具有贝勒维尔头的紧固件

摘要

本发明涉及由宾工程工厂公司生产的一种有头推入式类型的紧固件，该紧固件称为平头销及平头螺钉。更具体而言，本发明涉及具有贝勒维尔头的平头销或平头螺钉，该贝勒维尔头在不需要独立部件的情况下提供贝勒维尔垫圈的功能。在安装后，贝勒维尔形状头部的加压将导致永久载荷施加于紧固件的头部的下方，本质上对连接的元件产生夹紧力。

说明书

本专利申请涉及2013年8月28日提出的题为“具有贝勒维尔头的紧固件” (FastenerwithaBellevilleHead)的美国临时专利申请第61/871,019号，并在此要 求其优先权。

技术领域

本发明涉及由宾工程工厂公司(PennEngineering&ManufacturingCorp.)生产 的一种极小的有头推入式类型的紧固件，该紧固件称为平头销(TackPins)及平头 螺钉(TackScrews)。更具体而言，本发明涉及具有贝勒维尔头(Bellevillehead) 的平头销或平头螺钉，该贝勒维尔头在不需要独立部件的情况下提供贝勒维尔垫 圈(Bellevillewasher)的功能。

现有技术

两个部件的连接可以通过多种不同的方式进行。一些连接方法如粘合剂，胶水 或焊接可形成部件之间的强力结合，而不会在所述部件之间产生任何挤压或夹紧 力。诸如典型铆钉或平头销/平头螺钉的紧固件也不会在部件上产生夹紧力。当想 要夹紧力时，螺钉是实现这目标的惯常方法。

许多消费产品的组合件经设计成有薄壁围体，该薄壁围体比用来将它们组合 的紧固件更软。这巧合有利于需要有硬度差异、且钉在面板上的自紧式紧固件。然 而，这对螺钉而言是相反的，并且限制了螺钉的可用夹紧力。在这种情况下，对夹 紧载荷的限制力等于围体中与螺钉啮合的螺纹的屈服强度。本发明适用于这类型 的组合件。

因为螺纹的完全滑丝会使组合件变得无用，所以屈服力用于设计目的来计算 可承受的最大引发载荷。将图1所示底部面板中的螺纹的屈服应力乘以剪力下螺 纹的面积来计算出阴螺纹的屈服力。剪力下螺纹的面积是當螺钉被垂直地拉或推 而切掉螺纹時所留下的每一个螺纹的圆柱表面。由于该面积上螺纹的螺旋作用很 小，剪力下螺纹的面积可简化为剪力下螺纹数乘以一个螺纹的圆柱面积。

在图1中，当螺钉被拧紧时，产生現有技术的夹紧载荷。拧紧螺钉在螺钉中產 生張力。更确切地说是在头部下侧与啮合螺纹部件的顶部之间的螺钉部分產生張 力。所产生的夹紧力的一部分将螺钉如弹簧般拉伸。胡克定律描述了螺钉的长度变 化。螺钉越短，越难以拉伸。胡克定律同样适用于受夹紧载荷压缩的顶部面板。頂 部板材所承受的力等於所述夾緊载荷。在图1中所示的情况下，面板是薄的，这往 往限制潜在压缩。将硬螺钉应用到薄而软的围体中以使得铆连接能好好抗衡螺钉 螺纹。

现参考图2，图中描述了现有技术中的紧固件的另一个例子。由于平头销或平 头螺钉在安装期间被压入，并且不处于张力状态，平头销或平头螺钉可构成少量夹 紧载荷或不可构成夹紧载荷。顶部板材的压缩力可提供部分夹紧力，然而这种情况 与螺钉的情况略有不同。当安装载荷施加到平头，并因而施加到顶部板材时，根据 胡克定律，平头和顶部板材都会在长度上发生变化(缩短或压缩)。只要部件还没有 被压塌成超出其屈服点，当除去安装载荷时，平头和顶部板材都将松弛(尝试回复 到其原来长度)。我们可除去力，并就已知的尺寸和材料性质表达相对偏转。假设 底部板材具有均匀性质，当销压缩与面板压缩比较时，会出现三种不同情形。就我 们的小組件而言，我们可作以下陈述：如果平头与面板具有相同偏转，在除去冲头 后，它们几乎相等地回弹，并且不产生夹紧载荷。当平头具有较大刚性，因此具有 较面板小的偏转。如果平头回弹少于面板尝试回弹，面板压缩可以发生，并因此造 成小的夹紧载荷。當面板具有较大刚性，并因此具有较平头小的偏转，将不会产生 夹紧力。平头事实上可回弹高于连接的面板，在头部下方形成小的间隙。平头销/ 螺钉将产生小的夹紧载荷的例子是顶部板材可以是如橡胶的垫片材料。对于螺钉， 如果顶部板材具有产生这种力的能力，底部板材中的底切部的屈服力会是允许用 于平头销/平头螺钉的压倒性最大夹紧载荷。

铆紧平头销/平头螺钉是极小螺钉的优良代品，并且具有优于螺钉的许多优点， 包括：

1)无须开孔；

2)消除不合格的螺纹滑丝；

3)平头销/平头螺钉被压入，使得安装大幅简化；

4)平头销/平头螺钉不需要螺纹锁定贴片且本质上是不松动的；

5)平头销/平头螺钉具有非常薄的头部，并允许与由于需要在头部的螺钉刀而 需要更厚头部的螺钉比较起来更薄的设计形式。

然而，平头销/平头螺钉的一些缺点是:

1)很少或没有夹紧载荷(虽然短螺钉的夹紧载荷为最小，仍提供一些夹紧载 荷)；

2)如果在未充分安装下，在头部下方会留下间隙，允许轴向浮动；

3)完全安装需要昂贵的设备，其中平头销的头部的底部在安装期间与顶部板 材接触而没有过度加压。

通过简单地增加独立垫圈于组合件的螺钉/销会产生所有与更大数量的部件 相关的问题，并且贝勒维尔垫圈无法制成足够小以与微型螺钉或具有1.0mm直径 左右的极小平头销一起使用。因此，有需要在现有技术中提供新型的整体式紧固件， 当应用该紧固件时，能够对该紧固件连接的元件提供残余夹紧载荷。

发明内容

上述平头销及平头螺钉的缺点通过一种将贝勒维尔类型弹簧设计加入平头销 或平头螺钉的头部的新型设计改变而完全克服。所认为的是随着弹簧头部设计的 改良，平头销或平头螺钉可提供短螺钉的所有优点，并且有普通平头销提供的额外 优点，由于该普通平头销的尺寸小，增加独立垫圈并不可行。弹簧头部结构可直接 针对夹紧载荷问题，以及增加安装加压距离的公差，降低完整安装的要求。

更具体而言，申请人已发明一种紧固件以及多个部件形成的组合件，所述组合 件包括两个元件，该两个元件是面对面的顶部元件及底部元件。所述紧固件包括具 有径向延伸的锥形凸缘的头部，所述凸缘是所述紧固件的最大直径的锥形凸缘，并 且具有不间断的外周圆形表面，该外周圆形表面适于弹性地向上偏转以通过施加 向下安装力抵靠顶部元件。所述紧固件具有柄部，所述柄部利用例如螺旋形螺纹或 铆接底切部的啮合构件。

因此，本发明的主要目的是增加夹紧载荷能力，并通过将贝勒维尔垫圈的设计 加入紧固件的头部以增加对平头销的轴向安装公差。如果相同的特征可以加到微 型螺钉的头部的周围，本发明的第二目的是发明一种螺钉设计，该设计将贝勒维尔 垫圈加入头部，以防止螺钉中的预载荷损耗。本发明的又一目的是实现这些优点的 同时还提供制造的经济节约，并通过消除需要组装的额外松散部件来达成。

在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应理解的是本发明并不 限于应用到下文所述或附图所示的构造细节以及组件的配置。本发明能够具有其 他实施例，并以不同方式实现。此外，应理解的是本文使用的用语和术语是为了描 述起见，不应被视为限制。

因此，本领域的技术人员将理解本公开内容所基于的概念可以容易作为用于 进行本发明的若干用途的其他结构、方法及系统的设计基础。因此，重要的是在没 有偏离本发明的主旨和范围的情况下，应将权利要求视为包括那样的等效构造。

附图说明

图1和图2是现有技术的紧固件的截面图。

图3是本发明的三个实施例的截面图。

具体实施方式

现参考图3，图3示出了与贝勒维尔垫圈并排比较的本发明的紧固件的三个实 施例。该实施例中的任一个用以构建一个组合件来取代图1或图2所示的现有技 术的将顶部板材连接到底部板材的紧固件。每个实施例具有包含锥形凸缘的头部， 该凸缘近似图3的最左侧所示的贝勒维尔垫圈的结构和性能。

贝勒维尔垫圈产生与其加压方向相反的力。图3示出了如何可将贝勒维尔垫 圈加入平头销、平头螺钉及微型螺钉的头部中。贝勒维尔弹簧的最大作用力能力由 可从网站Spring-I-Pedia(http://springipedia.com/belleville-washers-formulas.asp) 取得的方程式给出。

安装后，锥形凸缘的周边在强有力地接触顶部板材时弹性地向上偏转。藉由所 述锥形凸缘的材料的弹性性质施加连续偏置力以便维持残余夹紧载荷。

在平头销具有夹紧载荷的情况下，理想的是提供最小相等夹紧力，该最小相等 夹紧力可在安装后藉由金属的底切部的屈服提供。将贝勒维尔垫圈的功能加入平 头销或螺钉的头部有效地增加顶部板材加压距离到平头。这头部设计的优点在于 顶部板材的长度变化程度大于平头销或螺钉，因而确保夹紧载荷将被产生。在这情 况下的头部的偏转远远大于可预期的平的板材独自的偏转。同样地，就微型螺钉而 言，在用于贝勒维尔垫圈头部的设计方程式中，我们设定啮合的阴螺纹的屈服强度 等于可用于贝勒维尔垫圈的最大力。

在螺钉的情况下，将所述螺钉在张力下安装的事实产生夹紧载荷，而这做法对 贝勒维尔头部的必要性并不像对平头销或平头螺钉般重要。加入螺钉的贝勒维尔 头部却有以下额外好处：

1)防止螺钉预载力损耗

2)过度安装保护，使得可更大的指定用于紧固扭矩的范围。

从本发明的上述对说明中，可容易见到本发明的目的已达到。将贝勒维尔垫圈 类型的头部加到平头销的设计中提供了将夹紧载荷供应到使用平头销的组合件的 能力，而从前只有小的夹紧载荷可发生在在狭窄的范围条件下。此外，将这类型的 头部加到平头销添加安装加压距离的公差，这有助防止导致外观损坏的过度加压 或过度载荷。最后就平头销而言，在安装不充分的部件的情况下，头部下的潜在间 隙的消除将使组合件有更牢固的感觉。这类型的头部对微型螺钉的额外好处是提 供保护以免螺钉接合中的预载荷损耗，以及在所要求的安装扭矩范围的安装公差。 通过将个别垫圈的优点结合到紧固件的结构中，会有制造的经济节约以及较少关 于松散部件和组装垫圈的额外步骤的问题，组装垫圈的额外步骤对小型部件而言 或不可实行。

因此，上文仅说明本发明的原理。再者，由于本领域的技术人员将容易想到许 多的修改和变化，所以不希望将本发明限定于本文所图示的及所描述的确切结构 和运作，并且相应地，所有适当的修改和等同物可诉诸落入本发明的范围之内。