(57)【要約】少なくとも２つの構成要素を分離不能に接続するための接続エレメント及び複合配置を提供する。本発明は、接続エレメント（１０）の長手方向軸（１０．１）を中心として接続エレメント（１０）が回転したときに摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素（１２．１，１２．２）を分離不能に接続するための接続エレメント（１０）に関する。接続エレメント（１０）は、長手方向軸（１０．１）に沿って形成された軸部（１０．２〜１０．４）と、軸部（１０．２〜１０．４）に接続された頭部（１０．２〜１０．４）と、を有する。軸部（１０．２〜１０．４）は、少なくとも１つの構成要素（１２．１）を貫通するための軸部面（１０．２）を軸部（１０．２〜１０．４）の自由端に有している。頭部（１０．２〜１０．４）は、長手方向軸（１０．１）を中心としたトルクを旋削工具から軸部（１０．２〜１０．４）に伝えるように軸部（１０．２〜１０．４）に接続されている。軸部面（１０．２）は、軸部端面（１０．２１）を有する。軸部端面は、尖っていない形状を有する凸状のエンベロープ（１０．２２）を有する。
2021504147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続エレメント（１０）であって、
前記接続エレメント（１０）は、当該接続エレメント（１０）の長手方向軸（１０．１）を中心に回転したときに摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素（１２．１，１２．２）を分離不能に接続し、
前記長手方向軸（１０．１）に沿って形成された軸部（１０．２〜１０．４）と、
前記軸部（１０．２〜１０．４）に接続された頭部（１０．５）と、
を備え、
前記軸部（１０．２〜１０．４）は、前記軸部（１０．２〜１０．４）の自由端に、少なくとも１つの構成要素（１２．１）を貫通する軸部面（１０．２）を有し、
前記頭部（１０．５）は、前記長手方向軸（１０．１）を中心としたトルクを回転工具から前記軸部（１０．２〜１０．４）にトルクを伝えるように前記軸部（１０．２〜１０．４）に接続されており、
前記軸部面（１０．２）は軸部端面（１０．２１）を有し、当該軸部端面は、尖っていない形状を有する凸状のエンベロープ（１０．２２）を有する、ことを特徴とする接続エレメント（１０）。
【請求項２】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−前記軸部端面（１０．２１）は、複数の凹部及び凸部を有し、
−前記軸部端面（１０．２１）は、ゴルフボール形状に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の接続エレメント（１０）。
【請求項３】
前記軸部端面（１０．２１）の前記エンベロープ（１０．２２）は、長手方向の断面において、円形又は円弧形の輪郭を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の接続エレメント（１０）。
【請求項４】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−前記軸部（１０．２〜１０．４）は、前記軸部（１０．２〜１０．４）の前記自由端から延びる成形部分（１０．３）と、前記軸部（１０．２〜１０．４）の前記頭部（１０．５）から延びる保持部分（１０．４）と、を有し、
−前記成形部分（１０．３）は、断面において丸みを帯びた角部を有する多角形状の輪郭（１０．３１）を有し、
−前記成形部分（１０．３）の前記多角形状の輪郭（１０．３１）は、少なくとも３つの角部を有し、
−前記保持部分（１０．４）の直径は、前記成形部分（１０．３）の最大直径よりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項５】
成形部分（１０．３）は、断面において、局所的に交互に直線形及び円弧状をなす輪郭（１０．３１）を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項６】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−成形部分（１０．３）の平坦面の断面は多角形状であり、１つの多角形は、好ましくは三角形又は四角形であり、
−前記成形部分（１０．３）の外側面は、前記長手方向軸を中心として前記成形部分（１０．３）の周方向に亘っており、
−前記成形部分（１０．３）の外側面は三多角形であり、
−前記成形部分（１０．３）の外側面は、ｉ）半径方向の溝、切欠き又はくぼみを有するか、あるいは、ｉｉ）平滑な面である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項７】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−保持部分（１０．４）は、円筒形、略円筒形又は円錐形であり、特に、前記保持部分（１０．４）の外側面は平滑であり、
−ｉ）前記軸部面（１０．２）と成形部分（１０．３）との間の移行部分、及び／又は、ｉｉ）前記成形部分（１０．３）と前記保持部分（１０．４）との移行部分は円形である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項８】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−前記軸部（１０．２〜１０．４）に面する前記頭部（１０．５）の底部は、周方向溝（１０．５１）を有し、
−前記軸部（１０．２〜１０．４）の反対側に面する前記頭部（１０．５）の上方側には、回転工具から前記頭部（１０．５）にトルクを伝えるためのトルク連結部（１０．５２）が設けられており、
−前記トルク連結部（１０．５２）は、複数の半径方向の溝、凹部又は凸部を有する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項９】
以下の特徴の少なくとも一つを有する接続エレメントであって、
−前記接続エレメント（１０）は、鋼合金、好ましくは、ねじ焼戻し材、特に２０ＭｎＢ４から形成され、
−少なくとも前記軸部端面（１０．２１）は、電気亜鉛めっきされており、好ましくは亜鉛又は亜鉛ニッケル化合物を含む材料の層が少なくとも前記軸部端面（１０．２１）に電気化学的に適用され、
−成形部分（１０．３）の長さは、前記軸部（１０．２〜１０．４）の長さより約２〜３倍小さい、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項１０】
前記軸部端面（１０．２１）を除いて、前記接続エレメント（１０）は、電気めっきされている、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の接続エレメント（１０）。
【請求項１１】
−少なくとも２つの構成要素（１２．１，１２．２）と、
−請求項１〜１０のいずれかに記載された少なくとも１つの接続エレメント（１０）であって、摩擦圧接により前記構成要素（１２．１，１２．２）を分離不能に接続する少なくとも１つの接続エレメント（１０）と、
を備える、複合配置。
【請求項１２】
以下の特徴の少なくとも一つを有する複合配置であって、
−前記構成要素（１２．１，１２．２）は金属製又は金属合金製であり、
−前記構成要素（１２．１，１２．２）のうち少なくとも１つの構成要素、特に前記接続エレメント（１０）が貫通する少なくとも第１の構成要素（１２．１）は、非鉄金属、好ましくは銅、アルミニウム又は真鍮を含む材料、及び／又は、前記接続エレメント（１０）より低い材料硬度を有する材料から形成され、
−前記構成要素のうち第１の構成要素（１２．２）として配設されない少なくとも１つの構成要素は鋼鉄製であり、
−前記構成要素（１２．１，１２．２）の総厚は、最大で前記接続エレメント（１０）の保持部分の長さと等しい、ことを特徴とする請求項１１に記載の複合配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素を分離不能に接続する接続エレメント及び摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素を接続する少なくとも１つの接続エレメントの複合配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料又は構成要素の自動結合技術では、処理時間又は処理速度は、生産性及びコストに関して重要な要素である。このため、処理時間の短縮が広く望まれている。しかし、この要望は、処理時間の増加をもたらす摩擦圧接による結合時における結合エレメントに対する高い軸方向の力などの技術的な境界条件又は結合エレメントを回転させたときに生じる金属チップ量の減少の要求と干渉する。
【０００３】
互いに配置された２つのワーク片を結合するための結合エレメントは、独国第１０２００９００６７７５Ａ１号公報により公知となっている。結合エレメントの貫通部分は、環状の縁部、先端刃又はギャップ状の凹部などの、第１のワーク片への結合エレメントの貫通を促進させる形状をなす球状の突起を有する。
【０００４】
貫通部に突起を形成することにより、ワーク片が加工される。そのような処理には、結合エレメントを回転させたときに生じる金属チップ量の増加や強度が不十分な接続部分の形成などの問題が伴う。
【０００５】
独国第１０２０１００１７５５０Ａ１号公報は、少なくとも２つのプレート状の構成要素を摩擦圧接により接続するための接続エレメントを開示している。接続エレメントは、ねじ山を有する非円形の外形状を有する。これにより目的の方法で変形した材料が導かれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのような処理には、接続エレメントを回転させたときに生じる金属チップ量の増加、接続エレメントに加える力の増加に起因する処理時間の上昇などの問題が伴う。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明の目的は、接続エレメント又は連結エレメントに関する上記の不利益を完全に又は少なくとも部分的に排除することである。特に、本発明の目的は、摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素を分離不能に（取り外しできないように）接続するための接続エレメント及び少なくとも１つの接続エレメントによる複合的な配置（複合配置）を提供することである。これにより、接続強度が向上し、かつ／又は、接続部分の形成がより効率的になり、好ましくは材料の廃棄が減少し、かつ／又は接続のための処理時間が減少する。
【０００８】
上記目的は独立請求項によって実現する。したがって、前記目的は、請求項１に記載の特徴を有し、摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素を分離不能に接続するための接続エレメント、及び請求項１０に記載の特徴を有し、摩擦圧接により少なくとも２つの構成要素を接続する少なくとも１つの接続エレメントを有する複合配置により実現する。本発明のさらなる特徴及び細部は従属請求項、明細書及び図面に記載されている。接続エレメントについて記載した特徴及び詳細は、複合配置にも適用され、その逆も同様である。そのため、本開示では本発明の個々の態様が参照され得る。
【０００９】
第１の態様によれば、前記目的は、接続エレメントが接続エレメントの長手方向軸に回転したときに、摩擦圧接により少なくとも２つの、特にプレート状の構成要素を分離不能に接続する接続エレメントにより実現する。この接続は連結として理解することができ、また、接続エレメントは、連結エレメント又は摩擦圧接接続エレメントとして理解することができる。
【００１０】
接続エレメントは、長手方向軸に沿って形成された軸部と、軸部に接続された頭部と、を有する。軸部は、軸部の自由端に、少なくとも１つの構成要素を貫通するための軸部面を有する。頭部は、長手方向軸を中心とした回転トルクを回転工具から軸部に伝えるように軸部に接続されている。
【００１１】
軸部面は外側領域に面する軸部端面を有し、軸部端面は、凸状のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）及び／又は凸形状を有する。エンベロープは尖っていない形状（鈍形状）を有するか又は軸部端面は尖っていない形状を有する。
【００１２】
本願において、「軸部面」及び「軸部端面」との用語は、軸部面又は軸部端面の形状に関して同等に使用されるか、あるいは同じ物を表す。しかし、軸部面の前方部分は、軸部端面と異なり、問題となる対象物の内部領域を特定する。軸部端面の経路を参照することにより空間的な２次元の経路が特定される。
【００１３】
軸部端面のエンベロープは、軸部端面を囲う面であって、軸部端面の相対最大値を点により接続する面として理解されたい。軸部端面の相対最大値は、好ましくは、軸部端面の山形状又は山形状の高さであり、軸部端面は複数の相対最大値を有していてもよい。相対最大値は、好ましくは、２次元の補間面の点を支持し、好ましくは、補間は線形であるか、又はスプラインにより形成される。２次元の補間面は、好ましくは、相対最大値を接続するか又は点を互いに支持して、エンベロープを形成する。
【００１４】
エンベロープを通る断面においてエンベロープを凸関数で表す場合、軸部端面のエンベロープは凸をなす。断面は、好ましくは、長手方向軸を含む長手方向の断面又は長手方向軸に直交する断面である。関数の全範囲について以下の条件が満たされる場合、関数は凸である。−関数のグラフにおける任意の２点間の線分がグラフの上方、つまり、エンベロープ又は軸部の前方部分の内部領域にあること、及び、−関数の２次導関数が０より大きいこと。
【００１５】
面が鋭利な先端を有していない、角張っていない又は鋭いエッジを有していない場合、面、好ましくは軸部端面又はそのエンベロープは、尖っていない（ｂｌｕｎｔ）形状を有する。好ましくは、断面又は長手方向の断面において、その一次導関数が関数のエッジ間で連続する連続関数で面が表される場合又は表すことができる場合、面は尖っていない形状（鈍形状）を有する。
【００１６】
尖っていない形状を有する面は、尖っていない面とみなすことができる。環状のエッジ、先端刃又はギャップ状の凹部を含む凸部を有する軸部端面は、それぞれ角張った又は鋭いエッジを有するとみなすことができ、尖っていない形状を有していない。特に、そのような軸部端面のエンベロープは尖っていない形状を有していない。
【００１７】
第２の態様によれば、前記目的は、少なくとも２つの構成要素及び第１の態様に係る少なくとも１つの接続エレメントを備え、摩擦圧接により構成要素を分離不能に接続する複合配置により実現する。
【００１８】
好ましくは、構成要素は、プレート状及び／又は金属製のシート状をなしている。しかし、構成要素は異なる構成であってもよい。例えば、接続エレメントが最初に貫通する第１の構成要素はプレート状であってもよい。第１の構成要素が平坦に配置され、接続エレメントにより接続される第２の構成要素は、第１の構成要素が配置される第２の構成要素が所定の領域において平坦面を有する場合、直方体又は立方体であってもよく、あるいは任意の形状を有していてもよい。
【００１９】
接続部分を形成する際、接続エレメントは、まず、回転及び軸方向の圧力によって少なくとも１つの第１の構成要素に押し込まれて第１の構成要素を貫通し、第２の構成要素を貫通せずに圧入される。回転及び圧入により生じた摩擦により、接続エレメント及び接触する構成要素の材料が高温となって構成要素材料が変形可能となり、進行する接続エレメントによって変形する。これにより、構成要素が互いに保持されている間に、材料の溶着により対応する構成要素に接続エレメントが接続される。
【００２０】
構成要素に接触し、構成要素を擦り、軟化させ、変形させ、貫通する接続エレメントの面の構造、特に貫通する軸部の領域の外側軸部面及び／又は軸部端面の構造は、主に接続エレメントと構成要素との間の摩擦の生成及び摩擦圧接の効率に影響を及ぼす。有利には、軸部端面が、ｉ）尖っていない経路を含む凸形状、及び／又はｉｉ）尖っていない経路を含む凸状のエンベロープを有する特徴（構造）によって以下の事象が実現する。−接続部分の形成時に、摩擦を増加させる面構造又は面の形状により、溶接される構成要素と軸部端面との間の接触の間により高温の熱が生じて処理時間が短縮される。−エッジ、特に鋭いエッジ又は先端部が存在しないことにより、接続エレメントを回転させたとき生じるチップが減少するか又は抑制されるため、接続部分の形成時に生じる材料の廃棄が減少する。−変位した構成要素の材料はチップとしては排出されないが、降伏応力が低減された材料の形態となり、冷却後に接続エレメントと構成要素との間の接続部分が強化されるため、形成される接続部分の強度が向上する。
【００２１】
本発明のさらに好ましい実施例では、軸部端面は、摩擦促進要素を備えた、球状シェルセグメントから逸脱した面構造を有する尖っていない面（鈍面）形状を有する。好ましくは、軸部端面は、以下に示す摩擦促進要素の少なくとも１つを有する。−軸部端面は、均等又は場合により不均等に配設された、例えば、山、丘及び谷の形状をなす複数の凹部及び凸部を有する。−軸部端面は、ゴルフボール状に形成されている。ゴルフボール状という用語は、好ましくは球状のシェルセグメントとして形成されたエンベロープを備えた面構造であって、凹部及び凸部を有する面構造（ゴルフボール構造）を意味している。例えば、凹部及び凸部は、均一に形成され、かつ／又は周期的に繰り返される。−軸部端面は、長手方向断面及び／又は横断面において波状の輪郭を有する。波状の輪郭は、正弦波形状、尖っていない角部を有するか又は角部が切断されたのこぎり歯形状（三角形）、あるいは尖っていない角部を有するか又は角部が切断された長方形であってもよい。
【００２２】
前述の面構造又は面形状は、軸部端面と構成要素との間の摩擦又は摩擦係数を増加させる。次いで、増加した摩擦は、接触面又は摩擦面における熱の発生を増加させ、かつ／又は摩耗効果を向上させ、接続エレメントの貫通を促進させ、摩擦圧接の効率を増加させ、材料の廃棄、例えばチップを生じさせずに処理時間又はサイクル時間を短縮することができるため有利である。
【００２３】
本発明のさらに好ましい実施例では、軸部端面のエンベロープは、長手方向の断面において、円形又は弧状の輪郭を有する。エッジ、特に鋭いエッジ又は先端部が存在しないことにより、接続エレメントをねじ込んだとき生じるチップが減少するか又は抑制されるため、接続部分の形成時に生じる材料の廃棄量が減少するため有利である。
【００２４】
全体として、軸部端面及び成形領域の外側面及びこれらの部分に設けられた摩擦促進要素を含む、接続エレメントの貫通部分の丸みを帯びた（円形の）又は尖っていない形状により、貫通部分の絡みつきを回避しつつ、摩擦の増加及び摩擦圧接効果の増加が確実に実現される。
【００２５】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、軸部端面のエンベロープは、長手方向軸を中心として回転対称であり、かつ／又は、断面において円形の輪郭を有する。これにより、製造が促進され、製造コストが削減される（回転対称のエレメントは非回転対称のエレメントよりも安価かつ容易に製造することができる）ため有利である。
【００２６】
本発明のさらに好ましい実施例では、軸部端面のエンベロープは、長手方向の平面において、円形又は放物線又は楕円形の輪郭を有する。そのような輪郭は、回転対称の形状との組み合わせにより、良好な摩擦をもたらし、材料の浪費を回避することができるとともに、製造を容易にし、製造コストを減少させるという有利な効果を有する。
【００２７】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、軸部は、軸部の自由端から延びる成形部分と、軸部の頭部から延びている保持部分と、を含む少なくとも２つの部分を有する。保持部分は、頭部を保持する軸部の上方部分を形成する。成形部分は、軸部面に隣接する軸部の下方部分を形成する。この軸部の下方部分は、軸部面とともに、接続エレメントと構成要素との間の摩擦の増加及び摩擦圧接効果の向上に寄与する。
【００２８】
本発明のさらに好ましい実施例では、成形部分は、断面において、丸みを帯びた角部を有する多角形の輪郭を有し、好ましくは、角部間の距離は、ｉ）摩擦圧接中に均一な回転運動を生じさせるために等しく、かつ／又は、ｉｉ）接続エレメントと構成要素との間の摩擦を増加させるとともに廃棄を抑制するため、所定の領域において直線及び／又は湾曲している。
【００２９】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、成形部分の多角形状の輪郭は、少なくとも３つ、４つ又は６つの角部を有する。これにより、接続エレメントと構成要素との間の摩擦が増加するとともに、廃棄が減少し、接続エレメントの製造コストが削減されるため有利である。
【００３０】
本発明のさらに好ましい実施例では、成形部分の外側面は、所定の領域において平坦（フラット）であり、好ましくは成形部分の外側面は、少なくとも３つの平坦な又は略平坦な面の部分を有する。略平坦な形状とは、平坦な形状から僅かに変形し僅かに湾曲した形状として理解されたい。これにより、外側面又は接触面において尖っていない経路（周面）が形成され、接続エレメントと構成要素との間の摩擦が増加し、廃棄を減少させることができるため有利である。
【００３１】
本発明のさらに好ましい実施例の場合、成形部分は、円筒形又は略円筒形である。本明細書において、円筒形とは、長手方向の断面において、成形部分の輪郭が長手方向軸に対して平行又は略平行に延びている形状として理解されたい。このとき、成形部分は必ずしも長手方向軸に対して回転対称である必要はない。
【００３２】
さらに、本発明のさらに好ましい実施例によれば、成形部分は、所定の領域において、断面が円弧形又は直線形の輪郭を有する。好ましくは、成形部分は、断面において、直線と円弧が交互になった輪郭を所定の領域に有する。円形から逸脱した略円形の形状は、摩擦を増加させると同時に、接続部分の形成中に生じる材料の廃棄を減少させることができるため有利である。
【００３３】
本発明のさらに好ましい実施例の場合、成形部分の外側面は、長手方向軸を中心として周方向に延在しており、特に半径方向の溝、切欠き（ノッチ）又はくぼみを有する。そのような形状は、断面において、周方向の外形における半径方向の変位によって特徴づけられる。任意の種類の凹部を有する形状は、好ましくは、断面において円形の形状又は外形を有する。摩擦促進要素を有する略円形の形状は、摩擦を増加させると同時に、接続部分の形成中に生じる材料の廃棄を減少させるため有利である。
【００３４】
代替例では、成形部分の外側面は、好ましくは、長手方向軸を中心として周方向に亘って平滑な（凹凸がない）面である。これにより、接続部分の形成中に生じる材料の廃棄を減少させ、かつ／又は、成形部分の外側面に亘って均一に力を伝えることができ、短縮されたサイクル時間で摩擦圧接による接続が実現する。
【００３５】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、成形部分の外側面は、三多角形（ｔｒｉｐｏｌｙｇｏｎａｌ）である。ここで、三多角形とは、特に、成形部分の外側面が３つの多角面（ｐｏｌｙｇｏｎａｌ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）、好ましくは４つの角面（ｃｏｒｎｅｒ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）又は長方形の面を含むことを意味する。これは、第１の構成要素における回転、摩擦熱の増加、接続エレメントのねじ込みに関して有利である。さらに、好ましくは、先端部、つまり軸部端面を除いて、接続エレメントを電気めっきしてもよい。
【００３６】
本発明のさらに好ましい実施例では、保持部分の外側面は、円筒形、略円筒形又は円錐形であり、特に平滑である（凹凸がない）。これは、接続エレメントのねじ込み又は貫通を促進させ、可塑化構成材料の変位を容易にするため有利である。
【００３７】
さらに、本発明のさらに好ましい実施例によれば、ｉ）軸部面と成形部分の外側面との間、及び／又は、ｉｉ）成形部分と保持部分との間の移行部分は円形である。さらに、これにより、構成要素を貫通する接続エレメントの前記部分が円形又は尖っていない形状となる。これは、軸部の外面の関連領域にエッジや先端部が存在しないことを確実にするため有利である。
【００３８】
本発明のさらに好ましい実施例では、軸部に面する頭部の底面は、周方向の溝を有する。この構成は、溝部に対応しており、接続部分の形成時に変形した又は生じた構成要素材料を受ける。これにより、頭部の底部における外側エッジが相互接続される構成要素の上部に平坦に配置されるとともに、湿気の侵入に対して形成された摩擦圧接接続部分にシールがもたらされる。
【００３９】
本発明のさらに好ましい実施例では、軸部の反対側に面する頭部の上方部分は、摩擦圧接の間に回転工具から接続エレメントの頭部にトルクを伝えるためのトルク連結部を含む。好ましくは、トルク連結部は、半径方向の溝部、凹部又は凸部を含む。これは、頭部に対するトルクの効果的な伝達及び接続エレメント全体のシンプルでかつ費用対効果の高い製造に関して有益である。そのようなトルク連結部は、接続エレメントの頭部に対して回転工具を下降させる際に接続エレメントに効果的にトルクを伝えるため非常に正確に回転工具を配置する必要がないため、自動化された用途に特に適している。
【００４０】
本発明のさらに好ましい実施例では、接続エレメントは、鋼合金、好ましくは、ねじ焼入れ焼戻し材又はマンガン含有及び／又はホウ素含有鋼、特に、２０ＭｎＢ４、２３ＭｎＢ４又は２２ＭｎＢ５から形成される。代替例では、接続エレメントはチタン合金から形成されている。特に、接続エレメントは、マルテンサイト構造を有する。代替例では、接続エレメントは、高強度を有するものとして知られているオーステナイト微細構造を有していてもよい。好ましくは、接続エレメントの表面は、例えば浸炭により硬化され、これにより、特に耐性のある浸透層が形成される。
【００４１】
また、好ましくは、接続エレメントは表面コーティングを有する。これは、好ましくは、電気めっき、化学ニッケル法、プラズマ溶射、動的低温ガス圧縮、フレーム溶射、硬質クロムめっき又は物理蒸着により行われる。特に高い硬度のため、接続エレメントは、少なくとも所定の領域において、特にセメント質構造を有する高炭素鋼を含む。
【００４２】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、少なくとも軸部端面、必要に応じて、成形領域及び保持部分を有する軸部は、電気亜鉛めっきされ、好ましくは、亜鉛又は亜鉛ニッケル化合物を含む材料の層が少なくとも軸部端面に電気化学的に適用される。軸部端面及び／又は成形領域に特に硬い層又は耐性のある層を形成することが有利である。理想的には、完全な接続エレメントは完全に電気めっきされる。また、素の先端部、つまり、電気めっきされていない軸部端面によっても信頼性の高い溶接が可能となる。
【００４３】
本発明のさらに好ましい実施例では、成形部分の長さは、軸部の長さよりも２〜３倍小さい（軸部の長さは、成形部分の長さより２〜３倍大きい）。これにより、摩擦圧接におけるサイクル時間が短縮され、円形の断面を有する保持部分によりシールが確実にもたらされるため有利である。
【００４４】
本発明のさらに好ましい実施例では、各々の構成要素が金属又は金属合金から形成される。したがって、摩擦圧接を有利に行うことができる。
【００４５】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、少なくとも１つの構成要素、特に、接続エレメントが貫通する少なくとも第１の構成要素は、非鉄金属、好ましくは銅、アルミニウム又は真鍮を含む材料から形成され、かつ／又は、接続エレメントにより低い材料硬度を有する。好ましくは、少なくとも１つの構成要素は、プラスチック、特に熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチックから形成されていてもよい。これにより、接続エレメントの構成要素への貫通が促進され、摩擦圧接の効率が向上するとともに、サイクル時間が短縮されるため有利である。
【００４６】
本発明のさらに好ましい実施例では、各々の構成要素は金属シート又は金属プレートとして形成されている。好ましくは、構成要素は、開口を有していなくてもよいし、あるいは、ｉ）成形部分の最大直径及び／又はｉｉ）保持部分の直径よりも小さい開口を有してもよい。摩擦圧接の間に形成され、接続エレメントにより充填された開口は、摩擦圧接接続部分の完了後、頭部から延びる軸部の保持部分によって確実にシールされるため有利である。このため、保持部分は、成形部分の最大直径よりも大きい直径を有していてもよい。
【００４７】
本発明のさらに好ましい実施例では、少なくとも一方の第１の構成要素の材料は、他方の構成要素の材料よりも低い硬度を有する。これにより、構成要素に対する接続エレメントの貫通が促進され、摩擦圧接の効率が向上し、サイクル時間が短縮されるため有利である。
【００４８】
さらに、本発明のさらに好ましい実施例では、第１の構成要素として配置されない少なくとも一方の構成要素は鋼鉄製である。これは、複合配置の強度を高める一方で、摩擦圧接の間に接続エレメントの貫通を妨げないため有利である。
【００４９】
本発明のさらに好ましい実施例によれば、構成要素の総厚は、最大で接続エレメントの保持部分の長さ、つまり軸方向の突出量と等しい。これは、軸部面及び成形部分を含む接続エレメントの前方部分が摩擦圧接の間に摩耗又は溶解する場合に接続エレメントによる構成要素への完全な貫通が実現するため有利である。
【００５０】
図面を参照して本発明の接続エレメントをさらに詳細に説明する。以下、図面について簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、第１の実施例に係る接続エレメントの側面図である。
【図２】図２は、第１の実施例に係る接続エレメントの上面図である。
【図３】図３は、第１の実施例に係る接続エレメントの底面図である。
【図４】図４は、２つの構成要素及び複合要素を含む複合配置の摩擦圧接による処理工程を示す図である。
【図５】図５は、２つの構成要素及び複合要素を含む複合配置の摩擦圧接による処理工程を示す図である。
【図６】図６は、２つの構成要素及び複合要素を含む複合配置の摩擦圧接による処理工程を示す図である。
【図７】図７は、２つの構成要素及び複合要素を含む複合配置の摩擦圧接による処理工程を示す図である。
【図８】図８は、第１の実施例に係る接続エレメントの軸部面の長手方向に沿った断面図である。
【図９】図９は、第１の実施例に係る接続エレメントの軸部面に沿った断面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施例に係る接続エレメントの軸部面に沿った断面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施例に係る接続エレメントの側面図である。
【図１２】図１２は、保持部分及び成形部分に沿った第３の実施例に係る接続エレメントの断面図である。
【図１３】図１３は、第３の実施例に係る接続エレメントの長手方向に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１〜図１３において、同一の機能及び動作モードを有する構成要素については、同一の符号を用いている。
【００５３】
図１は、図４〜図７に示す摩擦圧接による２つの構成要素１２．１，１２．２の分離不能な（取り外し不可能な）接続に用いられる第１の実施例に係る接続エレメント１０を示している。摩擦圧接は接続エレメント１０の長手方向軸１０．１を中心に接続エレメント１０を回転させることにより行われる。
【００５４】
接続エレメント１０は、軸部１０．２〜１０．４と、頭部１０．５と、を有する。軸部１０．２〜１０．４は、長手方向軸１０．１に沿って形成され、軸部１０．２〜１０．４の自由端に構成要素１２．１を貫通する軸部面１０．２を有している。頭部１０．５は、長手方向軸１０．１を中心としたトルクを旋削工具から軸部１０．２〜１０．４に伝えるように、軸部１０．２〜１０．４に接続されている。
【００５５】
軸部面１０．２は、軸部端面１０．２１を有する。この軸部端面１０．２１は、尖っていない経路を有する凸状の包囲体つまりエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）１０．２２を含む。軸部端面１０．２１のエンベロープ１０．２２は、軸部端面１０．２１を囲む面であって、点によって軸部端面１０．２１の相対的な最大値を接続する面として理解されたい（図８〜図１０参照）。相対的な最大値は、エンベロープ１０．２２を示す相対的な最大値又は点を接続する二次元の補間面を形成する。
【００５６】
図１に示した接続エレメント１０の正面図では、エンベロープ１０．２２は、軸部端面１０．２１の外形に対応している。これに対し、図８，９に示した軸部面１０．２の断面図では、エンベロープ１０．２２は、軸部面１０．２の外形１０．２１と異なっている。そのため、両者を明確に認識することができる。
【００５７】
図２に示した接続エレメント１０の平面図に頭部１０．５が図示されている。軸部１０．２〜１０．４の反対側に面する頭部１０．５の上方部分には、中央部分における円形で平坦な圧力面１０．５３と、当該圧力面の周囲に沿ったトルク連結部１０．５２と、が設けられている。トルク連結部により、摩擦圧接の間に旋削工具から頭部１０．５にトルクが伝えられる。トルク連結部は、半径方向の凹部又は溝部１０．５２を有し、接続エレメント１０を回転させるために旋削工具が軸方向下方に移動するときに、旋削工具（図示せず）の対応部分、例えば、旋削工具における半径方向の突起部が、トルク連結部と協働するか又は半径方向の溝部に係合する。平坦な圧力面１０．５３は、接続エレメント１０に軸方向の圧力をもたらすように設けられている。
【００５８】
図３に示した接続エレメント１０の図には軸部端面１０．２１が示されている。軸部端面１０．２１は、頂部又は凸部１０．２３と、谷部又は凹部１０．２４と、を有する。凸部１０．２３及び凹部１０．２４により、軸部端面１０．２１の摩擦増加要素が形成される。
【００５９】
図８，９において一例として示した軸部端面１０．２１は尖っていない（ｂｌｕｎｔ）形状を有する。つまり、軸部端面は、尖っておらず、鋭角をなしていない。換言すると、軸部端面１０．２１は、長手方向の断面（図８）又は横断面（図９）において、連続関数により表され、その１次導関数は、軸部端面１０．２１のエッジでもある関数のエッジ間において連続する。
【００６０】
図８は、軸部面１０．２に沿った長手方向の断面図であり、摩擦増加要素を有する軸部端面１０．２１の第１の構成を示している。軸部面１０．２の外形１０．２１は、複数の頂部又は凸部１０．２３と、複数の波状の谷部又は凹部１０．２４と、を有する。凸部１０．２３及び凹部１０．２４は均等に配設されている。軸部面１０．２に沿った断面図である図９には、軸部面１０．２又は軸部端面１０．２１の外形が図示されており、同様の摩擦増加要素（均等に配設された凸部１０．２３及び凹部１０．２４）が示されている。概して、軸部端部１０．２に沿った断面図において、軸部端部１０．２は、波状の外形１０．２１を有する。なお、図面では波状部分の高さ又は振幅を強調して示しており、実際のスケールよりも大きく示している。
【００６１】
図１０は、軸部端部１０．２に沿った断面図であり、摩擦促進要素を有する軸部端面１０．２１の他の構成を示している。本実施例では、軸部面１０．２の外形１０．２１は、角部が尖っていないか又は切断された長方形をなす波形の経路を示している。
【００６２】
図８〜図１０に示した接続エレメント１０の実施例は、摩擦促進要素１０．２３，１０．２４を含む面構造を有する軸部面１０．２とともに、エンベロープ１０．２２及び／又は軸部端面１０．２１の尖っていない経路による実質的な摩擦圧接効果を有する。また、軸部端面１０．２１のゴルフボール構造（図示せず）により、同様の効果（摩擦、熱、材料の溶融、廃棄物の不発生）がもたらされる。
【００６３】
図１１に示した接続エレメント１０の側面図から分かるように、軸部１０．２〜１０．４は、軸部の自由端から延びる成形部分１０．３と、軸部の頭部１０．５から延びる保持部分１０．４と、を有する。保持部分１０．４は、頭部１０．５を保持する軸部の上方部分を形成する。成形部分１０．３は、軸部面１０．２に隣接する軸部の下方部分を形成し、軸部面１０．２とともに、接続エレメント１０と構成要素１２．１，１２．２との間の摩擦の増加及び摩擦圧接効果の向上に寄与する。
【００６４】
図１１，１３に示す軸部面１０．２は、尖っておらずかつ波状をなしていない軸部端面１０．２１を有する。この軸部端面１０．２１は、向上した摩擦圧接の所望とする効果をもたらす、きめの細かい摩擦促進面構造を有している。
【００６５】
図１１に示した保持部分１０．４は、成形部分１０．３の最大直径よりも大きい直径を有する。これにより、摩擦圧接の間に第１の構成要素１２．１に形成される開口（貫通口）又は摩擦圧接による接続の完了後に第２の構成要素１２．２に形成されるパイロット孔が頭部１０．５から延びる保持部分１０．４により確実にシールされるため有利である。これに対し、図１に示した接続エレメント１０は、成形部分１０．３及び保持部分１０．４が互いに異なるものではないか、あるいは、僅かに異なっている軸部１０．２〜１０．４を有する。
【００６６】
保持部分１０．４（Ａ−Ａ断面）及び成形部分１０．３（Ｂ−Ｂ断面）に沿った断面図である図１２に示すように、保持部分１０．４の断面は、円形の外形１０．４１を有し、成形部分１０．３の断面は、円形ではなく僅かに波状をなす外形１０．３１を有する。成形部分１０．３の外形１０．３１により、摩擦が増加して摩擦圧接が向上するとともに、サイクル時間が減少する。さらに、成形部分の外形１０．３１の最大直径は、保持部分の外形１０．４１の直径より大きい。このため、摩擦圧接接続部分の形成後、成形部分１０．３の外周面は、上方の構成要素１２．１に形成された開口部分の上昇に対してフラットに配置され、したがって、形成された摩擦圧接接続部分を確実にシールする。
【００６７】
接続エレメント１０に沿った長手方向の断面図である図１３は、接続エレメント１０の全体構造を示している。長手方向軸１０．１に沿って形成された軸部１０．２〜１０．４は、尖っていない湾曲した軸部面１０．２を有し、頭部１０．５に接続されている。軸部１０．２〜１０．４は、軸部面１０．２に接続された下方部分における成形部分１０．３と、頭部１０．５に接続された上方部分における保持部分１０．４と、を有する。軸部１０．２〜１０．４に面した頭部１０．５の底部は、周方向に延びる溝部１０．５１を有する。この構造は、面取り部に対応しており、摩擦圧接の間に溶融した構成要素の材料を受けるため有利である。これにより、頭部１０．５の底部における外側エッジが相互に接続される構成要素１２．１，１２．２の上部１２．１に平坦に配置され、さらに、湿気の侵入に対して摩擦圧接接続部分のシールを行う。
【００６８】
図４〜図７の場合、まず、接続エレメント１０は、アルミニウム製の第１の構成要素１２．１（図４）に対する回転及び軸方向の圧力によって押し込まれて第１の構成要素を貫通し、鋼鉄製の第２の構成要素１２．２を貫通することなく圧入される（図５）。回転及び押圧による摩擦により、接続エレメント１０及び圧縮された周囲の構成要素の材料が高温になる。これにより、構成要素材料の流れ応力が低下し、接続エレメント１０によって材料が変位する（図６）。そして、接続エレメント１０が構成要素１２．１，１２．２に取り付けられ、構成要素１２．１，１２．２は互いに接触して保持される。溶融した構成要素材料は、接続エレメント１０の側方で上昇して、頭部１０．５の底部における周方向の溝部１０．５１内に入り込む。最終的に、回転及び軸方向の圧力により、軸部１０．２〜１０．４が圧縮され、接続エレメント１０の頭部１０．５が第１の構成要素１２．１（図７）における最終位置に配置される。
【符号の説明】
【００６９】
１０  接続エレメント
１０．１  接続エレメントの長手方向軸
１０．２  接続エレメントの軸部面
１０．２１  軸部面の外形、軸部端面
１０．２２  軸部端面又は軸部面のエンベロープ
１０．２３  軸部端面又は軸部面の頂部、凸部
１０．２４  軸部端面又は軸部面の谷部、凹部
１０．３  接続エレメントの成形部分
１０．３１  成形部分の外形
１０．４  接続エレメントの保持部分
１０．４１  保持部分の外形
１０．５  接続エレメントの頭部
１０．５１  頭部の底部における周方向の溝部
１０．５２  頭部の頂部における半径方向の溝部、トルク連結部
１０．５３  頭部の頂部における圧力面
１２．１  接続される第１の構成要素
１２．２  接続される第２の構成要素
【図１】
2021504147.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４−７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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