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CN101861467B - 螺纹成型紧固件 - Google Patents

螺纹成型紧固件 Download PDF

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CN101861467B
CN101861467B CN200880103292.4A CN200880103292A CN101861467B CN 101861467 B CN101861467 B CN 101861467B CN 200880103292 A CN200880103292 A CN 200880103292A CN 101861467 B CN101861467 B CN 101861467B
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Abstract

一种螺纹成型紧固件，包括驱动头和从驱动头延伸并具有纵向轴线的杆，杆包括杆芯和螺纹，螺纹具有选定的轴向螺距、选定的螺纹高度和牙形，牙形在轴向截面中包括：导面、从面和尖端。导面包括具有第一半径的径向内凹部分，径向内凹部分平滑过渡到具有第二半径的径向外凸部分，过渡出现在各部分的公切线上的一点处。从面包括径向内线性部分，径向内线性部分在选定的过渡位置过渡到具有第三半径的径向外凸部分。牙形还包括凸形融合部分，凸形融合部分具有第四半径并在尖端的邻近处将径向外凸导面部分和所述径向外凸从面部分融合到一起。螺纹牙形在与螺母锚定件组装的过程中产生力矢量，从而提供增强的配合螺纹强度，提高了螺母锚定件螺纹的防损能力。

Description

螺纹成型紧固件
技术领域
本发明涉及一种螺纹成型紧固件。本发明特别涉及一种特别适用于柔韧材料制成的螺母锚定件的自攻丝螺钉。术语“螺母锚定件”是指可固紧紧固件的任意分立螺母或任意锚定件或支撑件。
背景技术
通常所认识的是，拧入诸如塑料、软金属、合金之类的柔韧材料中的自攻丝紧固件需要注意多个基本要求，即：
在组装过程中，其当在相关螺母或支撑结构中形成配合螺纹时应采用低螺纹攻丝转矩，
在固紧时，紧固件应能对螺纹脱扣转矩保持相对较高的阻力，
紧固件和螺母锚定件(nut anchor)的组装应能够在被施加外力时保持接合的整体性，且
紧固件应能够对可能由于供紧固件拧入的螺母锚定件所用柔韧材料的塑性流动或蠕变所致的接合松弛保持合理的阻力。
目前使用的许多这种紧固件具有三角形截面几何形状的螺纹设计，其关于与螺钉轴向垂直的线对称，或者被构造为与同一垂直线不对称，或者被构造为层叠的梯形形状。还存在不同于前述三角形或梯形形式的非对称螺纹牙形，其在螺母锚定件材料内产生力，所述力形成并且促使锚定件材料以一定方式流动以增加沿螺纹牙形配合从面的螺纹牙侧材料接触，见本申请人的美国专利5,061,135。
如图1中所示，前述授权专利紧固件具有整体以2显示的杆，杆2包括柱形杆芯3和围绕杆芯3以螺旋形式形成的螺纹4，螺纹具有螺距4’。螺纹4的从面5的牙形相对于螺纹直径成角度α(优选地为10°-15°)，其中螺纹直径垂直于杆芯3的纵向轴线。螺纹牙形还具有导面6，导面6具有从杆芯3延伸到导面上的部位7的弯曲部分6a，其中，弯曲部分6a过渡到线性部分6b，线性部分6b相对于所述直径成角度β(17°至25°)并延伸到尖端8。从部位7至尖端8的距离在螺纹高度9的23-27％的范围内。而且，弯曲部分6a的半径10的大小是标称螺纹直径或尺寸的0.22至0.30倍。
具有前述螺纹几何形状的紧固件通过产生螺母锚定件材料流动而形成改进的性能状态。不过，这种材料流动不如所希望的那样平滑，而且在紧固件插入过程中，现有技术的螺钉仍然具有一些导致螺母锚定件材料出现应力裂纹的可能。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供具有螺纹牙形的螺纹紧固件，其当用于柔性螺母锚定件材料时提供更好的组装或攻丝转矩，特别是对螺纹脱扣或失效转矩提供高阻力。
本发明的另一目的在于，提供这种类型的紧固件，其当组装到螺母锚定件时在紧固件和螺母锚定件的配合螺纹牙形处提供更好的组装载荷分布。
本发明的又一目的在于，提供这样的紧固件，其在形成螺母锚定件螺纹的过程中形成平滑的螺母锚定件材料流动，并且避免在螺母锚定件材料内产生显著的作用力方向变化。
本发明的进一步的目的在于，提供这种类型的紧固件，其在紧固件攻丝于锚定件时使螺母锚定件材料中出现应力裂纹的可能性最小。
在下文中，其它目的将变得显而易见并将变得明显。
因此，本发明包括结构、元件组合和部件构造的特征，这些将在以下详细描述中例示，本发明的范围将由权利要求限定。
通常，本发明的紧固件包括杆，所述杆包括具有纵向轴线的大致柱形的杆芯和围绕杆芯且沿杆芯延伸的螺旋螺纹。紧固件还包括在杆的一端处的驱动头。螺纹具有以限定半径形成的牙形，从而在紧固件或螺钉组装到螺母锚定件时形成可变的力矢量。这种螺纹牙形增强了配合螺纹强度，并提高了组装过程中螺母锚定件螺纹的防损能力。
螺纹牙形在轴向截面中包括多个区域。更具体地，存在第一区域，其包括从杆芯延伸到螺纹深度22-27％数量级的位置的凹形导面部分。在这一点上，其类似于图1中所示的现有技术紧固件的部分或区域6a。不过，在本紧固件中，凹形导面部分在公切线处平滑过渡到具有凸形结构的第二区域，使得沿导面的螺纹牙形尖端朝向紧固件导程入口部分(即，螺钉尖端)而尺寸减小。
螺纹牙形还在其从面处包括第三区域，第三区域从杆芯延伸到处于螺纹牙形深度约一半的部位。在这一部位，从面过渡到第四区域，第四区域被构造为沿螺纹牙形的外半部的凸形部分。第五和最后的区域被构造以凸形半径，此凸形半径在螺纹尖端将导面凸形半径和从面凸形半径融合在一起。
如将所见，前述在各螺纹牙形区域或部分中的半径组合改善了当紧固件拧入锚定件中时螺母锚定件柔韧材料平滑流动的能力，并改善了包括本发明的自攻丝螺钉或紧固件结合以柔韧材料(例如塑料或轻金属或金属合金)螺母锚定件的组件的整体性能。
附图说明
为了更全面地理解本发明的实质和目的，应参照以下结合附图所作的详细描述，其中：
图1是前文已述的现有技术的螺纹成型紧固件的螺纹牙形的局部剖视图；
图2是体现本发明的螺纹成型紧固件的放大率较小的局部侧视图；
图3和3A是图2的紧固件的螺纹牙形的放大率非常大的示意图；和
图4是体现本发明的双导程螺纹的螺纹牙形的类似于图1的视图。
具体实施方式
参见图2，其中显示体现本发明的螺纹成型紧固件20。紧固件20包括驱动头22和整体以24表示的杆，杆24从所述头延伸并适于拧入螺母锚定件N(图4)中。所述头可为任何所希望的类型或构造，并可包括有利于紧固件旋转的所示凹部22a或突出部。而且，虽然所示杆24具有大致圆形截面，不过，其也可具有三叶形截面形式，如美国专利3,195,156中所述类型。优选地，杆24的自由端部分渐缩，如24a所示，以利于将紧固件插入螺母锚定件中。
杆24包括杆芯26和围绕杆芯26以螺旋形式形成的非对称螺纹28。这种螺纹具有轴向截面牙形28’，并可沿杆芯的整个长度或沿杆芯的一部分延伸。螺纹的螺旋角或盘旋角γ的大小通过螺纹外直径或尺寸34、螺纹高度36和螺纹螺距38之间的直接关系确定。
优选的是，螺纹外直径34应处于1-10mm的范围内。出于实际考虑，可考虑使紧固件20具有与标准自攻丝螺钉类型直接相关的标称直径尺寸。不过，应理解的是，本发明不限于任何具体直径或标称尺寸的紧固件。紧固件20具有单线螺纹28。不过，结合图4可见，本发明同样适用于具有双线螺纹的紧固件。
现在参见图3，其中更详细地显示出螺纹牙形28’。如该图中可见，螺纹牙形28’具有整体以42表示的导面，导面42包括第一凹形径向内区域或部分42a，其可类似于图1中的部分6a。也就是说，导面42具有半径41，半径41在螺纹直径34(图2)的0.22至0.30倍范围内，如在前述专利中所述。部分42a从杆芯24延伸到部位43，在部位43处，导面过渡到第二径向外凸区域或部分42b，这一过渡在两个部分的公切线T处发生。螺纹牙形28’还具有整体以44显示的从面，从面44包括第三直形径向内区域或部分44a，且部分44a从杆芯24延伸到位于沿螺纹高度36(图2)的约半程处的过渡位置47。在位置47，从面44过渡到第四径向外区域或部分44b，部分44b具有凸半径并几乎延伸到螺纹牙形尖端48。螺纹牙形28’完成于第五尖端区域或部分46，部分46构造有半径63，半径63在螺纹牙形尖端48的邻近处将导面部分42b和从面部分44b的凸半径融合在一起。
这样，本紧固件的螺纹牙形28’显然不同于图1中所示现有技术的螺纹牙形，不同之处在于，在牙形尖端的邻近处存在三种不同凸半径的结合。
参见图3和3A，为了建立用于设计本螺纹牙形28’的基础，已经显示出被叠加在典型非对称螺纹牙形上的以虚线52显示的牙形。牙形的导面部分42b具有半径53，半径53基于牙形52上的部位43和部位54的相对位置构造。部位43与螺纹牙形52的外周边或尖端相距一距离55。此距离在螺纹高度36(图2)的22-27％的范围内，优选地在其25％的范围内。如图3A中所示，通过使用典型非对称螺纹52而限定部位54，螺纹52具有尖端宽度56，尖端宽度56的长度为螺纹轴向螺距38(图2)的4-7％。部分42的半径53应为轴向螺距38的0.190至0.205倍，优选地为其0.190倍。
螺纹牙形28’的从面44的部分44b具有半径62，半径62与非对称螺纹52的部位54和前述过渡位置47相关地构造，其中，过渡位置47在所述螺纹的外周边的下方约50％螺纹深度处。半径62的长度优选地在轴向螺距38的75-125％的范围内，最优选地约等于此螺距。
牙形28’的第五区域或部分46完成螺纹尖端48，并且如前所述将螺纹牙形的导面部分42b和从面部分44b融合在一起。优选地，部分46具有的半径63约为非对称螺纹52的宽度56的一半并且为螺纹轴向螺距38的2.5-3.5％。
通过螺纹牙形28’和52的对比可见，更典型的牙形52将比紧固件20的牙形28’提供更大的初始螺母锚定件材料移位(displacement)。实际上，从图3中显见的是，螺纹牙形52的初始合力由于需要更多螺母材料移位而将要求相对较高的初始攻丝转矩。图3A中的力示意图显示，将形成径向力66a和轴向力66b，其为来自高初始合力66的分力。径向力66a是构成典型螺母锚定件柔韧材料周应力裂纹主要成因的力。
在本螺纹牙形28’中，如前限定的具有半径53的部分42b被构造为使其外周边尺寸从螺纹标称外直径34(图2)朝向沿箭头A的方向的螺纹导程入口部位减小。这一半径终止于部位43，在部位43，所述半径在公切线T处接合于部分42a的凹形导半径41。优选地，线T相对于杆芯24成角度δ1，角度δ1为73°-78°，优选地为75°。
从图3和3A中的力示意图可见，由螺纹牙形28’的部分42b产生的合力80变小而低于由现有技术的非对称牙形52提供的力，因此，所述合力的径向分量80a和轴向分量80b也是如此。当在紧固件20的组装过程中更多锚定件材料移位时，导致需要更高载荷以实现所述移位。这些变化通过图3中的其它力矢量图显示，其中，合力82减小为径向分力82a和轴向分力82b。通过在紧固件牙形28’中采用半径53，平滑的材料流动变得明显，而且径向力82a的增大不会以与直线情况(如图1中所用的成角度的前尖端面)相同的速率增大。这种由紧固件20形成的总周应力减小使得螺钉/螺母锚定件组件接合整体性改善。
前述全部在导面42的区域或部分42b上实现的益处被实现，直到区域42b在部位43过渡到凹形前区域42a，在部位43，公切线T相对于杆芯24以一定方式成角度，使得螺纹牙形宽度随切线向内移向在杆芯处的螺纹牙底而增大。
仍然参见图3，使用前述半径62构造螺纹牙形28’的从面44。所述半径使得第四区域或部分44b的表面积增大而超过图1中所示螺纹牙形2的常用直形从面5的表面积。这使得当紧固件在拉伸载荷92b下紧固到螺母锚定件N(图4)中时产生较小的材料应力，其中径向分力92a随螺钉/螺母锚定件接触面更接近于紧固件杆芯26而变小。其次的考虑是，使合力92沿与半径62的切向垂直的方向导向，从而在螺母锚定件材料内提供更均匀的应力分布。径向分力92a使得螺母锚定件材料在紧固件20承受沿箭头A方向的轴向拔出力时发生破裂的可能性减小。
从面牙形部分44b的半径62以一定方式构造，使得与传统非对称螺纹牙形52的尖端相比，螺纹“厚度”以及锚定件材料移位量增加，所述锚定件材料移位量用于补偿由前述在尖端48处的部分42b、44b和46的融合半径所致的移位减少。优选地，使用与用于构造导面部分42b的半径53相同的部位54而构造从面部分44b的半径62。如前所述，这一半径终止于过渡位置47，并应为螺纹牙形28’的总高度36的0.5至0.7倍，且优选地为其0.5倍。从面44然后作为半径轮廓的线性延伸部或其切线而延续到杆芯26。从面的凸形区域44b延伸至更接近于杆芯24不会在载荷能力上提供任何显著优点。
不过，如果从面区域或部分44b如图3中以虚线44b’所示地向下延伸到杆芯24，则此延伸线应在交叉于非对称螺纹52的牙底的轴向位置处交叉于杆芯26，非对称螺纹52相对于杆芯的纵向轴线成角度δ2，角度δ2为77.5°至82°，优选地为80°。这种控制提供了在应用紧固件以及螺纹结构的过程中对材料移位的限制，以根据本发明的目的保持控制前述的力矢量。
如前所述，第五区域或部分46的半径63是用于确保导尖端半径53与从尖端半径62之间平滑过渡的融合半径。融合半径63的大小在轴向螺距38(图2)的0.025-0.035倍的范围内，优选地为其0.030倍。所述融合半径63使得在螺纹攻丝操作过程中和在组件承受外拔出力时在螺母锚定件材料中产生有害“应力升高”的可能性最小化。
现在参见图4，其中显示出紧固件杆100拧入螺母锚定件N中。所述杆包括杆芯102和双导程螺纹104，螺纹104包括在杆芯上的第一牙形104a和第二中间牙形104b。螺纹104的螺纹导程106两倍于螺纹螺距108。优选地，螺纹中间牙形104b的直径从标称螺纹直径减小了量110。这种减小的目的是，充分利用由于使用双线螺纹所形成的高螺旋角度的优点，即，在相邻螺纹牙形104a的峰之间的剪切面积最大。减小的量110应在螺纹总高度36(图2)的15-20％的范围内。
螺纹中间牙形104b的减小量低于这一量值将无法获得用于最可能实现螺母锚定件材料朝向被组装螺母/锚定件螺纹载荷面移动的力偶的益处。而且，使用螺距等同于双线螺纹导程的单线螺纹虽然在螺母锚定件的对应应力区域中提供类似的螺纹螺旋角度增大，但将无法获得本发明形成的螺母锚定件材料流动的益处。
根据上文可以看出，利用本发明的螺纹成型紧固件和组件将得益于这样的紧固件，与传统紧固件组件系统相比，所述紧固件能够与螺母锚定件一起形成承受更高轴向拔出力的能力。
还可看出，通过使本发明的内容变得显而易见的以上描述，有效实现了前述目的。而且，由于在不背离本发明的范围的情况下可对前述结构进行一定改变，因而在以上描述中包含的所有内容或在附图中显示的所有内容应被理解为是示例性的，而不是限制性的。
还应理解的是，所附权利要求意在涵盖在此描述的本发明的所有通用特征和具体特征。

Claims (15)

1.一种螺纹成型紧固件，用于拧入柔韧材料制成的螺母锚定件中，其中，在驱动所述紧固件的过程中产生力的组合，其促使所述螺母锚定件材料平滑流动并在所述螺母锚定件中形成配合螺纹，所述配合螺纹使得在其形成时的应力裂纹和径向周应力最小，所述紧固件包括驱动头(22)和从所述驱动头延伸并具有纵向轴线的杆(24)，具有选定的直径(34)的所述杆包括杆芯(26)和形成在所述杆芯上的螺旋螺纹(28)，所述螺纹具有选定的轴向螺距(38)、选定的螺纹高度(36)和牙形，所述牙形在轴向截面中非对称并且包括：导面(42)、从面(44)和尖端(8)，所述导面包括具有第一半径(41)的径向内凹部分(42a)，所述径向内凹部分从所述杆芯(26)平滑过渡到与具有第二半径(53)的径向外凸导面部分(42b)在公切线(T)上的过渡点(43)，所述第二半径小于所述第一半径(41)，所述过渡点(43)与所述尖端(8)相距一距离，此距离在所述选定的螺纹高度(36)的22-27％的范围内，所述牙形在所述尖端(8)处包括具有小于所述第二半径(53)的第四半径(63)的凸形融合部分(46)，其使所述径向外凸导面部分(42b)和所述从面(44)的凸从面部分(44b)融合到一起，所述凸从面部分(44b)具有大于所述第一半径(41)的第三半径(62)，该凸从面部分(44b)从所述融合部分(46)延伸到一过渡位置(47)，在该过渡位置处，所述凸从面部分(44b)的切线相对于所述轴线具有至少77.5°的角度；所述从面(44)的第三径向内线性部分(44a)，所述第三径向内线性部分从所述杆芯(26)延伸到所述过渡位置(47)，并且在该过渡位置(47)过渡到所述凸从面部分(44b)，由此，所述螺纹牙形在与所述螺母锚定件(N)组装的过程中产生力矢量，从而提供了增强的配合螺纹强度，提高了螺母锚定件螺纹的防损能力。
2.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述第二半径(53)为所述轴向螺距的0.190至0.205倍。
3.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述公切线(T)与所述杆芯(26)限定73°-78°的内角(δ1)，所述第一半径(41)为螺纹直径(34)的0.22至0.30倍。
4.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述第四半径(63)的长度为所述轴向螺距(38)的0.025至0.035倍。
5.如权利要求4所述的紧固件，其中，所述凸从面部分(44b)延伸到所述杆芯(26)。
6.如权利要求4所述的紧固件，其中，所述凸从面部分(44b)的第三半径(62)的长度为所述轴向螺距(38)的0.75至1.25倍。
7.如权利要求6所述的紧固件，其中，所述凸从面部分的第三半径(62)的长度大致等于所述轴向螺距(38)。
8.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述过渡位置(47)与所述杆芯(26)的距离为所述螺纹高度(36)的0.5至0.7倍。
9.如权利要求8所述的紧固件，其中，所述过渡位置(47)处于与所述杆芯(26)的距离为所述螺纹高度(36)的大约一半的位置处，所述第三径向内线性部分与所述凸从面部分(44b)在所述过渡位置处相切。
10.如权利要求1所述的紧固件，其中，所述紧固件具有与所述螺纹(104a)交替的中间螺纹(104b)。
11.如权利要求10所述的紧固件，其中，所述中间螺纹(104b)的距离所述杆芯(26)的高度比所述螺纹(104a)的小。
12.如权利要求11所述的紧固件，其中，所述中间螺纹(104b)的高度为所述螺纹高度的80％至85％。
13.一种螺纹成型紧固件，包括驱动头(22)和从所述驱动头延伸的杆(24)，所述杆包括杆芯(26)和形成在所述杆芯上的螺旋螺纹(28)，所述螺纹(28)具有选定的螺纹高度(36)、选定的轴向螺距(38)和牙形，所述牙形在轴向截面中非对称并且包括：导面(42)、从面(44)和尖端(8)，该导面具有第一半径(41)的径向内凹导面部分(42a)，其在过渡位置(43)处平滑地过渡到具有第二半径(53)的径向外凸导面部分(42b)，该第二半径小于该第一半径(41)，该过渡位置与所述尖端(8)隔开所述选定的螺纹高度(36)的22-27％；在所述尖端处的凸尖部分(46)，具有小于所述第二半径(53)的第四半径(63)，所述凸尖部分具有第一端和第二端，其在第一端处与径向外凸导面部分(42b)平滑地融合，在第二端处与所述从面(44)的凸从面部分(44b)的外端平滑地融合，凸从面部分(44b) 的第三半径(62)大于所述第一半径(41)，所述从面(44)向内延伸到所述杆芯(26)；第三径向内线性从面部分。
14.如权利要求13所述的紧固件，其中，所述第二半径(53)的长度为所述轴向螺距(38)的0.190至0.205倍，所述从面(44)的凸从面部分(44b)的第三半径(62)为所述轴向螺距(38)的0.75至1.25倍，所述第四半径(63)为所述轴向螺距的0.025至0.035倍。
15.如权利要求13所述的紧固件，其中，所述螺纹(28)具有选定外直径(34)，所述第一半径(41)的长度为所述选定外直径的0.27至0.33倍。
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Denomination of invention: Thread forming fastener

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Assignor: CONTI FASTENERS AG

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Denomination of invention: Threaded formed fasteners

Granted publication date: 20150708

License type: Common License

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