(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リベットヘッド（４）と、中央シャンク穴（８）を備えたリベットシャンク（６）とを有し、これらがすべて中心軸（Ｘ）に対して回転対称であるように設計された、引張強さＲＭ＞６００ＭＰａの高強度鋼材料を接合するための自己穿孔型リベットであって、
リベットヘッド（４）が、上面（１０）と、所定のヘッド直径（Ｄ２）の円筒状ヘッド外表面（１２）とを有し、
リベットシャンク（６）が、実質的に円筒状のシャンク外表面（１４）と、中央シャンク穴（８）を画定する円筒状のシャンク内表面（１６）とを有し、
ヘッド外表面（１２）とシャンク外表面（１４）とが円錐状のヘッド下側面取り部（１８）とヘッド下側アール部（Ｒ１）とによって接続され、このアール部（Ｒ１）が接線方向に延びて円錐状ヘッド下側面取り部（１８）及びシャンク外表面（１４）につながっており、円錐状ヘッド下側面取り部（１８）と自己穿孔型リベットの半径方向平面とが２０°＋５°／−５°の角度（α１）をなし、
シャンク外表面（１４）とシャンク内表面（１６）とが、リベットヘッド（４）と軸方向反対側の端において、平坦なシャンク端面（２０）、円錐状シャンク内側面取り部（２２）、及びシャンク端アール部（Ｒ２）によって接続され、このシャンク端アール部（Ｒ２）が接線方向に延びてシャンク内表面（１６）及び円錐状シャンク内側面取り部（２２）につながっており、平坦なシャンク端面（２０）が、半径方向平面との間に角度（α４）４５°±５°を形成する面取り部分として形成される切刃（２４）を介してシャンク外表面（１４）につながっており、平坦なシャンク端面（２０）と自己穿孔型リベットの半径方向平面とが０−３°／＋３°の角度（α３）をなし、円錐状シャンク内側面取り部（２２）と自己穿孔型リベットの半径方向平面が４５°＋１０°／−５°の角度（α２）をなす自己穿孔型リベット。
【請求項２】
平坦なシャンク端面（２０）の半径方向の幅（ｂ２）がシャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）の０．０３５倍より大きい、請求項１に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項３】
ヘッド下側アール部（Ｒ１）がシャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）の０．３０倍より小さい、請求項１又は２に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項４】
平坦なシャンク端面（２０）とシャンク外表面（１４）との間の切刃（２４）が０．１ｍｍ未満の半径方向の幅（ｂ１）を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項５】
ヘッド直径（Ｄ２）が７．７５ｍｍ＋０．１５ｍｍ／−０．１５ｍｍであり、シャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）が５．３ｍｍ＋０．１ｍｍ／−０．ｌｍｍであり、平坦なシャンク端面（２０）の半径方向の幅（ｂ２）が０．３５ｍｍ＋０．１０ｍｍ／−０．１５ｍｍである、請求項１から４のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項６】
ヘッド下側アール部（Ｒ１）の半径が０．６７ｍｍ＋０．１０ｍｍ／−０．１０ｍｍである、請求項５に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項７】
シャンク端アール部（Ｒ２）の半径が０．７０ｍｍ＋０．１ｍｍ／−０．１ｍｍである、請求項５又は６に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項８】
シャンク内表面（１６）の直径（Ｄ３）が３．４０ｍｍ＋０．３ｍｍ／−０．００ｍｍである、請求項５から７のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項９】
ヘッド外表面（１２）の軸方向の高さ（ｈ）が０．４０ｍｍ＋０．００ｍｍ／−０．４０ｍｍである、請求項５から８のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１０】
半中空自己穿孔型リベットであり、中心穴（８）が止まり穴である、請求項１から９のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１１】
中心穴（８）の穴底（２６）が中心アール部（Ｒ３）と２つの側方移行アール部（Ｒ４）を備え、その２つの側方移行アール部（Ｒ４）がそれぞれ接線方向に延びて、中心アール部（Ｒ３）及び隣接するシャンク内側壁（１６）につながっている、請求項１０に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１２】
穴底（２６）の中心アール部（Ｒ３）の半径がシャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）の１．００倍より大きい、請求項１０又は１１に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１３】
穴底（２６）の中心アール部（Ｒ３）の半径が６．０１ｍｍ＋０．１０ｍｍ／−０．１０ｍｍである、請求項１１又は１２に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１４】
穴底（２６）の２つの側方移行アール部（Ｒ４）の半径が０．２７ｍｍ＋０．０５ｍｍ／−０．０５ｍｍである、請求項１３に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１５】
中心軸（Ｘ）上におけるリベットヘッド（４）の軸方向の高さ（Ｈ）が１．００ｍｍ未満である、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１６】
中空自己穿孔型リベットとして設計され、中心穴が貫通穴（１０８）である、請求項１から９のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１７】
シャンク内表面（１１６）が中心穴（１０８）の長さ全体にわたって実質的に円筒状に設計された、請求項１６に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１８】
自己穿孔型リベットのヘッド端側においてシャンク内表面（１１６ａ〜ｅ）が拡張部（１３Ｏａ〜ｅ）につながっている、請求項１６に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項１９】
拡張部（１３０ａ〜ｅ）が円錐状拡張面を備える、請求項１８に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項２０】
円錐状拡張部が角部（１３２ａ、ｂ、ｃ、ｅ）又はアール部（１３２ｄ）を介してシャンク内表面（１１６ａ〜ｅ）につながっている、請求項１９に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項２１】
ヘッド下側アール部（Ｒ１）がシャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）の０．２０倍より小さい、請求項３に記載の自己穿孔型リベット。
【請求項２２】
穴底（２６）の中心アール部（Ｒ３）の半径がシャンク外表面（１４）の直径（Ｄ１）の１．１０倍より大きい、請求項１２に記載の自己穿孔型リベット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２枚以上の金属板を自己穿孔型リベット接合（self-piercing rivet joint）するための、半中空自己穿孔型リベット又は完全中空自己穿孔型リベットの形式の自己穿孔型リベットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、接合方法として自己穿孔型リベット接合の重要性が高まってきている。自己穿孔型リベット接合の接合操作並びに接合品質についての重要な１つのパラメータは、自己穿孔型リベットの形状である。従来技術として、例えば、EP0 720 695、EP1 064 466、EP1 229 254、EP1 387 093、DE44 31 769、DE203 19 610 U1、DE200 01 103 U1、US2004/0068854 A1、JP2001159409A、JP09317730Aなどから、自己穿孔型リベットの様々な形状が知られている。
【０００３】
前述のEP0 720 695による自己穿孔型リベットは、一般にＣリベット（C rivet）と呼ばれ、自動車業界で広く使用されているが、他の技術分野でも使用されている。このリベットは、リベットヘッドと、中心シャンク穴を備えたリベットシャンクとを有する半中空自己穿孔型リベットであり、リベットヘッドは、平らな上面と円筒状のヘッド外表面を有し、リベットシャンクは、円筒状シャンク外表面と、中心シャンク穴を画定する円筒状のシャンク内表面とを有する。円筒状ヘッド外表面と円筒状シャンク外表面は、比較的大きなアール部により互いに直接つながっている。自己穿孔型リベットの下部には、中央シャンク穴が円錐状に形成されており、この円錐形の側面は、この公報の明細書の記載に従って僅かに湾曲するようになっている。その結果、所与の生産技術の可能性の枠内で、リベットシャンクにある種の「鋭い縁」（実際には一般に多少面取りされている）が形成される。この公報の明細書によれば、円錐の開き角度は、２５°〜１２０°の範囲とすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｃリベットは実際に功を奏していることが証明されているが、特に高強度薄鋼板を自己穿孔接合する場合には限界がある。
【０００５】
従って、例えば、自己穿孔型リベット接合の実現可能な接合品質と耐荷重性能、接合操作中にリベットにかかる応力、及びリベットと金属板との間の隙間形成について、改善が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、特に高強度材料で作られた金属板を接合するための自己穿孔型リベットを提供するという目的に基づき、リベットはその形状により、接合操作中に受ける接合力と引張力が比較的小さく、自己穿孔型リベット接合の最適な耐荷重性能と最適な接合品質を実現し、リベットと金属板との間の隙間の形成をできるだけ抑える。
【０００７】
この目的は、請求項１に定義された自己穿孔型リベットによって解決される。
【０００８】
本発明により形成された自己穿孔型リベットは、請求項１に定義された、ヘッド下側領域と脚部領域の独特な形状により区別される。これによれば、円筒状のヘッド外表面とシャンク外表面は、円錐状のヘッド下側面取り部とヘッド下側アール部によって接続されており、そのヘッド下側アール部は接線方向に延びてヘッド下側面取り部とシャンク外表面につながり、自己穿孔型リベットの半径方向平面と円錐状ヘッド下側面取り部とは２０°＋５°／-５°の角度をなす。リベット下部の領域において、シャンク外表面とシャンク内表面とは、平坦なシャンク端面、円錐状シャンク内側面取り部、及びシャンク端アール部によって接続され、そのシャンク端アール部は接線方向に延びてシャンク内表面と円錐状シャンク内側面取り部につながり、平坦なシャンク端面は、切刃を介してシャンク外表面とつながる。平坦なシャンク端面は、自己穿孔型リベットの半径方向平面と０°−３°／＋３°の角度をなし、円錐状シャンク内側面取り部は、半径方向平面と４５°＋１０°／−５°の角度をなす。
【０００９】
端面の半径方向の幅は、円筒状シャンク外表面の直径の０．０３５倍より大きく、特にこの直径の０．０３５〜０．０７倍の範囲であることが好ましい。ヘッド下側アール部は、円筒状シャンク外表面の直径の０．３０倍より小さく、特に０．１５倍より小さいことが好ましい。
【００１０】
実験と有限要素法（ＦＥＭ）を用いて実証されたように、本発明により構成された自己穿孔型リベットは、従来の自己穿孔型リベット、特に前述のＣリベットと比べて多くの利点を有する。本発明により構成された自己穿孔型リベットの独特なリベット形状により、自己穿孔型リベット接合を行う際に要する接合力を削減し、高強度鋼に適したパンチ側金属板の穿孔を最適化し、上層板穿孔後の適応された均一な拡張挙動を可能にし、その結果、自己穿孔型リベットの破損、変形、及び亀裂発生の可能性を大幅に減少させることができる。最適化された穿孔工程によって、リベットシャンクにおける応力の分布は、例えばＣリベットの場合よりはるかに均一になる。リベットシャンクの絶対的引張力、即ちシャンク内表面にかかる引張応力とシャンク外表面にかかる圧縮引張力を減少させることができ、その結果、応力勾配が、シャンクの幅全体にわたってより均一になった。この特徴により、穿孔工程中の自己穿孔型リベットの破損が最小限となり、更に他のセッティング工程のための条件（リベットの拡張、リベットヘッドの最終位置への配置、工具を取り外した後の金属板のはね返り）が整う。
【００１１】
自己穿孔型リベットの一定で均一で連続的な拡張は、平坦なシャンク端面とシャンク内側アール部とを組み合わせることにより可能となり、その結果、自己穿孔型リベットに張力が均一に蓄積し、自己穿孔型リベットへの荷重の急激な変化を防止することができる。リベットシャンクが穿孔領域（リベット下部領域）において「鈍角」に設計されているので、工程の安全性が向上する。更に、ダイ側板への荷重が二次元的になり、ダイ側板の貫通や破損が防止される。
【００１２】
独特なヘッド下側形状によって、接合力と接合仕事量を小さくすることができる。何故なら、パンチ側板が、かなり遅くまでリベットヘッドの下側と接触しないので、リベットヘッドの最終位置への配置に必要な力はかなり遅くまで必要とされず、荷重変位曲線（load displacement course）の勾配が比較的大きくなる。独特なヘッド下側形状がパンチ側板と接触するのが遅く、リベットヘッドを最終位置へ配置するためのパンチ行程が速い（特徴的に短い）ので、金属板の変形は最小限であり、その結果、接合操作後の金属板のはね返りが従来よりもかなり少なくなる。自己穿孔型リベットはパンチ側板を貫通してしまうまで拡張しないので、パンチ側板の切断縁が滑らかになる。この結果、セッティング工程後に、リベットシャンクとパンチ側板の接触面が最適になる。したがって、本発明によるリベット形状によって、リベットと金属板との間のこのような隙間の形成が大幅に減少する。
【００１３】
本発明により構成された自己穿孔型リベットの場合、金属板間に比較的大きい隙間ができ、この隙間は、工具を外した後の自己穿孔型リベット接合の相対運動、即ち「セッテイング」を可能にする。このことは、金属板がある種の「動きの自由」を有するので、金属板のはね返りに対して良い影響を与える。このように隙間が形成されることにより、振動荷重の下で耐荷重性能が向上するという潜在的な可能性がある。何故なら、金属板の一定のセッティング挙動並びにそれによる自己穿孔型リベット接合によって、接合における引張力を均一にすることができるためである。
【００１４】
自己穿孔型リベット要素における応力分布の改善は、セッティング工程の最適化によるものである。セッティング工程中の自己穿孔型リベットへの荷重が減少すると共に均一になり（実質的に最適化された拡張プロセスとリベットの均一な拡張により）、ヘッド下側形状によって金属板のはね返りが最小限となり、それにより、自己穿孔型リベットの品質の向上と、耐荷重性能の改善を達成することができる。
【００１５】
独特なヘッド下側形状のさらに他の利点として、接合した金属板の歪みの減少が挙げられる。何故なら、パンチ側材料が必ずしも半径方向に移動しないからである。極めて小さなヘッド下側アール部及びパンチ側板上へのリベットヘッドの点接触（punctual contact）によって、金属板の変形により生じる起伏を小さくすることができる。
【００１６】
本発明により設計された自己穿孔型リベットは、高強度鋼で作られた金属板の接合に好ましく使用することができるが、任意の材料で作られた金属板を接合するためにかなり一般的に使用することもできる。自己穿孔型リベット自体は高強度鋼から成るが、特殊鋼、アルミニウム、これらの材料の合金、セラミック等の他の一般的なリベット材料で作ることもできる。
【００１７】
本発明により設計された自己穿孔型リベットは、半中空自己穿孔型リベット（この場合は中心穴が止まり穴）でも、完全中空自己穿孔型リベット（この場合は中心穴が貫通穴）でもよい。
【００１８】
本発明の有利な設計とさらに他の展開は従属請求項で定義される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１を用いて、本発明により設計された半中空自己穿孔型リベットの具体的な実施形態を説明する。
【００２０】
自己穿孔型リベット２は、中心軸Ｘに関して回転対称的に設計されており、リベットヘッド４と、止まり穴として設計された中心穴８を備えたリベットシャンク６とから成る。
【００２１】
リベットヘッド４は、（好ましくは平らな）上面１０と、（好ましくは円筒状の）ヘッド外表面１２とを有する。ヘッド外表面１２は、直径Ｄ２と軸方向高さｈとを有する。
【００２２】
リベットシャンク６は、円筒状シャンク外表面１４と、穴８を画定する円筒状シャンク内表面１６とを有する。円筒状シャンク外表面１４は直径Ｄ１を有し、円筒状シャンク内表面は直径Ｄ３を有する。特定の応用例では、シャンク外表面１４は、接合する金属板間にできる隙間を最小にするために、少なくとも所定の場所で僅かに拡がるように設計することができることに注意されたい。
【００２３】
円筒状ヘッド外表面１２は、円錐状のヘッド下側面取り部１８及びアール部Ｒ１により円筒状シャンク外表面１４と接続されている。（本発明の範囲において、用語「アール部」は、軸方向断面において半径Ｒの円弧形状を有する環状面と解されるものとする。）
【００２４】
アール部Ｒ１は接線方向に延在してヘッド下側面取り部１８及びシャンク外表面１４とにつながっており、ヘッド下側面取り部１８は、ヘッド外表面１２と直接隣接している（例えばアール部を介して）。ヘッド下側面取り部１８は、半径方向平面との間に角度α１を作る。
【００２５】
リベット下部において、シャンク外表面１４は、平坦なシャンク端面２０、シャンク内側面取り部２２及びアール部Ｒ２によってシャンク内表面１６につながり、シャンク外表面１４と平坦なシャンク端面２０との間に円周方向に延在する切刃２４が設けられている。平坦なシャンク端面２０は、軸Ｘに対して直角に延在し、この直角の面に対する許容可能な偏差は角度α３以内である。シャンク内側面取り部２２は、自己穿孔型リベット２の半径方向平面に対して角度α２以下だけ傾斜されている。アール部Ｒ２は、シャンク内表面１６とシャンク内側面取り部２２に対して接線方向に延在する。平坦なシャンク端面２０は、半径方向の幅ｂ２を有する。
【００２６】
切刃２４は、理想的には鋭い刃になっている。しかしながら、実際には、製造上の理由から、半径方向の幅ｂ１を有する面取り部又は丸みをつけた部分として設計することができる。面取りする場合には、切刃２４が半径方向平面との間に角度α４を形成する。
【００２７】
穴８は、ヘッド下側部２６の領域に湾曲した底を有し、この底は、中心アール部Ｒ３と２つ側方アール部Ｒ４とからなる。側方アール部Ｒ４は、シャンク内表面１６及びアール部Ｒ３に対して接線方向に延在する。リベットヘッド４は、軸Ｘ上において軸方向高さＨを有する。
【００２８】
好ましい例示的な実施形態によれば、規定寸法は以下の通りである。
Ｄ１＝５．３＋０．１／−０．１ｍｍ
Ｄ２＝７．７５＋０．１５／−０．１５ｍｍ
Ｄ３＝３．４０＋０．３０／−０．００ｍｍ
ｈ＝０．４０＋０．００／−０．２０ｍｍ
Ｈ＝１．００＋０．００／−１．００ｍｍ
ｂ１＝０．３５＋０．１０／−０．１５ｍｍ
ｂ２＝０．１０＋０．００／−０．１ｍｍ
Ｒ１＝０．６７＋０．１０／−０．１０ｍｍ
Ｒ２＝０．７＋０．１／−０．１ｍｍ
Ｒ４＝０．２７＋０．０５／−０．０５ｍｍ
Ｒ３＝６．０１＋０．１０／−０．１０ｍｍ
α１＝２０°＋５°／−５°
α２＝４５°＋１０°／−５°
α３＝０°＋３°／−３°
α４＝４５°＋５°／−５°
【００２９】
自己穿孔型リベット２の軸方向の長さは、図示の例示的な実施形態では５ｍｍである。しかしながら、他の寸法が同一であれば、標準形状として使用する５ｍｍを越える又は５ｍｍ未満のリベット長も使用できることに注意されたい。
【００３０】
自己穿孔型リベット２のリベット下部領域とヘッド下側部分の形状に特に注意されたい。
【００３１】
ヘッド下側面取り部１８の角度α１が比較的小さく、ヘッド下側面取り部１８とシャンク外表面１４との間のアール部Ｒ１が比較的小さいため、リベットヘッド４の下方のリベットシャンク６の外側に比較的大きな隙間ができる。その結果、接合工程において、リベットヘッド４がパンチ側金属板と比較的遅く接触し、パンチ側金属板の反り（たわみ）が比較的少なくなる。つまり、これに対応して「材料収縮」（金属板の収縮）が小さくなる。
【００３２】
これには、多くの点で有利な効果がある。例えば、パンチ側金属板におけるリベットヘッド最終位置が最適になり、その結果、これに対応して自己穿孔型リベット接合の上面が「平坦」になる。ヘッド下側形状とパンチ側金属板との接触が遅いため、最初に述べたＣリベットのような従来の自己穿孔型リベットに比べて、パンチ側金属板の変形が僅かになり、接合操作に必要な接合力が小さくなる。これにより、セッティング工程における自己穿孔型リベットの引張力が小さくなり、その結果、これに対応して破損、変形及び亀裂が生じる可能性が低下する。最初に説明したように、リベットヘッドの最終位置への配置に必要な力は、かなり遅くまで必要とされず、また荷重変位曲線の勾配は比較的大きい。リベットヘッドの最終位置への配置はかなり遅くまで生じず、且つ比較的迅速に起こり、明らかな力の増大を伴う。
【００３３】
独特なヘッド下側形状部分とパンチ側金属板との接触が遅く、リベットヘッドを最終位置へ配置するパンチ行程が速い（特徴的に短かい）ので、金属板の変形を最小限にでき、それにより接合操作後の金属板の戻りが、従来よりもかなり少なくなることが分かる。
【００３４】
ヘッド下側形状によって得られる上記及びその他の効果は、リベット下部形状によって得られる効果と機能的に組み合わされる。
【００３５】
下部形状の特徴は平坦なシャンク端面２０であり、この平坦なシャンク端面２０は、実質的にリベットの半径方向平面内にあり、特別な角度α２を有するシャンク内側面取り部２２とアール部Ｒ２とを介してシャンク内表面１６に続く。この独特な下部形状、特に平坦なシャンク端面２０は、接合操作の際に自己穿孔型リベットを案内する。その結果、パンチ側金属板を貫通するときに自己穿孔型リベットが早く拡張しすぎるのが防止され、一方、２０、２２及びＲ２の組み合わせによって、ダイ側金属板（従って、拡張が望ましい場所）にリベットが貫入した場合にリベットシャンク６の制御された均一な拡張が起こる。
【００３６】
その結果、パンチ側金属板の穿孔における切断工程が滑らかになる。必要な接合力と必要な変形仕事量（即ち、加えるエネルギー）が大幅に減少しないことは確かであるが、リベットの破損は最大限に抑えられる。更に、非拡張状態でパンチ側金属板に貫入するリング部分が、（Ｃリベットの場合のように）拡張状態より小さいので、必要とされる切断力や接合力が更に小さくなる。この結果、自己穿孔型リベットにおける引張力が減少する。更に、パンチ側金属板を貫通する際にリベットシャンクはまだ拡張されていないので、曲げ応力がほとんど生じず、その結果、リベット内の応力の分布は比較的均等（均一）になり、リベットシャンクの内側又は外側に僅かな引張応力と圧縮応力が存在するだけとなり、その結果、理想的には、シャンク内には軸方向の圧縮応力だけが生じる。その結果、接合操作で自己穿孔型リベットが早期に破損するのが防止され、従って亀裂が生じる可能性が減少する。
【００３７】
これに関連して得られる更に他の利点としては、金属板間を分かつ面に、後からでは塞ぐことができない隙間が早期にできることがなく、その結果、完成した自己穿孔型リベット接合の亀裂が減少するという点がある。
【００３８】
上述した効果は、次に図２〜図９を用いて説明するように、実験と有限要素法（ＦＥＭ）の両方によって確認された。
【００３９】
図２は、実験で作成され数字１〜４で示した断面図を示し、これらの断面図は、自己穿孔型リベットがパンチ側金属板を貫通した後でかつダイ側金属板に貫入する前の状態を示す。図３と図４は、類似の断面図を示すが、これらの図は、ＦＥＭを用いて得られたものである。図２〜図４の左側の１及び３と示した断面図は、従来のＣリベット（EP0 720 695）に関連するものであり、図２〜図４の右側の２及び４と示した断面図は、図１に従って本発明により設計された自己穿孔型リベットに関するものである。
【００４０】
二枚の金属板は類似したものであり、即ち高強度鋼（ＨＴ８００Ｔ）から成り、板厚は１．５ｍｍであった。自己穿孔型リベットは、硬度６（３５Ｂ２）と硬度７（４５Ｂ２）の自己穿孔型リベット材料で作られ、数字１と２で示した断面図は、硬度６の自己穿孔型リベットに関するものであり、数字３と４で示した断面図は、硬度７の自己穿孔型リベットに関するものである。
【００４１】
図２の左側と右側の断面図を比較すると分かるように、Ｃリベット（従来技術）は、明らかに切断工程で既に拡張されているが、本発明による自己穿孔型リベットは、殆ど変形していない状態を維持している。したがって、本発明によるリベットは、Ｃリベットと対照的に、直線的な垂直方向の切断を行い、Ｃリベットの場合には斜め方向に切断が行われる。その結果、本発明により設計された自己穿孔型リベットのリベットシャンクは、ほとんど純粋な圧縮荷重を受け、一方、Ｃリベットのリベットシャンクは、不均一な荷重（曲げ応力）を受け、即ち内側領域で引張荷重を受け、外側領域で圧力荷重を受ける。３で示した断面図において、Ｃリベットの内側が既に裂けている（lacerated）ことが分かる。
【００４２】
以上の結果は、ＦＥＭによって得られた図３の断面図によって確認され、この図において、最大主応力（greatest main stress）σの分布が、異なるシェーディングで示されている。「最大主応力」とは、量による最大主応力のことである。左側のシェーディング目盛は、明るい色から暗い色になるほど引張力が大きくなることを表し、負の引張力は圧縮応力を表わし、正の引張力は引張応力を表わす。
【００４３】
図３の左側と右側を比較すると分かるように、本発明により設計された自己穿孔型リベットのリベットシャンクにおける応力の分布は、最大限に均一であり、一方Ｃリベットにおける応力の分布は、きわめて不均一である。詳細には、Ｃリベットのリベットシャンクの外側に高い圧縮応力ピークが確認でき、内側には高い引張応力ピークが確認できる。この引張応力ピークは、リベットシャンクの反り（拡張）から生じるものである。Ｃリベットでは、明らかに大きい応力勾配がみられる。
【００４４】
図４の断面図では、変形の程度ψが、異なるシェーディングによって示されている。ここでもまた、図４の右側に示される本発明により設計された自己穿孔型リベットは、切断工程の終わりにおいて、極めて僅かしか変形していないが、Ｃリベットは既に大きく変形（拡張）していることがよく分かる。本発明により設計された自己穿孔型リベットの場合、変形仕事量、即ち加えられるエネルギーは、Ｃリベットの場合よりも少なくないことは確かであるが、より良好な穿孔工程が行えることは明らかである。
【００４５】
次に図５を参照すると、図５は、２枚の金属板間に完成した自己穿孔型リベット接合の２つの断面図を示し、ここで、左側は、従来の自己穿孔型リベット（Ｃリベット）に関し、右側が、本発明による自己穿孔型リベット（図１）に関するものである。
【００４６】
本発明により設計された自己穿孔型リベット（図５の右側）は、パンチ側金属板を貫通してしまうまで拡張しないので、パンチ側金属板に滑らかな切断縁（cutting edge）ができる。この結果、セッティング工程後に、上側金属板のリベットシャンクへの接触面が最適なものになる。
【００４７】
図５の左側に矢印Iで示したように、Ｃリベットでは、パンチ側金属板とリベットヘッドとの間の点設置（punctual placement）がアール部Ｒ１（図１）において既に始まっており、これにより、セッティング工程で、局部荷重が生じ不必要に接合力が高まる。更にその結果、セッティング工程で、矢印IIと線IIIによって示すようにパンチ側金属板の上面とリベットヘッドとの間に半径方向の隙間が大きくなる。図５の右側に示される本発明により設計された自己穿孔型リベットは、明らかに異なる挙動を示す。本発明により設計された自己穿孔型リベットの場合、パンチ側金属板は、かなり遅くまでヘッド下側面取り部１１８と接触せず（また、アール部Ｒ１と接触せず）、その接触はあまり局所的でなく（その結果として、接合力が小さいと言うことができる）、セッティング工程後にリベットヘッドとパンチ側金属板との間に隙間ができ、この隙間は、外側から内側に向かって半径方向に大きくなり、腐食の危険がある領域での点接触面（punctual contact surface）を可能にする（矢印Vと２本の線VIを参照）。２つのヘッド下側形状による実質的な違いは、リベットヘッドを最終位置に配置する際の荷重変位曲線、それによって生じるセッティング工程における引張力、セッティング工程後の自己穿孔型リベットの復帰力、及び工程完了後のリベットヘッドとパンチ側金属板との間の隙間にある。
【００４８】
図５の左側と右側の２つの自己穿孔型リベット接合の更なる違いは、矢印IV及びVIIIの部分に見ることができる。左側に示したＣリベットの場合は、Ｃリベット接合部が大きく歪んでいるが、本発明により設計された自己穿孔型リベットによる自己穿孔型リベット接合の場合は、リベットヘッドの下方において、パンチ側金属板に一定の可撓性があり、これにより、工具を除去した後の接合の相対運動／「セッティング」が可能である。この「自由な動き」は、金属板の戻りによい影響を及ぼす。予想される１つの利点は、振動荷重下での自己穿孔型リベットの耐荷重性能が必然的に高まることであり、その理由は、金属板と自己穿孔型リベット接合との一定のセッティング挙動により、自己穿孔型リベット接合における引張力の均一性が高まるからである。
【００４９】
独特なヘッド下側形状の更に他の利点として、Ｃリベットの場合とは異なり、パンチ側金属板が半径方向に大きくずれないため、接合された金属板の歪みが小さいことを挙げることができる。金属板の成形によって生じる起伏は、図５の左側と右側を比較すると分かるように、小さいヘッド下側アール部Ｒ１と、パンチ側金属板上へのリベットヘッドの点配置とによって減少する。
【００５０】
本発明により設計された自己穿孔型リベットによる自己穿孔型リベット接合の剪断引張り試験及びクロス引張り試験を行った。その結果を図６〜図９に示す。ここでは図６と図７のグラフが示されている。図６と図７のグラフは、図２〜図４の試験の場合のように、同種の金属板（鋼／鋼）の自己穿孔型リベット接合に関し、図８と図９のグラフは、異種の金属板（アルミニウム／鋼）の自己穿孔型リベット接合に関するものである。
【００５１】
クロス引張り試験では、自己穿孔型リベット接合した金属板を、軸方向に引き離す。図６のグラフは、接続で生じる金属板の移動（標準経路Ｓ）とこの接続で伝達可能な力（標準力Ｆ）との関係を示す。２及び４で示した曲線は、（図２〜図４と同じように）硬度６と７の本発明による自己穿孔型リベットに関し、１及び３で示した曲線は、硬度６と７のＣリベットに関するものである。
【００５２】
図６から推論できるように、本発明により設計された自己穿孔型リベットによる自己穿孔型リベット接合（曲線２及び４）は、従来のＣリベットによる接合よりも明らかに高い標準力を達成する。更に、Ｃリベットは比較的早く亀裂が入ったり剪断したりするが、本発明により設計された自己穿孔型リベットは壊れない。したがって、本発明により設計された自己穿孔型リベットは、従来の自己穿孔型リベットよりも明らかに大きなエネルギー吸収能力を有する。
【００５３】
剪断引張試験では、自己穿孔型リベット接合された金属板をリベット軸と垂直な方向に引っ張る。図７のグラフは、従来のＣリベット（曲線１及び３）には早く亀裂が入ったり剪断したりすることを示している。これは、特に、硬度Ｈ７の自己穿孔型リベットに当てはまる（曲線３を参照）。一方、本発明により設計された自己穿孔型リベット（曲線２及び４）は壊れず、明らかに高いエネルギー吸収能力を有する。
【００５４】
図８と図９は、図７と図６に対応し、異種の金属板（アルミニウム／鋼）の自己穿孔型リベット接合に関するグラフを示す。図８で分かるように、本発明により設計された自己穿孔型リベットによる自己穿孔型リベット接合の場合（曲線２及び４）は、最大伝達可能引張剪断力の大きさは５．２〜５．３ｋＮになる。これとは対照的に、Ｃリベットの場合の最大伝達可能引張剪断力の大きさは４ｋＮ未満である。
【００５５】
図９のグラフから分かるように、クロス引張り試験でも同様の結果が得られた。例えば、本発明により設計された自己穿孔型リベットによる自己穿孔型リベット接合の最大伝達可能クロス引張力は、Ｃリベットにおける対応する値よりも約０．３〜０．７ｋＮ大きい。
【００５６】
図１に示した形状の自己穿孔型リベットで試験とＦＥＭ検査を行った。このような自己穿孔型リベットの直径は、Ｄ１（シャンク外表面１４）とＤ２（ヘッド外表面１２）が５．３０ｍｍと７．７５ｍｍであり、これは、特に自動車業界で通常使用されている。しかしながら、用途によりこれらの直径を変更できることを理解されたい。この場合、角度α１、α２及びα３は同じままで、他の寸法を直径の変化に応じて変化させることができる。
【００５７】
既に述べたように、本発明により設計された自己穿孔型リベットは、特に高強度鋼材料（例えば、引張強さＲＭ＞６００ＭＰａ）を接合するのに適しており、このリベット自体、高強度鋼材料から作られていることが好ましい。しかしながら、自己穿孔型リベットは、様々な材料（延性材料／低強度材料）でできた金属板の接合に使用することもでき、自己穿孔型リベットは、例えば特殊鋼、アルミニウム、これらの材料の合金、セラミックなどの他の材料から作られていてもよい。
【００５８】
また、図１に示した形状を有する自己穿孔型リベットの場合には、直径Ｄ３及びアール部Ｒ３とＲ４を基準にして比較的大きい穴８を形成することができるといういことは、言及する価値のあることである。これにより、接合動作で切り取られた部分を保持することができる。これは特に、パンチ側金属板がダイ側金属板よりも柔らかい金属板を接合する場合、したがって「軟らかいものを硬いものに接合する」場合に当てはまる。しかしながら、リベットがアルミニウムで作成され、ＡｌをＡｌに接合しなければならない場合も考えられる。更に、穴の底２６のアール部Ｒ３とＲ４は、張力の削減という観点から最適に選択され、製造／組立条件に適応される。アール部Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の部分の滑らかな移行により、「ぎざぎざのない」自己穿孔型リベット形状が実現され、その結果亀裂が生じる可能性が更に減少する。
【００５９】
図１０は、本発明の例示的な実施形態の変形例を示し、この場合、自己穿孔型リベット１０２の中心穴１０８は、止まり穴としてではなく貫通穴として構成されている。他の点において、図１０の自己穿孔型リベット１０２の形状は、図１の自己穿孔型リベット２の形状と同一である。従って、図１０において、角度、半径及び寸法ｈ、ｂ１、ｂ２には同じ名称が使用され、図１で使用した番号と同じ番号に１００を加えた番号が使用されている。
【００６０】
完全円筒状自己穿孔型リベット１０２とそれにより得られる利点に関しては、図１の半中空自己穿孔型リベット２の説明を参照することができる。更に、図１０の完全円筒状自己穿孔型リベット１０２では、以下の利点及び可能性が得られる。
【００６１】
−リベットシャンクの内部の穴容積が明らかに大きいため、特に「軟らかいものを硬いもの」に接合する場合、切断した材料が保持される。その結果、パンチ側の金属板材料が、妨げられることなくパンチの方向に流れることができる。
【００６２】
−シャンクパンチが取り囲まれないため、シャンク内表面の亀裂の発生が防止される。
【００６３】
−（自己穿孔型リベットを拡張する）アンダーカット形成のための取り囲まれたパンチを変位させる必要がないので、必要な接合力が大幅に減少する。
【００６４】
−所与の長さ（例えば、５ｍｍ）の自己穿孔型リベットの場合、アンダーカット形成を脅かすことなく、比較的厚い（２〜３ｍｍ）金属板をパンチ側として加工することができる。
【００６５】
−半中空自己穿孔型リベットの歪みを発生させ、最も好ましくない場合、自己穿孔型リベットのひび割れにつながる可能性のあるシャンク内表面のあらゆる幾何学的ぎざぎざ（notch）がなくなる。完全円筒状自己穿孔型リベットではリベットシャンクがより自由に動くことができ、その結果、接合操作において応力の「処理」がより良く行える。
【００６６】
−自己穿孔型リベット接合における自己穿孔型リベットの弾塑性締付けがより均一に行われるので、完全円筒状自己穿孔型リベットの貫通穴は、自己穿孔型リベット接合の（震動）耐荷重性能を高めることができる。自己穿孔型リベット接合における最も剛性の高い要素である自己穿孔型リベットは、完全円筒状自己穿孔型リベットとしての設計により、自己穿孔型リベット接合の硬度／張力勾配をより均一にすることができる。
【００６７】
図１０の例示的な実施形態において、貫通穴１０８を画定するシャンク内表面１１６は、アール部Ｒ２から連続的な円筒状に構成される。しかしながら、ヘッド領域の貫通穴１０８は、図１１〜図１５の例示的な実施形態に示すような拡張部に続いてもよい。
【００６８】
図１１〜図１５の自己穿孔型リベット１０２ａ〜１０２ｅの貫通穴１０８ａ〜１０８ｅは、円錐領域として設計された拡張部１３０ａ〜１３０ｅに続く。図１１〜図１３及び図１５の自己穿孔型リベットの場合、拡張部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｅは、例えば丸められた縁または面取りした縁１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｅで終わっており、図１１の自己穿孔型リベット１０２ｄの場合は、拡張部１３０ｄはアール部１３２ｄで終わっている。他の点については、図１１〜図１５の例示的な実施形態は、円錐状拡張部分の大きさと勾配だけが異なる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、本発明により設計された半中空自己穿孔型リベットの軸方向断面図である。
【図２】図２は、自己穿孔型リベット接合の形成中の断面図であり、自己穿孔型リベットがダイ側金属板に貫入する少し前の状態の穿孔操作の終わりを示し、この図において、左側は従来のＣリベットを示し、右側は、図１に従って本発明により設計された自己穿孔型リベットを示す。
【図３】図３は、図２に対応しているが、ＦＥＭを用いて得た類似の断面図であり、自己穿孔型リベットと自己穿孔型リベット接合における最大主応力の分布を示す。
【図４】図４は、図２に対応しているが、ＦＥＭを用いて得た類似の断面図であり、自己穿孔型リベットと自己穿孔型リベット接合における変形の程度を示す。
【図５】図５は、完成した自己穿孔型リベット接合の断面図であり、左側は、従来のＣリベットを示し、右側は、図１に従って本発明により設計された自己穿孔型リベットを示す。
【図６】図６は、剪断引張り荷重の場合において、本発明により設計された自己穿孔型リベット接合の伝達可能標準力を標準行程により印加した場合のグラフであり、接合は同種の金属板の自己穿孔型リベット接合である。
【図７】図７は、クロス引張り荷重の場合において、本発明により設計された自己穿孔型リベット接合の伝達可能標準力を標準行程により印加した場合のグラフであり、接合は同種の金属板の自己穿孔型リベット接合である。
【図８】図８は、図６及び図７に対応しているが、異種の金属板で作成された自己穿孔型リベット接合についてのグラフである。
【図９】図９は、図６及び図７に対応しているが、異種の金属板で作成された自己穿孔型リベット接合についてのグラフである。
【図１０】図１０は、本発明により設計された中空自己穿孔型リベットの図１に対応する軸方向断面図である。
【図１１】図１１は、中空自己穿孔型リベットの異なる実施形態の図１０に対応する縮小軸方向断面図である。
【図１２】図１２は、中空自己穿孔型リベットの異なる実施形態の図１０に対応する縮小軸方向断面図である。
【図１３】図１３は、中空自己穿孔型リベットの異なる実施形態の図１０に対応する縮小軸方向断面図である。
【図１４】図１４は、中空自己穿孔型リベットの異なる実施形態の図１０に対応する縮小軸方向断面図である。
【図１５】図１５は、中空自己穿孔型リベットの異なる実施形態の図１０に対応する縮小軸方向断面図である。
【図１】
0005312737.tif 000002
【図２】
0005312737.tif 000003
【図３】
0005312737.tif 000004
【図４】
0005312737.tif 000005
【図５】
0005312737.tif 000006
【図６】
0005312737.tif 000007
【図７】
0005312737.tif 000008
【図８】
0005312737.tif 000009
【図９】
0005312737.tif 000010
【図１０】
0005312737.tif 000011
【図１１】
0005312737.tif 000012
【図１２】
0005312737.tif 000013
【図１３】
0005312737.tif 000014
【図１４】
0005312737.tif 000015
【図１５】
0005312737.tif 000016