TWI620877B - 一體緊固件及包含其之零件總成 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種賓州工程&製造公司所生產，周知為平頭銷及平頭螺絲類型之有頭的推入式緊固件。更具體地說，它是有關一種具有貝勒維爾頭之平頭銷及平頭螺絲，其提供貝勒維爾墊圈的功能性，而無需個別零件。當安裝時，貝勒維爾形頭部的壓縮將導致永久荷載被施加至緊固件的頭部下，這本質上會對待附接之構件產生夾緊力。

Description

一體緊固件及包含其之零件總成 相關申請案

本專利申請案係於2013年8月28日所提出，名稱為「具有貝勒維爾頭之緊固件」，案號為61/871,019之暫時專利申請案之非暫時案，茲據以請求優先權。

本發明係有關一種賓州工程&製造公司所生產，周知為平頭銷及平頭螺絲類型之極小有頭推入式緊固件。更具體地，其係有關具有貝勒維爾頭之平頭銷及平頭螺絲，提供貝勒維爾墊圈的功能性，而無需個別零件。

兩個構件之附接可以多種不同的方式進行。一些附接方法如粘著劑、膠水或焊接可形成構件間的牢固結合，而不會在構件之間產生任何擠壓或夾緊力。諸如典型鉚釘或平頭銷/平頭螺絲亦不會在構件上產生夾緊力。當想要有夾緊力時，螺絲係實現此一目標的普通方法。

許多消費產品總成被設計成有薄壁圍繞，其較用來將它們組合的緊固件更軟。這個巧合有利於需要 硬度不同，以及鉚在板面上之自鉚(self-clinching)緊固件。然而，對螺絲來說則相反，並限制螺絲的可用夾緊荷載。在這種情況下，對夾緊荷載的限制力等於圍體(enclosure)中螺絲所嚙合螺紋的降伏強度。本發明適用於這種類型的總成。

由於螺紋的完全磨損會使總成無用，因此，降伏力被用於設計目的來計算允許的最大感應負載。陰螺紋的降伏力經計算為如第1圖所示底板中螺紋的降伏應力乘以剪力下螺紋的面積。剪力下螺紋面積係若螺絲被垂直拉動或推動即會切掉螺紋所留下之每一螺紋的圓柱表面。由於該面積上螺紋的螺旋作用很小，剪力下螺紋的面積可被簡化為剪力下螺紋數乘以一個螺紋的圓柱面積。

在第1圖中，當螺絲10被擰緊至一圍體13的一螺絲孔14之一長度11時，產生習知技術的夾緊荷載。擰緊螺絲造成螺絲中的拉伸力。也就是說，頭部下側與嚙合螺紋構件之頂部間的螺絲部分13。所產生夾緊力的一部分如彈簧般拉伸螺絲超過可用長度15。虎克定律說明螺絲的長度變化。螺絲作成越短，越無法拉伸。虎克定律同樣適用於被夾緊荷載壓縮的頂板12。頂部片所經歷的力等於夾緊荷載。在第1圖中所示情況下，該板12係薄，也易於限制潛在壓縮。應用硬螺絲到薄而軟的圍體13，使得鉚緊附接能極佳地與螺絲螺紋匹敵。

現在參考第2圖，說明習知緊固件的另一實施例。由於平頭銷20或平頭螺絲被壓入，且在安裝期間 不處於拉伸狀態，因此，其可提供很少或無部件至夾緊荷載。可用於平頭壓縮之長度係顯示在用於板壓縮之尺寸21及22。於拔出以及對應至剪力下螺紋嚙合期間，圓柱形截面25係在剪力下，當其是一個類似大小和長度的螺絲時。頂部片24的壓縮可提供夾緊分力，但是這種情況與螺絲情況下略有不同。當安裝荷載被施加到平頭20，並因此到頂部片24時，根據虎克定律，兩者都會在長度上發生變化(縮短或壓縮)。只要零件未被壓碎超出其降伏點，當安裝荷載被除去時，兩者都將放鬆(試圖返回到其原來長度)。我們可去除力量，並就已知尺寸和材料性質表達相對偏轉。假設底部片具有同質性，相較於面板壓縮之銷壓縮存在有三種不同情形。就我們的小零件來說，我們可作以下陳述：若平頭與面板具有相同偏轉，它們即在除去衝頭後，回彈幾乎相等，並且不產生夾緊荷載。若平頭具有較大剛度，即因此具有較面板小的偏轉。若平頭彈回小於面板嘗試達到的量，面板壓縮即可能發生，並因此有小的夾緊荷載。若面板具有較大剛度，並因此偏轉較平頭少，即無夾緊生成。平頭實際上可能彈回高於附裝面板，在頭部下留有小隙。平頭銷/平頭螺絲產生小夾緊荷載之一例子係頂部片可能為如橡膠之墊圈材料的情形。如同螺絲，若頂部片具有產生這種力的能力，底部片中凹槽的降伏即係允許用於平頭銷/平頭螺絲的壓倒性最大夾緊力。

鉚緊平頭銷/平頭螺絲是對極小螺絲的優良替代品，並提供優於螺絲的許多優點，包含：1)無需螺 紋孔；2)消除損壞之螺紋磨損；3)由於此種安裝大幅簡化，因此，平頭銷/平頭螺絲被壓入；4)平頭銷/平頭螺絲無需螺紋鎖固補綴且本質上不鬆動；5)平頭銷/平頭螺絲具有非常薄的頭部，並允許較因頭部需要起子而需要更厚頭部之螺絲更薄的設計形式。

然而，平頭銷/平頭螺絲的一些缺點係：1)很少或沒有夾緊力(雖然其係最小，短螺絲卻提供一些夾緊荷載)；2)若未充份安裝，將會在頭部下面留有空隙而允許軸向浮動；3)在安裝期間，無需過度按壓，平頭銷之頭部的底部即接觸該頂部片的完美安裝需要昂貴的設備。

簡單地增加個別墊圈於總成之螺絲/銷會產生所有與更大數量之零件相關的問題，且貝勒維爾墊圈無法製成小到足以和微螺絲或具有1.0mm直徑之極小平頭銷一起使用。因此，在本技藝中需要新型的一體緊固件，其在應用時，能夠對其連結之元件提供殘餘的夾緊荷載。

以上所列平頭銷及平頭螺絲的缺點藉一種將貝勒維爾型彈簧設計加入平頭銷或平頭螺絲之頭部的新穎設計變化全部克服。據信，藉由彈簧頭設計的改進，平頭銷或螺絲可提供短螺絲的所有優點，帶有尋常平頭銷的附加好處，因為它們的小尺寸，增加個別墊圈並不實用。彈簧頭部結構可直接針對夾緊荷載問題，以及增加安裝按壓距離的公差，減輕完美安裝的要件。

更具體地，本申請人已發明一種緊固件以及零件總成，該零件總成包括兩個元件，面對面的一頂部元件及一底部元件。該緊固件包括具有徑向延伸之錐形凸緣的頭部，該凸緣係該緊固件之最大直徑，並具有不中斷的圓周面，其適於在施加向下安裝力時，抵住頂部元件，彈性地向上偏轉。該緊固件具有柄部，其使用諸如螺旋螺紋或鉚緊凹槽之嚙合手段。

因此，本發明的主要目的係增加夾緊荷載能力，並藉由將貝勒維爾墊圈之設計加入緊固件的頭部，對平頭銷增加軸向安裝公差。若相同特點可繞微螺絲的頭部添加，第二目的即在於作一種螺絲設計，其將貝勒維爾墊圈加入頭部，以利於防止螺絲中的預荷載損耗。本發明之又一目的在於實現這些優點，同時還提供製造的節約，並藉由消除需要組裝之額外鬆散零件來達成。

為了要達到上述目的，本發明之一態樣係提供一種一體平頭銷或平頭螺絲，用於面對面連結，包括：頭部，包含屬於該平頭銷或平頭螺絲之最大直徑的錐形凸緣，該凸緣自該頭部之一頂部延伸，並具有不間斷的圓周邊，適於彈性地向上偏轉；以及柄部，從該頭部直接向下延伸，該柄部具有用於嚙合該等兩個元件之至少一個底部元件之手段。

於本發明之一實施例中，更進一步描述該平頭銷或平頭螺絲，其中柄部嚙合手段為螺旋狀螺紋。

於本發明之另一實施例中，更進一步描述請求項1之該平頭銷或平頭螺絲，其中柄部嚙合手段係適於從該兩個元件之該底部元件接收材料冷流的切槽。

根據本發明之第二態樣，其係提供一種零件總成，包括：如上述之平頭銷或平頭螺絲；頂部元件，與底部元件面對面抵接，該頂部元件包含該平頭銷或該平頭螺絲之該柄部穿過的孔；以及該平頭銷或該平頭螺絲之柄部，係藉由與該底部元件之孔穴嚙合至一深度，以附接於該底部元件，其中該平頭銷或該平頭螺絲頭部凸緣的周邊與該頂部元件用力接觸，並充份偏轉以施加向下彈性偏壓之殘餘夾緊荷載於該等元件之間。

於本發明之一實施例中，該總成之該柄部包含與該底部元件嚙合之螺旋螺紋。

於本發明之另一實施例中，該總成之該柄部包含適於從該底部元件接收材料冷流的切槽。

在這方面，於詳細解釋本發明之至少一個實施例之前，應理解，本發明並不限於應用到以下說明所載或圖式所示之構造細節以及組件之配置。本發明可為其他實施例，並以各種不同方式實現。亦應理解，本文使用的措辭和術語是為說明目的，不應被視為限制。

因此，熟於本技藝人士當知，本揭示內容所據概念可容易被用來作為用於其他結構、方法及系統的設計基礎，以實現本發明的若干目的。因此，重要的是， 申請專利範圍應被視為包含此種均等構造，只要其不悖離本發明之精神及範圍。

10‧‧‧螺絲

11‧‧‧長度

12‧‧‧頂板

13‧‧‧圍體

14‧‧‧螺絲孔

15‧‧‧可用長度

20‧‧‧平頭銷

21‧‧‧尺寸

22‧‧‧尺寸

24‧‧‧頂部片

25‧‧‧圓柱形截面

31‧‧‧貝勒維爾墊圈

32‧‧‧實施例

33‧‧‧實施例

34‧‧‧螺絲

第1及2圖係習知緊固件之橫剖視圖。

第3圖係本發明三個實施例的橫剖視圖。

現在參照第3圖，其圖示與貝勒維爾墊圈31及具有加入貝勒維爾墊圈31於一頭部之螺絲34，其再次顯示於本圖之底部。並排比較之本發明緊固件的兩個實施例32及33。此等實施例中的任何一者被用來形成一總成，以代替連結頂部片至底部片之第1及2圖中所示習知緊固件。實施例之每一者具有包含錐形凸緣之頭部，其近似於最左側所示貝勒維爾墊圈的結構和性能。

貝勒維爾墊圈產生與其壓縮方向相反的力量。該圖顯示貝勒維爾墊圈可如合加入平頭銷、平頭螺絲及微螺絲。貝勒維爾彈簧的最大力量的能力由可由網站彈簧I-百科(Sping-I-Pedia)，網址：http：//springipedia.com/belleville-washers-formulas.asp的所取得的方程式給予。

在安裝，錐形凸緣的周邊用力接觸頂部片時，其彈性地向上偏轉。藉由其材料之彈性性質，施加持續偏置力，以維持殘留的夾緊荷載。

本發明提供緊固件之元件的優點，其合併兩分離元件合一，因此進而消除損失元件並降低成本，且 亦達到透過具有不間斷的周邊之頭部的錐形凸緣部分之彈性偏轉及直接向其延伸之柄部，以達成提供殘餘夾緊荷載至連接面板之技術目標。緊固件可以形成兩零件之總成，藉由將其穿過頂部元件的孔，並且透過底部元件之孔穴嚙合以附接至底部元件。

就有夾緊荷載之平頭銷的情形而言，理想的是提供最小等效夾緊力，其能在安裝後，由其凹槽中之金屬的降伏(yield)提供。將貝勒維爾墊圈功能加入平頭銷或螺絲有效地增加頂部板壓縮距離於平頭。這個頭設計有利之處在於頂部片在長度上變化至較平頭銷或螺絲更大的程度，從而確保產生夾緊荷載。此例子中頭部之偏轉遠大於單獨從平坦片可預期到的。同樣地，就微螺絲的情形而言，在貝勒維爾墊圈頭部的設計方程式中，我們設定被嚙合之陰螺紋之降伏強度的力方程式等於可用在貝勒維爾墊圈的最大力量。

就螺絲來說，在拉伸力下安裝螺絲會產生夾緊荷載的事實以及貝勒維爾頭部如此作的必要性並不像其對平頭銷或平頭螺絲而言那麼重要。然而，加入螺絲之貝勒維爾墊圈確實提供額外的好處：1)保護以免螺絲的預荷載損耗；2)過度安裝保護，使得可明定更大範圍的緊固扭矩。

從本發明的以上說明可很容易地看出，本發明的目的已達到。貝勒維爾墊圈型頭部加入平頭銷的設計提供將夾緊荷載供至一總成的能力，該總成使用平頭銷，在以前只有小夾緊荷載可用於狹窄範圍之條件。此外，這種類型的頭部加入平頭銷增加安裝按壓距離的公 差，有助於保護以免可能導致外觀損壞之過壓或過載。最後就平頭銷而言，頭部下潛在空隙的消除在安裝不充份之零件的情況下，給予總成更牢固的感覺。此型頭部對微螺絲的附加好處是，其提供免於螺緊接頭之預荷載損耗之保護，以及所要求安裝扭矩範圍的安裝公差。藉由將個別墊圈的好處結合於緊固件之結構有製造上的節約，較少的鬆散零件問題，以及組裝墊圈的額外步驟，這對微型零件可能不實用。

因此，以上僅說明本發明的原理。又由於熟於本技藝人士當知許多修改和變化，因此不欲將本發明限制於所圖示及說明之具體結構和操作，並因此，所有適當的修改和均等物均可被採用而落入本發明的範圍內。

Claims (7)

1. 一種一體緊固件，用於面對面連結兩個元件，包括：頭部，包含屬於該緊固件之最大直徑的錐形凸緣，該凸緣自該頭部之一頂部延伸，並具有不間斷的圓周邊，適於彈性地向上偏轉；以及柄部，從該頭部直接向下延伸，該柄部具有一附接元件，該附接元件包含一切槽，其適於從該兩個元件之至少一個底部元件接收材料冷流。
2. 如請求項1之緊固件，其中該材料冷流係由施加在該頭部之一向下安裝力所造成的。
3. 如請求項1之緊固件，其中該緊固件係一平頭銷或一平頭螺絲。
4. 一種零件總成，包括：如請求項1之緊固件；頂部元件，與底部元件面對面抵接，該頂部元件包含該緊固件之該柄部穿過的孔；以及該緊固件之柄部，係藉由與該底部元件之孔穴嚙合至一深度，以附接於該底部元件，其中該緊固件頭部凸緣的周邊與該頂部元件強迫接觸，並充份偏轉以施加向下彈性偏壓之殘餘夾緊負荷於該等元件之間。
5. 如請求項4之零件總成，其中該柄部包含與該底部元件嚙合之螺旋螺紋。
6. 如請求項4之零件總成，其中該柄部附接元件僅為該切槽。
7. 如請求項4之零件總成，其中該柄部之直徑為1.0mm。