具有稳定的接合和卡紧配合的紧固件系统的制作方法
【专利说明】具有稳定的接合和卡紧配合的紧固件系统
[0001]本申请是名称为“具有稳定的接合和卡紧配合的紧固件系统”、申请日为2010年9月15日、国际申请号为PCT/US2010/048846、国家申请号为201080065022.6的PCT申请的分案申请。
技术领域
[0002]本申请整体上涉及用于螺纹紧固件的驱动系统、用于制造该驱动系统的工具、以及用于将扭矩施加到这种紧固件上的起子。更具体地，本申请涉及构造有直壁凹槽的紧固件。具体地，紧固件系统被构造，其中，起子和紧固件接合而改进了轴向对准和卡紧配合的稳定性。
【背景技术】
[0003]在工业应用中常用的螺纹紧固件通常由高速和高扭矩载荷下的电动工具驱动。这种情况存在困难的设计考虑，特别是关于驱动系统，并且更具体地是对于下述螺纹紧固件:该螺纹紧固件具有位于紧固件头部中的可与起子相接合的凹槽或紧固件头部的可与起子相接合的外部轮廓。理想地，关于凹槽和头部几何结构以及用于形成紧固件头部的关联工具和用于与凹槽或头部几何结构相接合的起子而言，这种驱动系统需要易于制造。紧固件头部的强度不应当被凹槽不利地影响。起子在配合时应当使应力载荷均匀分布以避免形成高的局部应力区域，高的局部应力可能导致起子表面、或起子、或这两者的变形，从而引起驱动系统的过早故障。
[0004]紧固件系统应当在紧固件被驱动时抵抗起子从凹槽中滑出。在很多应用中，非常重要的是紧固件必须能够耐受若干循环，正如在紧固件必须被拆卸以修理或更换零件或者拆卸和更换接入板的应用中。紧固件驱动系统理想地应该能够进行这种反复循环，特别是在凹槽在使用时可能受污染、涂绘、腐蚀或其他不利影响的环境中。在这些情况下，重要的是驱动系统在沿拆卸方向施加扭矩的同时维持驱动接合。对于驱动系统而言可能必要的是在拆卸紧固件时能够施加更高水平的扭矩，如同当紧固件在初始组装期间被过紧固时、或者当腐蚀在接合螺纹的接口处发展时、或者当组装部件的热循环已经将增大的应力置于紧固件时发生的。这些和其他特征常常提出了竞争的考虑因素；并且可能必须妥协一个以有利于另一个。
[0005]多种凹槽和起子配置被普遍使用，包括多种十字凹槽，例如在美国专利Re.24，878 (史密斯(Smith)等)、美国专利 3，237，506 (明兴格尔(Muenchinger))和美国专利2，474，994 (Tomalis)中所述的那些。其他紧固件几何结构包括在美国专利3，763，725 (赖兰(Reiland))中所述类型的多叶片几何结构和如在美国专利4，187,892(西蒙斯(Simmons))中所述的带肋驱动系统。“艾伦(Allen) ”系统也在常见凹槽构型中，所述系统基本上是适于接收相似形状起子的直壁式六边形承座。美国专利5，957，645 (斯泰西(Stacy))中描述了一种具有多叶片的紧固件系统，所述叶片具有螺旋构型的驱动表面。
[0006]除了带肋系统以外，起子和凹槽的壁和面通常设计为彼此紧密配合，以尽力实现驱动表面与从动表面的面-面接触。使用十字凹槽紧固件，这种面-面接合(如果发生的话)仅能够在起子正确地对准和安置在凹槽内时发生。但是，作为实际的问题，为了使起子能够被插入凹槽内，在起子与凹槽之间必须存在一些间隙。
[0007]这种间隙的必要性对于具有基本轴向对准的(直)驱动壁的凹槽(如在赖兰的’725专利和Alien头部系统中)而言甚至更关键。在所有这些系统中，这种间隙的必要性的实际结果是:很少实现(如果有的话)起子与凹槽表面之间的基本面-面的宽区域接触。对于用于螺纹紧固件的大多数驱动系统，起子与头部中的凹槽以导致点接触或线接触而非面-面的宽区域接触的方式相匹配。接触的实际面积通常明显小于完全的面-面接触。由此，当由起子施加扭矩时，施加到螺纹头部上的力趋于集中在局部区域中而导致高的局部应力和不稳定的轴向对准。这种局部化的高应力能够使凹槽塑性变形，从而形成导致起子从凹槽中过早意外脱离的斜面或其他形变。
[0008]斯泰西’ 645专利中描述了用于使起子与驱动表面之间的可接合表面积最大化的紧固件系统，该专利与本主题申请是共同拥有的。’ 645专利的公开通过参引的方式并入本申请。’ 645专利的凹槽和起子构造为具有螺旋构型的接合表面，并且可以总体归类为直壁式紧固件系统，该接合表面基本平行于紧固件的轴线布置。美国专利申请公布2009-0104002(迪林(Dilling))(与本主题申请共同拥有)中描述了螺旋驱动式紧固件系统的更坚固的实施例。迪林申请的公开也通过参引的方式并入本文。
[0009]’ 645专利中所述发明的优点通过下述实现:将起子的驱动表面和紧固件的从动表面分别配置为符合螺旋部段，并且具体地配置为螺旋构型，该螺旋构型在起子的插入和移除期间容许起子与凹槽之间的明显的和较大的间隙，但是容许完全安置的起子旋转以占据该间隙。起子的驱动壁和凹槽的可与起子相接合的壁的螺旋构型使得当螺旋壁接合时，它们在较宽的区域上进行接合，从而将应力施加和分布到宽区域上。螺旋构型的驱动壁和从动壁定向为将所施加的扭矩的大部分引导为基本垂直于紧固件的半径而使得对几乎切向接合的摩擦依赖很小(如果有的话)。
[0010]直壁紧固件系统的另一示例是在授予赖兰的美国专利3，584，667中所述的系统。该参考文献通过参引的方式并入本文。赖兰’667专利描述了一种紧固件系统，其中驱动表面的几何结构包括基本以六边形形状布置的一系列半圆筒形表面。赖兰紧固件系统一般称为六叶片并且具有平行于紧固件的轴线的驱动表面。
[0011]尽管直壁紧固件在很多应用中通常顺利地使用，但是它们可能会遇到源自于起子与紧固件之间的轴向失准的困难。另外，已经很难获得提供卡紧配合特征的可靠的摩擦接合。卡紧配合特征是期望的以在开始安装紧固件的同时将紧固件以对准的方式保持在起子上。这在大批量的装配线作业(其使用电动起子头向紧固件施加扭矩)中是特别有用的。当紧固件长度延长时，轴向对准和卡紧配合也是重要的。
[0012]在使用直壁驱动系统的很多应用中，起子可能被电力驱动或者需要在受限接入的位置中被插入。在这种情况下，有必要在安装之前使紧固件可拆卸地接合到起子上，使得起子能够用作插入工具以及驱动器。这种“卡紧配合”特征已经在多种不同类型的紧固件中被尝试，例如在具有十字形(十字形状的几何结构)的紧固件/起子系统中，美国专利6，199，455和4，457，654中示出了若干这种系统。美国专利4，084，478中说明了具有方形驱动几何结构的紧固件系统。观察到的是，卡紧配合的努力集中于驱动表面上。
[0013]“卡紧配合”特征容许紧固件可拆卸地接合到起子上，以容许在难以抵达的、自动的和其他应用中将起子和紧固件作为一个单元进行操纵。一旦安装，紧固件和起子就能够以最小的努力脱开。
[0014]参考文献拉尔森(Larson)的美国专利4，269，246的感兴趣之处在于其采用了部分锥形的起子以增强接合。在拉尔森中，起子凹部的内半径设置为平行于起子的轴线，同时叶片的冠部朝向顶端向内成锥形。这种结构的明确目的在于避免起子头与凹槽之间的过早干涉。观察到的是，该构型导致起子与凹槽之间的周向和轴向的线接触，并且将不会增强稳定性或摩擦接合。仅仅起子头成锥形而凹槽的几何结构没有变化。
[0015]还感兴趣的是参考文献戈斯(Goss)的美国专利5，461，952。在戈斯中，起子的尾侧壁成锥形以提供逐渐变厚的叶片几何结构，这种结构产生在驱动表面上的摩擦接合。由于仅仅一个侧壁成锥形，因此与直侧驱动表面的接合变为周向线接触。同样，仅起子头被重行配置。这是由于不愿改变凹槽的几何结构，因为凹槽的几何结构的改变将导致失去与现有的起子的兼容性。反向兼容性在任意紧固件系统中特别是在直壁系统中是设计优点。
[0016]参考文献迪林的美国专利7，293,949(与本申请共同拥有)中描述了配置为在直壁紧固件中提供卡紧配合的紧固件系统。在迪林中，干涉表面构造在介于紧固件凹槽的翼部之间的内部非驱动过渡表面上。已经发现的是，使用用于这种类型紧固件系统的标准起子、使用位于凹槽的称为“B”尺寸上的干涉表面，可以获得改进的卡紧配合特征。
【发明内容】
[0017]本文所述的各种实施例提供了一种具有直壁驱动表面的紧固件系统，所述紧固件系统提供了可靠的卡紧配合特征，同时也提高了系统部件之间的接合的稳定性。所述新系统的重要特征在于允许现有的标准直壁起子能够接合到新系统中。为了实现该目标，新的起子和凹槽系统如下所述地构造。
[0018]本申请的直壁紧固件系统通常构造有凹槽和起子，其中所述凹槽具有从中央轴线径向向外延伸的多个翼部，所述起子具有与所述凹槽的所述翼部匹配的多个匹配叶片。所述翼部和叶片中的每一个具有驱动表面，所述驱动表面包括取决于所施加的扭矩的方向的安装表面和拆卸表面。这些驱动表面基本相对于所述紧固件系统的中央轴线平行对准地构造。相邻的翼部或叶片在外径处由非驱动过渡表面隔开。由所述外径形成的直径在本文将称为“A”尺寸，正如在图中所示。
[0019]为了产生干涉配合且提供卡紧配合，基本平直的干涉轮廓部在起子叶片的“A”尺寸表面上形成，而匹配的干涉轮廓部在凹槽翼部的相对的“A”尺寸表面上形成。所述凹槽相对于标准直壁凹槽扩大以提供用于标准直壁起子在不与所