СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЯ И СОЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК B29C65/08 F16B5/08 B29C65/64 E04B1/21 

Данная заявка представляет собой безусловную патентную заявку, поданную в патентное ведомство США на основании предварительной заявки №61/140255. Содержание указанной заявки в полном объеме включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к легким строительным элементам, используемым в строительной и мебельной промышленности. В частности, изобретение относится к способу крепления соединителя в легком строительном элементе. Кроме того, настоящее изобретение относится к соединителю, закрепляемому в легком строительном элементе.

Уровень техники

Основным видом указанных строительных элементов являются легкие строительные плиты. Как правило, легкие строительные элементы содержат два внешних, относительно тонких конструктивных слоя, например, из фибрового картона или металла, и промежуточный слой, расположенный между указанными конструктивными слоями и выполненный, например, из ячеистого картона. Такие легкие строительные элементы отличаются высокой механической прочностью, имеют приятный внешний вид и весьма незначительную массу.

Однако, поскольку конструктивные слои имеют небольшую толщину, а промежуточный слой не пригоден для закрепления в нем соединителя, такого, например, как нагель, то прикрепить к указанному легкому строительному элементу какой-либо предмет весьма затруднительно, это можно сделать разве что, приклеив такой предмет к поверхности строительного элемента. Кроме того, в некоторых случаях механическая прочность легкого строительного элемента между его конструктивными слоями, обеспечиваемая промежуточным слоем, является недостаточной, что приводит к необходимости использования дополнительных средств для достижения необходимой прочности.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ крепления соединителя, пригодного для использования с легкими строительными элементами, и, соответственно, сам соединитель.

Согласно одному из аспектов в настоящем изобретении предложен способ крепления соединителя в легком строительном элементе. Указанный соединитель содержит втулку и поршень, имеющий стержневую часть, причем стержневая часть поршня направляется втулкой. Поршень и/или втулка содержит термопластичный материал, по меньшей мере, на участке стыка верхней части поршня с втулкой. Предлагаемый способ включает в себя следующие этапы: берут соединитель, выполняют в первом конструктивном слое легкого строительного элемента сквозное отверстие, вставляют соединитель через указанное сквозное отверстие до тех пор, пока его дальний конец не упрется во второй конструктивный слой. При этом упереться во второй конструктивный слой может либо втулка, либо поршень, либо оба указанных элемента, то есть и втулка, и поршень. Также предлагаемый способ включает этап, на котором поршень прижимают по направлению к дальнему концу и вводят в него механические колебания. В результате чего происходит расплавление частей из термопластичного материала на участке стыка втулки с поршнем, причем внешняя граница указанного участка стыка примыкает к периферической стенке отверстия (или немного удалена от нее). При этом расплавленный материал течет в радиальном направлении за пределы указанной границы и проникает в структурные элементы первого конструктивного слоя и/или растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя (то есть, вдоль поверхности, обращенной ко второму конструктивному слою). Указанные части из термопластичного материала после повторного затвердевания образуют с первым конструктивным слоем неподвижное соединение.

По меньшей мере на этапе, во время которого происходит расплавление термопластичного материала на указанном участке стыка, втулка упирается в поверхность второго конструктивного слоя, а к поршню в это время прикладывают усилие сжатия, то есть соединитель оказывается «зажатым» между вторым конструктивным слоем и инструментом, посредством которого к поршню прикладывают усилие сжатия.

Таким образом, в соответствии с предлагаемым способом расплавление по меньшей мере части термопластичного материала, расплавляемого во время данного процесса, происходит на участке стыка втулки с поршнем в результате совместного действия механических колебаний и усилия сжатия. Было установлено, что в отличие от случаев, когда расплавление материала происходит в зоне контакта с материалом конструктивного слоя, как описано, например, в патентном документе US 6913666, предлагаемый способ крепления легче контролировать. В частности, принимая во внимание тот факт, что толщина первого конструктивного слоя сравнительно небольшая, прикладывать поперечные усилия сжатия при известном подходе было бы трудно, а крепление соединителя в первом конструктивном слое и/или у первого конструктивного слоя, тем не менее, желательно.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением процесс расплавления, в результате которого происходит закрепление соединителя в первом конструктивном слое и/или у первого конструктивного слоя, не зависит от свойств материала первого конструктивного слоя, в частности от его механической прочности. К тому же, при выбранном подходе удается эффективно предотвратить сдвиг термопластичного материала по направлению к ближнему концу.

Как более подробно пояснено ниже, в наиболее предпочтительном варианте настоящего изобретения данный подход сочетают с расплавлением термопластичного материала, который находится в контакте со вторым конструктивным слоем во второй точке крепления. Благодаря этому, крепление происходит на двух уровнях, что позволяет повысить прочность крепления соединителя.

Легкий строительный элемент представляет собой, например, легкую панель, используемую в мебельной или строительной промышленности, или любой другой элемент, который содержит два конструктивных слоя из сравнительно плотного материала, а также промежуточный слой (или пустое пространство) между ними, плотность которого значительно меньше плотности указанных конструктивных слоев. Конструктивные слои могут быть изготовлены из одного и того же материала или из разных материалов. Возможно использование таких материалов, как древесина, древесные композиционные материалы, например, фибровый картон, металлы (например, алюминий), пластмасса или сочетания указанных материалов, например, фибровый картон, покрытый слоем пластмассы, или использование любого другого подходящего материала, обладающего достаточной механической прочностью. Промежуточный слой, в случае его наличия, может представлять собой ячеистый картон, вспененный материал, например, поропласт или пористый металл, другой мягкий изоляционный материал (например, минеральную вату) и прочее.

В тех случаях, когда термопластичный материал проникает в структурные элементы по меньшей мере первого конструктивного слоя, материал конструктивного слоя имеет по меньшей мере:

- открытые поры в поверхности;

- другие структурные элементы в поверхности (например, выступы с поднутрением) или

- неоднородные свойства, благодаря которым становится возможным проникание жидкости под давлением через поверхность и, вследствие этого, образование под поверхностью пор, заполненных жидкостью.

Дополнительно или в качестве альтернативного варианта конструктивный слой или конструктивные слои могут иметь термопластичное покрытие или даже состоять из термопластичного материала. В этом случае части соединителя из термопластичного материала могут при ультразвуковой сварке привариться к термопластичному материалу конструктивного слоя или конструктивных слоев.

Дополнительно или в качестве альтернативного варианта термопластичный материал может вытекать наружу вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя в пространство между конструктивными слоями, вытесняя, таким образом, материал промежуточного слоя (в случае его наличия). Это обеспечивает своего рода эффект глухой заклепки, который позволяет улучшить качество крепления соединителя, в частности, предохраняет его от действия растягивающих сил. Более того, если поршень и втулка в процессе крепления соединителя скрепляются друг с другом за счет ультразвуковой сварки (процесс описан ниже), то прочность всей конструкции дополнительно увеличивается, в особенности, если втулка представляет собой комбинированную втулку, состоящую из металлического и неметаллического материала.

Направление, в котором поршень перемещается относительно втулки, определяет осевое направление. Относительно осевого направления задают ближний и дальний конец соединителя, причем "ближний" означает ближе расположенный к тому месту, откуда вставляют соединитель, а "дальний" означает расположенный дальше в направлении, в котором вставляют соединитель.

Участок стыка, у которого происходит расплавление, не параллелен осевому направлению. Поршень соединителя, помимо стержневой части, может содержать верхнюю часть большего диаметра (в общем случае, когда соединитель не является вращательно-симметричным, понятие "больший диаметр" означает, что внешний контур охватывает большую площадь, а "диаметр", по существу, относится к размеру площади, охватываемой внешним контуром в сечении, перпендикулярном осевому направлению). При этом дальняя торцевая поверхность верхней части поршня и ближняя торцевая поверхность втулки вместе образуют (изначально и/или в ходе крепления соединителя) указанный участок стыка, у которого происходит расплавление термопластичного материала. Таким образом, в вариантах осуществления изобретения, в которых поршень имеет верхнюю часть, по меньшей мере поршень или втулка содержит термопластичный материал у данного участка стыка.

Верхняя часть, в случае если ее диаметр приблизительно равен диаметру сквозного отверстия, помимо обеспечения части поверхности, герметизирует данный узел и предотвращает течение расплавленного материала к ближнему концу соединителя и, соответственно, его вытекание из сквозного отверстия. Таким образом, указанная верхняя часть поршня позволяет устранить нежелательное выступание термопластичного материала над поверхностью ближнего конца соединителя, способствует повышению возможного давления на расплавленный материал (при условии определенного усилия сжатия) и, тем самым, улучшает качество крепления соединителя. Однако, поскольку расплавление происходит на участке стыка поршня с втулкой, отклонения между размером сквозного отверстия и диаметром верхней части не критичны.

Осевая длина верхней части (толщина) приблизительно соответствует толщине первого конструктивного слоя. В частности, следует предпочтительно соблюдать соотношение d₁/2<d_h<2d₁, где d₁ - это толщина первого конструктивного слоя, a d_h- толщина верхней части поршня.

Дальняя торцевая поверхность поршня и ближняя торцевая поверхность втулки не обязательно должны быть параллельны друг другу, они могут быть наклонными. В случае если указанные поверхности выполнены наклонными и/или если длина стержневой части поршня превышает длину втулки, то изначально (при включении механических колебаний) не требуется, чтобы поршень и втулка находились в непосредственном контакте друг с другом рядом с периферической стенкой отверстия. Тем не менее, в соответствии с данным здесь определением стык должен происходить рядом с периферической стенкой отверстия, так как в ходе крепления расплавленный материал течет радиально наружу и проникает в структурные элементы первого конструктивного слоя и/или растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя.

По меньшей мере втулка или поршень (предпочтительно по меньшей мере поршень, в частности, если длина стержневой части поршня превышает длину втулки) может содержать часть из термопластичного материала также у дальней торцевой поверхности. Под действием механических колебаний указанные дальние части из термопластичного материала расплавляются у дальней торцевой поверхности. Расплавленный термопластичный материал проникает в структурные элементы второго конструктивного слоя, обеспечивая, тем самым, закрепление соединителя также и во втором конструктивном слое. В этом случае втулка предпочтительно охватывает поршень, по меньшей мере частично, рядом с дальней торцевой поверхностью и, таким образом, предотвращает течение расплавленного материала поршня в радиальном направлении наружу у дальней торцевой поверхности.

В частности, поршень и/или втулка могут быть изготовлены из термопластичного материала. Если и поршень, и втулка содержат части из термопластичного материала, то для их изготовления можно использовать один и тот же термопластичный материал или разные термопластичные материалы, предпочтительно свариваемые друг с другом.

Если поршень на дальнем конце содержит часть из термопластичного материала, то общая длина поршня предпочтительно превышает расстояние между первым и вторым конструктивным слоями плюс толщина первого конструктивного слоя, например, приблизительно равна толщине всего легкого строительного элемента.

Кроме того, если в варианте изобретения длина стержневой части поршня превышает длину втулки, то процесс крепления начинается у дальнего конца поршня, а усилие сжатия на стыке возникает только после некоторого перемещения поршня во второй конструктивный слой. Такой вариант предпочтителен в часто встречающихся ситуациях, когда расплавление в зоне контакта со вторым конструктивным слоем требует большего усилия сжатия, чем расплавление в зоне стыка поршня с втулкой. Таким образом, благодаря разнице в длине между стержневой частью поршня и втулкой удается обеспечить крепление соединителя также и у его дальнего конца и, соответственно, получить крепление на двух уровнях, что является преимуществом.

Кроме того, если соединитель на дальнем конце содержит часть из термопластичного материала, то силу, прижимающую поршень ко второму конструктивному слою, опционально можно приложить до ввода в поршень механических колебаний, чтобы обеспечить незначительное внедрение термопластичного материала в материал второго конструктивного слоя, как описано в патентном документе 7160405. Содержание данного патентного документа включено в настоящую заявку в полном объеме посредством ссылки.

Если поршень на дальнем конце содержит часть из термопластичного материала для крепления во втором конструктивном слое, то втулка, независимо от того, содержит она или нет на дальнем конце части из термопластичного материала, обеспечивает улучшение качества крепления соединителя, так как она предотвращает течение частей из расплавленного термопластичного материала в радиальном направлении наружу, вдоль внутренней поверхности второго конструктивного слоя.

В вариантах изобретения, в которых первый конструктивный слой выполнен из древесины или древесного композиционного материала, или другого пористого или неоднородного материала, длину втулки предпочтительно выбирают таким образом, чтобы во время расплавления стык между ближней торцевой поверхностью втулки и поршнем происходил рядом с периферической стенкой сквозного отверстия. Это значит, что длина втулки превышает расстояние между конструктивными слоями, но меньше величины, равной расстоянию между конструктивными слоями плюс толщина первого конструктивного слоя. Диаметр втулки предпочтительно соответствует диаметру верхней части поршня.

Втулка может иметь трубчатую форму и полностью охватывать осевой участок стержневой части поршня. В качестве альтернативного варианта, она также может содержать отверстия, пазы или другие структурные элементы.

Поршень и/или втулка (возможно, за исключением случаев, когда в них предусмотрены концентраторы термонапряжений) симметричны относительно поворота вокруг оси, однако это не обязательное требование. Для того чтобы снизить количество необходимого материала, в поршне можно выполнить осевое сквозное отверстие или другие структурные элементы, обеспечивающие отклонение по форме от тела вращения.

Хотя, как сказано выше, поршень и втулка могут быть изготовлены из термопластичного материала, существуют случаи, когда целесообразно использовать комбинированный соединитель, в котором по меньшей мере поршень или втулка содержит механически более прочный компонент, например, металлический компонент. Например, если втулка или стержневая часть поршня, или какая-либо часть одного из указанных элементов выполнена металлической, это приведет к увеличению сопротивления ударной нагрузке и обеспечит дополнительную прочность и жесткость.

Далее по тексту крепление, обеспечиваемое расплавлением (и повторным затвердеванием) частей из термопластичного материала у (или на удалении от, или рядом с) периферической стенки отверстия в первом конструктивном слое, называется "креплением в первой точке", а точка, в которой происходит данное крепление, называется соответственно "первой точкой крепления". Дополнительное (необязательное) крепление, обеспечиваемое расплавлением (и повторным затвердеванием) частей из термопластичного материала у дальнего конца соединителя, во втором конструктивном слое, называется "креплением во второй точке", а точка, в которой происходит данное крепление, называется "второй точкой крепления".

Кроме того, по меньшей мере расплавление части из термопластичного материала, обеспечивающее крепление в первой точке, может также обеспечить соединение поршня с втулкой. Если оба указанных элемента, то есть и поршень, и втулка, в первой точке крепления содержат части из термопластичного материала, то соединение обеспечивается за счет сваривания друг с другом частей из термопластичного материала, причем подобное сваривание происходит автоматически за счет расплавления контактирующих друг с другом частей из термопластичного материала. Если одна из деталей, то есть поршень или втулка, не содержит термопластичный материал в первой точке крепления (или если термопластичный материал одной из указанных деталей имеет значительно более высокую температуру плавления, чем температура плавления термопластичного материала другой детали), то в этом случае данная деталь в качестве альтернативного варианта может содержать структурные элементы, например, резьбу или несколько выступов или поднутрений, которые позволяют получить на участке стыка неподвижное соединение частей из расплавленного и повторно затвердевшего термопластичного материала и нерасплавленного материала.

Кроме того, в случаях, когда опционально предусмотрено расплавление части из термопластичного материала, обеспечивающее крепление во второй точке, то оно также может обеспечить сваривание и/или неподвижное соединение поршня и втулки.

Поршень и/или втулка могут содержать концентраторы термонапряжений - либо на участке стыка, где происходит крепления в первой точке, либо у дальней торцевой поверхности, либо в обоих указанных местах. Такие концентраторы термонапряжений могут представлять собой структурные концентраторы термонапряжений, например:

- уменьшение поперечного сечения как функция положения вдоль оси, по направлению к участку стыка, где требуется расплавление;

- по меньшей мере один выступ в широком диапазоне диаметров, причем указанный выступ выполнен на участке стыка, где требуется расплавление.

Однако, дополнительно или в качестве альтернативного варианта концентраторы термонапряжений можно обеспечить за счет свойств материала. Таким образом, они могут представлять собой:

- неравномерное распределение материала вдоль крепежного элемента (и/или второго и/или третьего элемента) таким образом, чтобы материал, прилегающий к участку стыка, где требуется расплавление, обеспечивал более значительное поглощение энергии механических колебаний, чем материал, прилегающий к другому участку стыка (например, противоположному участку стыка). Например, крепежный элемент содержит две части, соединенные друг с другом, причем часть, прилегающая к участку стыка с третьим элементом, мягче части, прилегающей к участку стыка со вторым элементом (или наоборот). В качестве еще одного примера, крепежный элемент может содержать смягчитель с градиентом концентрации по длине крепежного элемента и прочее.

Соединитель (это касается всех вариантов осуществления настоящего изобретения) может быть пригоден для крепления к легкому строительному элементу другого предмета (то есть он может выполнять функцию нагеля или крепежного основания) и/или он может обеспечивать механическую прочность легкого строительного элемента между его конструктивными слоями. Для того чтобы обеспечить крепление другого предмета к легкому строительному элементу, соединитель может содержать дополнительные структурные элементы, которые здесь подробно не описаны, например, резьбу, фиксирующие структурные элементы для зажима или другое неподвижное соединение и прочее. Указанные средства для крепления другого предмета, как таковые, известны из данной области техники, поэтому далее они не описаны.

В процессе крепления соединителя, расстояние между конструктивными слоями может быть задано промежуточным слоем (в случае его наличия) или другим средством, расположенным между конструктивными слоями. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта расстояние между конструктивными слоями может быть задано с помощью внешнего удерживающего средства, например, крепежной рамы и прочее, при этом указанное расстояние можно зафиксировать или при помощи соединителя.

Для изготовления соединителя можно использовать различные способы, известные из уровня техники. Например, если соединитель полностью выполнен из термопластичного материала, то его можно изготовить литьем под давлением. Состоящий из двух частей соединитель, описанный и представленный на чертежах в настоящей заявке, также можно изготовить в одной литьевой форме для двух частей. Это, в частности, целесообразно с экономической точки зрения. Таким образом, в соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения способ изготовления соединителя включает этап, на котором обеспечивают наличие одной литьевой формы, содержащей негативную копию обеих деталей, то есть и поршня, и втулки, соединенных перемычкой (перемычка образует предварительно заданное место разрыва), а также этап, на котором выполняют литье под давлением соединителя путем заливки под давлением термопластичного материала в литьевую форму. Последний этап (после охлаждения термопластичного материала) изготовления соединителя, на котором разрушают указанную перемычку и отделяют поршень от втулки, можно осуществить на заводе, или это может сделать пользователь во время процесса крепления соединителя. То есть в последнем из двух указанных случаев на этапе, во время которого соединитель вставляют через отверстие до упора его дальнего конца во второй конструктивный слой, соединитель может все еще содержать перемычку. Очевидно, что в этом случае признак, согласно которому втулка и поршень установлены с возможностью перемещения относительно друг друга в осевом направлении, следует рассматривать как признак, возможный только "после разрушения перемычки".

Краткое описание чертежей

Далее представлено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Чертежи выполнены схематично и не в масштабе. Одинаковые номера позиций на чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. На чертежах изображено следующее:

- на фиг.1а и 1b показан первый пример выполнения соединителя, установленного и, соответственно, закрепленного в легком строительном элементе;

- на фиг.2 и 3 изображены варианты компоновки конструкции, представленной на фиг.1а, причем в данных вариантах во втором конструктивном слое выполнено отверстие;

- на фиг.4-12 показаны альтернативные варианты осуществления соединителей, поршней соединителей или втулок соединителей;

- на фиг.13а и 13b показана компоновка с металлическими конструктивными слоями;

- на фиг.14-16 на виде сверху показаны поршни, не являющиеся вращательно-симметричными;

- на фиг.17-20 показаны дополнительные альтернативные варианты осуществления соединителей.

Осуществление изобретения

Легкая строительная плита, изображенная на фиг.1а, содержит первый конструктивный слой 1, второй конструктивный слой 2 и промежуточный слой 3, расположенный между первым и вторым конструктивными слоями. Первый и второй конструктивные слои могут быть изготовлены из одного и того же материала или из различных материалов. В частности, они могут быть изготовлены из материала на основе древесины, такого как древесный композиционный материал, например, фибровый картон (древесностружечная плита, древесноволокнистая плита средней плотности или твердая древесноволокнистая плита) и прочее. Указанные конструктивные слои могут быть одинаковой или разной толщины d₁, d₂, причем толщина слоя может составлять, например, от 1 до 15 мм, в частности от 2 до 10 мм. Расстояние d₁ между конструктивными слоями можно выбирать из широкого диапазона значений, в зависимости от потребностей. Как правило, указанное расстояние составляет от 20 до 50 мм. Однако можно выбрать и другое расстояние, поскольку для большинства вариантов настоящего изобретения расстояние d₁ не является критической величиной.

Промежуточный слой 3 представляет собой, например, ячеистый картон. В качестве альтернативного варианта, он может представлять собой изоляционный материал, например, пенистый материал или поропласт, или каркасную структуру с порами и прочее. Как правило, промежуточный слой 3 служит для присоединения конструктивных слоев 1, 2 друг к другу, задает расстояние между указанными слоями и обеспечивает теплоизоляцию. Указанный слой может также воспринимать сдвигающие силы и/или выполнять другие функции, известные из уровня техники. В процессе крепления соединителя, описанном ниже, промежуточный слой 3 фиксирует расстояние между конструктивными слоями 1, 2 и/или воспринимает сдвигающие силы, в остальном он не играет решающей роли. Если расстояние между конструктивными слоями фиксируют при помощи других средств, например, посредством временного держателя, то наличие промежуточного слоя необязательно, при этом описанный ниже способ крепления соединителя можно использовать для присоединения друг к другу первого и второго конструктивных слоев.

В первом конструктивном слое 1 выполнено сквозное отверстие 5, в которое вставляют соединитель 11.

Соединитель 11 содержит втулку 12 и поршень 13. В проиллюстрированном варианте изобретения в указанном поршне предусмотрено осевое сквозное отверстие 14, то есть поршень является полым. Поршень имеет стержневую часть 13.1 и верхнюю часть 13.2. Верхняя часть поршня выдается в радиальном направлении за пределы стержневой части и содержит дальнюю торцевую поверхность 13.4, обращенную к ближней торцевой поверхности 12.2 втулки.

В данном варианте поршень и втулка являются, по существу, вращательно-симметричными относительно поворота вокруг оси 15. Подобная симметрия, по меньшей мере внешнего контура соединителя, является преимуществом, поскольку в этом случае соединитель можно вставить в круглое сквозное отверстие 5, которое легко можно изготовить, используя стандартные инструменты. Однако выполнять указанные элементы вращательно-симметричными необязательно, поскольку в процессе закрепления соединителя в этом нет необходимости. Например, возможно использование соединителей с эллиптическим внешним контуром или с внешним контуром, плоским в сечении. Фактически возможна любая форма, вытянутая в одном (продольном) направлении.

Внешнее поперечное сечение стержневой части поршня, по существу, соответствует внутреннему поперечному сечению втулки. При этом поршень установлен с возможностью перемещения относительно втулки в осевом направлении и, таким образом, представляет собой стержень. В рассматриваемом варианте изобретения стержневая часть поршня имеет цилиндрическую форму, но подобное исполнение стержневой части не является обязательным. Внешнее поперечное сечение втулки, по существу, соответствует внешнему поперечному сечению верхней части поршня, причем внешнее поперечное сечение верхней части поршня, по существу, соответствует поперечному сечению сквозного отверстия, выполненного в первом конструктивном слое.

Осевая длина стержневой части поршня предпочтительно превышает длину втулки. В результате, когда дальняя торцевая поверхность стержневой части поршня и дальняя торцевая поверхность втулки прижаты к внутренней поверхности второго конструктивного слоя, между ближней торцевой поверхностью втулки 12 и дальней торцевой поверхностью верхней части 13.2 поршня существует зазор 16, в случае если и втулка 12, и поршень 13 упираются во внутреннюю поверхность второго конструктивного слоя 2.

Кроме того, толщина (осевая длина) верхней части поршня приблизительно соответствует толщине первого конструктивного слоя, длина всего поршня приблизительно равна толщине легкого строительного элемента, длина втулки превышает расстояние между конструктивными слоями (или по меньшей мере приблизительно равна ему) и, таким образом, превышает толщину промежуточного слоя 3.

На дальнем конце поршень 13 имеет торцевую поверхность 13.5, выполненную в форме конуса. В рассматриваемом варианте изобретения конус образован постепенным расширением сквозного отверстия 14 к дальнему концу. Такое исполнение поршня является преимуществом, так как позволяет обеспечить контакт поршня с втулкой, а также плотное охватывание поршня втулкой на участке их стыка со вторым конструктивным слоем. Однако дополнительно или в качестве альтернативного варианта поршню можно придать коническую форму в том смысле, что его внешний диаметр постепенно уменьшается по направлению к дальней торцевой поверхности. Возможен также вариант, согласно которому поршню вообще не придают коническую форму или в нем предусматривают другие виды концентраторов термонапряжений, например, выступ и прочее.

Наличие осевого сквозного отверстия 14 в поршне не является обязательным требованием. В случае отсутствия указанного сквозного отверстия, поршень, тем не менее, может содержать по меньшей мере один концентратор термонапряжений в направлении дальней торцевой поверхности, например, выполненный в поперечном сечении в форме «ласточкиного хвоста».

В данном варианте и поршень, и втулка содержат термопластичный материал. Во всех вариантах изобретения для изготовления частей соединителя из термопластичного материала используют такие материалы, как пластмасса, например полиамид, поликарбонат или полиэфиркарбонат, или акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик), сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила, стиролакрилонитрил, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен и полистирол или их сополимеры, или их смеси. В дополнение к термопластичному полимеру указанный материал также может содержать подходящий наполнитель, например, армирующие волокна, такие как стекловолокно и углеродное волокно. В общем, возможно использование любого материала с достаточно высокой твердостью и достаточно высоким модулем упругости, например, по меньшей мере 0,5 ГПа, который поддается локальному расплавлению под действием ультразвука. Как правило, к таким материалам относятся материалы, пригодные также и для ультразвуковой сварки. Наиболее подходящим материалом является, в частности, акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик).

Поршень и втулка, по существу, могут быть изготовлены из одного и того же материала или из разных материалов. Если они изготовлены из разных материалов, то данные материалы следует выбирать таким образом, чтобы они предпочтительно сваривались друг с другом при ультразвуковой сварке. В качестве примера можно привести следующее сочетание различных материалов, которое отвечает указанным выше требованиям: в поршень добавляют армированный наполнитель, например, волокнистый наполнитель, а во втулку добавляют другой армированный наполнитель или не добавляют армированный наполнитель вообще, причем вяжущее вещество и в поршне, и во втулке используют одно и то же. Волокнистый наполнитель поршня повышает стойкость к ударным нагрузкам, в то время как выполнение втулки нежесткой позволяет повысить прочность крепления соединителя.

Процесс крепления соединителя, показанного на фиг.1а, включает этап, на котором вибрационный волновод 17 прижимают к ближней торцевой поверхности 13.3 поршня. В отличие от рассматриваемого варианта изобретения, волновод может иметь выступающий шип (или элемент другой формы), обеспечивающий направленное движение поршня. Ближняя торцевая поверхность поршня служит в качестве поверхности ввода колебаний, причем это относится ко всем вариантам изобретения, показанным на чертежах. Во всех вариантах изобретения указанные колебания могут представлять собой ультразвуковые вибрации. Как правило, используют колебания в диапазоне частот от 2 до 100 кГц, предпочтительно от 10 до 40 кГц, например, приблизительно 20 кГц, однако, не исключена возможность использования других частот. Мощность прибора, генерирующего колебания, зависит от выбранных размеров и может составлять от 100 Вт до 4 кВт, причем это может быть прибор, доступный на рынке.

Дополнительно или в качестве альтернативы плоским поверхностям ввода, ввод колебаний можно осуществлять посредством более сложных структурных элементов, как частично показано на других чертежах, иллюстрирующих направляющие структурные элементы. Несмотря на то, что во всех описанных вариантах изобретения используют волновод, колеблющийся в осевом направлении, это не является обязательным требованием. В дополнение или в качестве альтернативы указанным колебаниям также возможны крутильные колебания и/или вращательные движения.

Опционально, силу, с которой поршень прижимают к дальнему концу, можно прикладывать до включения механических колебаний с тем, чтобы слегка вдавить дальний конец соединителя в поверхность второго конструктивного слоя. После включения механических колебаний это облегчит направленное движение и обеспечит оптимальный подвод механических колебаний в поршень.

Как только осуществляют ввод механических колебаний в поршень, происходит поглощение механической энергии, в частности в зоне дальней торцевой поверхности. В результате, у дальней торцевой поверхности 13.5 начинается расплавление термопластичного материала. Благодаря тому, что усилие сжатия прикладывают единовременно, а также благодаря направленному движению поршня внутри втулки, расплавленный материал проникает во второй конструктивный слой, в результате чего формируется вторая точка 22 крепления (фиг.1b).

Вследствие поступательного движения, воздействия усилия сжатия, а также расплавления термопластичного материала в дальнем конце поршня и проникновения расплавленного термопластичного материала во второй конструктивный слой, дальняя торцевая поверхность 13.4 верхней части поршня вскоре входит в контакт с ближней торцевой поверхностью 12.2 втулки 2. Это, в свою очередь, вызывает поглощение механической энергии и расплавление материала также и на этом участке стыка. Если, как в показанном варианте изобретения, и втулка, и поршень содержат термопластичный материал с приблизительно одинаковыми температурами плавления, то в обоих указанных элементах произойдет расплавление частей из термопластичного материала. Под действием усилия сжатия расплавленный материал течет в радиальном направлении наружу и проникает в структурные элементы первого конструктивного слоя и/или растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя в (первоначально пустое или заполненное) пространство между конструктивными слоями, как показано на фиг.1b в первой точке 21 крепления. Кроме того, в первой точке крепления происходит приваривание поршня к втулке. В зависимости от рабочих параметров, в указанном процессе механические колебания можно в определенной степени ввести также во втулку, в результате чего расплавление термопластичного материала произойдет также у дальней торцевой поверхности втулки, как показано на фиг.1b.

Поступательное движение поршня в процессе закрепления соединителя и, таким образом, эффективное уменьшение его длины зависит от используемых материалов и может составлять от 1 до 5 мм, например 2-4 мм.

Структурные элементы, в которые проникает расплавленный термопластичный материал, могут представлять собой ранее существующие структурные элементы материалов, например, пространство между древесными стружками в периферической стенке отверстия. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта данные структурные элементы могут формироваться под действием давления расплавленного термопластичного материала при его взаимодействии с неоднородностями соответствующего материала. Принцип заполнения структурных элементов разных материалов, в том числе древесины и древесных композиционных материалов, термопластичным материалом, расплавленным в результате воздействия ультразвуковых колебаний, известен, например, из патентных документов US 6913666, US 7160405, US 2008/0047107, WO 2008034278 и неопубликованной заявки US 60/982449. Все указанные документы включены в настоящую заявку в полном объеме посредством ссылки.

Вариант изобретения, показанный на фиг.2, отличается от варианта, изображенного на фиг.1, тем, что во втором конструктивном слое предварительно просверлено отверстие, то есть он имеет неглубокое (глухое) отверстие 2.1. Глухое отверстие 2.1 можно выполнить, например, используя то же сверло или фрезу, посредством которого также создают сквозное отверстие 5, и на том же этапе изготовления. Это позволяет получить чистую поверхность во второй точке крепления, особенно в тех случаях, когда внутренняя поверхность второго конструктивного слоя первоначально покрыта, например, клеем, лаком или другим подобным веществом. Кроме того, наличие предварительно просверленного отверстия облегчает направленное движение соединителя во время процесса его закрепления и обеспечивает более глубокое крепление.

Вариант, изображенный на фиг.3, также предусматривает предварительное сверление. Однако в данном случае диаметр глухого отверстия 2.1 равен диаметру стержневой части поршня, и в процессе крепления соединителя в отверстии направляется не втулка 12 (как на фиг.2), а поршень 13. В показанном на фиг.3 варианте для выполнения глухого отверстия 2.1 и сквозного отверстия 4 требуются различные инструменты (или ступенчатый инструмент). Однако данный вариант изобретения обладает дополнительным преимуществом, которое состоит в том, что крепление во второй точке предусматривает крепление на двух уровнях.

В варианте, показанном на фиг.3, описанное выше необязательное соотношение между длиной стержневой части поршня и длиной втулки необходимо изменить так, чтобы длина втулки плюс глубина глухого отверстия предпочтительно была меньше длины стержневой части поршня.

Опционально, глухое отверстие 2.1 также может содержать специальный структурный элемент, например, резьбовую часть (это касается также варианта изобретения, изображенного на фиг.2), что позволяет усилить крепежный эффект даже в случае недостаточного проникания термопластичного материала в материал конструктивного слоя.

Компоновки, изображенные на фиг.2 и 3, могут быть также применимы в отношении соединителей, описанных ниже. В частности, в вариантах изобретения, показанных на фиг.13а/13b (закрепление соединителя в легком строительном элементе, содержащем конструктивные слои, не пригодные для проникания в них расплавленного термопластичного материала), можно предусмотреть глухое отверстие, показанное на фиг.2, поскольку в данных вариантах направление соединителя посредством глухого отверстия также может обеспечить преимущество.

Хотя на фиг.1а-3 это не показано, но поршень или втулка, либо оба указанных элемента могут содержать концентраторы термонапряжений на участке стыка дальней торцевой поверхности верхней части поршня с ближней торцевой поверхностью втулки. На фиг.4 показана верхняя часть поршня, содержащая выступ 13.6, который, однако, является одним из многочисленных вариантов исполнения концентраторов термонапряжений, известных, например, специалистам в области ультразвуковой сварки.

На фиг.5 и 6 в качестве альтернативы или в дополнении к концентратору термонапряжений, изображенному на фиг.4, верхняя часть 13.1 поршня и ближняя торцевая поверхность втулки содержат совокупность пазов 13.7; 12.7, соответственно. Такая корончатая структура облегчает плавление на участке стыка. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта подобную корончатую структуру можно предусмотреть также на дальней торцевой поверхности поршня и/или втулки.

В варианте, изображенном на фиг.7, поршень у дальней торцевой поверхности верхней части имеет снаружи коническую форму. В результате, когда в процессе закрепления его прижимают к втулке, боковое внешнее давление действует на ближний конец втулки и расплавленный материал. Таким образом, на фиг.7 представлен вариант изобретения, в котором стык дальней торцевой поверхности верхней части поршня с ближней торцевой поверхностью втулки не является горизонтальным.

Вариант осуществления соединителя, изображенный на фиг.8, отличается от варианта, показанного на фиг.1а, тем, что не только поршень 13, но и втулка 12 содержит концентратор термонапряжений у дальней торцевой поверхности. Точнее, в показанном здесь варианте изобретения втулка на дальнем конце сходит на конус по направлению к поршню.

В варианте изобретения, показанном на фиг.9, поршень 14 не имеет осевого сквозного отверстия, а представляет собой сплошной поршень. У дальней торцевой поверхности данный поршень содержит концентратор термонапряжений, а именно, в поперечном сечении он выполнен в форме «ласточкиного хвоста». Вариант изобретения, представленный на фиг.9, является наиболее пригодным в тех случаях, когда требуется соединитель малого диаметра, например, для использования в конструкциях, требующих экономии пространства, или если в первом конструктивном слое наличие сквозного отверстия большого диаметра по каким-либо причинам не желательно.

На фиг.10-13b изображены варианты изобретения, в которых соединитель не полностью изготовлен из термопластичного материала. На фиг.10 втулка 12 соединителя изготовлена из материала, который не расплавляется под действием механических колебаний, обеспечивающих расплавление термопластичного материала поршня. Точнее, в изображенном здесь варианте втулка 12 изготовлена из металла, например, из алюминия или стали. Рядом с ближней торцевой поверхностью втулка содержит структурные элементы 12.3, которые совместно с расплавленным и вновь затвердевшим термопластичным материалом поршня образуют неподвижное соединение, которое обеспечивает фиксацию поршня и втулки относительно друг друга.

В зависимости от выбранной конфигурации легкого строительного элемента, принцип действия варианта изобретения, показанного на фиг.10, может быть подобен принципу действия, описанному со ссылками на фиг.1а и 1b. В частности, термопластичный материал поршня, расплавленный за счет поглощения энергии механических колебаний, проникает в материал первого и второго конструктивных слоев в первой и во второй точках крепления, соответственно, и/или в первой точке крепления термопластичный материал выдавливается наружу в радиальном направлении и растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя и, тем самым, действует, как глухая заклепка.

Если конструктивные слои изготовлены из термопластичного материала или содержат термопластичный материал, то в дополнении или в качестве альтернативы данный процесс может быть аналогичен процессу, описанному со ссылками на фиг.1а и 1b. Отличие заключается в данном случае лишь в том, что прикрепление происходит за счет сваривания между конструктивными слоями и соединителем при условии, что термопластичный материал соединителя и конструктивных слоев выбирают таким образом, чтобы они были пригодны для сварки.

Напротив, в варианте изобретения, изображенном на фиг.11, предусмотрен поршень 13, выполненный из материала, который не расплавляется под действием механических колебаний, обеспечивающих расплавление термопластичного материала втулки 12. В частности, в данном варианте изобретения поршень изготовлен из металла, например, из алюминия или стали. Рядом с участком стыка верхней части 13.1 и ближней торцевой поверхности втулки 12 поршень содержит структурные элементы 13.8, которые совместно с частями втулки из расплавленного и вновь затвердевшего термопластичного материала, образуют неподвижное соединение. Согласно варианту изобретения, показанному на фиг.11, стержневая часть поршня, по существу, короче втулки 12, поэтому в процессе крепления соединителя движение поршня в осевом направлении возможно и без соприкосновения его дальней торцевой поверхности с поверхностью второго конструктивного слоя. Кроме того, в варианте, представленном на фиг.11, расплавление происходит как около периферической стенки сквозного отверстия в первом конструктивном слое, так и у поверхности второго конструктивного слоя.

Дополнительно или в качестве альтернативы структурным элементам 13.8, показанным на чертежах и предусмотренным в ближней части поршня, поршень также может содержать структурные элементы (на чертеже не показаны), выполненные на его дальнем конце, особенно, если стержневая часть поршня достаточно длинная и доходит по завершению процесса крепления до поверхности второго конструктивного слоя. Очевидно, что указанные структурные элементы могут быть предусмотрены по всей длине стержневой части поршня. В частности, стержневая часть может иметь резьбу, проходящую от дальнего конца до верхней части поршня.

На фиг.12 показан пример осуществления соединителя, согласно которому поршень 13 и/или втулка 12 представляют собой комбинированные элементы, состоящие из металла и термопластичного материала. На фиг.12 как поршень 13, так и втулка 12 содержат металлические части 13.9/12.9 и термопластичные части 13.10/12.10, жестко скрепленные (например, посредством не показанного неподвижного соединения, клея или других средств) с металлическими частями. Возможны различные варианты компоновки при условии, что в первой точке крепления и предпочтительно также во второй точке крепления по меньшей мере один из элементов - поршень или втулка - содержит термопластичный материал.

Со ссылкой на фиг.13а и 13b проиллюстрирован способ крепления соединителя в легком строительном элементе, содержащем конструктивные слои 1, 2, изготовленные из материала, не имеющего структурных элементов, в которые может проникнуть расплавленный термопластичный материал. В данном варианте изобретения оба конструктивных слоя 1, 2 изготовлены из металла, например, из тонкого листового алюминия. Между конструктивными слоями может быть предусмотрен промежуточный слой, например, вспененный материал, однако на чертежах такой необязательный промежуточный слой не показан. В отличие от описанных выше вариантов изобретения (за исключением варианта, показанного на фиг.11) длина стержневой части 13.2 поршня меньше расстояния между конструктивными слоями. В процессе крепления соединителя, как и в других вариантах изобретения, на поршень 13 действует усилие сжатия и механические колебания, создаваемые волноводом 17. Втулка упирается во второй конструктивный слой, причем на участке стыка дальней торцевой поверхности верхней части поршня с ближней торцевой поверхностью втулки происходит расплавление частей из термопластичного материала. Расплавленный термопластичный материал, как показано на фиг.13а, растекается в радиальном направлении наружу вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя и блокирует соединитель, подобно глухой заклепке, препятствуя его вылету. Необязательные структурные элементы 12.3, выполненные с наружной стороны металлической втулки, обеспечивают плотное соединение после процесса закрепления.

Очевидно, что вариант крепления, показанный на фиг.13а и 13b, применим также в случае, когда втулка изготовлена из термопластичного материала и/или поршень изготовлен из металла и/или по меньшей мере один из элементов - поршень или втулка - представляет собой комбинированный расплавляемый или нерасплавляемый элемент. В частности соединитель, изображенный на фиг.13а и 13b, также может полностью быть изготовлен из термопластичного материала.

Структурные элементы 12.3, выполненные во втулке, предпочтительно обеспечивают более качественное соединение втулки с поршнем. Однако их наличие необязательно, поскольку эффект глухой заклепки обеспечивает фиксацию втулки и препятствует ее смещению.

Кроме того, соединитель согласно варианту изобретения, показанному на фиг.13а и 13b, по аналогии с вариантом исполнения, представленным на фиг.3, можно закрепить в легком строительном элементе, во втором конструктивном слое 2 которого предусмотрено глухое отверстие. В этом случае длина стержневой части поршня превышает длину втулки, а расплавление предусмотренного в дальнем конце термопластичного материала происходит в зоне контакта со вторым конструктивным слоем. При такой компоновке глухое отверстие может дополнительно иметь резьбу или другой структурный элемент в виде поднутрения. В результате, крепление соединителя происходит за счет расплавленного и снова затвердевшего термопластичного материала.

Дополнительно или в качестве альтернативного варианта для повышения качества крепления соединителя в первом конструктивном слое 1 можно предусмотреть резьбу или другой фиксирующий структурный элемент, выполненный вдоль периферической стенки сквозного отверстия.

В одном из примеров предусматривают следующую комбинацию признаков:

- в первом конструктивном слое выполнена резьба (или аналогичный структурный элемент, образующий поднутрение);

- во втором конструктивном слое выполнено глухое отверстие, диаметр которого приблизительно соответствует диаметру стержневой части поршня, причем в глухом отверстии выполнена резьба (или аналогичный структурный элемент, образующий поднутрение);

- поршень содержит термопластичный материал, по меньшей мере в зоне контакта с двумя конструктивными слоями;

- длина втулки соответствует расстоянию между конструктивными слоями;

- длина стержневой части поршня превышает длину втулки.

В данном случае в процессе закрепления соединителя сначала произойдет расплавление термопластичного материала поршня на его дальнем конце и течение расплавленного материала в резьбу (или другой структурный элемент) глухого отверстия. Далее, верхняя часть поршня упрется во втулку, и на соответствующем участке стыка произойдет расплавление термопластичного материала. Расплавленный термопластичный материал потечет обратно по резьбе и, тем самым, обеспечит присоединение верхней части поршня к первому конструктивному слою.

В описанных выше вариантах изобретения соединители (возможно, за исключением случаев, когда в соединителях предусмотрены пазы, нарушающие симметрию, корончатые структурные элементы или другие концентраторы термонапряжений), как правило, являются, по существу, вращательно-симметричными относительно поворота вокруг оси 15, однако это не является обязательным требованием. На фиг.14, в качестве примера, показан вид сверху на альтернативную верхнюю часть 13.1 поршня 13 невращающегося соединителя. В представленном варианте изобретения (необязательное) сквозное отверстие 14 имеет цилиндрическую форму. Однако, выполнять стержневую часть 13.2 поршня и, соответственно, втулку (на чертеже не показана) цилиндрической формы необязательно. По существу, описанные здесь решения применимы к соединителям любой формы поперечного сечения при условии, что форма верхней части поршня приблизительно соответствует форме сквозного отверстия 5, выполненного в первом конструктивном слое, или наоборот.

Подобные конфигурации соединителя, не являющегося вращательно-симметричным, применимы в отношении всех описанных выше вариантов осуществления изобретения. Таким образом, во всех вариантах изобретения, представленных на фиг.1а-13b, можно в равной степени использовать соединитель, не являющийся вращательно-симметричным.

На фиг.15 показан вариант изобретения, согласно которому соединитель выполнен в форме звезды и имеет множество выдающихся в радиальном направлении выступов. В рассматриваемом варианте стержневая часть 13.2 имеет цилиндрическую форму, в качестве альтернативного варианта она может иметь форму звезды. Такие варианты изобретения с большой внешней поверхностью для заданного внешнего диаметра предпочтительны, если требуется материал с высокой несущей способностью. Таким образом, они предпочтительны с точки зрения сопротивления растягивающим силам, а также с точки зрения сопротивления скручивающим силам. Также возможны и другие формы, среди них: типа «Торкс», прямоугольные или пятиугольные, шестиугольные, треугольные и другие формы или, например, формы в виде таврового профиля, как показано на фиг.16. Прямоугольные или тавровые (или двутавровые) формы особенно предпочтительны с точки зрения сопротивления изгибающим силам.

Кроме того, на фиг.17 показан соединитель, изготовленный из термопластичного материала. Данный соединитель, подобно соединителю, изображенному на фиг.1а, может быть закреплен в двух точках крепления за счет проникновения термопластичного материала в структурные элементы конструктивного слоя (конструктивных слоев) и/или наподобие глухой заклепки и/или за счет сваривания термопластичного материала с конструктивным слоем (конструктивными слоями). Однако здесь, в отличие от вариантов осуществления изобретения, показанных на предыдущих чертежах, соединитель имеет сравнительно большой диаметр, который, например, может превышать осевую длину соединителя. Соединитель, изображенный на фиг.17, предназначен, например, для размещения более крупного элемента, который предстоит закрепить в легком строительном элементе, например, потайной петли. Для этого поршень может содержать, например, на внутренней поверхности осевого отверстия 14 соответствующие структурные элементы (на фиг.17 не показаны), которые также могут обеспечивать отклонение от вращательной симметрии. В рассматриваемом варианте изобретения поршень дополнительно содержит схематично изображенные необязательные перемычки 13.11, увеличивающие механическую прочность. Указанные перемычки или структурные элементы в виде ребер и прочие структурные элементы, выполненные в сквозном отверстии 14 (в случае его наличия) также обеспечивают отклонение от вращательной симметрии, при этом их можно предусмотреть в любом варианте осуществления изобретения, если необходимо добиться механической прочности или по каким-либо производственным соображениям.

Хотя на фиг.1а и 13а показано, что контакт между волноводом 17 и поршнем плоский, это не является обязательным требованием. В тех случаях, когда процесс крепления соединителя включает в себя ручные операции, может оказаться целесообразным предусмотреть элементы для направления волновода. Волновод 17, изображенный на фиг.18, содержит направляющий штырь, выступающий за пределы поверхности ввода, находящейся в контакте с ближней торцевой поверхностью 13.3 поршня. Указанный направляющий штырь 17.1 упрощает процесс вставки соединителя и обеспечивает механическую устойчивость во время процесса его крепления, в особенности, если прочность материала соединителя такова, что при отсутствии указанного штыря во время крепления соединителя может произойти его разрушение. При таких конфигурациях направляющий штырь обеспечивает опору для поршня изнутри, например, на большей части длины данного поршня. Кроме того, было установлено, что в некоторых компоновках такой направляющий штырь способствует стабилизации всего процесса и обеспечивает уменьшение потребляемой энергии.

В рассматриваемом варианте изобретения направляющий штырь дополнительно содержит фиксирующие структурные элементы 17.2, предназначенные для удержания соединителя. В случае наличия указанных фиксирующих структурных элементов и/или если направляющий штырь волновода плотно входит в соответствующий структурный элемент поршня (в описываемом варианте - в отверстие 14), то соединитель можно смонтировать на волноводе до его установки в легкий строительный элемент.

На фиг.19 показан вариант изобретения, согласно которому структурный элемент для размещения направляющего штыря (или направляющего шипа; по существу, возможно использование любого направляющего структурного элемента) образован не осевым сквозным отверстием в поршне 13, а ближним глухим отверстием 13.12. Кроме того, на этом чертеже также показано дальнее глухое отверстие 13.13, которое обеспечивает ослабление дальнего конца поршня и, тем самым, упрощает плавление термопластичного материала на указанном участке, по аналогии с вариантом изобретения, изображенным на фиг.9, в котором предусмотрен структурный элемент в форме "ласточкин хвост". Как правило, наличие сквозного отверстия, предусмотренного в большинстве описанных выше вариантов изобретения, не является обязательным требованием. Однако, помимо тех функций, которые выполняет данное сквозное отверстие (в том числе глухие отверстия 13.12, 13.3), включая возможность закрепления в нем дополнительного элемента, данное отверстие обеспечивает также некоторое снижение количества используемого материала. Поскольку необходимость в уменьшении расхода материала возникает не всегда, а только в некоторых случаях, варианты изобретения, в которых осевое сквозное отверстие отсутствует, могут стать подходящей альтернативой описанным выше вариантам, содержащим сквозное отверстие 14.

В вариантах изобретения, проиллюстрированных на фиг.1а/1b, 2, 3, 8, 9-13, 17-19, поршень сформирован таким образом, что дальняя торцевая поверхность 13.4 его верхней части, по существу, горизонтальна и образует заплечик. Пример негоризонтальной, конической дальней торцевой поверхности поршня показан на фиг.7. Еще один пример, в котором между стержневой частью и верхней частью поршня предусмотрена коническая часть, показан на фиг.20. Слева на фиг.20 показан соединитель до начала процесса его крепления, а справа схематично и с частичным разрезом показан соединитель в процессе крепления (волновод на фиг.20 не показан). В данном примере верхняя часть поршня имеет сравнительно длинный конус, который доходит практически до ближней торцевой поверхности поршня (конусную часть можно выполнить таким образом, чтобы она доходила точно до ближнего конца поршня). Втулка 12 содержит по меньшей мере один ближний паз 12.11, проходящий в осевом направлении. Благодаря наличию указанного паза ближний конец втулки может деформироваться в радиальном направлении под действием внешнего давления, создаваемого конусной часть при воздействии на нее осевого усилия сжатия. В результате, в процессе крепления соединителя усиливается эффект запрессовки наружу. Значительная часть материала соединителя, показанного на данном чертежа справа, отклонена в радиальном направлении наружу и вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя 1.

Группа изобретений относится к способу крепления соединителя в легком строительном элементе и соединителю для использования в способе. Соединитель содержит втулку и поршень, имеющий стержневую часть, причем стержневая часть направляется втулкой. Поршень и/или втулка содержит термопластичный материал по меньшей мере на участке стыка верхней части поршня с втулкой. Способ включает в себя следующие этапы: берут соединитель, выполняют в первом конструктивном слое легкого строительного элемента сквозное отверстие и вставляют соединитель через сквозное отверстие до тех пор, пока его дальний конец не упрется во второй конструктивный слой. При этом упереться во второй конструктивный слой может либо втулка, либо поршень, либо оба элемента, то есть и втулка, и поршень. Также способ включает этап, на котором поршень прижимают по направлению к дальнему концу и вводят в него механические колебания, в результате чего происходит расплавление частей из термопластичного материала на участке стыка втулки с поршнем. При этом внешняя граница участка стыка примыкает к периферической стенке отверстия (или немного удалена от нее). Расплавленный материал течет в радиальном направлении за пределы границы и проникает в структурные элементы первого конструктивного слоя и/или растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя (т.е. вдоль поверхности, обращенной ко второму конструктивному слою). Части из термопластичного материала после повторного затвердевания образуют совместно с первым конструктивным слоем неподвижное соединение. Технический результат, достигаемый при использовании соединителя по изобретению, заключается в обеспечении необходимой прочности соединения легких строительных элементов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ крепления соединителя в легком строительном элементе, причем легкий строительный элемент содержит первый конструктивный слой и второй конструктивный слой, расположенный на расстоянии от первого конструктивного слоя, причем способ включает в себя следующие этапы:
- берут соединитель, содержащий втулку и поршень, причем поршень содержит стержневую часть и установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно втулки, при этом втулка по меньшей мере частично охватывает стержневую часть поршня, причем по меньшей мере втулка или поршень содержит термопластичный материал;
- выполняют в первом конструктивном слое сквозное отверстие, причем указанное отверстие содержит периферическую стенку;
- вставляют соединитель до тех пор, пока его дальний конец не упрется во второй конструктивный слой;
- прижимая поршень по направлению к дальнему концу, подают в указанный поршень механические колебания, расплавляя тем самым по меньшей мере часть термопластичного материала на участке стыка между втулкой и поршнем, причем указанный участок стыка примыкает к периферической стенке сквозного отверстия или удален от нее, при этом образуется часть из расплавленного термопластичного материала, который течет в радиальном направлении за пределы участка стыка и проникает в структурные элементы первого конструктивного слоя и/или растекается вдоль внутренней поверхности первого конструктивного слоя; а также
- обеспечивают повторное затвердевание части из расплавленного термопластичного материала, который образует с первым конструктивным слоем неподвижное соединение,
причем выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:
- поршень доходит до дальнего конца соединителя, причем дальний конец поршня упирается во второй конструктивный слой по завершении этапа вставления соединителя, при этом дальний конец поршня содержит части термопластичного материала, которые по меньшей мере частично расплавляют на этапе подачи в прижатый поршень механических колебаний;
- при выполнении этапа подачи в поршень механических колебаний втулка упирается во второй конструктивный слой, и поршень упирается во втулку без непосредственного контакта со вторым конструктивным слоем.

2. Способ по п.1, причем термопластичный материал поршня и/или втулки содержат часть из термопластичного материала на дальнем конце соответственно поршня и/или втулки, причем на этапе, на котором поршень прижимают по направлению к дальнему концу и вводят в него механические колебания, по меньшей мере часть термопластичного материала, предусмотренного на дальнем конце, расплавляется под действием механических колебаний, проникает в структурные элементы второго конструктивного слоя и после повторного затвердевания образует со вторым конструктивным слоем неподвижное соединение.

3. Способ по п.2, причем по меньшей мере поршень содержит на дальнем конце часть из термопластичного материала, при этом осевая длина поршня превышает расстояние между первым и вторым конструктивными слоями плюс толщина первого конструктивного слоя.

4. Способ по любому из п.п.2-3, причем осевая длина стержневой части поршня превышает осевую длину втулки.

5. Способ по любому из п.п.1-3, дополнительно включающий в себя этап, который осуществляют до этапа вставки соединителя, и на котором во втором конструктивном слое выполняют глухое отверстие, причем на этапе вставки соединителя указанный соединитель вставляют до тех пор, пока его дальний конец не упрется в дно глухого отверстия, выполненного во втором конструктивном слое.

6. Способ по любому из п.п.1-3, причем и втулка, и поршень содержат термопластичный материал, при этом на этапе, на котором поршень прижимают по направлению к дальнему концу и вводят в него механические колебания, происходит плавление частей из термопластичного материала обоих указанных элементов, то есть и поршня, и втулки, причем на этапе, на котором происходит повторное затвердевание частей из термопластичного материала, между поршнем и втулкой образуется сварное соединение.

7. Способ по любому из п.п.1-3, причем по меньшей мере втулка или поршень содержит материал, не расплавляемый под действием механических колебаний, а также содержит структурные элементы, предназначенные для формирования в нерасплавляемом материале неподвижного соединения, причем на этапе, на котором поршень прижимают по направлению к дальнему концу и вводят в него механические колебания, части из термопластичного материала проникают в указанные структурные элементы.

8. Способ по любому из п.п.1-3, причем поршень содержит верхнюю часть, внешний контур которой, по существу, соответствует поперечному сечению сквозного отверстия.

9. Способ по п.8, причем внешний контур втулки, по существу, соответствует поперечному сечению сквозного отверстия, выполненного в первом конструктивном слое.

10. Способ по любому из п.п.1-3, 9, причем осевая длина I_S втулки удовлетворяет соотношению d_I-d₁/2<I_S<d_I+d₁, где d_I представляет собой расстояние между первым и вторым конструктивным слоем, a d₁ представляет собой толщину первого конструктивного слоя.

11. Соединитель для крепления в легком строительном элементе, причем указанный строительный элемент содержит первый конструктивный слой и второй конструктивный слой, расположенный на расстоянии от первого конструктивного слоя, содержащий:
- втулку и поршень;
причем поршень имеет верхнюю часть и стержневую часть и установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно втулки, при этом втулка по меньшей мере частично охватывает стержневую часть;
причем поршень дополнительно содержит поверхность ввода, расположенную не параллельно осевому направлению и предназначенную для ввода механических колебаний в поршень;
причем по меньшей мере поршень содержит термопластичный материал, при этом часть из термопластичного материала расплавляется на участке стыка поршня с втулкой, не параллельном осевому направлению, под действием механических колебаний, вводимых в поршень через поверхность ввода во время прижатия поршня и втулки друг к другу в осевом направлении.

12. Соединитель по п.11, в котором и поршень, и втулка изготовлены из термопластичного материала.

13. Соединитель по п.11, в котором по меньшей мере поршень или втулка имеет металлическую часть, например, полностью изготовлен из металла.

14. Соединитель по любому из п.п.11-13, в котором по меньшей мере поршень или втулка содержит концентратор термонапряжений, который либо образован термопластичным материалом, либо расположен около части, выполненной не из термопластичного материала и контактирующей с термопластичным материалом, когда втулку и поршень прижимают друг к другу.

15. Соединитель по любому из п.п.11-13, в котором верхняя часть поршня сведена на конус к дальнему концу, причем втулка имеет паз, проходящий от ближнего конца втулки по направлению к ее дальнему концу.

16. Соединитель по любому из п.п.11-13, в котором втулка содержит часть, не являющуюся термопластичной.

17. Соединитель по любому из п.п.11-13, в котором втулка выполнена из материала, который не является термопластичным.

18. Соединитель для крепления соединителя в легком строительном элементе, причем легкий строительный элемент содержит первый конструктивный слой и второй конструктивный слой, расположенный на расстоянии от первого конструктивного слоя, содержащий:
- втулку и поршень;
причем поршень содержит верхнюю часть и стержневую часть и установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно втулки, при этом втулка по меньшей мере частично охватывает указанную стержневую часть;
причем поршень дополнительно содержит поверхность ввода, расположенную не параллельно осевому направлению и предназначенную для ввода механических колебаний в поршень;
причем по меньшей мере втулка содержит термопластичный материал, причем часть из термопластичного материала расплавляется на участке стыка поршня с втулкой, причем участок стыка не параллелен осевому направлению, под действием механических колебаний, вводимых в поршень через поверхность ввода во время прижатия поршня и втулки друг к другу в осевом направлении;
причем втулка, помимо термопластичного материала, дополнительно содержит не термопластичный компонент, причем либо втулка содержит термопластичный материал на указанном участке стыка, либо поршень содержит термопластичный материал на указанном участке стыка.

19. Соединитель по п.18, в котором втулка содержит на своем ближнем конце термопластичный материал, причем ближний конец втулки образует указанный участок стыка совместно с дальней торцевой поверхностью верхней части поршня.

20. Соединитель по п.18, в котором втулка не содержит термопластичного материала на своем ближнем конце, причем ближний конец втулки образует указанный участок стыка совместно с дальней торцевой поверхностью верхней части поршня, при этом дальняя торцевая поверхность верхней части поршня содержит термопластичный материал.