自冲铆钉间隙孔
阅读：442发布：2020-05-11
专利汇可以提供自冲铆钉间隙孔专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种将多个材料层附接到一起的系统，包含自冲 铆钉 、具有装配中 自冲铆钉 可以通过的间隙孔的层以及自冲铆钉至少部分地插入的没有间隙孔的层。该系统可以包括没有间隙孔的第三层。该系统也可以包括三层，其中间隙孔形成在 中间层 内。如果间隙孔在中间层内形成，间隙孔的宽度大于自冲铆钉的直径，从而避免铆钉和中间层之间的 接触 。具有间隙孔的层可以是例如 钢 的硬质材料。多层中的一层或多层可以是难以刺穿或在刺穿的情况下会受损伤的材料。，下面是自冲铆钉间隙孔专利的具体信息内容。
1.一种将多个材料层附接到一起的系统，包含：
自冲铆钉，所述自冲铆钉包括铆钉头、主体以及尾部，所述自冲铆钉还包括在所述铆钉头和所述主体的交界处形成的斜面；
具有间隙孔的中间层，在装配期间所述自冲铆钉通过该间隙孔；以及没有间隙孔的层，并且所述自冲铆钉至少部分地插入该层；
其中所述间隙孔具有宽度并且所述自冲铆钉具有直径，以及其中所述间隙孔的所述宽度大于所述自冲铆钉的直径，由此避免所述自冲铆钉与材料的所述中间层接触以减轻腐蚀。
2.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，包括第三层，其中所述第三层没有间隙孔。
3.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，包括四层，其中具有间隙孔的层是第一层和第二层，并且第三和第四层中的每一个都没有间隙孔。
4.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，包括四层，其中具有间隙孔的层是第一层和第三层，并且第二和第四层中的每一个都没有间隙孔。
5.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，包括四层，其中具有间隙孔的层是第二层和第三层，并且第一和第四层中的每一个都没有间隙孔。
6.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，其中具有所述间隙孔的层选自由钢、碳纤维复合材料以及镁合金组成的组。
7.根据权利要求1所述的将多个材料层附接到一起的系统，其中所述自冲铆钉包括具有直径的铆钉头，并且所述间隙孔具有直径，以及其中所述铆钉头的所述直径大于所述间隙孔的所述直径。
自冲铆钉间隙孔
技术领域
背景技术
[0002] 汽车制造业不断地面临各种领域的新挑战，包括车辆安全性、可靠性、耐久性以及成本。出于环境和成本的双重原因，也许汽车行业目前面临的最大挑战是在不影响安全性、动力或耐久性的情况下提升燃油里程以减少碳排放并且增加燃料经济性的需求。在2011年，新的燃料经济性要求实施，该要求到2025年实现美国车辆每加仑平均54.5英里。随着该行业向那个目标年移动，对于不同尺寸的车辆的燃料年度经济要求将加强。
[0003] 已经做出增加车辆燃料经济性的努力。这些努力可以分为两种途径：“供应”方面和“需求”方面。
[0004] 在供应方面，注意力放在通过例如利用电力或混合动力电力传动系统来提高能量转换效率。此外，正在开发和采用新的车辆传动系统，包括较小的发动机以及具有多个齿轮和分动箱的更高效的变速器。包括启动-停止以及发动机气缸停用策略的其他技术在降低燃料消耗上也证明是有效的。具有多个齿轮的改进的变速器也是增加燃料消耗效率的重要因素。
[0005] 在需求方面，尽管例如改进空气动力以及降低阻力的其他方面也是重要的，但关键是降低重量。传统车辆依靠钢组件，尤其是货车。在过去的100年里，大部分车辆的材料选择是钢。现在钢占据了平均车辆重量的约60％。
[0006] 尽管钢在组分上有所改善，但无论何种类型的钢的重量仍然是显著的。也可能的是，当所利用的钢降低组件厚度时，车辆重量降低。但是，在某种意义上，不顾及所用钢材的等级而降低钢材厚度不再可行。利用高强度钢或高级高强度钢不能改变在不影响车辆性能的情况下而改善通过降低钢材厚度而降低车辆重量的程度是受限制的现实。
[0007] 因此，随着汽车行业继续关注使车辆重量减轻从而满足顾客对燃料经济性的期望以及CAFE(统合燃料平均效能)要求，对于包括铝密集型车辆应用的可替代的材料的兴趣在增加。这是由于通过利用更轻的材料替代当前所用的钢件可以最直接地实现车辆重量的降低。但是，有限种类的材料可用作汽车钢的替代品。碳纤维是一种这样的材料，其重量轻并且强度高。
[0009] 相应地，更多的注意力放在重量约为钢重量1/3的铝的利用上。铝对于车辆利用而言并非新的材料，并且铝已经作为铸造材料利用了超过100年。利用铝不仅提供了重量的降低，也带来了良好的碰撞性能。调查显示，在碰撞中铝可以表现的像传统钢一样并且显示出每磅能吸收低碳钢的两倍的碰撞能量的能力，具有良好的弯曲以及能量吸收特性。
[0010] 在白车身结构，接合方法传统地依靠电阻点焊(例如在钢结构中)。在铝密集车辆以及其他混合金属接合应用的情况下，盛行自冲铆钉(SPR)技术。SPR技术的一个优势是该技术是高产量装配工艺。而且，它与粘结剂相兼容，在这种情况下可以利用两种方法的组合。
[0011] 但是，SPR时常面临的挑战是载体材料难以冲入。这会导致铆钉断裂或弯曲，由此损伤接合的整体性。而且，在铆接时，载体材料会积累损伤，这对耐久性而言是不期望的。这样的一个示例是复合材料中的纤维分层。最终，当铆接材料和载体材料之间潜在地存在大电流时会引入腐蚀问题。由于时间以及暴露在周围环境状况下，这会降低接合的整体性。
[0012] 正如车辆技术的诸多领域，总是存在通过自冲铆接提升材料的机械紧固的空间。
发明内容
[0013] 本发明构思克服了自冲铆接材料的已知系统和方法中的相关问题，其中一些材料可以是硬质材料。本发明构思通过在两层的情况下在上层或在三层的情况下在中间层形成的用于铆接的间隙孔而提供这些类型的应用的解决方案。本发明构思也具有多于三层材料被自冲铆接的应用。通过形成一个或多个间隙孔，避免了载体以及铆钉的变形，因此克服了本领域在将材料铆接到一起的方法所面临的挑战。
[0014] 本发明构思也适用于纤维分层必须最小化的接合中，例如碳纤维复合材料。间隙孔位于复合层内，于是在自冲铆接过程中避免载体损伤。
[0015] 因此本发明构思克服了该行业在不同材料接合的装配过程中所面临的挑战。因此，本发明构思的一个重要优势是它实现了SPR接合的更多应用，尤其是堆叠困难的。由于不存在其他低成本、自动接合的解决方案，因此没有该解决方案，必须降低混合材料以及超高强度和低塑性材料的利用。
[0016] 根据本发明，提供一种将多个材料层附接到一起的系统，包含：
[0017] 自冲铆钉；
[0018] 具有间隙孔的层，在装配期间所述自冲铆钉通过该间隙孔；以及
[0019] 没有间隙孔的层，并且所述自冲铆钉至少部分地插入该层。
[0020] 根据本发明的一个实施例，包括第三层，其中所述第三层没有间隙孔。
[0021] 根据本发明的一个实施例，其中所述具有所述间隙孔的层是中间层。
[0022] 根据本发明的一个实施例，其中所述间隙孔具有宽度并且所述自冲铆钉具有直径，以及其中所述间隙孔的所述宽度大于所述自冲铆钉的直径，由此避免所述自冲铆钉与材料的所述中间层接触。
[0023] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层并且第二、第三和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0024] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层和第二层，并且第三和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0025] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层和第三层，并且第二和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0026] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第二层和第三层，并且第一和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0027] 根据本发明的一个实施例，其中所述具有所述间隙孔的层选自由钢、碳纤维复合材料以及镁合金组成的组。
[0028] 根据本发明的一个实施例，其中所述自冲铆钉包括具有直径的铆钉头，并且所述间隙孔具有直径，以及其中所述铆钉头的所述直径大于所述间隙孔的所述直径。
[0029] 根据本发明，提供一种将多个材料层附接到一起的方法，包含以下步骤：
[0030] 在材料层内形成自冲铆钉可通过的间隙孔；
[0031] 在另一没有间隙孔的材料层上安置所述材料层；
[0032] 使自冲铆钉通过所述间隙孔；以及
[0033] 将所述自冲铆钉压入所述没有间隙孔的材料层。
[0034] 根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包括附接第三层以及其中所述第三层没有间隙孔。
[0035] 根据本发明的一个实施例，其中所述间隙孔在中间层形成。
[0036] 根据本发明的一个实施例，其中所述间隙孔具有宽度并且所述自冲铆钉具有直径，以及其中所述间隙孔的所述宽度大于所述自冲铆钉的直径，由此避免所述自冲铆钉与所述中间材料层的接触。
[0037] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层并且第二、第三和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0038] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层和第二层，并且第三和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0039] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第一层和第三层，并且第二和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0040] 根据本发明的一个实施例，包括四层，其中所述具有间隙孔的层是第二层和第三层，并且第一和第四层中的每一个都没有间隙孔。
[0041] 根据本发明的一个实施例，其中具有所述间隙孔的所述层选自由钢、碳纤维复合材料以及镁合金组成的组。
[0042] 根据本发明的一个实施例，其中所述自冲铆钉包括具有直径的铆钉头，并且所述间隙孔具有直径，以及其中所述铆钉头的所述直径大于所述间隙孔的所述直径。
附图说明
[0044] 为了更完整的理解本发明，现在应参考附图中更加详细示出的以及以本发明的示例的形式在下面说明的实施例，其中：
[0046] 图1B是根据现有技术的自冲铆接工艺的第二步的示意图，其中初始压力施加到冲头；
[0047] 图1C是根据现有技术的自冲铆接工艺的第三步的示意图，其中铆钉刺穿上层并且与下层互锁；
[0048] 图1D是根据现有技术的自冲铆接工艺的第四步的示意图，其中铆接工艺已经完成并且已经移除冲头和防皱压板；
[0049] 图2是根据本发明构思的第一个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有两层材料的堆叠的上层形成；
[0050] 图3是根据本发明构思的第二个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有三层材料的堆叠的中间层形成；
[0051] 图4是根据本发明构思的第三个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有四层材料的堆叠的顶层形成；
[0052] 图5是根据本发明构思的第四个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有四层材料的堆叠的顶层以及第二层形成；
[0053] 图6是根据本发明构思的第五个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有四层材料的堆叠的顶层以及第三层形成；以及
[0054] 图7是根据本发明构思的第六个实施例的装置的示意图，其中间隙孔在具有四层材料的堆叠的第二层以及第三层形成。
具体实施方式
[0055] 在下面的附图中，相同的附图标记用于指代相同的组件。在下面的说明中，各种操作参数以及组件用于说明不同构造的实施例。这些特定的参数以及组件作为示例被包括而并不是限制的意思。
[0056] 本发明构思可以以任何数量在多层相同或不同的材料附接到一起的应用中发现其利用。相应地，本发明构思可以利用在汽车以及货车的生产中。
[0057] 如图1A到1D所示是自冲铆接在多个组件的装配中应用的已知技术。这些附图示意性地示出了在自冲铆接工艺中所涉及的步骤。随着铆钉插入堆叠，材料在模具中变形并且由此产生的形式被称作“按钮”。
[0058] 如图1A所示，其示出了根据现有技术的自冲铆接工艺的第一步。第一层10显示位于第二层12的上方位置。铆钉14显示位于第一层10上方的位置。在冲头16被施加压力之前，冲头16以及防皱压板18显示为相对铆钉14就位。模具20在第二层12的下方位置。
[0059] 在图1B中，示出了根据现有技术的自冲铆接工艺的第二步。在这个步骤中，初始压力施加到冲头16，并且铆钉14显示开始使第一层10和第二层12变形。
[0060] 在图1C中，示出了根据现有技术的自冲铆接工艺的第三步。在这个步骤中，冲头16已经完全插入通过防皱压板18，铆钉14刺穿第一层并且使第二层12成型。
[0061] 在图1D中，示出了根据现有技术的自冲铆接工艺的第四步。在这个步骤中，显示为完全插入铆钉14通过第一层10并且在第二层12内形成了按钮。冲头16以及防皱压板18已经移除到与第一层10不再接触。
[0062] 如图2和图3所示，本发明构思可以与两层或更多层材料的任意组合应用。在图2中，显示为铆接两层。在图3中，显示为铆接三层。也可能的是，根据本发明的构思，可以铆接多于三层材料。
[0063] 参照图2，其示出了根据本发明构思的第一个实施例的装配接合的示意图，总体示为30。接合30包括由位于第二层34上方的第一层32限定的材料堆叠。间隙孔36形成于第一层32。第一层32是硬质材料，如果间隙孔36没有在铆接之前形成，那么由于铆钉断裂或弯曲，它会导致差的机械连接，由此影响接合的整体性。这样的硬质材料可以包括但不限于例如碳素钢等级(DP800)的硬质钢。
[0064] 但是，本发明构思不限于在金属材料内形成的间隙孔。如一个非限制性示例，本发明构思也可以应用于纤维分层必须最小化的接合中，例如碳纤维复合材料。在这样的情况下，间隙孔位于复合材料层内，由此避免铆接中载体的损伤。
[0065] 通过在第一层32内形成间隙孔36以及第一层32置于第二层34之上，在接合中，插入铆钉38通过间隙孔36并且与第二层34互锁，第二层34由未指定的材料板组成，其可以与第一层32的材料相同或不同的。铆钉38包括提供夹紧力的铆钉头40、主体42以及尾部44。
[0066] 根据本发明构思的系统，铆钉38没有刺穿具有间隙孔36的第一层32，以及由此避免影响铆钉38。接合30的夹紧力由铆钉38的铆钉头40提供，铆钉头40延伸超出间隙孔36的直径。尾部44与第二层34互锁。
[0067] 如图3所示，本发明构思可以应用到多于两层的材料堆叠。这个附图示出了根据本发明构思的第二个实施例的装配接合的示意图，总体显示为50。接合50包括由第一层52、第二或中间层54以及第三层56限定的材料堆叠。因此第二或中间层54夹在第一层52和第三层56之间。但是，可以理解的是，如图4到7所示以及结合其说明的，铆接的材料堆叠可以包括多于三层的材料。
[0068] 间隙孔58于第一层52和第三层56放置在第二或中间层54上的位置之前在第二或中间层54形成。当间隙孔58在第二或中间层54形成并且第二层52和第三层56放置在第二或中间层54上时，在接合期间，插入铆钉60通过间隙孔58。铆钉60包括铆钉头62、主体64以及在接合时与第三层56互锁的尾部66。
[0069] 第一层52、第二或中间层54以及第三层56可以是多种材料中的任何一种，包括金属(例如钢或尤其是述碳素钢等级[DP800])或碳纤维复合材料。但是，通常可以理解的是，第二或中间层54是在铆钉不断裂或不引起载体材料损伤的情况下铆钉难以刺穿的材料。该材料可以是彼此相同或不同的。
[0070] 根据图3所示的本发明构思的系统，铆钉60刺穿第一层52并且在第三层56形成按钮，但是不刺穿具有间隙孔58的第二或中间层54，以及由此避免影响铆钉60。接合50的夹紧力由铆钉60的铆钉头62提供，铆钉头62延伸超出间隙孔58的直径。刺穿动作引起第一层52的一部分被卡在铆钉60的主体64的孔中。
[0071] 当间隙孔在中间层之一时，由于铆钉60通过间隙孔58，铆钉材料(通常是高强度硼钢，例如10B37)和载体(例如镁合金，包括AM60)之间缺乏接触，因此减轻了腐蚀的问题。
[0072] 如本发明构思的进一步变形，多于三层的材料堆叠可以从此处公开的利用铆钉作为机械紧固件的系统和方法中受益。尤其地，以及总体参照图4到图7，其示出了四层材料堆叠。但是，应该理解的是，利用如此处提供的铆钉与间隙孔的组合也可以用于形成多于四层的材料堆叠。
[0073] 参照图4，其示出了根据本发明构思的第三个实施例的装配接合的示意图，总体上显示为70。接合70包括由第一层72、第二层74、第三层76以及第四层78限定的材料堆叠。因此第二层74和第三层76夹在第一层72和第四层78之间。
[0074] 第一层72、第二层74、第三层76以及第四层78可以是多种材料中的任何一种，包括金属(例如钢或尤其是上述碳素钢等级[DP800])或碳纤维复合材料。该材料可以彼此相同或不同。
[0075] 在层72、74、76以及78夹在一起之前，间隙孔80在第一层72形成。间隙孔80在第一层72形成以及第一层72放置于第二层74、第三层76以及第四层78之上，在接合中，插入铆钉82通过间隙孔80。铆钉82包括提供夹紧力的铆钉头84。铆钉82进一步包括主体86以及尾部
88。
88。
[0076] 一旦插入，铆钉82刺穿第二层74和第三层76。铆钉82的尾部88与第四层78互锁。刺穿动作引起第二层74的一部分以及第三层76的一部分卡在铆钉主体86的孔内。
[0077] 参照图5，其示出了根据本发明构思的第四个实施例的装配接合的示意图，总体上显示为90。接合90包括由第一层92、第二层94、第三层96以及第四层98限定的材料堆叠。因此第二层94和第三层96夹在第一层92和第四层98之间。
[0078] 第一层92、第二层94、第三层96以及第四层98可以是多种材料中的任何一种，包括金属(例如钢或尤其是上述碳素钢等级[DP800])或碳纤维复合材料。该材料可以彼此相同或不同。
[0079] 第一间隙孔100在第一层92形成，第二间隙孔102在第二层94形成。第一间隙孔100以及第二间隙孔102在层92、94、96以及98夹在一起之前分别在层92和94形成。第一间隙孔100在第一层92形成，第二间隙孔102在第二层94形成以及层92、94、96以及98装配堆叠，在接合中，插入铆钉104通过第一间隙孔100以及第二间隙孔102。铆钉104包括提供夹紧力的铆钉头106。铆钉104进一步包括主体108以及尾部110。
[0080] 一旦插入，铆钉104刺穿第三层96。铆钉104的尾部110与第四层98互锁。刺穿动作引起第三层96的一部分卡在铆钉104的主体108的孔内。
[0081] 参照图6，其示出了根据本发明构思的第五个实施例的装配接合的示意图，总体上显示为120。接合120包括由第一层122、第二层124、第三层126以及第四层128限定的材料堆叠。因此第二层124和第三层126夹在第一层122和第四层128之间。
[0082] 第一层122、第二层124、第三层126以及第四层128可以是多种材料中的任何一种，包括金属(例如钢或尤其是上述碳素钢等级[DP800])或碳纤维复合材料。该材料可以彼此相同或不同。
[0083] 第一间隙孔130在第一层122形成，第二间隙孔132在第三层126形成。第一间隙孔130以及第二间隙孔132在层122、124、126以及128夹在一起之前分别在层122和126形成。第一间隙孔130在第一层122形成，第二间隙孔132在第三层126形成以及层122、124、126以及
128装配堆叠，在接合中，插入铆钉134通过第一间隙孔130以及第二间隙孔132。铆钉134包括提供夹紧力的铆钉头136。铆钉134进一步包括主体138以及尾部140。
128装配堆叠，在接合中，插入铆钉134通过第一间隙孔130以及第二间隙孔132。铆钉134包括提供夹紧力的铆钉头136。铆钉134进一步包括主体138以及尾部140。
[0084] 一旦插入，铆钉134刺穿第二层124。铆钉134的尾部140与第四层128互锁。刺穿动作引起第二层124的一部分卡在铆钉134的主体138的孔内。
[0085] 参照图7，其示出了根据本发明构思的第六个实施例的装配接合的示意图，总体上显示为150。接合150包括由第一层152、第二层154、第三层156以及第四层158限定的材料堆叠。因此第二层154和第三层156夹在第一层152和第四层158之间。
[0086] 第一层152、第二层154、第三层156以及第四层158可以是多种材料中的任何一种，包括金属(例如钢或尤其是上述碳素钢等级[DP800])或碳纤维复合材料。该材料可以彼此相同或不同。
[0087] 第一间隙孔160在第二层154形成，第二间隙孔162在第三层156形成。第一间隙孔160以及第二间隙孔162在层152、154、156以及158夹在一起之前分别在层154和156形成。第一间隙孔160在第二层154形成，第二间隙孔162在第三层156形成以及层152、154、156以及
158装配堆叠，在接合中，插入铆钉164通过第一间隙孔160以及第二间隙孔162。铆钉164包括提供夹紧力的铆钉头166。铆钉164进一步包括主体168以及尾部170。
158装配堆叠，在接合中，插入铆钉164通过第一间隙孔160以及第二间隙孔162。铆钉164包括提供夹紧力的铆钉头166。铆钉164进一步包括主体168以及尾部170。
[0088] 一旦插入，铆钉164刺穿第一层152。铆钉164的尾部170与第四层158互锁。刺穿行动引起第一层152的一部分卡在铆钉164的主体168的孔内。
[0089] 本发明构思的优势之一是它实现了自冲铆接接合的更多应用，尤其在困难的堆叠中。由于不存在其他低成本、自动接合的解决方案，因此在没有本发明的解决方案的情况下，混合材料以及超高强度以及低塑性材料的利用会减少。
[0090] 至少基于上述原因，以上所述的本发明通过在至少一个材料层内形成的间隙孔来克服铆接多层材料的已知方法所面临的挑战。但是，本领域的技术人员可以从这样的说明以及从附图和权利要求中认识到在不脱离由下述权利要求所限定的本发明的真实精神和合理的范围的情况下可以做出各种变化、改变和变形。
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