ES2198595T3 - Punto de aplicacion de una fuerza para la transmision de un par. - Google Patents

Abstract

EN UN DISPOSITIVO DE APLICACION DE FUERZA PARA LA TRANSMISION DEL PAR DE GIRO QUE SE COMPONE DE, AL MENOS, DOS SUPERFICIES DE APLICACION (4) PARA UNA HERRAMIENTA (2), SITUADAS HORIZONTALMENTE EN UN ORIFICIO AXIAL (3) DE UN ELEMENTO DE MAQUINA Y DESTINADAS A ACTUAR JUNTO CON UNA SUPERFICIE DE TRABAJO PLANA (5) DE LA HERRAMIENTA (2) QUE POSEE VARIOS CANTOS (6), PRESENTANDO, AL MENOS, UNA SUPERFICIE DE APLICACION (4) DEL ELEMENTO DE MAQUINA (2), UNA CURVATURA CONVEXA (R S ) TAL, QUE CUANDO LA HERRAMIENTA (2) GIRA ALREDEDOR DE SU EJE LONGITUDINAL BAJO EL EFECTO DEL PAR DE GIRO (M H ) DENTRO DEL ORIFICIO (3 ), EL CONTORNO DE SECCION TRANSVERSAL DE, AL MENOS, UNA SUPERFICIE DE TRABAJO (5) ENTRA EN CONTACTO, POR LO MENOS TANGENCIALMENTE, CON EL CONTORNO DE SECCION TRANSVERSAL DE LA SUPERFICIE DE APLICACION (4) FUERA DE LA ZONA DE LOS CANTOS (6) DE LA HERRAMIENTA (2), LA CURVATURA CONVEXA (R S ) DE LA SUPERFICIE DE APLICACION (4) SE CONFIGURA DENTRO DE LA SECCION TRANSVERSAL DEL ORIFICIO (3), DE FORMA QUE DURANTE EL GIRO DE LA HERRAMIENTA (2) ALREDEDOR DE SU EJE LONGITUDINAL, LOS CANTOS (6) DE LA HERRAMIENTA (2) SE ENCUENTRAN FUERA DE UNA ZONA DE APLANAMIENTO DE HERTZ (2A) DE LAS SUPERFICIES DE APLICACION (4) PARA LA HERRAMIENTA (2). DE ESTA FORMA, SE REDUCE EL RIESGO DE DETERIOROS, INCLUSO EN CASO DE UNA DISTANCIA (D) DIFERENTE ENTRE LAS SUPERFICIES DE TRABAJO (5) DE LA HERRAMIENTA (2) DENTRO DEL MARCO DE TOLERANCIAS ADMISIBLES.

Description

Punto de aplicación de una fuerza para la transmisión de un par.

La presente invención se refiere a un punto de aplicación de una fuerza para la transmisión de un par de torsión, formado por lo menos de dos superficies de ataque que se encuentran en un contorno axial, como en un orificio axial de un elemento de máquina para una herramienta, que están destinadas a interaccionar cada una de ellas con una superficie de trabajo plana de la herramienta, que presenta varios cantos, poseyendo por lo menos una superficie de ataque del elemento de máquina una curvatura convexa (R_{S}) de tal manera que al girar la herramienta alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto del par a transmitir, el contorno de sección transversal de por lo menos una superficie de trabajo toca el contorno transversal de la superficie de ataque fuera de la zona de los cantos de la herramienta por lo menos tangencialmente, presentándose esencialmente un contacto cilindro contra plano, en el que el cilindro está formado por la superficie de ataque del elemento de máquina y el plano por la superficie de trabajo de la herramienta.

Un punto aplicación de fuerza de esta clase se puede prever en diferentes elementos de máquina, por ejemplo, en elementos de unión, tales como tornillos. Las llaves utilizadas para la transmisión del par para apretar o aflojar tornillos están sujetas en cuanto al diámetro del vástago y a las medidas de los cantos a la normativa (DIN 911). Las herramientas están fabricadas, en general, de un material más duro que el elemento de la máquina. Especialmente se emplean para la formación del contorno de los orificios del elemento de la máquina herramientas de dos, cuatro y seis lados. Para ello también es conocido emplear herramientas de varios lados, cuyos cantos están redondeados. En la transmisión del par al elemento de la máquina se presentan tensiones de desplazamiento dentro de la herramienta y del elemento de la máquina y a una presión superficial entre las superficies de trabajo de la herramienta y las superficies de ataque del elemento de la máquina. El achatado que se presenta en el punto de contacto, de acuerdo con el tamaño del radio de la herramienta, en su canto es sólo reducido, de tal manera que las tensiones que se presentan se concentran sólo sobre una superficie muy pequeña, con lo cual se pueden presentar considerables daños en la superficie de ataque de la herramienta dentro del orificio del tornillo. Esto se debe también a la influencia de las tolerancias de fabricación de la herramienta en una longitud de la zona de contacto a configurar. Así, se puede mostrar que la longitud de contacto decrece muy fuertemente con la desviación creciente de la medida nominal, ya que la herramienta se ladea fuertemente dentro del orificio del tornillo.

La patente US-A-4 930 378 describe una llave de tornillo con una abertura de enchufe poligonal en sección transversal (en la forma base hexagonal de dodecagonal), en la que la configuración de la superficie de trabajo difiere de la configuración plana conocida de la superficie de trabajo de una herramienta. La llave comprende una abertura con superficies de apoyo curvadas, en forma de arco de círculo, que une los pares correspondientes de superficies planas. En una forma de realización con un contorno hexagonal de la forma base de la abertura de enchufe la llave posee para ello seis superficies planas en la dirección periférica y seis pares de superficies planas alineadas en ángulo. Una superficie de apoyo curvada une una superficie plana en la dirección periférica con una superficie de un par de las superficies alineadas en ángulo. En una forma de realización, con un contorno de doce ángulos en la forma base de la abertura de enchufe posee la llave doce pares de superficies planas alineadas en ángulo, que cada una de ellas están unidas por las superficies de apoyo curvadas. Además, se han previsto superficies de unión, que unen las superficies planas de un par de superficies planas alineadas en ángulo y que puedan estar también curvadas. Para los radios que se presentan en las superficies de apoyo o en las superficies de unión se indican relaciones de tamaño preferentes con relación al ancho de la boca de la llave. En las superficies de apoyo curvadas en forma de arco se apoya en el proceso de atornillado un elemento de fijación hexagonal que presentan tolerancias convencionales, sin que para ello se presente un apoyo de las superficies planas en el elemento de fijación. Debido a que se evita un apoyo de esta clase de las superficies planas de la llave, en el elemento de fijación, se pueden formar en una zona de contacto pequeña elevadas puntas de tensión, que tienen un efecto desfavorable en la duración del tornillo y/o de la llave.

Durante el giro de un elemento de máquina con un punto de aplicación de una fuerza del tipo descrito se ladea la herramienta en el orificio axial del elemento de máquina, de tal manera que las superficies de trabajo de la herramienta no se apoyan completamente dentro del orificio del elemento de la máquina. El ladeado es tanto mayor cuanto más difiera la herramienta de su medida nominal debido a la medida inferior de tolerancia. En consecuencia de ello, en la transmisión del par se llega en esta zona a una concentración de las tensiones mecánicas y a la presencia de puntas de tensión. Estas tensiones conducen frecuentemente, de forma muy rápida, al deterioro del elemento de la máquina y/o de la herramienta, ya que pueden tomar valores que se encuentran en la zona límite de elasticidad del material. Un caso similar está en el objeto más alejado del documento GB-A-2 061 439.

Sobre todo en el empleo de atornilladoras mecánicas se presentan daños en la superficies de ataque de los tornillos. Si el tornillo está recubierto de una capa de protección contra la corrosión, se puede destruir ésta por lo menos parcialmente y con ello es ineficaz. Los daños en la herramienta en el caso más desventajoso se presentan durante el atornillado automático en parte tan rápidamente que la duración de una herramienta de esta clase se encuentra por debajo de 1000 atornillados. A causa del juego debido a las tolerancias de la herramienta dentro del orificio axial del elemento de máquina, puede originarse después de un corto tiempo de solicitación del material un resbalamiento de la herramienta.

Por el documento DE-A-24 43 719 se conoce una unidad de transmisión del par, especialmente formada por una herramienta y un elemento de máquina, en la que para la mejora de la formación de contacto durante el atornillado en una pieza (herramienta o elemento de máquina) se ha previsto una configuración de la superficie formada de un gran número de superficies curvadas convexas del mismo tamaño del contorno axial, estando dispuestas las superficies curvadas convexas paralelas al eje central de la pieza. Con un elemento de máquina, como un tornillo con un orificio axial, o una superficie de ataque que se encuentra en el contorno exterior para una herramienta, se puede extender las superficies convexas radialmente hacia el interior o hacia el exterior. Especialmente para la superficie convexa correspondiente se ha previsto una curvatura circular. Pero como ya se ha indicado en la solicitud de patente citada, no se puede excluir siempre, en esta realización, que se compriman los cantos de la herramienta para aplicar un par contra la superficie de ataque del elemento de máquina (en el caso descrito llave de vaso o llave de boca). Ciertamente en la unidad de transmisión del par conocida por el documento DE-A-24 43 719 se exige por ello un determinado radio de curvatura para la superficies de ataque convexa en forma de arco, pero este requerimiento es insuficiente, ya que, por ejemplo, las tolerancias inferiores admisibles en las herramientas de atornillado no han encontrado ninguna consideración. El documento no contiene ninguna descripción cuantificada de los fenómenos que se presentan durante el proceso de atornillado, tales como los posibles procesos de achatado o de las tensiones mecánicas que se presentan.

Partiendo de este estado de la técnica la invención tiene por objeto formar más ventajosamente un puntos de aplicación de la fuerza para la transmisión del par, del tipo descrito al principio, en relación a la interacción con una herramienta, de tal manera que en la transmisión del par se reduzcan el peligro de deterioros. El elemento de máquina se debe producir para ello con el menor coste posible.

El objeto de la invención se consigue gracias a que la curvatura convexa de la superficie de ataque está formada de tal manera que los cantos de la herramienta al girar la herramienta se encuentran alrededor de su eje longitudinal fuera de una zona achatada hertziana de la superficie de ataque del elemento de máquina para la herramienta, presentando la herramienta una distancia, que se encuentra en una zona de tolerancia de las dos superficies de trabajo, y la curvatura convexa de la superficie de ataque está formado de tal manera que al girar la herramienta en su eje longitudinal se encuentra al girar la herramienta bajo la fuerza normal F_{N} un achatado según la ecuación

A\geq 1,076 \sqrt{\frac{F_{N}R_{S}}{EL}}\eqnum{(1)}

con E como módulo de elasticidad medio y L como una longitud máxima de la zona de apoyo de los cantos de la herramienta en la superficies de ataque del elemento de máquina y se encuentran una presión superficial máxima

\sigma_{max}\leq 0,418 \sqrt{\frac{F_{N}E}{LR_{S}}}\eqnum{(2)}

que es esencialmente independiente de la distancia (D) de las superficies de trabajo.

Si un par se debe aplicar entre un punto aplicación de la fuerza según la invención se debe transmitir desde una herramienta para un elemento de máquina, cuando, por ejemplo, se deberá apretar o soltar un tornillo, la herramienta, por ejemplo, se introduce en el orificio axial y se gira. Mediante la curvatura según la invención de la superficie de ataque del elemento de máquina, no se apoya el canto de la herramienta ni al inicio ni durante la transmisión del par en la superficies de ataque del elemento de máquina, sino sólo en una zona definida por el canto de la herramienta alejada de su superficie de trabajo.

Con ello ni la configuración del canto de la herramienta ni la separación que se encuentra dentro de una zona de tolerancia de las superficies de trabajo de la herramienta tienen con ello una influencia sobre las tensiones de presión que se forman en el punto de contacto. Las relaciones de contacto que se presentan entre la herramienta y tornillo se pueden escribir con ayuda de las ecuaciones hertzianas, si la herramienta y elemento de máquina se interpretan como dos cuerpos elásticos. Las ecuaciones hertzianas se pueden aplicar para la configuración y tamaño de la superficie de presión (achatado) así como al tamaño y distribución de las tensiones de presión existentes, por ejemplo, al cálculo de las tensiones máximas que se presentan (Hertz, H.: Über de Berührung fester elektrischer Körper.- En: Journal für reine und angewandte Mathematik (Crelle).- Berlín 92 (1881).- Pág. 155 y siguientes). Estas ecuaciones son integrales críticas de primer orden y se determinan tomando como base la teoría estricta de la elasticidad. Para el cálculo de casos especiales del contacto de determinados cuerpos con superficies conexas, planos o cóncavas, tales como esferas contra placas, cilindro contra cilindro, etc., se deriven de la teoría hertziana fórmulas de cálculo especiales, presentándose el presente caso en el punto de contacto en una primera aproximación, un contacto de cilindro contra plano. El cilindro es con ello, según la invención, la superficie de ataque del elemento de la máquina y el plano es la superficie de trabajo de la herramienta, de tal manera que la fórmula (2) relacionada anteriormente tiene validez.

Como ya se ha citado, en ella F_{N} es la fuerza normal, con la que la herramienta se comprime contra la superficie de ataque del tornillo, y L la longitud axial de la zona de apoyo del canto de la herramienta a través de la profundidad del contorno axial, como el orificio axial. E es un valor medio del módulo de elasticidad. R_{S} es una medida para la curvatura convexa de la superficie de ataque del elemento de máquina. Esta medida de curvatura R_{S} puede configurarse mayor según la invención en un múltiplo del radio de curvatura del canto de la herramienta, con lo cual las tensiones máximas \sigma_{max} que se presentan en el punto de contacto son mucho menores que con un tornillo conocido. Preferentemente se puede elegir la medida de curvatura R_{S} de la superficie de ataque en la magnitud de la medida del canto, es decir, de la distancia entre los cantos opuestos de la herramienta.

El tamaño del achatado A resulta con materiales metálicos para la herramienta y elemento de máquina de acuerdo con la ecuación anterior (1). Puesto que el radio de curvatura R_{S} de la superficie de ataque del elemento de máquina puede tomar un valor mayor en relación al redondeado de un canto de herramienta, resulta en este caso ventajosamente un achatado grande A, es decir, en caso especial una superficie de contacto grande entre la superficie de trabajo de la herramienta y de la superficie de ataque del tornillo. El peligro de presentarse deterioros en la superficie de ataque del tornillo está con ello casi excluido.

Además, hay que tener en cuenta que la medida de curvatura R_{S} de la superficie de ataque del elemento de máquina se modifica como consecuencia del achatado en la transmisión del par, de tal manera que en las ecuaciones (1) y (2) se ha de encontrar una medida de curvatura R_{S,} que se modifica en el tiempo o en función de la carrera, lo que lleva a la determinación cuantitativa de la tensión máxima \sigma_{max} y del achatado A a una igualdad diferencial. Teniendo en cuenta las condiciones marginales correspondientes se puede determinar el tipo de la modificación necesaria de la medida de curvatura R_{S} con carga y con otros valores concretos para la curvatura convexa según la invención de la superficie de ataque del elemento de máquina. Para ello se ha previsto un punto de ataque de fuerza tal que con la curvatura convexa R_{S} de la superficie de ataque del elemento de máquina para la herramienta se puede configurar de tal manera que durante el giro de la herramienta alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto de una fuerza normal F_{N}, según la ecuación (1), se ajusta el achatado A y la presión de superficie máxima \sigma_{max} según la ecuación (2), siendo ésta última esencialmente independiente de la distancia D de las superficies de trabajo de la herramienta.

Además, es especialmente ventajosa también una curvatura R_{S} de la superficie de ataque, mediante la cual durante el giro de la herramienta alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto del par a transmitir M_{H} se tienen una tensión de empuje \tau_{max} según la ecuación \tau_{max}=\frac{|\sigma_{max}-\sigma_{min}|}{2}\eqnum{(3)} que esencialmente es independiente de la distancia de las superficies de trabajo de la herramienta. \sigma_{max} y \sigma_{min} son para ello las tensiones principal máxima y mínima que se presentan en un estado de tensión de varios ejes.

La ventaja de una curvatura convexa R_{S} de esta clase según la invención se puede demostrar mediante la aplicación de la hipótesis de la tensión de empuje de Tresca. Ésta parte de la idea de que las modificaciones plásticas tienen lugar como desplazamientos, que se activan por tensiones de desplazamientos, y permiten calcular una tensión de comparación \sigma_{v} referida al estado de tensión de un eje, que después se considera como decisiva para la solicitación del material. Tan pronto como una tensión de comparación \sigma_{v} alcanza un valor característico de resistencia para el estado de tensión de un eje (en el caso presente el valor doble de una tensión de empuje crítica \tau_{k}) se presenta el caso de fallo. Para la tensión de comparación \sigma_{v} es válida la presencia de presiones superficiales y teniendo en cuenta el círculo de tensión de Mohr para el estado de tensión de varios ejes \sigma_{v} = | \sigma_{max} - \sigma_{min} | = 2 \tau_{max}\eqnum{(4)}

La tensión de comparación \sigma_{v} es, además, en este caso igual al doble de la tensión de empuje máxima \tau_{max,} y la tensión de empuje máxima que se presenta \tau_{max} es comparable a una tensión de empuje crítica \tau_{max}.

Otras características ventajosas de la invención están contenidas en las son reivindicaciones así como en la siguiente descripción.

Mediante varios ejemplos de realización preferentes mostrados en el dibujo se explicará a continuación la invención. Los dibujos muestran:

La figura 1, de sección transversal, una representación ampliada de un primer ejemplo de realización de un punto de aplicación de fuerza según la invención en un tornillo, con una herramienta para apretar y aflojar el tornillo,

La figura 2, en sección transversal, una representación ampliada de un punto aplicación de fuerza en un tornillo con una herramienta para apretar y aflojar el tornillo, para mostrar las fuerzas que se presentan con un ángulo de rotación determinado de la herramienta,

La figura 3, un detalle de un segundo ejemplo de realización en una representación en una escala ampliada con relación a la de la figura 1,

La figura 4, una representación de acuerdo con la figura 3, de un tercer ejemplo de realización de un punto de aplicación de fuerza según la invención en un tornillo.

En las diferentes figuras del dibujo se han representado las mismas partes con los mismos signos de referencia, de tal manera que éstas, en general, también sólo se describen una vez. Para el siguiente ejemplo de realización representado se han designado en la figura 2 las piezas correspondientes siempre mediante el sufijo ``a'' para la cifra de referencia.

Como muestra la figura 1, una primera realización de un punto de aplicación de fuerza según la invención en un tornillo 1 para la interacción con una herramienta 2 posee seis superficies de ataque 4 que se encuentran en un orificio axial 3. Se trata de un tornillo de hexágono interior. La herramienta 2 es una llave hexagonal con seis superficies de trabajo planas 5, que limitan una con la otra informante esta manera seis cantos 6. En el primer ejemplo de realización se han redondeado los cantos 6 de la herramienta 2, como indica la figura 1, en los ejemplos de realización mostrados en los demás figuras, no. Con el tornillo 1 presentan las superficies de ataque 4 en la zona de los cantos del orificio 7 alineados especialmente curvas cóncavas.

La herramienta 2 se ha representado dentro del orificios axial 3 del tornillo 1 en una posición girada alrededor de su eje longitudinal. Los ejes longitudinales tanto del tornillo 1 como también de la herramienta 2 discurren para ello perpendiculares al plano de representación. Las superficies de ataque 5 del tornillo 1 presentan una curvatura R_{S} convexa de tal manera que durante la rotación de la herramienta 2, alrededor de su eje longitudinal dentro del orificio 3, los contornos de la sección transversal de las superficies de trabajo 5 establece contacto con los contornos de la sección transversal de las superficies de ataque 4 del tornillo fuera de la zona de los cantos 6. Para el inicio de una rotación del tornillo se trata para ello de un contacto tangencial de los contornos de las superficies de ataque 4 y de las superficies de trabajo 5, es decir, de un contacto en un punto.

Mediante la fuerza normal F_{N} que se presentan durante la transmisión del momento M_{H} para apretar o aflojar el tornillo 1 el contacto de los contornos de las superficies de ataque 4 y de las superficies de trabajo 5 como consecuencia del achatamiento A que se presenta, se convierte en un contacto de forma lineal. Para ello se forma a través de una longitud L (no visible en las figuras) perpendicular al plano de representación en la profundidad del orificio axial 3 que se extiende entre las superficies de trabajo 5 a la superficie de ataque 4 en una zona 8 una superficie de contacto.

Según la invención, la curvatura convexa R_{S} de las superficies de ataque 4 es para ello de tal manera que los cantos 6 de la herramienta 2 durante el giro de la herramienta 2 se encuentran en su eje longitudinal dentro del orificio 3, fuera de la zona de achatado 2A de la superficie de ataque 4. En este caso, es ventajoso que no se llegue en ningún instante de la transmisión del par como consecuencia de la fuerza normal F_{N} para apretar o soltar el tornillo 1 a un contacto de los cantos 6 de la herramienta 2 con la superficie de ataque 4 del tornillo 1. La curvatura convexa R_{S} de la superficie de ataque 4 del tornillo 1 se puede configurar para ello diferentemente, de tal manera que como sección de una elipse, cuyo semieje mayor se extiende para ello preferentemente paralelo a un plano imaginario entre dos cantos 7 adjuntos del orificio 3.

Para las tensiones normales máximas \sigma_{max} que se forman en la zona de contacto 8 entre la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 y de la superficie de ataque 4 (o 4a) del tornillo 1 (o 1a) es importante la influencia de las tolerancias de medición (separación recíproca de las superficies de trabajo 5) de la herramienta 2 a las fuerzas normales F_{N} debidas a un ángulo de giro \alpha de la herramienta 2 en el orificio 3 del tornillo 1 a diferentes alturas. Ésta influencia se ve claramente por la figura 2 y de las siguientes explicaciones. Con un par de apriete uniforme M_{H} de la herramienta 2 y con ello la fuerza tangencial constante F_{t} aumenta, como se aprecia en la figura 2, con el ángulo de rotación creciente á la fuerza normal F_{N} de acuerdo con la siguiente ecuación

F_{N}=\frac{F_{t}}{cos(\alpha+60

^\circ

)}\eqnum{(5)}

A título de ejemplo, se ha medido el ángulo de torsión \alpha empleando un hexágono con medida nominal D y con una medida inferior que se encuentra dentro del campo de tolerancia admisible para la separación de la superficies de trabajo 5.

De ello resulta, con un perfil conocido del tornillo, 1a conformación recta de las superficies de trabajo 4a con medida inferior, un ángulo de torsión \alpha, que lleva a un incremento de la fuerza normal F_{N} de un 15% con relación a la medida nominal. Con el perfil según la invención del tornillo 1 resulta un ángulo de torsión á mayor. Esto lleva a la medida inferior a un incremento de la fuerza normal F_{N} de un 24%. Debido a la superficie de contacto que se amplía bajo el efecto de una fuerza normal mayor F_{N} debido a la configuración según la invención del contorno convexo R_{S} de la superficie de ataque entre la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 y de la superficie de ataque 4 del tornillo 1 permanecen las tensiones normales \sigma_{max} máximas que se forman en el punto de aplicación de la fuerza a pesar de la fuerza normal más elevada F_{N} para un nivel comparativamente bajo.

Se demuestra también que la zona 8 de la introducción de fuerza con el perfil según la invención se encuentran más lejos de los cantos 6 de la herramienta 2 que en la zona 8a de la introducción de fuerza con el perfil de comparación investigada. De este modo se cuida el cantos 6 de la herramienta 2, y es de esperar una duración mayor de la herramienta 2.

El perfil R_{S} según la invención está además configurado de tal manera que la posición de un punto de contacto central en la zona 8 de la introducción de fuerza es independiente de la carga. Con carga creciente del tornillo 1 se amplía ciertamente la longitud 2A de la zona de contacto (zona 8) mediante achatamiento, pero permanece casi invariable la posición central de la zona 8 de la introducción de fuerza.

Las tolerancias de las dimensiones de la herramienta 2 influyen la posición de la zona de contacto (zona 8) sobre la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 con el perfil según la invención, que con una transición de la medida nominal D a la medida mínima, empuja la zona de contacto ligeramente hacia los cantos amenazados de la herramienta 6. Con el perfil de comparación no se observó ningún desplazamiento, ya que la herramienta 2 de forma desfavorable establecía contacto primeramente siempre con su canto exterior 6 en la superficie de ataque 4 del tornillo 1.

Con el perfil de comparación se ha observado una zona menor e influida por tensiones mecánicas mayores, mientras que con el perfil según la invención las relaciones eran inversas. Se encuentra una zona mayor influida por las tensiones del tornillo 1 con pequeñas puntas de tensión. Esto se debe a una longitud de contacto mayor 2A en la zona 8 de la introducción de fuerza. La longitud de contacto 2A, en general mayor con el perfil según la invención, condujo a presiones superficiales más reducidas entre la superficie de ataque 4 del tornillo y la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2. La longitud de contacto 2A decrece con la carga creciente, tanto en la ejecución según la invención, como también en la ejecución de comparación. Si se imagina estas curvas de tensión como figura topográfica, entonces mostraría la absorción del perfil de comparación, sin embargo, un crecimiento más fuerte del gradiente de tensión. En el perfil según la invención, se encuentra, en cambio, un gradiente de tensión que discurre plano, lo que indica una solicitación menor del material.

En la determinación de la dependencia de la tensión de empuje \tau_{max} en la zona de contacto 8 (u 8a) del momento de carga resultan en el perfil de comparación elevadas tensiones de empuje, que pueden provocar deformaciones elásticas y plásticas. Especialmente en la aplicación repetida del par de apriete M_{H} son de esperar deformaciones permanentes en la cabeza del tornillo 1a.

En el perfil según la invención se ha configurado la curvatura convexa R_{S} de la superficie de ataque 4 de tal manera además que con el giro de la herramienta 2 alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto del par a transmitir M_{H} la tensión de empuje \tau_{max} según la ecuación (3) es esencialmente independiente de la distancia D a las superficies de trabajo 5. Para las mismas distancias D se ha encontrado con ello las tensiones de empuje máximas que se presenten \tau_{max} claramente menores (aproximadamente de un tercio a la mitad) que en la realización de comparación.

La figura 3 muestra un segundo ejemplo de realización de la invención, en el que la curvatura convexa R_{S} de una superficie de ataque 4 que está compuesta de un tornillo 1 provisto de ataque de fuerza según la invención de varias secciones. La curvatura convexa R_{S} de la superficie de ataque representada 4 para la herramienta 2 se puede describir mediante dos segmentos de arco de círculo, cada uno de ellos con radios R, que parten de las zonas de la superficie de ataque 4 que se encuentran lateralmente paralelas al eje longitudinal del orificio 3 y sus puntos centrales se encuentran a la distancia b a lo largo de la superficie de ataque 4 desplazados en una longitud de desplazamiento a entre ellos. Los dos segmentos de arco de círculo se unen en el eje central X-X de la superficie de ataque 4. Mediante el contorno de la superficie de ataque 4 que retorna antes del centro para la zona exterior de la superficie de ataque 4 y la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 del tornillo según la invención 1, ésta esta protegida también en casa de carga por un elevado momento M_{H} contra deterioros mediante los cantos de la herramienta 6. Las superficies de contacto que se forman para apretar y aflojar entre la superficie de ataque 4 y la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 se amplía con ello ventajosamente como en la primera realización con fuerza normal creciente F_{N} y las tensiones máximas que se presenten \sigma_{max} permanece reducidas.

El contorno de la superficie de trabajo 4 del tornillo 1 esta configurado simétrico con relación al eje central X-X de la superficie de ataque 4. Cada uno de la superficies de ataque 4 y una superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 establece contacto durante la torsión de la herramienta 2 alrededor de su eje longitudinal dentro del orificio 3 en la zona central, entre los cantos del orificio 7 alineado axialmente. Esta configuración simétrica es por ello ventajosa, porque con ello, al apretar el tornillo 1 en consideración al contacto con las superficies de trabajo 5 de la herramienta 2, se originan las mismas condiciones ventajosas teniendo en cuenta el aspecto de la protección frente a deterioros como al aflojar el tornillo 1.

El tercer ejemplo de realización mostrado en la figura 4 se distingue porque la curvatura convexa R_{S} de la superficie de ataque 4 representada está descrita para la herramienta 2 mediante dos segmentos de arco B, descritos cada uno de ellos mediante una función exponencial y = a^{x}, que parten de las zonas laterales de las superficies de trabajo 4, que se encuentran paralelas al eje longitudinal del orificio 3. El tercer ejemplo de realización es equivalente al segundo ejemplo de realización en la medida que los dos segmentos de arco B se unen en el eje central X-X de la superficie de ataque 4 y con ello se encuentra un contorno simétrico de la superficies de contacto 4. Este ejemplo nuestra especialmente que el contorno de la superficie de ataque 4, que el achatado A que se presenta al apretar y aflojar el tornillo se pueden adaptar de manera adecuada de tal forma que la longitud de contacto que se forma entre la superficies de trabajo 5 de la herramienta 2 y la superficie de ataque 4 del tornillo 1, es todavía mayor que el valor anteriormente citado 2A con A en una visión estática según la ecuación (1) para el caso especial cilindro contra plano. Las tensiones máximas que se presentan \sigma_{max} son entonces ventajosamente menores que las calculadas según la ecuación (2), ya que la superficies de contacto que se forma entre la superficie de trabajo 5 de la herramienta 2 y la superficie de ataque 4 del tornillo 1 con fuerza normal creciente F_{N} aumenta más intensamente que con un contacto cilindro contra plano.

Además, tiene lugar en la tercera realización la visión dinámica, según la cual la medida de la curvatura R_{S} de la superficie de ataque 4 del elemento de máquina, se modifica en consecuencia del achatado A mientras la transmisión del par se modifica. La función

\hbox {y = a ^{x} }

representa para ello una solución general aproximada de una ecuación diferencial para una medida de curvatura R_{S} que se modifica en las ecuaciones (1) y (2) temporalmente o en función de la carga, pudiéndose considerar como consecuencia de la distancia diferente D de la superficies de trabajo 5 la fuerza normal que se modifica F_{N}.

La presente invención no se limita a los ejemplos descritos, sino que comprende también todas las realizaciones equivalentes en el sentido de la invención, tales como curvas convexas R_{S} de la superficie de ataque 4 del elemento de máquina, que difiere de las anteriormente citadas. Se pueden prever también otras medidas para la protección contra deterioros, como una dimensión especial de las curvas cóncavas ya citadas de los cantos de orificio 7 dirigidos axialmente a las superficies de ataque 4 del elemento de máquina. Se pueden emplear ventajosamente en el ataque de fuerza según la invención herramientas 2 que presentan superficies de trabajo 5 planas normalizadas. Mediante la prolongación de la longitud L del orificio axial 3 no es necesaria ninguna modificación del contorno del orificio, ya que sólo mediante la configuración de la superficie de ataque 4 del elemento de máquina se alcanza en un plano las mejoras deseadas, con lo cual se proporciona también la posibilidad de una fabricación con un menor dispendio.

Signos de referencia

1

tornillo (según la invención)

1a

tornillo (ejemplo de comparación)

2

herramienta

3

orificio de 1

3a

orificio de 1a

4

superficie de ataque de 1 para 2

4a

superficie de ataque de 1a para 2

5

superficie de trabajo de 2 para 1

6

canto de 2

7

canto de orificio de 1

7a

canto de orificio de 1a

8

zona de la introducción de fuerza, zona de contacto de 1

8a

zona de la introducción de fuerza, zona de contacto de 1a

A

achatado

a

longitud de traslación

B

segmentos de arco

b

distancia de desplazamiento

D

distancia entre dos superficies de trabajo 5 de 2

E

módulos de elasticidad medio

F_{N}

fuerza normal

F_{t}

fuerza tangencial

L

línea de contacto en 3

M_{H}

momentos de torsión estático

R

radio

R_{s}

contorno convexo, medida de curvatura de 4

X-X

eje central de 4

\alpha

ángulo de torsión de 2 en 3

\sigma_{max}

tensión máxima

\sigma_{min}

tensión mínima

\sigma_{v}

tensión de comparación

\tau_{max}

tensión de empuje principal máxima

\tau_{K}

tensión de empuje crítica con solicitación en un eje

Claims (10)

1. Punto de aplicación de una fuerza para la transmisión de un par de torsión, formado por lo menos de dos superficies de ataque (4) que se encuentran en un contorno axial, como en un orificio axial (3) de un elemento de máquina (1) para una herramienta (2), que están destinadas a interaccionar cada una de ellas con una superficie de trabajo plana (5) de la herramienta (2), que presentan varios cantos (6), poseyendo por lo menos una superficie de ataque (4) del elemento de máquina (1) una curvatura convexa (R_{S}) de tal manera que al girar la herramienta (2) alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto del par (M_{H}) a transmitir, el contorno de sección transversal por lo menos toca una superficie de trabajo (5) el contorno transversal de la superficie de ataque (4) fuera de la zona de los cantos (6) de la herramienta (2) por lo menos tangencialmente, presentándose esencialmente un contacto cilindro contra plano, en el que el cilindro esta formado por la superficie de ataque (4) del elemento de máquina (1) y el plano por la superficie de trabajo (5) de la herramienta, caracterizado porque la curvatura convexa (R_{S}) de la superficie de ataque (4) está formada de tal manera que los cantos (6) de la herramienta (2) al girar la herramienta (2) se encuentran alrededor de su eje longitudinal fuera de una zona achatada hertziana (2A) de la superficie de ataque (4) del elemento de máquina (1) para la herramienta (2), presentando la herramienta (2) una distancia (D), que se encuentra en una zona de tolerancias, de las dos superficies de trabajo (5), y la curvatura convexa (R_{S}) de la superficie de ataque (4) está formada de tal manera que al girar la herramienta (2) en su eje longitudinal se encuentra al girar la herramienta (2) bajo la fuerza normal (F_{N}) un achatado (A) según la ecuación

A\geq 1,076 \sqrt{\frac{F_{N}R_{S}}{EL}}

con E como módulo de elasticidad medio y L como una longitud máxima de la zona de apoyo del canto (6) de la herramienta (2) en la superficies de ataque (4) del elemento de máquina (3) y se encuentran una presión superficial máxima

\sigma_{max}\leq 0,418 \sqrt{\frac{F_{N}E}{LR_{S}}}

que es esencialmente independiente de la distancia (D) de las superficies de trabajo (5).

2. Punto de aplicación de una fuerza, según la reivindicación 1, caracterizado porque la curvatura convexa (R_{S}) de la superficie de ataque (4) está configurada de tal manera que durante el giro de la herramienta (2) alrededor de su eje longitudinal bajo el efecto del par a transmitir (M_{H}) se presente una tensión de empuje (\tau_{max}) según la igualdad

\tau_{max}=\frac{|\sigma_{max}-\sigma_{min}|}{2}

con \sigma_{max} como la tensión principal máxima que se presenta y \sigma_{min} como la tensión principal mínima que se presenta en un estado de tensión de varios ejes, que esencialmente es independiente de la distancia (D) de la superficies de trabajo (5).

3. Punto de aplicación de una fuerza, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque cada una de las superficies de ataque (4) y una superficies de trabajo (5) de la herramienta (2) durante la rotación de la herramienta (2) establece contacto alrededor de su eje longitudinal dentro del orificio (3) en la zona central entre los cantos del orificio alineado parcialmente (7).

4. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la curvatura convexa (R_{S}) de por lo menos una superficie de ataque (4) para la herramienta (2) está descrita por lo menos por una sección de elipse.

5. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la curvatura convexa (R_{S}) de por lo menos una superficie de ataque (4) está descrita para la herramienta (2) mediante dos segmentos de arco, que parten de las zonas de la superficies de ataque que se encuentran paralelas al eje longitudinal lateral del orificio (3) y su punto central se desplaza a lo largo de la superficie de ataque (4) en una longitud de desplazamiento (a) con relación a la otra.

6. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la curvatura convexa (R_{S}) está descrita por lo menos por una superficie de ataque (4) para la herramienta (2) mediante dos segmentos (B) de una función exponencial que parte de las zonas de la superficie de ataque, que se encuentran lateralmente paralelas al eje longitudinal del orificio (3).

7. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque en la zona de un canto de un orificio (7) dirigido a axialmente presenta por lo menos una superficie de ataque (4), una curvatura cóncava.

8. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque por lo menos presenta dos superficies de ataque (4) opuestas, preferentemente todas, la curvatura convexa (R_{S}).

9. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el orificio (3) presenta un contorno de sección transversal cuadrangular.

10. Punto de aplicación de una fuerza, según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el orificio (3) presenta un contorno de sección transversal hexagonal.