Гайка антивандальная с эффектом самозатягивания
ANTI-VANDAL NUT WITH SELF-TIGHTENING EFFECT

Изобретение относится к области машиностроения, более конкретно: к самозатягивающимся гайкам для соединений деталей и узлов, работающих под воздействием постоянной или периодически возникающей вибрации (железнодорожные пути, транспортные средства, железные мосты, аттракционы и т.п.).
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так известен патент RU на изобретение №2199035 (МПК F16B 37/12, B21F 35/00, B21F 3/04, В21Н 3/08, B21D 11/0; опублик. 20.02.2003).. Пружинная гайка содержит корпус с внутренней резьбой, места под ключ, при этом корпус выполнен в виде цилиндрической пружины из проволоки, которая имеет прямоугольное либо квадратное сечение, при этом направление навивки противоположно направлению резьбы, концы витков отогнуты на угол, равный 30-60°. На каждом ее торце выполнен зубчатый ободок. Места под ключ выполнены на концах гайки в виде поводковых выступов.
Известен патент RU на изобретение №2241870 (МПК F16B 39/24; F16B 39/36; F16B 39/14, опублик. 10.12.2004). Гайка самостопорящаяся содержит центральное резьбовое отверстие, вставку в виде шайбы для стопорения гайки на болте или шпильке и цилиндрическое посадочное место для размещения вставки. Гайка выполнена с коническим углублением, располагаемым выше цилиндрического посадочного места для размещения вставки, упомянутая вставка выполнена в виде радиально-упругого неполного витка плоской спирали, концы которого дезаксиальны, а контур вставки выполнен по конической поверхности, соответствующей конусности углубления гайки.
Известна также разрезная гайка (см. патент JP №47-43099, опублик. 1972). Конструкция может обладать эффектом самозатягивания, но так как данный эффект неконтролируемый, то может наступить момент, когда передний конец гайки не выдержит больших нагрузок и откроется настолько, что обломится или выйдет из зацепления с болтом, так как размер переменного сечения в пределах одного витка меняется.
Известен патент на изобретение PL №1591676 (МПК F16B 37/06, опублик. 29.06.2007). Гайка имеет головку и многоугольную хвостовую часть наружного диаметра. У передней поверхности части стержня есть круглый внешний диаметр.
Известна международная заявка WO №2019190116 (МПК F16B 37/12; F16B 39/10, опублик. 03.10.2019). Гайка с пружиной, выполненной с возможностью изменения усилия зажима в соответствии с направлением зажима болта, причем гайка для предотвращения ослабления содержит: стопор внутри пружинной камеры, в которой установлена пружина, который позволяет захватывать и удерживать нижний конец пружины, когда болт ослаблен вращающим усилием, равным заранее заданному пороговому значению или более и опору, выполненную на противоположной стороне стопора для удерживания дна пружины.
К недостаткам известных решений следует отнести следующее: во всех вышеперечисленных технических решениях отсутствует эффект самозатягивания, так как торец гайки не имеет достаточной опорной площади контакта для передачи крутящего момента, возникающего в процессе вибрации соединяемых элементов, соответственно, не обеспечивается необходимая надежность известных гаек и может наступить момент, когда передний конец гаек не выдержит больших нагрузок и раскроется настолько, что обломится или выйдет из зацепления с болтом и исчезнет рабочая нагрузка.
Известен также ряд патентов, в которых решается проблема самозатягивания гаек.
Патент UA №40711 (МПК F16B 37/08, опублик. 15.08.2001). Гайка содержит корпус с внутренней резьбой и местами под ключ. Корпус гайки выполнен в виде цилиндрической пружины из проволоки или профиля, например, прямоугольного или квадратного сечения с противоположным направлению внутренней резьбы направлением навивки витков, причем витки выполнены в виде колец с отгибом каждого следующего на 30-60 градусов в местах их соединения.
Патент UA №81232 (МПК F16B 37/08, F16B 39/284, опублик. 15.02.2005). Гайка имеет корпус, выполненный с торцевыми опорными поверхностями, и центральное отверстие с резьбой в названном корпусе. Корпус выполнен в виде спирального элемента, витки которого направлены противоположно виткам резьбы в центральном отверстии корпуса. Концы спирального элемента выполнены с радиально расположенными заостренными кромками, выступающими за границы торцевых опорных поверхностей.
Патент UA №59898 (МПК F16B 31/00, F16B 37/08, опублик. 16.08.2004). Гайка выполнена в виде спирального элемента с внутренней резьбой, витки которой направлены противоположно виткам спирального элемента, а поверхность шайбы, которая контактирует с гайкой, выполнена спиралеобразной с упором, который выполнен с возможностью взаимодействия с передним торцом витка спирального элемента; при этом на торцевой поверхности шайбы со стороны расположения гайки выполнен кольцевой выступ, внутренний диаметр которого превышает внешний диаметр гайки.
Патент UA №69115 (МПК F16B 37/08, F16B 39/282, опублик. 25.12.2007), который является наиболее близким к предлагаемому техническому решению, соответственно, принят за прототип. Гайка самоконтрящаяся включает корпус, который выполнен в виде спирального элемента с торцевыми опорными поверхностями, и отверстие, которое выполнено в корпусе с резьбой, витки которой направлены противоположно направлению витков спирального элемента. Торцевые опорные поверхности выполнены коническими с ориентацией верхушек конусов внутрь гайки. При этом верхушки конусов выполнены с углом в пределах 150°-170°.
Недостатками прототипа являются:
- поскольку гайка состоит из двух частей - шайбы и пружина, то возрастают затраты на ее изготовление и эксплуатацию,
- такую гайку очень тяжело закручивать из-за того, что резьба в гайке выполнена цилиндрическая, с натягом по прессовой посадке (иначе самозатягивания не будет), закручивать ее очень неудобно из за отсутствия заходной фаски на болте,
- данная конструкция не является антивандальной, поскольку ее можно открутить за свободный конец пружины.
Таким образом, технической проблемой известных конструкции гаек является сложность конструкции, недостаточная надежность, а также отсутствие безопасности при их использовании в связи с тем, что они не обладают антивандальными свойствами. Предлагаемая конструкция позволит решить данную проблему, благодаря отсутствию описанных недостатков.
Технический результат заключается в упрощении конструкции с одновременным повышением надежности и безопасности использования.
Достигается технический результат тем, что в гайке антивандальной с эффектом самозатягивания, включающей корпус цилиндрической формы со сквозным разрезом, выполненным по винтовой линии с направлением противоположным направлению резьбы, выполненной на внутренней поверхности корпуса, согласно изобретению, на рабочем торце выполнен буртик цилиндрической формы, внутренняя поверхность корпуса выполнена с конусностью 2°, расширяющейся в направлении рабочего торца гайки.
Причем в корпусе выполнено технологическое отверстие, в котором заканчивается винтовой разрез.
Дополнительные отличия предлагаемого изобретения:
- буртик имеет один или несколько поводковых шипов, торец которых выполнен совместно с буртиком, а его основание - совместно с корпусом;
- свободный виток винтового корпуса гайки заканчивается плоской пятой (для возможности демонтажа) или острой кромкой (для невозможности демонтажа);
- сквозной разрез вдоль оси цилиндра по винтовой линии содержит 1,5-3 витка, выполненных с переменным шагом.
Во втором варианте выполнения технический результат достигается тем, что в гайке антивандальная с эффектом самозатягивания, включающей корпус цилиндрической формы со сквозным разрезом, выполненным по винтовой линии с направлением противоположным направлению резьбы, выполненной на внутренней поверхности корпуса, согласно изобретению корпус гайки в верхней своей части имеет шестигранную форму, внутренняя поверхность корпуса выполнена с конусностью 2°, расширяющейся в направлении рабочего торца гайки, причем в верхней части корпуса выполнено технологическое отверстие, в котором заканчивается винтовой разрез.
Дополнительными отличиями являются:
- свободный виток винтового корпуса гайки заканчивается плоской пятой или острой кромкой;
- сквозной разрез вдоль оси цилиндра по винтовой линии содержит 1,5-3 витка, выполненных с переменным шагом.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
- фиг. 1 и фиг. 2, на которых представлены варианты предлагаемой гайки с буртиком (на фиг. 1 буртик имеет один поводковый шип, на фиг. 2 - шесть поводковых шипов);
- фиг. 3, на которой представлен вариант предлагаемой гайки с шестигранной частью корпуса;
- фиг. 4, на которой представлены все виды гайки, изображенной на фиг. 1,
где:
1 - винтовой разрез вдоль оси цилиндра;
2 - буртик;
3 - внутренняя поверхность корпуса;
4 - технологическое отверстие;
5 - плоская пята свободного витка;
6 - поводковый шип;
7 - острая кромка свободного витка;
8 - шестигранная часть корпуса гайки.
Гайка антивандальная с эффектом самозатягивания включает корпус цилиндрической формы со сквозным разрезом 1, выполненным по винтовой линии с направлением противоположным направлению резьбы (для создания радиально направленных упругих сил), выполненной на внутренней поверхности 3 корпуса. Сквозной разрез 1 вдоль оси цилиндра по винтовой линии содержит 1,5-3 витка, выполненных с переменным шагом.
В одном варианте исполнения гайка имеет на рабочем торце буртик 2 цилиндрической формы, внутренняя поверхность корпуса выполнена с конусностью 2°, расширяющейся в направлении рабочего торца гайки, причем в корпусе выполнено технологическое отверстие 4 (для снятия напряжений после закалки и предохранения от закалочных трещин на конце винтового разреза, поскольку он имеет толщину 0,1-0,3 мм), в котором заканчивается винтовой разрез 1.
Буртик 2 имеет один или несколько поводковых шипов 6. Они являются упорами для контакта с элементом ключа для откручивания гайки. Причем для откручивания предлагаемых гаек применяются ключи специально изготовленные под разное количество поводковых шипов 6, что полностью исключает возможность откручивания этих гаек обычными ключами, а также появляется возможность изготавливать ключи разной конфигурации по заказу различных заказчиков.
Свободный виток винтового корпуса гайки заканчивается плоской пятой 5 или острой кромкой 7.
Плоская пята 7 служит для дополнительного упора при откручивании гайки. Таким образом, вариант выполнения с пятой 5 - для гаек, которые могут быть откручены, тогда как вариант выполнения с острой кромкой 7 - для гаек, откручивание которых не предусмотрено.
Гайки с буртиком 2 предназначены для использования с предельными нагрузками, вплоть до разрыва болта.
Во втором варианте исполнения корпус гайки в верхней своей части имеет шестигранную форму 8, в верхней части корпуса выполнено технологическое отверстие 4, в котором заканчивается винтовой разрез 1, который получается методом лазерной резки. В наиболее предпочтительном варианте высота жесткой шестигранной части корпуса гайки относится к высоте упругой цилиндрической части как 2:3. Это соотношение может меняться в зависимости от технического задания.
В этом варианте выполнения гайки свободный виток винтового корпуса гайки также может заканчиваться плоской пятой 5 или острой кромкой 7.
Таким образом, вариант выполнения с пятой 5 - для гаек, которые могут быть откручены, тогда как вариант выполнения с острой кромкой 7 - для гаек, откручивание которых не предусмотрено.
Гайки без буртика с шестигранной частью 8 корпуса предназначены для нагрузок, не допускающих разрыва болта.
В предлагаемом изобретении внутренняя резьба в гайке выполнена конической, что позволяет сделать передний виток с зазором, как на обычной гайке, тогда ее легко можно накручивать вручную на один оборот, не больше, потому что далее, уже без зазора, гайка начнет калибровать профиль резьбы болта.
Коническая резьба не должна иметь скруглений в вершинах и впадинах (с целью создания беззазорного упругого контакта профиля резьбы гайки с профилем резьбы болта), а передний виток должен вручную накручивать ее на болт не менее чем на 1-1.5 оборота.
Выполнение резьбы конической формы позволяет получить полный контакт с цилиндрической резьбой болта, на котором, по мере затягивания гайки, происходит калибровка поверхности резьбы болта с резьбой гайки.
С целью повышения жесткости гайки, ее корпус, по мере закручивания, расширяется и создает радиальное давление, равномерно распределяющееся по всей поверхности резьбы болта, находящейся под гайкой. В данном случае, теорема Н.Е. Жуковского о трех витках, не работает. Поэтому, все витки, при максимальной осевой нагрузке работают одновременно, а разрывное осевое усилие зависит от количества витков на гайке.
Технология изготовления гайки
Заготовки для изготовления корпуса гаек производятся из стандартной трубы из стали 40Х.
Корпус гайки изготавливается методом холодной или горячей штамповки. Поверхность под нарезание резьбы должна быть без окалины и наклепа. Рекомендуется термообработка - «улучшение».
При резке технологического отверстия 4 лазером, происходит закалка цилиндрической поверхности и резьбовой поверхности отверстия до весьма высокой твердости. Вследствии чего, элементы резьбы попавшие под лазерный луч, приобретают свойство режущего инструмента и способность калибровать профиль резьбы болта. Как результат резьба болта и резьба гайки, по мере навинчивания, полностью начинают прилегать друг к другу по контактирующему профилю. За пределами технологического отверстия происходит раскрытие разрезанной части корпуса и полная притирка между собой с сильным радиальным обжатием резьбы болта.
Специальная коническая резьба выполняется с общим уклоном в 2 градуса на резьбофрезерном станке. Средний диаметр резьбы, на первом витке гайки, должен быть такой, чтобы первый виток гайки можно было закручивать «от руки».
Далее, гайка подлежит процессу термической обработки, состоящему из двух стадий: закалки и отпуска (для снятия напряжений от закалки).
Окончательная операция - лазерная резка корпуса гайки по винтовой линии с заданным шагом с целью создания бокового винтового разреза с повышенной твердостью в месте резки. Операция резки выполняется с помощью лазера, начиная с конца конического корпуса, и, заканчивая вырезкой технологического отверстия для снятия напряжений.
Предлагаемая конструкция обладает свойствами антивандальности. Антивандальность гайки - это свойство препятствовать ее откручиванию. В предлагаемой конструкции при попытке ее открутить, упругая часть корпуса обжимает болт тем сильнее, чем больше крутящий момент, приложенный для ее откручивания. Таким образом, антивандальная гайка - это гайка, которая может крутиться только в одну сторону, в сторону ее затягивания. Так что свойство крутиться в одну сторону - это не только антивандальность, но и самозатягивание, которое прекращается, если затухают колебания от вибрации. После дождя или резкого перепада температур, происходят изменения в болтовом соединении. Дождь вызывает возникновение ржавчины в зоне контакта и затяжка ослабевает по мере разрушения ржавчины. Температурные колебания также изменяют силу затяжки резьбового соединения. А когда возникают большие нагрузки, то гайка испытывает колебания от этих нагрузок, то на откручивание, то на затяжку. Поэтому, если открутить эту гайку нельзя, а закрутить ее можно, то она закручивается на небольшую величину с каждым новым колебанием, пока они не затухнут и так далее.
Испытания
В предлагаемой конструкции резьба выполнена конической, что позволяет накручивать гайку от руки первый виток, а далее, с помощью специального ключа, гайка начинает обжимать болт аналогично прессовой посадке. Накрутить такую гайку можно даже, если болт будет без заходной фаски или с забитой или смятой резьбой. В настоящее время, болты выпускаются с резьбой, полученной методом накатки, такой способ получения резьбы позволяет в 3-4 раза увеличить прочность болта на разрыв, но при этом верхушки резьбы выходят за пределы допуска, а иногда и угол наклона нарушается. Однако, предлагаемая гайка калибрует профиль резьбы, и тем самым, полностью обжимает профиль резьбы болта с общим усилием около 10-12 тонн, что гарантирует сохранность резьбы болта и не допускает ее смятие. Испытания на разрыв показали, что за счет прессовой посадки, при 42 тоннах осевой нагрузки, разорвался болт, а гайка осталась работоспособной и резьба, оставшаяся на части болта после разрыва, также осталась работоспособной.
Параллельно были проведены испытания со стандартной гайкой, при которых она сползла с болта при 12 тоннах осевой нагрузки.
Таким образом, предлагаемая гайка антивандальная с эффектом самозатягивания обладает повышенной надежностью за счет повышения жесткости конструкции. Поскольку гайка обладает высокой твердостью, то при закручивании калибрует поверхность болта и полностью его обжимает за счет прессовой посадки. При использовании предлагаемой гайки также не требуется использования никаких дополнительных шайб, в том числе и пружинных, что повышает удобство использования.