(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに当接する２つのコンポーネント（７２，７４；９２）のコンポーネント接続（７０）を得るための接続部材（１０，２０，３０，５０）であって、
前記接続部材（１０，２０，３０，５０）は摩擦によって下層（７４）即ち基層に溶接され、
前記接続部材（１０，２０，３０，５０）は軸（１８）を有し、前記軸は軸セグメント（１４）とヘッド（１２）を有し、前記ヘッドは軸方向の力を伝達するための前記ヘッドの上側に横たわる平坦面（２０）を有し、
トルクを伝達するために、ドライブ切り抜き部（２２，３２）が前記平坦面（２０）に導入され、
軸セグメント（１８）の上昇レベル（Ａ）から始まってヘッドの底側まで連続的な直径の増加があり、軸端からが最大距離を有し、
前記上昇レベル（Ａ）からヘッド底側レベル（Ｋ）までの距離は、ヘッド外径と上昇レベルでの軸径の差の半分［(DA-DS)/2 = D2］より小さく、ヘッド外径と上昇レベルでの軸径の差の４分の１[(DA-DS)/4 = D1]より大きく、
前記直径の増加が、前記ヘッドの軸方向において、回転軸（Ｒ）に対する垂線に対し、第一傾斜（Ｍ１、α１）と第二傾斜（Ｍ２、α２）と第三傾斜（Ｍ３、α３）を有する関数に従い、
前記第二傾斜（Ｍ２、α２）が前記第一傾斜（Ｍ１、α１）より小さく、前記第三傾斜（Ｍ３、α３）が前記第二傾斜（Ｍ２、α２）より小さく、
特に前記ヘッドの底面からの距離より大きい曲率半径の湾曲に沿って前記増加が生じることを特徴とする接続部材。
【請求項２】
前記上昇レベル（Ａ）での傾斜（Ｍ１）が、垂線に対し８０度より小さい角度を形成していることを特徴とする請求項１に記載の接続部材。
【請求項３】
前記軸セグメント（１４）が円筒形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接続部材。
【請求項４】
前記ドライブ切り抜き部（２２，３２）の深さ（ｔ）が、前記ドライブ切り抜き部（２２，３２）の径方向伸張（ａ）の３０％より小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の接続部材。
【請求項５】
前記ヘッド（１２）のエッジ領域が８５度と９５度の間の角度で、特に９０度の角度で前記接続部材（１０，３０）の回転軸に対してテーパーがついていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の接続部材。
【請求項６】
前記接続部材には、特に６０度から８０度の間のテーパー角で、軸端のところで円錐状にテーパーがついていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の接続部材。
【請求項７】
軸端のところで、円筒状セグメント（１９）が円錐（１８）に追従していることを特徴とする請求項６に記載の接続部材。
【請求項８】
コンポーネント接続（７０）を得るための設定ツール（４０）であって、
前記コンポーネント接続（７０）は、
基層（４８、７４）と、
少なくとも１つの最上層（７２，９２，４６）と、
接続部材（７６）と、
を備え、
前記接続部材は、ヘッド（１２）と、軸（１６）と、を備え、
前記接続部材がその前面を介して前記基層（４８，７４）と密着接続し、
前記最上層（７２，９２，４６）からの材料が、前記最上層（７２，９２，４６）より上のレベルで、少なくとも部分的に前記ヘッド（１２）を横方向に囲み、
前記設定ツール（４０）が、
押下げデバイス（４２、８０、９６）とドライブビット（４４，８２）を備え、
前記ドライブビット（４４，８２）はその前面に平坦基部（５４）を有し、
前記基部（５４）には隆起駆動構造が設けられ、
前記基部（５４）は、内径（Ｄ１）を有し空洞を形成する隆起した縁（６０）で囲まれることを特徴とする設定ツール。
【請求項９】
前記接続部材（７６）が請求項１ないし７のいずれか一項に定義された内容で設計されていることを特徴とする請求項８に記載の設定ツール。
【請求項１０】
前記押下げデバイス（９６）は、その前面にテーパー（９８）を有することを特徴とする請求項８に記載の設定ツール。
【請求項１１】
少なくとも２つの吸引穴（５８）が前記基部（５４）に設けられていることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の設定ツール。
【請求項１２】
前記吸引穴（５８）が、前記縁（６０）からの距離が前記縁の内径（Ｄ1）の少なくとも５％である半径（Ｕ）に接していることを特徴とする請求項１１に記載の設定ツール。
【請求項１３】
前記縁（６０）が、その前面にテーパーを有することを特徴とする請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の設定ツール。
【請求項１４】
請求項８ないし１３のいずれか一項に記載の設定ツールと、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の接続部材と、を備えた接続システムであって、
前記縁（Ｄ1）の内径が、前記接続部材の前記ヘッドの直径（ＤA）より少なくとも１０％大きいことを特徴とする接続システム。
【請求項１５】
前記縁の高さ（ＨU）が、前記ヘッドの軸方向の最大伸張より大きいか等しいことを特徴とする請求項１４に記載の接続システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の序文に従い、互いに当接する２つのコンポーネントのコンポーネント間接続を得るための接続部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
欧州特許出願公開第２２８９６５９号明細書には、ヘッドとシャフトを有し、ヘッドにはドライブが形成された摩擦溶接部材が開示されている。ヘッドは、軸方向の力を伝達するのに適した平坦面を有している。ヘッドはさらに、その底面に形成された凹部を有しており、この凹部は摩擦溶接工程中に軟化した材料、特に最上層からの材料を収容するのに適している。
【０００３】
接続部材の軸は、複合コンポーネントの下底層に摩擦溶接される。ヘッドの突出長が、底層と最上層の間の積極的な接続を確実にする。底層と最上層は、接続部材によってこのように互いにしっかりと接続される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
摩擦溶接を行うために設定ツールが提供され、このツールは押下げデバイスとドライブツールを備えている。押下げデバイスはコンポーネントの各層を互いに接続するように押圧し、ドライブツールは接続部材を押下げて回転させ、複合コンポーネント内に突入させる。
【０００５】
この設計は、全体的な高さを高く、直径を小さくする必要があるという欠点があった。
【０００６】
本発明の目的は、薄い金属シートと小さなヘッド径を備えた低構造高さのコンポーネント接続を得ることのできる接続部材と設定ツールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、接続部材は、その円筒形軸からそのヘッドの底面まで、直径を連続的に増加させるように設計されている。ヘッドの底面は、軸の端部から最大の距離のところのレベルと定義されている。
【０００８】
本発明によれば、上昇レベル（ascent level）からヘッドの底面のレベルまでの距離Ａは、ヘッドの外径と軸の直径の差の半分より小さく、ヘッドの外径と軸の直径の差の４分の１より大きい。即ち、(DA-DS)/4<A<(DA-DS)/2である。
【０００９】
結果的に、接続部材の進入中に軟化した任意の最上層材料は、直径の増加した拡大部分となる。それでも、溶接ビードとして立ち上がる接続部材の材料とヘッドのレベルの間には十分な距離が残っているので、十分な引き抜き抵抗が確保される。
【００１０】
より具体的には、軸の直径は上昇レベルでの接続部材の直径となる。
【００１１】
接続を得るために不必要な追加の軟化した材料は、ヘッドから横方向に（径方向外側に）押出される。このように、低構造高さを得ることができる。
【００１２】
本発明の有利な実施例では、傾斜は上昇レベルから開始して、接続部材の軸に対する垂線から８０度以下、特に７０度以下の角度を形成する。
【００１３】
これにより、最上層から移動した任意の軟化した材料は、径方向外側に向かう。
【００１４】
本発明の別の実施例では、接続部材は円筒状の第一軸部を有することができる。
【００１５】
この設計は、特に効率的な方法で得ることができる。
【００１６】
本発明のまた別の好ましい実施例では、ドライブの切り抜き部高さを、ドライブの切り抜き部の径方向伸張の３０％未満にする。
【００１７】
結果的に、ヘッド自体は小さな軸方向伸張を有するように設計することができるので、構造的な高さをさらに低減できる。
【００１８】
摩擦溶接工程によって生じる温度上昇がドライブ構造をさらに軟化させ、駆動トルクの伝達に悪影響を与えるので、ドライブ構造と接続場所での溶融領域は、互いに十分に間隔を開ける必要がある。
【００１９】
別の有利な実施例では、接続部材のヘッドは、ヘッドの周辺領域が８５度と９５度の間の角度で、特に９０度の角度でスクリュー軸に対してテーパーがつく（tapers off）ように設計されている。
【００２０】
特にヘッドの底面のレベルも周辺領域にあるようなこの実施例は、最大保持力を提供する。なぜなら、第一に溶接ビードとヘッドの底面との間が最大距離であり、第二にヘッド表面の略直交位置のために特別良好な形状フィットが得られるからである。
【００２１】
また別の有利な実施例では、直径の増加は、ヘッドの方向に、スクリュー軸に対する第一傾斜とそれに続く第二傾斜を有する関数に従い、第二傾斜は第一傾斜より小さい。
【００２２】
この実施例によれば、少なくとも凹状輪郭に近似した道筋（course）が得られる。結果的に、特に有利なアンダーカットが、起立した材料（rising material）によって形成された溶接ビードとヘッドの間で得られ、このアンダーカットは摩擦溶接工程の完了後に最上層からの軟化した材料で満たされる。
【００２３】
この凹状輪郭の近似は、第二領域に続く第三傾斜を備えた第三領域を設けることで、さらに向上させることができ、第三傾斜は第二傾斜の領域より小さい。
【００２４】
理想的には、この道筋は楕円形又は円形輪郭の形状をした凹部である。
【００２５】
この曲率半径は、好ましくはヘッドの底面から上昇レベルまでの距離より大きい。
【００２６】
これにより、特に軟化が確実になり、最上層からの任意の軟化した材料が理想的にヘッドと最上層の間の領域の外に向かうようになる。
【００２７】
また別の実施例では、軸の前面端では、円筒軸部から円錐軸部に推移する。これにより、接続部材の心だし特性（centering characteristics）が向上する。より具体的には、完全テーパー角度（full taper angle）は６０度と８０度の間である。
【００２８】
本発明のまた別の実施例では、もう１つの円筒部が円錐部に追従して、円筒部を特に最上層に導入することができるため、心だし特性が向上する。
【００２９】
また別の態様では、本発明はコンポーネント接続に関する。コンポーネント接続は、基層と、少なくとも１つの最上層（７２，９２，４６）と、上述のタイプの接続部材と、を備えている。接続部材は、少なくともヘッドと軸を備え、軸の前面は基層に溶接される。その結果として、接続部材の軸と基層の間に密着接続が得られ、ヘッドは最上層を確実な係止態様（positive-locking manner）で固定する。
【００３０】
本発明によれば、ヘッドを介して横方向に（径方向外側に）放出された材料は、軸方向に対して横方向にヘッドを少なくとも部分的に囲む。ヘッドは、最上層の表面のレベルに位置する。
【００３１】
対応するコンポーネント接続を得るために、上述のタイプの接続部材が好ましくは導入される。
【００３２】
本発明はさらに上述のタイプのコンポーネント接続を得るための設定ツールに関する。この設定ツールは、押下げデバイスとドライブビットを備える。ドライブビットは、その平坦基部(flat base)に隆起駆動構造を有する。この駆動構造は、接続部材の内側ドライブと合致するように設計されている。本発明によれば、平面基部（planar base）は隆起した縁によって限定される（confined）。この縁は、内径を有する。
【００３３】
このように設けられた縁は、ヘッドから横方向に移動した任意の軟化した材料を、ドライブビットとドライブビットを囲む押下げデバイスの間の空間に材料が進入しないように、摩擦溶接工程の間に外側に移動させる。この軟化した材料の最上層からの移動の結果として、移動した材料は内径内に堆積し、少なくとも部分的にヘッドを横方向に包み込む程度にそこに積み上げられる。これにより、せん断強度が向上する。
【００３４】
この設計は、高い強度を維持しながら低い構造高さを得ることを可能にする。なぜなら、ヘッド下部から移動した軟化した材料が、接続強度を増加させるために用いられるからである。
【００３５】
別の有利な実施例では、押下げデバイスはテーパーのついた前面を有することができる。内側エッジにテーパーを設けることは、冷めた軟化した材料が押下げデバイス上で固まることを防止する。その結果、押下げデバイスは小さな抵抗力で最上層から確実に取り外すことができる。
【００３６】
また、少なくとも２つの吸引穴を基部に設けることができる。これらの吸引穴は挿入された接続部材のヘッドと基部の間に負圧を生み出し、その結果、接続部材を基部に吸着させて、駆動構造を接続部材の内側ドライブと係合させる。
【００３７】
より具体的には、吸引穴は中心からずらして配置され、縁から内径の少なくとも５％、特に少なくとも１０％、特に少なくとも１５％、特に少なくとも１７％だけ離間している。その結果、ヘッド径が縁の内径の６０％〜９０％の挿入された接続部材は、ヘッドの端部を介して吸着して接触することができる。吸着効果はこのように接続部材の最も冷却されうる位置に作用するので、接続部材の軟化した材料が吸引穴に進入することを防ぐ。
【００３８】
縁の内径より略小さな直径のヘッドを用いることで、接合工程での中間領域から移動した最上層材料は、ヘッドの側の領域に収容される。これにより、追加の収容容積が提供され、構造高さを最小化できると同時に、接続直径をできる限り小さく維持できる。
【００３９】
吸引穴は好ましくは縁の内径の少なくとも５％だけ縁から離間した範囲（radius）に接している。この範囲は縁と同心にすることができ、縁の内径の６０％〜９０％、特に６０％〜８０％の直径とすることができる。
【００４０】
本発明はさらに、前述のタイプの設定ツールと前述のタイプの接続部材とを備えた接続システムに関する。本発明によれば、設定ツールと接続部材は、縁の内径が接続部材のヘッドの直径より少なくとも１０％大きいように互いに構成されている。
【００４１】
別の有利な実施例では、縁の高さは軸方向のヘッドの最大伸張より高い。とにかく、縁の高さは接続部材のヘッドの底面レベルを超えている。
【００４２】
本発明の追加の長所、特徴、可能な応用は、図面に示された実施例と共に、以下の記載から推測できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１ａ】本発明に係る接続部材の側面図である。
【図１ｂ】本発明に係る接続部材の斜視図である。
【図１ｃ】本発明に係る接続部材の部分断面図である。
【図２】本発明に係る接続部材の斜視図である。
【図３】本発明に係る設定ツールの概略断面図である。
【図４ａ】図３のドライブビットの前面端の斜視図である。
【図４ｂ】図４ａのドライブビットの前面の上面図である。
【図５】ドライブビットとそれに挿入された接続部材の部分断面図である。
【図６】設定プロセスの終わりに形成されたコンポーネント接続の断面図である。
【図６ａ】図６の詳細拡大図である。
【図７】図６ａと類似の詳細拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１ａは本発明に係る接続部材１０の側面図である。接続部材１０は，ヘッド１２とシャフト１４を備え、シャフト１４は円筒部１６を有している。円筒部１６では、胴体部は上昇レベルＡから始まってヘッドの底面のヘッドレベルＫまで連続的に拡張している。ヘッドレベルＫは、シャフト端から最大距離の高さである。本接続部材１０では、これはヘッドのエッジである。
【００４５】
直径の連続的な増加は、曲率半径Ｒの湾曲に沿って進む。直径の増加は、ヘッド底面のレベルＫからD1 = (DA-DS)/4とD2 = (DA-DS)/2の間の距離に設けられた上昇レベルＡから始まる。この実施例は、図２を参照してより詳細に説明する薄いカバープレートの場合に、転位行動（displacement behavior）を生み出す。
【００４６】
また、ヘッドから離れた側で対向する接続部材１０の端部は、円錐部１８を有する。この円錐部１８の存在は、シャフトの前面の縮小をもたらす。その結果、接続部材は導入時により良好に中心に位置付けることができる。図示の接続部材１０はさらに、最上層を容易に貫通する円錐部に続く円筒部を有し、接続部材１０の心だし特性がさらに向上する。
【００４７】
この実施例では、スクリュー軸に対する垂線Ｎに対する傾斜を連続的に減少させるように直径が増加し、この直径は第一傾斜Ｍ１（α１）とそれに続く第二傾斜Ｍ２（α２）も備えている。
【００４８】
図１ｂは本発明に係る接続部材１０の斜視図であって、平坦なヘッド面２０に設けられた内側ドライブ２２を有し、このスクリュードライブ２２は十字形凹部の形状である。
【００４９】
図１ｃは接続部材１０の部分断面図であって、径方向のドライブの最大伸張ａの最大で３０％のみのスクリュードライブ深さｔを示している。摩擦溶接接続に必要な軸方向の力は平坦なヘッド２０を介して伝達されるので、このような設計が可能である。摩擦溶接工程で発生する熱の為に、内側ドライブはシャフト１６から一定の距離だけ離間することが必要なので、低いドライブ深さｔは、ヘッドの短い軸方向伸張と、それによる低い構造高さを可能にする。
【００５０】
図２は本発明に係る接続部材３０の斜視図であって、図１ｂに示した接続部材とは対照的に、五芒星の形状のドライブ凹部３２を有している。これにより、大きな温度上昇時に、トルクの伝達性が向上する。鎖線はドライブ構造の範囲（radius）と、その径方向の最大伸張を示している。
【００５１】
図３は本発明に係る設定ツール４０の概略断面図である。この設定ツール４０は、押下げデバイス４２とドライブビット４４を備えている。押下げデバイス４２は、接続工程中、コンポーネント層４６、４８を共に押圧するために用いられる。ドライブビット４４は、押下げ（hold-down）デバイス４２に対して回転自在に設けられて、接続部材５０を押下げ(press down)ながら回転させ、コンポーネント層４６，４８に導入する。上部最上層（upper top layer）４６の材料は、好ましくは軽金属、特にアルミニウムである一方で、基層４８は高張力鋼からなる。ドライブビット４４は、接触面に負圧を生成するために用いることのできる中央吸引チャネル５２を有し、接続行程中、接続部材５０をドライブビット４４上に保持する。ドライブビット４４の前面端の設計は、図４ａ，４ｂを参照して以下により詳細に説明する。
【００５２】
図４ａはドライブビット４４の前面端の斜視図である。ドライブビット４４は平坦基部５４を有する。隆起駆動構造５６は平坦基部５４上に設けられ、対応する接続部材を内側ドライブで駆動するために用いられ、その場合、軸方向の力は平坦基部を介して接続部材に伝達される。駆動構造５６の間には吸引穴５８が設けられ、中央吸引チャネルに接続されて連通している。平坦基部５４は、平坦基部５４に対して隆起した縁６０によって囲まれている。
【００５３】
図４ｂは、ドライブビットの前面の上面図である。吸引穴５８が範囲（radius）Ｕに接している。縁６０は内径Ｄ1を有している。縁と範囲Ｕは同心で、範囲Ｕの直径ＤUは縁の内径Ｄ1の略６５％である。その結果、吸引接触は縁の内径Ｄ1よりも略小さなヘッド径を有する接続部材のエッジ領域で行われる。この場合、接続部材の吸引ポイントは理想的には接続部材の中央からある距離を開けて配置される。
【００５４】
図５はドライブビット４４とそれに挿入された接続部材１０の部分断面図である。ドライブビット４４は吸引穴５８が接続された中央吸引チャネル５２を有している。挿入された接続部材１０は、Ｄ1の略９０％のヘッド径ＤKを有している。この図では、隆起した縁６０の高さＨUを特に良く見ることができる。縁は接続部材の底面レベルＫを超えて延びている。これにより、設定中に径方向外側に移動した任意の材料がドライブビットによって取り込まれ、ドライブツールを囲む押下げデバイス（図示せず）とドライブビットの間の空間に進入できなくする。ヘッドレベルＫと平坦基部５４の間の領域は、最上層からの材料を受け取ることができるので、構造高さを低減した直径と共に維持できる。
【００５５】
図６は設定プロセスの終わりに形成されたコンポーネント接続７０の断面図である。このコンポーネント接続７０は、接続部材７６によって互いに接続された最上層７２と基層７４を備えている。接続部材７６は溶接によって基層７４と密着する一方で、最上層７２は接続部材７６に確実に（positively）保持される。また、設定ツール７８は、コンポーネント接続７０を押下げて最上層７２と基層７４を共に固定（clamp）する押下げデバイス８０を備えていることが示されている。
【００５６】
ドライブビット８２は、設定プロセス完了時に最上層７２のレベルに当接して押下げデバイス８０と同一平面になるのに十分な高さを有する縁８４を備えている。
【００５７】
図６ａは図６の詳細拡大図である。この図は、基層７４で実施された摩擦溶接工程の間に起立した（rise）接続部材７６の材料とヘッドの間に、軟化し最上層７２から移動した材料が収容される状態を特に良く示している。この工程の終わりに、押下げデバイス８０と縁８４は同じレベルで当接するので、押下げデバイス８０にはわずかなテーパーのみが必要である。なぜなら、最上層７２からの材料は、大部分が縁８４内に保持され、押下げデバイス８０自体は型（mold）として主には働かないからである。
【００５８】
図７は図６ａと類似の詳細拡大図である。図７に示した設計では、縁９４は設定工程の終わりに最上層９２のレベルから距離Sだけ離間するように選択される。その結果、縁９４は摩擦溶接工程の間に最上層９２から移動した任意の材料の向きを変えて、ドライブビットと押下げデバイス９６の間の空間に進入しないようにしつつも、最上層９２から移動した材料がこの設計では押下げデバイス９６によって閉じ込められることを可能にしている。最大構造高さは一般に押下げデバイス９６によって定義されるので、このようにして追加の受け入れ容積を形成できて、同じ外形寸法を維持しながら全体の高さをさらに低減できる。この実施例では、押下げデバイス９６はその内縁に沿ってテーパーを設けている。これが設定工程に続く押下げデバイス９６の取り外しを容易にする。なぜなら、これにより押下げデバイス９６が最上層９２から変形した材料によって動きが取れなくなることを防ぐからである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図６ａ】
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【図７】
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