TWI670129B - 用於建立構件連接的連接結構 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關一種用於建立兩個相互疊置的構件之間的通過連接元件實現的構件連接的連接元件。連接元件通過摩擦與下部的層、即基底層焊接。連接元件具有桿部和頭部，該桿部具有桿段，而頭部具有位於頭部上側上的平面，用於傳遞軸向力。本發明的特徵在於，實現從桿段的斜坡起始高度處開始一直持續到頭部下側的連續的直徑增大部，斜坡起始高度到與桿端部距離最大的頭部下側高度水準的間距小於頭部外直徑與斜坡起始高度處的桿直徑之間的差的一半，並且大於頭部外直徑與斜坡起始高度處的桿直徑之間的差的四分之一。

Description

用於建立構件連接的連接結構
本發明係一種根據申請專利範圍第1項的前言部分所記載的用於在兩個相互貼靠的構件之間建立構件連接的連接元件。
由EP 2 289 659 A1已知一種摩擦焊接元件，該摩擦焊接元件具有頭部和桿部，在頭部中裝入推進部。頭部具有平面，該平面適於傳遞軸向力。頭部在其下側上還具有凹口，在摩擦焊接時，軟化的材料、特別是覆蓋層的材料能夠容納到凹口中。
這裡連接元件以其桿部與構件複合體下部的基底層發生摩擦焊接連接。通過頭部的突出部在基底層和覆蓋層之間建立形鎖合的連接。以這種方式，基底層和覆蓋層通過連接元件牢固地相互連接。
為了建立摩擦焊接連接，設有安裝工具，該安裝工具包括壓緊件和推進工具。壓緊件將要連接的構件層相互壓緊，這裡推進工具通過壓力和旋轉將連接元件推進到構件複合體中。
這種設計方案的缺點是，在直徑較小時就必須存在大的結構高度。
本發明的目在於給出一種用於建立構件連接的連接元件和安裝工具，該連接元件和安裝工具使得可以建立這樣的構件連接，該構件連接特別是對於薄金屬板在頭部直徑較小時僅具有小的結構高度。
根據本發明之連接元件設計成，使得在圓柱形的桿部上開始一直到頭部下側形成連續的直徑增大部。頭部下側由頭部下側上到桿端部具有最大直徑的高度水準限定。
根據本發明，斜坡起始高度到頭部下側的高度水準的距離小於外直徑和桿直徑之差的一半並大於其四分之一，即：(DA-DS/4<A<(DA-DS)/2，其中DA為頭部外直徑，而DS為斜坡起始高度處的桿直徑。
其結果是，在連接元件進入時，覆蓋層軟化的材料在直徑漸增的擴展部上匯出，但仍在連接元件的作為焊接凸棱升高的材料和頭部高度水準之間保持足夠的間距，從而能確保足夠的防拉出強度。
桿直徑特別是連接元件在斜坡起始高度處的直徑。
建立連接不需要的附加的軟化材料在側向(沿徑向向外)被頭部排擠，由此可以實現小的結構高度。
在本發明的一個有利的改進方案中，傾斜部從斜坡起始高度開始，該傾斜部與連接元件軸線的垂線成小於80°的角度、特別是成小於70°的角度。
由此可以控制覆蓋層的軟化的材料沿徑向向外的排擠特性。
根據另一個實施形式，連接元件具有圓柱形的桿段。
這個實施形式可以特別有利地製造。
在另一個較佳實施形式中，可以設定推進凹口的高度小於推進凹口的徑向尺寸30%。
這樣的結果是，頭部本身可以設計成具有較小的軸向尺寸，由此可以進一步降低結構高度。
從推進結構到連接位置處的熔化區域有足夠的距離是必要的，因為在摩擦焊接過程中出現的熱量輸入還會導致推進結構的軟化，由此使得推進轉矩的傳遞變差。
根據另一個有利的實施形式，連接元件的頭部設計成使得該頭部在其邊緣區域以相對於螺釘軸線以85°-95°、特別是90°的角度漸縮。
在該實施形式中，特別是頭部下側的高度水準同樣位於邊緣區域中，根據該實施形式，得到最大的保持力，因為一方面焊接凸棱和頭部下側之間存在最大間距，另一方面因為頭部表面接近正交的位置存在特別好的形鎖合。
在另一個有利的實施形式中，直徑按照一個函數增加，該函數在頭部的方向上相對於螺釘軸線的垂線具有第一斜率和後面的第二斜率，其中第二斜率小於第一斜率。
根據該實施形式，得到這樣的走勢，該走勢至少接近凹形的輪廓。這樣的結果是，在由升高的材料形成的焊接凸棱和頭部之間形成特別有利的側凹，該側凹在摩擦焊接過程結束後用覆蓋層軟化的材料填充。
通過在第二區域後面設置具有小於第二斜率的第三斜率的第三區域，可以進一步改進對這種凹形輪廓的逼近。
凹形的走勢在理想情況下以橢圓或圓形輪廓的形式存在。
曲率半徑較佳大於頭部下側到斜坡起始高度的距離。
由此確保了特別和緩的過渡，這實現了對從頭部和覆蓋層之間的區域中壓出覆蓋層軟化的材料的理想的排擠控制。
在另一個有利的實施形式中可以設定，桿部在前端側的端部處從圓柱形的桿部分過渡到錐形的區域。由此實現了對連接元件對中特性的改進。全錐角特別是在60°至80°之間。
根據本發明的另一個改進方案，可以在錐形部段上連接另一個圓柱形的部段，這實現了對中特性的改進，因為圓柱形部分能夠特別好地引入覆蓋層中。
在另一方面中，本發明係有關一種構件連接結構。該構件連接結構包括基底層和至少一個覆蓋層和前面說明的連接元件，該連接元件具有至少一個頭部和桿部，該桿部在其前端側上與基底層焊接。由此連接元件以其桿部與基底層發生材料鎖合的連接，頭部形鎖合地固定覆蓋層。
根據本發明設定，在側向(沿徑向向外)越過頭部流出的材料在側向至少部分地沿軸向包圍頭部，頭部此時位於覆蓋層表面的高度水準上方。
為了實現相應的構件連接結構，較佳引入前面所述的連接元件。
此外本發明還有關一種用於建立如前面所述的構件連接結構的安裝工具，該安裝工具壓緊件和推進頭。推進頭在平坦的底面上具有突起的推進結構，該推進結構與連接元件內部的推進部相對應地構成。根據本發明的平坦的底面由突出的環繞邊緣限定，該環繞邊緣具有內直徑。
通過設置環繞邊緣，在摩擦焊接過程期間側向從頭部排擠出來的軟化的材料被這樣導向，使得該材料不會到達在推進頭和包圍推進頭的壓緊件之間。相應地，對覆蓋層軟化材料的引導導致被排擠的材料在內直徑的內部形成堆積部，由此，材料這樣具有這樣的構造，即，該材料在側向至少部分地包圍頭部，這實現了剪切強度的改進。
通過這種設計方案，可以實現小的結構高度並且仍能確保高強度，因為在頭部下面被排擠出來的軟化的材料仍被用於提高連接的強度。
在另一個有利的實施形式中，壓緊件可以在其前端側具有脫模斜面。通過在內棱邊上設置脫模斜面，避免冷卻的軟化材料與壓緊件發生卡緊，由此能夠可靠地以較小的阻力實現壓緊件與覆蓋層的脫離過程。
此外，可以在底面中引入至少兩個抽吸孔，通過該等抽吸孔可以在裝入的連接元件的頭部和底面之間建立負壓，由此，連接元件被吸附到底面上並且推進結構嵌入連接元件的內部推進部中。
抽吸孔特別是偏心地設置，並且與環繞邊緣隔開內直徑的至少5%。這樣的結果是，在頭部的邊緣附近仍能抽吸裝入的具有為環繞邊緣內直徑的60%至90%的頭部直徑的連接元件。由此在連接元件的溫度盡可能低的位置出實現抽吸作用，以便避免連接元件的軟化的材料進入抽吸孔。
在採用具有明顯小於環繞邊緣的內直徑的直徑的頭部時，這樣的結果是，覆蓋層的在拼接過程中從中間區域中被排擠出來的材料可以容納在頭部側向的區域中。由此提供了附加的容納空間，由此在連接部位的直徑盡可能小的情況下可以使結構高度最小化。
抽吸孔較佳與外接圓相切，該外接圓到環繞邊緣的距離為環繞邊緣的內直徑的至少5%。外接圓可以與環繞邊緣同心地設置，並且具有為該內直徑的60%至90%、特別是60%至80%的直徑。
此外，本發明還有關一種連接系統，該連接系統包括前面所述的安裝工具和前面所述的連接元件。根據本發明，安裝工具和連接元件這樣相互協調，使得環繞邊緣內直徑比連接元件的頭部直徑至少大10%。
根據另一個有利的實施形式，環繞邊緣的高度大於沿軸向方向最大的頭部尺寸。在任何情況下，環繞邊緣的高度都延伸超過連接元件的頭部側面高度。
本發明的其他優點、特徵和應用可能性有下面結合圖式中示出的實施例進行的說明得出。
10‧‧‧連接元件
12‧‧‧頭部
14‧‧‧桿部
16‧‧‧圓柱形區域/桿段
18‧‧‧錐形部
19‧‧‧圓柱形部分
20‧‧‧平面
22‧‧‧推進部/推進凹口
30‧‧‧連接元件
32‧‧‧推進凹口
40‧‧‧安裝工具
42‧‧‧壓緊件
44‧‧‧推進頭
46‧‧‧覆蓋層
48‧‧‧基底層
50‧‧‧連接元件
52‧‧‧抽吸通道
54‧‧‧底面
56‧‧‧推進結構
58‧‧‧抽吸孔
60‧‧‧環繞邊緣
70‧‧‧構件連接結構
72‧‧‧覆蓋層
74‧‧‧基底層
76‧‧‧連接元件
78‧‧‧安裝工具
80‧‧‧壓緊件
82‧‧‧推進頭
84‧‧‧環繞邊緣
92‧‧‧覆蓋層
94‧‧‧環繞邊緣
96‧‧‧壓緊件
98‧‧‧脫模斜面
a‧‧‧最大尺寸
A‧‧‧斜坡起始高度
D1‧‧‧直徑
D2‧‧‧直徑
DA‧‧‧直徑
DI‧‧‧直徑
DK‧‧‧直徑
DS‧‧‧直徑
DT‧‧‧直徑
DU‧‧‧直徑
HU‧‧‧高度
K‧‧‧高度水準
M1‧‧‧第一斜率
M2‧‧‧第二斜率
M3‧‧‧第三斜率
R‧‧‧旋轉軸線
S‧‧‧距離
t‧‧‧推進部深度
U‧‧‧外接圓
α1‧‧‧角度
α2‧‧‧角度
α3‧‧‧角度
在申請專利範圍和圖式的說明中，使用在下面列舉的圖式標記清單中使用的術語和相配的圖式標記。在圖式中：圖1a示出根據本發明的連接元件的側視圖；圖1b示出根據本發明的連接元件的透視圖；圖1c示出連接元件的部分剖視圖；圖2示出根據本發明的連接元件的透視圖；圖3示出根據本發明的安裝工具的示意性剖視圖；圖4a示出根據圖3的推進頭前端側的端部的示意性剖視圖；圖4b示出根據圖4a的推進頭的前端側的俯視圖；圖5示出帶有安裝的連接元件的推進頭的部分剖視圖
圖6示出在設置過程結束時所建立的構件連接結構的剖視圖；圖6a示出在圖6中的局部放大；以及圖7示出與圖6a類似的局部放大。
圖1a示出根據本發明的連接元件10的側視圖。連接元件10包括頭部12和桿部14，其中桿部14具有圓柱形的區域，即桿段16。在圓柱形的區域/桿段16上，與桿部14連續的加粗部從斜坡起始高度A開始一直延伸到頭部的在頭部高度水準K處的頭部下側。頭部高度水準K是到桿端部有最大距離的高度水準。當前的連接元件10的頭部的邊緣就是這種情況。
沿具有曲率半徑R的彎曲部發生連續的直徑增加。直徑的增加在斜坡起始高度A處開始，該斜坡起始高度位於到頭部下側高度水準K的距離在D1=(DA-DS)/4至D2=(DA-DS)/2的範圍內。這個實施形式對於薄的覆蓋層得到一種如在圖2中詳細說明的特性。
此外，連接元件10在其背離頭部的端部上具有錐形的區域18。由於錐形區域18桿部的端面減小。這確保了實現連接元件在壓入過程中更好的對中。所示連接元件10在錐形部後面具有圓柱形的延長部，該延長部能容易地壓入覆蓋層並進一步改進連接元件10的對中。
在該實施形式中，直徑隨著相對於螺紋軸線的垂線N的斜率連續降低而增加，此時該斜率還包括第一斜率M1(α1)和後面的第二斜率M2(α2)。
圖1b示出根據本發明的連接元件10的透視圖，向該連接元件的頭部上的平面20中引入內部推進部，即推進凹口22，該推進部構造成十字槽推進部。
圖1c示出連接元件10的部分剖視圖，這裡可以看到，推進部深度t最多僅相當於推進部沿徑向方向的最大尺寸a的30%。因為摩擦焊接連接必要的軸向力經由平坦的平面20傳遞，可以採用這種設計方案。因為內部推進部由於在摩擦焊接過程中形成熱量必須保持與桿部14的確定距離，較小的推進部深度t允許頭部具有較小軸向尺寸並且由此允許實現較小的結構高度。
圖2示出根據本發明的連接元件30的透視圖，該連接元件與在圖1b中示出的連接元件不同而具有五芒星狀的推進凹口32。由此改進了在高熱量時轉矩的傳遞。用虛線示出推進結構的外接圓和其沿徑向方向的最大尺寸a。
圖3示出根據本發明的安裝工具40的示意性剖視圖。安裝工具40包括壓緊件42和推進頭44。在連接過程中，利用壓緊件42將要連接的覆蓋層46壓緊在一起。推進頭44相對於壓緊件42能旋轉地支承並且在壓力和旋轉下使得連接元件50進入覆蓋層46。上部的覆蓋層46較佳由輕質金屬、特別是鋁構成，基底層48由高強度的鋼組成。推進頭44具有中央的抽吸通道52，通過該抽吸通道能在接觸面上產生負壓，由此在連接過程中，連接元件50能夠固定保持在推進頭44上。推進頭44前端側的端部的構型在後面的圖4a、4b中詳細說明。
圖4a示出推進頭44前端側的端部的透視圖。推進頭44具有平坦的底面54，該平坦的底面54帶有突出的推進結構56，以便驅動具有內部推進部的對應的連接元件，通過平坦的底連線導向元件上傳遞軸向力。在推進結構56之間設有抽吸孔58，該抽吸孔導通地與中央抽吸通道連接。平坦的底面54由相對於平坦的底面54突出的環繞邊緣60包圍。
圖4b示出推進頭44的前端側的俯視圖。抽吸孔58與外接圓U相切。環繞邊緣60具有內直徑DI。環繞邊緣和外接圓U同心地設置，外接圓U的直徑DU大致為環繞邊緣的內直徑DI的65%。由此使得具有明顯小於環繞邊緣內直徑DI的頭部直徑的連接元件也能在邊沿區域內被吸附。連接元件上的抽吸點此時與連接元件的中心盡可能隔開。
圖5示出帶有裝入的連接元件10的推進頭44的部分剖視圖。推進頭44具有中央的抽吸通道52，抽吸孔58通入抽吸通道中。裝入的連接元件具有頭部直徑DK，頭部直徑大致為DI的90%。在這個視圖中能夠很好地看到突出的環繞邊緣60的高度HU，該環繞邊緣延伸突出於連接元件的頭部下側高度水準K。由此確保了在設置過程中被徑向向外排擠的材料由推進頭容納並這樣對其進行引導，使得該材料不會到達包圍推進工具的壓緊件(未示出)和推進頭之間。覆蓋層的材料可以容納在頭部高度水準K和平坦的底面54之間的區域內，由此，在降低直徑的同時可以提供該結構高度。
圖6示出在建立構件連接結構70時的安裝過程終結時的剖視圖。構件連接結構70包括覆蓋層72和基底層74，該覆蓋層和基底層通過連接元件76連接。連接元件76與基底層發生材料鎖合的焊接連接，而覆蓋層72形鎖合地保持在連接元件76上。此外還示出安裝工具78，該安裝工具包括壓緊件80，該壓緊件壓緊在構件複合體上並夾緊覆蓋層72和基底層74。推進頭82具有環繞邊緣84，該 環繞邊緣有一定的高度，使得在安裝過程結束時該環繞邊緣處於覆蓋層72的高度水準上並且由此與壓緊件80相平齊。
圖6a示出圖6中的所示的局部放大。在這個圖中可以特別好地看出，覆蓋層72的軟化的並且受排擠的材料容納在連接元件76的頭部與連接元件在與基底層74焊接過程中溫度升高的材料之間。由於壓緊件80和環繞邊緣84在過程結束時處於相同的高度水準，在壓緊件80上只需要很小的脫模斜面，因為覆蓋層72的材料首先保持在環繞邊緣84之內，並且壓緊件80本身不是優先用作模具。
圖7示出與圖6類似的圖示的局部放大，其中在根據圖7的實施形式中，環繞邊緣94選擇成，使得該環繞邊緣在安裝過程結束時以距離S與覆蓋層92的高度水準隔開間距。由此在摩擦焊接過程期間排擠的覆蓋層92的材料由環繞邊緣94這樣轉向，使得該材料不會到達推進頭和壓緊件96之間，並且覆蓋層92的被排擠的材料在該實施形式中仍還可以由壓緊件96限定。由於壓緊件96通常預先規定了最大的結構尺寸，以這種方式可以實現附加的容積，由此在外部尺寸保持相同的情況下可以進一步降低結構高度。壓緊件96在這個實施形式中沿著其內棱邊設有脫模斜面，由此確保了緊接著安裝過程之後壓緊件96能夠簡單地脫離，因為避免了壓緊件96與覆蓋層92的變形的材料發生鎖死。

Claims (8)

  1. 一種連接結構(70)，包括基底層(74)和至少一個覆蓋層(72、92、46)以及連接元件(76)，該連接元件包括頭部(12)和桿部(14)，該連接元件在其前端側上與基底層(74)發生材料鎖合的連接，其特徵在於：覆蓋層(72、92、46)的材料在覆蓋層(72、92、46)的高度水準之上的側向至少部分地包圍頭部(12)，其中連接元件通過摩擦與該基底層(74)焊接來產生該連接結構(70)，該連接元件具有桿部(14)和頭部(12)，該桿部(14)具有桿段(16)，該頭部(12)具有位於頭部上側上的平面(20)，用於傳遞軸向力，其中，向該平面(20)中引入推進凹口(22、32)，以便傳遞轉矩，其中從桿段(16)的斜坡起始高度(A)處開始一直持續到頭部下側形成有一直徑連續增大的直徑增大部，斜坡起始高度(A)到與桿端部距離最大的頭部下側高度水準(K)的間距小於頭部外直徑與斜坡起始高度處的桿直徑之間的差的一半，並且大於頭部外直徑與斜坡起始高度處的桿直徑之間的差的四分之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之連接結構，其中，該連接元件在斜坡起始高度(A)處的斜率(M1)與正常的垂線成小於80°的角度(α1)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之連接結構，其中，該連接元件的桿段(16)是圓柱形的。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之連接結構，其中，該連接元件的推進凹口(22、32)的深度(t)小於推進凹口(22、32)的徑向尺寸(a)的30%。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之連接結構，其中，該連接元件的頭部(12)在其邊緣區域以相對於連接元件的垂線85°至95°的角度漸縮。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之連接結構，其中，該連接元件的直徑增大部沿軸向方向朝頭部的方向相對於垂線具有第一斜率(M1)和後面的第二斜率(M2)，其中第二斜率(M2)小於第一斜率(M1)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之連接結構，其中，該連接元件的直徑增大部沿軸向方向朝頭部的方向相對於垂線還具有更後面的第三斜率(M3)，其中第三斜率(M3)小於第二斜率(M2)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之連接結構，其中，該連接元件的直徑增大部係沿著一個彎曲部來實現，該彎曲部的曲率半徑特別是大於相關點到頭部下側的距離。
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