CN102459927A - 偏压单面临时紧固件、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将至少两个工件临时固定在一起的偏压单面紧固件，所述至少两个工件各自限定一个孔，所述紧固件的至少远端部分可穿过所述孔。本发明还涉及制造和使用紧固件实施方案的方法。使用本发明的紧固件实施方案使得至少两个工件能够临时固定地关联，其中所述紧固件内的偏压元件在所述紧固件的两个元件的远端部分或远端端部之间形成夹持力，所述两个元件的远端部分或远端端部各自与一个工件压紧接合。

Description

偏压单面临时紧固件、系统和方法

背景技术

偏压单面临时紧固件(biased blind side temporary fastener)主要被用于将至少一个工件(通常是平板式材料)保持与另一个工件配准，每个工件各自限定一个共同对准的孔，所述紧固件可至少部分地穿过所述孔。一旦两个或更多个工件被对准和保持，它们可以受到随后的材料处理，例如焊接、永久紧固等。所述紧固件常被使用的环境的实例包括航空航天和汽车工业。

此类紧固件的一种常见形式是“CLECO”紧固件，这种紧固件的一个实例可在US 4537542中找到。在这种紧固件中，锚固至紧固件壳(case)的相对的壁部分的静态中央突出物分离一对腿部，所述腿部在紧固件的工作区域关于所述突出物轴向平移。压下柱塞导致所述腿部沿着突出物平移，直到腿部的远端端部越过突出物，由此允许腿部的这些部分朝着彼此收折，有效地改变远端端部的外部直径。一个弹簧与所述柱塞和所述壳配合，以抵抗所述柱塞的按下；所述腿部被链接至所述柱塞，因此当所述弹簧被允许在其外围的限制内完全延伸时，所述腿部将夹紧状态作为标称状态。

虽然这种类型的紧固件在某些情形——例如小公差材料处理——中是足够的，但是腿部最多仅是部分半球形，这使得在工件被紧固件压缩保持在一起时所述工件之间的横向游隙的问题不能够得到解决。此外，在考虑到包括三个或更多个没有彼此机械链接的元件时，这些紧固件更可能对工件旋转产生消极的作用(在所有部件之间存在有意的“浮动(float)”，以允许腿部相对于突出物平移，但是该浮动在突出物的平面中受到非常小的约束)。

发明内容

本发明涉及用于将至少两个工件临时固定在一起的偏压单面紧固件，所述至少两个工件各自限定一个孔口、钻孔、孔或口(以后共同称作“孔”，除非另有指示)，所述紧固件的至少一部分可穿过所述孔。本发明还涉及制造和使用紧固件实施方案的方法。使用本发明的紧固件实施方案使得至少两个工件能够临时固定关联，其中所述紧固件内的偏压元件在所述紧固件的两个元件的远端部分或远端端部之间形成夹持力，所述两个元件的远端部分或远端端部各自与一个工件压紧接合。

根据本发明的第一系列紧固件实施方案包括：细长、中空的壳，该壳用于基本容纳总体圆柱形的筒夹主体(collet body)和一个偏压装置，且至少部分容纳一中央杆，该中央杆具有的近端端部被腹板(web)元件链接至所述壳的近端部分；第一系列紧固件实施方案还包括柱塞，该柱塞用于临时克服内在的夹持偏压，从而允许紧固件插入所述工件的孔中，其中所述柱塞被形成为基本平移地穿过所述腹板元件。通过使用总体圆柱形筒夹主体，可实现从孔或口键固(keyed)的高水平工件对准，在许多情形中，导致紧固件的筒夹主体与工件孔或口之间的总间隙在任意径向方向上小于0.001”。

根据本发明的第二系列紧固件实施方案包括：细长、中空的壳，该壳用于基本容纳多个夹紧腿部和一个偏压装置，且至少部分容纳一中央杆，该中央杆具有的近端端部被腹板元件链接至所述壳的近端部分；第二系列紧固件实施方案还包括柱塞，该柱塞用于临时克服内在的夹持偏压，从而允许紧固件插入所述工件的孔中，其中所述柱塞被形成为基本平移地穿过所述腹板元件。

本发明的第一系列紧固件实施方案的筒夹主体的结构和功能类似于在WO 03/069971(申请号PCT/US03/02925)中所公开的，该申请的公开内容以参引方式纳入本文。总的来说，根据本发明的紧固件实施方案的筒夹主体包括一条轴线，并包括：限定外径的外表面、限定内径的内表面、具有限定第一开口的远端端部的远端部分、具有限定第二开口的近端端部的近端部分，其中所述远端部分包括多个柔性指状物，所述多个柔性指状物的远端部分组成所述筒夹主体远端端部，并至少部分限定所述第一开口，该远端部分还包括从其所述外表面径向延伸的握持部分。

关于所述多个柔性指状物，本发明的多个实施方案具有带有径向会聚偏压的指状物，由此所述指状物的远端部分径向地会聚，以在筒夹主体远端端部形成减小的内表面直径(锥形形式)。如下文将详细描述的，该减小的内表面直径小于中央杆的外表面直径。

前文提及的筒夹主体的握持部分包括前沿面和后沿面，所述后沿面构成用于压紧接触工件的面的反作用表面，且所述后沿面基本正交于所述筒夹主体轴线。每个前沿面和后沿面的会聚限定周缘边缘或周缘部分，当考虑到任何形式的握持部分且所述筒夹主体是总体圆柱形(非锥形)时，该周缘边缘或周缘部分代表筒夹主体在该处的最大直径。

应注意，当所述筒夹主体的指状物处于径向会聚状态时，在其握持部分的最大外表面直径小于筒夹主体的工作部分的任意直径(如本文使用的，筒夹主体的工作部分是筒夹主体在紧固件实施方案的工作期间，即筒夹主体的插入(stoke)期间可停留或离开壳的那部分。通过形成对外部表面直径的限制，筒夹主体的远端端部能够穿过每个工件孔，以使得握持部分到达相对的工件反作用表面。如下文更详细地描述的，该限制还有助于本发明某些实施方案的制造。

总体圆柱形的壳作为一个用于包括发明的紧固件实施方案的所有元件的至少一部分的外壳，并在标称状态期间主要包围偏压装置和筒夹主体的大部分。所述壳包括限定外径的外表面、限定内径(该内径具有足以接收所述筒夹主体的尺寸)的内表面、限定第一开口的远端端部、限定第二开口的近端端部，所述两个端部被一个主体部分分离。

如下文关于选定的紧固件实施方案所更详细地描述的，除了为某些实施方案元件提供平移引导，所述壳以在所述壳的远端端部的内表面直径减小部分的形式直接或间接地提供工件反作用表面和保持装置。在前者的情形中，远端端部外表面在使用紧固件实施方案期间邻靠工件时作为反作用表面；在后者的情形中，在远端端部处或附近(内径减小部分)的最小的内表面直径的大小被设计为允许所述筒夹主体的至少工作部分平移穿过其中，但是优选地不会大到在远端端部处于非锥形或扩展状态时允许所述筒夹主体远端端部的握持部分平移穿过其中。

所述杆作为用于所述筒夹主体的往复移动的引导件，并作为在所述装置处于操作状态或标称状态时径向向外地移置筒夹主体指状物的结构。所述杆包括外表面，并具有被一个主体部分分离的远端端部和近端端部。与现有技术类似，所述杆在本发明的不同装置实施方案的操作期间保持基本轴向静止。然而，关于第一系列的紧固件实施方案，其容纳完全圆柱形的装置，以通过将其近端端部锚固至所述壳的近端部分的方式与远端或单面工件接合。以此方式，所述筒夹主体——其完全围绕所述杆——从所述杆的近端端部到所述杆的远端端部自由地往复移动，尽管在装配时所述壳会限定往复移动的范围。

所述偏压装置——其常常是压缩弹簧——被基本保持在所述壳的限定范围内，并接合所述壳和所述筒夹主体。在许多实施方案中，所述偏压装置在第一端部反作用于壳的直径减小部分并在所述筒夹主体的近端端部处反作用于直径增加部分。这种布置的结果是：所述筒夹主体远端端部朝着所述壳的直径减小部分的移动受到所述偏压装置的抵抗力。该抵抗力本质是弹性的，且当所述筒夹主体从其标称位置移位时，该抵抗力在所述筒夹主体远端端部和所述壳的直径减小部分之间产生恢复力。

在标称状态，优选地，所述壳(作为机械基底)和所述筒夹主体之间存在至少一些偏压，以使得所述筒夹主体远端端部压紧所述壳的远端端部。以此方式，即使特别薄的工件也可受制于所述紧固件的夹持效果。优选地，在标称状态时呈现基本全部的偏压装置力。

所述柱塞是用于在所述柱塞的压紧力超过所述偏压装置的偏压时向所述筒夹主体施加平移的元件。因此，当所述偏压装置的恢复力被所述柱塞施加的压紧力所克服时，所述筒夹主体的远端端部被导致朝着所述杆的远端端部平移。根据暴露在环境中的杆的长度，所述筒夹主体的远端端部会在一些点平移穿过所述杆的远端端部，由此允许所述筒夹主体指状物中的径向收缩偏压，从而使指状物径向地会聚。在此状态下，所述筒夹主体在握持元件处的最大直径等于或小于所述筒夹主体在工作部分的外径。当然本领域技术人员应理解，即使所述指状物没有完全收折，抵靠握持元件前沿面存在的插入力——与筒夹主体轴线成锐角——会施加额外的径向会聚力，由此导致进一步地径向会聚，并在功能上实现预期的直径减小效果。

由于所述偏压装置必须在所述壳和所述筒夹主体之间，且因为所述柱塞必须直接或间接作用在所述筒夹主体上，因此必须存在一种方式，使得所述柱塞作用在所述筒夹主体上，同时仍允许所述杆链接至所述壳的机械基底，以基本轴向静止。通过在所述杆的近端部分和所述壳的近端部分包括腹板元件，本发明的实施方案提供了一种解决方案。所述腹板元件包括多个开口，其中所述柱塞的指状物可以顺应地穿过所述多个开口。因此，根据本发明的柱塞包括限定外径的外表面、限定内径的内表面、具有限定第一开口的远端端部的远端部分和具有包括头部部分的近端端部的近端部分，其中所述远端部分包括多个指状物，所述多个指状物的远端部分至少部分地限定所述第一开口，所述多个指状物的横向面限定多个槽，每个指状物在圆周方向各自相邻两个槽。所述横向面优选地彼此间隔一距离，该距离不大于所述腹板元件中对应结构之间的距离，因此允许指状物在所述腹板开口的限定范围内轴向平移。

所述腹板元件可以是所述壳或所述杆的一部分，或者可以是在装配根据本发明这些特征的紧固件时引入的分立部件。优选地，所述腹板元件包括多个径向对准的臂，类似于车轮上的轮辐，其中毂是杆，车轮是壳的内表面。通过具有不连续的周缘，即，所述壳的内表面暴露在弧形段内，所述柱塞外表面直径可密切配合所述壳的内表面直径，并得益于下文描述的紧密配合关系，且还可更好地接合所述筒夹主体。在任何情况下，所述腹板元件被至少临时固定地附接至所述壳和所述杆。

为防止柱塞指状物不期望的脱出，本发明的多个实施方案具有这样的指状物，即，该指状物包括径向延伸的凸缘，该凸缘与在插入所述柱塞指状物后插在所述腹板元件处的锁定环或垫圈抵触。该锁定环或垫圈可随后提供两个用途：防止柱塞指状物的远端端部经由腹板元件的开口从所述壳内部脱出，并防止腹板元件(以及杆)从所述壳内部脱出。

由于所述柱塞的冲程与所述筒夹主体的冲程成比例，因此与柱塞外径相比，冲程可以是相当大的。考虑到直到柱塞的一部分进入壳(且在紧固件操作期间杆被基本平移地固定)时柱塞才开始包围杆，当杆平移进所述壳时，任何平移引导都仅可在壳的近端端部之后建立。因此，可考虑到柱塞轴线会不能保持与杆的轴线同轴(下文中“倾斜(canted)”关系)的可能性。随后在发明的某些实施方案中期望引入花键或柱塞和杆和/或壳之间的类似的啮合接合。

这些有助于合适的冲程取向的对准装置可以在任何直接接触所述柱塞的元件上形成。因此，柱塞外表面可包括脊(land)和/或凹槽，该脊和/或凹槽与所述壳的内表面上形成的功能互补结构相互作用，或者与链接到柱塞穿过的壳的衬套相互作用。类似地，柱塞内表面可包括脊和/或凹槽，该脊和/或凹槽与杆的外表面上形成的功能互补结构相互作用。此外，限定柱塞的多个指状物的截面可与在壳的内表面中形成的脊相互作用，或者与在壳的近端端部处的腹板元件(如在一个系列的发明实施方案中)相互作用。当然，对准装置的最简单的形式是在柱塞和/或杆的至少一部分中在平滑的圆柱形杆的外表面和平滑的圆柱形柱塞内表面之间的紧密配合关系。当然技术人员应理解上述概念的各种组合是可行的，且这些置换被认为在本发明的范围内。

出于本申请的目的，术语“面积”、“界限”、“部件”、“部分”、“表面”、“区”以及它们的同义词、等价物和复数形式(如在本文中所使用的以及通过实例方式所使用的)意在提供对所描述的制品和/或方法的描述性参考或界标。除非明确指出或从多个附图和/或所述术语被使用的上下文表面上明显可见，这些以及类似或等价的术语并不旨在、也不应被认为本身限制或限定了所提及的制品和/或方法的要素。

附图说明

图1是根据本发明的第一紧固件实施方案的立面图，其中壳以虚影示出，所述紧固件示出处于标称状态；

图2是图1的实施方案的立面图，但是其中所述紧固件示出处于部分启动状态；

图3是图1的实施方案的立面图，但是其中所述紧固件示出处于完全启动态；

图4是图1的紧固件的分解部件的立面图；

图5是图1的紧固件的立面图，该图示出旋转近似90°；

图6是图5的紧固件的近端端部的横截面细节图；

图7是图5的紧固件的近端端部的分解部件的立体图；

图8a以部分装配状态示出了图7的实施方案，尤其强调示出了柱塞指状物在腹板开口中的平移啮合；

图8b是图8a的实施方案的替代视图；

图9a以完全装配状态示出了图8a的实施方案；

图9b是图9a的实施方案的替代视图；

图10a-f顺序示出第一紧固件实施方案的装配；

图11是插入两个工件的对准孔的第一紧固件实施方案的立面图，其中柱塞已被压入为使得筒夹主体远端端部平移穿过杆的远端端部；

图12示出了在柱塞释放后处于夹紧状态的图11的实施方案；

图13是根据本发明的紧固件的第二实施方案的分解立体图；

图14a-f是处于标称状态、部分启动状态和完全启动状态的图13的实施方案的不同的立体图。

具体实施方案

引言：当与该部分描述的任意结构或方法、参照物或界标相关联时，各图中任意数字引线的末端意在代表性地指出该结构或方法、参考物或界标，以及将它们与对该对象或方法的书面描述相关联。除非明确地如此阐明，或从附图以及术语所用的上下文表面明确可知，否则并不意在、或不应推断为就其本身而言界定或限定所引述的对象或方法的范围。除非明确地如此阐明，或从附图以及术语所用的上下文表面明确可知，所有词语和视觉辅助应被给予其与本公开文本的上下文相一致的常用商业含义和/或科学含义。

根据上文所述，给出以下说明使得本领域技术人员能够制造和利用所要求保护的本发明。对所描述的实施方案的各种改型对本领域技术人员是容易明白的，在不背离如所附权利要求限定的本发明的主旨和范围的情况下，本文公开的总体构思可应用于本发明的其他实施方案及应用。因此，要求保护的本发明并不意在并且不应该被限制为公开的和/或描述的实施方案，而应被给予与本文公开的构思和特征相一致的最宽范围。

然后参见若干实施方案，其中相同的数字表示相同的部件，更具体地参见图1-4，示出了第一紧固件实施方案20。现具体参见图4，紧固件20包括以下主要元件：筒夹主体30、壳50、杆70、套管100、柱塞130和锁定环120。回到图1-3，可看到筒夹主体30包括外表面32(以及暗示包括内表面)、远端端部36和近端端部44。在筒夹主体30的远端部分，多个指状物38主要由槽42限定。指状物38还包括握持元件40，该握持元件40包括成锐角的前沿面或倒角以及用于对抗远端工件的后沿面，如图11和12最佳示出的。

筒夹主体30部分围绕杆70，且包括外表面72、远端端部74和第二端部78，远端端部74包括倒角76，从而在筒夹主体远端端部36平移穿过期间帮助指状物38的径向扩展或收缩。如下文更详细描述的，近端端部78与壳50接合，以提供减弱或防止杆70相对于壳50的轴向移动的装置。

当紧固件20处于图1中示出的标称状态时，围绕筒夹主体30和杆70大部分的是形式为弹簧160的偏压装置，围绕所有这些元件的是壳50。壳50包括外表面52和内表面54。壳50由远端端部58和近端端部64所限定，在远端端部58和近端端部64之间的是主体部分56。远端端部58包括折回部(return portion)或唇部60，折回部或唇部60在该处产生内表面直径减小的孔口。该折回部或唇部具有内部座62a，并具有外部邻接表面62b，内部座62a接收弹簧160的远端端部162，外部邻接表面62b用于对抗近端工件，如图11和12最佳示出的。壳50的近端端部64包括限定腹板元件座68的放大部分66，如图6和7最佳示出的。

紧固件20的最后一个主要元件是柱塞130。柱塞130——优选地由聚合物材料构造——具有外表面132和内表面134，以及与近端端部150轴向或纵向相对的远端端部136。除了成本降低，聚合材料通常具有一定量的弹性，这可以有利地延长工具寿命：对柱塞130的横向作用等不会导致永久变形和随之产生的功能损失。近端端部150包括可根据使用情况的要求而形成的头部152，而远端端部136要求考虑其与腹板元件80的接口连接。不考虑腹板元件80的确切性能，远端端部136包括多个指状物138，指状物138由主体部分144中形成的槽142限定。每个槽142由截面(sectional face)140定界，截面140(将在下文描述)与腹板元件的截面协作，以帮助柱塞130在其中的正确对准。此外，远端端部136包括环形段146，环形段146包括远端面148a和近端面148b，远端面148a用于压紧接触套管100，近端面148b用于压紧接触锁定环120(见图7)。

在图1-4还示出可选的套管100。该元件用作对准部件，为筒夹主体近端端部44的环状物46在面向远端表面104处提供合适的座(见图6)，以及为指状物138的远端表面148a在面向近端表面106处提供合适的座(见图7)。随着周缘表面108a沿着杆70朝向壳50的远端端部58平移，周缘表面108a为柱塞120和杆70提供额外的位置支撑，而周缘表面108b为指状物138在柱塞130的远端端部136处提供位置支撑。

具体参见图7-9b，可看到指状物138的大小被设计为配合在臂90(其形成腹板元件80)形成的开口内，并由扩展部分66的内表面54所限制。为防止不期望的将指状物从扩展部分66(或腹板元件80)处移走，在加入柱塞130后将锁定环120插入紧固件20，锁定环120可具有在其外周缘表面形成的倒钩或梯形丝扣(buttress thread)。如图9a和图9b最佳示出的，一旦就位，锁定环120阻碍地接触环形段146的近端表面148b以及腹板元件80的面向近端的表面84，由此将二者保持在壳50的界限内。

图10a-f示出了装配紧固件20的方法，图11和12示出了使用根据本发明的紧固件压紧地使两个工件关联的方法。最后，图13和图14a-f示出了根据本发明的紧固件的替代实施方案。

Claims (3)

1.一种用于使至少两个工件相关联的偏压单面紧固件，所述至少两个工件中的每一个都限定一个孔，所述紧固件的至少远端部分可穿过所述孔，所述紧固件包括：

筒夹主体，其具有：限定外径的外表面、限定内径的内表面、具有限定第一开口的远端端部的远端部分、具有限定第二开口的近端端部的近端部分，其中所述远端部分包括多个柔性指状物，所述多个柔性指状物的远端部分组成所述筒夹主体的远端端部，并至少部分地限定所述第一开口，该筒夹主体还包括从其所述外表面径向延伸的握持部分；

总体圆柱形壳，其具有：限定外径的外表面、限定尺寸足以接收所述筒夹主体的内径的内表面、包括限定第一开口的远端端部的远端部分、以及包括限定第二开口的近端端部的近端部分，所述两个端部被一个主体部分间隔开，其中所述远端端部具有内径减小部分和工件接触部分；

杆，其具有限定外径的外表面、远端端部和近端端部，所述两个端部被一个主体部分间隔开，所述外径的至少一部分的尺寸被设计为允许所述杆在所述筒夹主体内平移；

柱塞，其具有限定外径的外表面、限定内径的内表面、限定第一开口的远端端部以及包括头部部分的近端端部，其中一个远端部分包括多个指状物，所述多个指状物的远端部分至少部分地限定所述第一开口，并且所述多个指状物的横向截面限定多个槽；

腹板元件，该腹板元件用于将所述杆在其非远端端部处链接至所述壳，并用于限定多个开口，所述多个开口中至少部分开口对应于柱塞的指状物，以允许所述指状物至少部分平移穿过所述开口；以及

偏压装置，其大小被设计为位于所述壳之内，以引起所述筒夹主体相对于所述壳的平移，

其中在装配状态时，所述柱塞朝着所述壳的远端端部的平移克服所述偏压装置的作用，并导致所述筒夹主体的近端端部朝着所述壳的远端端部平移。

2.根据权利要求1的紧固件，其中所述腹板元件被定位在所述壳的近端端部，并将所述壳的近端端部链接至所述杆的近端端部。

3.根据权利要求1的紧固件，其中所述偏压装置将所述壳的远端端部与所述筒夹主体的近端端部机械地链接。

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