本发明主要涉及一种螺纹紧固件，更具体地说，本发明涉及一种特别适用于松软材料如塑性材料的外螺紧固件。

目前，多种紧固件结构被用于松软材料如塑性材料的固定，并具有不同的成功。许多紧固件用于螺纹成形应用。固定材料体内有一个引导孔，当紧固件插入时，紧固件的螺纹剪切进引导孔壁内。
对于要固定在那里的紧固件的设计，不同的材料呈现出不同的挑战。许多塑料制品具有一个特征，称为“塑性蠕变”，导致长久固定材料十分困难。所谓塑性蠕变，是指随着时间的过去，塑性材料内部发生的尺寸变化。它也指冷变形，蠕变速率或冷变形经常随着温度的升高而加快。塑性蠕变导致的后果是，随着时间的过去，由固定在塑性材料内的螺纹紧固件形成的结合处将变松。以前，在紧固件的设计中，曾经试图采用各种途径来补偿塑性蠕变引起的效应，并取得了不同的成功。
传统螺杆螺纹可以视为圆柱形斜面。当螺杆往下压紧时，被螺杆推开的材料被迫沿着斜面后缩，并反推着螺杆头。到最后压紧时，材料被压缩，螺杆本身被伸展，紧固载荷就产生了。当材料随着时间的过去而回缩，诸如塑性蠕变中所发生的，材料就会有一个自然的沿着螺杆螺纹斜面的滑动趋势。随着紧固载荷的消失，紧固接合处就会变松。
当塑性材料承受振动时，作固定用的螺纹紧固件也会遇到一些困难。振动会导致材料在螺杆螺纹的斜面上自然地沿着变松的方向移动。由此可见，保持塑性材料内的螺纹紧固件规定的紧固力矩是比较困难的。
由于塑性材料的特性和结构，紧固件驱动进入材料内部相对比较容易。然而，如果“驱动—脱出窗口”(drive-strip window)太小，就会产生另一个问题。驱动-脱出窗口是指在紧固材料产生脱出之前，驱动螺杆进入材料里所需的力矩和材料里的紧固螺杆所能承受的最大力矩之差。特别是当动力驱动器用于驱动紧固件进入材料里时，较大的驱动-脱出窗口有助于防止无意中的脱出。
所提供的螺杆在直径和长度上有不同的规格。常见的是不同特定直径具有通用螺纹齿距的螺杆。然而，这样就会出现某一尺寸的螺杆可能在塑性材料中工作得相当好，而有相同通用螺纹设计，尺寸大一点或小一点的螺杆就不能正常工作的现象。因此，设计尺寸不同却在类似材质都能正常工作的螺杆是比较困难的。
所需要的技术是一种适用于塑性材料及其它松软材料的螺纹紧固器，它能在发生塑性蠕变或振动的情况下，仍然能轻松驱动进入材料里并产生带有改良保持力的牢固接合。更需要提供一种依比例设计，带有多种螺杆尺寸，能够持续提供改良性能的螺纹设计。

参照附图，特别是图1，显示的是依照本发明的螺纹紧固件10。紧固件10包括杆体14上的头部12，杆体14上有高螺纹16和低螺纹18。高螺纹16和低螺纹18沿着杆体14以交替螺旋状样式从杆体14的末端20伸展到与头部12相邻的头端22。
螺纹紧固件10可以用多种材料制成，采用冷成形处理的金属制成更为有利。按照紧固件10的应用和使用要求，紧固件10可以具有不同的尺寸和长度。本发明能够方便地应用不同尺寸的紧固件10，这一点会随后进行解释。
如附图中所示，高螺纹16和低螺纹18从末端20延伸到头部12。然而，在本发明的一些应用和使用中，可能一者或两者小于杆体14的全尺寸。例如，螺纹16和18可能从末端20向内开始，离头部12还有一段间距终止，这样在杆体14末端20的附近或头部12的附近或邻近这两处有一段无螺纹部分。
头部12可以具有多种结构，适合通过工具或器械来御接和驱动。例如，头部12可以包括一个成形于其中的孔，在将紧固件插入到固定体中时，将扳手或手动或动力工具插入到孔中来旋转紧固件10。头部12可以配置有容纳螺丝起子或其它工具的开槽或其它形状的孔。进一步说，头部12可以配置具有平的侧面的外部形状，用来啮合扳手或其它类似工具。更进一步说，头部12可以有一个圆锥形外形，使头部12能够安装到固定材料的凹孔中。所有这些头部12的各种结构和变化对本领域的技术人员都是熟知的，在这里就不再作进一步说明。
在截面中，高螺纹16和低螺纹18都为截头锥体形。分别具有驱动侧面24和26，压力侧面28和30。驱动侧面24和26分别是螺纹16和18的连续表面，一般朝向末端20。压力侧面28和30分别是螺纹16和18的连续表面，一般朝向头部12。
用术语描述，高螺纹16从杆体14沿径向向外延伸得比低螺纹18更多一些。
高螺纹16的压力侧面28上有一系列的空腔或凹槽32。最好，凹槽32从高螺纹16的头端22到末端20一致地分布。在本发明的一个修改中，在邻近头部12的高螺纹的一条或几条螺旋形圈上，或者如果高螺纹16距离头部12有一段间距的情况下在靠近头部12的高螺纹的螺旋形圈上具有凹槽32。
为了后面描述螺纹紧固件10特征的不同物理关系，其中的一些尺寸参照图2-6的规定。紧固件10的纵轴线用点划线40来表示。杆体14的半径通过带箭头直线42来表示。半径42为紧固件10的内径(Φmin)的一半，内径为杆体14的直径。高螺纹确定的外径(Φhi)是图2用点划线44表示的高螺纹半径的两倍。低螺纹确定的外径(Φlo)，是图2用带箭头直线46表示的低螺纹半径的两倍。高螺纹16确定了一个夹角(h)，用带箭头直线48表示，低螺纹18确定了一个夹角(l)，用带箭头直线50表示。杆体14上高螺纹和低螺纹的角度确定了螺距，即每条螺纹相邻部分间的轴向间距。在具有示例性的具体实施方案中，带箭头直线52表示螺距。
高螺纹16和低螺纹18分别具有平的螺纹齿顶62和64。螺纹齿顶平面62和64的宽度(fc)都是一样的，用带箭头直线66来表示。
在高螺纹16和低螺纹18之间确定了一个螺槽平面68，该平面呈螺旋状，在紧固件10上从末端20上升到头部12。螺槽平面68的宽度(fg)用带箭头直线70来表示。
紧固件10应用在塑性固定材料74的引导孔72中，引导孔72通过引导孔壁76来确定。本领域的技术人员非常清楚，引导孔72可以呈锥形，如大约1度的夹角。因此，引导孔72的直径(Φhole)在不同的深度将变得不同。在图2所示的位置引导孔直径(Φhole)大约等于低螺纹18的外径(Φlo)。图3说明了在引导孔72内的紧固件10上的一块比较浅的区域，这里的引导孔的直径(Φhole)略大于低螺纹的外径(Φlo)。在图4所示的引导孔72的较深部位，引导孔直径(Φhole)略小于低螺纹的外径(Φlo)。
高螺纹夹角48(h)最好取在大致35°到60°之间比较好，最优取为48°左右。低螺纹夹角50(l)取在大致30°到120°之间比较好，最优取为90°左右。螺槽平面68的宽度取在大致0.003到0.020英寸之间比较好，最优取为0.005英寸。高螺纹16和低螺纹18上的螺纹齿顶平面62和64的宽度(fc)取在大致0.002到0.010英寸之间比较好。引导孔72的直径(Φhole)与高螺纹16的直径(Φhi)之比的范围取在大约55％到85％之间比较合适，依照本发明，紧固件的多数尺寸指定为80％。
凹槽32的尺寸、形状和位置的具体描述参见图5和图6。图5说明压力侧面28的一部分区域，大体顺着螺纹16的长度呈曲线延伸。图6为紧固件10的分解轴向剖面。凹槽32沿径向延伸，在高螺纹齿顶62处开口，从那里向内部延伸，不到杆体14的全长。每个凹槽底部的弯曲半径，用带箭头直线80表示，最好取为大约0.008英寸。相邻凹槽间的圆周间距，用带箭头直线82表示，取为大约0.040英寸比较合适。每个凹槽32的深度，用带箭头直线84表示，最好取大约0.005英寸。每个凹槽32的长度(LengthPFF)，用带箭头直线86表示，按照下面的数学关系取值比较合适：0#LengthPFF#1/3(Φhi-Φmin)*sec(1/2h)凹槽32采用其它形状也有优点.在本发明的一些应用中，从螺纹齿顶62几乎完全到杆体14向内延展的凹槽具有一些优点。可以预料到，在本发明的一些应用中，在低螺纹18的压力侧面30上提供凹槽，至少沿着其邻近螺纹齿顶64的外部边缘，也具有一些优点。
已经发现，在通常可以接受的紧固件尺寸范围内，螺距(用带箭头直线52表示)、螺纹高度和其它类似尺寸在其它紧固件设计中设计为常数，这些现在都可以在紧固件的比例化过程中当作变量。为了保持本发明从一种尺寸的紧固件到另一尺寸紧固件的优点，邻近螺纹间的槽状体积与螺纹体积之间的关系，更具体地说，被螺纹置换的材料体积要予以考虑。由于适用于塑性材料的标准引导孔呈圆锥形，在引导孔中任何给定的紧固件组件中，这些体积都是不同的。
为了选择合适的螺纹尺寸和螺距，要考虑三种不同情况。由螺纹确定并在螺纹间的槽状区内的区域在二维中考虑，实质上该区域位于包含紧固件轴的平面内。要考虑的三种情况是引导孔72的面积，其中引导孔直径(Φhole)等于、大于或小于低螺纹外径(Φlo)。
在附图中用数字90表示的第一区域A1，一般描述为被在包含轴线40的平面内确定的引导孔72的某一位置高螺纹16移除的固定材料74的一块区域，。A1是平面上高螺纹的一块大体为梯形的区域，包括嵌入在固定材料74上的高螺纹16的面积的一半。A1有第一和第二相对平行边92和94，与轴线40平行。第一条边92的长度等于宽度(fc)的一半，沿着螺纹齿顶平面62从其边缘延伸到中间。A1区域的第二条边94的长度等于引导孔壁76处的高螺纹16的厚度的一半，在前述平面内从引导孔壁76的边缘延伸到高螺纹16的中心。A1区域的第三条边96垂直于第一条边92和第二条边94并在它们之间延伸，其长度为从引导孔壁76到高螺纹齿顶62之间高螺纹16的高度。区域A1的第四条边98是高螺纹16嵌入固定材料74沿着高螺纹16的侧面的长度。确定区域A1的第二条边94、第三条边96和第四条边98的尺寸沿着锥形引导孔72随位置不同而变化，这一点通过比较图2、图3和图4能够看出来。
在前述平面内的第二区域A2用数字100表示，大体可以描述为高螺纹16和低螺纹18之间从螺槽平面68到引导孔壁76的那部分区域。实际上，A2为一个梯形区域，有大体上平行于轴线40的两条相对的平行边。长度为(fg)的第一条边102在高螺纹16和低螺纹18之间沿着螺槽平面68延伸。区域A2的第二条边104在下面要描述的第三条边106和第四条边108之间，沿着引导孔壁76的边缘延伸。区域A2的第三条边106沿着高螺纹16从螺槽平面68延伸到引导孔壁76。区域A2的第四条边108为从螺槽平面68到引导孔壁76，沿着低螺纹18延伸，包括超出低螺纹齿顶64直到引导孔壁76的任何伸出的长度，如图3所示。确定区域的A2第二条边104、第三条边106和第四条边108的尺寸沿着锥形引导孔壁76随位置不同而变化。
第三个区域A3用数字110表示，如图4所示。A3一般可描述为表示固定材料74在引导孔72中的任意位置被低螺纹18所移除的区域，在这一，引导孔72的直径(Φhole)小于低螺纹18的直径(Φlo)。A3为低螺纹18内的一梯形区域。A3有平行于轴线40的两条相对的平行边：第一条边112和第二条边114。第一条边112的长度等于宽度(fc)的一半，并沿着低螺纹齿顶平面64从它的边缘延伸到中心。区域A3的第二条边114的长度等于引导孔壁76处的低螺纹18厚度的一半，沿着前述平面内的引导孔壁76的边缘延伸到低螺纹18的中心。区域A3的第三条边116垂直于第一条边112和第二条边114并在它们之间，其长度等于低螺纹18上从引导孔壁76到低螺纹齿顶64部分的高度。区域A3的第四条边118在第一条边112和第二条边114之间沿着嵌入在固定材料74内的低螺纹18延伸。确定区域A3的第二条边114、第三条边116和第四条边118的尺寸所确定的区域A3沿着锥形引导孔72随位置不同而变化。
进行了数学分析，来确定用于不同尺寸紧固件的比例化参数。第一种情况，引导孔72的直径(Φhole)等于或大于低螺纹18的直径(Φlo)。图2和图3说明了第一种情况下的情形。
假定梯形区域的面积等于1/2(b1+b2)*h，那么有：等式1 A1＝1/2(1/2fc+xi)*hi等式2 xi＝1/2fc+hi*tan(1/2h)等式3 hi＝1/2(Φhi-Φhole)等式4 A2＝1/2(fg+x2)*h2等式5 x2＝h2*tan(1/2l)+fg+h2*tan(1/2h)等式6 h2＝1/2(Φhole-Φmin)将等式2和等式3代入等式1，有：等式7A1＝1/2[1/2fc+(1/2fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))]*1/2(Φhi-Φhole)A1＝1/4(Φhi-Φhole)(fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))将等式5和等式6代入等式4，有：
等式8 A2＝1/2[fg+(fg+1/2(Φhole-Φmin)*tan(1/2l)+1/2(Φhole-Φmin)*tan(1/2h))]1/2(Φhole-Φmin)A2＝1/4(Φhole-Φmin)[2fg+1/2(Φhole-Φmin)*(tan(1/2l)+tan(1/2h))]因此，确定情况一下的本发明紧固件的数学关系如下：1.A1＝1/4(Φhi-Φhole)(fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))2.A2＝1/4(Φhole-Φmin)[2fg+1/2(Φhole-Φmin)*(tan(1/2l)+tan(1/2h))]3.A2∃A1]]>对于情况2，本发明的第二个分析中，对引导孔72的直径(Φhole)小于低螺纹18的直径的一个位置的关系进行分析。这种情况在标准锥形引导孔中相对深时发生，如图4所示。低螺纹18的外部尖端嵌入在固定材料中。
同样，假定梯形区域的面积等于1/2(b1+b2)*h，那么有：等式1 A1＝1/2(1/2fc+Xi)*hi等式2 Xi＝l/2fc+hi*tan(1/2h)等式3 hi＝1/2(Φhi-Φhole)等式4 A2＝1/2(fg+x2)*h2等式5 x2＝h2*tan(1/2l)+fg+h2*tan(1/2h)等式6 h2＝1/2(Φhole-Φmin)等式7 A3＝1/2(1/2fc+x3)*h3等式8 x3＝1/2fc+h3*tan(1/2l)等式9 h3＝1/2(Φhi-Φhole)将等式2和等式3代入等式1，有：等式10A1＝1/2[1/2fc+(1/2fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))]*1/2(Φhi-Φhole)A1＝1/4(Φhi-Φhole)(fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))将等式5和等式6代入等式4，有：等式11  A2＝1/2[fg+(fg+1/2(Φhole-Φmin)*tan(1/2l)+1/2(Φhole-Φmin)*tan(1/2h))]1/2(Φhole-Φmin)A2＝1/4(Φhole-Φmin)[2fg+1/2(Φhole-Φmin)*(tan(1/2l)+tan(1/2h))]将等式8和等式9代入等式7，有：
等式12A3＝1/2[1/2fc+(1/2fc+1/2(Φlo-Φhole)*tan(1/2l)]*1/2(Φlo-Φhole)A3＝1/4(Φlo-Φhole)(fc+1/2(Φlo-Φhole)*tan(1/2l))因此，情况2下确定本发明紧固件的数学关系如下：1.A1＝1/4(Φhi-Φhole)(fc+1/2(Φhi-Φhole)*tan(1/2h))2.A2＝1/4((Φhole-Φmin)[2fg+1/2(Φhole-Φmin)*(tan(1/2l)+tan(1/2h))]3.A3＝1/4(Φlo-Φhole)(fc+1/2(Φlo-Φhole)*tan(1/2l))4.A2∃A1+A3]]>从上面可以看出来，对假定的夹角48和50，外半径44和46，内半径42，螺纹齿顶62和64，螺距52的值可以变化，以便提供一个合适的螺槽平面68来满足上述关系。类似地，如果期望提供特定的螺距52，尺寸关系式的其它参数也可以变化来满足上述的关系并提供有本发明优点的紧固件。只要高螺纹16和低螺纹18之间的槽状区域足够大，能够容纳被高螺纹16和低螺纹18移除的固定材料，本发明紧固件就容易驱动，运行时就具有这里所描述的各种优点。如上述数学关系所表明的，通过其它尺寸的改动，紧固件的尺寸能够进行修改，以便得到期望的结果。螺距的变化能够用来改变A2的边102的长度，从而影响A2整个区域和螺纹16和18之间的槽状区域的体积。
在本发明的使用中，引导孔72通过在固定材料74中钻孔或其它类似方法形成。紧固件10定位在引导孔72中，旋转进入引导孔。高螺纹16切入固定材料71的引导孔72的壁76中，将那里切除的材料导入到高螺纹16和低螺纹18之间的槽状空间。在引导孔72的直径(Φhole)小于低螺纹18的直径(Φlo)的区域，低螺纹18也切入引导孔72的壁76中，从壁76上除去固定材料74到高螺纹16和低螺纹18之间的槽状空间。带有高螺纹16和低螺纹18两个螺纹引导的紧固件10的结构，当紧固件10工作进入引导孔72内时，能够减少材料位移和内部应力。同时，导致将紧固件10从固定材料中拔出的拉力载荷增加。从而形成一个更加牢固的结合。
当紧固件10被驱动时，压力侧面28上的凹槽32不接触固定材料74，因此凹槽32不会影响插入紧固件10所需要的力矩。凹槽32只有在紧固件被紧固到位后才开始起作用。当夹紧压力通过最终的拧紧作用于紧固件10时，围绕高螺纹16的塑性固定材料逐渐被塑变进凹槽32。本发明的这种可以吸收力矩的特征，与没有凹槽32的传统紧固件相比，增加了脱出力矩。结果是，依照本发明的紧固件提供了一个高的位驱动-脱出窗口，增加了脱出力矩。
在利用M4螺钉驱动进3.5mm引导孔的ABS轴套的测试中，本发明的紧固件提供了一个17.3in/lbs的驱动-脱出窗口，然而所知的传统螺钉仅能提供10.1in/lbs的驱动-脱出窗口。同样对无充填物的聚丙烯，乙缩醛聚甲撑氧(acetal celcon)M90和有30％玻璃充填物的PBT热塑料芳族聚脂(celanex)3300进行了类似测试。同所知的紧固件相比，本发明的紧固件分别增加了48％，35％和59％的驱动-脱出窗口。
即使发生塑性蠕变或振动，本发明的紧固件仍能保持材料中的紧固状态。当紧固件10保持定位在固定材料中时，随着时间的过去，凹槽32内的充填随着塑性蠕变而进一步增强。在传统用于塑性材料的紧固件中，塑性蠕变会导致结合逐渐松动，塑性在本发明的紧固件中却反而增加材料中的紧固件的保持力。因此，振动不会导致结合松动，而是趋向迫使塑性材料进凹槽32中，因此进一步增强材料中紧固件的固定。时间、温度和振动的影响，都进一步增强紧固件10和紧固件固定的材料之间的互锁。
为了从紧固的材料中松动紧固件10，需要更高的作用力来迫使凹槽32通过沉积在那儿的塑性材料。因此，同所知的无凹槽32的紧固件相比，需要一个增加的破坏力来将紧固件10从嵌入的材料中取出。
松动本发明的紧固件所需的力矩和松动其它所知的紧固件所取的力矩进行了对比测试。测试在无充填物的ABS塑料，无充填物的聚丙烯，乙缩醛聚甲撑氧M90和有30％玻璃充填物的PBT热塑料芳族聚脂3300中进行。在同样的环境温度下，同所知的其它紧固件相比，本发明的紧固件的所需松动力矩分别增加了86％，134％，139％和33％。当对同样材料循环加热时，同所知的其它紧固件相比，本发明的紧固件的所需松动力矩分别增加了447％，331％，247％和73％。
本发明的紧固件具有双螺纹，高低错开的特征，促进了深、粗牙螺纹的使用，提供了一个更沉重的剪切区域和更深的螺纹，用于紧固件嵌入的塑性材料和其它材料中。这些也进一步提高了紧固件10的性能。
前述内容的变动和修改都在本发明的权力保护范围内。应该清楚的是，这里描述和确定的发明延伸到文字和(或)附图中提到或明显来自其中的两个或多个单独特征的所有不同组合。所有的这些组合构成了本发明的各种可选择方式。这里描述的实施方案解释了实现本发明的最佳方式，能使本领域的技术人员利用本发明。下面要解释的权利要求包括以前的技术允许范内围的可选择技术实施方案。
本发明的各种特征在下面的权利要求书中一一提出。