JP2023507938A - 接続要素、及び接続要素を摩擦圧接によって部品に固定するためのツール - Google Patents

Abstract

本発明は、部品に固定するための接続要素に関し、特に、主部と、機能部と、摩擦圧接用インレーとを含み、次いで、熱可塑性材料を含む繊維複合材料からなる部品に関する。ツール印加点が、主部の上面上に形成される。摩擦圧接用インレーは、主部にインターロック的に、及び／又は、フォースロック的に接続される。

Description

本発明は、ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰのような繊維強化複合材料で作られた部品の表面に固定するための接続要素、特に熱接着性接合突起部に関する。

このような接続要素は、例えば、アタッチメントを重量最適化されたＣＦＲＰ部品に固定したり、他のパーツに接続したりするために必要である。繊維複合材料で作られた部品の場合では、リベット又はネジを部品を通して案内し、この公知でよく確立された方法で接続要素を部品に接続するために、部品に穴を開けることは、多くの場合望ましくない、あるいはさらには不可能である。この制約は、それぞれの穴が繊維強化複合材料（複合材料部品）で作られた部品内の繊維パターンを乱し、その耐荷力を低下させるためである。また、穴の不適切な導入は、層間剥離につながる可能性がある。

これらの欠点を避けるため、このような接続要素は、従来、ＣＦＲＰ部品の表面に接着されていた。しかし、この確保手法には種々の欠点がある。特に、自動化された連続生産のための接着剤の長い硬化時間と、そのような接着剤結合をプロセス信頼性が高い方法で製造することの困難さとが、欠点である。

本発明が対処する問題は、従来技術の欠点を回避する接続要素を提供することである。前記接続要素は、部品が穴を必要とすることなく、プロセス信頼性が高くかつ自動化された方法で部品に接続することができるように意図される。さらに、コスト効率が良いだけでなく、異なる作業／固定作業に柔軟に適応できることも意図している。

この問題は、摩擦圧接によって部品の表面に固定するための接続要素、特に熱接着性接合突起部であって、主部と機能部とを備え、主部は、上面と、上面の反対で環状のビードを備える下面と、を有し、主部は、上面と下面とを結ぶ開口を有し、機能部は、シャンクとシャンクの第一端の頭部とを有し、シャンクの縦軸を横切る頭部の直径又は広がりは、主部の開口の直径よりも大きい接続要素による、本発明によって解決される。

したがって、本発明に係る接続要素は、２つの部分に分けられる。接続要素は、その下面上のビードを有する主部を備える。ビードは、摩擦圧接中に圧接加算を「供給する」。さらに、摩擦圧接プロセス及び摩擦圧接接合部の強度は、対応する設計（特に直径、幅、高さ及び断面形状）によって、合成材料部品及び固定作業に簡単かつ柔軟に適合させることができる。

さらに、本発明に係る接続要素は、機能部を備え、そのシャンクは、機能部の頭部が主部の下面に当接するまで、主部内の開口を通して下から挿入される。次いで、機能部と主部との間で引張力を伝達することができる。主部が、摩擦圧接によってそのビードと結合した形で部品に固定されるとすぐに、機能部は、間接的であるが固定的に部品に接続される。必要に応じて、機能部と主部との間の回転固定式インターロック接続も容易に製造することができる。

二つの部分からなる設計により、異なる機能部を構造的に同一の主部に組み合わせることができるので、機能部を、例えば、本発明に係る主部及び接合プロセスに何ら変更を加えることなく、雌ネジ又は雄ネジによって、スナップ接続又はネジ接合部を生じさせるために使用することができる。例えば、スナップ接続を有する固定要素と雌ネジを有する固定要素とは、異なった機能部と組み合わされ、かつ、摩擦圧接のために装置に供給された、構造的に同一の主部によって、プロセスパラメータを変更することなく、摩擦圧接用の同一の装置を用いて部品に固定することができる。これは、高性能軽量部品のプロセス信頼性の高い連続生産のための大きな利点である。

本発明に係る接続要素は、２つの構成要素（主部及び機能部）の材料を関連する作業に応じて最適化することができるので、非常に費用対効果が高い。主部は、多くの場合、熱可塑性材料製である。好ましくは、ＰＡ ６６ ３５ ＧＦなどの繊維強化熱可塑性材料から作製される。繊維強化材の有無にかかわらず、他の（熱可塑性）プラスチック材料も、勿論使用することができる。ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド ６（ＰＡ ６）及び３０％ガラス繊維を有するポリプロピレン（ＰＰ ＧＦ３０）が特に適している。

しかし、本発明に係る接続要素は、圧接可能な金属材料から製造することもできる。

次に、接続要素を摩擦圧接によって金属部品に接続することができる。このとき、部品と主部とは、互いに圧接可能でなければならない。機能部は、インターロック方式でのみ接続部に接続され、材料結合では接続されないため、機能部の材料に関する制約はない。

これらの非網羅的な例は、多種多様な要求プロファイルに対する本発明に係る接続要素の大きな柔軟性及び適応性を示す。

本発明によれば、少なくとも１つのインターロック要素が、主部の上面及び／又は外郭上に形成され、少なくとも１つのインターロック要素は、摩擦圧接中に必要とされるトルクを主部との接合用のツールから伝達するように設計される。

１つまたは複数のインターロック要素は、例えば、主部の上面に１つ又は複数の好ましくは円形窪み（盲孔）を備えることができる。また、主部の外郭に、縦溝又は窪みとしてインターロック要素を形成することもできる。勿論、摩擦圧接に必要なトルクを外郭を介して主部に導入できるように、多角形（三角形、四角形、五角形、六角形、…）のような、又は同等のような非回転対称の幾何学的な外郭を有する主部を形成することもできる。これは、滑らかな表面を有する接続要素をもたらす。

考えられる多数のインターロック要素のために、主部の設計は、いかなる制限もほとんど受けない。むしろ、設計上の懸念も考慮に入れることができ、魅力的な設計を達成することができる。

例えば、清浄度に大きな重要性が置かれる用途では、窪みや溝を伴わない、平滑な表面を有する主部の外郭が、特に有利であり得る。このとき、主部の外郭は、多角形又は同等になり得る。そして外郭上の盲孔及び溝は、省略され得る。

機能部のシャンクから主部への引張力の良好で弾性的な伝達を確実にするために、機能部の頭部は、板体として、好ましくは非回転対称板体として設計される。板体が回転対称でなく、対応する窪みが主部の下側に形成される場合、トルクは、主部と機能部との間で伝達されることも可能である。これは、機能部がそのシャンク上に雄又は雌ネジを有し、ネジ又はナットが機能部にねじ込まれる場合に、しばしば有利である。頭部の寸法は、接続要素が曝される荷重（軸力、トルク）の集合に応じて決定され、予想される軸力が選定される。

機能部は、任意に、筐体の主部内の開口と相互作用するセンタリング部を有することができる。そして、機能部は、センタリング部によって主部の開口の中心に配置される。また、この場合、密着嵌合又は僅かな締まり嵌めを提供することもでき、機能部のセンタリング部を主部の開口に押し込んだとき、本発明に係る接続要素の２つの構成要素が、互いに連結されるようになっている。これにより、主部が部品に圧接される前に本発明に係る接続要素の取扱い（手動の、又は、自動化された）が、容易になる。

用途の要求に応じて、機能部のシャンクをスナップ接続の一部にすることができる。ただし、それは、雄ネジ又は雌ネジを有することもできる。割ピンを受け入れる横穴や、止め輪（シーガーリング）を受け入れる溝も形成される。シャンク上に返しを配置することもでき、これによって軟らかい材料をシャンクに固定することができる。シャンクは、１つ以上の部品に最適に接続できるように設計することができる。シャンクの設計に制限はない。

請求項に記載の発明は、また、接続要素を部品に接合するためのツールを含み、そのツールは、少なくとも部分的に中空又は管状のツール本体を有し、その第一端は、前記第一端が接続部の上に配置されたときに、主部、及び／又は、機能部のセンタリング部と回転固定式インターロック接続を形成するように設計される。ツール本体内のキャビティ／中央穴は、機能部のシャンクを収容するために使用される。

本発明に係るツールの第一端は、主部の上面又は外郭に相補的である。例えば図１に示すように、主部の上面に窪みが形成される場合、本発明に係るツールの第一端は、ツールが主部上に配置されたときに窪みに入る３つのピンを有する。他にも多数の設計が可能である。しかし、ツールの第一端と主部との相補的な設計のために、摩擦圧接に必要なトルクが、摩擦圧接プロセス中にツールから主部に伝達され、本発明に係る接続要素が、部品にこのように接続されることが重要である。

本発明のさらなる利点及び有利な実施形態は、以下の図面、その明細書及び特許請求の範囲に見られ得る。図面、その明細書及び特許請求の範囲に開示される特徴の全ては、個々に、及び、互いの任意の組合せに、の双方において本発明に不可欠であり得る。

図面

図面において：

図１は、本発明に係る接続要素の主部の上方から見た図であり、 図２は、主部の側面図であり、 図３は、本発明に係る主部を貫通する断面図を示し、 図４は、本発明に係る主部の下方から見た図であり、 図５～図７は、本発明に係る機能部の異なる図であり、 図８は、主部と機能部とを有する本発明に係る２部の接続要素を部分的に示し； 図９は、部品に圧接された２部の接続要素を示し； 図１０は、接続要素を部品に接合するための、本発明に係るツールの一実施形態を示す。

実施形態の説明

図１ａは、本発明に係る接続要素の主部１の上方から見た図である。この実施形態では、主部１は、実質的に円形のディスク又は板体として設計される。前記主部は、中央に開口３を有する。主部１の上面には、円周上に分布する３つの円形の窪み５が、配置される。前記窪みは、摩擦圧接に必要なトルクを、相補的に設計及び配置されたツールの対応するピンで、ツールから主部１へ伝達するために使用される盲孔である（図９参照）。

摩擦圧接用のツールと主部１との間のトルク伝達のための別の代替案が、図１ｂに示される：３つの縦溝又は窪み７が円形の外郭上に配置される。窪み７は、摩擦圧接用のツール上の対応するリブ又はピンとのインターロック係合を形成することができ、従って、必要なトルクをツールから主部１に伝達することができる。そのとき、第１の実施形態に係る窪み５は、省略できる。

窪み５と溝７との両方を一つの主部に形成する必要はない。要素５又は７のうちの１つで一般的に十分である。主部１は、縦溝７と窪み５との両方によって、ツールに対して中心合わせすることができる。ただし、例えば、主部１の外郭とツールの補完的な設計とによって、主部１をツールに対して中心合わせすることもできる。

また、主部１を円形に形成するのではなく、例えば、六角形や同等（多角形）として形成することもできる。次いで、外郭は、回転対称ではなく、補完的な形状を有するツールによって、ツールから主部にトルクを伝達することができる。このとき、窪み５も縦溝７も不要である。これは、特に、汚染を受けにくい、主部１の円滑な外郭をもたらす。この実施形態の図示は省略する。

図１ａ及び図１ｂの破線の円形の線は、主部１の下面上のビード９及び窪み１１を示す。ビード９及び凹部１１の形態及び機能は、図３及び図４に関連して後でより詳細に説明する。

図２は、本発明に係る主部１の側面図である。この側面図から、主部１のディスク状の基本構成が明らかである。ビード９は、主部１の下面上（図２の下部）に明らかに確認できる。ビード９は、摩擦圧接のための圧接加算又は材料代として使用される。具体的には、主部１が摩擦圧接によって部品（不図示）に接続される場合には、主部１が、回転に設定され、同時にビード９が部品に押し付けられる。結果として生じる摩擦熱のために、ビード９の材料は、少なくとも部分的に軟らかく且つ可塑性になる。このプロセスが十分に進むと直ちに、回転が停止され、主部が、その液化した／可塑化したビード９と共に、ビード９の材料が再度固化するまで、部品に押し付けられる。

図３では主部１が、断面図で示される。この図では、中心の開口３と３つの窪み５のうちの１つとが、明らかに分かる。窪み５には小さなリブ１３が、形成される。それは、接合用ツールのピン（不図示）と共に圧入を生じるために使用される。そのとき、本発明に係る接続要素（主部１）と機能部（不図示）とは、部品に前記要素又は部が接合される前に、ツールから脱落しなくなる。

主部１の下面上の凹部１１は、図３中に明らかに分かる。凹部１１は、図４から特に明らかに分かるように、円形の基本形状を有し、右側に平坦部１５を有する；したがって、それは、回転対称ではない。この平坦部１５は、機能部（不図示）の頭部との回転固定式インターロック接続をもたらすために使用される。

ビード９の寸法、特にその高さ、幅、直径及び断面は、利用可能な圧接加算と摩擦圧接プロセスのパラメータとを決定する。ビード９の寸法は、用途の要求に応じて調整することができる。本発明に係る接続要素の、異なった用途への良好な適応性も、ここで明らかである。

図示の実施形態では、ビード９は、比較的大きく、その結果、大量の材料が、摩擦圧接のために利用可能である。

図４では主部１は、下から見た図に示される。この図から、平坦部１５と共に凹部１１の形が、特によく分かる。主部１の外郭は、図４において１７で示される。

図５乃至図７は、本発明に係る機能部１９の２つの実施形態の異なる図である。図５は、機能部１９の第１の実施形態の上方から見た図である。図５乃至図７から分かるように、機能部１９は、全ての実施形態において、頭部２１、センタリング部２３及びシャンク２５を備える。

上方から見た図（図５）から特によく分かるように、頭部２１は円形であり、平坦部２７を有する。頭部２１と平坦部２７とは、主部１の下面上に平坦部１５を備え、凹部１１と相補的であり、その結果、頭部２１が主部１に当接するまで、シャンク２５が主部１の開口３を介して下方から押し込まれると、機能部１９の頭部２１と主部１との間に回転固定式インターロック接続が生じる。

図示の実施形態では、機能部１９は、（任意の）センタリング部２３を備え、その寸法は、主部１の開口３の直径に適合される。機能部のシャンク２５が開口を通して主部内に押し込まれると、センタリング部２３と主部１の開口３との間にわずかな圧入が、好ましく生じる。これにより、機能部１９が誤って主部１から再度脱落することが防止される。

凹部１１及び頭部２１内の平坦部１５及び２７は、それぞれ、機能部１９と主部１との間でのトルクの確実かつ効率的な伝達を保証する。トルク伝達は、図示の実施形態に限定されない。また、頭部２１を介して、機能部１９と主部１との間で、大きな軸力を伝達することもできる。

図６において、機能部１９のシャンク２５は、スナップ接続の一部として設計される。シャンクは、対応するラッチフック又は対応する部品のスナップフック（不図示）とともに、前述のスナップ接続を形成する複数のアンダーカット２９を備える。

代替的な機能部１９が、図７中に例示される。このとき、シャンク２５は、雌ネジを有する。センタリング部２３と頭部２１とは、図６に係る実施形態と構造的に同一である。これは、図６及び図７に係る機能部１９を代替的に同じ主部１で使用することができるという利点を有する。その結果、主部１を部品に接続するための摩擦圧接プロセスには何も変化がない。２部設計のため、さらに多数の機能部１９（不図示）を同一の主部と組み合わせることもできる。機能部１９の設計の自由度には、ほとんど制限がない。機能部１９を主部１とは異なる材料から作製することもできる。

図８は、本発明に係る接続要素の組立図を示す。接続要素３１は、２部に形成される。既に述べたように、接続要素は、主部１及び機能部１９を備える。開口３とセンタリング部２３との間のわずかな圧入によって、機能部１９が主部１から脱落しないようにすることができる。

次いで、本発明に係る２部の接続要素は、接合用のツール上に配置され得、そして、上述の方法で摩擦圧接によって部品に接続され得る。

図９は、図８による接続要素を示しており、これは、摩擦圧接によって複合材料部品３０に接続される。ビード９は著しく平坦で幅広くなっている。これは、摩擦圧接中に生じるビード９の塑性化及び変形の結果である。部品３０と接続要素の主部１との接合面積は、摩擦圧接前のビード９の断面積よりもはるかに大きい。その結果、接続部の負荷容量は、非常に高い。既に述べたように、接合表面は、ビード９の寸法及び設計によって、非常に広い制限内で、個々のケースの要求に適合させることができる。

図１０は、接合のための本発明に係るツール３１の実施形態を示す。それは、接続要素のシャンク２５を収容する管状の本体３３を備える。

ツール３１の第一端３５は、主部１のための接触表面３６として設計される。３本のピン３７は、ツール３１の端面に押圧されており、それらのうちの２本が見える。これらのピン３７は、図１ａに係る主部１の窪み５内に移動し、従って、摩擦圧接に必要なトルクをツールから接続要素に伝達するのに適したインターロック接続をもたらす。

駆動要素３９は、第一端３５の反対側の端部に設けられている。
図示の実施形態では、駆動要素３９は、ツールホルダ内でクランプするための２つの平行な表面を有する円筒形のピンである。ツール３１は、摩擦圧接するための装置の中で、前記駆動要素とクランプされる。

参照符号のリスト

１ 主部
３ 開口
５ 窪み
７ 縦溝
９ ビード
１１ 窪み／凹部
１３ リブ
１５ 平坦部
１７ 外郭
１９ 機能部
２１ 頭部
２３ センタリング部
２５ シャンク
２７ 平坦部
２９ アンダーカット
３０ 部品
３１ ツール
３３ 管状の本体
３５ 第一端
３７ ピン
３９ 駆動要素
４１ 雌ネジ

Claims (15)

1. 摩擦圧接によって部品（３８）の表面に固定するための接続要素、特に熱接着性接合突起部であって、
   前記接続要素は、主部（１）と機能部（１９）とを備え、
   前記主部（１）は、上面と、前記上面の反対で環状のビード（９）を備える下面と、を有し、
   前記主部（１）は、前記上面と前記下面とを結ぶ開口（３）を有し、
   前記機能部（１９）は、シャンク（２５）と前記シャンク（２５）の第一端の頭部（２１）とを有し、
   前記シャンク（２５）の縦軸を横切る前記頭部の直径又は広がりは、前記開口（３）の直径よりも大きい、
   接続要素。
2. 前記主部（１）は、前記上面及び／又は外郭（１７）上に少なくとも１つのインターロック要素を有し、
   前記少なくとも１つのインターロック要素は、摩擦圧接中に必要とされるトルクを前記主部（１）との接合用のツール（３１）から伝達するように設計される
   ことを特徴とする請求項１に記載の接続要素。
3. 前記インターロック要素は、前記主部（１）の上面に、１つ以上の、好ましくは円形の、窪み（５）を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の接続要素。
4. 前記インターロック要素は、前記主部（１）の前記外郭（１７）上に、１つ、２つ又は３つ以上の縦溝（７）或いは窪みを有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の接続要素。
5. １つの前記インターロック要素は、非回転対称の前記外郭（１７）を、特に正多角形、又は、不規則な多角形、或いは同等の形で有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の接続要素。
6. 前記機能部（１０）の前記頭部（２１）は、板体として、好ましくは非回転対称板体として設計される
   ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の接続要素。
7. 前記機能部（１９）と前記主部（１）とが、回転固定及びインターロック方式で互いに接続されるように、前記主部（１）の前記下面は、前記機能部（１９）の前記頭部（２１）に対して相補的である
   ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の接続要素。
8. 前記機能部（１９）は、前記主部（１）において前記開口（３）と相互作用するセンタリング部（２３）を有する
   ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の接続要素。
9. 前記主部（１）の前記開口（３）と前記機能部（１９）のセンタリング部（２３）とは、回転固定及びインターロック方式で互いに接続される
   ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の接続要素。
10. 前記機能部（１９）の前記シャンク（２５）は、１つ以上のアンダーカット（２９）とのスナップ接続の一部として設計される
    ことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の接続要素。
11. 雄ネジ及び／又は雌ネジ（４１）が、前記機能部（１）の前記シャンク（２５）上に形成される
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の接続要素。
12. 前記主部（１）は、圧接可能な材料、特に熱可塑性材料又は金属からなる
    ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の接続要素（１０）。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の接続要素を摩擦圧接によって部品に接合するためのツールであって、
    前記ツールは、少なくとも部分的に中空／管状の本体（３３）を備え、
    前記第一端が前記接続要素の上に配置されたときに、前記主部（１）、及び／又は、前記接続要素（１９）のセンタリング部（２３）と、回転固定式インターロック接続を形成するように、前記ツール（３１）の第一端（３５）が設計される
    ツール。
14. 前記ツール（３１）が接続部の上に配置されたときに、前記主部（１）との回転固定式インターロック接続が生じるように、少なくとも１つのピン（３７）が、前記本体（３３）の前記第一端（３５）上に配置される
    ことを特徴とする請求項１３に記載のツール。
15. 前記第一端が接続部の上に配置されたときに、前記主部（１）、及び／又は、前記機能部（１９）のセンタリング部（２３）との回転固定式インターロック接続が生じるように、前記本体（３３）の前記第一端（３５）が設計される
    ことを特徴とする請求項１３に記載のツール。

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