CN108016509A - 多材料限制器接头 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于连接工件(例如机动车辆车身部件(例如车顶到车身框架元件))的紧固件，该紧固件包括可塑性变形的头部、设置在头部底部处的平台、以及从平台延伸并且限定至少一个可弹性变形的锁定元件的远端部。头部被热熔接到一个工件，并且可弹性变形的锁定元件接合另一个工件以将工件固定在一起。平台在工件之间提供一种形式的间隔或接合间隙，并且紧固件的材料和几何结构配置为补偿工件的热膨胀差异。

Description

多材料限制器接头

技术领域

本公开大体涉及紧固件，并且更具体地，涉及用于连接相邻工件的紧固件，其中工件可以是不同的材料。

背景技术

本段落中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

在诸如机动车辆(并且更具体地说是机动车辆车身到车顶)的应用中，各种材料通常结合在一起并且配置成满足特定的操作要求和条件。机动车辆制造商越来越多地采用先进的材料来减轻重量，并因此提高燃料经济性。这些材料包括铝、碳纤维复合材料、和镁等等。定制使用诸如车顶的接合部件的先进材料可以比传统的所有钢或所有铝设计显著降低质量。

在机动车辆制造工艺中，成品车身由各种依赖于温度的涂覆工艺(例如电涂(e-coat))和涂漆工艺来处理。该工艺的高温也用于固化在车辆中使用的粘合剂。诸如钢和铝的材料及其在部件或总成内的特定几何构型将在升高的温度下以不同的速率膨胀。“热膨胀系数”(coefficient of thermal expansion，CTE)是描述物体根据温度的膨胀百分比的度量。铝的CTE显著高于钢，钢的CTE通常比复合材料高得多。因此，当对车辆施加热量时，诸如车身侧面的钢部件将比诸如车顶板的铝部件膨胀得少。这可能导致最终组装的几何结构变形，变形可能导致对车身的装配不可接受以及残余应力。

机动车辆部件的典型总成结构包括机械接头，例如与粘合剂结合使用的自冲铆钉(self-piercing rivet，SPR)。在热处理期间，由于不同部件以不同的速率膨胀和收缩，这些机械接头可以用作销并且限制部件运动，这可以约束总成的一个或多个部件。由于部件在进入涂料烘箱之前通常是粘合剂被固化并锁定就位的“几何结构组”，所以在大量生产中单独使用粘合剂可能是不可接受的。这种“几何设置”工艺用于建立与车身的良好装配。

包括其他机械连接问题在内的这些装配问题都通过本公开来解决。

发明内容

在本公开的一种形式中，提供了一种用于连接工件的紧固件，该紧固件包括可塑性变形的头部、设置在头部底部处的平台、以及从平台延伸并且限定至少一个可弹性变形的锁定元件的远端部。

根据该紧固件的其他形式，远端部限定了从平台远端向内逐渐变细的锥形几何结构。在一种形式中，限定凸耳的多个锁定元件布置为纵向堆叠，并且还可以包括径向相对的凸耳组。在本公开的另一形式中，这些凸耳限定长度，并且凸耳的长度朝着远端部逐渐减小。可替代地，提供多个可弹性变形的锁定元件，每个可变形的锁定元件限定围绕远端部的周边延伸的环。

在一种形式中，可塑性变形的头部、平台、和远端部限定了单个整体部件。紧固件可以是许多材料中的任何一种，包括尼龙材料。紧固件的材料和几何结构还可以配置为补偿正在接合的工件的热膨胀差异。在本公开的另一种变型中，在预安装状态下，平台比可塑性变形的头部和远端部更宽。

在本公开的另一形式中提供了一种紧固件，该紧固件包括可塑性变形的头部、设置在头部底部处的平台、从平台延伸的远端部以及以纵向堆叠布置的可弹性变形的凸耳组，远端部限定从平台远端向内变细的锥形几何结构。可弹性变形的凸耳径向相对设置，并且凸耳的长度朝向远端部逐渐减小。

在本公开的另一种形式中，提供了一种总成，该总成包括多个工件和设置在工件之间的紧固件。紧固件包括接合一个工件的可塑性变形的头部、设置在头部底部处的平台、从平台延伸并且限定与另一个工件接合的至少一个可弹性变形的锁定元件的远端部、以及设置在工件之间并围绕紧固件的平台的粘合剂材料。

在该总成的各种形式中，一个工件是钢材料，另一个工件是铝材料，并且紧固件的材料和几何结构配置为补偿钢和铝材料之间的热膨胀差异。可替代地，工件是相同的材料，并且紧固件的材料和几何结构配置为补偿工件之间的热膨胀差异。一个工件可以是车顶，并且另一个工件可以是机动车辆(例如汽车)的车身框架。

根据本文提供的描述，其他适用范围将变得显而易见。应当理解，描述和具体实施例仅仅出于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以更好地理解公开内容，现在将参考附图通过示例的方式描述公开的各种形式，附图中：

图1是根据本公开的原理构造的在插入之前或处于预安装状态的紧固件的一种形式的透视图；

图2是根据本公开的原理的在插入之后或处于安装状态的具有可塑性变形的头部的图1的紧固件的透视图；

图3A是示出了根据本公开的原理的设置在工件内准备安装的图1的紧固件的透视图；

图3B是图3A的侧视图；

图4A是示出了根据本公开的原理的安装在工件内的图1的紧固件的透视图；

图4B是图4A的侧视图；

图5A是示出了根据本公开的原理的完全安装在两个工件内并且将两个工件连接的图1的紧固件的透视图；

图5B是图5A的侧视图；和

图6是根据本公开的原理构造的紧固件的替代形式的透视图。

本文描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并且不意在限制本公开、应用、或用途。应当理解在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

参考图1和图2，示出了根据本公开的教导构造的用于连接工件的紧固件，并且大体由附图标记20表示。紧固件20包括可塑性变形的头部22、设置在头部22底部处的平台24、和从平台24延伸并且限定至少一个可弹性变形的锁定元件的远端部26。在这种形式中，可弹性变形的锁定元件包括如图所示以纵向堆叠布置的多个凸耳28。此外，在这种形式中，凸耳28设置成径向相对的组。如图所示，每一个凸耳28限定长度，并且每个凸耳28的长度朝向远端部26逐渐减小。此外，相应的多个区域29在远端部26中形成以允许凸耳28在安装期间偏转。

这种形式的紧固件20的远端部26限定了从平台远端24向内变细的锥形几何结构。如下面更详细描述的，这种锥形几何结构连同凸耳28的几何结构和它们逐渐减小的长度有助于穿过各种厚度的工件而插入和安装。如本文所使用的，术语“远端”应解释为在箭头X的方向上，并且术语“近端”应被解释为在箭头Y的方向上。

同时参考图3A-3B和4A-4B，头部22在其预安装状态是以圆柱或柱30的形式。在柱30插入一个工件10中的孔9后，平台24为正确定位而接合工件10的内表面12，并且热熔接头部22，从而在安装状态下形成按钮32，这样将紧固件20固定到工件10上。如图所示，可以在将工件10连接到另一个工件15之前热熔接多个紧固件20到工件10上。

进一步参考图5A和5B，在热熔接头部22后，使安装在工件10中的紧固件20接近/靠近另一个工件15。紧固件20的远端部26插入另一个工件15中的孔16(最佳地如图4B所示)，并且紧固件20与可弹性变形的凸耳28一起被压入孔16中，直到一个可弹性变形的凸耳28根据组装的接头的整体厚度T而接合工件15的内表面17。如果整体厚度T较大，则更靠近紧固件20的远端部26的可弹性变形的凸耳28将接合内表面17，反之亦然，如果整体厚度较小，则更靠近紧固件20的平台24的可弹性变形的凸耳28将接合内表面17。一旦可变形的凸耳28接合工件15的内表面17，两个工件10/15就固定在一起以形成总成50。

在安装了紧固件20并且工件10和15固定在一起之后，或者至少在紧固件20在插入工件10中之前在热熔接之后，如图所示可以在工件10/15之间施加粘合剂40。因此，平台24可以具有预定的厚度以沿着接头形成粘合剂厚度或粘合间隙。

工件10/15的材料可以是相同的，或者可以是不同的，例如作为示例，工件10是钢并且工件15是铝。即使工件10/15的材料相同，由于它们的几何结构不同，并且由于它们的加工条件可能不同，它们在各种热处理中各自的热膨胀/收缩量将不同。这种热膨胀/收缩的差异可以通过“热因子”来表征，“热因子”如本文所使用的应被解释为表示在其他部件、组装、和环境条件下每单位体积、时间、和温度的热膨胀/收缩量。作为示例，组装条件可以包括加工烘箱中的位置、空气流、和输送温度等等。例如，由铝制成的薄部件将具有比由碳复合材料制成的厚部件更高的热因子。因此，紧固件20的材料和几何结构配置为补偿工件10/15之间的热膨胀差异。例如，平台24的厚度可以设计为适应热因子的差异。此外，紧固件20本身的材料可以根据工件10/15的特定材料来定制。在一种形式中，紧固件20是尼龙材料，而工件10是钢并且工件15是铝。应当理解，可以根据所连接的工件的热质量而使用用于紧固件20的各种材料和几何结构，并且因此本文提供的具体示例不应被解释为限制本发明的范围。

如本文所示的紧固件20是单个部件，其中可塑性变形的头部22、平台24、和远端部26限定单个整体部件。然而应当理解，紧固件20可以包括多个部件，例如代替整体平台24的单独的垫圈也保持在本公开的范围内。在这些各种形式中，如图1所示，平台24或垫圈比预先安装状态下的可塑性变形的头部22和远端部26更宽。

现在参见图6，示出了紧固件60中的可弹性变形的锁定元件的替代形式。在这种形式中，每个可变形的锁定元件是围绕远端部64的周边延伸的环62。如图所示环62朝向远端部64逐渐变小，并且每个环62的功能类似于如上说明和描述的凸耳28，其中对应于工件之间的整体接合厚度的环62与一个工件的内表面接合。以紧固件形式的可变形锁定元件62的这些类型在工业中通常称为“圣诞树”。单个紧固件60利用多个环62可以容纳各种接头厚度或抓握长度。应当理解，可以使用其它类型的可变形的锁定元件，这也保持在本公开的范围内，并且因此凸耳28和环62仅仅是示例性的并且不应被解释为限制本公开的范围。

根据本公开的教导，提供了一种总成，该总成可以容纳机动车辆(例如汽车)中的被连接的工件(例如车顶到车身框架)之间的热因子的差异。本公开提供了一种创新的解决方案，其将混合材料组件(例如钢和铝)或与具有不同热因子部位的相同材料组件与限制紧固件连接。在机动车辆应用中，紧固件20用于在涂漆之前在车身车间中将车顶设置为DOP(door opening panel，门开口面板)的几何构造。如上所述，紧固件20可以是与涂料体系相容并且由从涂料烘箱熔化并软化(几乎流动)的材料制成的聚合物材料。因此，紧固件20解决了在进一步热处理时连接相似或不相似的材料已经看到的问题。

还应当理解，可塑性变形的头部22可以采取各种形式，这也保持在本公开的范围内。可变形的头部22的至少一部分可以是可塑性变形的，使得可以采用紧固件的其他形式，例如在顶部工件10上的常规铆钉或焊接紧固件，这也保持在本公开的范围内。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，因此不偏离本公开内容的变型意在落入本公开的范围内。这些变型不被认为是偏离本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于连接工件的紧固件，包括：

可塑性变形的头部；

平台，所述平台设置在所述头部的底部处；以及

远端部，所述远端部从所述平台延伸并且限定至少一个可弹性变形的锁定元件。

2.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述远端部限定了从所述平台远端向内逐渐变细的锥形几何结构。

3.根据权利要求1所述的紧固件，还包括限定布置为纵向堆叠的凸耳的多个所述锁定元件。

4.根据权利要求3所述的紧固件，还包括径向相对的凸耳组。

5.根据权利要求3所述的紧固件，其中每个所述凸耳限定长度，并且所述凸耳的所述长度朝向所述远端部逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的紧固件，还包括多个所述可弹性变形的锁定元件，每个所述可变形的锁定元件限定围绕所述远端部的周边延伸的环。

7.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述可塑性变形的头部、所述平台、和所述远端部限定了单个整体部件。

8.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述紧固件为尼龙材料。

9.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述紧固件的材料和几何结构配置为补偿所述工件的热膨胀差异。

10.根据权利要求1所述的紧固件，其中所述平台比所述可塑性变形的头部和所述远端部更宽。

11.一种紧固件，包括：

可塑性变形的头部；

平台，所述平台设置在所述头部的底部处；

从所述平台延伸的远端部，所述远端部限定从所述平台远端向内变细的锥形几何结构；以及

以纵向堆叠布置的可弹性变形的凸耳组，所述可弹性变形的凸耳径向相对设置，并且所述凸耳的长度朝向所述远端部逐渐减小。

12.根据权利要求11所述的紧固件，其中所述紧固件为尼龙材料。

13.根据权利要求11所述的紧固件，其中所述紧固件的材料和几何构造配置为补偿在组装操作期间由所述紧固件连接的工件的热膨胀差异。

14.一种总成，包括：

多个工件；

设置在所述工件之间的紧固件，所述紧固件包括：

可塑性变形的头部，所述头部接合所述工件之一；

平台，所述平台设置在所述头部的底部处；

远端部，所述远端部从所述平台延伸并且限定与所述工件中的另一个接合的至少一个可弹性变形的锁定元件；以及

粘合剂材料，所述粘合剂材料设置在所述工件之间并围绕所述紧固件的所述平台。

15.根据权利要求14所述的总成，其中所述工件之一是钢材料，所述工件中的另一个是铝材料，并且所述紧固件的材料和几何结构配置为补偿所述钢和所述铝材料之间的热膨胀差异。

16.根据权利要求14所述的总成，其中所述工件是相同的材料，并且所述紧固件的材料和几何结构配置为补偿所述工件之间的热膨胀差异。

17.根据权利要求14所述的总成，其中所述紧固件的所述远端部限定了从所述平台远端向内变细的锥形几何结构。

18.根据权利要求14所述的总成，其中所述紧固件还包括多个所述锁定元件，所述多个锁定元件限定以纵向堆叠布置的凸耳。

19.根据权利要求18所述的总成，还包括径向相对的凸耳组。

20.一种包括根据权利要求14所述的总成的机动车辆。