CN113302406B - 紧嵌式紧固件 - Google Patents

Abstract

一种紧嵌式紧固件，包括设置在所述紧嵌式紧固件的头部下方的多个肋条，其中所述肋条具体地被配置为使主体材料比常规的紧嵌式紧固件更均匀地移位。为此，在横截面中，沿着从所述紧嵌式紧固件的中心轴线到所述紧嵌式紧固件的所述头部的外周边的线、弧或组合，每个肋条优选地提供由多个区段形成的弯曲表面，其中不同半径限定所述区段中的至少两者。所述肋条的配置允许主体材料以排放的方式逸出到肋条外径之外，并且提供在径向上集中的材料移位，从而释放所述主体材料内的应力并且减少紧嵌期间的翘曲。

Description

紧嵌式紧固件

相关申请(优先权声明)

本申请要求2019年1月8日提交的美国临时申请序列号62/789,880的权益，并且特此以引用的方式整体并入本文。

背景技术

紧嵌式紧固件是紧固件行业中众所周知的，并且以许多不同的形式出现，诸如螺母、螺栓、销、压铆螺母柱等。不管确切形式如何，在安装期间，紧嵌式紧固件通常都会被压入到工件中已经预先形成的圆形安装孔中。工件由易延展并比紧嵌式紧固件柔软的主体材料形成。一旦紧嵌式紧固件已经被适当地安装，就能防止紧嵌式紧固件相对于主体材料旋转，并且还能防止轴向移动。因此，一旦被安装，紧嵌式紧固件就有效地变为工件的永久部件。

紧嵌式紧固件用于某些应用中，因为所述紧嵌式紧固件提供若干优点。例如，通常，紧嵌式紧固件与冲压或攻丝螺纹相比较更为可靠并且提供增加的保持力。紧嵌式紧固件用于金属片中需要足够的推出力/拉拔力(即，轴向保持载荷)和扭矩的应用中，所述金属片太薄和/或太容易延展，以至于无法通过任何其他合适的方法来提供牢固的紧固。即使在金属片可能是足够厚的以允许螺纹攻丝的应用中，代替将螺纹攻丝到金属片中，使用带螺纹的紧嵌式紧固件往往也是更经济的选择。紧嵌式紧固件可在制造期间安装以消除最终组装期间的松动硬件。另外，使用紧嵌式紧固件通常允许使用较薄的金属片，并且由于所述紧嵌式紧固件的紧凑设计和薄轮廓而提供整洁的外观。

紧嵌式紧固件通常用于必须容易地更换部件，并且无法接近松动硬件的应用中。由于紧嵌式紧固件可在金属制造期间安装，因此所述紧嵌式紧固件可简化并加速部件安装和组装操作，包括现场执行的那些操作。

如上所述，当通过将紧嵌式紧固件压入到工件中(诸如金属片中)的安装孔来安装所述紧嵌式紧固件时，紧嵌式紧固件使主体材料围绕安装孔移位，从而使主体材料冷流到紧嵌式紧固件中的环形凹槽或底切中。紧嵌式紧固件的安装往往会导致主体材料中出现高应力区域(通常在紧固件的头部下方)，有时达到以下程度：存在工件的翘曲(其中接合处受到不利影响)，或者紧嵌式紧固件在安装之后以不垂直于工件而告终(即，紧嵌式紧固件是扭曲的或歪曲的)。

发明内容

本发明的一个实施方案的目的是提供一种紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件被配置为在主体材料中提供更均匀的应力分布。

简而言之，本发明的一个实施方案提供了一种紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件包括设置在所述紧嵌式紧固件的头部下方的多个肋条，其中所述肋条具体地被配置为使主体材料比常规的紧嵌式紧固件更均匀地移位。为此，在横截面中，沿着从所述紧嵌式紧固件的中心轴线到所述紧嵌式紧固件的所述头部的外周边的线，每个肋条优选地提供由多个区段形成的弯曲表面，其中不同半径或线段限定所述区段中的每一者。优选地，随着所述肋条延伸到所述紧嵌式紧固件的所述头部的所述外周边，所述肋条在高度上减小。另外地，优选地，所述肋条在所述头部下方等距地隔开，但是这不是必要的。

附图说明

可通过参考以下结合附图进行的描述来最好地理解本发明的结构和操作的组织和方式，以及本发明的其他目的和优点，其中相似的附图标记标识相似的元件，在附图中：

图1是现有技术紧嵌式紧固件的底视图；

图2是图1所示的现有技术紧嵌式紧固件的底部透视图；

图3是另一个现有技术紧固件的沿着图4的线3-3截取的横截面图；

图4是图3所示的现有技术紧嵌式紧固件的底部透视图；

图5是示出在已相对于工件(即，主体材料)安装图3和图4的现有技术紧嵌式紧固件之后的紧嵌式紧固件的部分横截面图(呈有限元分析图的形式)；

图6是呈螺栓的形式的紧嵌式紧固件的侧视图，其中紧嵌式紧固件是根据本发明的一个实施方案；

图7是图6所示的紧嵌式紧固件的底部透视图；

图8是图6和图7所示的紧嵌式紧固件的底视图；

图9是图6至图8所示的紧嵌式紧固件的沿着图6的线9-9截取的横截面图；

图10是示出在已相对于工件(即，主体材料)安装图6至图9的紧嵌式紧固件之后的紧嵌式紧固件的部分横截面图(呈有限元分析图的形式)；

图11有效地是在已相对于工件(即，主体材料)安装紧嵌式紧固件之后出于论述目的而标注的图9的盒状部分57；

图12是图8所示的紧嵌式紧固件的沿着图8中的线12-12截取的横截面图；并且

图13是非常类似于图6的底部透视图，但是其中紧固件是呈螺母的形式，而不是呈螺栓的形式。

具体实施方式

虽然本发明可包括呈不同形式的实施方案，但是附图中所示和本文将详细地描述的是具体实施方案，其中应理解本公开应被视为举例说明本发明的原理，并且不意图将本发明限制于所示的那些。

图1至图2示出了与美国专利号5,513,933中公开相一致的现有技术紧嵌式紧固件10。具体地，图1是所述紧嵌式紧固件的底视图，并且图2是所述紧嵌式紧固件的底部透视图。图3和图4示出了另一种类型的现有技术紧嵌式紧固件11。具体地，图3是所述紧嵌式紧固件的底视图，并且图4是所述紧嵌式紧固件的底部透视图。图1至图4所示的现有技术紧固件10和11两者都包括头部12、在头部12下方的直或平坦的肋条14、接近肋条14的环形凹槽16以及轴18。

尽管紧固件10和11两者都包括直或平坦的肋条14并且任一紧固件10或11都可用于解释目的，但是为了举例，提供了图5并且图5是示出在已相对于工件20(即，主体材料)安装图3和图4的现有技术紧嵌式紧固件11之后的紧嵌式紧固件的部分横截面图(呈有限元分析图的形式)。图5示出了在安装时，直肋条14使过多的主体材料移位，从而致使主体材料冷流到环形凹槽16中。这在紧嵌式紧固件11的头部12下方的主体材料20中引起了高应力区域，因为材料受到肋条的形状的限制，其中所述材料受阻而无法径向地向外流动，并且无法垂直于肋条流动。这可能会导致工件20的翘曲(即，其中工件20的表面在紧嵌式紧固件11附近，诸如在区域13中变形)，紧嵌式紧固件11在安装之后不垂直于工件20，以及关于接合处的其他不期望的特征。例如，肋条14中的每一者的配置往往会使工件材料在朝向相邻肋条的方向上移位，从而在肋条14之间引起增加的应力。

相比之下，图6至图8示出了根据本发明的一个实施方案的紧嵌式紧固件30(图9是图6至图8所示的紧嵌式紧固件30的沿着图6的线9-9截取的横截面图)。如所示，紧嵌式紧固件30类似于图1至图4所示的紧嵌式紧固件10和11，并且包括头部32、接近肋条36的环形凹槽34以及轴38。然而，图6至图9所示的紧嵌式紧固件30包括在头部32下方的肋条36，所述肋条36具体地被配置为使主体材料比常规的紧嵌式紧固件，诸如图1至图4所示的紧嵌式紧固件10和11更均匀地移位。如图7和图8所示，优选地，肋条36在头部32下方等距地隔开，但是这不是必要的。如在例如图7、图8和图12中所示，肋条36中的每一者的侧壁37可为渐缩的(虽然侧壁被示出为向外渐缩(即，相对于相邻肋条36)，但是所述侧壁可被提供为替代地向内渐缩)。

图10是示出在已相对于工件40(即，主体材料)安装图6至图9的紧嵌式紧固件30之后的紧嵌式紧固件30的一部分的部分横截面图(呈有限元分析图的形式)。如所示，由于具有特殊肋条36，紧嵌式紧固件30与图5中相对于对应的现有技术紧嵌式紧固件11所示相比较在主体材料中提供了更均匀的应力分布。考虑到其形状和配置，特殊肋条36中的每一者往往使工件材料向外，而不是朝向相邻肋条的方向移位。因此，在肋条之间最小化了应力。

优选地，紧嵌式紧固件30的每个肋条36有效地是相同的。现将参考图11更详细地描述图6至图10所示的紧嵌式紧固件30的肋条36。图11有效地是图9中出于论述目的而标注的盒状部分57，并且示出了在已相对于工件(即，主体材料)安装紧嵌式紧固件30之后的紧嵌式紧固件30。在图11中，“区域A”有效地是基于凹槽34的优选性能而通过预先确定的高度和宽度限定的凹槽的区域，所述凹槽34被配置为在紧嵌式紧固件30的安装期间接纳主体材料40的冷流。优选地，“区域A”的高度和宽度取决于标准，并且流动因数取决于安装期间紧嵌式紧固件30铆固的主体材料40的延展性(即，主体材料的延展性越大，流动因数越高)。尺寸“Rh”有效地是每个肋条36在其最高点处的高度，并且该尺寸优选地还取决于工件厚度。尺寸“Rd”有效地是从紧嵌式紧固件30的中心轴线42到每个肋条36的端部的距离(在图6至图10中也标识了中心轴线42)。该尺寸优选地取决于埋置和穿料要求。

如图11所示，在横截面中，沿着从紧嵌式紧固件30的中心轴线42到紧嵌式紧固件30的头部32的外周边(即，每个肋条36的端部)的线，每个肋条36由多个区段形成。如图11所示，优选地，随着肋条36朝向紧嵌式紧固件30的头部32的最外侧周边延伸(但是不一定一直延伸到所述最外侧周边)，所述肋条在高度上减小。优选地，每个肋条36开始于垂直于(或至少基本上垂直于)紧嵌式紧固件30的中心轴线42的区段。如图11所示，这个区段是从点E(即，凹槽的角部)到点A，并且被标识为矢量“Vea”。区域“区域B”是每个肋条36在其最高点处的高度(“Rh”)与“Vea”(即，从点E到点A的距离)两者的乘积。另外，“区域A”＝“区域B”乘以流动因数。

因此，

“区域B”＝“Rh”乘以“Vea”；

“Vea”＝“区域B”/“Rh”；并且

“Vea”＝(“区域A”/流动因数)/“Rh”

肋条36的其余部分优选地是多个区段，其中至少两者是由不同半径或多个短线段限定的弯曲区段。优选地，一个区段如图11所示从点A延伸到点B，并且由图11中标识为“弧R1”的半径限定。优选地，“弧R1”的焦点46或中心与点A竖直地相一致(即，平行于紧嵌式紧固件30的中心轴线42)，并且弧的半径为约10-60度并且取决于紧固件大小。

优选地，另一个区段如图11所示从点B延伸到点C(被定义为矢量Vbc)，并且是基本上平坦或直的(或可被提供为弧形的)。这在弧R1相对于水平线的斜率等于θ时开始于点B。弧R1和Vbc在点B处相切。然后，点C与点B具有线性关系并且由基于图11中的端点B和C的线性方程定义。点C相对于中心轴线的水平尺寸与点D的位置和弧R2直接相关。

又一个区段如图11所示从点C延伸到点D(即，肋条36的外端部)，并且由图11中标识为“弧R2”的半径限定。优选地，“弧R2”的焦点48或中心与点B竖直地相一致(即，平行于紧嵌式紧固件30的中心轴线42)，并且弧的半径为约10-60度。优选地，“弧R2”开始于点C并且终止于点D(即，肋条36的外端部)。优选地，“弧R1”和“弧R2”的焦点46、48或中心(即，它们的竖直位置表示它们相应地距离点A和B有多远)取决于“Rh”和“点D”，并且肋条36的轮廓从点A到点D是完全受约束的。

因此，肋条的多个区段形成肋条的参数轮廓，其中肋条的参数轮廓还由包括肋条高度、从紧固件的中心轴线到肋条的端部的距离以及如图11所示的预定义角度θ的参数限定。

图12是图8所示的紧嵌式紧固件30的沿着图8中的线12-12截取的横截面图。如所示，优选地，肋条36的侧部37诸如以角度α渐缩或倾斜，这可能会基于肋条形成期间出现的制造公差而变化。在本发明的一个实施方案中，仅出于图12所示的说明性目的，α是20度角(夹角，表示两个侧部)成角度(举例来说)，使得肋条36的侧部37的斜率有助于工件材料在铆固紧嵌式紧固件30期间在肋条36之间流动。

肋条36的配置提供了在径向上集中的材料移位，从而使片状材料40内的应力扩散并且减少紧嵌期间的翘曲。优选地，通过减少片状材料的量，同时最大化紧嵌式紧固件30的扭转扭矩(盲孔破坏扭矩)来对紧嵌式紧固件30的肋条36进行优化以匹配扭转应力分布。肋条36的配置最小化了肋条轮廓在铆固之后施加扭矩时随着肋条上的力的增加而径向地向外的体积，从而在肋条上产生更均匀的应力分布。特别设计的弯曲形状的肋条还允许片状材料以排放方式逸出到肋条外径之外。相比之下，常规的肋条设计会使得片状材料被困住而无法排放。虽然根据本发明的一个实施方案的肋条设计不限于仅与软嵌缝材料一起使用，但是肋条设计与软嵌缝材料(即，诸如与铝等)一起使用是理想的。根据本发明的一个实施方案的肋条设计即使与软嵌缝材料连接也允许使用高强度紧嵌式螺母和螺栓。肋条配置甚至可能会导致能够使用较薄的片状材料。肋条配置会引起片状材料的更少的扭曲，从而带来更平坦的座置区域，并且导致紧嵌式紧固件在安装之后更垂直于片状材料。使用本文公开的紧嵌式紧固件导致所安装的紧嵌式紧固件之间的翘曲减少，并且安装孔在组装前后具有更少的扭曲。肋条配置减小了孔之间所需的距离并且减少了安装期间的边缘效应。肋条配置带来了片状材料的减少的扭曲，这带来了孔的更少的扭曲和更好的性能。肋条配置允许使用较高的铆固力，而不用冒着引起配合材料表面变形的风险并且允许较薄材料的紧嵌。肋条配置还允许紧固件以较高的力铆固以确保紧固件的适当座置。

虽然图6至图12以螺栓的形式示出了本发明的具体实施方案，但是可以许多其他实施方案采用本发明，诸如以如图13所示的螺母50(具有螺纹孔51)的形式进行采用，所述螺母50包括已经在上文描述的肋条36。再一些其他实施方案是完全可能的，同时仍然明显地保持在本发明的范围内。另外地，尽管本文示出了特定数量的肋条36，但是任何数量的肋条都能被设置在给定的紧固件上，同时仍然明显地保持在本发明的范围内。更进一步地，虽然肋条36已经被描述为优选地包括多个区段，其中至少两者是由不同半径限定的弯曲区段，但是肋条36可替代地包括多个平坦区段，所述多个平坦区段共同地提供以下内容：随着肋条36延伸至其外周边(即，肋条36的端部)，所述肋条在高度上逐渐减小。

虽然已经示出和描述了本发明的具体实施方案，但是可设想的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可想出各种修改。例如，虽然实施方案已经被描述和示出为在形状上是圆形的并且与圆形孔一起使用，但是长圆形型式与长圆形孔一起使用完全是可能的，同时仍然明显地保持在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件具有中心轴线，所述紧嵌式紧固件包括：头部，所述头部具有外周边；多个肋条，所述多个肋条设置在所述头部下方，其中所述肋条中的每一者在从所述紧嵌式紧固件的所述中心轴线到所述紧嵌式紧固件的所述头部的所述外周边的方向上包括非平坦表面和参数轮廓；

其中每个肋条开始于垂直于所述紧嵌式紧固件的所述中心轴线的区段，并且每个肋条的其余部分包括多个区段，其中所述多个区段中的至少两者是弯曲的并且由不同半径或多个线段限定。

2.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中随着所述肋条中的每一者在从所述紧嵌式紧固件的所述中心轴线到所述紧嵌式紧固件的所述头部的所述外周边的方向上延伸，所述肋条中的每一者在高度上减小。

3.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中所述肋条在所述头部下方等距地隔开。

4.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件还包括接近所述肋条的环形凹槽。

5.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件还包括轴。

6.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，所述紧嵌式紧固件还包括轴，以及设置在所述头部与所述轴之间的接近所述肋条的环形凹槽。

7.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中所述紧嵌式紧固件包括具有螺纹孔的螺母。

8.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中每个肋条包括多个平坦区段，所述多个平坦区段共同地提供以下内容：随着肋条延伸到所述头部的所述外周边，所述肋条在高度上减小。

9.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中所述肋条中的每一者包括渐缩侧壁。

10.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中所述肋条中的每一者包括向外渐缩的侧壁。

11.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中所述肋条被配置为提供在安装期间的主体材料的减少的翘曲，这是因为所述肋条被配置为提供因所述肋条中的每一者的侧壁上的渐缩部而导致的材料的向内方向的流动。

12.如权利要求1所述的紧嵌式紧固件，其中每个肋条开始于垂直于所述紧嵌式紧固件的所述中心轴线的区段，并且每个肋条的其余部分包括多个区段，并且其中所述多个区段形成所述肋条的所述参数轮廓。

13.如权利要求12所述的紧嵌式紧固件，其中所述肋条的所述参数轮廓由多个参数限定，所述多个参数包括肋条高度、从所述紧嵌式紧固件的中心轴线到所述肋条的端部的距离以及预定义角度θ。

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