Крепёжный элемент

Полезная модель относится к крепёжным изделиям типа винт, шуруп (саморез), болт (метизы), применяемым в строительстве, машиностроении, автомобилестроении, медицине, авиастроении, электрооборудовании, оргтехнике, бытовой электронике.
Основные направления в разработке шлицевых соединений головки метиза и закручивающего инструмента направлены на обеспечение точного позиционирования инструмента относительно головки метиза, обеспечение залипания (заклинивания) инструмента и головки метиза (для надёжного удержания), обеспечение максимально возможной площади контакта рабочих поверхностей контакта инструмента и головки метиза  и равномерное распределение нагрузки (исключая смятие, особенно при циклических нагрузках завинчивания/отвинчивания). Как правило, слишком сложные профили контакта не находят широкого применения из-за технологических сложностей при изготовлении.
Все известные решения представляют собой компромисс между вышеуказанными критериями. При этом выделяются две большие группы технических решений: первая включает решения, в которых площади контакта метиза и инструмента параллельны продольной оси закручивания (см., например, патент US3872904A); вторая группа включает решения, в которых площади контакта находятся под углом (см., например, патенты US2445525A, RU2712674C2, RU2239105C2).
Есть попытки компромиссных решений (сочетание параллельных плоскостей и плоскостей заклинивания, см., например, заявку US2011217143A1).
В целом, можно сделать вывод, что в решениях, в которых плоскости контакта параллельны оси завинчивания, редко используются профили контакта сложной формы из-за трудностей центрирования и возможности обеспечения контакта по площади, а не по линии или точкам (локальный контакт). Звездообразные шлицы применяются в решениях с наклонным выполнением контактных поверхностей (см. вышеупомянутые патенты RU2712674C2, RU2239105C2). Одно из наиболее ранних технических решений подобного типа раскрыто в патенте US2445525A. Продольный инструмент для завинчивания содержит передающую (рабочую) часть с периферийной огибающей, в целом, конической формы, и с тремя продольными углублениями, нижняя часть каждого из которых ограничено плоскостью, которая наклонена относительно оси инструмента, при этом эти углубления равномерно распределяются по периферии огибающей. Таким образом, углубления образуют три идентичные радиальные передающие доли, каждая из которых имеет в сечении, перпендикулярном продольному направлению, дистальный тангенциальный участок (сектор), который продолжается, по существу, согласно дуге окружности, и является продолжающимся по обе стороны двумя радиальными соединительными участками, которые соединяют нижние части соответствующего углубления. В описании к данному патенту указано, что предпочтительнее предусматривать плоские поверхности, а не искривленные поверхности по причине простоты изготовления. С другой стороны, изготовление плоских поверхностей приводит к появлению острых краев, которые могут быть хрупкими, особенно когда существенный крутящий момент должен передаваться к винту. Кроме того, эти острые края являются вредными для направления инструмента, когда он зацепляется с углублением (шлицем) винта. Наконец, наклоны различных поверхностей инструмента, которые предназначены для вхождения в контакт с поверхностями винта, являются слишком большими относительно продольной оси винта для того, чтобы эффект прилипания (сцепления между инструментом и винтом посредством трения), был получен. Данную критику можно распространить (даже в большей степени) на решения, в которых контактные поверхности параллельны оси завинчивания, к которым относится полезная модель. Особенно актуальны вышеуказанные критерии в отношении роботизированных производственных линий, в которых операции завинчивания осуществляются автоматами.
Следует также отметить, что конструктивно близкие к предлагаемой полезной модели решения нашли применение в области безопасности или надежности, когда «многие изготовители считают необходимым использовать такие винты, к которым неуполномоченное лицо вряд ли сможет иметь соответствующий наконечник отвертки» (см. патент RU2388942C2). В таких случаях обоснована сложная конфигурация профиля контакта, а патентование осуществляется в отношении комплекта метиз-инструмент.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, являлось обеспечение надёжного контакта крепёжного элемента (метиза) и инструмента, преимущественно для предотвращения произвольного выхода из зацепления как во время закручивания крепёжного элемента, так и его откручивания, без обязательной значительной осевой нагрузки во время работы.
Указанная техническая проблема исключает варианты с коническими образующими шлица и инструмента (наклонными площадями контакта), так как такие зацепления при определённом крутящем моменте расходятся, и более твёрдая рабочая часть инструмента может срезать или повредить шлиц метиза.
Таким образом, в качестве прототипа в наибольшей степени подходит крепёжный элемент, известный из патента US3872904A. Известный крепёжный элемент представляет собой элемент в виде стержня с резьбой и с головкой в виде тела вращения, в которой выполнен звездообразный шлиц с не менее чем тремя радиальными выемками. Форма инструмента, для использования совместно с крепёжным элементом,  повторяет форму углубления в головке крепёжного инструмента. При этом попытки добиться универсальности шлица приводят к снижению прочности шлица, его срезанию.
Указанная техническая проблема решается крепёжным элементом в виде стержня с резьбой и с головкой в виде тела вращения, в которой выполнен звездообразный шлиц с не менее чем тремя радиальными выемками, при этом площади контакта с инструментом параллельны продольной оси закручивания, в котором, согласно предложению, радиальная выемка выполнена в виде сектора круга с серповидными боковыми сторонами, а в центре шлица выполнено глухое центрирующее отверстие.
Предпочтительное количество радиальных выемок звездообразного шлица – три.
Центрирующее отверстие целесообразно выполнять конусным.
Очевидно, что для такого крепёжного элемента необходим соответствующий инструмент, имеющий, в частности, выступающий рабочий звездообразный участок, выполненный по форме и с возможностью совмещения со шлицем крепёжного элемента, в котором на его рабочем торце выполнен конический выступ.
Острые края радиальных выступов инструмента целесообразно выполнять закруглёнными для предотвращения травматизма при работе и сколов острых краев при сопряжении биты с шлицем головки крепежа.
Рабочую часть инструмента можно выполнять в виде сменной насадки (биты), намагниченной или устанавливаемой в намагниченный приемник в ручке инструмента. Также применение ручного инструмента в виде отвертки упрощает работу, так как необходимо прилагать меньшую осевую силу на крепеж.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен вид сверху на шлиц с тремя радиальными выемками (предпочтительный вариант реализации).
На фиг. 2 показан вид сбоку на шуруп-саморез с шлицем с тремя радиальными выемками.
На фиг. 3 показан общий вид шурупа-самореза с шлицем с тремя радиальными выемками.
На фиг. 4 показан вид сбоку на болт с шлицем с тремя радиальными выемками.
На фиг. 5 показан общий вид болта с шлицем с тремя радиальными выемками.
На фиг. 6 показан пример инструмента (биты), вид с торца.
На фиг. 7 показан общий вид инструмента (биты).
Крепёжный элемент представляет собой стержень с резьбой и с головкой в виде тела вращения, например шуруп 1 или болт 2 в которой выполнен звездообразный шлиц с не менее чем тремя радиальными выемками 3 и глухим центрирующим отверстием 4.
Инструмент для крепёжного элемента представляет собой биту 5 с радиальными выступами 6. Форма выступов 6 повторяет форму шлица, при этом острые края выступов шесть выполнены закруглёнными. В центре торцевой рабочей поверхности выполнен конический выступ (конус) 7.
Глубина шлица может варьироваться в широких пределах и зависит, преимущественно, от формы головки и от необходимого крутящего момента. Глубина шлица для метизов с потайной (см. фиг. 2) или полупотайной меньше глубины шлица с полностью выступающей головкой (см. фиг. 3).
При использовании пары «крепёжный элемент 1 или 2»-«бита 5» конус 7 служит как для центровки крепежа при работе (посредством совмещения с отверстием 4), так и для кернения места ввинчивания строительного крепежа (саморезы, шурупы) в детали (фанера, ЛДСП, дерево, ГВЛ, ГКЛ), тем самым упрощает его позиционирование. Высота конуса должна быть больше глубины впадины шлица крепёжного элемента 1 или 2 (предпочтительно не менее, чем на 2/3 глубины впадины).
Равномерное размещение по окружности выемки 3 позволяют оптимально распределить площадь выступов и впадин в головке крепежа, тем самым обеспечивается максимальную площадь контакта при передаче крутящего момента и центрирование сопрягаемых деталей «бита 5» - «крепежный элемент 1 или 2».
Наконечник биты 5 предпочтительно должен быть намагничен для надежного предварительного соединения с крепежным элементом 1 или 2 в работе.
Серповидная симметричная форма шлица обуславливает надежное зацепление (заклинивание, залипание) при работе как на закручивание, так и на откручивание, так как силы крутящего момента распределяются равномерно по дуге пятна контакта и перпендикулярны оси вращения, при условии, что плоскость зацепления параллельна оси вращения. При таком распределении сил уменьшается величина осевой силы, прилагаемой при работе, необходимой для надежного удержания сопрягаемых деталей «бита 5» - «крепежный элемент 1 или 2». Особенно это значимо при откручивании крепежного элемента 1 или 2, так как осевая сила на вывинчивание направленна встречно (реактивно) силе давления (удерживания), действующей на головку крепежного элемента 1 или 2.
Края радиальных выступов 6 закруглены для предотвращения сколов и травматизма при работе. При такой конфигурации выступов 6 качество зацепления с крепёжным элементом 1 или 2 нисколько не ухудшается.
Таким образом, предложенное решение крепёжного элемента обеспечивает достижение следующего технического результата:
надёжное удержание метиза в инструменте как при откручивании, так и при закручивании, без приложения значительных осевых усилий;
дополнительно оригинальная форма шлица исключает несанкционированный доступ к соединению и его разборке.