CN112963423A - 沉头铆钉结构紧固件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉和连接部件，所述铆钉包括铆钉头、铆钉杆部和铆钉墩头，所述连接部件包括上部部件和下部部件，所述铆钉头和铆钉杆部连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部；所述上部部件具有一个与所述铆钉头下缘形状相匹配的穿孔。本发明在将铆钉头与上部部件接触面的形状改为球面的基础上，进一步地，将铆钉头与铆钉杆部之间的结合部改为圆弧形状，消除原形式中对该结合部产生的干涉载荷，避免应力集中于结合部一线，增加灵活性，延长结构的疲劳寿命，增强安全性。

Description

沉头铆钉结构紧固件

技术领域

本发明涉及一种用于连接金属板或其他大型部件的沉头铆钉结构紧固件，涉及安装机械工程技术领域。

背景技术

在现有材料连接中，使用紧固件组合两个或两个以上部件的形式被广泛采用，通过事先对需连接部件进行钻孔、锪窝等处理，将紧固件穿入其中，并将紧固件杆部末端进行变形，通过头部和变形尾部产生的夹紧力使结构形成较为牢固的连接。在使用中这类组合结构通常需要承受较长时间周期和起伏不定的受力强度的疲劳载荷。

如图1、图2所示，现有技术中沉头铆钉头102与上部部件201的接触面4采用平面接触的方式，这样的结构形式无法很好地适应前面所述的反复拉扯的疲劳载荷的需要。由于构件在工作过程中受力的复杂性，使得上部部件201、下部部件202非单一方向受力，则铆钉头102的偏转也非单一方向，其情形即为因震动而产生的干涉载荷。由于铆钉本身形状的原因，导致当其发生受力偏转时，于铆钉头102与上部部件201结合面的边缘4处产生集中受力，在力的反复作用下，该位置更易于发生疲劳损坏，更严重的是，会对铆钉头102与铆钉杆部101的结合部104施加一个分离的力，使其产生疲劳裂纹，从而造成结构的破坏甚至失效。尤其该结构使用于连接易碎或各向异性(如层状复合材料)时，结合部位非常容易产生破坏，导致疲劳寿命缩短，甚至造成安全问题。

当铆钉安装完成后，当上部部件201受到如图2所示的箭头5所示的水平方向的作用力时，铆钉头部会发生偏转，由于铆钉头102与上部部件201是平面接触，箭头5所示的力主要集中于受力点4，从而加重了铆钉头102与铆钉杆部101的结合部104的受力负荷。在疲劳载荷的长时间作用下，铆钉头102与铆钉杆部101之间的结合部104会沿着尖锐的分界线产生疲劳裂纹。

中国专利CN204783996U公开了一种高疲劳性能紧固结构及紧固件，如图3、图4所示，在铆钉头102与上部部件201的结合面采用球面的形式，当上部部件201同样受到如箭头5所示的作用力的时候，铆钉头102与上部部件201在结合面4会产生相对滑动，将所受到的疲劳载荷分散到了上部部件201上，从而大大缓解了铆钉头102与铆钉杆部101的结合部104所受到的载荷，延长了铆钉的疲劳寿命周期。但是，由于铆钉头102与杆部101之间的结合部104仍为尖锐折角，时间久了，所述结合部104仍然会产生疲劳裂纹。如图1所示，当铆钉受横向剪切力的时候，铆钉头部靠近结合部的位置受到的与头部下表面垂直的法向力最大，在结合部产生应力集中。

德国专利DE102010038067公开了Formschlussverbindung mit Ausgleich vonLagefehlern,形成锁定连接与补偿的位置误差，包括第一组件和第二组件，其特征在于，通过一个第一圆形成锁定元件与第一相关联的组分；一个第二圆形成锁定元件相关联的具有第二组分，和第一之间提供一补偿元件形成锁定元件和第二形成锁定元件，如图1所示，调整两部分相互通过螺栓9可发生不同的连接方式，本发明以指示封闭状，调整其上的两个部件可连接在轴向方向的形状锁合元件的情况下，径向方向上升力可以取一处以上，在各个角度调节整个装置的进入。但是，所述申请以弧面连接调整连接进入关系，便于零部件的更好安装，无法实现集中应力造成的疲劳裂纹对工件造成的损伤。

发明内容

本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，提供一种沉头铆钉结构紧固件，在将铆钉头与上部部件接触面的形状改为球面的基础上，进一步地，将铆钉头与铆钉杆部之间的结合部改为圆弧形状，消除原形式中对该结合部产生的干涉载荷，避免应力集中于结合部一线，增加灵活性，延长结构的疲劳寿命，增强安全性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明公开了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉和连接部件，所述铆钉包括铆钉头、铆钉杆部和铆钉墩头，所述连接部件包括上部部件和下部部件，其特征在于，所述铆钉头和铆钉杆部连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部；所述上部部件具有一个与所述铆钉头下缘形状相匹配的穿孔。

进一步地，所述第一弧状结合部向着铆钉头方向底缘内凹，在铆钉头底缘左右两侧第一弧状结合部位置形成弧形第一收缩部和第二收缩部，所述第一收缩部和第二收缩部形成接触面弧形内凹结构。

进一步地，所述第一弧状结合部向着紧贴铆钉头底缘铆钉杆部上端两侧内凹，在铆钉头底缘左右两侧第一弧状结合部位置形成第三收缩部和第四收缩部，所述第三收缩部和第四收缩部形成接触面弧形内凹结构。

进一步地，所述铆钉远离铆钉头一侧的铆钉杆部扩大形成铆钉墩头，所述铆钉墩头上缘向铆钉杆部延伸收缩形成球形支撑面。

进一步地，所述铆钉墩头上缘与铆钉杆部两侧接触面弧形连接形成第二弧状结合部。

进一步地，所述沉头铆钉上部部件和下部部件铆接，沉头铆钉铆钉杆部与铆钉头一体设置并向铆钉头方向径向扩大。

进一步地，所述下部部件上设置球形穿孔，所述球形穿孔弧面与铆钉墩头球形支撑面和第二弧状结合部弧形连接面相匹配。

进一步地，所述沉头铆钉采用铝合金或者钛铌合金材料制成，具有良好的延展性。

本发明的技术效果如下：

本发明提供了一种沉头铆钉结构紧固件，当上部部件、下部部件受力时，紧固件会以轴发生偏转，将原本集中于一点的力，分散到球面上，减小了构件局部区域的力，消除了震动中产生的干涉载荷。既具灵活性，又延长了疲劳寿命。同时，由于上述球面接触面形状，紧固件安装时及锚固后始终可以自动对准孔槽中心，即紧固件轴心线与孔槽轴心线保持一致。除此之外，由于在头部和杆部的结合部采用了弧形过渡，使得应力得到分散，进一步延缓了头部和杆部之间产生疲劳裂纹的时间。

附图说明

图1是传统沉头铆钉铆接结构示意图；

图2是传统沉头铆钉铆接结构典型受力状况示意图；

图3是球面沉头铆钉铆接结构示意图；

图4是球面沉头铆钉铆接结构典型受力状况示意图；

图5是本发明实施例一球面弧状结合铆钉铆接结构示意图；

图6是本发明实施例一球面弧状结合铆钉铆接结构受力状况示意图；

图7是本发明实施例二球面内凹弧状结合铆钉铆接结构示意图；

图8是本发明实施例二球面内凹弧状结合铆钉铆接结构受力状况示意图；

图9是本发明实施例三球面内凹弧状结合铆钉铆接结构示意图；

图10是本发明实施例三球面内凹弧状结合铆钉铆接结构受力状况示意图。

图11是现有技术中球面沉头铆钉紧固件的受力分析图；

图12是本发明沉头铆钉结构紧固件受力分析图；

图13是本发明实施例四非球弧面弧状结合铆钉铆接结构示意图；

图14是本发明实施例四非球弧面弧状结合铆钉铆接结构受力状况示意图；

图15是本发明实施例四非球弧面沉头铆钉紧固件的受力情况；

图16是本发明实施例四球面铆钉和非球面铆钉法向力试验对比表。

图中标记：1-铆钉，2-连接部件，101-铆钉杆部，102-铆钉头，103-铆钉墩头，104-结合部，105-第一弧状结合部，106-第二弧状结合部，107-第一收缩部，108-第二收缩部，109-第三收缩部，110-第四收缩部，201-上部部件，202-下部部件，3-铆钉头上缘受力点，4-铆钉头与上部部件结合面，5-上部部件受力方向。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示的铆接结构和图2所示的铆接结构受力情况，沉头铆钉将上部部件201和下部部件202进行铆接，沉头铆钉包括铆钉杆部101和与铆钉杆部101—体并径向扩大的铆钉头102,铆钉头部101下缘与被铆接上部部件201形成平面接触面4,在上部部件201上有与平面接触面4对应的穿孔。这样，由于安装的需要，铆钉杆部101与上部部件201和下部部件202之间存在一定的间隙，使得当沉头铆钉安装完成后，由于构件在工作过程中受力的复杂性，使得上部部件201和下部部件202非单一方向受力，则沉头铆钉的偏转也非单一方向，其情形即为因震动而产生的干涉载荷。这里仅以上部部件201和下部部件202受到箭头5所示的作用力作为典型受力情况进行阐述，此时沉头铆钉头102会以中心轴发生偏转，由于沉头铆钉头102本身形状的原因，其与上部部件201的锥形孔形成平面接触，导致当铆钉头102发生受力偏转时，头部边缘4处产生集中受力，进而在铆钉杆部101与铆钉头102的结合部104造成应力集中；久而久之，会在该部位产生疲劳裂纹。

如图3所示的铆钉头部下缘为球面的紧固件结构和图4所示的球面结构铆钉的受力情况可知，铆钉头102下缘与被铆接上部部件201的锥形孔上表面形成球面接触面4。当上部部件201受到如箭头5所示的力的时候，铆钉头102与上部部件201沿着球面产生滑动错位，大大缓解了结合部104所受到的应力。但是，由于结合部104仍为尖锐连接，上部部件所受到的如箭头5所示的力，仍会通过头部102传递到结合部104，对该部位造成应力集中，久而久之，仍然会产生疲劳裂纹。

本实施例中，所采用的数据为优选方案，但并不用于限制本发明；

实施例一

如图5、图6所示，本实施例提供了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉1和连接部件2，所述铆钉包括铆钉头102、铆钉杆部101和铆钉墩头103，所述连接部件包括上部部件201和下部部件202，所述铆钉头102和铆钉杆部101连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部105；所述上部部件201具有一个与所述铆钉头102下缘形状相匹配的穿孔。

本实施例中，铆钉头102下缘为球面且铆钉头102与铆钉杆部101之间结合部形成为弧形的紧固件结构，如图6所示的球面结构铆钉的受力情况可知，铆钉头102下缘与被铆接上部部件201的锥形孔上表面形成球面接触面4。当上部部件201收到如箭头5所示的力的时候，铆钉头102与上部部件201沿着球面产生滑动错位，大大缓解了第一弧状结合部105所受到的应力。由于第一弧状结合部105为弧形过渡连接，上部部件201所收到的如箭头5所示的力，仍会通过铆钉头102传递到第一弧状结合部105，而弧形结构使得该部位所受到的应力分散，避免了疲劳裂纹过早产生，从而延长了铆钉的使用寿命。

本实施例中，所述铆钉远离铆钉头102一侧的铆钉杆部101扩大形成铆钉墩头103，所述铆钉墩头103上缘向铆钉杆部101延伸收缩形成球形支撑面；进一步地，为达到能形成与铆钉头102与上部部件201第一弧状结合部105同样的耐疲劳结构，在铆钉墩头103上缘与下部部件202的结合面的处理上，采用了在下部部件202开出能使铆钉墩头103上缘形成球面且结合部为弧形过渡的通孔；优选地，铆钉墩头103上缘与铆钉杆部101两侧接触面弧形连接形成第二弧状结合部106。

本实施例中，所述沉头铆钉上部部件201和下部部件202铆接，沉头铆钉铆钉杆部101与铆钉头102一体设置并向铆钉头102方向径向扩大；进一步地，下部部件202上设置球形穿孔，所述球形穿孔弧面与铆钉墩头103球形支撑面和第二弧状结合部106弧形连接面相匹配。

实施例二

如图7、图8所示，本实施例提供了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉1和连接部件2，所述铆钉包括铆钉头102、铆钉杆部101和铆钉墩头103，所述连接部件包括上部部件201和下部部件202，所述铆钉头102和铆钉杆部101连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部105；所述上部部件201具有一个与所述铆钉头102下缘形状相匹配的穿孔。

本实施例中，第一弧状结合部105向着铆钉头102方向底缘内凹，在铆钉头102底缘左右两侧第一弧状结合部105位置形成弧形第一收缩部107和第二收缩部108，所述第一收缩部107和第二收缩部108形成接触面弧形内凹结构。

本实施例中，将第一弧状结合部105设计成向着铆钉头102底缘方向，形成弧形内凹的结构，目的在于安装紧固件的时候，仍然可以使用球形紧固件所使用的锪窝钻头，而不必为了弧形过渡结合部配置专门的鍃窝钻头。

本实施例通过对球面弧形连接部的弧形内凹结构设置，匹配加工鍃窝钻头形状尺寸，避免二次加工影响精确度，同时弧形内凹结构在铆钉连接紧固后抗疲劳性能良好，有效减少集中应力，增加铆钉使用寿命。

实施例三

如图9、图10所示，本实施例提供了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉1和连接部件2，所述铆钉包括铆钉头102、铆钉杆部101和铆钉墩头103，所述连接部件包括上部部件201和下部部件202，所述铆钉头102和铆钉杆部101连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部105；所述上部部件201具有一个与所述铆钉头102下缘形状相匹配的穿孔。

本实施例中，第一弧状结合部105向着紧贴铆钉头102底缘铆钉杆部101上端两侧内凹，在铆钉头102底缘左右两侧第一弧状结合部105位置形成第三收缩部109和第四收缩部110，所述第三收缩部109和第四收缩部110形成接触面弧形内凹结构。

本实施例中，将第一弧状结合部105设计成向着紧贴着铆钉头102底缘，向着铆钉杆部101径向形成弧形内凹的结构，目的在于安装紧固件的时候，仍然可以使用球形紧固件所使用的鍃窝钻头，而不必为了弧形过渡结合部配置专门的鍃窝钻头，同时会增加铆钉头102与铆钉杆部101第一弧状结合部105的挠度，从而增强紧固件的耐疲劳性能。

如图11、图12所示，当上部部件201、下部部件202受力时，紧固件会以轴发生偏转，将原本集中于一点的力，分散到球面上，减小了构件局部区域的力，消除了震动中产生的干涉载荷。但是，如图11所示，现有技术中铆钉头和铆钉杆部的结合部为线性过渡，铆钉头和铆钉杆部产生较大的集中荷载，应力过于集中，铆钉头和铆钉杆部会在短时间内产生疲劳裂纹。

结合实施例一、二所述，本发明采用球面接触面形状，进一步地，在铆钉头和铆钉杆部的结合部采用了弧形过渡，使得应力得到分散，进一步延缓了头部和杆部之间产生疲劳裂纹的时间；如图12所示，铆钉和连接部件接触面以及铆钉头和铆钉杆部的结合部仅产生向铆钉内部的应力，铆钉向外没有相对的应力产生，集中荷载减少，应力分布集中度降低。

实施例四

如图13、图14所示，本实施例提供了一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉1和连接部件2，所述铆钉包括铆钉头102、铆钉杆部101和铆钉墩头103，所述连接部件包括上部部件201和下部部件202，铆钉头部102的下表面为轴对称非正球面，铆钉头部102下表面配合的工件上的鍃窝设置为球面，铆钉头部102下缘与被铆接上部部件201的锥形孔上表面形成曲面接触面4；所述铆钉头102和铆钉杆部101连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部105，当上部部件201受到如箭头5所示的力的时候，铆钉头部102与上部部件201沿着球面产生滑动错位，由于预应力的作用，使得第一弧状结合部105所受到的集中应力分散至铆钉头部102下表面更大范围，大大缓解了第一弧状结合部105所受到的应力。所述上部部件201具有一个与所述铆钉头102下缘形状相匹配的穿孔。

本实施例中，在铆固前，铆钉头部102下表面与上部部件201的鍃窝之间留有间隙；而当使用铆枪将铆钉与工件铆固后，铆钉头部102下表面与上部部件201的鍃窝表面贴合，所述间隙消失，铆钉头部102与铆钉杆部101之间形成一个预应力。

如图11所示，当铆钉受横向剪切力的时候，铆钉头部102靠近结合部的位置受到的与头部下表面垂直的法向力最大，在结合部产生应力集中；

本实施例中，结合图11和图15及图16表1、表2的对比数值可以看出，非球面铆钉头部下表面所承受的法向力较为均衡，减轻了在第一弧状结合部105产生应力集中的风险，能够承受的力较球面铆接结构更大，根据对比数据得出球面铆钉结合部所承受的最大法向力是非球弧面铆钉结合部所承受最大法向力的三倍，并且应力集中现象十分明显；非球弧面铆钉头部102所承受的法向力更加均衡和分散，因金属件在某一个局部的疲劳强度与其所承受的应力基本是线性关系，据此我们可以推断出，采用了本发明的非球弧面铆钉头部102结构之后，铆钉的铆固寿命也将达到球面结构铆钉寿命的三倍。

本实施例中，安装时由远离铆钉头部102一侧的铆钉杆部101经铆枪镦击变形后形成铆钉镦头103。所述下部部件202上设置鍃窝和穿孔，下部部件202的鍃窝为球型曲面，球型曲面和穿孔接触面为弧形过渡连接，形成第二弧状结合部106；当铆固完成后，铆钉镦头103与所述上部部件201的第一弧状结合部105也形成球形支撑面，且铆钉墩头103上缘与铆钉杆部101结合部以弧形连接。

本实施例中，由于上述球面接触面形状，紧固件安装时及锚固后始终可以自动对准孔槽中心，即紧固件轴心线与孔槽轴心线保持一致。进一步地，在锚固后，在铆钉头部产生一个预应力，当上部部件201和下部部件202受力时，因所述预应力的作用，使得铆钉头部102、铆钉杆部101以及第一弧状结合部105所受到的力更加均衡和分散，大幅度减轻了应力集中的情况。

本实施例中，由于在铆钉头部102和铆钉杆部101的第一弧状结合部105采用了弧形过渡，使得应力得到分散，更进一步延缓了铆钉头部102和铆钉杆部101之间产生疲劳裂纹的时间。通过所述结构设计，本发明中的铆钉疲劳寿命能达到球面沉头铆钉紧固件的三倍。

结合实施例一、二、三所述，本发明铆钉头102和铆钉杆部101连接接触面呈弧形曲面状，优选地，所述铆钉杆部101采用直径2-7mm的尺寸，所述铆钉头102为上下两平面，铆钉头102下平面弧形连接铆钉杆部101，铆钉头102上平面采用直径7-12mm的尺寸，通过铆钉头102上平面和下平面两外侧弧形连接，两条弧线延长线交接于铆钉中心线形成90°、100°和120°的鍃窝角度，以适应于不同厚度的板材使用。通过以下实验数据对比，得出铆钉在90°鍃窝角度下不同尺寸的弧形连接角度；本实验数据通过φ表示直径。

(1)当铆钉杆部φ＝2mm，铆钉杆部上表面φmax＝4.05，φmin＝3.75，此时鍃窝角度为90±2°，两侧弧形连接角度k＝1。

(2)当铆钉杆部φ＝4mm，铆钉杆部上表面φmax＝7.18，φmin＝6.82，此时鍃窝角度为90±2°，两侧弧形连接角度k＝1.6。

(3)当铆钉杆部φ＝5mm，铆钉杆部上表面φmax＝8.98，φmin＝8.62，此时鍃窝角度为90±2°，两侧弧形连接角度k＝2。

(4)铆钉杆部φ＝6mm，铆钉杆部上表面φmax＝10.62，φmin＝10.18，此时鍃窝角度为90±2°，两侧弧形连接角度k＝2.4。

从以上数据沉头铆钉弧形连接角度测定沉头铆钉抗疲劳程度，得出当K＝1.6-2区间抗疲劳程度最优，所以采用铆钉杆部φ＝4mm、φ＝5mm的沉头铆钉为最优实施方式，进一步地，本实施例采用铝合金或者钛铌合金制作的铆钉，铝合金和钛铌合金具有良好的延展性能，结合上述优选弧形曲面设计，铆钉疲劳寿命能达到球面沉头铆钉紧固件的三倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种沉头铆钉结构紧固件，包括铆钉(1)和连接部件(2)，所述铆钉(1)包括铆钉头(102)、铆钉杆部(101)和铆钉墩头(103)，所述连接部件(2)包括上部部件(201)和下部部件(202)，其特征在于，所述铆钉头(102)和铆钉杆部(101)连接接触面呈弧形曲面状，形成接触面第一弧状结合部(105)。

2.根据权利要求1所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述第一弧状结合部(105)向着铆钉头(102)方向底缘内凹，在铆钉头(102)底缘左右两侧第一弧状结合部(105)位置形成弧形第一收缩部(107)和第二收缩部(108)，所述第一收缩部(107)和第二收缩部(108)形成接触面弧形内凹结构。

3.根据权利要求1所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述第一弧状结合部(105)向着紧贴铆钉头(102)底缘铆钉杆部(101)上端两侧内凹，在铆钉头(102)底缘左右两侧第一弧状结合部(105)位置形成第三收缩部(109)和第四收缩部(110)，所述第三收缩部和第四收缩部形成接触面弧形内凹结构。

4.根据权利要求2或3所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述铆钉(1)远离铆钉头(102)一侧的铆钉杆部(101)扩大形成铆钉墩头(103)，所述铆钉墩头(103)上缘向铆钉杆部(101)延伸收缩形成球形支撑面。

5.根据权利要求4所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述铆钉墩头(103)上缘与铆钉杆部(101)两侧接触面弧形连接形成第二弧状结合部(106)。

6.根据权利要求5所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述沉头铆钉上部部件(201)和下部部件(202)铆接，沉头铆钉铆钉杆部(101)与铆钉头(102)一体设置并向铆钉头(102)方向径向扩大。

7.根据权利要求6所述的沉头铆钉结构紧固件，其特征在于，所述下部部件(202)上设置球形穿孔，所述球形穿孔弧面与铆钉墩头(103)球形支撑面和第二弧状结合部(106)弧形连接面相匹配。

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