CN102889290A - 具有提供防止旋转的特征的功能元件以及由功能元件和金属板部件构成的构件组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有提供防止旋转的特征的功能元件以及由功能元件和金属板部件构成的构件组件。一种具有轴部件和头部部件的功能元件，具有提供防止旋转的至少一个特征，该特征提供在功能元件的金属板接触表面的区域中。功能元件的特征在于，提供防止旋转的每个特征包括设置在功能元件的金属板接触表面中的凹进部分，其中具有至少基本中心地设置在凹进部分中的凸起部分，或者具有围绕凹进部分的凸起部分。由于此设计，功能元件能够被笔直向前地插进厚金属板部件或者较高强度的金属板部件中，并且从而能够实现高质量的防止旋转。

Description

具有提供防止旋转的特征的功能元件以及由功能元件和金属板部件构成的构件组件
本发明涉及一种功能元件，其具有提供防止旋转的特征(featureproviding security against rotation)，并且还涉及一种构件组件，其由功能元件和金属板部件构成。
功能元件以及此种类的构件组件从EP-A-1674741中是已知的。其中要求保护一种元件，其可以通过铆接附接到金属板部件或者特别是定心螺栓(centering bolt)形式的元件。该元件设有轴部件和头部部件，其中头部部件在其面对金属板部件的侧部处具有至少基本环状的环形凹进部分，其中环形凹进部分在其径向内侧处结合到头部部件的圆柱形部分，圆柱形部分接着结合到轴部件且结合到管状铆钉部分中。管状铆钉部分在头部部件的区域中包围轴部件，其被布置在布置于环形凹进部分径向外侧的环状接触表面内，并且借助于至少基本圆锥形的壁在径向外侧处并入环状接触表面中。
为了提供防止旋转，多个局部凹进部分，特别是均匀分布的凹进部分被提供在环形凹进部分的圆锥形的壁中并且/或者在可选择存在的环形凹进部分的环状基部表面(26)中。
该元件特别计划用于厚的金属板部件。其他元件也是已知的，其中凹进部分设置在金属板接触表面中以实现防止旋转。实践中，功能元件被挤压在压机(press)中或者通过使用机器人或力驱动的卡钳被挤压抵住金属板部件，其中机器人或夹钳的挤压在金属板部件一侧上的功能元件的头部部件上施加轴向力，并且还在金属板部件另一侧上的模具模槽(die button)上施加轴向力，以通过将铆钉部分卷边(bending over)而将功能元件铆接到金属板部件。功能元件还以压进元件的形式已知，并且功能元件还至少基本不通过压机、机器人或夹钳而有意地变形，而是金属板材在压进元件期间被迫使流入功能元件的底切中。
此时，应当清楚，本发明可以用于各种范围的功能元件例如铆钉元件、穿孔和铆接元件、压进元件和穿孔元件，其中功能元件能够设有内螺纹和/或外螺纹，即其能够形成为螺母元件或形成为螺栓元件，或者可被形成为轴承塞或轴承套或形成为用于轴的中空轴承。另一方面，功能元件还可实现为夹子。
不考虑任何目的，会预期到结果是难于借助于模具模槽来变形金属板材使得金属板材流入凹进部分中并在功能元件和金属板部件之间产生需要的防止旋转。
对于厚金属板部件来说(但是还与薄金属板和高强度的金属板部件有关)，问题特别尖锐，因为借助于模具模槽不易于导致金属板材流动，使得其完全或充分地填充凹进部分以通过此方式实现需要的防止旋转。
反之亦然，有时难于将提供防止旋转的突出部分，例如提供防止旋转的肋状物在金属板接触表面处充分挤压进入金属板材中，并且由此难于实现需要的防止旋转。
本发明的目的是在此提供帮助。
为了满足此任务，根据本发明设置了提供防止旋转的特征，其中每个特征包括设置在功能元件的金属板接触表面中的凹进部分，其中凸起部分至少基本中心地设置在凹进部分中，或者凸起部分围绕凹进部分。
因为局部的凸起部分和局部的凹进部分直接邻近彼此布置，所以局部的基部部分仅需要在短的路径上移动金属板材以将其引入局部的凹进部分中，并且这可以相当简单地并通过中等力来完成，即便是当几毫米厚度的较厚金属板部件或者分别具有300Mpa和1400MPa以上强度的较高强度或高强度的金属板使用时。对此的原因可能在于：施加的压力导致局部的升高应力，其有助于将金属板移动到直接的或者邻近的凹进部分中。
相反，如果具有提供防止旋转的局部凸起部分，则移动的材料必须分布在固体且原则上不可压缩材料的周围体积中。如果仅使用提供防止旋转的局部凹进部分，则材料必须从大体积的金属板材移动到凹进部分中，这同样需要相当大的力。
当金属板接触表面位于提供防止旋转的特征附近并围绕该特征的局部平面中或者确定对应平面时，并且当在此局部平面上的凸起部分的体积至少基本对应于此平面下方的凹进部分的体积时，这是特别优选的。在中心地位于凹进部分的凸起部分的情形下，此局部平面能够理解为由凹进部分的外边界确定的平面。然而，其还可以是凹进部分至少部分地位于圆形表面，例如圆锥形表面中的情况，由此因为曲率或表面或者表面的可能角度和边界的范围，边界不真正位于平面中。然而在此情形下，能够限定中间平面的类型，其可用于体积的考虑。
由此，还可以确保通过提供防止旋转的凸起部分被局部移动的金属板材也被完全容纳在直接邻近的提供防止旋转的凹进部分中，由此提供防止旋转的特征和金属板部件之间需要的形状配合的接合(form-fittedengagement)被最大化，并且从而产生良好的防止旋转。
在此连接中，凸起部分的顶端优选是圆形的。由此确保不产生不需要的刻痕作用，而不需要的刻痕作用对于构件组件的疲劳寿命来说将是有害的。因为相同的原因，当凹进部分的边界是圆形时是优选的。然而此时，刻痕作用不是如此关键的，因为此时金属板部件具有至少基本原始的厚度，因此所述边界还可以制成带有尖锐的边缘。
功能元件可具有铆钉部分，其确保了提供防止旋转的每个功能元件与金属板部件的形状配合的接合。
对此可选择地，功能元件可以是具有容纳金属板材的底切的压进元件(press-in element)，同样其确保了将提供防止旋转的功能元件的每个特征形状配合地接合在金属板部件中。
另外，本发明涉及一种构件组件，由如上解释的功能元件和金属板部件构成，其中金属板材具有材料凹进部分和凸起的材料部分，所述材料凹进部分邻近在提供防止旋转的特征的每个凸起部分的位置处的金属板接触表面，所述凸起的材料部分位于每个凹进部分的位置处，由此存在金属板部件的材料和功能元件之间的形状配合的接合，其引起防止旋转。
当功能元件是具有铆钉部分的铆钉元件时，在铆钉部分被卷边以后，铆钉部分将金属板材夹持在其与金属板接触表面之间，由此产生具有良好防止旋转的高质量构件组件。
当功能元件是压进元件并且底切至少部分地容纳金属板材时，则此防止了功能元件和金属板部件的轴向分离。在此形式中，保持了提供防止旋转的功能元件特征的凸起部分和金属板部件的材料凹进部分之间以及功能元件的凹进部分和金属板部件的凸起材料部分之间的形状配合的接合。
本发明现将仅通过实施例的方式并参照实施方式和附图进行更详细地解释，所示附图中：
图1A是螺纹螺栓形式的根据本发明的功能元件的金属板接触表面的平面视图，
图1B是在纵向方向上部分剖开的图1A的螺纹螺栓的视图，
图1C是图1B显示的环绕区域的放大显示，
图1D是图1A至1C的螺纹螺栓的透视图，
图2A-2C是用于解释将根据图1A至1D的螺纹螺栓安装到金属板部件中以产生根据本发明的构件组件的示图，
图3A是螺母元件形式的根据本发明的功能元件，具有提供防止旋转的特征的可选择形式，
图3B是如从以下平面图中可见的，根据图3A提供防止旋转的特征的放大示图，并且
图3C是在径向剖面平面(径向于元件的纵向轴线)中所见的根据图3A提供防止旋转的特征的放大示图。
图1A至1D的功能元件12广泛地对应于EP-B-1674741的功能元件，但除了不同地形成了提供防止旋转的特征，这些特征一般以参照数字32来表征。
参照图1A至1D以及图2A至2C，能够通过铆接而附接到金属板部件10(图2A至2C)的元件12以具有轴部件14和头部部件16的定心螺栓的形式显示。头部部件16在面对金属板部件10的其侧部18处具有至少基本环状的环形凹进部分20，其中环形凹进部分在径向的内侧结合到头部部件16的圆柱形部分21，圆柱形部分21接着结合到轴部件14且结合到管状铆钉部分22，管状铆钉部分22在头部部件16的区域中或者直接在头部部件16的下方包围轴部件14。形成金属板接触表面的环形凹进部分20布置于环形凹进部分20外侧的另一环形径向接触表面24的内侧，或者布置在由圆环形节段24′构成的接触表面内，并且通过至少基本圆锥形的壁23在径向的外侧处结合到接触表面24或24′中。如所示的，圆锥形的壁23可以有利地为相对于水平面大约33°的封闭锥角。该角度可以被选择而不限制在20°至45°的范围中，并且这些值也不应认为是限制性的。凹进部分20也不是必要的，而是还可以由垂直于纵向轴线30定位的并且还形成接触表面24的表面来代替。
在此实施例中，环形凹进部分20在圆锥形的壁23的径向内部具有基部表面26，基部表面26在半截面上是弯曲的环形形状且并入圆柱形部分21的径向外表面中。在此实施例中，在径向半截面上是弯曲的基部表面26包括至少基本垂直于元件12的中心纵向轴线30定位的平坦部分28。然而，还可以设想省略平坦的基部表面或扩展平坦部分28的径向宽度，因此其直接地或者通过相对小的半径并入圆锥形的壁23中或者并入铆钉部分22上方的圆柱形部分21中(未示出)。基部表面还可以以其他方式实现或者通过圆锥形的壁到铆钉部分22上方的圆柱形部分21中的相对尖的过渡来实现(由此，名称“上方”应理解为用于元件12的显示在图1B中的定向，并且不作为几何学上的定义)。
提供防止旋转的至少一个局部特征32或优选地提供防止旋转的多个局部特征，特别是提供防止旋转的均匀分布的局部特征32被设置在环形凹进部分20的圆锥形的壁23中，并且/或者设置在环形凹进部分20的可选择设置的环形基部表面26中。而且，在此实施例中，提供防止旋转的特征32在环状接触表面24上延伸，并将其再分成提到的区域或圆环形节段24′。在此实施例中，提供防止旋转的每个特征32由设置在功能元件12的金属板接触表面中的凹进部分31构成，其具有至少基本中心地布置在凹进部分中或者围绕凹进部分的凸起部分33。
因为局部的凸起部分33和局部的凹进部分31直接相互邻近布置，所以金属板材在将元件附接到金属板部件10时仅需要移动短的路径，以将其引入直接邻近的局部凹进部分31中，并且这被相当简单地并且通过适中的力而实现，即便使用几毫米厚度的厚金属板部件或者通过较高的强度或者具有分别在300MPa和1400MPa以上强度的高强度金属板作业。
当在提供防止旋转的特征的区域中并围绕该特征的金属板接触表面(此处由表面26、23和24形成)位于局部平面E(图3C)中或者确定对应的平面，并且在此局部平面上的凸起部分33的体积至少基本对应于在此平面下方的凹进部分31的体积时，这是特别优选的。
由此确保通过提供防止旋转的凸起部分32局部移动的金属板材被完全容纳在提供防止旋转的直接邻近的凹进部分31中，借此产生了提供防止旋转的特征32和金属板部件10之间的需要的形状配合的接合，并从而实现良好的防止旋转。
在此连接中，如图1A和1D所示，凸起部分33的顶端35优选地是圆形的。由此确保在板材10中不产生不需要的刻痕，而该刻痕对构件组件的疲劳寿命将是有害的。因为相同的原因，不管凹进部分31的边界37是否是圆形的，其都是优选的，就像图1A中同样明显的。然而此处，刻痕作用不是决定性的，因此在附接功能元件以后的金属板部件10(将继续详细描述)在此点处具有至少基本原始的厚度，使得主要的边界还可以通过尖锐边缘进行。
局部凹进部分31或每个局部凹进部分具有伸长的圆形形状，其中具有从所述局部凹进部分31或每个局部凹进部分31的侧壁的过渡，即如37处所示，在此实施例中，每个凹进部分31的边界是圆形的。
在此实施例中，所述局部凹进部分31或每个局部凹进部分31被制成足够地长并延伸到环状接触表面24中，由此环状接触表面24还被伸长的凹进部分划分成圆环形节段24′。名称“环状接触表面”因而应以此方式理解成其还覆盖由被这些局部凹进部分中断的圆环形节段组装的接触表面。然而，还可能使得局部凹进部分更短，从而其不达到接触表面24并且不将其再分。
精确地，在此实施例中，以与局部伸长凹进部分31再分环状接触表面24相同的方式，局部伸长凹进部分31也再分环形凹进部分20的基部表面26。当此基部表面26为环状时，则由此理解其还包括被一个局部凹进部分或被多个局部凹进部分中断的基部表面。提供防止旋转的各个特征的凸起部分33在此实施例中也是伸长的，并具有提供防止旋转的肋状物的形式。这些肋状物在其径向内端邻接头部部件6的圆柱形部分21，因此此处对应的凹进部分31仅出现在凸起部分的两侧上，并且也就是说，以马蹄形的方式包围凸起部分，其中肋状物或凸起部分311的径向外端是圆形的并且其中凹进部分33的外端是圆形的。
在此实施例中，提供了八个均匀分布的提供防止旋转的特征32。然而，还可以提供不同数量的防止旋转的特征32，从一个提供防止旋转的局部特征直到十二个提供防止旋转的局部特征将是完全可以设想的。还可以考虑更大的数量，尤其是如果其被制成得更小或更窄并且更浅。
如从此附图中明显的，并且特别是从附图1C中，当在径向截面平面中观察时(如图1B的左手侧所示)，管状铆钉部分的壁的自由端34在其径向外侧和其径向内侧都是圆形的，并且具有例如半圆形或箭头状的形状，由此环顶在铆钉部分的下端处形成，且精确地在由34标记的部位处形成。
在根据图1A-1D的实施方式中，轴部件14形成在铆钉部分22的下方或其内，作为块状或管状的中心部件。代替将元件形成为单纯的定心元件，其还可以形成为定心元件和紧固元件，或者形成为单纯的螺栓元件。在图1A至1D的实施方式中，轴部件14设有螺纹14′。
螺纹14′具有邻近管状铆钉部分的自由端区域的螺纹尾部(thread runout)14″，并且螺纹尾部并入圆柱形部分40中，其中的圆柱形部分40具有与螺纹的外径相同尺寸或更大尺寸的直径。如图2C中所示，形成实际上中心部分的圆柱形部分40基本上仅仅当元件12附接到金属板部件10时是明显的。在图1A至1D或图2C的实施方式中，位于翻转的铆钉部分即铆钉卷边(rivet bead)42下方的整个轴部件14形成定心部分40，或者直接位于铆钉卷边42下方的仅一部分形成定心部分40。剩余部件可选择地带有台阶或倒角，即可设有用于预定心的较小直径。
存在改变根据图1A至1D的元件的各种可能性。例如，头部部件14在相对轴部件的侧部处可具有功能部分，例如以外螺纹、内螺纹、具有容纳夹子或引导部件的另一轴部件的形式。作为另一可选择方案，轴部件14可制成中空并且用作用于销或轴的引导件，或者形成有内螺纹并从而形成螺母元件。
现将参照图2A至2C描述用于将图1A至1D的元件12附接到金属板部件10的方法。
如图2A中所示，金属板部件以带孔的金属板部件10的形式被插进，其中的带孔的金属板部件10已经预形成为环状轴环，即形成孔50区域中的凸起部分52，其中的环状轴环至少基本为环形凹进部分20的圆锥形的壁23的形状。在此实施例中，金属板部件的凸起部分52在顶部处不是平的，并且孔50通过穿孔过程在凸起部分形成以前产生，这是孔50的侧壁53斜向于纵向轴线30延伸的原因，即在图2A中向上偏斜(diverge)。环状轴环52可在其顶部变平，即圆锥形凸起部分52可以在顶部笔直地形成有变平的部分。孔50的穿孔于是可以在挤压过程结束时与变平组合，用于形成孔50，由此孔的壁平行于纵向轴线30延伸。作为另一可选择方案，凸起部分可具有比环形凹进部分20的圆锥形的壁23更陡峭的圆锥形形状。
然后，元件附接到金属板部件10处借助于处于压机中的或者位于C形框架中的模具模槽以已知方式进行。
在此连接中，压力被例如在箭头方向60上施加到元件的头部部件16上，同时金属板部件10被未示出的模具模槽支撑。图2B显示了在轴部件14的自由端已经穿过孔50以后，附接金属板部件的功能元件的中间状态，然而图2C显示了最终状态，其中包括功能元件12和金属板部件10的相应的构件组件已经完成。在此连接中，功能元件12到金属板部件10的铆接借助于布置在金属板部件下方的模具模槽(未示出)实现。为此目的，模具模槽具有容纳轴部件的中心切口或中心孔，以及包围该切口或孔的环状凸起部分，其挤压铆钉部分22周围的金属板材抵住提供防止旋转的特征32，由此凸起部分31被压入金属板材并且移动的材料流入相应的凹进部分31中。
在铆钉卷边42的形成期间(图2C)，铆钉部分22放入环形凹进部分54中，其同时形成在金属板部件10的下侧中。
为此目的，模具模槽的环状凸起部分优选地在其自由端形成有环形边缘，其中的环形边缘结合到径向设置在环形边缘外侧的圆形成形表面中。环形边缘的直径制得略微小于在铆钉部分22的自由端处的环顶的直径，由此铆钉部分22在铆接过程期间通过环形边缘并通过圆形成形表面径向向外地转动，并形成到铆钉卷边42。在此连接中，金属板材通过施加在元件12的头部部件16和模具模槽之间的力、通过正在形成的铆钉卷边并通过铆钉卷边42径向外侧的模具模槽的区域而被压紧，因此金属板材在凸起部分33的区域中的压力作用下流入局部凹进部分31中。从而，在金属板材中且在凸起部分33的位置中形成了凹进部分，并且在金属板材中在凹进部分31的位置中形成了突出部分，这导致元件12和金属板部件10之间的互锁布置，其提供了防止旋转。通过对铆钉部分卷边，然而金属板材还被夹持在形成于环形凹进部分20和铆钉卷边42之间的径向凹槽56中，这在轴向方向上将元件固定在金属板部件56中。通过压紧力(以及铆钉部分22同时凸起的膨胀部)，金属板材在铆钉卷边42上的区域中被更加牢固地挤压在元件12的轴部件14上，由此产生高的孔摩擦(卡住)，这导致了元件的牢固定位和增加的防止旋转。另外，金属板材在压缩中安装，因此在动态操作中，无需担心疲劳断裂。当金属板的圆锥形凸起被部分挤压平坦时，即当使用根据最初提到的EP-A-0539793的夹持孔铆接过程时，该作用能够被增强。
因而该方法产生由金属板部件10和附接到其的元件12构成的构件组件，其中金属板部件10在凹进部分20的区域中具有环状凸起部分52′，其以形状配合的方式容纳在环形凹进部分20中。金属板部件的材料同样以形状配合的方式接合到提供防止旋转的每个特征32，其中每个特征33分别通过凸起部分33和凹进部分31形成。另外，环形凹进部分54位于金属板部件10的远离环形凹进部分20的侧部58上，其中已经从铆钉卷边42卷边的铆钉部分22位于环形凹进部分54中。远离头部部件16的铆钉卷边42不突出，或者基本不突出超过金属板部件50的在围绕铆钉卷边42的区域中的侧部58，并且优选地相对其稍微缩进例如0.02mm。
为了完整的缘故，应该指出根据本发明的元件12不一定必须满足定心的功能，而是其可具有单纯的附接功能或者轴颈连接功能(journalingfunction)，并且其因而不需要是定心元件或定心螺栓。
图3A至3C显示了以螺母元件形式的根据本发明的功能元件12，其中金属板接触表面20位于垂直于中心纵向轴线30的平面中。在此实施例中，螺母元件的与之前实施方式的特征相同的各个特征使用相同的参考数字。将理解，之前对各种特征或其功能的描述还用于图3A至3C的对应特征，除非说明了相反的情形。
在此实施例中，六个提供防止旋转的特征32围绕中心的纵向轴线均匀地分布，其中部分33以及与其同心的凹进部分31在平面视图中是成圆形的或是圆形形状。
在所有实施方式中，所有材料可被提名用于元件材料的实施例，其能实现根据ISO标准的八级强度值或者在冷变形背景下更高的等级，例如35B2合金。除此之外，如此形成的紧固元件12还适于用于拉制性金属板部件的所有市场可买到的钢材，以及铝或其合金。另外，铝合金，特别是具有更高强度的那些可被用于元件，例如AlMg5。而且，更高强度的镁合金例如AM50也可用于元件12。

Claims (12)

1.一种功能元件(12)，具有轴部件(14)和头部部件(16)以及还具有提供防止旋转的至少一个特征(32)，所述特征(32)设置在所述功能元件(12)的金属板接触表面(20、24)的区域中，其特征在于，提供防止旋转的每个特征(32)包括设置在所述功能元件(12)的所述金属板接触表面(20、24)中的凹进部分(31)，其中凸起部分至少基本中心地设置在所述凹进部分(31)中，或者凸起部分(33)围绕所述凹进部分(31)。
2.根据权利要求1所述的功能元件(12)，其特征在于，所述金属板接触表面(20、24)位于提供防止旋转的所述特征(32)的区域中并在局部平面(E)中围绕所述特征，或者所述金属板接触表面(20、24)确定对应的平面，并且所述局部平面(E)的一侧上的所述凸起部分(33)的体积至少基本对应于所述平面(E)的另一侧处的所述凹进部分(31)的体积。
3.根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述凸起部分(33)的顶端是圆形的。
4.根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述凹进部分(31)的边界(37)是圆形或带有尖锐的边缘。
5.根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述凸起部分(33)具有伸长肋状物的形式并且中心地布置在同样的伸长凹进部分(31)中，由此所述凹进部分被划分为在肋状的凸起部分两侧上的两个部件区域。
6.根据权利要求5所述的功能元件(12)，其特征在于，所述肋状的凸起部分(33)至少基本径向于中心纵向轴线(30)定位且从所述功能元件(12)的圆柱形区域(21)开始。
7.根据之前权利要求1至4中任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述凸起部分(33)在截面上是成圆形的，并且所述凹进部分(31)围绕所述凸起部分(33)布置，在平面图中是圆柱形的形状，并且与所述凸起部分(33)同轴地定位。
8.根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述功能元件具有铆钉部分(22)，所述铆钉部分(22)确保了所述功能元件(12)的提供防止旋转的每个特征(32)与金属板部件(10)的形状配合的接合。
9.根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其特征在于，所述功能元件是具有底切的压进元件，所述底切容纳金属板材，这确保了所述功能元件的提供防止旋转的每个所述特征形状配合地接合在所述金属板部件中。
10.一种构件组件，包括金属板部件(10)和根据之前权利要求中的任一项所述的功能元件(12)，其中所述金属板材具有材料凹进部分和凸起的材料部分，所述材料凹进部分邻近在提供防止旋转的特征(32)的每个凸起部分(33)的位置处的所述金属板接触表面，所述凸起的材料部分位于每个凹进部分(31)的位置处，由此促成防止旋转的形状配合的接合产生于所述金属板部件的材料和所述功能元件之间。
11.根据之前权利要求10所述的构件组件，其特征在于，当所述功能元件(12)是具有铆钉部分(22)的铆钉元件时，其中在所述铆钉部分(22)被卷边以后，所述铆钉部分(22)将所述金属板材夹持在所述铆钉部分(22)和所述金属板接触表面(20、24)之间。
12.根据权利要求10所述的构件组件，其特征在于，当所述功能元件(12)是具有底切的压进元件时，所述金属板材被至少部分地获得在所述底切中，并从而防止所述功能元件和所述金属板部件的轴向分离。
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