CN114531888A - 螺纹成形和螺纹锁定紧固件 - Google Patents

螺纹成形和螺纹锁定紧固件 Download PDF

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CN114531888A CN202080070646.0A CN202080070646A CN114531888A CN 114531888 A CN114531888 A CN 114531888A CN 202080070646 A CN202080070646 A CN 202080070646A CN 114531888 A CN114531888 A CN 114531888A
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Abstract

公开了一种组合的螺纹成形和螺纹锁定紧固件。紧固件包括三个螺纹区域。第一螺纹区域利用具有逐渐增加的外径的第一螺纹成形螺纹牙型。第二螺纹区域从利用第一螺纹成形螺纹牙型的第一区域的端部延伸并且以恒定直径延续。第三螺纹区域利用基本上沿紧固件杆部的其余部分延续的螺纹锁定螺纹牙型。

Description

螺纹成形和螺纹锁定紧固件
技术领域
本发明涉及螺纹紧固件。
背景技术
常规螺纹紧固件(例如，螺钉或螺栓)可被设计成具有自攻螺纹成形作用(self-tapping thread forming action)。在Alan Pritchard的题为"High Performance ThreadRolling Screw/Bolt For Use in An Unthreaded Nut Anchor"的美国专利No. 9,404,524中描述了此类自攻紧固件的一个示例，其内容通过引用并入在此。
其他常规紧固件可包括螺纹锁定机制，该螺纹锁定机制可通过例如紧固件与螺母部件之间的机械干涉来实现。在Alan Pritchard的题为"Fastener and FastenerAssembly"的美国专利No. 7,722,304中描述了示例性螺纹锁定紧固件，其内容通过引用并入在此。
现有技术紧固件的显著缺点是：它们要么被针对螺纹成形来优化，要么被针对螺纹锁定来优化，而不是针对两者来优化。这会促使用户决定哪个特征对特定的应用更重要，这可能导致此类紧固件的次优应用。
发明内容
提供一种针对螺纹成形和螺纹锁定两者进行优化的示例性紧固件，克服了现有技术的缺点。该紧固件包括沿紧固件的杆部分布到三个区域中的两种单独的螺纹牙型。利用螺纹成形螺纹牙型的第一区域紧邻紧固件的进入尖部。沿第一区域，螺纹牙型的外径沿例如首2-5个节距增加。第二区域从第一区域过渡，并利用与第一区域相同的螺纹成形螺纹牙型，但维持恒定的外螺纹直径。第二区域在第一区域以外延伸例如2-3个节距。利用螺纹锁定螺纹牙型的第三区域也维持恒定的外径。
根据本发明的说明性实施例，第一螺纹牙型和第二螺纹牙型可被选择成彼此互补，以实现期望水平的机械干涉，即螺纹锁定。进一步，通过利用本发明，可优化第二螺纹牙型(螺纹锁定)以与由第一螺纹牙型(螺纹成形)产生的螺纹一起工作。这可导致优化的螺纹锁定机制。
附图说明
本发明的实施例的以上和进一步的优点可结合附图来理解，其中，相似的附图标记指示相同或在功能上相同的元件，在附图中：
图1A是根据本发明的说明性实施例的示例性紧固件的侧视图；
图1B是根据本发明的说明性实施例的沿长轴线观察的示例性紧固件的头部的视图；
图1C是根据本发明的说明性实施例的沿长轴线观察的示例性紧固件的示例性进入尖部的视图；
图2是根据本发明的说明性实施例的示例性紧固件的进入尖部端部的放大视图；
图3是根据本发明的说明性实施例的用于成形紧固件的示例性坯料的说明性视图；
图4A是根据本发明的说明性实施例的示例性螺纹牙型的横截面视图；
图4B是根据本发明的说明性实施例的示例性螺纹牙型的横截面视图；
图4C是根据本发明的说明性实施例的示例性螺纹牙型的横截面视图；
图5A是示出根据本发明的说明性实施例的螺母部件和紧固件的螺纹之间的干涉的横截面视图；
图5B是示出根据本发明的说明性实施例的螺母部件和紧固件的螺纹之间的干涉的横截面视图；
图5C是示出根据本发明的说明性实施例的螺母部件和紧固件的螺纹之间的干涉的横截面视图；
图6是示出根据本发明的说明性实施例的示例性紧固件到螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图7是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图8是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图9是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图10是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图11是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；
图12是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图；并且
图13是示出根据本发明的说明性实施例的紧固件到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图。
具体实施方式
图1A是根据本发明的说明性实施例的示例性螺纹成形和螺纹锁定紧固件100的横截面视图。紧固件100包括进入尖部105和头部110，其中，杆部115在它们之间延伸。说明性地，进入尖部105被示出为具有基本平坦的端部。然而，应当注意，在本发明的备选实施例中，紧固件100可具有经倒圆、尖头等的进入尖部105。因而，对进入尖部105基本上是平坦的描述应仅被视为是示例性的。头部110被说明性地示出为具有六边形形状，以用于与用于插入的驱动设备一起使用。头部110沿杆部115的相同轴线延伸一定长度120，以使驱动器(例如扳手等)能够接合头部110，以在紧固件上施加转矩来将紧固件插入到螺母部件(未示出)中。头部110包括基本平坦的底部125，该底部被设计成当紧固件被完全插入时与螺母部件(未示出)齐平。如本领域技术人员将认识到的那样，头部110可基于所期望的驱动设备而具有多种不同的形状。因此，对具有六边形形状的头部110的描述应仅被视为是示例性的。
紧固件100的本体或杆部115包括多个螺纹区域，所述多个螺纹区域例如包括第一区域130、第二区域135和第三区域140。说明性地，一旦紧固件已被插入到螺母部件中，则这三个区域既被利用以执行螺纹成形功能，也被利用以执行螺纹锁定功能。说明性地，第一区域130是示例性第一螺纹牙型的大约2到5个节距长，随着该区域移动远离紧固件的进入尖部105，其以逐渐增加的直径从芯部向外成角度。也就是说，第一区域130的外径在进入尖部105处最小，并且随着螺纹沿杆部115朝向头部110移动而扩大。说明性地，第二区域135包括第一(螺纹成形)螺纹牙型的另外的1到3个节距，但具有基本恒定的外径。如图1A中所示的那样，说明性地，第一螺纹牙型包括基本上成60°角的螺纹牙型横截面。在示例性实施例中，第一螺纹牙型可包括以上并入的美国专利No. 9,404,524中描述的螺纹牙型。应当注意，尽管示出和描述了特定的螺纹成形螺纹牙型，但在本发明的备选实施例中，本发明的原理可利用任何螺纹成形螺纹牙型。因此，在本文中所示和所描述的特定螺纹成形螺纹牙型应仅被视为是示例性的。
第三区域140利用第二螺纹牙型，其说明性地为螺纹锁定螺纹牙型。如图1A中所示的那样，示例性第二螺纹牙型包括在螺纹基部处成60°角的螺纹，该螺纹在末端处过渡为成30°角的螺纹。在以上并入的美国专利No. 7,722,304中描述了示例性的螺纹锁定螺纹牙型。应当注意，尽管示出和描述了特定的螺纹锁定牙型，但在本发明的备选实施例中，本发明的原理可利用任何螺纹锁定螺纹牙型。因此，在本文中所示和所描述的特定螺纹锁定螺纹牙型应仅被视为是示例性的。
因此，在操作中，当根据本发明的说明性实施例的紧固件100被插入到螺母部件中时，第一区域的螺纹在紧固件最初插入时接合螺母部件。第一区域螺纹和第二区域螺纹使螺母部件变形以产生螺纹。在将紧固件继续插入到螺母部件中时，第三区域的螺纹接合新产生的螺纹以引起机械干涉，这引起锁定机制发生。说明性地，将第二螺纹牙型选择成与第一螺纹牙型互补。根据本发明的备选实施例，可将两种螺纹牙型选择成使得利用由螺纹成形牙型(第一螺纹牙型)在螺母部件中产生的螺纹的尺寸的先验知识来设计螺纹锁定牙型(第二螺纹牙型)。因为紧固件将在无螺纹螺母部件中产生内螺纹，所以可将螺纹锁定牙型螺纹构造成用于与内螺纹的优化性能。下面结合图4A、B、C和图5A、B、C来描述变型的示例。
图1B是沿根据本发明的说明性实施例的紧固件的长轴线观察的紧固件100的头部110的示例性视图。如以上所指出的那样，具有六边形形状的示例性头部的图示和描述应仅被视为是示例性的。图1C是根据本发明的说明性实施例的从进入尖部105沿紧固件的长轴线观察的紧固件100的视图。如从图1C可认识到的那样，紧固件的杆部115被说明性地成形为在横截面中具有多个(例如三个)凸角(lobe)。应当注意，多凸角杆部的使用仅是示例性的，并且在紧固件具有基本上圆形的杆部的情况下可利用本发明的原理。如本领域技术人员将认识到的那样，可利用各种类型的紧固件杆部横截面来实现紧固件的期望特性。更具体地，明确设想的是，根据本发明的备选实施例，可利用具有三个以上的凸角的杆部。进一步，在备选实施例中，杆部可具有变化的横截面。例如，杆部可在进入尖部附近具有基本上圆形的横截面积，而沿杆部的长度过渡成非圆形横截面积。示例性的非圆形横截面积将是例如三凸角横截面积。然而，明确设想的是，根据本发明的备选实施例，可利用基本上非圆形的横截面积的其他形式。可在多种紧固件杆部115横截面形状的情况下利用本发明的原理，以便实现期望的功能。
图2是根据本发明的说明性实施例的紧固件100的进入尖部端部的放大视图。如从图2可看到的那样，第一区域130的外径随着其移动离开进入尖部105而增加。第一区域利用第一螺纹牙型，该第一螺纹牙型说明性地为螺纹成形螺纹牙型。第二区域135继续使用螺纹成形螺纹，但处于基本恒定的总直径，这与具有逐渐增加的总螺纹直径的第一区域130不同。然后，第三区域140利用第二螺纹牙型，例如螺纹锁定螺纹牙型，以用于紧固件100的其余部分。
图3是根据本发明的说明性实施例的用于成形紧固件100的设有头部的坯料300的示例性视图。说明性地，坯料300包括单一直径的坯料，这减轻了制造难度。然而，明确设想的是，可在更复杂的坯料的情况下利用本发明的原理。
图4A、B、C示出了可在本发明的备选实施例中利用的说明性螺纹牙型。应当注意，每个螺纹牙型具有相同的横截面积。图4A代表说明性的60°螺纹牙型，如在图1中所示的那样。图4B代表示例性倒圆螺纹牙型(radius thread profile)。图4C代表具有600/300螺纹牙型的示例性三角螺纹形式。应当注意，在本发明的备选实施例中，可利用不同的螺纹牙型。因此，明确设想的是，图4A、B、C中所示的螺纹牙型仅是示例性的。
图5A、B、C示出了根据本发明的说明性实施例的潜在机械干涉的示例性范围，该范围可通过利用用于螺母部件和紧固件的根据示例性设计选择的不同螺纹牙型来获得。多个附图示出了以上关于图4A、B、C描述的螺纹牙型的组合。如从图5A、B和C可看到的那样，通过改变内螺纹牙型和外螺纹牙型，可实现不同程度的机械干涉。在备选实施例中，通过选择螺纹牙型的各种组合，可实现期望的机械干涉量。
图6是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到螺纹螺母部件605中的插入的横截面视图600。说明性地，螺纹螺母部件605包括成组的预成形螺纹610。视图600具有在紧固件100的端部105插入到螺纹螺母部件605中之前的紧固件100和螺母605。沿截面A-A的视图示出了紧固件100和螺纹螺母部件的示例性横截面615。
图7是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到螺纹螺母部件605中的插入的横截面视图700。在视图700中，紧固件100的第一区域130和第二区域135已经被插入到螺纹螺母部件605中。如在放大视图中可看到的那样，在第一区域以及第二区域的螺纹与螺母部件605的内螺纹610之间留有空间。
图8是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图800。在视图800中，第一区域螺纹130几乎已经穿过螺纹螺母部件605，而第二区域螺纹135被完全包含在螺母部件605内。如可看到的那样，在螺母部件内，第三区域螺纹140在尖部805处生成了末端侵入(tip penetration)。
图9是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到螺纹螺母部件605中的插入的横截面视图900。在视图900中，第一区域螺纹130和第二区域螺纹135已完全穿过螺母部件605，并且对于每个内螺纹605来说，存在第三区域螺纹140的末端侵入尖部905。就如在图9中所示出那样的所插入的紧固件100而言，末端侵入尖部905生成机械锁定机制，从而起作用以将紧固件固定在螺纹螺母部件中。
在本发明的说明性实施例中，第一区域和第二区域螺纹的螺纹成形螺纹牙型被设计成略微扩大螺纹螺母部件的螺纹直径。这种尺寸调整使得紧固件能够被构造成使得在经尺寸调整的螺纹与第三区域螺纹的螺纹锁定螺纹之间存在经优化的干涉。通过选择用于第一区域螺纹和第二区域螺纹的螺纹牙型和尺寸，可实现与第三区域螺纹的期望机械干涉量。然而，应当注意，在本发明的备选实施例中，预成形的内螺纹不由第一区域和第二区域螺纹扩大。因此，经扩大的内螺纹的描述应仅被视为是示例性的。
图10是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到无螺纹螺母部件1005中的插入的横截面视图1000。在视图1000中，紧固件100即将被插入到螺母部件1005中，该螺母部件1005具有无螺纹的孔口或孔洞1010。
图11是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到无螺纹螺母部件1005中的插入的横截面视图1100。视图1100示出了第一区域和第二区域的螺纹已经完全插入到无螺纹螺母部件中的时刻。
图12是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到无螺纹螺母部件1005中的插入的横截面视图1200。第三区域螺纹140现在已经进入先前成形的螺纹并且已经在尖部1205处生成末端侵入。
图13是根据本发明的说明性实施例的紧固件100到无螺纹螺母部件中的插入的横截面视图1300。在视图1300中，第一区域螺纹和第三区域螺纹已经穿过螺母部件1005，多个第三区域螺纹在多个末端侵入尖部1305处接合螺母部件1005。
如以上关于图6-9所指出的那样，在本发明的说明性实施例中，第一区域螺纹和第二区域螺纹的尺寸可被设定成产生最佳尺寸的螺纹，以实现与第三区域螺纹的期望机械干涉。
应当注意，尽管本发明针对特定的螺纹牙型进行了描述，但可在多种螺纹成形和/或螺纹锁定螺纹牙型的情况下利用本发明的原理。因而，在本文中所包含的特定螺纹牙型的具体描述应仅被视为示例性的。此外，尽管已经给出了各个区域中的节距螺纹数量的多种描述，但如本领域技术人员将认识到的那样，各个区域中的节距数量可取决于预期用途而变化。因而，各个区域中特定的节距数量的描述应当被认为是示例性的。
本说明书依据本发明的各种说明性实施例撰写。如本领域技术人员将认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对在本文中描述的实施例进行各种修改。因此，所描述的实施例应仅视为是说明性的。

Claims (13)

1.一种紧固件，包括：
具有横截面轮廓的杆部，所述杆部具有在第一端部处的进入尖部和在第二端部处的头部，
其中，所述杆部在其上在第一区域和第二区域中刻有第一螺纹牙型，
其中，所述第一区域开始于所述进入尖部处，并且沿所述杆部延伸大约第一预先限定数量的螺纹节距，
其中，第二区域延伸大约第二数量的预先限定螺纹节距，以及
具有第二螺纹牙型的第三区域，所述第三区域从来自所述第二区域的过渡部沿所述杆部的其余部分的实质部分朝向所述头部的底部延伸。
2.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一螺纹牙型具有大约60°的角度。
3.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一螺纹牙型为近似倒圆的螺纹牙型。
4.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一螺纹牙型为近似抛物线的螺纹牙型。
5.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述横截面轮廓基本上是圆形的。
6.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述横截面轮廓具有三个或更多个凸角。
7.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述杆部的横截面轮廓从基本上圆形的横截面过渡到基本上非圆形的横截面。
8.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述杆部的横截面轮廓从基本上非圆形的横截面过渡到基本上圆形的横截面。
9.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一预先限定数量的螺纹节距是三个。
10.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第二预先限定数量的螺纹节距是六个。
11.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一螺纹牙型是螺纹成形螺纹牙型。
12.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第二螺纹牙型是螺纹锁定螺纹牙型。
13.根据权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述第一螺纹牙型的尺寸被设定为产生用于与所述第二螺纹牙型接合的经优化的内螺纹。
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