用於受控剛度的螺紋牙形改進的製作方法

2023-04-28 08:40:31 2

專利名稱：用於受控剛度的螺紋牙形改進的製作方法
技術領域：
0001]本披露涉及螺紋緊固件，更具體地涉及用於改進螺栓接
頭的夾持載荷保持力的螺紋模式。
背景技術：
該部分的陳述僅提供與本教導有關的背景信息，且可能 不構成現有技術。 在高應力4妻頭中，如氣缸蓋或曲軸軸承軸頸蓋，目的在 於使螺栓中的張力最大。為此，螺栓緊固策略設計為將螺栓緊固至螺 栓塑性屈服的點。由於螺栓接受這種高的張力水平，螺紋構件經歷非 常高的剪切載荷，最終至螺紋構件的螺紋屈服的點，大多數情況下以 最高地加載的頂部螺紋開始，如上文所述。當螺紋構件的螺紋處於或 接近屈服時，它們易於蠕變且由於工作載荷進一步屈服。屈服和蠕變 都是載荷損失和最終接頭失效的因素。因而，為了改進接頭的夾持載荷保持力，希望降低對螺栓和螺紋構件之間發生的引起不均勻載荷分 布的相對螺距變化的敏感性。此外，當前標準螺紋形式或模式對於鋼螺栓接合鋼內螺
紋的應用是優化的。然而，當前應用可能需要使用鋼螺栓到較弱的材
料中，如鋁或其它材料。這些不同材料具有不同屬性，如不同的螺紋
剛度，這可能導致較硬的螺紋不均勻地分配載荷在較軟的螺紋上。另
外，不同的材料可能具有不同的熱膨脹係數。因而，螺栓和螺紋構件
可能對相同溫度具有不同的增長。在它們增長時，不同的增長可能改 變螺栓和螺紋構件的相對螺距，且可能改變載荷的初始分布並可能促
進載荷的不均勻分布。不同的增長也可能導致在使用時增加載荷損失 的易受性的應力集中和塑性屈服。此外，螺栓和螺紋構件相對於熱源 的位置也可能影響它們隨著時間相對於彼此的增長。例如，更靠近熱 源的部件可能在其它部件之前經歷溫度增加，從而使得第一部件在第 二部件膨脹之前開始膨脹。溫度變化的該時間方面可能由於使用具有 不同的熱膨脹係數的不同材料惡化。因此，希望降低載荷分布對螺栓 和螺紋構件尺寸變化的敏感性。根據本教導的螺紋形式包括成螺旋形延伸的螺紋、牙頂、
牙底、和在所述牙頂和所述牙底之間延伸的牙側。牙側具有從所述牙 頂向所述牙底延伸的第一部分和從所述第一部分向所述牙底延伸的第 二部分。所述第一部分和第二部分相對於所述螺紋以不同方向朝所述 牙底延伸。所述螺紋形式可以在螺栓上，所述螺栓延伸通過第一構件 中的第一孔且至少部分地延伸到第二構件中的第二孔內。所述螺栓可 以軸向地加載第一和笫二構件且將笫一和第二構件保持在一起。 進一步的應用範圍從在此提供的說明顯而易見。應當理 解，所述說明和具體示例僅用於圖示說明的目的，而不打算限定本教 導的範圍。


在此描述的附圖僅用於圖示說明的目的，而不打算以任 何方式限定本教導的範圍。
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圖1是具有根據本教導笫一實施例的螺紋形式的螺栓的
正視圖；圖3是圖2的視圖，其中圖10的標準現有技術螺紋形式 疊加在其上； 圖6是類似於圖2的放大局部剖視圖，示出了根據本教 導的螺紋形式的第四實施例； 圖7是類似於圖2的放大局部剖視圖，示出了根據本教 導的螺紋形式的第五實施例； 圖8是發動機汽缸體的示意圖，示出了使用具有根據本 教導的螺紋形式的緊固件，用於將氣缸蓋保持到其上，也示出了使用 具有根據本教導的螺紋形式的緊固件，從而保持用於曲軸的軸承蓋； 圖9是圖8的圓圏9-9內的發動機的一部分的放大局部 剖視圖；和 圖IO是類似於圖2的放大局部剖視圖，示出了典型的現 有技術螺紋形式的 一 部分。
具體實施例方式
現在參見圖3,示出了現有技術螺紋形式60疊加在螺紋 形式22之上。在圖3中，現有技術螺紋形式60用虛線表示。如圖所 示，現有技術螺紋形式60的牙頂64與螺紋形式22的牙頂30大致相 同。螺紋形式60的牙底66與螺紋形式22的牙底32大致對準。此外， 螺紋形式60的牙側68與螺紋形式22的牙側34的第一部分38大致相同。然而，由於夾角變化，螺紋形式22的牙側34的第二部分40與螺 紋形式60的牙側68不對準。螺紋形式60的牙側68與螺紋形式22的 牙側34的第二部分40之間的空間74表示從標準現有技術螺紋形式60 去除的材料，以形成螺紋形式22。空間74可以在中徑36, 70內(在 圖3所示的方向中下面)發生。因而，螺紋形式22在中徑36上方大 致類似於螺紋形式60,而在中徑36下面顯著不同，牙側34在過渡點 42處改變夾角a2。此外，在製造螺紋形式22時，牙側34和牙底32 之間的過渡可以具有大於螺紋形式60 (沒有曲率半徑或由於工具磨損 具有小的曲率半徑)的曲率半徑的曲率半徑n。 通過限制螺紋形式"和標準現有技術螺紋形式60之間 的差異為在中徑36內側發生的變化，可以維持標準螺紋形式的希望方 面。例如，由於計量器接合併測量螺紋形式22在中徑36之外的部分， 設計用於測量標準現有技術螺紋形式6 0的計量器可以用於測量螺紋形 式22。此外，如上所述，標準螺紋形式60的螺紋62之間的大部分接 合發生在中徑70處和/或之外。因而，螺紋形式22可以在螺紋28的 牙側34與標準內螺紋形式的牙側之間實現大部分接合。應當理解，由 於夾角(X2的變化，螺紋形式22的牙側34的第二部分40可能與標準螺 紋形式的牙側不接合。因而，螺紋形式22的牙側34與標準螺紋形式 的牙側之間的接觸可限制至第一部分38。
0031] 通過調節過渡點42的位置，可以實現螺紋形式22的螺 紋28和標準螺紋形式的螺紋之間的接觸的量和位置。因而，接觸面積 可以保持接近標準螺紋形式的接觸面積。此外，在初始加載期間，接 觸面積和位置的輕微變化可以有利地利於螺紋形式22的螺紋28彎曲， 因為所有載荷進一步遠離螺紋28的牙底32施加。 因而，具有根據本教導的螺紋形式22的螺栓20可以提 供改進的接頭性能。因而，在使用具有根據本教導的螺紋形式22的螺 栓時，高應力接頭可以具有較少的夾持載荷損失。螺紋形式"可以大 致維持螺栓20的總體軸向剛度，同時藉助於由於降低的剛度引起的螺 紋形式22的螺紋28的彎曲而允許螺距失配的局部適應。該降低的剛 度可以促進高應力接頭中的屈服、蠕變、和疲勞性能。因而，螺紋形 式22更柔順，其可以適應由於螺紋製造、螺紋組裝、和螺紋上的工作 熱載荷和施加的載荷差異引起的局部螺距失配。 現在參見圖6,示出了根據本教導的螺紋形式222的第四 實施例。螺紋形式222類似於螺紋形式22,且具有螺紋228,螺紋228 帶有牙頂230、牙底232、和在它們之間延伸的一對牙側234。牙頂230 也表示螺紋形式222的大直徑d,而牙底232表示螺紋形式222的小直徑d3。螺紋形式222的中徑d2由線236表示。同樣，牙側234包括第 一部分238和第二部分240，第一部分238和第二部分240的相對形狀 在過渡點242處變化。在軸向截面中，螺紋形式222中的第二部分240 不是象螺紋形式22和122那樣線性地延伸。相反，在軸向截面中，第 二部分240是具有曲率半徑i"202的弧形表面，這也導致螺紋228具有比 從標準現有技術螺紋形式60形成的螺紋更低的剛度。同樣，過渡點242 可以在中徑236內(在圖6所示的方向中下面)。第二部分240可以 過渡到牙底232,使得該過渡具有曲率半徑r21。然而應當理解，第二 部分240到牙底232的過渡可以具有大於或小於曲率半徑r2G2的不同曲 率半徑r2Q1。螺紋形式222提供一些上文關於螺紋形式22所述的相同 或類似的益處，因為第二部分240相對於第一部分238改變方向，藉 此提供具有小於標準螺紋形式60的螺紋62的剛度的受控剛度的螺紋 228。由於螺紋238的更大撓性，實現具有上述益處的更柔順螺紋形式 222。 現在參見圖7，示出了根據本教導的螺紋形式322的第五 實施例。螺紋形式322類似於螺紋形式22,且具有螺紋328,螺紋328 帶有牙頂330、牙底332、和在它們之間延伸的一對牙側334。牙頂"0 也表示螺紋形式322的大直徑d,而牙底332表示螺紋形式3"的小直 徑dg。螺紋形式322的中徑d2由線336表示。同樣，每個牙側334包 括第一部分338和第二部分340,第一部分338和第二部分340的相對 形狀在過渡點342處變化。然而在螺致形式322中，從同一牙頂330 延伸的牙側334的第一部分在它們朝相鄰的牙底332延伸時並不對稱。 相反，第 一牙側334a的第 一部分338a從牙頂330以具有第 一值的齒側 角Yi朝牙底332延伸，而第二牙側334b的第一部分338b從同一牙頂 330以具有第二值(不同於第一值)的齒側角Y2朝相鄰牙底332延伸。 因而，第一部分338a,338b相對於徑向線396是不對稱的，徑向線396 垂直於中徑336延伸通過同一牙頂330的中心。齒側角y定義為齒側 和垂直於中徑延伸通過有關牙頂的中心的徑向線之間的角。因而，在 對稱螺紋的情況下，齒側角等於夾角的一半。齒側角yi， Y2可以具有 多個值。例如，通過非限定性示例，齒側角^可以為30。，而齒側角" 可以為20°。[0040與第一部分338a, 338b的不對稱性質相比，牙側334的 第二部分340可以是對稱的，且以夾角(X3Q2從過渡點342延伸到牙底 332。夾角01302可以具有多個值。例如，通過非限定性示例，夾角a302 可以為50。。在一些實施例中，牙側334的第二部分340可以是不對稱的。 過渡點342可以在中徑336內(在圖7所示的方向中下 面)。第二部分340可以過渡到牙底332,從而該過渡具有曲率半徑r301。 螺紋形式322提供一些上文關於螺紋形式22所述的相同或類似的益 處，因為第二部分340相對於第一部分338改變方向，藉此提供具有 小於標準螺紋形式60的螺紋62的剛度的受控剛度的螺紋328。此外， 牙側334a, 334b的第一部分338a, 338b的不對稱特徵允許螺紋328的 彎曲剛度削弱，而不改變在其上具有螺紋形式322的螺栓的中心部分 剛度，且可以在剛度中提供進一步的控制和降低。由於螺紋338的更 大撓性，可以實現更柔順的螺紋形式322。 根據本教導的螺紋形式22, 122, 222, 322, 422可以用 於許多應用。這些螺紋形式尤其適用於高載荷接頭。例如，如圖8和9 所示，在其上具有螺紋形式22的螺栓20可以用於將曲軸軸承蓋84保 持到發動機汽缸體86。發動機汽缸體86和螺栓20可以由不同材料制 成，如鋁發動機汽缸體和鋼螺栓(通過非限定性示例)。兩種不同金 屬具有不同的熱膨脹係數，因而，由於在操作期間不同的熱膨脹率， 本教導的螺紋形式可以有利地用於螺栓20上，以提供較不易於偏轉、 屈服、蠕變和/或失效的更柔順的接頭。如圖8所示，發動機汽缸體86 可以具有內螺紋形式60,內螺紋形式60是標準內螺紋形式，而螺栓 20可以具有根據本教導的螺紋形式22。 雖然本教導已經參考具體示例和說明描述，但是應當理 解，這些示例和說明性質上僅為示範性的，且所述配置的變型和變化 可以一皮採用，而仍在本教導的範圍內。例如，特定夾角和齒側角可以 與所示和所討論的角度不同。另外，螺紋形式222的第二部分240的 曲率半徑r202也可以與所示不同。另外，過渡點42, 142, 242, 342, 442相對於有關中徑36, 136， 236, 336， 436的位置也可以與所示不 同。然而應當理解，如果過渡點發生在有關中徑上方，可能不能實現 本教導的螺紋形式的所有益處。此外，應當理解，過渡點42， 142， 242, 342， 442可以是平滑的，且/或由於製造過程是成圓形的，以控制應力 集中、或為了其它考慮。另外，也應當理解，根據本教導的螺紋形式 的小直徑可以不同於標準螺紋形式。此外，雖然本螺紋形式顯示為用 於螺栓上作為外螺紋形式，但是應當理解，螺紋形式也可以用作內螺 紋形式，如螺母或螺紋孔中。另外，雖然本螺紋形式顯示為用於螺栓 上，但是應當理解，螺紋形式也可以用於具有外螺紋形式的其它部件 上，如螺柱等。此外，應當理解，本螺紋形式可以形成且用作左或右 旋螺紋。另外，也應當理解，雖然根據本教導的螺紋形式顯示並討論 為與標準現有技術螺紋形式接合，但是根據本教導的兩個互補螺紋形 式可以彼此接合(作為外和內螺紋)，以夾持高載荷接頭。另外，雖 然根據本教導的螺紋形式的牙側的第一和第二部分顯示為相對於螺紋以不同方向朝牙底延伸，但是應當理解，這些方向僅為示範性的且也 可以採用這些方向的變型和變化。因而，變型中的這種變化應當認為 在本教導的範圍內。
權利要求
1. 一種螺紋形式，其包括成螺旋形延伸的螺紋，所述螺紋包括牙頂、牙底、和在所述牙頂和所述牙底之間延伸的牙側，所述牙側具有從所述牙頂向所述牙底延伸的第一部分和從所述第一部分向所述牙底延伸的第二部分，所述第一部分和第二部分相對於所述螺紋以不同方向朝所述牙底延伸。
2. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，所述第一部分以第一角度朝所述牙底延伸，所述第二部分以第二角度朝所述牙底延伸， 所述第二角度小於所述第一角度。
3. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，所述第一和笫二 部分包括整個所述牙側。
4. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，所述第一部分從 所述螺紋的中徑外向所述中徑內延伸。
5. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，所述第二部分過 渡到所述牙底中。
6. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，在軸向截面中， 所述第一部分朝所述牙底線性地延伸，所述第二部分朝所述牙底成弧 形。
7. 根據權利要求l所述的螺紋形式，其特徵在於，所述牙側包括各 從所迷牙頂延伸到所述牙底的第一和第二牙側，所述第一牙側的所述 第一部分具有為第一值的齒側角，所述第二牙側的所述第一部分具有 為第二值的齒側角，所述第二值不同於所述第一值。
8. —種接頭組件，其包括 具有延伸通過其的第一孔的第一構件； 具有第二孔的第二構件；和螺栓，所述螺栓延伸通過所述第一孔且至少部分地延伸到所述第二 孔內，所述螺栓在其上具有成螺旋形延伸的外螺紋，所述螺栓軸向地 加載所述第一和第二構件，並將所述第一和第二構件保持在一起，所 述螺紋包括牙頂；牙底；和在所述牙頂和所述牙底之間延伸的牙側，所述牙側具有/人所述牙頂向所述牙底延伸的第一部分和從所述第一部分向所述牙底延 伸的第二部分，所述第 一 部分和第二部分相對於所述螺紋以不同方向朝所述牙底延伸。
9. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述第一部分以 第一角度朝所述牙底延伸，所述第二部分以第二角度朝所述牙底延伸， 所述第二角度小於所述第一角度。
10. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述牙側包括 各從所述牙頂延伸到所述牙底的第一和第二牙側，所述第一牙側的所 述第一部分具有第一值的齒側角，所述第二牙側的所述第一部分具有 第二值的齒側角，所述第二值小於所述第一值。
11. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述第一和第 二部分包括整個所述牙側。
12. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述第一部分 從所述螺紋的中徑外向所述中徑內延伸。
13. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，在軸向截面中， 所述第一部分朝所述牙底線性地延伸，所述第二部分朝所述牙底成弧 形。
14. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述第二孔包 括內螺紋，所述內螺紋與所述螺栓螺紋接合，以軸向地加載所述第一 和第二構件，並將所述第一和第二構件保持在一起。
15. 根據權利要求14所述的接頭組件，其特徵在於，所述螺栓是第 一材料，所述第二構件內螺紋是不同於所述第 一材料的第二材料。
16. 根據權利要求15所述的接頭組件，其特徵在於，所述第一材料 是鋼，所述第二材料是鋁。
17. 根據權利要求8所述的接頭組件，其特徵在於，所述第一構件 是氣缸蓋和曲軸軸承蓋之一，所述第二構件是發動機汽缸體。
18. —種改型接頭組件的方法，所述方法包括將在其上具有第 一外螺紋形式的第 一螺紋構件從在其上具有第二 內螺紋形式的第二螺紋構件拆卸，所述第 一 螺紋形式具有第 一 牙頂、 第一牙底、和以第一夾角從所述第一牙頂朝所述第一牙底延伸的第一 對牙側，所述第二螺紋形式具有第二牙頂、第二牙底、和以第二夾角從所述第二牙頂朝所述第二牙底延伸的第二對牙側，所述第 一 夾角與所述第二夾角大致相同；藉助於將第三螺紋構件相對於所述第二螺紋構件轉動，將在其上具 有第三外螺紋形式的所述第三螺紋構件插入到所述第二螺紋構件，所述第三螺紋形式具有第三牙頂、第三牙底、和在所述第三牙頂和所述 第三牙底之間延伸的第三對牙側，所述第三對牙側具有從所述第三牙 頂向所述第三牙底延伸的第一部分和從所述第一部分向所述第三牙底 延伸的第二部分，所述第一部分和第二部分以不同方向朝所述牙底延伸；和用所述第三構件施加載荷給所述接頭組件。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述第一部分以第 三夾角朝所述第三牙底延伸，所述第二部分以第四夾角從所述第一部 分朝所述第三牙底延伸，所述第四夾角小於所述第三夾角。
20. 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述第一部分以第 三夾角朝所述第三牙底延伸，所述第二部分以第四夾角從所述第一部 分朝所述第三牙底延伸，所述第四夾角不同於所述第三夾角，所述第 三夾角與所述第一夾角大致相同。
全文摘要
本發明涉及用於受控剛度的螺紋牙形改進。螺紋形式可以提供受控的螺紋剛度，受控的螺紋剛度可以更均勻地分配載荷且可以對相對螺距變化較不敏感。螺紋的受控剛度可以提供螺紋在組裝載荷下的希望懸臂彎曲。螺紋形式可以在中徑處和/或上方採用常規螺紋形式，從而保持接觸面積接近標準螺紋形式接觸面積的接觸面積。能夠使用標準計量裝置來確定螺紋中徑和用於質量控制目的。螺紋形式包括在牙頂和牙底之間延伸的牙側。牙側具有從所述牙頂向所述牙底延伸的第一部分和從所述第一部分向所述牙底延伸的第二部分。所述第一部分和第二部分相對於所述螺紋以不同方向朝所述牙底延伸。
文檔編號F16B33/00GK101424295SQ20081017042
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月3日 優先權日2007年11月2日
發明者B·K·巴特尼克, D·H·希 申請人:通用汽車環球科技運作公司