紧固件、紧固系统、用于将多个板紧固在一起的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月22日提交的美国专利申请第62/425,351号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本实用新型通常涉及紧固件，尤其涉及可用于将两个板固定在一起的单面紧固件(blind fastener)。
背景技术
有时需要紧固件来将两个板固定在一起，即使在难以或不可能接近(access)多个板的其中一个板的下侧(盲侧)表面时也可能需要这样。例如，在安装时，可能期望将紧固件插入到被固定在一起的多个板的对准的孔中，并且在安装完成之后，可以使用紧固件和螺母将板夹在一起。
例如，在美国专利第6,547,500号、第4,772,167号和第4,747,202号中已经提出单面紧固件，上述各专利的全部内容通过引用并入本文并用于所有目的。然而，在性能、易用性和/或可靠性方面仍然需要对紧固件进行改进。
实用新型内容
本实用新型的各方面涉及单面紧固件。
根据一个方面，提供了一种用于将板紧固在一起的紧固件。紧固件包括沿轴向方向延伸的螺纹轴。头部被定位成使得螺纹轴沿轴向方向从头部向远侧延伸。头部具有近侧部分、中间部分和远侧部分。头部的近侧部分具有非圆形周边。头部的中间部分和远侧部分各自具有从头部的近侧部分的非圆形周边向远侧延伸的周边表面。中间部分具有防旋转表面，该防旋转表面从头部的近侧部分的非圆形周边向远侧延伸。近侧肩部在头部的中间部分与头部的近侧部分之间沿径向方向延伸。远侧肩部可选地在头部的远侧部分与头部的中间部分之间沿径向方向延伸。
根据另一方面，提供了一种用于将板紧固在一起的系统。该系统包括(多个)板，每个板限定延伸穿过板的开口，多个板的至少一个板的开口是非圆形开口。该系统还包括用于将板彼此紧固的紧固件。紧固件具有沿轴向方向延伸的螺纹轴；头部被定位成使得螺纹轴沿轴向方向从头部向远侧延伸。头部具有近侧部分、中间部分和远侧部分，头部的近侧部分具有非圆形周边，使得头部的近侧部分在横向于轴向方向的方向上的最大尺寸大于跨过非圆形开口的最小尺寸。中间部分具有中间周边表面，该中间周边表面被定位成，当中间部分的中间表面延伸到非圆形开口中时限制紧固件在非圆形开口内的旋转。头部的远侧部分具有远侧周边表面，当远侧部分的远侧表面延伸到非圆形开口中时，该远侧周边表面允许紧固件在非圆形开口内的旋转。近侧肩部在头部的中间部分的中间表面与头部的近侧部分之间沿径向方向延伸。近侧肩部被定位成防止头部的近侧部分在至少一个旋转位置穿过非圆形开口。
根据又一方面，提供了一种用于将两个板紧固在一起的紧固件。紧固件包括沿轴向方向延伸的螺纹轴。非圆形头部被设置在螺纹轴的一端上，并且具有沿着非圆形头部的周边设置的多个平坦侧(flat side)，多个平坦侧包括第一平坦侧，该第一平坦侧与第二平坦侧在拐角(corner，角落)处相交。沿着非圆形头部的周边设置平坦缺口(relief)表面，该非圆形头部的周边在第一边缘处与第一平坦侧相交并在第二边缘处与第二平坦侧相交。肩部沿径向方向从拐角延伸到平坦缺口表面，并且沿着非圆形头部的周边在第一边缘与第二边缘之间延伸。
根据又一方面，提供了一种用于将板紧固在一起的系统。该系统包括至少一个板，该板限定延伸穿过板的非圆形开口。紧固件具有非圆形头部，其尺寸被设计成沿紧固件的第一旋转取向(orientation)至少部分地穿过板的非圆形开口。非圆形头部包括：(i)沿着非圆形头部的周边设置的多个平坦侧，所述多个平坦侧包括在拐角处与第二平坦侧相交的第一平坦侧，(ii)沿着在第一边缘处与第一平坦侧相交并在第二边缘处与第二平坦侧相交的周边设置的平坦缺口表面，该平坦缺口表面被构造为沿螺栓的第二旋转取向接合板的非圆形开口的表面，以及(iii)沿径向方向从拐角延伸到平坦缺口表面并在第一边缘与第二边缘之间沿着非圆形头部的周边延伸的肩部。肩部被定位成以紧固件的紧固构造(configuration)支承在板的表面上。非圆形头部不限于具有平坦侧和平坦缺口表面，并且可以具有其他控制特征或几何形状以实现相同或相似的结果。
根据又一方面，提供了一种用于将至少两个板紧固在一起的方法。该方法包括以下步骤：将紧固件的非圆形头部沿轴向方向至少部分地插入穿过非圆形开口，该非圆形开口被设置成通过至少两个板中的一个板的表面；旋转紧固件，直至非圆形头部的平坦缺口表面与板的非圆形开口的表面正 (positively，明确地、完全地)接合，该平坦缺口表面在非圆形头部的于拐角处相交的两个平坦侧之间沿着非圆形头部的周边延伸；以及将螺母紧固到紧固件的轴上，直到板的表面支承在沿径向方向从拐角延伸到平坦缺口表面的非圆形头部的肩部上。
根据又一方面，提供了一种紧固系统，用于紧固到至少一个板。该紧固系统包括第一紧固部件，该第一紧固部件具有沿轴向方向延伸的轴，用于延伸穿过限定在该至少一个板中的孔。第一紧固部件还具有头部，该头部被定位成使得轴沿轴向方向从头部向远侧延伸。头部具有近侧部分、中间部分和远侧部分，头部的近侧部分具有非圆形周边，头部的中间部分和远侧部分各自具有从头部的近侧部分的非圆形周边向远侧延伸的周边表面，并且中间部分具有从头部的近侧部分的非圆形周边向远侧延伸的防旋转表面，其中近侧肩部沿径向方向在头部的中间部分与头部的近侧部分之间延伸，头部被成形为使得所述头部可以穿过绕轴向方向以一个旋转取向限定在至少一个板中的孔，而不能穿过绕轴向方向以另一旋转取向限定在至少一个板中的孔。紧固系统还包括第二紧固部件，该第二紧固部件被构造成联接到第一紧固部件的轴，第二紧固件(部件)被成形为使得当其绕轴向方向以至少一个旋转取向联接到第一紧固部件的轴时，第二紧固部件不能穿过限定在至少一个板中的孔。
在紧固系统中，螺纹可选地被应用于第一紧固部件的轴，并且螺纹可选地应用于第二紧固部件以与被应用于第一紧固部件的轴的螺纹可释放地接合。
在紧固系统中，第一紧固部件和/或第二紧固部件可选地被构造成抵抗或防止第二紧固部件与第一紧固部件的轴分离。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中能够最好地理解本实用新型。需要强调的是，根据惯例，附图的各种特征并非按比例绘制。相反地，为了清楚，可以任意地扩大或减小各种特征的尺寸。附图中包括以下图示：
图1描绘了根据本实用新型的各方面的示例性紧固件和螺母组件的侧视图。
图2描绘了图1的紧固件和螺母组件的正视图。
图3描绘了图1的紧固件和螺母组件的后视图。
图4描绘了图1的紧固件和螺母组件的分解图。
图5A描绘了夹紧内板和外板的图1的紧固件和螺母组件。
图5B描绘了夹紧内板和外板以及接地带的图1的紧固件和螺母组件。
图6描绘了图5A和图5B的内板的正视图。
图7描绘了图5A和图5B的外板的正视图。
图8描绘了图5B的接地带的正视图。
图9和图10描绘了图1的紧固件的立体图。
图11描绘了图9的紧固件的侧视图。
图12描绘了沿线12-12截取的图11的紧固件的剖视图。
图13描绘了沿线13-13截取的图11的紧固件的剖视图。
图14描绘了沿线14-14截取的图11的紧固件的剖视图。
图15描绘了图9的紧固件的后视图。
图16描绘了图1的螺母的立体图。
图17描绘了图16的螺母的侧视图。
图18描绘了沿线18-18截取的图17的螺母的剖视图。
图19、图20、图21和图22描绘了用于将图1的紧固件和螺母组件安装到内板和外板上的示例性过程。
图23描绘了图22的组件的后视图。
图24描绘了沿线24-24截取的图23的组件的剖视图。
具体实施方式
尽管本文参考特定实施例说明和描述了本实用新型，但是本实用新型并不限于所示的细节。而是，可以在权利要求的等同物的范围和范畴内且在不脱离本实用新型的情况下，对这些细节进行各种修改。
总体上参考附图，提供了用于将板32、34紧固在一起的系统30。系统 30包括板32、34，每个板限定分别延伸穿过板32、34的开口80、84。(多个)板34中的至少一个的开口84是非圆形开口。系统30还包括用于将板 32、34彼此紧固的紧固件40。紧固件40具有沿轴线A在轴向方向上延伸的螺纹轴45。虽然机械螺纹在本文中描述为右旋螺纹，但应该理解的是，螺纹可以是左旋螺纹。而且，代替机械螺纹，系统30可以包括用于紧固的其他装置，例如1/4转凸轮和凸片(tab)，或者例如本领域技术人员已知的任何其他连接装置。
紧固件40还具有头部42，该头部42被定位成使得螺纹轴45沿轴线A 在轴向方向上从头部42向远侧延伸。头部42具有近侧部分46、中间部分50 和远侧部分48。头部42的近侧部分46具有非圆形周边，使得头部42的近侧部分46在横向于轴线A的轴向方向上的最大尺寸大于跨过非圆形开口84 的最小尺寸W5，中间部分50具有中间周边表面58，该中间周边表面58被定位成当中间部分50的中间周边表面58延伸到非圆形开口84中时限制紧固件40在非圆形开口84内的旋转，并且头部42的远侧部分48具有远侧周边表面65，当远侧部分48的远侧表面65延伸到非圆形开口84中时，该远侧周边表面允许紧固件40在非圆形开口84内旋转，其中近侧肩部56在头部 42的中间部分50的中间表面54与头部42的近侧部分46之间沿径向方向延伸，近侧肩部56被定位成防止头部42的近侧部分46在至少一个旋转位置穿过非圆形开口84。
现在参考附图中所示的具体实施例。图1至图4示出了根据本实用新型各方面的示例性紧固件和螺母组件30(在下文中可以称为组件30)。组件30 被构造为将两个板32和34(以及可选地，接地带36)固定在一起，如图5A 和图5B所示。总体而言，组件30包括螺纹紧固件40和被螺纹配合到螺纹紧固件40的螺母44。组件30的其他细节描述如下。
图9至图15描绘了紧固件40。紧固件40通常包括实心本体，该实心本体在其近端具有基本上为方形的头部42，并且在其远端具有螺纹轴45。螺纹轴45从头部42向远侧并沿轴向方向延伸。
头部42具有基本上为立方体的形状，其包括平坦近侧表面51、平坦远侧表面59和在表面51和59之间延伸的四个平坦侧表面52。可以呈弧形 (round)(如图所示)或尖锐的拐角53被限定在相邻侧表面52的相交处。在头部42的每个拐角53处形成包括平坦缺口表面54(在下文中称为缺口54) 和弧形(rounded)表面65的构型(formation)55。尽管在下文中将仅描述一个构型55，但应该理解的是，所有构型55在结构上和功能上是等同的。
如图11中最佳地所示，头部42通常包括近侧部分46、远侧部分48和位于近侧部分46与远侧部分48之间的中间部分50。如下文所述，头部42 的近侧部分46包括拐角53的轴向长度，中间部分50包括后缘61的轴向长度，并且远侧部分48包括弧形表面65的轴向长度。将在下文中描述头部42 的不同部分。
图10、图11、图12和图15描绘了头部42的近侧部分46。近侧部分46 包括近侧表面51以及在弧形边缘处与近侧表面51相交并沿远侧方向延伸的四个侧表面52的一部分。如图12所示，头部42的近侧部分46具有沿垂直于紧固件40的纵向轴线A的方向截取的方形的横截面。近侧部分46具有方形或非圆形的周边，其具有相等的宽度和长度尺寸W1。宽度和长度尺寸W1 在垂直于轴线A的平面中测量。
图10、图11和图13描绘了头部42的中间部分50。中间部分50从近侧部分46向远侧并沿轴向方向延伸。侧表面52的每一个延伸到中间部分50 中。在头部42的每个拐角53处限定缺口54，并且每个缺口54与头部42的两个相邻侧表面52相交。每个缺口54具有相同的几何形状，并且相对于其相交的侧表面52以大约45度的角度延伸。
缺口54的位于中间部分50中的部分在头部42上形成防旋转表面58，其目的将在后面解释。防旋转表面58沿着头部42的侧面在后缘61与前缘 62之间延伸。由于在每个侧表面52中形成的弧形表面65，后缘61的轴向长度小于前缘62的轴向长度，这将参考头部42的远侧部分48进行解释。
防旋转表面58是具有在垂直于轴线A的平面中测量的长度L1的平坦表面。另外，如图13中所最佳地示出的，在垂直于轴线A的平面中测量的距离W2存在于相对的缺口54之间。距离W2基本上等于距离W1。
近侧肩部56从防旋转表面58的近端径向(即，垂直于纵向轴线A)地向外延伸，并且与拐角53和形成拐角53的侧表面52相交。
图10、图11和图14描绘了头部42的远侧部分48。远侧部分48从头部 42的中间部分50向远侧并沿轴向方向延伸。侧表面52中的每一个延伸到远侧部分48中。在远侧部分48中，凸状弧形表面65形成在头部42的每个侧表面中，并且在前表面71与后表面72之间延伸。前表面71与头部42的拐角53旋转对准，并且后表面72与相邻侧表面52的中点旋转对准。弧形表面 65也沿轴向方向在头部42的远侧表面59与防旋转表面58之间延伸。
缺口54的位于远侧部分48中的部分66不在头部42上形成旋转表面。缺口54的位于远侧部分48中的部分66沿轴向方向从防旋转表面58延伸到头部42的远侧表面59。部分66在相邻弧形表面65的前缘71与前缘62之间沿旋转方向延伸。每个部分66是具有在垂直于轴线A的平面中测量的长度L2的平坦表面。长度L2小于长度L1。
远侧肩部67从弧形表面65的近端径向(即，垂直于纵向轴线A)地向外延伸，并且与相邻的侧表面52和防旋转表面58相交。
围绕图13中所示的中间部分50的径向横截面的周边的假想圆形大于围绕图14所示的远侧部分48的径向横截面的周边的假想圆形。这是由于在远侧部分48中包括弧形表面65。因此，远侧部分48能够在具有预定尺寸的开口内旋转，而中间部分50不能在同一开口内旋转。
仍然参照紧固件40的特征，紧固件40的螺纹轴45包括外螺纹(male thread，阳螺纹)。螺纹补片(patch)(未示出)可以应用于螺纹轴45的最远端47，以便将螺母44扣(captivated)到螺纹轴45上。应该理解的是，螺纹补片只能在螺母44连接到轴45之后应用。还应该理解的是，螺母44能够绕螺纹轴45的未应用螺纹补片的部分旋转。替代地，螺纹轴45的最远端处的螺纹可以永久变形，以便一旦螺母44连接到轴45上就防止螺母44的移除。
图5A描绘了分别夹紧内板32和外板34的图1的紧固件和螺母组件30。图5B描绘了除了接地带35之外分别夹紧内板32和外板34的图1的紧固件和螺母组件30。紧固件和螺母组件30被构造成容纳宽范围的板厚度并在宽范围的板厚度上表现出足够的压缩力。
图6描绘了内板32，其示出为方形但可具有任何期望的形状。内板32 包括具有四个相等的侧面的方形开口80，每个侧面具有长度尺寸W4。尺寸 W4略大于头部42的尺寸W1和W2，使得紧固件40可以至少部分地插入穿过开口80。开口80的尺寸通常设定为，(i)当开口80与远侧部分48轴向对准时允许紧固件40在该开口内的有限旋转，以及(ii)当开口80与中间部分50轴向对准时防止中间部分50旋转，将参考图19至图24更详细地描述。
开口80的每一侧由平坦表面93限定。开口80的平坦表面93的数量通常对应于头部42的侧表面52的数量。开口80的形状、平坦表面93的相应数量和头部42的侧表面52的相应数量可以与所示出和描述的不同。
图7描绘了外板34，其示出为方形但可具有任何期望的形状。外板34 包括椭圆形或长(elongated，细长的)圆形的开口84，其具有宽度尺寸W5 和长度尺寸W6。尺寸W5基本上等于内板32的尺寸W4，而尺寸W6大于尺寸W5。开口84的尺寸通常允许紧固件40在其内自由旋转。
图8描绘了接地带35，其示出为矩形但可具有任何期望的形状。接地带 35包括一个或多个椭圆形或长圆形的开口86(示出两个)。提供多个开口86，用于在彼此相邻定位的多个紧固件和螺母组件30之间建立接地接触。每个开口86的尺寸基本上等于开口84的尺寸。开口86的尺寸也被设计成允许紧固件40在其内自由旋转。接地带35是可选部件，如果需要可以省略。
开口80、84和86的形状可以与示出和描述的形状不同。
图16至图18描绘了螺母44。螺母44通常包括中空柱形本体。螺母44 的远端包括六边形外部(exterior)88，该六边形外部围绕包括内螺纹(female thread，阴螺纹)的中空内部90。外部88可具有被构造成接收一工具(例如扳手)的任何形状，用于在紧固件40的螺纹轴45上旋转螺母44。螺母44 的近端包括中空柱形套筒92。套筒92的内径足够大，以允许紧固件头部42 的远侧部分48在套筒92内旋转。套筒92的外径足够大，使其不能穿过一个或多个板32、34和/或35中的开口，从而防止整个螺母和紧固件组件30无意中穿过板中的开口。
螺母44的内螺纹和/或螺纹轴45的外螺纹被设计成，在施加低扭矩的情况下，螺纹界面处存在足够的摩擦力，使得轴45将与螺母44一起旋转。施加更大的扭矩将使螺母44在螺纹轴45上旋转。将参考图21描述该特征的优点。尽管未示出，但是可以将涂层涂覆到螺母44和/或螺纹轴45的螺纹上以增加它们之间的摩擦。附加地或替代地，压缩弹簧(或其他柔顺(compliance，弹性变形)构件)可定位在螺母44与头部42之间，以在螺纹界面处提供摩擦。
如图所示，螺母44是带凸缘的六角螺母，但是，螺母44可以与所示和所述的不同。举例来说，螺母可以是标准六角螺母、翼形螺母(wing nut)、帽螺母、盖形螺母、T形螺母、开槽螺母、槽顶螺母、凸缘螺母、井螺母(well nut)或本领域技术人员已知的任何类型的螺母。
根据本实用新型的另一个示例性实施例，螺母可以是用塑料翼包覆成型的螺母(六角形或其他形式)，例如由美国宾夕法尼亚州康科德维尔 (Concordville)的索斯科(Southco)公司销售和分销的那些。包覆成型的螺母的某些特征(包括其外轮廓)被选择以用于装饰性设计，并且不受实际功能的限制。因此，可以在保持功能的同时改变和选择包覆成型螺母的设计元素，使得可以获得具有基本相同的功能或性能的各种装饰性构造。例如，可以改变包覆成型螺母的轮廓、颜色和构造，以提供不同的装饰性外观，同时保持基本相同的功能。在美国外观设计专利申请第29/550,091号中单独保护用塑料翼包覆成型的螺母的装饰性设计，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
上述包覆成型的螺母以及本文所述的其他螺母可用于将电子设备(服务器、计算机、模块等)固定在19英寸(482.6毫米)的电子机架中。这是因为19英寸电子机架具有带方孔的安装区域/带。方孔可以容纳紧固件40的方头。例如，在美国专利第8,528,872号中示出了安装在19英寸机架中的服务器的示例，该专利的内容通过引用整体并入本文。
图19至图22描绘了用于将图1的紧固件和螺母组件30分别安装到内板 32和外板34上的示例性过程。紧固件和螺母组件30是单面紧固系统，其中紧固件和螺母组件30可以在外板34的侧面组装和拆卸到板32和34上。换句话说，为了将紧固件和螺母组件30组装和拆卸到板32和34上，没有必要接近(access，进入)内板32。
从图19中所描绘的拆卸位置开始，螺母44被示出为安装到紧固件40。紧固件40的方头42首先绕轴线A旋转，使得方头42的取向与内板32中的开口80的取向相匹配(如图所示)。该步骤可以手动地且无需工具地执行。
现在转而参考图20，紧固件40的头部42然后分别通过外板34和内板 32中的开口84和80插入，如图20中的箭头所示。在该阶段，远侧部分48 在内板34中的开口80内对准。而且，紧固件40的每个侧表面52面向内板 32中的开口80的平坦表面93。在此阶段，用户可能无法接近头部42。
现在转而参考图21，螺母44接着以绕轴线A顺时针拧紧方向旋转45 度(如图21中的旋转箭头所示)，直到紧固件40的边缘62支承在开口80 的平坦表面93上，从而防止紧固件40进一步顺时针拧紧。该步骤可以手动且无需工具地执行。如上所述，由于螺母44的螺纹和紧固件40的螺纹之间的摩擦，旋转螺母44也使紧固件40旋转，这是特别方便的，因为在这个阶段可能由于用户不能接近头部42且螺母44覆盖螺纹轴45而无法旋转紧固件 40。缺口54的几何形状和远侧部分48的弧形表面65使得可以沿顺时针拧紧方向旋转。应该注意的是，由于平坦侧表面52的几何形状及与侧表面52相交的(相邻构型55的)弧形表面65，导致不可能从图20中所示的位置沿逆时针方向旋转。在该阶段，远侧部分48仍然与内板34中的开口80轴向对准。紧固件40的每个缺口54此时面向内板34中的开口80的平坦表面93。
现在转而参考图22，螺母44(使用工具)继续沿绕轴线A的顺时针拧紧方向旋转一圈或多圈(如图22中的旋转箭头所示)。螺母44沿紧固方向的旋转使紧固件40沿图22中箭头所示的方向向后平移(并且不旋转)，直到(i) 头部42的中间部分50与内板34中的开口80轴向对准，(ii)开口80的表面93被定位成面向防旋转表面58，并且(iii)内板34位于(seat)近侧肩部56上。在该阶段，由于防旋转表面58与开口80的表面93之间的接合，防止紧固件40绕轴线A在任一旋转方向上旋转。
沿顺时针拧紧方向旋转螺母44使螺母44和头部42朝向彼此平移，从而压缩板32和34。一旦板32和34被压缩在螺母44与头部42之间，防旋转表面58与它们各自的开口80的表面93之间的相互作用就防止在没有首先松开螺母44的情况下头部42绕轴线A在任一旋转方向上旋转。
为了从板32和34拆卸紧固件和螺母组件30，首先使用工具通过绕轴线 A沿逆时针方向旋转螺母44来松开螺母44。可被扣到紧固件40的螺母44 不能从紧固件40的螺纹轴45移除。
回到图21，螺母44沿逆时针方向(使用工具或手动)的旋转使紧固件 40沿向前的轴向方向朝向板32平移(不旋转)而远离螺母44，使得(i)中间部分50的防旋转表面58与开口80的表面93轴向分离，(ii)远侧部分48 与内板34中的开口80轴向对准，以及(3)远侧部分48的每个缺口54面向内板34中的开口80的平坦表面93。一旦紧固件40的远侧部分48与内板34 中的开口80轴向对准，紧固件40就可以沿逆时针方向自由旋转。
回到图20，螺母44和紧固件40继续通过工具或手动地沿逆时针方向旋转45度，直到紧固件40的每个侧表面52面向内板32中的开口80的平坦表面93。在这个阶段，由于紧固件的螺纹和螺母的螺纹之间的摩擦，紧固件40 与螺母44一起旋转。
回到图19，螺母44接着平移远离板32和34，直到紧固件和螺母组件 30从板32和34上拆卸下来。
应当理解的是，如果紧固件和螺母组件30包括左手螺纹而不是右手螺纹，则本文中对顺时针和逆时针旋转方向的任何引用都将是相反的。
虽然本文已经示出和描述了本实用新型的优选实施例，但是应该理解，这些实施例仅作为示例提供。在不脱离本实用新型的精神的情况下，本领域技术人员将想到许多变型、改变和替换。例如，本文描述的每种部件的材料和形成这些部件的过程可以与所示和所述的不同。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本实用新型的精神和范围内的所有这些变型。
