Крепежный элемент для соединения несоосных деталей

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к крепежным элементам, используемым для резьбовых соединений деталей и может быть использована для соединения различных конструкций.
Известен способ болтового соединения стержней с помощью болта, гайки и промежуточного элемента, размещенного между соединяемыми элементами и повышающего прочность соединения на сдвиг (см. авторские свидетельства СССР №536335, кл. F16В 5/02, 04.05.75 и №817341, кл. F16В 5/02, 05.12.77).
Такой способ трудоемок в изготовлении и монтаже, а в строительстве, например, для крепления тонкостенных элементов, работающих на сдвиг, трудно выполним.
Известен способ болтового соединения элементов, содержащий болт, установленный в отверстия соединяемых деталей, между которыми прокладывают промежуточный проволочный элемент, а последний при натяжении болта вминается в соединяемые детали (см. авторское свидетельство SU №1027441 A, F16B, 5/02, 04.02.82).
Такой способ соединения элементов конструкций трудоемок в сборе, так как требует предварительного рассверливания соединяемых элементов и последующего прокладывания в узловом соединении проволочных элементов, которые потом будут вминаться в соединяемые элементы.
Широко известно резьбовое соединение деталей, содержащее соединяемые детали с соосными отверстиями и установленный в этих отверстиях резьбовой стержень (см., например: П.И.Орлов. Основы конструирования. Москва, изд. "Машиностроение", 1988, книга 2 [1], с.114-136). Соединение содержит также элементы для обеспечения взаимодействия концов этого стержня с соединяемыми деталями и прижатия их друг к другу. В качестве резьбового стержня могут выступать болт, винт или шпилька, а в качестве указанных элементов - головка болта и навернутая на его противоположный конец гайка, либо головка винта и его конец, ввернутый непосредственно в резьбу одного из отверстий или в резьбу установленной в этом отверстии футорки, либо ввернутый аналогичным образом конец шпильки и навернутая на ее противоположный конец гайка, либо гайки, навернутые на оба конца шпильки.
При конструировании таких соединений значительное внимание уделяется предотвращению взаимного перемещения соединяемых деталей. В частности, известно использование пружинных шайб, устанавливаемых между головкой болта или винта и поверхностью детали, либо между гайкой и поверхностью детали (см., например, ГОСТ 6402-70 Шайбы пружинные. Технические условия. Москва, "Стандартинформ", 2006 [2]; ГОСТ 10461-81 Шайбы стопорные с зубьями. Общие технические условия. Москва, "Стандартинформ", 2006 [3]).
Вместе с тем существует проблема сборки надежного соединения нежестких конструкций больших габаритов, геометрия стыка которых подвержена деформирующим воздействиям, в частности, воздействию поперечных усилий (радиальных и тангенциальных), которые вызывают работу резьбового стержня на срез и могут привести как к разрушению соединения, так и к взаимному сдвигу соединяемых деталей. Подобные условия работы соединений имеют место, например, при креплении выводимого на орбиту космического аппарата к разгонному блоку. Использование в таких условиях беззазорного соединения деталей при помощи нескольких болтов усложняет технологический процесс изготовления деталей и их сборку, а также затрудняет применение соединяемых деталей из различных материалов (имеющих различный коэффициент линейного температурного расширения) и изготовленных в различных условиях (температура изготовления отличается от температуры сборки).
Кроме того, возможны несовпадение осей отверстий соединяемых деталей при монтаже в силу неточности их изготовления.
Поэтому, с учетом реальных условий их изготовления и сборки, иногда необходимо увеличивать технологический зазор между резьбовым стержнем и стенкой отверстия одной из соединяемых деталей. Такое соединение обеспечивает возможность сборки, но не обеспечивает неподвижность взаимного перемещения одной детали по отношению к другой.
Взаимная неподвижность деталей, соединенных резьбовым стержнем, установленным в отверстие деталей с зазором, может быть достигнута затяжкой болтов (шпилек), при которой возникают силы трения, превышающие поперечную нагрузку соединения. Однако при этом взаимная неподвижность деталей обеспечивается ненадежно, так как усилие затяжки изменяется при изменении температуры.
Таким образом, описанные известные технические решения и их модификации не обеспечивают надежность соединения таких конструкций и удержание их от взаимного перемещения под воздействием поперечных (радиальных и тангенциальных усилий).
Известно резьбовое соединение деталей, содержащее соединяемые детали и шайбу, имеющие соосные отверстия, а также резьбовой стержень, установленный в этих отверстиях, и элементы для обеспечения взаимодействия концов этого стержня с соединяемыми деталями и прижатия их друг к другу, отличающееся тем, что резьбовой стержень установлен в отверстии одной из соединяемых деталей с большим зазором, чем в отверстии другой детали, указанная шайба установлена между соединяемыми деталями, при этом, по меньшей мере, поверхность этой шайбы, контактирующая с той из соединяемых деталей, в отверстии которой резьбовой стержень установлен с большим зазором, снабжена заостренным зубом, расположенным по спиральной линии, витки которой закручены вокруг центра отверстия шайбы, и материал указанной шайбы имеет более высокую твердость, чем материал детали в месте контакта с поверхностью шайбы, снабженной заостренным зубом (см. патент РФ №2399801. МПК  F16B 5/02, F16B 43/00 (2006/01).  2010 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком указанного решения является то, что увеличенный зазор соединяемой детали уменьшает площадь её поперечного сечения, а значит ослабляет её прочностные свойства, также уменьшается несущая способность на сдвиг, т.к. это зависит от площади контакта с шайбой и силы прижатия и/или зацепа.
Все приведенные примеры не обеспечивают простого и надежного соединения деталей, отверстия в которых несоосны.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью – обеспечение простого и надежного соединения деталей, отверстия в которых несоосны при сохранении несущей способности соединения.
Поставленная проблема решается за счет того, что в известном крепежном элементе для соединения несоосных деталей, содержащем болт и шайбу, имеющую на открытом торце заостренный зуб, в соответствии с полезной моделью, заостренный зуб шайбы выполнен по концентричной окружности, крепежный элемент снабжен подвижно соединенной с винтовой частью болта втулкой с фланцем, на открытом торце которого обращенном к шайбе, выполнен по концентричной окружности заостренный зуб, причем диаметры концентричных окружностей зубьев втулки и шайбы не совпадают.
Указанные заостренные зубья на втулке и шайбе соответственно выполнены в виде непрерывного выступа, высота которого одинакова на всем его протяжении вдоль указанных концентричных окружностей.
Заостренные зубья на втулке и шайбе соответственно выполнены состоящими из дискретных заостренных выступов, расположенных вдоль указанной концентричной окружности.
Наружный диаметр втулки соответствует диаметру отверстия одной из соединяемых деталей.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в обеспечении простого и надежного соединения деталей, отверстия в которых несоосны при сохранении несущей способности соединения.
Наличие в крепежном элементе для соединения несоосных деталей, подвижно соединенной с винтовой частью болта втулкой с фланцем, на открытом торце которого обращенном к шайбе, выполнен по концентричной окружности заостренный зуб, и шайбы с заостренным зубом, выполненным по концентричной окружности, имеющей диаметр не совпадающий по размеру с диаметром концентричной окружности зуба втулки, позволяет обеспечить простое и надежное соединение деталей, отверстия в которых несоосны. При этом сохраняется несущая способность соединения.
При описанных выполнении и размещении шайбы и втулки в предлагаемом крепежном элементе, заостренные зубья втулки и шайбы, расположенные по  концентричным окружностям разного диаметра   и имеющие более высокую твердость, внедряются в поверхность соединяемой детали, контактирующей с поверхностью шайбы и втулки, и зажимают ее с образованием «гребня», предотвращающего смещение детали, имеющей больший диаметр совмещаемого отверстия. Такой контакт имеет место, по меньшей мере, для детали, в отверстии которой болт установлен с большим зазором, т.е. потенциально более подверженной перемещению. Благодаря наличию указанного контакта поперечные усилия (как радиальные, так и тангенциальные), стремящиеся осуществить сдвиг соединяемых деталей относительно друг друга, компенсируются усилиями, возникающими в месте сцепления поверхности заостренных зубьев шайбы и втулки с и поверхностью детали. Благодаря наличию у шайбы и втулки заостренных зубьев, выполненных по концентричном окружностям разного диаметра вокруг соответствующих отверстий шайбы и втулки, предлагаемое соединение может воспринимать нагрузку во всех поперечных направлениях.
В частном случае выполнения соединения заостренные зубья могут иметь вид непрерывного заостренного выступа, высота которого одинакова на всем его протяжении вдоль окружности.
В другом частном случае указанные заостренные зубья могут быть выполнены состоящими из дискретных выступов, расположенных вдоль указанных  окружностей.
Наличие названных возможностей выполнения позволяет регулировать площадь контакта зуба с поверхностью детали и обеспечить желаемую способность соединения к противодействию внешних поперечных усилий с учетом их ожидаемых величин.
Фиг.1 - общий вид крепежного элемента.
Фиг.2 – общий вид соединения деталей с несоосными отверстиями с использованием заявленного крепежного элемента.
Фиг. 3 – сечение А-А фиг. 1.
Фиг. 4 – вид сверху на шайбу.
Фиг. 5 – вид на торец фланца втулки.
Крепежный элемент для соединения несоосных деталей содержит болт 1, шайбу 2 и втулку 3 (см. фиг. 1). Шайба 2 имеет на открытом торце 4 заостренный зуб 5, выполненный по концентричной окружности 6 вокруг отверстия шайбы 2 (см. фиг. 1, 3, 4). Втулка 3 подвижно соединена с винтовой частью 7 болта 1 и снабжена  фланцем 8. На открытом торце 9 фланца 8,  обращенном к шайбе 2, выполнен по концентричной окружности 10 заостренный зуб 11 (см.фиг. 1. 3. 5). Диаметры концентричных окружностей 6, 10 зуба 5 шайбы 2 и зуба 11 втулки 3 не совпадают (см. фиг. 3).
Заостренные зубья 11 на втулке  3 и 5 на шайбе 2 соответственно могут быть выполнены в виде непрерывного выступа, высота которого одинакова на всем его протяжении вдоль указанных концентричных окружностей (см. фиг. 4,5).
Заостренные зубья 11 на втулке 3 и 5 на шайбе 2 соответственно могут быть выполнены состоящими из дискретных заостренных выступов, расположенных вдоль указанных концентричных окружностей (условно не показано).
На тыльной стороне фланца 8 втулки 3 может быть выполнен по концентричной окружности заостренный зуб.
Наружный диаметр D втулки 3 соответствует диаметру отверстия одной из соединяемых деталей (см. фиг. 2).
Шайба 2 и втулка 3 предлагаемого крепежного элемента выполнены из материала, имеющего более высокую твердость, чем материал, по крайней мере, одной из соединяемых деталей 12 (см. фиг. 2).
Шайба 2 и втулка 3 предлагаемого крепежного элемента при его использовании установлены в соединении таким образом, что открытый торец 4 шайбы 2 с выполненным на нем заостренным зубом 5 и открытый торец 9 фланца 8, втулки 3 с выполненным на нем  заостренным зубом 11 охватывают одну из соединяемых деталей 12, отверстие 13 в которой несоосно с отверстием 14 второй детали 15 и образует больший зазор с болтом 1 (см. фиг. 2).
Предлагаемый крепежный элемент для соединения несоосных деталей работает и используется следующим образом. После сборки соединения осуществляют затяжку болта 1, закручивая его во втулке 3, установленной в отверстии 14 детали 15 до создания необходимого усилия прижатия друг к другу соединяемых деталей. При этом происходит внедрение соответствующих заостренных зубьев 5 шайбы 2 и 11 втулки 3 в менее твердую поверхность контактирующей с ними детали 12, в поверхности которой образуется «гребень» за счет того, что диаметры концентричных окружностей 6 и 10 зуба 5 шайбы 2 и зуба 11 втулки 3 не совпадают.
Наиболее рациональной формой сечения зуба является треугольная или образованная двумя пересекающимися дугами окружностей при угле заострения в обоих этих случаях в пределах от 20° до 50°.
Благодаря наличию указанного контакта поперечные усилия (как радиальные, так и тангенциальные), стремящиеся осуществить сдвиг соединяемых деталей относительно друг друга, компенсируются усилиями, возникающими в месте сцепления поверхности зубьев шайбы и втулки с поверхностью детали 14 (см. фиг. 2). Благодаря наличию у шайбы 2 зуба 5 и у втулки 3 зуба 11, выполненных по концентричным окружностям, диаметры которых не совпадают, соединение деталей с помощью заявляемого крепежного элемента может воспринимать нагрузку во всех поперечных направлениях.
Применение описанной конструкции крепежного элемента обеспечивает возможность соединения надежного деталей при неточном соответствии отверстий (соосность не соблюдается) фиксируемой детали и ответной детали, к которой крепится фиксируемая деталь, без подгонки и без потери прочности фиксации.
Заявляемое устройство может быть изготовлено с использованием современного технологического оборудования из существующих материалов.
Крепежный элемент может быть использован в различных областях техники для соединения конструкций, в которых соединяемые детали имеют несоосные отверстия.