CN111480013B - 贴合配合紧固件凹部*** - Google Patents

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Abstract

本文描述的各种实施例提供了一种具有直壁驱动表面的紧固件***，所述紧固件***提供了可靠的贴合配合特征，同时还改进了***部件之间的接合稳定性。新***的特征是允许将现有的标准直壁改锥贴合配合接合在该新***中。

Description

贴合配合紧固件凹部***
相关申请的交叉参考
本申请要求享有于2017年12月15日提交的美国专利申请15/843,789和2018年11月26日提交的美国专利申请16/199,859的优先权，所述专利申请中的每个都整体通过引用合并于此。
技术领域
本申请总体上涉及用于螺纹紧固件的驱动***、用于制造所述螺纹紧固件的工具以及用于向此类紧固件施加扭矩的改锥(driver)。更具体地，本申请涉及构造有直壁凹部的紧固件。尤其，构造了一种紧固件***，其中改锥和紧固件以改进的轴向对准和贴合配合(stick fit)的稳定性来接合。
背景技术
通常在工业应用中使用的螺纹紧固件典型地由动力工具以高速且在高扭矩载荷下驱动。这样的条件提出困难的设计考虑，尤其是相对于驱动***而言，并且更具体地，在螺纹紧固件具有在紧固件头部中的可与改锥接合的凹部或针对紧固件头部的可与改锥接合的外部轮廓的情况下。在理想情况下，就凹部和头部几何形状以及用于形成紧固件头部的相关工具和用于接合凹部或头部几何形状的改锥而言，这种驱动***都需要易于制造。紧固件头部的强度不应受到凹部的不利影响。当改锥被啮合时，改锥应当使应力载荷均匀地分布，以避免形成可能引起驱动表面或改锥或两者变形的高度局部化应力区域，从而避免导致驱动***过早失效。
当紧固件被驱动时，紧固件***应当阻止改锥从凹部中滑脱(cam-out)。在许多应用中，非常重要的是紧固件必须能够承受多个循环，如在必须移除紧固件以维修或更换零件或移除和更换检修面板的应用中。在理想情况下，紧固件驱动***应当能够进行此类重复循环，尤其是在凹部会被涂覆的应用中以及在凹部在使用中会变得被污染、涂漆、腐蚀或以其它方式受到不利影响的环境中。在这样的应用和环境中，至关重要的是驱动***在沿移除方向施加扭矩的同时保持驱动接合。会必要的是驱动***能够当移除紧固件时施加甚至更高水平的扭矩，如当在初始组装期间紧固件被过度张紧时，或在接合螺纹处的界面处产生腐蚀时，或者如果已组装的部件的热循环已经在紧固件上施加增大的应力，则会发生这种情况。这些和其它特征经常带来竞争性的考虑；并且会不得不为了使一方有利而对另一方做出妥协。
通常使用各种凹部和改锥构型，包括许多十字凹部，例如，在美国专利Re.24,878(Smith等人)；美国专利3,237,506(Muenchinger)和美国专利2,474,994(Tomalis)中描述的那些。其它紧固件几何形状包括在美国专利3,763,725(Reiland)中所述的类型的多凸角(lobe)的几何形状和如在美国专利4,187,892(Simmons)中所述的肋状驱动***。而且，在常见的凹部构型之中的是“Allen”***，所述“Allen”***本质上是直壁六角形插槽(socket)，其善于接纳类似形状的改锥。在美国专利5,957,645(Stacy)、7,293,949(Dilling)、8,291,795(Hughes)中描述了具有多个凸角的紧固件***，所述多个凸角具有螺旋构型的驱动表面，所述三个美国专利中的每个都整体通过引用并入本文并且在此将称为示例标准螺旋改锥。
除了肋状***以外，改锥和凹部的壁和面典型地被设计成彼此紧密地配合，以努力实现驱动表面和从动表面的面对面的接触。就十字凹部的紧固件而言，如果有的话，这种面对面的接合只有当改锥恰当地对准并且落座在凹部内时才可以发生。然而，作为一个实践问题，为了使改锥能够***凹部中，所以必要地在两者之间必须有一定间隙。
如在Reiland'725专利和Allen头部***中那样，对于具有基本轴向对准(直)的驱动壁的凹部，这种间隙的必要性甚至更为关键。在所有这些***中，这种间隙的必要性的实际结果是，如果有的话，几乎没有实现在改锥表面和凹部表面之间的实质的面对面、大面积的接触。就大多数用于螺纹紧固件的驱动***而言，改锥与头部中的凹部以导致点或线接触而非面对面的大面积接触的方式啮合。典型地，实际的接触面积基本小于完全的面对面的接触。结果，当由改锥施加扭矩时，施加到螺丝头部的力倾向于被集中在局部区域中，从而导致较高的局部应力和不稳定的轴向对准。这种较高的局部应力可以使凹部塑性地变形，形成斜坡或其它变形部，从而导致改锥过早地、意外地从凹部脱离。
在通常与本主题申请共同拥有的Stacy'645专利中描述了一种用于使在改锥表面和驱动表面之间的可接合表面积最大化的紧固件***。'645专利的公开内容通过引用被并入在本申请中。'645专利的凹部和改锥被构造成具有螺旋构型的接合表面，所述螺旋构型的接合表面与紧固件的轴线基本平行地对准并且可以一般地被分类为直壁紧固件***。在通常与本主题申请共同拥有的美国专利7,891,274(Dilling)和8,291,795(Hughes)中描述了螺旋驱动紧固件***的更为坚固的实施例。Dilling'274专利和Hughes'795专利的公开内容也通过引用并入本文。
通过将改锥的驱动表面和紧固件的从动表面分别配置为与螺旋段相符并且尤其在这样的螺旋构型中来实现在'645专利中描述的本发明的优点，即，所述螺旋构型使得能够在***和移除改锥期间在改锥和凹部之间有实质性的宽大间隙，但是在所述螺旋构型中允许完全密封的改锥旋转以占据该间隙。改锥的驱动壁和凹部的可与改锥接合的壁的螺旋构型使得当螺旋壁接合时螺旋壁确实在较宽的区域上接合，从而在该较宽的区域上施加和分配应力。螺旋构型的驱动壁和从动壁被取向成在几乎不依赖于摩擦、近切向的接合(如果有的话)的情况下引导所施加的扭矩的大部分基本垂直于紧固件半径。
直壁紧固件***的另一个示例是在授予Reiland的美国专利3,584,667中描述的***。该参考文献通过引用并入本文。Reiland'667专利描述了一种紧固件***，其中驱动表面的几何形状由基本呈六边形形状排列的一系列半圆柱形表面组成。Reiland紧固件***通常称为六角花形(hex-lobular)(或六叶形(hexalobular))，并且具有与紧固件的轴线平行的驱动表面。
尽管直壁紧固件在许多应用中被成功地普遍使用，但是由于在改锥和紧固件之间的轴向未对准，它们会遇到困难。另外，已经难以获得提供贴合配合特征的可靠的摩擦接合。期望一种贴合配合特征以在开始安装紧固件的同时将紧固件在对准中保持在改锥上。这在使用动力驱动批头向紧固件施加扭矩的大容量组装线操作中是尤其有用的。随着紧固件长度延长，轴向对准和贴合配合也是重要的。
在使用直壁驱动***的许多应用中，改锥可以是动力驱动的，或者要求被***受限访问的位置中或要求借助机器人工具。在此类情况下，需要在安装之前将紧固件可释放地接合在改锥上，使得改锥可以用作***工具以及改锥。在这些应用中，将改锥***紧固件中以建立“贴合配合”。对于贴合配合而言，在改锥和紧固件之间的保持力足以将紧固件保持到改锥并且当改锥移动到适当位置中时足以将紧固件***工件中。在紧固件***工件中之后，在移除改锥时，由工件施加在紧固件上的力足以释放贴合配合。这种“贴合配合”特征已经在几种不同类型的紧固件中例如在具有十字架状(十字形几何形状)的紧固件/改锥***中进行尝试，在美国专利4,084,478(Simmons)和4,457,654(Sygnator)中示出了几种。在美国专利6,199,455(Wagner)中示出具有方形驱动几何形状的紧固件***。观察到，贴合配合努力专注于驱动表面。
在美国公开号2016/0305462(Wunderlich)和美国专利8,955,417(Stiebitz)中示出具有倾斜表面和匹配改锥的六个凸角状凹部。在Wunderlich和Stiebitz中，凹部凸角的内半径由倾斜表面隔开，所述倾斜表面与在特定的匹配改锥中的倾斜表面相对应。观察到，该构型没有公开贴合配合摩擦界面。
美国专利5,509,334(Shinjo'334)和美国专利5,435,680(Schuster)示出具有倾斜表面和匹配改锥的另外六个凸角状凹部。在Shinjo'334和Schuster中，凹部凸角的内半径由倾斜表面隔开，所述倾斜表面与在特定的匹配改锥中的相对应倾斜表面匹配。观察到，这些构型教导与改锥和凹部的紧密接合，但是没有公开如上所述的贴合配合。
在美国专利5,219,253(Shinjo‘253)中示出类似的但八个角的凹部。它也具有未公开贴合配合的构型。
“贴合配合”特征允许紧固件可释放地接合在改锥上，以使得能够在难以到达的、自动化的和其它应用中使改锥和紧固件作为一单元而操纵。一旦被安装，紧固件和改锥可以用最小的努力而脱离。
参考文献Larson(美国专利4,269,246)令人感兴趣之处在于，它采用了部分渐缩的改锥来增强接合。在Larson中，改锥凹槽(flutes)的内半径被设置为平行于改锥的轴线，而凸角的顶部朝着尖端向内渐缩。其明确的目的是避免批头和凹部之间的过早干涉。观察到，该构型导致改锥和凹槽之间沿圆周方向和轴向方向两者进行线接触，并且将不增强稳定性或摩擦接合。
还令人感兴趣的是参考Goss的美国专利5,461,952。在Goss中，改锥的后侧壁被渐缩，以提供逐渐增厚的凸角几何形状，其在驱动表面上产生摩擦接合。由于只有一个侧壁是渐缩的，所以与直边驱动表面的接合变成圆周线接触。同样，仅重新配置该批头。这是因为不愿更改凹部的几何形状，如这将导致与现有改锥的兼容性丧失。向后兼容性是在任何改进的紧固件***(尤其直壁***)中的设计优势。
在通常与本申请共同拥有的参考文献Dilling的美国专利7,293,949中描述了一种被配置为在直壁紧固件中提供贴合配合的紧固件***。在Dilling'949专利中，干涉表面被构造在紧固件凹部的翼部之间的内部非驱动过渡面上。然而，已经发现，期望的是在增加稳定性的情况下进行甚至更多的改进。当紧固件凹部不均匀时，增加的稳定性是尤其有用的。由于多种原因，会出现不均匀性。示例包括但不限于在制造期间的机器公差、非均匀的镀层、非均匀的涂层、在紧固件***后的涂漆、或在***或先前的安装或移除周期期间的变形。
将期望的是提供对凹入的头部紧固件和改锥的改进，通过这些改进可以减少或消除前述和其它困难并且提高稳定性。
发明内容
本文描述的各种实施例提供了一种具有直壁驱动表面的紧固件***，所述紧固件***提供了可靠的贴合配合特征，同时还改进了***部件之间的接合稳定性。新***的重要特征是允许将现有的标准直壁改锥接合在该新***中。为了实现该目的，以下描述了新凹部、新凹部和改锥***、用于形成凹部的新冲头以及它们每个的使用方法。
期望一种贴合配合特征以在开始安装紧固件的同时将紧固件在对准中保持在改锥上。这在使用动力驱动批头向紧固件施加扭矩的大容量组装线操作中是尤其有用的。随着紧固件长度延长，轴向对准和贴合配合也是重要的。
本申请的直壁紧固件***通常被构造成具有凹部和改锥，所述凹部具有从中心轴线径向向外延伸的多个翼部，所述改锥具有与所述凹部的翼部啮合的匹配的多个凸角。翼部和凸角中的每个都具有从动表面，所述从动表面依据所施加的扭矩的方向由安装表面和移除表面组成。这些驱动表面被构造成与紧固件***的中心轴线基本成平行对准的关系。同一翼部或凸角的相邻的安装和移除表面由非驱动的翼部外端壁在外半径处隔开。由外半径形成的直径在本文中将被称为“A”尺寸，如图所示。相邻的翼部由非驱动的过渡轮廓在内半径处隔开。由内半径形成的直径在本文中将被称为“B”尺寸，如图所示。
为了产生过盈配合和提供贴合配合，在凹部翼部的“B”尺寸表面上形成有在过渡轮廓中形成的楔形部以呈现渐缩的界面表面。凹部相对于标准直壁凹部在“B”尺寸上变窄，以提供标准直壁改锥的接合。在另一方面中，“A”尺寸也被扩大以提供与其它标准直壁改锥的额外兼容性。技术人员将理解，本文中对“标准”改锥和凹部的参考是指在相关市场中流行的行业公认的尺寸。以下参考标准凹部和改锥的某些特定示例。所述的凹部提供向后能力，从而允许在本申请的凹部中使用标准改锥。
为了形成改锥和紧固件的啮合的界面，凹部翼部过渡轮廓向内渐缩。所述界面从靠近凹部的顶部径向向内地渐缩，以靠近凹部的底部。
渐缩的界面表面为改锥提供稳定性，以防止不适当的对准。当凹部和改锥不适当地对准时，所述啮合会引起局部区域承受较高应力并且引起更严重不稳定的轴向对准。这种局部的较高应力可以导致凹部塑性地变形，这形成斜坡或其它变形部，从而导致改锥过早地、意外地从凹部脱离和/或损坏改锥。
局部的较高应力会由许多因素造成的，例如，凹部的设计、紧固件或改锥的制造中的不一致以及在现场遇到的困难。现场遇到的困难会包括，例如，由于可能已经收集在凹部中的油漆或其它碎屑、改锥和紧固件的未对准或者无法将改锥完全落座在凹部中。即使是在改锥与紧固件之间的轻微未对准，或者紧固件或改锥与设计规格的差异也会导致改锥与紧固件之间的接触面积显著减小，从而在许多情况下导致改锥和紧固件的若干部分的接近点状的接触。在此类情况下施加较高扭矩必然导致改锥和凹部的材料中的集中应力，这进而可以通过塑性变形或破裂而导致所述材料的失效。即使凹部和改锥的接合表面的轻微塑性变形也会对***性能产生不利影响。如果凹部变形到限定从竖向方向倾斜的斜坡状表面，则改锥可以在所施加的负载的影响下滑脱凹部。这种滑脱是不期望的，不仅因为它导致改锥和凹部的过早或不可控制的脱离，而且因为突然脱离的改锥可以滑到工件上并损坏工件。另外，在驱动紧固件时改锥刮片中的过大应力可以致使刮片变形，使得减小与紧固件接触的表面积并且高效地使接触区域径向向内移动，由此减小改锥-凹部接合的高效性并且提高故障的风险。
本申请的公开内容提供了一种紧固件，所述紧固件具有柄部和在所述柄部的端部处的头部，所述柄部具有中心纵向轴线，所述头部具有定中心在所述轴线上的凹部，所述凹部具有从所述轴线向外辐射的多个翼部，所述凹部具有凹部外半径，所述凹部外半径由从所述轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定，所述翼部中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，所述翼部驱动表面被构造成与所述中心纵向轴线基本平行对准。在本公开的一个方面中，相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分。在本公开的另一方面中，在所述过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述凹部的顶部的所述界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述凹部的底部的所述界面表面的底部处的较窄处。而且，在本公开的又一方面中，界面表面被定位成在所述界面表面的所述底部处与凹部轴线相距根部径向距离，所述根部径向距离限定凹部内半径，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述顶部处与所述轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述底部径向距离。而且，在本公开的又一方面中，所述凹部内半径与所述凹部外半径之比为约0.60至约0.65。
在另一方面中，界面表面是非驱动表面。在又一方面中，所述界面表面是凹形的，其曲率半径等于从所述轴线到所述界面表面的径向距离。而且，在又一方面中，所述界面表面是凹形的，其曲率半径大于从所述轴线到所述界面表面的径向距离。在又一方面中，界面表面是凹形的，并且所述界面表面的每个部分都被定位成在所述界面表面边缘处的径向距离大于或等于从所述轴线到所述过渡轮廓的径向距离。在一个特定方面中，所述凹部是六叶形的。在另一方面中，所述界面表面相对于所述轴线以一角度渐缩，所述角度是在约半度(0.5°)至约十二度(12°)的范围内，并且优选地在约四度(4°)至约八度(8°)的范围内，并且更优选地约六度(6°)。
在本公开的一个方面中，所述紧固件头部的驱动表面被构造成在啮合的接合中接收改锥批头端部的驱动表面。在另一方面中，渐缩的界面表面被构造成与改锥批头端部形成摩擦接合。而且，在又一方面中，所述凹部界面表面是凹形的，其曲率半径大于在所述界面摩擦地接合凸角处的凸角的曲率半径。而且，在又一方面中，渐缩的界面表面被构造成在凹部的下部中在界面表面边缘处与改锥批头端部形成摩擦接合。
在本公开的一个方面中，在每对相邻的翼部之间形成渐缩的界面表面。在本公开的另一方面中，在所有成对的相邻的翼部的子集之间形成渐缩的界面表面。而且，在本公开的另一方面中，围绕所述凹部对称地间隔有多个渐缩的界面表面。
本公开还提供一种紧固件***，所述紧固件***包括紧固件，所述紧固件具有柄部和在所述柄部的端部处的头部，所述柄部具有中心柄部纵向轴线，所述头部具有定中心在所述柄部轴线上的凹部，所述凹部具有从所述柄部轴线向外辐射的多个翼部，所述凹部具有凹部外半径，所述凹部外半径由从所述柄部轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定，所述翼部中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，所述翼部驱动表面被构造成与所述柄部纵向轴线基本平行对准，相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分。在本公开的另一方面中，在所述过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的凹部界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述凹部的顶部的所述界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述凹部的底部的所述界面表面的底部处的较窄处，并且所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述底部处与所述柄部轴线相距根部径向距离，所述根部径向距离限定凹部内半径，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述顶部处与所述柄部轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述底部径向距离。在本公开的又一方面中，所述***包括具有批头端部的改锥，所述改锥具有中心改锥纵向轴线，并且所述批头端部被构造成具有中心部分和从所述中心部分向外辐射的多个凸角，所述凸角中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，相邻的凸角的安装驱动表面和移除驱动表面由过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述凸角的径向最靠内部分并且呈现改锥界面表面，并且其中，所述凸角的表面被构造成与改锥纵向轴线平行对准。在本公开的又一方面中，所述凹部适于接收所述批头端部，并且所述紧固件头部的驱动表面被构造成在啮合的接合中接收所述改锥批头端部的驱动表面，并且所述凹部和改锥界面表面被构造成当所述紧固件头部和改锥批头端部处于所述啮合的接合中时形成摩擦接合。
在本公开的一个特定方面中，在所述紧固件***中，所述凹部内半径与所述凹部外半径之比为约0.60至约0.65。
本公开还提供一种用于形成凹入的头部紧固件的头部端部的冲头。在本公开的一个方面中，所述冲头包括：主体，所述主体具有被配置为形成和限定所述头部的外部轮廓的面；尖头(nib)，所述尖头与所述主体成一体并且从所述面延伸，所述尖头具有中心纵向轴线，其中，所述尖头被构造成具有中心部分和从所述中心部分向外辐射的多个翼部，所述尖头具有由从所述轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定的尖头外半径，所述翼部中的每个都具有被配置为形成安装驱动表面和移除驱动表面的表面，相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡部隔开，所述轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分，并且其中，所述驱动表面被构造成与所述中心纵向轴线基本平行对准，并且在所述过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述尖头的顶部的所述界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述尖头的底部的所述界面表面的底部处的较窄处，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述底部处与所述轴线相距根部径向距离，所述根部径向距离限定凹部内半径，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述顶部处与所述轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述底部径向距离。在本公开的一个方面中，所述凹部内半径与所述凹部外半径之比为约0.60至约0.65。
本公开还提供一种形成螺纹紧固件的方法，所述螺纹紧固件具有形成在其端部处的可与改锥接合的凹部，所述方法包括使用冲头形成所述凹部，所述冲头包括：主体，所述主体具有被配置为形成和限定所述头部的外部轮廓的面；尖头，所述尖头与所述主体成一体并且从所述面延伸，所述尖头具有中心纵向轴线，其中，所述尖头被构造成具有中心部分和从所述中心部分向外辐射的多个翼部，所述尖头具有由从所述轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定的尖头外半径，所述翼部中的每个都具有被配置为形成安装驱动表面和移除驱动表面的表面，相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡部隔开，所述轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分，并且其中，所述驱动表面被构造成与所述中心纵向轴线基本平行对准，并且在所述过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述尖头的顶部的所述界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述尖头的底部的所述界面表面的底部处的较窄处，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述底部处与所述轴线相距根部径向距离，所述根部径向距离限定凹部内半径，所述界面表面被定位成在所述界面表面的所述顶部处与所述轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述底部径向距离。在本公开的另一个方面中，所述凹部内半径与所述凹部外半径之比为约0.60至约0.65。
本公开还提供一种紧固件，所述紧固件具有头部和柄部，所述柄部具有中心纵向轴线，其中，所述头部被构造成具有中心部分和从所述中心部分向外辐射的多个翼部，所述翼部中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，所述安装驱动表面和所述移除驱动表面由非驱动的过渡轮廓隔开，所述非驱动的过渡轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分，并且其中，所述驱动表面被构造成与所述紧固件的中心纵向轴线基本平行对准，并且在所述紧固件翼部的非驱动的过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面。
从以下本申请的实施例的详细描述和附图，将更清楚地理解这些以及其它特征和优点。
附图说明
图1是根据所公开的实施例的示例性紧固件凹部的透视图。
图2是图1的凹部的俯视图。
图3是沿着图2的剖面线III-III截取的视图。
图4是标准凹部的俯视图。
图5是示出与图4的凹部轮廓重叠的图2的凹部轮廓的示意图。
图6是图5的细节VI的放大图。
图7是与标准凹部啮合的标准改锥的俯视图。
图8是沿着图7的剖面线VIII-VIII截取的视图。
图9是与根据所公开的实施例的示例性凹部啮合的标准改锥的俯视图。
图10是沿着图9的剖面线X-X截取的视图。
图11是与根据所公开的实施例的示例性凹部啮合的标准改锥的俯视图。
图12是沿着图11的剖面线XII-XII截取的视图。
图13是根据所公开的实施例的示例性冲头的透视图。
图14是图13的冲头的端视图。
图15是图13的冲头的侧视图。
图16是沿着图14的剖面线XVI-XVI截取的视图。
图17是根据所公开的实施例的示例性紧固件凹部的透视图。
图18是根据所公开的实施例的示例性紧固件凸部的透视图。
图19是根据所公开的实施例的示例性紧固件凹部的剖视图。
图20是根据所公开的实施例的恒定间隙螺旋的极坐标图。
图21是示出在根据所公开的实施例的改锥和凹部之间的力平衡的力图。
图22是示出在现有技术的改锥和凹部之间的力平衡的力图。
图23是根据所公开的实施例的示例性紧固件凸部的透视图。
图24是在图23中所示的凹部的平面图。
图25是根据所公开的实施例的示例性紧固件凸部的透视图。
图26是在图25中所示的凸部的平面图。
具体实施方式
尽管将参考附图中所示的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明可以具有可替代的形式。另外，可以使用任何合适的尺寸、形状或类型的元件或材料。在整个说明书中，相似的附图标记在所有附图中指代相似的特征。
现在参照图1至图3，示出了根据示例性实施例的紧固件凹部。紧固件20包括具有中心纵向轴线26的柄部24。在柄部24的端部25处定位有头部22。头部22具有以轴线26为中心的六个凸角状星形凹部40。凹部40具有从轴线26向外辐射的六个翼部42。凹部40具有凹部外半径57，其由从轴线26到翼部的最外范围的径向距离限定。翼部42中的每个都具有由翼部外端壁41隔开的安装驱动表面43和移除驱动表面44(统称为驱动壁)。翼部驱动表面43、44被构造成与中心纵向轴线26基本平行对准。
相邻的翼部42的安装驱动表面43和移除驱动表面44由相应的过渡轮廓45隔开，所述过渡轮廓形成翼部42的径向最靠内部分。在该过渡轮廓中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面50。界面表面50是非驱动表面。每个界面表面50都具有顶部51、底部52和一对相对的边缘53、55。每个相对的边缘53、55都产生从每个安装和移除表面到界面表面的过渡部。将在下面讨论边缘53、55的优点。界面表面的宽度58从在示出为靠近凹部40的顶部48的界面表面的顶部51处的较宽处渐缩至在示出为靠近凹处40的底部46的界面表面的底部52处的较窄处。
凹部延伸到头部22中而到达凹部底部46，所述凹部底部46可以包括底部斜切锥形49，所述底部斜切锥形49从界面表面50和驱动壁43、44的底部及翼部外端壁41过渡到凹部底部46。从头部顶表面21到凹部的顶部48过渡有顶部斜切锥形47。然而，可替代的实施例可以不包括顶部斜切锥形47。应当注意到，在可替代的实施例中，界面表面的顶部51和底部52不必分别靠近凹部40的顶部48和底部46。在这样的实施例中，每个界面表面的顶部51和底部52可以分别与凹部的顶部48和底部46偏移。
界面表面50被定位成在界面表面的底部52处与轴线26相距根部(或底部)径向距离56。根部径向距离限定凹部内半径56。界面表面50被定位成在界面表面的顶部51处与轴线26相距顶部径向距离59。顶部径向距离59大于凹部内半径(根部或底部径向距离)56。凹部内半径56与凹部外半径57之比为约0.60至约0.65。在另一个示例中，凹部内半径56与凹部外半径57之比为0.60至0.65。在一个示例中，凹部内半径56与凹部外半径57之比为约为0.64，并且在另一示例中凹部内半径56与凹部外半径57之比为等于0.64。
在一个示例中，渐缩的界面表面50相对于轴线26是凹形的。然而，渐缩的界面表面也可以是平坦的。倘若形成有边缘53、55，则渐缩的界面表面50也可以是可替代的形状。在一个特定的凹形构型中，渐缩的界面表面50的曲率半径等于从轴线26到界面表面50的径向距离。也就是说，渐缩的界面表面50的曲率半径从界面50的顶部51到界面表面50的底部52减小。在可替代的实施例中，凹形的渐缩的界面表面50的曲率半径大于从轴线到界面表面的距离。在另一个可替代的实施例中，凹形的界面表面的每个部分都被定位成在界面表面边缘53、55处的径向距离大于或等于从轴线26到过渡轮廓45的径向距离。
界面表面50相对于轴线26以从约半度(0.5°)至约十二度(12°)的锥角54(图3)渐缩。在一个特定实施例中，锥角54优选地为约四度(4°)至约八度(8°)，并且更优选地为约六度(6°)。
图1至图3示出在每对相邻的翼部42之间形成的渐缩的界面表面50。然而，在一些应用中，会有利的是在仅选定的对(即，过渡轮廓的子集)之间构造干涉轮廓，这理解为可能经常出现一些未对准。这在一定程度上例如在多凸角的构型中通过围绕凹部(例如，在相对的翼部对之间、在沿直径相对的翼部对之间、在每隔一对翼部之间或在三角形构型中)对称地构造干涉轮廓而是可以避免的。
图4示出现有技术的具有直壁驱动表面的标准六叶形螺纹紧固件的示例。一种示例性标准六叶形凹部(也称为
Figure BDA0002539380900000141
凹部)是根据ISO10664:2014和NAS1800(REV.4)标准制成的那些紧固件，并且这些标准中的每个均通过引用整体并入本文。标准六叶形凹部的每种尺寸都具有相对应地啮合的标准六叶形改锥。在Hughes‘795专利中描述了标准六凸角凹部和相对应的改锥的另一个示例。这些凹部中的每个在本文中将一起被称为示例性标准六凸角凹部，并且它们的相对应的改锥将被称为示例性标准六凸角改锥。
术语“直壁驱动表面”在本文中可以用于指代紧固件***，其中驱动表面与紧固件的纵向轴线基本对准，即平行。在紧固件工业中普遍认为，诸如“平行对准”之类的陈述受某些偏差公差的影响，如应理解的是这种对准受制造公差的影响，并且在实际实践中会稍有变化。具体地，图4示出示例性标准六叶形凹部，其也在Hughes‘795专利中进行描述(图2，元件30)。参照本申请的图4，具有标准六叶形凹部的紧固件***被构造成具有紧固件120和啮合的改锥批头(未示出)。紧固件120被构造成具有头部122和螺纹柄部(未示出)。在该示例中，在头部122中形成配置为六叶形的凹部140，其驱动表面与紧固件120的轴线126平行对准(直壁)。凹部140具有凹部外半径157，其由从轴线126到翼部142的最外范围的径向距离限定。相邻的翼部的安装表面143和移除表面144由过渡轮廓145隔开，并且同一翼部的安装表面143和移除表面144每个都由翼部外端壁141隔开。凹部具有凹部内半径156，其由从轴线126到过渡轮廓145的径向距离限定。例如，参见Shinjo'334、ISO 10664：2014和NASl800(REV.4)标准，标准六叶形改锥的凹部内半径156与凹部外半径157之比介于0.70至0.75之间(取决于改锥的尺寸)，其大于本申请的凹部40的凹部内半径56与凹部外半径57之比。如下面将要讨论的，示例性凹部40的较小的凹部内半径56与凹部外半径57之比引起许多有利的益处，包括改进的啮合的改锥的每个凸角的扭矩。
图5是示出与图4的凹部140(标准六叶形凹部)轮廓重叠的图2的凹部40(本申请的示例性凹部)轮廓的示意图。图6是图5的细节VI的放大图。在图5和图6中以虚线示出凹部40的轮廓，尤其界面表面50的底部52的轮廓，其中所述凹部40的轮廓与标准凹部140的轮廓重叠。尽管在该特定图示中凹部140的几何形状与上面引用的Reiland参考文献的六叶形类型的紧固件***类似，但是其仅旨在作为与标准凹部直壁凹部相比的本发明的使用的示例。当然，图5和图6并非旨在指示两个凹部可以被同时地使用，而是仅用于示出示例性凹部40特征和标准凹部140特征的相对位置。
如与凹部140的过渡轮廓145相比，凹部40的界面表面50向轴线26更近地(径向地)延伸(以虚线示出界面表面50的底部52)。因此，凹部140的内半径156(图4)大于凹部40的内半径56(图2)。另外，如与凹部140的过渡翼部外壁141相比，凹部40的翼部外壁41从轴线26更远地(径向地)延伸。因此，凹部140的外半径157(图4)小于凹部40的外半径57(图2)。这些特征中的每个，即，较小的内半径56和较大的外半径57引起增大的驱动壁，并且提供改进的每个凸角的改锥至凹部的驱动扭矩。下面将参照图9讨论该特征。
图7示出与标准六叶形凹部140啮合的标准六叶形改锥220的俯视图。改锥220具有批头端部，其以剖视图示出。该改锥和批头端部将一起被称为改锥220。改锥220包括与标准凹部140的那些特征匹配的特征，包括例如中心纵向轴线226、中心部分以及从该中心部分向外辐射的多个凸角242，所述多个凸角242与凹部翼部142匹配。多个凸角242中的每个都具有相对应的安装表面243和移除表面244。另外，改锥220还包括位于相邻的凸角242之间的过渡轮廓245和位于同一凸角242的安装表面243和移除表面244之间的凸角外端壁241。凸角242的表面中的每个都被构造成与改锥纵向轴线226平行对准。
如上所述，并且实际上，为了使标准六叶形改锥220能够***标准六叶形凹部140中，在两者之间必须有一定的间隙250。该间隙围绕改锥220的圆周是相同的。
图8是沿着图7的剖面线VIII-VIII截取的视图。除了均具有直驱动壁的标准六叶形改锥220和标准六叶形凹部140之外，凹部过渡轮廓145和改锥过渡轮廓245中的每个都是直壁的，即，它们中的每个都相对于轴线125是平行的(在加工公差内)。因此，倘若标准改锥220与标准凹部140共轴并且将未增强改锥/凹部接合的稳定性或摩擦接合，则间隙250保持恒定。尽管间隙250允许标准改锥220容易地***标准凹部140中，但是改锥220容易意外地在凹部140中未对准或摇摆(轴线226不与轴线126对准)。摇摆有助于力在局部区域中集中在螺钉头部上，从而带来较高的局部应力且不稳定的对准。这种较高的局部应力可以使凹部塑性地变形，形成斜坡或其它变形部，从而引起改锥过早地、意外地从凹部脱离，并且导致滑脱和改锥/凹部损坏。
图9示出与示例性凹部40啮合接合的相同的标准六叶形改锥220。示例性凹部40被配置为在啮合的接合中接收与上述六叶形凹部标准相对应制成的任何改锥。如图2中所示，凹部40被构造成具有渐缩的干涉表面50，其形成在凹部过渡轮廓45的“B”尺寸表面中。如前所述，凹部40的内半径56(图2)小于标准六叶形凹部的内半径156(图4)。这是由于渐缩的界面表面/楔形部50朝向轴线26渐缩。此外，凹部内半径56小于顶部径向距离59。
凹部相对于标准六叶形凹部140(图7)变窄，以便当紧固件20和改锥220处于啮合的接合中时提供摩擦接合。改锥220的内半径256大于凹部内半径56并且小于顶部径向距离59，从而在界面区域302、304处产生负间隙，即，干涉，如下所述。如图所示，“A”尺寸也相对于标准六叶形凹部140(图7)扩大，以便允许与其它标准六凸角改锥(例如，在Hughes‘795专利中描述的那些)有更大的兼容性。然而，在可替代的实施例中，仅“B”尺寸变窄并且“A”尺寸被保持为用于图4所示的类型的紧固件的标准凹部尺寸，这可以改进标准六叶形改锥的对准的稳定性，但以额外的兼容性为代价。
继续参照图9和图10，渐缩的界面表面50被构造成在边缘53、55处提供显著的摩擦接合(“贴合配合”)，从而引起两个分离的界面区域302、304。因为相对的边缘53、55是在从每个安装表面和移除表面到界面表面的过渡处，所以在***改锥时要求较少的材料变形来获得足够的贴合配合。在凹部的下部分中的接触还提供较小的接触面积，这也改进了贴合配合。通过在每个界面表面50处提供两个稳定性的点，两个界面区域302、304增加了凹部40和改锥220之间的接触的稳定性，从而改进了轴向对准并且降低了滑脱的风险。通过具有如与单个线或表面接触相对的两个界面区域，提供了更好的稳定性。在直壁过渡轮廓245与渐缩的界面表面50接触的地方产生了贴合配合。应当注意到，倘若在界面区域302、304处有足够的接触，则在改锥壁中的一些倾斜仍然可以提供足够的贴合配合。改进的示例性凹部40的贴合配合将增大将紧固件施加到工件的速度以及减少滑脱和改锥/凹部损坏。贴合配合的程度可以在凹部的制造过程中通过调整锥角54来调整。依据标准六凸角改锥的特定构型，每个界面区域302、304都可以是沿着边缘53、55的点接触和线接触的各种组合。无论接触的类型如何，在每个渐缩的界面表面50与改锥过渡轮廓245之间存在两个界面区域302、304。通过帮助使改锥在凹部内的摇摆最小化，与现有技术的凹部相比，两个界面区域302、304为改锥批头与凹部的啮合的接合提供了增加的稳定性，从而大大改进了凸角与翼部的轴向对准和接合。当紧固件20不均匀时，这是尤其有用的。由于多种原因，会出现不均匀性。示例包括但不限于在制造期间的机器公差、非均匀的镀层、非均匀的涂层、在紧固件***后的涂漆、或在***或先前的安装或移除周期期间的变形。示例性涂层包括但不限于电镀锌&透明、电镀锌&黄色、电镀锌&蜡、机械锌&透明、机械锌&黄色、黑色磷酸盐、黑色磷酸盐和油、油、蜡、镍、镉&蜡、热浸镀锌、达克锈(dacrotizing)。应当注意到，在一些示例中，例如，当改锥和紧固件未完全轴向对准时，或者由于使用中的制造公差，在每一个凹部翼部中可能没有建立两个界面区域。然而，在整个啮合的接合过程中，借助足够的界面区域仍然可以实现贴合配合和稳定性优势。
除了由在界面区域302、304处的摩擦界面所提供的增加的稳定性之外，凹部40的内半径56小于标准六叶形凹部140的内半径156。与渐缩的界面表面50结合的较小内半径56促使该渐缩的界面表面50离中心轴线226更近地接触改锥。这提供了额外的驱动壁以用于传递扭矩，如同改锥凸角接合长度310所示那样。这促使改锥凸角接合长度310与“AT”尺寸的驱动壁比为约0.15至约0.21。在一个特定实施例中，所述驱动壁比优选地为约0.17至约0.19，并且更优选为约0.18。增加的驱动壁比改进了每个凸角的批头至凹部的驱动扭矩。当与标准六叶形改锥啮合时，与根据六叶形凹部标准利用0.11的驱动壁比的标准六凸角凹部相比，该增大的驱动壁比是一个优势。
图10是沿着图9的剖面线X-X截取的、通过沿直径相对的界面区域302的视图。该图示出在凹部的下部中发生了在界面区域302处在改锥批头端部与渐缩的界面表面50之间的摩擦接合。在可替代的实施例中，在凹部的下三分之一中在界面区域304处出现渐缩的界面表面50。在啮合时在改锥220和凹部40之间提供了较小间隙310，以确保在界面区域302、304处接触而不是触底接触，来允许在凹部的底部中有用于电镀积聚的间隙，并且也防止损坏改锥220尖端。
图11至图12示出与凹部40啮合接合的另一个标准六凸角改锥420，即，在Hughes‘795专利中描述的六凸角改锥。因为凹部40的改进的构型，紧固件20能够提供与多个六凸角改锥的啮合接合，包括Hughes‘795专利改锥。改锥420包括中心纵向轴线426、中心部分以及从该中心部分向外辐射的多个凸角442。相邻的凸角442由过渡轮廓445隔开。如与标准六叶形改锥220相比并且如在Hughes‘795专利中所描述的，凸角442已经在相对的凸角外端壁441之间的“AH”尺寸上扩展。
改锥420的内半径456大于凹部内半径56(图2)并且小于顶部径向距离59(图2至图3)，在界面区域402、404处产生负间隙，即，干涉。改锥420与凹部40的啮合的接合提供了与参照图9和图10所述的那些优点类似的优点，包括但不限于减少的摇摆和增大的驱动壁比，其改进了每个凸角的批头至凹部的驱动扭矩。图12是沿着图11的剖面线XII-XII截取的、通过沿直径相对的界面区域402的视图。该图示出在凹部的下部中发生了在界面区域402处在改锥批头端部与渐缩的界面表面50之间的摩擦接合。在可替代的实施例中，在凹部的下三分之一中在界面区域304处出现渐缩的界面表面50。出于参照图10所讨论的相同原因，在啮合时在改锥220和凹部40之间提供较小间隙410。
上述特征可以以类似的结果应用于其它直壁紧固件***。作为另一个实施例，可以通过在相对的“B”尺寸过渡轮廓上构造渐缩的界面表面/楔形部来改进所引用的标准螺旋改锥专利的螺旋驱动***。
例如，在表1中示出的是分别在翼部的最靠外部分处和在过渡轮廓处以英寸为单位的示例“A”尺寸和“B”尺寸。此类改锥和相对应的凹部可以根据SAE国际标准AS6305(于2017年1月发布)形成，并且可从Phillips Screw CompanyTM在驱动***
Figure BDA0002539380900000201
螺旋下购得。SAE国际标准AS6305(于2017年1月发布)整体通过引用并入本文。
表1：
Figure BDA0002539380900000202
本申请的凹部可以在常规的两冲镦头机(two-blow header machine)中制造。典型地，冲头将被形成为包括主体和尖头，所述主体和尖头适于形成具有所公开的相对应凹部的紧固件的头部(图1至图3和图9至图11)。可以根据常规的冲头形成技术例如使用滚齿模具(hobbing dies)来形成冲头。还可以使用常规的技术，例如通过用一个或多个成形模具冲压改锥毛坯以形成期望形状的翼部，或者通过使用异形铣刀来铣削改锥批头，来制造根据本发明的改锥。
参照图13至图16，所公开的示例性凹部可以由镦头冲头形成，所述镦头冲头适于形成具有所公开的相对应凹部的紧固件的头部。凹部可以在例如两冲镦头机中通过常规的镦头技术形成。图13至图16示出被配置为形成示例性公开的凹部40的冲头520。冲头是与相对于图1至图3和图9至图11描述的凹部40实施例的负形相对应的正形。因此，参考所公开的冲头520描述的特征和尺寸也适用于相对应的凹部40特征和实施例，并且反之亦然。
冲头包括具有面(未示出)的主体部分(未示出)和从该面突出的成一体的尖头540。尖头540是凹部的形状的互补，并且冲头的面具有与预期的螺钉头部的形状互补的形状，其在图3中示出为扁平头部。尖头540包括顶部斜切锥形形成部分547，其具有斜切角564。尖头540具有以轴线526为中心的六凸角星状构型。尖头540具有从轴线526向外辐射的六个翼部形成部分542。尖头540具有尖头外半径557，其由从轴线526到翼部形成部分542的最外范围的径向距离限定。翼部形成部分542中的每个都具有由翼部外端壁形成部分541隔开的安装驱动表面形成部分543和移除驱动表面形成部分544(统称为驱动壁形成部分)。翼部外端壁形成部分541具有深度566。翼部驱动表面形成部分543、544被构造成与中心纵向轴线526基本平行对准。
相邻的翼部形成部分542的安装驱动表面形成部分543和移除驱动表面形成部分544由相应的过渡轮廓形成部分545隔开，所述过渡轮廓形成部分形成翼部形成部分542的径向最靠内部分。在过渡轮廓形成部分545中形成楔形部形成部分，以呈现渐缩的界面表面形成部分550。界面表面形成部分550形成非驱动表面。界面表面形成部分550的位置的额外好处是，如与例如以“A”尺寸形成凹部相比，例如，Hughes‘795专利的凹部，界面表面50更容易用冲头以“B”尺寸形成。在“B”尺寸上形成界面表面使得在制造过程中将冲掉翼部外部的材料的风险较小。
每个界面表面形成部分550都具有顶部形成部分551、底部形成部分552和一对相对的边缘形成部分553、555。以上参考凹部40的相对的边缘53和55讨论了边缘形成部分553、555的优点。此外，因为边缘53和55渐缩至靠近凹部40的底部46的点，所以在该示例中，通过边缘形成部分553、555，冲头520能够移除更多的材料并且使形成凹部的过程更为高效。界面表面形成部分550的宽度558从在示出为靠近凹部540的顶部形成部分548的界面表面的顶部形成部分551处的较宽处渐缩至在示出为靠近凹部540的底部形成部分546的界面表面形成部分550的底部形成部分552处的较窄处。
尖头540延伸到凹部底部形成部分546，所述凹部底部形成部分546可以包括底部斜切锥形形成部分549，其从界面表面形成部分550和驱动壁形成部分543、544的底部形成部分及翼部外端壁形成部分541过渡到凹部底部形成部分546。底部斜切锥形形成部分具有斜切角562。从凹部的主体部分顶部形成部分548过渡有顶部斜切锥形形成部分547。然而，可替代的实施例可以不包括顶部斜切锥形形成部分547。应当注意到，在可替代的实施例中，界面表面形成部分的顶部形成部分551和底部形成部分552不必分别靠近凹部形成部分540的顶部形成部分548和底部形成部分546。在这样的实施例中，每个界面表面形成部分的顶部形成部分551和底部形成部分552都可以分别与凹部形成部分的顶部形成部分548和底部形成部分546偏移。
界面表面形成部分550被定位成在界面表面形成部分550的底部形成部分552处与轴线526相距根部(或底部)径向距离556。根部径向距离556限定凹部形成部分内半径556。界面表面形成部分550被定位成在界面表面形成部分550的顶部形成部分551处与轴线526相距顶部形成部分径向距离559。顶部形成部分径向距离559大于凹部形成部分内半径(根部或底部径向距离)556。凹部形成部分内半径556与尖头外半径557之比为约0.60至约0.65。在一个示例中，凹部形成部分内半径556与尖头外半径557之比为约0.64，并且在另一示例中，凹部形成部分内半径556与尖头外半径557之比等于0.64。
渐缩的界面表面形成部分550相对于轴线526是凹形的。然而，渐缩的界面表面形成部分550也可以是平坦的。倘若形成有边缘形成部分553、555，则渐缩的界面表面形成部分550也可以是可替代的形状。在一个特定的凹形构型中，渐缩的界面表面形成部分550的曲率半径等于从轴线26到界面表面形成部分550的径向距离。也就是说，渐缩的界面表面形成部分550的曲率半径从界面形成部分550的顶部形成部分551到界面形成部分550的底部形成部分552减小。在可替代的实施例中，凹形的渐缩的界面表面形成部分550的曲率半径是恒定的并且等于顶部形成部分径向距离559。在另一个可替代的实施例中，凹形的界面表面形成部分550的每个部分都被定位成在界面表面边缘形成部分553、555处的径向距离大于或等于从轴线26到过渡轮廓形成部分545的径向距离。
界面表面形成部分550相对于轴线26以从约半度(0.5°)至约十二度(12°)的角渐缩。在一个特定实施例中，界面表面形成部分550优选地以从约四度(4°)至约八度(8°)并且更优选地约六度(6°)的锥角554(图3)渐缩。
图13至图16示出在每对相邻的翼部形成部分542之间形成的渐缩的界面表面形成部分550。然而，在一些应用中，会有利的是在仅选定的对(即，过渡轮廓的子集)之间构造干涉轮廓，这理解为可能经常出现一些未对准。这在一定程度上例如在多凸角的构型中通过围绕凹部(例如，在相对的翼部对之间、在沿直径相对的翼部对之间、在每隔一对翼部之间或在三角形构型中)对称地构造干涉轮廓而是可以避免的。
螺纹紧固件形成为具有可与改锥接合的凹部，如同凹部40(图1至图3)那样，即，所述可与改锥接合的凹部通过机械地形成头部和凹部来与如上所述的相对应的标准六凸角改锥啮合。头部22可以在常规的两冲镦头机中形成，在所述常规的两冲镦头机中将制成紧固件的金属丝或其它材料的端部支撑在镦头机的模具中，并且其头部端部首先用部分地形成头部的冲头冲击，然后用精加工冲头冲击，如同参照图12至图15描述的那些那样，所述精加工冲头完成了头部并且形成了可与改锥接合的凹部。紧固件的一般制造是众所周知的，并且在本申请中将不进一步描述。可以使用各种这样的众所周知的方法来构建本主题。
图17至图26各自示出在各种螺旋驱动紧固件***中实现的渐缩的界面表面/楔形部的各种实施例(例如，在Stacy'645和Dilling'274专利中讨论的螺旋驱动紧固件和改锥)，并且被修改为包括上述的渐缩的界面表面/楔形部。下面将更加详细地讨论它们中的每个。
参照图17，根据一个示例性实施例，示出了紧固件620和改锥621的一部分。为了清楚起见，省略了紧固件620和改锥621的其余部分。紧固件620包括凹部640和多个翼部642。每个翼部642都包括呈螺旋构型的安装表面643和移除表面644，所述安装表面643和移除表面644中的每个都由过渡翼部外壁641隔开。改锥621被构造成具有螺旋地构型的驱动表面，其与紧固件凹部640的相对应表面啮合，同时建立如上所述的贴合配合。与现有技术的螺旋地构型的紧固件类似，翼部的总体形状和数量可以与所示的示例不同。凹部640和改锥621的总体形状是类似的，除了改锥621的翼部比凹部640的相对应翼部642小以在改锥和紧固件之间提供间隙来促进改锥621与凹部640接合和从凹部640移除以外。另外，改锥批头安装壁和移除壁与相对应的凹部壁略有不同，所以批头的旋转将在移除壁和安装壁两者上提供完全的面对面的接合。如上所述，改锥/紧固件界面表面在安装表面和移除表面两者上被构造在螺旋段的一般形状中。
过渡轮廓645在相邻的翼部的安装表面和移除表面之间延伸。在过渡轮廓645中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面650。渐缩的界面表面650以相同的方式构型，并且为凹部640提供上述的渐缩的界面表面50(图1)的优点。
图18示出如同图17的紧固件620和改锥621的组合那样的紧固件720和改锥721的组合，除了在图18的示例性实施例中，“凹部”处于改锥中，其在此将被称为插槽或改锥插槽739。虽然图17示出在紧固件620和改锥621中的凹部640作为“正形”设计以待***凹部640“负形”中，但是在图18的实施例中，反之亦然。如图18所示，紧固件720包括凸部740，其被构造成从紧固件头部722轴向向外地延伸以用于与改锥插槽721接合。类似于凹部640(图17)，凸部740包括多个翼部742。每个翼部742都包括呈螺旋构型的安装表面743和移除表面744，所述安装表面743和移除表面744中的每个都由过渡翼部外壁741隔开。过渡轮廓745在相邻的翼部的安装表面和移除表面之间延伸。在过渡轮廓745中形成楔形部以呈现渐缩的界面表面750。渐缩的界面表面750以相同的方式构型并且为凸部740提供上述的渐缩的界面表面50的优点。应当注意到，渐缩的界面表面750被示出为延伸小于凸部740的整个高度。如先前关于渐缩的界面表面50(图1)所描述的，渐缩的界面表面可以分别与凹部/凸部的顶部和/或底部偏移。
改锥插槽721被构造有匹配的驱动表面，用于与凸部740的驱动表面接合，并且用于与渐缩的界面表面750建立界面区域，如上面关于渐缩的界面表面50(图1)所描述的。
在图19中示出两个示例性螺旋构型。螺旋凹部840(以虚线表示)例如类似于在Stacy'645专利中描述的实施例，并且高强度螺旋凹部940例如类似于在Dilling'274专利中描述的实施例和图17的实施例。参照图19描述的构型中的每个等同地适用于图17和图18的实施例以及本文公开的其它实施例中的每个。如图19中所示的这种构型也适用于紧固件凹部、凸部或它们相应的改锥，如应理解的是仅在紧固件和改锥之间提供了较小间隙以用于***和移除改锥。应当注意到，根据本公开，凹部被构造有所公开的界面表面/楔形部。例如，使得改锥批头端部在过渡轮廓(改锥“B”尺寸的一半)处具有半径，该半径大于改进的凹部的凹部根部径向距离并且小于改进的凹部顶部径向距离。为了简单起见，在图19中未示出渐缩的界面表面(例如，相对应的紧固件620和720的650、750)。
螺旋凹部840以虚线示出，其具有翼部842，所述翼部842从具有半径(R2')的芯部812向外延伸并且由安装驱动表面843和移除驱动表面844限定。如下文将进一步讨论的，参照图20，侧壁(例如，驱动表面843、844)中的至少一个限定螺旋段。
图20示出在极坐标中具有用在螺旋构型中的期望特性的理想螺旋，其原因在于所述理想螺旋可以相对于与螺纹紧固件的纵向轴线相对应的旋转轴线取向，并且当如此旋转时如通过角度θ将保持与未旋转的螺旋平行且与之间隔。如图20中所示，在位置A处指示的理想螺旋当通过角度θ旋转到在B处指示的位置时将保持与位置A的螺旋平行，但是将与位置A的螺旋间隔了在C处指示的间隙。虽然间隙C的大小将随着旋转角θ的增大而增大，对于任何给定的角θ而言，间隙C将在螺旋长度上保持恒定。恒定间隙螺旋的几何形状由以下等式定义，以极坐标表达：
Figure BDA0002539380900000261
其中：
θ＝在距旋转轴线的距离r处横过曲线的射线的旋转角度(以弧度为单位)；
Ri＝从旋转轴线至螺旋起始点测得的初始半径；以及
R＝在也从旋转轴线测得的旋转角θ处的螺旋的半径。
从前述内容，将应理解，当改锥形成有体现恒定间隙螺旋的驱动壁并且被驱动以接合凹部的螺旋壁时，改锥上的螺旋驱动壁将完全同时地接合凹部上的相对应的螺旋驱动壁。图20的极坐标图仅旨在示出理想螺旋，其中螺旋的旋转位置之间的间隙是恒定的，即，恒定间隙螺旋，使得可以将螺旋视为平行的。
根据本公开，在凹部的翼部的驱动壁上的一个或多个螺旋面被定位成使得螺旋的起始点1054与凹部的中心轴线1044径向地间隔了半径Ri。根据本发明，螺旋面的离起始点1054更近的那些部分将沿着将可旋转地驱动螺杆的方向比更向外定位的部分传递所施加的扭矩的更大部分。通过将那些螺旋面构型为与螺旋的离起始点1054更近地设置的部分相符，螺旋改锥面和可与改锥接合的凹部将最高效地传递扭矩。根据本发明，力传递壁应当被弯曲成与螺旋的从图20上的R＝1延伸到不超过约R＝3.5(在点1062处指示)且更优选地在R＝1至约R＝2的范围内延伸的部分相符。考虑到由螺旋的期望的内部部分包围的圆弧的角度方面，该角度可以包括最大约125°，更优选地约90°或更小，并且最优选地约45°或更小。
图21和图22是示出沿着接合的改锥壁和凹部壁的弯曲表面作用在任意点处的分力的力图。图21示出用于本发明的力图。图21示出改锥1034B，所述改锥1034B具有移除驱动壁1048B，所述移除驱动壁1048B沿着弯曲界面1068与凹入的紧固件头部1016B的移除壁1026B面对面地接合。图21示意性地表示当围绕螺钉的轴线1044B施加如在1070处建议的逆时针方向扭矩时的力矢量。在选定的关注点1072处，改锥1034B将力1074沿着与界面1068正交的方向施加到凹部面1026B。法向力1074分解为仅向螺钉施加扭矩的分力1076以及产生径向向外的压缩应力但未产生扭矩的另一个分力1078。另外，法向力1074导致产生沿着切线1082指向界面1068的摩擦力1080。摩擦力1080又分解为分力1084以及另一个分力1086，所述分力1084添加到扭矩分力1076，所述另一个分力1086与径向向外的分力1078相对并且相对于径向向外的分力1078减小。摩擦力1080相对于法向力1074的大小取决于摩擦系数，所述摩擦系数当然将随螺钉的表面光滑度、润滑性和材料而变化。摩擦系数可以例如在介于约0.1与0.4之间的范围内，在图21和图22的力图的发展中已经选择了0.4的摩擦系数。因此，图21示出，借助本发明的驱动壁和从动壁的几何形状，为了说明的目的而假设，甚至在较高摩擦系数下，扭矩主要由法向分力1074产生。体现本发明的紧固件的扭矩传递能力在任何显著的程度上都不取决于摩擦力的矢量分力1084。
图22是与图21的力图类似的力图，但是示出改锥-凹部弯曲界面1068’的效果，所述改锥-凹部弯曲界面1068’被取向为使得在点1072'处的弯曲界面1068’的切线1082’将被取向成更接近于与从螺钉轴线1044B’至点1072’绘制的半径垂直。这种布置的典型特点在于在Bradshaw的美国专利No.2,248,695中描述的典型特点。从图22与图21的比较，将显而易见，现有技术的构型引起螺钉头部的基本较高的径向向外的载荷(如在矢量分力1078’的长度和矢量分力1086’的长度之间的差异所证明的那样)，并且主要取决于用于产生扭矩的可变的且常常是不可预测的摩擦现象。通过比较摩擦分力1084’与分力1076’的相对贡献，在现有技术中对摩擦的依赖是显而易见的。根据前述内容，可以理解，与螺旋段的切线垂直的线将与从纵向轴线到切点的半径成一角α，该角α表示由改锥施加的力将作为扭矩传递到紧固件的程度。在本文公开的实施例中，该角α应当不小于17°，并且优选地显著大于17°。本发明的重要目的之一是提供一种驱动***，通过所述驱动***可以将较高扭矩从改锥传递至紧固件，同时降低了使螺钉头部屈服或断裂的风险，并且无需显著地依赖摩擦特性。
返回参照图19的螺旋凹部840和高强度螺旋凹部940，其中翼部842、942包括在安装方向和移除方向两个方向上的螺旋驱动壁，但是其中每个翼部中的驱动壁中的一个都具有比另一个大的扭矩能力。凹部840、940提供在移除方向上的更大的扭矩能力，这是因为移除驱动壁比安装驱动壁具有更大的弧长和相对应的面积。因为沿移除方向在更大的表面积上施加力，所以可以沿该方向施加更大的扭矩。
尽管可以借助上述的恒定间隙螺旋最高效地实施本发明，但是可以提供包含与最优选的基本恒定间隙螺旋有些不同的螺旋的***，同时仍然提供优于现有技术的显著优点。图19示出这种凹部840、940的这种示例。例如，凹部被示出为具有四个翼部842、942，每个翼部都具有移除驱动壁844、944和安装驱动壁843、943，所述移除驱动壁844、944被配置成具有恒定间隙螺旋，所述安装驱动壁843、943具有不同的螺旋构型，其被取向成将大部分的力从改锥沿扭矩产生方向引导到凹部。在一个示例中，在改锥和凹部翼部中的每个上的安装表面和移除表面的过渡轮廓845可以被形成在弧形轮廓中。
相对于高强度凹部940，观察到，高强度凹部940的横截面形状被构造成具有超过螺旋凹部840(R2’)的增大的芯部半径(R2)。总体半径R1保持不变，从而需要翼部942的高度h缩短，以便适应增大的芯部半径R2。这促使用于驱动表面的表面积减小，并且预料到性能不足。翼部942的横截面通过使安装表面943和移除表面944以并行的方式向外移动而被进一步修改，以形成具有翼部外端壁941的截短的翼部形状。翼部外端壁941被构造为符合与芯部912同心的、具有比芯部直径大的直径的圆的部段。驱动表面943和944被构造成在相邻的翼部(例如，具有过渡轮廓945d的翼部942a和942d)之间的过渡轮廓945中与芯部直径相交。过渡轮廓945具有与芯部直径相符的凹形形式。
翼部942a、942b、942c、942d分别由安装驱动表面943a、943b、943c、943d、翼部外端壁941a、941b、941c、941d和移除驱动表面944a、944b、944c、944d限定。相邻的翼部在过渡轮廓945a、945b、945c、945d中与芯部圆周912相交。
代替性能上的不足，这些变化已经促使改锥强度的惊人增大以及用于螺旋驱动紧固件***的落座扭矩能力的明显提高。驱动表面面积的减小通过改进的从驱动表面到芯部的分配特性所抵消。
高强度凹部940和相对应的改锥的增大的强度以及增大的落座扭矩可以归因于凹部和改锥被构造成具有超过现有技术的螺旋紧固件***的增大的芯部直径。应该合乎逻辑的是试图通过将过渡表面构造为安装表面943和移除表面944(与现有技术的设计类似)的凸形连续部来保持驱动表面的面积。而是，驱动表面943和9944被构造成在翼部942之间的过渡轮廓945中与芯部直径相交，所述过渡轮廓945具有与芯部直径相符的凹形形式。这增加了芯部强度，但进一步截短了翼部横截面并且减小了驱动表面面积。另外，通过将翼部横截面的外部尖端截短并且使驱动表面与现有技术的构型并行地向外移动，翼部可以扩大并且形成有钝的尖端，从而可以进一步提高***的强度。观察到，翼部的质心也将向外移动，从而实现改进的载荷分布。
这伴随着凹部横截面和改锥横截面两者的翼部的径向延伸部超越芯部直径缩短。改锥/凹部的翼部横截面通过使安装表面和移除表面以并行的方式移动而被进一步修改，以形成具有钝的尖端的截短的翼部形状。钝的尖端被构造成符合与芯部同心的、具有比芯部直径大的直径的圆。
为做到这一点，高强度凹部940的翼部部分(并且因此同样相对应的改锥的翼部部分)的横截面从芯部圆周912向外并且从翼部外端壁941向内被截短。以这种方式，翼部942被构造成使得芯部半径R2与翼部尖端半径R1之比大于0.55，并且翼部942之间的过渡轮廓945是芯部圆周的凹形部段。优选地，R2/R1之比是在0.65至0.70的范围内。另外，在保持驱动表面的轮廓与现有技术的紧固件***一致的同时扩大翼部942的宽度w。翼部横截面的高度h与其宽度w之比h/w被构造成近似等于或小于0.5。相比之下，例如，参照图19的凹部840，比率R'2/Ri可以被计算为近似0.46，并且螺旋凹部840的比率(h’/w’)可以被计算为近似0.93。这些修改后的尺寸已经被证实向凹部940提供明显有利的改进的批头强度。
图23示出在紧固件1120的头部内的螺旋构型的凹部1140和相对应的改锥1121的带六个翼部的示例。凹部1140具有与凹部640(图17)和940(图19)相似的特性，包括在相邻的翼部1142之间的多个渐缩的界面表面1150。与凹部640和凹部940的带四个翼部的实施例相比，凹部1140包括六个翼部1142。图24是从紧固件1120(图23)的纵向轴线向下看的凹部1140的平面图。
图25示出从紧固件1220的头部凸出的螺旋构型的凸部1240和相对应的改锥1221的带六个翼部的示例。凸部1240具有与凸部740(图18)和凹部940(图19)相似的特性，包括在相邻的翼部1242之间的多个渐缩的界面表面1250。与凸部740的带四个翼部的实施例相比，凸部1240包括六个翼部1242。图26是从紧固件1220(图25)的纵向轴线向下看的凸部1240的平面图。
以上的描述和附图仅被认为是实现本文所述的特征和优点的特定实施例的说明。可以以其它方式对特定条件和材料进行修改和替换。紧固件以许多不同的构型来构造，并且本申请的主旨的应用不旨在限于任何特定的类型。例如，图1至图3的实施例的凹部40是六叶形的。然而，本公开的原理可以应用于具有三个、四个、五个、八个或其它数量的翼部和凸角的凹部***。作为另一个示例，上述的实施例被说明为紧固件***的常见形式，其包括在紧固件上的凹形凹部和凸形构型的改锥。然而，本主旨的紧固件***的干涉轮廓也可以应用于相对的布置，其具有在改锥上的凹形凹部(插槽)以及如在以上某些实施例中所述的凸形构型的紧固件。对于另一个示例，某些紧固件不具有将工件夹持到基板的头部。反而，它们可以使用第二螺纹段来接合工件。尽管某些紧固件具有夹持头部，但是在其它紧固件类型(例如，非夹持紧固件以及其它)中也可以获得由所示的构型提供的优点。因此，本发明不被认为由前述的描述和附图所限制，而是旨在包含所有这样的替代、修改、替换和变型。
新颖的且要求受专利保护的内容如权利要求书所述。

Claims (31)

1.一种紧固件***，其包括：
a.紧固件，所述紧固件具有
i.柄部，所述柄部具有中心纵向柄部轴线；
ii.头部，所述头部在所述柄部的端部处；
iii.所述头部具有定中心在所述柄部轴线上的凹部；
iv.所述凹部具有从所述柄部轴线向外辐射的多个翼部，所述凹部具有凹部外半径，所述凹部外半径由从所述柄部轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定；
v.所述翼部中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，所述安装驱动表面和移除驱动表面被构造成与所述柄部轴线基本平行对准；
vi.相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分；
vii.在所述过渡轮廓中形成的楔形部，其用以呈现渐缩的凹部界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述凹部的顶部的界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述凹部的底部的界面表面的底部处的较窄处；以及
viii.所述界面表面被定位成在所述界面表面的底部处与所述柄部轴线相距根部径向距离，所述界面表面被定位成在所述界面表面的顶部处与所述柄部轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述根部径向距离；
b.具有批头端部的改锥，所述改锥具有中心纵向改锥轴线，其中，所述批头端部被构造成具有中心部分和从所述中心部分向外辐射的多个凸角，所述批头端部具有从在所述批头端部的相对侧上的凸角的端部延伸的AT尺寸批头直径，所述凸角中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，相邻的凸角的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述凸角的径向最靠内部分并且呈现改锥界面表面，并且其中，所述凸角的安装驱动表面和移除驱动表面被构造成与所述改锥轴线平行对准；
c.其中，所述凹部接收所述批头端部，并且所述紧固件头部的安装驱动表面和移除驱动表面能沿着改锥凸角接合长度在啮合的接合中接收所述批头端部的安装驱动表面和移除驱动表面，并且所述凹部界面表面和改锥界面表面被构造成当所述紧固件头部和批头端部处于啮合的接合中时形成摩擦接合，以便在凹部界面表面和改锥界面表面之间形成界面区域；并且
d.凸角接合长度与批头直径的比为0.15至0.21。
2.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述凹部具有外半径距离，所述外半径距离由从所述柄部轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定，并且所述根部径向距离与外半径距离之比为0.60至0.65。
3.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述紧固件的所述界面表面是非驱动表面。
4.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述紧固件的所述界面表面围绕所述凹部对称地间隔开。
5.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述紧固件的每个所述界面表面是凹形的，每个所述界面表面的每个部分都被定位成径向距离大于或等于在所述边缘处从所述柄部轴线到所述界面表面的径向距离。
6.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述凹部是六叶形的。
7.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述紧固件的每个所述界面表面相对于所述柄部轴线以一角度渐缩，所述角度在半度(0.5°)至十二度(12°)的范围内。
8.根据权利要求7所述的紧固件***，其中，所述角度在四度(4°)至八度(8°)的范围内。
9.根据权利要求7所述的紧固件***，其中，所述角度是六度(6°)。
10.根据权利要求1所述的紧固件***，其中，所述紧固件的每个界面表面用于在两个彼此分离的界面区域处形成与所述批头端部的摩擦接合。
11.根据权利要求10所述的紧固件***，其中，所述两个界面区域完全在所述紧固件的凹部的下三分之一中。
12.根据权利要求1-2中的任意一项所述的紧固件***，其中，所述紧固件的安装驱动表面和移除驱动表面中的至少一个被配置为限定螺旋，所述螺旋具有与所述柄部轴线间隔了初始半径的起始点并且延伸到在不超过所述初始半径的3.5倍的半径处的外部端点。
13.根据权利要求12所述的紧固件***，其中，所述螺旋的部分没有这样的切线，所述切线的垂直线与从所述柄部轴线到切点的半径成小于17°的角。
14.根据权利要求12所述的紧固件***，其中，所述螺旋包括恒定间隙螺旋。
15.根据权利要求12所述的紧固件***，其中，所述螺旋由以下等式定义
Figure FDA0003716777480000031
其中：
θ＝在距旋转轴线一距离处横过螺旋的射线的旋转角度(以弧度为单位)；
Ri＝从所述旋转轴线至所述螺旋的起始点测得的初始半径；以及
R＝在旋转角度θ处从所述旋转轴线测得的螺旋的半径。
16.根据权利要求12所述的紧固件***，其中，所述螺旋从起始点延伸到外部端点，所述外部端点处的半径为初始半径的三倍。
17.根据权利要求12所述的紧固件***，其中，由所述紧固件的安装驱动表面和移除驱动表面中的至少一个外接的螺旋的弧度不大于125°。
18.一种紧固件，其包括：
a.柄部，所述柄部具有中心纵向轴线；
b.头部，所述头部在所述柄部的端部处；
c.所述头部具有定中心在所述轴线上的凹部；
d.所述凹部具有从所述轴线向外辐射的多个翼部，所述凹部具有凹部外半径，所述凹部外半径由从所述轴线到所述翼部的最外范围的径向距离限定；
e.所述翼部中的每个都具有安装驱动表面和移除驱动表面，所述安装驱动表面和移除驱动表面被构造成与所述中心纵向轴线基本平行对准；
f.相邻的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面由相应的过渡轮廓隔开，所述过渡轮廓形成所述翼部的径向最靠内部分；
g.在所述过渡轮廓中形成的楔形部，其用以呈现渐缩的界面表面，所述界面表面具有顶部、底部和一对相对的边缘，所述界面表面的宽度从在靠近所述凹部的顶部的界面表面的顶部处的较宽处渐缩至在靠近所述凹部的底部的界面表面的底部处的较窄处；
h.所述界面表面被定位成在所述界面表面的底部处与所述轴线相距根部径向距离，所述根部径向距离限定凹部内半径，所述界面表面被定位成在所述界面表面的顶部处与所述轴线相距顶部径向距离，所述顶部径向距离大于所述根部径向距离；
i.所述凹部内半径与所述凹部外半径之比为0.60至0.65；以及
j.所述紧固件的凹部用于接收改锥批头的批头端部，所述批头端部具有沿改锥凸角接合长度与所述凹部的翼部的安装驱动表面和移除驱动表面之一配合的批头端部驱动表面，所述凸角接合长度与批头端部的直径的比为0.15至0.21。
19.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述界面表面是非驱动表面。
20.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述界面表面是凹形的，其曲率半径等于从所述轴线到所述界面表面的径向距离。
21.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述界面表面是凹形的，其曲率半径大于从所述轴线到所述界面表面的径向距离。
22.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述界面表面是凹形的，所述界面表面的每个部分都被定位成距所述轴线的径向距离大于或等于在所述界面表面边缘处从所述轴线到所述界面表面的径向距离。
23.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述凹部是六叶形的。
24.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述界面表面相对于所述轴线以一角度渐缩，所述角度在半度(0.5°)至十二度(12°)的范围内。
25.根据权利要求24所述的紧固件，其中，所述角度在四度(4°)至八度(8°)的范围内。
26.根据权利要求24所述的紧固件，其中，所述角度是六度(6°)。
27.根据权利要求18所述的紧固件，其中，所述紧固件头部的安装驱动表面和移除驱动表面被构造成在啮合的接合中接收所述批头端部的驱动表面。
28.根据权利要求27所述的紧固件，其中，所述渐缩的界面表面被构造成与所述批头端部形成摩擦接合。
29.根据权利要求27所述的紧固件，其中，所述渐缩的界面表面被构造成在所述凹部的下部中在所述边缘处与所述批头端部形成摩擦接合。
30.根据权利要求28所述的紧固件，其中，所述界面表面用于在两个彼此分离的界面区域处形成与所述批头端部的摩擦接合。
31.根据权利要求30所述的紧固件，其中，所述两个界面区域完全在所述凹部的下三分之一中。
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