BRMU8801198U2 - differential pitch thread for better clamping load distribution between engaged fillets - Google Patents

Abstract

ROSCA DE PASSO DIFERENCIAL QUE PERMITE UMA MELHOR DISTRIBUIçãO DA CARGA DE APERTO ENTRE OS FILETES ENGAJADOS. Patente de modelo de utilidade que abrange todos os sistemas de fixação por rosca, compreendida por uma fixação por rosca de passo diferencial (6), a qual permite uma melhor distribuição da carga de aperto entre os filetes engajados através de uma alteração previamente calculada do valor do passo da rosca de um dos componentes roscados da união (3), onde o componente roscado internamente (1) terá passo de rosca relativamente maior que o componente roscado externamente (2) para compensar as deformações elásticas de compressão no componente (1) e de tração no componente (2) quando submetidos à carga de aperto, resultando no aumento da resistência ao arrancamento dos filetes com a possibilidade de redução da quantidade de filetes necessários a uma determinada classe de resistência, além de melhorar a distribuição das tensões internas, aumentando a resistência e a confiabilidade com relação à vida por fadiga, sem alterar o processo e o custo de fabricação.DIFFERENTIAL STEP THREAD THAT ALLOWS BETTER DISTRIBUTION OF THE TIGHTENING LOAD BETWEEN ENGAGED FIELDS. Utility model patent covering all thread clamping systems, comprising a differential pitch thread clamping (6), which allows for a better distribution of the clamping load between engaged threads by a previously calculated change in value of the thread pitch of one of the union threaded members (3), where the internally threaded member (1) will have a relatively larger thread pitch than the externally threaded member (2) to compensate for the elastic compression deformations in component (1) and tensile strength of component (2) when subjected to the clamping load, resulting in increased pullout resistance with the possibility of reducing the amount of fillets required for a given strength class, as well as improving the distribution of internal stresses, increasing resistance and reliability with respect to fatigue life, without changing the process and manufacturing cost.

Description

"ROSCA DE PASSO DIFERENCIAL QUE PERMITE UMA MELHOR DISTRIBUIÇÃO DA CARGA DE APERTO ENTRE OS FILETES ENGAJADOS"."DIFFERENTIAL STEP THREAD ENABLING BETTER DISTRIBUTION OF THE TIGHTENING LOAD BETWEEN ENGAGED FIELDS".

A presente patente de modelo de utilidade tem por obje- tivo um modelo de fixação por rosca de passo diferencial, a qual permite uma melhor distribuição da carga de aperto entre os filetes engajados através de uma alteração previamente calculada do valor do passo da rosca de um dos componentes roscados da união, com vistas a melhorar o desempenho, a confiabilidade e o custo de todos os sistemas de fixação por rosca existentes.The present utility model patent aims at a differential pitch thread clamping model which allows a better distribution of the clamping load between the engaged threads by a previously calculated change in the thread pitch value of a threaded union components to improve the performance, reliability and cost of all existing threaded fastening systems.

Já são conhecidos e largamente utilizados em todos osThey are already known and widely used in all

setores da indústria os sistemas de fixação por rosca, onde os componentes roscados externamente e internamente como o parafuso e a porca, respectivamente, constituem o principal meio utilizado para a fixação de peças. Tanto nas roscas normalizadas como também nas especiais, os componentes roscados de umaindustry sectors thread clamping systems, where externally and internally threaded components such as bolt and nut, respectively, are the primary means used for clamping parts. For both standard and special threads, the threaded components of a

mesma união são fabricados com o mesmo passo de rosca, independentemente de fatores como; o perfil dos filetes, da rosca ser direita ou esquerda, do número de entradas, do material empregado e de possuir ou não tratamentos térmicos e ou superficiais.same joint are manufactured with the same thread pitch regardless of factors such as; the profile of the threads, the right or left thread, the number of entries, the material used and whether or not it has heat and / or surface treatments.

Pelo fato do componente roscado internamente ser fa-bricado com o mesmo passo de rosca que o seu correspondente par roscado externamente, surge um grande inconveniente durante e após o aperto, que é a má distribuição da carga de aperto entre os filetes de rosca que estão engajados. A-penas os primeiros filetes da rosca é que suportam praticamente toda a carga de aperto. Teoricamente, apenas o primeiro filete é responsável por suportar toda a carga.Because the internally threaded component is manufactured with the same thread pitch as its corresponding externally threaded pair, a major drawback arises during and after tightening, which is the poor distribution of the clamping load between the threaded threads that are engaged. Only the first threads of the thread support almost the entire clamping load. Theoretically, only the first fillet is responsible for supporting the entire load.

Tal problema ocorre devido às deformações no campo elástico dos materiais que constituem os componentes roscados da união, sendo que tais deformações são diretamente proporcionais a intensidade da carga de aperto que atua na direção da rosca e são inversamente proporcionais ao módulo de elasticidade de cada material. Quando submetidos à carga de aperto, o componente roscado internamente deforma elasticamente ao ser comprimido na direção da rosca por sofrer carga de compressão, enquanto que, o componente ros-<formula>formula see original document page 3</formula>Such a problem occurs due to deformations in the elastic field of the materials constituting the threaded components of the joint, such deformations being directly proportional to the intensity of the clamping load acting in the thread direction and inversely proportional to the modulus of elasticity of each material. When subjected to the clamping load, the internally threaded component deforms elastically when compressed in the direction of the thread as it undergoes compression loading, whereas the threaded <formula> formula see original document page 3 </formula>

cado externamente deforma elasticamente ao ser alongado na direção da rosca por sofrer carga de tração. As cargas de compressão e tração correspondem ao par ação-reação.externally deformed deforms elastically when being stretched in the direction of the thread due to tensile load. Compression and tensile loads correspond to the action-reaction pair.

Pelo fato da carga de tração fazer com que o compo-5 nente roscado externamente se torne mais longo, ocorrerá um afastamento dos filetes de rosca entre si, o que resultará no aumento do passo da rosca deste componente. Por outro lado, pelo fato da carga de compressão fazer com que o componente roscado internamente se torne mais curto, ocorrerá uma aproximação dos filetes de rosca entre si, o que resultará na diminuição do passo da rosca 10 deste componente.Because the tensile load causes the externally threaded component to become longer, there will be spacing of the thread fillets with each other, which will result in increased thread pitch of this component. On the other hand, because the compression load causes the internally threaded component to become shorter, a thread fillet approximation will occur, resulting in a decrease in the thread pitch 10 of this component.

Portanto, estas alterações provocadas na geometria dos componentes roscados da união, por serem opostas e combinadas, impedem que a carga de aperto seja igualmente distribuída entre os filetes de rosca engajados, os quais perdem o contato uniforme imediatamente após o início destas altera-Therefore, these changes caused by the opposing and combined geometry of the threaded joint components prevent the clamping load from being evenly distributed between the engaged thread threads, which lose uniform contact immediately after the onset of these changes.

ções na geometria, que se dá principalmente na direção da rosca.geometry, which occurs mainly in the direction of the thread.

Algumas ações compensatórias já foram tomadas para corrigir parcialmente o problema descrito. A principal seria a escolha de um material macio que escoe facilmente para a construção de porcas, pois os filetes iniciais da porca ao escoarem, permitem a transferência de parte da carga de apertoSome compensatory actions have already been taken to partially correct the problem described. The main one would be the choice of a soft material that flows easily for the construction of nuts, as the initial threads of the nut when flowing allow the transfer of part of the clamping load.

para os demais filetes de rosca engajados. Esta ação, porém, requer um número de filetes de rosca maior do que seria necessário para garantir a mesma classe de resistência, o que implica em custo extra de material. Segundo a literatura, a-penas três filetes de rosca completos são suficientes para desenvolver a resistência completa de um parafuso.for the other engaged thread fillets. This action, however, requires a larger number of thread fillets than would be required to ensure the same strength class, which implies extra material cost. According to the literature, only three complete thread fillets are sufficient to develop the complete strength of a screw.

Outra prática adotada, porém menos usual por ser maisAnother practice adopted, but less usual because it is more

complexa, é trabalhar a geometria do corpo da porca para facilitar sua deformação elástica na direção da rosca a fim de obter u ma melhor distribuição da carga de aperto entre os filetes de rosca engajados, melhorando a distribuição das tensões entre o parafuso e a porca.Complex is the working of the nut body geometry to facilitate its elastic deformation towards the thread in order to obtain a better distribution of the clamping load between the engaged thread threads, improving the stress distribution between the screw and the nut.

Outro fator geométrico é o efeito cunha que resulta dosAnother geometric factor is the wedge effect that results from

filetes de perfil triangular. O efeito cunha vai favorecer a dilatação da porca, facili-tando a transferência de parte da carga de aperto para os demais filetes de rosca engajados.triangular profile fillets. The wedge effect will favor nut expansion by facilitating the transfer of part of the clamping load to the other engaged thread fillets.

Contudo, o problema existe e segundo estudos registrados na literatura, 65% das falhas em um parafuso ocorrem na região da rosca próxima à face da porca, justamente onde há grandes concentrações de tensões provocadas pela maior parcela da carga de aperto suportada pelo primeiro filete engajado. A situação fica ainda mais evidente se houver carregamentos cíclicos, pois a concentração de tensões causada pela má distribuição da carga de aperto reduz a vida por fadiga, a qual provoca a ruptura do parafuso na região do primei- ro filete de rosca junto à face da porca.However, the problem exists and according to studies reported in the literature, 65% of bolt failures occur in the screw region near the nut face, precisely where there are high stress concentrations caused by the largest portion of the clamping load supported by the first engaged fillet. . The situation is even more evident if there are cyclic loads, as the stress concentration caused by poor distribution of the clamping load reduces the fatigue life, which causes the screw to rupture in the region of the first thread fillet next to the face. nut

Tendo em vista estes problemas e no propósito de superá-los, foi desenvolvida a presente invenção que trata da fixação por rosca de passo diferencial, a qual permite uma melhor distribuição da carga de aperto entre os filetes engajados através de uma alteração previamente calculada do valor do passo da rosca de um dos componentes roscados da união.In view of these problems and in order to overcome them, the present invention has been developed which deals with differential pitch thread clamping, which allows a better distribution of the clamping load between the engaged fillets by a previously calculated change of the value. of the thread pitch of one of the threaded union components.

O cálculo do passo diferencial, cujo valor vai corresponder à diferença de passo entre os componentes roscados da união, corresponde à soma da deformação elástica específica na direção da rosca de ambos os componentes roscados da união multiplicado pelo valor nominal do passo. O valor calculado para o passo diferencial será então responsável por garantir que o passo do componente roscado internamente seja sempre maior dessa quantidade em relação ao passo do componente roscado externamente.The differential pitch calculation, the value of which will correspond to the pitch difference between the threaded members of the joint, is the sum of the specific elastic deformation in the thread direction of both threaded members of the joint multiplied by the nominal value of the pitch. The calculated value for the differential pitch will then be responsible for ensuring that the pitch of the internally threaded component is always greater than that amount relative to the pitch of the externally threaded component.

Nessa ordem, por ser o passo do componente roscado internamente relativamente maior, este irá compensar a deformação elástica de aproximação dos filetes de rosca entre si quando ocorrer a aplicação da carga de aperto, a qual comprime o dito componente na direção da rosca. Por outro lado, por ser o passo do componente roscado externamente relativamente menor, este irá compensar a deformação elástica de afastamento dos filetes de rosca entre si quando ocorrer a aplicação da carga de aperto, a qual traciona o dito componente na direção da rosca.In that order, because the pitch of the internally threaded component is relatively larger, it will compensate for the elastic deformation approaching the thread fillets with each other when applying the clamping load, which compresses said component in the direction of the thread. On the other hand, because the pitch of the externally threaded component is relatively smaller, it will compensate for the elastic deformation of thread threads away from each other when applying the clamping load, which pulls said component in the direction of the thread.

Durante o aperto, a diferença de passo ou o passo diferencial entre os filetes engajados diminui à medida que aumenta as deformaçõeselásticas na direção da rosca de cada componente roscado da união. Após o a-perto, o passo diferencial entre os filetes engajados desaparece ao dar lugar às deformações elásticas previstas na direção da rosca de ambos os componentes roscados da união.During tightening, the pitch difference or differential pitch between the engaged fillets decreases as the elastic deformations in the thread direction of each threaded component of the joint increases. After the close-up, the differential pitch between the engaged fillets disappears as the elastic deformations predicted in the direction of the thread of both threaded joints disappear.

Portanto, a fixação por rosca de passo diferencial com-Therefore, the differential pitch thread clamping

pensa as deformações elásticas na direção da rosca de cada componente para permitir a melhor distribuição possível da carga de aperto entre os filetes engajados e conseqüentemente das tensões geradas no interior de cada componente roscado da união. Como resultado, uma união com rosca de passo diferencialIt thinks the elastic deformations in the thread direction of each component to allow the best possible distribution of the clamping load between the engaged threads and consequently the stresses generated inside each threaded component of the joint. As a result, a differential pitch threaded joint

apresenta desempenho superior com relação à vida por fadiga e melhor resistência ao arrancamento dos filetes, possibilitando uma redução da quantidade de filetes necessários a uma determinada classe de resistência. Outro fator importante, é que a fabricação de uniões com rosca de passo diferencial não apresenta nenhuma alteração do processo produtivo e nenhum custo adicional de produçãoIt has superior fatigue life performance and better fillet pullout resistance, allowing a reduction in the amount of fillets required for a given resistance class. Another important factor is that the manufacture of differential pitch threaded joints does not present any change in the production process and no additional production cost.

em relação à rosca convencional.compared to the conventional thread.

A presente invenção poderá ser mais bem compreendida através da seguinte descrição, com auxílio das figuras em anexo dadas a e-xemplo não limitativo, onde:The present invention may be better understood by the following description, with the aid of the attached figures given in non-limiting example, where:

A FIGURA 1 apresenta, em corte, os filetes de rosca deFIGURE 1 shows, in cross-section, the threaded threads of

uma união com rosca de passo diferencial imediatamente antes da aplicação da carga de aperto e;a differential pitch threaded joint just prior to application of the clamping load and;

A FIGURA 2 apresenta o mesmo corte, porém, imediatamente após a aplicação da carga de aperto.FIGURE 2 shows the same section, however, immediately after application of the clamping load.

Com referência a estas figuras, pode-se observar que aWith reference to these figures, it can be observed that the

rosca de passo diferencial, objeto da presente patente, se dá pela diferença de passo entre o componente roscado internamente (1) e o componente roscado externamente (2) da correspondente união (3), onde o passo da rosca (4) do componente roscado internamente (1) é maior quando comparado ao passo da rosca (5) do componente roscado externamente (2). Essa diferença entre os pas-Differential pitch thread, object of the present invention, is the pitch difference between the internally threaded component (1) and the externally threaded component (2) of the corresponding union (3), where the thread pitch (4) of the threaded component internally (1) is larger when compared to the thread pitch (5) of the externally threaded component (2). This difference between

sos de rosca (4) e (5) corresponde ao passo diferencial (6), cujo valor é previsto com base na soma das deformações elásticas na direção axial (7) ao longo da rosca dos componentes roscados internamente (1) e externamente (2), cujas de-formações serão diretamente proporcionais a intensidade da carga de aperto e inversamente proporcionais ao módulo de elasticidade de cada um dos materiais que constituem os componentes roscados internamente (1) e externamente (2).The threads (4) and (5) correspond to the differential pitch (6), the value of which is predicted based on the sum of the elastic deformations in the axial direction (7) along the thread of the internally threaded components (1) and externally (2). ), whose deformations will be directly proportional to the intensity of the clamping load and inversely proportional to the modulus of elasticity of each of the materials constituting the internally (1) and externally (2) threaded components.

Durante a aplicação da carga de aperto, a diferença de valor entre os passos de rosca (4) e (5), que corresponde ao passo diferencial (6), diminui à medida que aumenta as deformações elásticas, onde, o componente roscado internamente (1) é comprimido na direção axial (7) ao longo da rosca, deforma elasticamente se tornando mais curto e sofre diminuição do passo da rosca (4) através da aproximação dos filetes de rosca entre si, enquanto o com- ponente roscado externamente (2) é tracionado na mesma direção axial (7), deforma elasticamente se tornando mais longo e sofre aumento do passo da rosca (5) através do afastamento dos filetes de rosca entre si.During the application of the clamping load, the difference in value between the thread pitches (4) and (5), which corresponds to the differential pitch (6), decreases as the elastic deformations increase, where the internally threaded component ( 1) is compressed in the axial direction (7) along the thread, elastically deforms becoming shorter, and decreases the thread pitch (4) by approaching the thread threads together, while the externally threaded component (2) ) is pulled in the same axial direction (7), deforms elastically becoming longer and undergoes increased thread pitch (5) by spacing the thread threads apart.

Após a aplicação da carga de aperto, a diferença de valor entre os passos de rosca (4) e (5), que corresponde ao passo diferencial (6), desaparece ao dar lugar às deformações elásticas previstas na direção axial (7) ao longo da rosca dos componentes roscados internamente (1) e externamente (2) da correspondente união (3), tornando possível, desta forma, a distribuição uniforme da carga de aperto entre os filetes engajados.After the clamping load has been applied, the difference in value between the thread pitches (4) and (5), which corresponds to the differential pitch (6), disappears as the elastic deformations predicted in the axial direction (7) along the thread of the internally threaded components (1) and externally (2) of the corresponding union (3), thus making it possible to evenly distribute the clamping load between the engaged threads.

Logicamente, os desenhos aqui apresentados são ape- nas para auxiliar na compreensão da invenção, pois a mesma abrange todos os sistemas de fixação por rosca, não se limitando a nenhum fator construtivo, como por exemplo; o perfil dos filetes, da inclinação deste resultar em rosca direita ou esquerda, do número de entradas, do tamanho e número de filetes, da rosca ser padronizada ou especial, do material empregado em sua construção, de possuir ou não tratamentos térmicos e ou superficiais, entre outros.Of course, the drawings presented here are only to aid understanding of the invention as it covers all threaded fastening systems and is not limited to any constructive factor, for example; the profile of the fillets, their inclination results in right or left threads, the number of entries, the size and number of fillets, the standard or special thread, the material used in their construction, whether or not they have heat and / or surface treatments. , among others.

Nos desenhos aqui apresentados, as proporções foram alteradas para facilitar a visualização do passo diferencial (6), o qual foi proposi-talmente exagerado.In the drawings presented here, the proportions have been changed to facilitate the visualization of the differential step (6), which has been purposely exaggerated.

Claims (2)

1.) "ROSCA DE PASSO DIFERENCIAL QUE PERMITE UMA MELHOR DISTRIBUIÇÃO DA CARGA DE APERTO ENTRE OS FILETES ENGAJADOS" compreendida pela união (3) de um componente roscado internamente (1) e um compo-5 nente roscado externamente (2) através de rosca normalizada ou especial, podendo tal rosca ser direita ou esquerda, possuir qualquer perfil de filete com geometria normalizada ou especial, possuir uma ou mais entradas, ser obtida por qualquer processo de fabricação e constituída de material metálico e suas ligas ou não-metálico, possuir ou não tratamento térmico e ou superficial, para fixações 1.) "DIFFERENTIAL STEP THREAD THAT ALLOWS BETTER DISTRIBUTION OF THE TIGHTENING LOAD BETWEEN ENGAGED FIELDS" comprising the union (3) of an internally threaded component (1) and an externally threaded component (2) by thread standard or special thread, such thread being left or right, having any fillet profile with standard or special geometry, having one or more inlets, being obtained by any manufacturing process and consisting of metallic material and its alloys or non-metallic, having or not heat and / or surface treatment for fasteners em geral, caracterizada pelo fato de que o passo da rosca (4) do componente roscado internamente (1) é relativamente maior que o passo da rosca (5) do componente roscado externamente (2), cuja diferença corresponde ao passo diferencial (6), adequadamente calculado com base na soma das deformações elásticas das roscas do componente roscado internamente (1) e do componente roscado externamente (2) na direção axial (7), cujas deformações são diretamente proporcionais a intensidade da carga de aperto e inversamente proporcionais ao módulo de elasticidade de cada material.In general, it is characterized in that the thread pitch (4) of the internally threaded component (1) is relatively larger than the thread pitch (5) of the externally threaded component (2), the difference of which corresponds to the differential pitch (6). , properly calculated based on the sum of the elastic deformations of the threads of the internally threaded component (1) and the externally threaded component (2) in the axial direction (7), whose deformations are directly proportional to the intensity of the clamping load and inversely proportional to the module. of elasticity of each material.