CN107542741B - 连接元件及用于连接至少两个工件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使至少两个工件互连的连接元件，其具有轴；在轴的一端处的沿径向突出超过轴的外侧的连接元件头部；连接元件头部上的驱动构造，和前轴端，其中在出自连接元件头部的下侧的轴的保持部分中，至少一对闭合的环形凸起设置在其上，其中至少一个环形凸起并未完全设置在垂直于轴的纵轴线延伸的平面中；并且沿圆周的成对的两个环形凸起之间的间距具有不相似的尺寸，或者成对的环形凸起中的两个环形凸起设置成以便相互平行；其中轴的前端构造为锥形孔形成部分，并且其中孔形成部分的最大外径比环形凸起的最大外径小3%到10%之间，特别是小5%。

Description

连接元件及用于连接至少两个工件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于使至少两个工件互连的连接元件，其具有轴；在轴的一端处的沿径向突出超过轴的外侧的连接元件头部，以及连接元件头部上的旋转驱动构造，其中在出自连接元件头部的下侧的轴的保持部分中，至少一对闭合的环形凸起设置在其上，其中至少一个环形凸起并未完全设置在垂直于轴的纵轴线延伸的平面中；并且沿圆周的成对的两个环形凸起之间的间距具有不相似的尺寸，或者成对的环形凸起中的两个环形凸起设置成以便相互平行；其中轴的前端构造为锥形孔形成部分。

背景技术

此类连接元件从国际未审查且首次的公开WO 2015/022124 A1获知。

发明内容

经由本发明，将改进连接元件和用于连接至少两个工件的方法。

为此，根据本发明，提供一种用于使至少两个工件互连的连接元件，其具有轴；在轴的一端处的沿径向突出超过轴的外侧的连接元件头部，以及连接元件头部上的旋转驱动构造，其中在出自连接元件头部的下侧的轴的保持部分中，至少一对闭合的环形凸起设置在其上，其中至少一个环形凸起并未完全设置在垂直于轴的纵轴线延伸的平面中；并且沿圆周的成对的两个环形凸起之间的间距具有不相似的尺寸，或者成对的环形凸起中的两个环形凸起设置成以便相互平行；其中轴的前端构造为锥形孔形成部分，并且其中孔形成部分的最大外径比环形凸起的最大外径小3%到10%之间，特别是小5%。

令人惊讶地，证实了孔形成部分的最大外径的此类大小在连接至少两个工件时交出特别良好的结果。由此，由孔形成部分在孔形成之后产生的孔略小于环形凸起的区域中的轴的外径。特别地，借助于孔形成部分形成的孔的直径在比外径小近似3%到10%之间。由此，保持部分实际上在轴向压力下推入产生的孔中，但还实现了形成的孔中的环形凸起的正固持。本文中必须考虑的是，在借助于孔形成部分形成孔之后包绕形成的孔的材料为非常热的，并且甚至分别至少处于部分熔化或至少处于膏状状态。由此，具有环形凸起的保持部分可使用较小的轴向力推动。本文中的轴向力可选择成较小，以使不存在相互上覆的工件分别挠曲或变形的风险。由此，轻金属板可使用根据本发明的连接元件互连，而不必担心轻金属板的相对大的变形。这是根据本发明的连接元件相对于钉子的决定性优点，例如，该钉子仅以轴向方式射过待连接的工件。一旦保持部分推入借助于孔形成部分形成的孔中，则包绕孔的材料可流入环形凸起之间的中间空间中，然而孔在冷却期间至少收缩，并且因此确保环形凸起的可靠锚定。由于沿圆周的成对的两个环形凸起之间的间距具有不相似的尺寸，或者由于成对的环形凸起中的两个环形凸起设置成以便相互平行，以及以便关于纵轴线至少部分倾斜，故连接元件的锁定可通过在连接元件完全推入形成的孔中之后使连接元件扭转来实现。由此，连接元件拧出的阻力增大，并且甚至可实现工件之间的相互偏压。可实现相比于流钻螺钉的显著更短的连接时间。

在本发明的细化中，孔形成部分的最大外径大于环形凸起之间的轴的芯部直径。

借助于孔形成部分形成的孔的直径因此位于在环形凸起之间的轴的芯部直径与环形凸起的外径之间。由此，可实现形成的孔中的环形凸起的正固持，并且还实现了包绕孔的加热的材料在环形凸起之间流动，或者至少孔在冷却期间大量地收缩，以使实现环形凸起和因此连接元件的可靠固持。

在本发明的细化中，具有恒定外径的加速区域设置在孔形成部分的头侧端与保持部分的开端之间，其中加速区域的外径小于孔形成部分的最大外径。

借助于此类加速区域实现了在借助于孔形成部分形成孔之后，螺栓由于施加在所述螺栓上的轴向压力而关于两个工件沿轴向方向加速。在具有环形凸起的保持部分接着与形成的孔的壁接触时，螺栓则已经为快的，或者具有大推动力，使得具有环形凸起的保持部分可非常迅速地推入形成的孔中，直到连接元件头部的下侧支承在上工件的上侧上。

在本发明的细化中，加速区域的外径尺寸大于或等于环形凸起之间的轴的芯部直径。

在加速区域的外径方面决定性的是，加速区域小于借助于孔形成部分形成的孔的内径。在可选地与连接元件的旋转组合的轴向推动配合之后，一旦加速区域进入孔，则形成的孔与连接元件之间的摩擦因此大量地减小。由此，连接元件可屈服于轴向压力，加速进入孔中。加速区域在本文中已经在孔形成部分的最大直径处开始，在保持部分的开端处结束，即是说，在第一环形凸起处。从孔形成部分的最大直径起，轴的直径因此可首先减小，以便接着过渡到加速区域的圆柱部分。

在本发明的细化中，加速区域(特别是加速区域的圆柱部分)的长度在孔形成部分的长度的20%到50%之间，特别是30%。

孔形成部分的长度，以及还有加速区域(特别是加速区域的圆柱部分)的长度适于待互连的工件的厚度。孔形成部分的长度的20%到50%之间(特别是30%)的加速区域的长度确保了连接元件关于工件的足够加速，以便实现保持部分非常迅速推动配合到形成的孔中，直到连接元件头部的下侧支承在外部工件的表面上。

在本发明的细化中，孔形成部分在其自由端处具有圆形末端。

在本发明的细化中，孔形成部分至少在其自由端的区域中具有多边形截面。

在孔形成期间的缩短的穿透时间借助于此类多边形截面来实现，该多边形截面可继续直至有利地为圆形的末端。

在本发明的细化中，多边形截面具有圆形转角。

在本发明的细化中，多边形截面构造成以便为三角形的，具有圆形转角。

在孔形成期间的特别积极的结果借助于具有圆形转角的三角形截面实现，其中转角可由凸出弯曲的侧缘连接。

在本发明的细化中，加速区域具有圆形截面。

圆形孔借助于孔形成部分生成，即使孔形成部分的截面为多边形的并且在孔形成部分的截面为多边形的时。如果加速区域位于孔内并且在加速区域位于孔内时，连接元件与孔的壁之间的摩擦将尽可能减小，以便因此使连接元件关于工件和因此还关于孔加速。为了使这一切实现，加速区域的圆形截面为高度适合的，因为在该情形中，加速区域的外壁与周围的孔的壁一致地间隔开。

在本发明的细化中，保持部分具有圆形截面。

保持部分经由其环形凸起提供用于与由孔形成部分形成的孔的壁啮合。此处，保持部分的圆形截面也是有利的，保持部分的至少外圆周有利地为圆形的。

本发明所基于的目的还由用于连接至少两个工件的方法实现，其中工件放置在彼此的顶部上，并且根据本发明的连接元件设置成旋转并且放置在工件中的外部工件的顶部上，其中轴向压力施加在连接元件上，直到连接元件头部的下侧支承在面对连接元件头部的外部构件的该表面上。

由于连接元件设置成旋转并且放置在工件中的外部工件的顶部上，故孔形成部分的自由端与外部工件接触。经由孔形成部分的旋转，工件以局部方式较强地加热，孔形成部分形成具有两个工件中的通路的孔。为此，除孔形成部分的旋转外，还需要作用于连接元件上的轴向压力。轴向压力被保持，直到连接元件头部的下侧支承在面对连接元件头部的外部构件的该表面上。本文中存在相对于流钻螺钉的相当大差异。在保持部分中设有螺纹的流钻螺钉的情况中，一旦螺纹(典型地自攻螺纹)接合在借助于孔形成部分形成的孔的壁中，则不再需要轴向压力。经由流钻螺钉的简单旋转，流钻螺钉经由螺纹接着拉入孔中，直到螺钉头的下侧支承。在根据本发明的方法和根据本发明的连接元件的情况中，螺纹未设在保持部分中，以使轴向压力必须被保持，以便连接元件压配合到借助于孔形成部分形成的孔中。在根据本发明的方法的情况中，本文中的该轴向压配合可在连接元件继续旋转时执行。与流钻螺钉成对比，建立连接所需的时间方面的显著减少可使用根据本发明的连接元件和根据本发明的方法实现。

在本发明的细化中，在将连接元件头部的下侧放置在外部构件的表面上之后，连接元件继续旋转。

令人惊讶地，证实了连接元件的进一步旋转不进一步有损连接元件的固持力，即使一旦连接元件的头部支承在外部构件上。具体而言，没有孔壁的撕裂出现，如总是在一旦螺钉头支撑在外部构件上在旋转未停止时的流钻螺钉的情况中出现的。

在本发明的细化中，在将连接元件头部的下侧放置在外部构件上之后，连接元件的旋转移动的旋转角大于360°。

在连接元件头部的下侧的放置之后，因此不仅存在执行的连接元件简单锁定在工件中。小于360°的旋转将仅针对此类锁定而需要。令人惊讶地，证实了在放置连接元件头部之后，大于360°的旋转角还引起连接元件的非常正的固持力。借助于孔形成部分形成的孔的壁，或形成该壁的材料分别较强地加热，并且可流入环形凸起之间的中间空间中，或者处于膏状状态，并且可分别在环形凸起之间移动。在将连接元件头部放置在外部构件上之后，这由连接元件的进一步旋转支持。由其形成形成的孔的壁的材料的较强加热还导致冷却期间的孔收缩。又由此，促进了连接元件的保持部分分别锁定或阻塞在形成的孔中。

在本发明的细化中，在将连接元件头部的下侧放置在外部工件上之后，连接元件不再驱动成执行旋转移动，直到连接元件的旋转减速至停滞。

因此，连接元件的旋转驱动可在放置连接元件头部之后断开，并且可简单地等待经由摩擦减速至连接元件的停滞。

在本发明的细化中，在将连接元件头部的下侧放置在外部构件上之后，连接元件继续关于预先限定的角旋转。

以该方式，限定的旋转移动可在放置之后执行，其中旋转移动可容易地具有大于360°的旋转角。

附图说明

本发明的另外的特征和优点从权利要求和从连同附图的本发明的优选实施例的以下描述得出。在附图中：

图1示出了根据本发明的连接元件的侧视图。

图2示出了与纵轴线平行的图1的连接元件的截面视图。

图3示出了垂直于纵轴线的图1的连接元件的加速区域的截面视图。

图4示出了垂直于纵轴线的图1的连接元件的孔形成区域的截面视图。

图5示出了部分放大的图1的连接元件的图示。

图6示出了部分放大的图1的连接元件的又一个图示。

图7至10示出了在经由根据本发明的连接元件连接两个工件时的各种阶段。

具体实施方式

图1的图示示出了根据本发明，根据本发明的优选实施例的连接元件10。连接元件10具有连接元件头部12和轴14。连接元件头部在其上侧上设有驱动构造16。连接元件头部12的下侧18设有环绕的环形凹槽20，见图2，其提供用于在连接元件10的下侧18支承在外部工件上时接收外部工件的材料挖出。在径向向外的方向上，垂直于连接元件10的中心纵轴线设置的平面环形面22邻接环形凹槽20。驱动构造16允许连接元件10仅在一个旋转方向上被驱动，并且允许在图1中向下作用的轴向压力施加于连接元件头部12。

轴14的突出区域在图1中以方括号标记。从连接元件头部12的下侧18起，首先设置具有多个环形凸起26,28的保持部分24。保持部分24后接加速区域30，其具有圆柱部分，并且如由方括号的长度所示，从最远离连接元件头部12的下侧18的环形凸起26延伸直至孔形成部分32的开端。由此，加速区域还具有另一个扩张区域，其中加速区域30的外径从圆柱区域中的恒定外径增大直至孔形成部分32的最大外径。

孔形成部分32沿朝向轴14的自由端的方向成锥形，终止于圆形末端34处。

图4示出了穿过孔形成部分32的截面，所述截面垂直于连接元件10的中心纵轴线延伸。可看到的是，孔形成部分32具有多边形截面，其呈具有圆形转角的三角形的形式。圆形转角均借助于略微凸出弯曲的侧缘互连。孔形成部分32具有横跨其整个长度直至末端34的此类多边形截面。

图3示出了加速区域30的圆柱部分中的垂直于中心纵轴线的连接元件10的截面。圆柱加速区域30中的连接元件10具有圆形截面。

轴14的截面在保持部分24中也是圆形的。

图5的放大视图以放大图示仅示出了孔形成部分32、加速区域30，以及保持部分24的部分。

孔形成部分32的最大外径位于孔形成部分32的头侧端处，并且由附图标记A识别。加速区域30的圆柱形区域中的直径由B识别。环形凸起26,28的最大外径由C识别。环形凸起26,28的外径具有同样的尺寸，使得保持部分24具有圆柱形包络线。保持部分24的芯部直径由E识别。

可在图5的放大图示中看到的是，两个环形凸起26,28总是形成一对。环形凸起28的外径实际上与环形凸起26的外径尺寸同样。然而，沿圆周的两个环形凸起26,28之间的连接元件10的纵向方向上的间距具有可变尺寸，在图5的图示中从右到左增大，并且从左到右减小。因此，环形凸起28设置成以便相对于连接元件10的纵轴线倾斜，然而环形凸起26垂直于纵轴线延伸。

作为备选，以未示出的方式，环形凸起26,28还可设置成以便相互平行，其中在该情况中，两个环形凸起并未完全设置在垂直于轴的纵轴线延伸的平面中，因此例如相对于纵轴线倾斜。

在环形凸起26,28的潜在设计实施例方面，参照同一申请人的国际未审查且首次的公开WO 2015/022124 A1，其公开内容由此通过引用全部并入。以该方式，环形凸起可仅部分地相对于纵轴线倾斜延伸。

在加速区域30的开端之前，全部以相互平行的方式延伸的三个环形凸起26在沿纵向观看时按顺序设置。

可在图1中看到的是，总共三对环形凸起26,28按顺序设置在保持部分24中。此后，后接三个环形凸起26，其在加速区域30接着开始之前垂直于纵轴线延伸。

加速区域30的圆柱部分在最后的环形凸起26之后开始。圆柱部分具有外径B。在圆柱部分结束之后，加速区域30的外径增大，直到最大直径A处的加速区域30过渡至孔形成部分32。孔形成部分32接着连续地成锥形直至圆形末端34。

在所示实施例的情况中，孔形成部分32的最大直径A比环形凸起26,28的最大外径C小5%。在本发明的背景下，最大外径A可比最大外径C小3%到10%之间。

所示实施例中的加速区域30的圆柱部分中的外径B对应于保持部分24中的轴14的芯部直径D。孔形成部分32的最大外径A大于加速区域30的圆柱部分中的直径B，并且也大于保持部分24的芯部直径D。孔形成部分32的最大外径，以及因此还有位于彼此顶部上的工件中产生的孔的直径因此分别位于环形凸起26,28的外径C与保持部分的芯部直径D，或加速区域30的圆柱部分的外径B之间。

图6的图示示出了已经在图5中示出的图1的连接元件10的该部分。图6用于示出孔形成部分32与加速区域30之间的长度比。孔形成部分32从圆形末端34到最大直径A具有长度E。加速区域30从孔形成区域32的最大直径A(最大直径A同时形成孔形成区域32的端部)直至第一环形凸起26的基部具有长度F。在根据本发明的连接元件的情况中，加速区域30的长度F在孔形成部分32的长度E的20%到50%之间。在所示实施例中，加速区域30的长度F为孔形成部分32的长度E的近似30%。

出现的是，借助于图6描述的长度比和借助于图5描述的直径比在经由根据本发明的连接元件连接两个工件时交出优异的结果。可尤其实现在孔形成期间并且还在轴向推动配合保持部分24时的非常短的循环时间。总体上，高达50%的循环时间的缩短可相对于流钻螺钉或其它连接元件实现。根据本发明的连接元件10和根据本发明的方法例如用于将铝面板连接于钢面板，或用于连接两个铝面板。本文中的连接元件10还可仅用于将工件压在一起，直到粘合剂在两个工件粘合地粘结时固化。

图7至10的图示示出了在执行根据本发明的方法时的各种方法步骤。连接元件10的图示在各种情况中是示意性的。还指出的是，待在连接过程期间互连的两个工件40,42保持不动并且在同一水平处，与可基于图7到10的布置呈现的成对比。

图7示出了根据本发明的方法中的阶段，其中以沿两个工件40,42的方向的轴向压力P附加地撞击的、设置成旋转的连接元件10经由孔形成部分32的末端34已经穿透两个工件40,42。图7中的孔形成区域32的最大直径A近似定位成以便与外部工件40的表面齐平。

连接元件10接着进一步旋转，见图8，并且继续以轴向压力P撞击。本文中的轴向压力P在时间方面不必是恒定的。孔形成部分32现在形成下工件42中的孔和通路44。加速区域30现在分别位于孔或通路44的区域中。相对于孔形成区域32的端部处的最大外径A减小的加速区域30中的直径B导致连接元件10能够更强地屈服于轴向压力P，因此在朝向两个工件40,42的方向上加速。

这便于连接元件10轴向压配合到借助于孔形成部分32构造的工件40,42中的孔中。继续保持的轴向压力P和同样地继续保持的旋转导致保持部分24经由其环形凸起穿透形成在工件40,42中的孔，见图9。

执行穿透到两个工件40,42中，直到连接元件头部12的下侧支承在面对头部的外部工件40的该表面上，见图10。在图10的位置，根据按照本发明的方法执行连接元件10的进一步旋转。在连接元件头部12的下侧的放置之后，该旋转可执行横跨大于360°的角。在本发明的背景内提供了，连接元件12的旋转驱动器(图7到10中未示出)断开，或连接元件10继续被驱动。在处于图10的位置的连接元件10继续旋转时，在工件40,42中形成孔的材料分别可在保持部分24的环形凸起26,28之间流动，或者可移动到环形凸起26,28之间的中间空间中。这可由加热的材料的实际流动移动来执行。然而，由于在工件40,42中形成孔的材料独自冷却，故孔的直径还减小，啮合出现在孔的壁与保持部分24的环形凸起26,28之间。

由此，极其短的循环时间可在使用根据本发明的连接元件10和使用根据本发明的描述的方法来连接两个工件40,42时实现。如详述的，工件40,42的相互面对的表面可涂覆有粘合剂，连接元件10用于附加地使两个工件40,42相互装固，并且将后者保持在相互压缩状态，直到粘合剂固化。

Claims (18)

1.用于使至少两个工件互连的连接元件(10)，其具有

轴(14)；

在所述轴(14)的一端处的沿径向突出超过所述轴(14)的外侧的连接元件头部(12)；

所述连接元件头部(12)上的驱动构造，其中

在出自所述连接元件头部(12)的下侧(18)的所述轴(14)的保持部分(24)中，至少一对闭合的环形凸起(26,28)设置在其上，其中

至少一个环形凸起(28)并未完全设置在垂直于所述轴(14)的纵轴线延伸的平面中；并且

沿圆周的成对的所述环形凸起(26,28)之间的间距具有可变尺寸，或者成对的环形凸起设置成以便相互平行；其中

所述轴的前端构造为锥形孔形成部分(32)，

其特征在于，

所述孔形成部分(32)的最大外径比所述环形凸起(26,28)的最大外径小3%到10%之间，

所述孔形成部分(32)的所述最大外径(A)大于所述环形凸起(26,28)之间的所述轴(14)的芯部直径(D)，

具有至少部分方式恒定的外径(B)的加速区域(30)设置在所述孔形成部分(32)的头侧端与所述保持部分(24)的开端之间，

在加速区域(30)的开端之前，全部以相互平行的方式延伸的三个环形凸起(26)在沿纵向观看时按顺序设置，

三对环形凸起(26,28)按顺序设置在保持部分(24)中。

2.根据权利要求1所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)的所述外径(B)小于所述孔形成部分(32)的所述最大外径(A)。

3.根据权利要求2所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)的所述外径(B)尺寸大于或等于所述环形凸起(26,28)之间的所述轴(14)的芯部直径(D)。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)的长度(F)在所述孔形成部分(32)的长度(E)的20%到50%之间。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的连接元件，其特征在于，所述孔形成部分(32)在其自由端处具有圆形末端(34)。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的连接元件，其特征在于，所述孔形成部分(32)至少在其自由端的区域中具有多边形截面。

7.根据权利要求6所述的连接元件，其特征在于，所述多边形截面具有圆形转角。

8.根据权利要求6所述的连接元件，其特征在于，所述多边形截面构造成以便为三角形的，具有圆形转角。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)具有圆形截面。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的连接元件，其特征在于，所述保持部分(24)具有圆形截面。

11.用于连接至少两个工件的方法，其中所述工件放置在彼此的顶部上，并且根据权利要求1至10中的任一项所述的连接元件(10)设置成旋转，并且放置在所述工件中的外部工件(40)的顶部上，其中轴向压力(P)施加在所述连接元件(10)上，直到所述连接元件头部(12)的下侧(18)支承在面对所述连接元件头部(12)的所述外部工件(40)的表面上。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在将所述连接元件头部(12)的所述下侧(18)放置在所述外部工件(40)的所述表面上之后，所述连接元件(10)继续旋转。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在将所述连接元件头部(12)的所述下侧(18)放置在所述外部工件(40)上之后，所述连接元件(10)的旋转移动的旋转角大于360°。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其特征在于，在将所述连接元件头部(12)的所述下侧(18)放置在所述外部工件(40)上之后，所述连接元件(10)不再驱动成执行旋转移动，使得所述连接元件(10)的所述旋转经由摩擦减速至停滞。

15.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其特征在于，在将所述连接元件头部(12)的所述下侧(18)放置在所述外部工件(40)上之后，所述连接元件(10)在所述连接元件头部(12)的所述下侧(18)触碰所述外部工件(40)的上侧之后继续关于预先限定的角旋转。

16.根据权利要求1所述的连接元件，其特征在于，所述孔形成部分(32)的最大外径比所述环形凸起(26,28)的最大外径小5%。

17.根据权利要求4所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)的长度(F)为所述孔形成部分(32)的长度(E)的30%。

18.根据权利要求4所述的连接元件，其特征在于，所述加速区域(30)的长度(F)是具有恒定直径的所述加速区域(30)的部分的长度。

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