Крепежный элемент стопорного резьбового соединения и стопорное резьбовое соединение с его использованием
FASTENER FOR A LOCKING THREADED CONNECTION AND A LOCKING THREADED CONNECTION WITH THE FASTENER

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. 07.06.1993г.).
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, конусообразная внешняя поверхность которой обеспечивает возможность сопряжения с внутренней поверхностью ответного элемента, снабженного внутренней резьбой, на боковой стенке конической втулки выполнена прорезь, а на внутренней поверхности конической втулки, выполненной цилиндрической формы, в вертикальном направлении сформированы выступы, отличающийся тем, что коническая втулка имеет форму усеченного конуса, основание которого представлено плоским кольцом, а угол вершины составляет менее 90°, в основании и боковой стенке конической втулки выполнены симметричные пазы, а выступы, размещенные на внутренней поверхности конической втулки, выполнены в виде зубчатого венца, причем коническая втулка выполнена с высотой, обеспечивающей возможность перекрытия не менее двух витков резьбы резьбового профиля ответного элемента с наружной резьбой.
Техническая задача достигается тем, что заявляемое стопорное резьбовое соединение, которое содержит стержень, снабженный наружной резьбой, гайку и надеваемую на стержень коническую втулку, наружный диаметр которой уменьшается в направлении вверх по оси стержня, в боковой стенке конической втулки выполнена прорезь, внутренняя поверхность гайки 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 усеченного конуса, основание которого представлено плоским кольцом, а угол вершины составляет менее 90°, в основании и боковой стенке конической втулки выполнены симметричные пазы, 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, и имеет высоту, обеспечивающую возможность перекрытия не менее двух витков резьбы резьбового профиля стержня.
Заявляемая конструкция, содержащая стержень с наружной резьбой-коническая втулка-гайка с коническим отверстием может эффективно использоваться в стопорном соединении в качестве контргайки.
Гайка с внутренней резьбой предпочтительно имеет не менее двух витков резьбы, обеспечивающие возможность зацепления с ответным элементом 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 на боковой стенке заявляемой конической втулки представляет собой вертикальный разрез, который обеспечивает конической втулке подпружиненные  свойства.
Симметричные пазы, размещенные в основании и боковой стенке заявляемой конической втулки, выполнены фигурными. Предпочтительно пазы имеют в сечении форму правильного треугольника. Указанные пазы позволяют уменьшить толщину боковой стенки в месте сопряжения с основанием конической втулки, что обеспечивает необходимые упругие свойства конической втулки.
Зубчатый венец на внутренней поверхности конической втулки выполнен с зубьями в количестве предпочтительно 60 штук с высотой профиля зубьев 0,2 – 0,4 мм. Количество зубьев задается высотой и внутренним диаметром конической втулки.
При этом длина (L) зубьев зубчатого венца рассчитывается по формуле:
L= p×n
где
p – шаг резьбы,
n – это количество витков резьбы стержня, которые перекрывает один зуб зубчатого венца.
Высота конической втулки обеспечивает возможность перекрытия не менее двух витков наружной резьбы резьбового профиля стержня. Зубья зубчатого венца ориентированы вертикально, при этом количество точек контакта внутренней поверхности конической втулки с вершинами наружного резьбового профиля стержня рассчитывается как произведение числа зубьев – b на количество перекрываемых витков резьбы: b*n. Так, при количестве зубьев зубчатого венца равное 60 и для резьбы М12 с перекрытием 2х (двух) витков резьбы, заявляемая коническая втулка в заявляемом 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.
Сравнение заявляемой конической втулки с прототипом показывает, что она отличается следующими признаками:
- коническая втулка имеет форму усеченного конуса, основание которого представлено плоским кольцом, а угол вершины составляет менее 90°;
- в основании и боковой стенке конической втулки выполнены симметричные пазы;
- 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). При возникновении вибрации, вибрирующая поверхность детали контактирует с креплением по плоской поверхности  основания конической втулки. Плоская поверхность имеет наименьший коэффициент трения f. Гайка, удерживающая коническую втулку в зацеплении с  наружным резьбовым профилем стержня, фиксируется за счет более высоких сил трения, коэффициент трения метрической резьбы 1,15f, а коэффициент трения с поверхностью конической втулки зависит от угла при вершине конуса в конструкции. В заявляемой конструкции обеспечивается максимальное зацепление сопрягаемых элементов стопорного соединения друг с другом. Кроме того, вибрация не оказывает прямого воздействия на гайку, фиксирующую коническую втулку на наружном резьбовом профиле стержня, за счет отсутствия общих поверхностей с вибрирующими деталями. Коническая втулка, находясь в плотном механическом контакте с резьбовым профилем стержня, принимает основную вибрацию на себя. Тем самым, устраняется основной недостаток других конструкций стопорения резьбовых соединений, основанных на силе трения – снижение коэффициента трения в условиях разнонаправленных вибрационных воздействиях.
Как показали эксперименты, в заявляемой конической втулке, при сжатии зубчатым венцом вершин витков наружной резьбы стержня (болта, шпильки),  металл стержня, вытесняемый в процессе деформации, 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 разнонаправленным 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».
Заявляемый 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 одной гайкой и его сборка с плоской базовой деталью;
На Фиг.2 показана заявляемая коническая втулка;
На Фиг.3 показано стопорное резьбовое соединение, выступающее в качестве контргайки, с обычной гайкой;
На Фиг.4 показана гайка с коническим отверстием для сборки стопорного соединения;
На Фиг.5 показана деформация вершин витков наружного 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, гайку 3 (Фиг.1). Коническая втулка 2 на боковой стенке имеет прорезь 4 в виде удлиненного сквозного отверстия по высоте боковой стенки для придания пружинистых свойств при сборке резьбового соединения. Основание 9 конической втулки 2 выполнено в виде плоского кольца, выполняющего функцию фланца. На основании и внешней поверхности боковой стенки конической втулки 2 имеются симметричные пазы 5 (Фиг.2), которые уменьшают её сечение  для обеспечения плотного обжатия наружного резьбового профиля болта 1. На внутренней поверхности конической втулки 2 выполнен зубчатый венец 6, высота профиля зубцов которого составляет 0,2 – 0,4мм. Коническая втулка 2 изготовлена  из легированной стали твердостью 35-50 HRС, например сталь 40Х твердостью 48-50HRC. Угол при вершине усеченного конуса конической втулки 2 задается менее 90°.
Гайка 3 имеет два участка. Участок 8 с внутренней резьбой под болт 1 и коническое отверстие 7 для сопряжения с внешней конической поверхностью втулки 2 (Фиг.1). На Фиг.3 показана сборка стопорного соединения стандартной гайки 10 с заявляемым крепежным элементом, выступающим в качестве контргайки.
Сборка стопорного резьбового соединения с использованием заявляемой конической втулки производится следующим образом. Предварительно болт 1 вставляется в скрепляемые детали, затем на него устанавливается коническая втулка 2, затем на болт 1 навинчивается гайка 3. При навинчивании гайки 3 происходит сопряжение конусных поверхностей конического гнезда 7 гайки 3 и наружной конусной поверхности конусной втулки 2. Так как конусная втулка 2 имеет прорезь  4, она сжимается, и зубчатый венец 6 охватывает наружную резьбу болта 1, при этом деформирует вершины наружной резьбы болта 1 как это показано на Фиг.5. Вытесняемый в процессе деформации материал течет к вершине профиля резьбы болта 1, где конструктивно предусмотрен зазор в резьбовом соединении с гайкой 3, что не является препятствием для многократной сборки и разборки крепления. 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. На Фиг.5 видно, что на витках наружной резьбы болта 1 видны следы деформации, но вся наружная резьба болта 1 пригодна для дальнейшего использования. При испытаниях глубина деформации вершины резьбового профиля болта 1 в точке контакта с треугольным профилем зубца (угол профиля зубьев венца 90°) зубчатого венца 6 составляет около 0,06мм, при классе прочности болта 8,8. Заявляемое стопорное соединение обеспечивает высокую виброустойчивость за счет надежного механического зацепления зубчатым венцом 6 наружного резьбового профиля болта 1. Задаваемая высота конической втулки 2, позволяет перекрыть не менее двух витков наружной резьбы болта 1, что обеспечивает надежный захват резьбового профиля болта 1. Например, для резьбы М12 и только с перекрытием 2х (двух) витков и количеством зубцов зубчатого венца равное 60, соединение имеет 120 точек контакта. Увеличение длины зубцов зубчатого венца на высоту одного витка резьбового профиля болта 1, обеспечивается 180 точек контакта, что существенно повышает надежность резьбового стопорного соединения. Вследствие того, что коническая втулка 2 имеет на боковой поверхности  симметричные пазы 5, которые несколько ослабляют её поперечное сечение, она равномерно охватывает резьбовой профиль болта 1 на высоту перекрытия. Таким образом, происходит стопорение резьбового соединения, при этом надежность стопорного резьбового соединения может быть дополнительно увеличена варьированием профиля пазов 6, длиной зубцов зубчатого венца 6, определяемых высотой конической втулки 2, материалом изготовления конической втулки 2. Разборка стопорного резьбового соединения осуществляется в обратной последовательности.
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 гайки.
Выводы о высокой виброустойчивости заявляемого крепежного элемента и резьбового стопорного соединения с его использованием  подтверждены проведенными тестами на вибростенде. Испытательная установка моделирует поперечные вибрационные нагрузки в плоскости стыка соединяемых деталей. Результаты вибрационных испытаний представлены на  Фиг.6 и Фиг.7.
На Фиг.6 показаны результаты испытания заявляемого стопорного соединения, использованного в качестве контргайки 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 использованного в качестве контргайки М20 (кривая 1) в сравнении с контргайкой М20 традиционной конструкции (2). Заданная амплитуда колебаний вибростенда составила 1,1 мм. 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.
Проведенные испытания показывают сохранение усилия затяжки в заявляемом стопорном соединении на протяжении нескольких циклов вибрационного воздействия.
Таким образом, заявляемая конструкция элемента крепления в виде конической втулки и стопорное соединение с его использованием обеспечивают надежную фиксацию путем деформации вершин резьбового профиля стержня с наружной резьбой, сохраняя исходную прочность резьбового профиля стержня при воздействии напряжения на срез, так как глубина деформации незначительная. Это позволяет применять данную конструкцию крепления без ущерба для характеристик прочности в любых высоконагруженных соединениях.