длительных разнонаправленных вибрациях данное соединение не дает ожидаемого эффекта, а именно обеспечивает фиксацию гайки только на непродолжительное время, что является неприемлемым в работе ответственных конструкций.
В заявляемом техническом решении использован нестандартный прием, который ранее не применялся при стопорении резьбовых соединений, а именно стопорение осуществляется за счет деформации вершин витков наружной резьбы стержня (болта, шпильки).
Как показали эксперименты, в заявляемой конической втулке, при сжатии зубчатым венцом вершин витков наружной резьбы стержня (болта, шпильки), вытесняемый в процессе деформации металл стержня течет к вершинам профиля резьбы стержня (болта, шпильки), где конструктивно предусмотрен зазор в резьбовом соединении с гайкой. В результате не происходит такого замятия рабочих поверхностей резьбы стержня (болта, шпильки), которое препятствует их повторному использованию, т.е. стопорное соединение является разборным и может использоваться многократно. При этом заявляемое стопорное соединение обеспечивает высокую надежность к вибрационным нагрузкам.
При проведении патентно-информационных исследований не были выявлены заявляемая совокупность признаков и достигаемый технический результат. Это позволяет сделать вывод о соответствии группы заявленных изобретений условию «изобретательский уровень».
Заявляемые крепежный элемент стопорного соединения в виде конической втулки связан с заявляемым стопорным резьбовым соединением (узлом) единым изобретательским замыслом, который основан на совпадающих отличительных конструкционных особенностях, обеспечивающих достижение одного технического результата.
Изобретение может быть реализовано с использованием известного оборудования и технологических процессов, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими рисунками.
На Фиг. 1 показаны элементы стопорного резьбового соединения с конической втулкой и его сборка с плоской базовой деталью.
На Фиг. 2 показана коническая втулка.
На Фиг. 3 показана гайка с коническим отверстием для сборки стопорного соединения со шлицем на торцевой поверхности.
На Фиг. 4 показана прижимная шайба.
На Фиг. 5 показана деформация вершин витков резьбового профиля болта после разбора стопорного соединения.
На Фиг. 6 показаны результаты вибрационных испытаний соединения М12.
На Фиг. 7 показаны результаты вибрационных испытаний соединения М20.
Заявляемая коническая втулка для соответствующего стопорного резьбового соединения содержит стержень с наружной резьбой в виде болта 1, выполненного из углеродистой, легированной или коррозионно-стойкой стали твердостью 250-435HV, коническую втулку 2, гайки 3 (Фиг. 1). Коническая втулка 2 представляет собой два усеченных конуса, обращенных основаниями друг к другу с образованием цилиндрического пояска 8, а на боковой стенке имеет прорезь 4 в виде удлиненного сквозного отверстия по высоте боковой стенки для придания подпружиненных свойств. На внутренней поверхности конической втулки 2 выполнен зубчатый венец 5. Коническая втулка 2 изготовлена из легированной стали твердостью 35-50 HRС, например сталь 40Х твердостью 48-50HRC, высота профиля зубцов которого составляет 0,1-0.4 мм. Угол при вершине каждого конуса конической втулки 2 задается менее 90°.
Гайки 3 выполнены одинаковыми и имеют по два участка. Участок 7 с резьбой под болт 1 и коническое отверстие 6 для сопряжения с внешней конической поверхностью втулки 2 (Фиг. 4). На торцах гаек 3 со стороны конических отверстий 6 выполнены радиальные треугольные шлицы 9 в виде храповых зубьев, которые имеют наклон по ходу движения в сторону завинчивания (Фиг. 4). Дополнительно, стопорное резьбовое соединение с гайками 3 со шлицами 9, снабжено прижимной шайбой 10 (Фиг. 4), обеспечивая дополнительную надежность стопорного соединения, а также снабжено проушиной 11 для обеспечения возможности съема прижимной шайбы 10 путем механического разрушения ее контура.
Сборка стопорного резьбового соединения (Фиг. 1) с использованием конической втулки 2 производится следующим образом. Предварительно резьбовой стержень в виде болта 1 вставляется в скрепляемые детали, затем на него навинчивается первая гайка 3 до контакта плоского торца гайки 3 с плоскостью детали и производится предварительная затяжка соединения с заданным усилием, аналогично затягиванию обычной гайки. Для достижения приемлемых значений усилия предварительного натяжения при сохранении прочности резьбы, в гайке 3 выполнено четыре витка резьбы (Фиг. 3). Далее на болт 1 надевается коническая втулка 2 до контакта ее нижней вершины с коническим отверстием 6 первой гайки 3 и сопряжением их конических поверхностей. С внешней стороны конической втулки 2 устанавливается прижимная шайба 10 до контакта отверстия прижимной шайбы с цилиндрическим пояском 8 конической втулки 2. Вторая гайка 3 навинчивается на резьбу болта 1, до контакта конического отверстия 6 с верхней вершиной конической втулки 2 и сопряжением их конических поверхностей. После чего производится окончательная затяжка резьбового соединения, при которой коническая втулка 2 сжимается вокруг резьбового профиля болта 1 и осуществляется деформация вершин резьбового профиля болта 1 на участках контакта с зубчатым венцом 5, размещенным на внутренней поверхности конической втулки 2. Вытесняемый в процессе деформации материал течет к вершине профиля резьбы болта 1, где конструктивно предусмотрен зазор в резьбовом соединении с гайкой 3. На Фиг. 5 видно, что на витках наружной резьбы болта 1 видны следы деформации, но вся наружная резьба болта 1 пригодна для дальнейшего использования. Наличие прижимной шайбы 10 и шлицев 9 на торцевой поверхности гаек 3 со стороны конического отверстия 6 обеспечивает дополнительную надежность стопорения гаек 3, т.к. одновременно с движением окончательной затяжки второй гайки 3, упругие лепестки прижимной шайбы 10 зацепляются со шлицами 9, размещенными радиально на обеих гайках 3, осуществляя их механическую фиксацию друг относительно друга.
При возникновении вибрации, вибрирующая поверхность основной детали контактирует со стопорным креплением по плоской поверхности нижней гайки 3, препятствуя ее повороту в сторону откручивания, при этом сжатие конической втулки 2 вокруг резьбового профиля болта 1 усиливается. В условиях взаимной фиксации обеих гаек 3 с помощью прижимной шайбы 10, стопорный резьбовой узел сохраняет устойчивое положение на резьбовом стержне болта 1 при вращении в любом направлении. Заявляемое стопорное соединение может быть использовано в качестве регулировочного (ограничительного) крепления при отсутствии стягиваемых деталей. В собранном положении вращение гаек 3 в любом направлении вызывает усиление давления на коническую втулку 2 и связанную с этим деформацию вершин наружного резьбового профиля болта 1. Заявляемая коническая втулка обеспечивает повышенную надежность стопорного резьбового соединения за счет увеличения зубчатым венцом 5 площади охвата наружного резьбового профиля болта 1.
Устойчивость заявляемого стопорного соединения также не зависит от деформации растяжения резьбового стержня (болта, шпильки). Это объясняется тем, что фиксация заявляемого стопорного соединения никак не привязана к поверхности соединяемых деталей. За счет надежного механического соединения заявляемой конической втулки с резьбовым профилем болта (шпильки), уменьшение или полная потеря трения с поверхностью детали не приводит к откручиванию гаек.
Выводы о высокой виброустойчивости заявляемого крепежного элемента и стопорных соединений с его использованием подтверждены проведенными тестами на вибростенде.
На Фиг. 6 показаны результаты испытания заявляемого стопорного соединения М12 (кривая 1) в сравнении с контргайкой М12 традиционной конструкции (кривая 2). Заданная амплитуда колебаний вибростенда составила 0,9 мм. В результате, заявляемое стопорное соединение (кривая 1) продемонстрировало стабильное сохранение силы затяжки на протяжении всего времени испытания после незначительного первоначального снижения предварительной силы затяжки, связанного с притиркой микронеровностей контактных поверхностей, в то время как контргайка (кривая 2), за тоже время испытания потеряла силу затяжки примерно в 2 раза.
На Фиг. 7 показаны результаты испытания заявляемого стопорного соединения М20 (кривая 1) в сравнении с контргайкой М20 традиционной конструкции (2). Заданная амплитуда колебаний вибростенда составила 1,1мм. В результате, заявляемое стопорное соединение продемонстрировало стабильное сохранение силы затяжки на протяжении всего времени испытания, после незначительного первоначального снижения, связанного с притиркой микронеровностей контактных поверхностей, в то время как контрольное стопорное соединение с контргайкой (кривая 2), за время испытания, потеряло силу затяжки практически до нуля.
Полученные графики показывают сохранение усилия затяжки в заявляемом стопорном соединении на протяжении нескольких циклов вибрационного воздействия.
Разборка заявляемого резьбового соединения осуществляется в обратной последовательности после удаления прижимной шайбы 10 путем механического разрушения проушины 11, поскольку после срезания проушины 11, контур прижимной шайбы 10 разрывается и ее можно легко снять с крепления.
Таким образом, заявляемая конструкция элемента крепления в виде конической втулки и стопорные соединения с ее использованием обеспечивают надежную фиксацию путем деформации вершин резьбового профиля стержня с наружной резьбой, сохраняя исходную прочность резьбового профиля стержня с наружной резьбой при воздействии напряжения на срез резьбы, так как глубина деформации незначительная. Это позволяет применять данную конструкцию без ущерба для характеристик прочности в любых высоконагруженных соединениях.