使用夾緊件在至少兩個部件之間建立連接的方法，夾緊件和具有該夾緊件的連接系統的製作方法

2023-04-29 20:36:01 2

專利名稱：使用夾緊件在至少兩個部件之間建立連接的方法，夾緊件和具有該夾緊件的連接系統的製作方法
使用夾緊件在至少兩個部件之間建立 連接的方法，夾緊件和具有該夾緊件的連接系統
本發明屬於機械領域，更具體地涉及連接兩個或更多部件的方法。 在機械領域，在兩個或更多部件之間建立連接時通常使用一個附
加部件，該附加部件在下文中被稱為"夾緊件(clamping part)，，。例
如，該部件可以是螺杆、環、卡釘或楔子，以使連接部件保持相互接
觸。因而，這些部件的全部或部分自由度被相互阻滯。這種阻滯是由 夾緊件與部件的接觸產生摩擦來實現的。
兩部件之間的摩擦與極限滑動係數相關，其取決於作用的夾緊力。 同樣的，阻滯力與極限阻滯係數相關，其取決於作用的夾緊力。
在一些情況下，需要測定阻滯力的極值。由於摩擦係數對於組件 來說是一個固有值，因而只能測定施加的夾緊力。
目前已知多種測定作用於自由度的阻滯極值的方法，例如
-配有可控拉緊轉矩的螺母的系統；
-使用稚體或斜楔並可控縱向定位的系統；
-使用凸輪或曲軸並可控旋轉角度的系統。
這些方法均是通過施加位移進行操作的；從而，由組件的剛性接 觸產生夾緊力，該夾緊力取決於部件之間的相互位置關係。
夾緊力的值和它的精度直接取決於組件的剛度如果剛度下降， 精度增加，但夾緊力的值也減小。 一個相對大的力和一個相對低的剛 度有時可以使用一個中間部件進行調和，例如一個低剛度的彈簧。但
是，在不使用精確的可控夾緊系統的情況下，簡單設計和高極限阻滯 係數的組件通常是很難形成的。
對於通過外科手術要植入人體或動物體內的機械裝置來說，這些 問題更加難以克服。外科醫生一直沒有合適的器具，並且沒有必需的 時間來精確控制施加在不同部件上的夾緊力的強度。本發明的目的在於提供一種使用夾緊件連接兩個或更多部件的方 法，來施加精確的夾緊力，而不必十分精確地控制夾緊部件放置。該 方法特別能夠，但不一定必須，用於醫學或獸醫學的植入裝置上。
為了實現這一目的，本發明提供一種在至少兩個部件之間建立連 接的方法，使用至少一個夾緊件在至少一個所述部件上施加壓力，以 使所述部件相互緊靠阻滯，特徵在於，使用由超彈性金屬性形狀記憶 合金製成的夾緊件，其生成的應力曲線((T)-f(施加的位移(￡))具有加載
和卸載平坦區，剛度(stiffness) K與臨界加載力(7^之間的比例小於 或等於IO，剛度K與臨界卸載力(iAf之間的比例小於或等於10，並且 平坦區的長度"M大於或等於3%，當部件連接時夾緊件上施加了位
移￡,從而對應所述平坦區生成力(7,並測算出夾緊力。
所述夾緊件顯示的(Tms與CTM之間的差小於或等於300MPa，並且 當連接已經建立時其工作在卸載平坦區。
本發明的另 一 目標是提供一種夾緊件，用來在至少兩個部件之間 建立連接，所述夾緊件在兩個部件中的至少一個上施加壓力，特徵在 於，其由超彈性金屬性形狀記憶合金製成，其生成的應力曲線(ty)-f(施 加的位移(e))具有加載和卸載平坦區，剛度K與臨界加載力OMs之間的
比例小於或等於IO，剛度K與臨界卸栽力(TAf之間的比例小於或等於
10,並且平坦區的長度Sam大於或等於3%,夾緊件上施加的位移￡ 對應所述平坦區生成力(T，並測算出夾緊力。
Oms與OAf之間的差最好小於或等於300MPa。
夾緊件可以由Ni-Ti合金製成，其包含55.6%±0.4%比重的鎳，並 經過熱處理生成馬氏體鍍層，熱處理是指將部件在480至520。C之間 保持5到60分鐘。
本發明的另 一 目標是提供一種至少兩個部件之間的連接系統，其 包括至少一個夾緊件在所述部件中的至少一個上施加壓力，特徵在於，
所述的夾緊件為上文中表述的。
連接部件中的一個可以包括一個剖口杯，其形狀與所述剖口杯裝 配連接的另 一部件的末端的形狀相對應，並且所述夾緊件是一個圍繞在所述剖口杯的環。
所述剖口杯可以是球形，與所述杯裝配的另一連接部件的末端為 球鉸。
所述剖口杯可以是圓柱形，與所述杯裝配的另一連接部件的末端 為圓柱形。
連接部件中的其中一個可以包括至少一個翼片，至少一個環來圍 繞所述翼片和另一連接部件。
連接部件中的其中一個可以包括一個錐形穿孔，其形狀與夾緊件 的形狀相對應，所述夾緊件具有一個穿孔以使另一連接部件插入其中。
所述夾緊件可以是一個楔子，插在所述連接部件之間。
所述楔子可以是錐形的。
所述楔子可以是凸輪形的。
連接部件中的其中一個可以包括一個具有兩個臂的叉子，其他連 接部件裝入兩個臂之間，並且夾緊件在所述臂上施加應力以使它們相 互趨向靠近。
所述夾緊件可以呈軛狀。
所述夾緊件也可以是環狀的。
所述夾緊件可以是一個楔子， 一個螺杆插入第二連接部件上的螺
孔使楔子壓向第一連接部件，第二連接部件自身包括一個孔口，所述 第一部件插入其中。
所述夾緊件可以是一 個u形卡釘，在它的臂之間每一個連接部件
中的一部分構成的兩個翼片被相互緊貼夾緊。
所述至少兩個部件可以是醫學或獸醫學上使用的植入裝置。 如上所述，本發明是基於使用一種具有超彈性的形狀記憶合金
(SMA),其生成的cr=f(s)(壓力-f (變形))曲線具有一個平坦區， 換句話說，變形量的值在與這些變形對應的壓力作用下幾乎恆定，來 製成夾緊件。
這樣，如果兩個或更多個部件使用夾緊件進行連接，該夾緊件強 制產生變形，夾緊件作用在連接部件上的力與該變形幾乎無關，因而幾乎與夾緊件精確的定位無關，所用的材料工作在ty-f(s)曲線上的平 坦區域內。
因而在不需要對夾緊件的位置進行十分嚴格控制的情況下，就可 以獲得精確的夾緊力。
這在一些應用中是十分重要的，在這些應用中，當連接時很難實 現夾緊件的精確定位和/或當連接部件工作時帶來的夾緊件輕微位移 或輕微變形使得很難確定夾緊件的精確位置。當放置這些植入件時(植 入件例如包括用於脊柱的骨縫合術裝置)，很難精確控制夾緊力的大 小，使他們不得不嘗試不同的部件，部分由於缺乏合適裝置來實現這 一目標，部分由於缺少時間。
基於本發明所用的方法能夠以可靠的方式形成所需的夾緊力，簡 單地通過恰當選取夾緊件尺寸並將其放入恰當的位置無需任何特殊地
謹慎措施。因而，組件的安裝速度和可靠性得到大大的提高。
由於合金的形狀是可恢復的，這就需要在放開連接時在夾緊件上 施加一個反向力，其強度要大於夾緊力。之後夾緊件將回到最初的形 狀。
通常，有效替換的夾緊件不改變夾緊件所產生的夾緊力，並使得 組件具有相對低的成本，並且精確，堅硬，但能夠產生很高的夾緊力。 在過去使用傳統材料製成的夾緊件的常規系統是不可能調和這些特性 的，也就是說，SMA的o-f(s)曲線不具有如上定義的平坦區。
通過閱讀下文中針對所附的附圖的描述，本發明將更加易於理解。 -

圖1示出了最常使用的SMA的0=《￡)曲線的一個示例； -圖2示出了本發明文本中使用的SMA的(^f(s)曲線的一個示例； -圖3至14圖示出基於本發明的能夠在連接件中使用的夾緊件的 多個示例。
圖1示出了 一種最常使用的具有超彈性的SMA試樣的(1=《￡)張力 曲線的形狀，初期處於奧氏體階段並且當合金所受溫度高於MS時可 能產生馬氏體式變化。
如果在應力測試中強制產生漸增的變形￡，並且測量出對應的壓力
-壓力從0到crMs (曲線的部分1):由於結構全部是奧氏體，試 樣呈彈性；
-OMs到OMf之間(曲線的部分2),觀察到試樣的特性在改變，其 不再是常規的線性彈性特性；這是由於馬氏體式變化已經開始；o=f(s) 曲線在部分2的傾斜明顯不如部分1，代表其轉變成剛度更加低的材 質；
-(TMf以上(曲線的部分3),試樣恢復成傳統的線性彈性特性，呈 馬氏體狀，馬氏體式變化已經結束，其變形與壓力(TMf相對應。
如果壓力測試繼續進行到卸載階段，壓力逐漸釋放，最終曲線的 基本形狀與加栽曲線相似，但是帶有滯後現象，這是由於反向變形的 開始壓力(T^和反向變形的結束壓力(JAf均分別小於 (J]yjf和(曲線
的部分4)。
偏差Ecr=cTMf — (TMs4皮稱為"轉變範圍(transformation spread )"。 轉變滯後被定義為H<r=oMs - (TAf。
圖2示出了能夠在本發明文本中使用的SMA試樣的Ff(s)張力曲 線的形狀，其在超過Ms的溫度範圍內具有獨特的超彈性特性。
與圖l中的曲線相比較，可以看出曲線在部分2和4的傾斜對應 於變形特別地小，並且Etr 也為低值。可以
說，CT-f(S)曲線具有平坦區，同時在加載和卸載時。平坦區的長度 更長，並且變形剛度K-E(7/SAM比圖l的情況更低。
超彈性SMA的優點在於，能夠用在本發明的範圍內，具有低剛 度卻獲得高應力，當它們處在平坦區域2， 4時。應力由平坦區2， 4 的高度量化，並且從而確定臨界力oc:
-壓力加載階段在(TMs和(TMf之間(平坦區2); -壓力卸栽階段在CJAf和(JAs之間(平坦區4)。
一方面，Oms與OMf之間以及OAf與OAs之間的差值細小，另一方 面意味著，夾緊力可以具有很高的精度。
剛度由比率K=Eo/￡AM=((7Mf - <TMs)/(CTMf - OAs)進行量化。加載和卸載時均相同。
能夠用在本發明的範圍內的超彈性SMA必須具有
-剛度與臨界力之間的比率低，具體地說，K/om^10，例如
* 加載時K/(tmsS10;
* 卸載時K/oAfSlO;
-並且具有足夠長的平坦區2， 4以使夾緊件定位中產生的誤差和 近似值容易補償，具體地說，￡AM^3%。
優先選擇在卸載平坦區4上工作，它優在於滯後範圍減小，從而 限制夾緊件裝配力。具體地說，H。^300MPa。
在實際應用中，位移(變形)之間的差值sam通常相對於CTs和cyAs
大約為5%。這意味著能夠在本發明文本中使用的SMA對應平坦區2， 4(加栽或卸栽)強制產生變形￡，夾緊件上強制產生的變形為一些％ 的差值，僅導致施加在所述部件上的夾緊壓力變化很小。因而，夾緊 件在由連接部件構成的組件中的精確定位要比夾緊件使用傳統材料制 成的情況具有更大的靈活度，或者甚至比夾緊件使用帶有超彈性特性 的SMA製成但其0=《￡)曲線不具有如上所述的平坦區的情況也具有 更大的靈活度。
需要指出的是^f(s)曲線，以及平坦區的存在與否、剛度和長度， 不僅取決於合金的成分，還取決於材料的機械特性和晶體特性小粒 度或單晶體材料，沉澱物含量，淬火率，所受的熱處理。反常的是， 材料既可以由大量的小晶粒生成，也可以是單晶體，但是中間態通常 是無法達到期望的效果的。
這種材料的非限制的實施例已在文獻EP0864664中予以顯著描 述。它由鎳鈦合金構成，其中包括55.6%±0.4%比重的鎳，並經過熱 處理或形變熱處理形成期望的金相結構。特別地，經過熱處理生成馬 氏體鍍層，熱處理是將部件在480至520。C之間加熱5到60分鐘。在 該處理之前，還可以在600-800。C進^f亍10到30秒的快速退火，和/或 加工硬化15到18%之間。可以查閱該文獻以獲得更詳細的內容。鐵、 銅或釩可以部分替代鎳。通常，基於本發明的能夠選用製作夾緊件的材料必須在連接部件 的組裝溫度下和工作溫度下具有所述的超彈性特性。為了醫學應用， 該材料必須是生物相容的。
我們將描述一些非限制的連接的實施例，在這些實施例中的基於 本發明的夾緊件可以很方便的使用。
圖3示出了一個鎖合球鉸系統，在系統中第一部件5末端為一個 球鉸6，其裝入在第二部件8末端形成的一個球形剖口杯7中(縱剖 面示出)。杯7中的剖口在圖3中不可見。基於本發明的環9夾緊杯7， 並鎖合其中的球鉸6。因此，環9承受張緊力。
圖4示出了 一個阻滑樞軸系統。呈圓截面的第 一部件10插入在第 二部件12末端形成的圓柱形剖口杯11中(縱剖面示出)。基於本發明 的環13夾緊杯11，並鎖合其中的杆IO。因此，環13承受張力。
通常，基於以上兩個實施例，在基於本發明的兩個部件之間能夠 建立連接，在一部件末端形成的具有任意形狀的剖口杯，放入一個環 中，杯的形狀與另一部件末端的形狀相對應。
圖5示出了一個名為"夾緊聯結(clamplingattachment)，，的系統。 縱剖示出的第一部件14在它的末端帶有兩個翼片15, 16，它們與杆 17貼合併保持接觸。為了實現這個目的，縱剖示出的基於本發明的兩 個環18， 19中的一個夾住兩個翼片15， 16中的一個和杆17。環18, 19承受張力。明顯地，這種連接方法也適用於部件並非圓柱杆17的 情況。也可以只使用一個環18， 19和一個翼片15， 16。
圖6示出了另一種作用於杆的聯結系統。縱剖示出的第一部件20 具有一個錐形穿孔21， 一個基於本發明的錐形夾緊件22被強制裝入 其中。該夾緊件22自身具有一個圓柱形孔23， 一個要被阻礙的杆24 放入孔中而插入第一部件20中。第一部件20作用在夾緊件22上的力 通過夾緊件傳遞到杆24上從而阻礙杆的移動。夾緊件22承受壓應力。 另外，該連接模式可以適用於部件並非圓柱杆24的情況。
圖7示出了一種使用楔子壓入彎曲的連接系統。兩個連接的部件 是，呈C型的第一部件25和位於第一部件的槽27中的杆26，在C型件的臂的對面。基於本發明的呈開槽楔形的夾緊件填入c型件內杆
26和C型件的臂之間的可容納空間中，通過C型件的臂彎曲壓緊， 臂的內表面的形狀根據夾緊件28的上表面成型。
圖8示出了一種使用楔子壓入彎曲的連接系統。笫一 U形部件29 與呈矩形截面的第二部件30連接。U形件內的可容納空間在兩個部件 29， 30之間被基於本發明的楔形夾緊件31填充，其推壓第二部件30 與第一部件的一個臂緊靠。在這種情況下，夾緊件31承受壓應力。
圖9示出了一種系統，對比圖8中的系統，其中的錐形楔被凸輪 32代替，凸輪的截面由部分圓弧和部分橢圓構成。它裝入一個截面呈 一段圓弧33的槽中，該槽位於構成第 一連接部件34的U型第一臂上。 將連接部件35部分插入U型件中，凸輪32旋轉，它的橢圓部分36 開始與笫二部件35相接並推壓它與第一部件34的U型第二臂相靠。 因而凸輪33承受壓應力。
圖10示出了 一種"叉形夾緊(fork clamping )，，系統，其中第 一部 分37為一個帶有兩個臂的叉子，杆38放置在臂之間。基於本發明的 夾緊件39呈軛狀提供夾緊力，其形成的內側空間使第一部件37的兩 個臂相互靠攏，從而使它們夾住杆38。夾緊件39承受彎曲應力。
圖11示出了一種圖10中系統的變形，其中基於本發明的夾緊件 40是一個環狀部件，實施例中所示其中開有矩形截面的孔41，這樣的 形狀是為了夾緊第一部件42的臂同時使它們夾住杆43。在這種情況 下，環狀部件40放置在杆43的上方，並承受張力。
圖12示出了一種圖11中系統的變形，其中基於本發明的夾緊件 44同樣呈環形並具有一個矩形孔，其放置在連接叉形第一部件46的 杆45的下方，第一部件46的臂的外形可在夾緊件44的作用下套住杆 46，夾緊件44也承受張力。
圖13示出了一種螺杆夾緊系統。第一部件47，呈橫截面示出， 首先包括一個孔48，杆49穿過其中，螺杆50旋入第一部件47上的 螺孔51中阻礙杆49移動，螺孔51與孔49貫通。在第一部件47中形 成了空間51從而使基於本發明的夾緊件52可以插入。對比螺杆50直接壓在杆49上的傳統結構，基於本發明的這種結構能夠更精確地調 整作用在杆49的力，從而不必監測和十分謹慎地限制螺杆50在螺孔 51中的旋進。
圖14示出了一種卡釘夾緊系統，其中兩個部件53， 54的每一個 都具有一個與U形卡釘連接的部分55， 56,卡釘承受彎曲應力，兩個 翼片55， 56在U形的兩個臂之間相互緊貼夾緊。
這些夾緊系統可以應用在很多領域，特別適合上述用在植入人體 或動物體的裝置上。例如，那些包括棒或杆的裝置可以使用，將脊推 骨縫合術設備中的杆夾持在植入脊推骨上的骨保護部件(螺杆、吊鉤) 上。
權利要求
1、在至少兩個部件之間建立連接的方法，使用至少一個夾緊件在至少一個所述部件上施加壓力，以使所述部件相互緊靠阻滯，其特徵在於，使用由超彈性金屬性形狀記憶合金製成的夾緊件，其生成的應力曲線(σ)＝f(施加的位移(ε))具有加載和卸載平坦區(2，4)，使得剛度K與臨界加載力σMs之間的比率小於或等於10，剛度K與臨界卸載力σAf之間的比率小於或等於10，並且平坦區的長度εAM大於或等於3％，當部件連接時夾緊件上施加了位移ε，從而對應所述平坦區生成了力σ，並產生校準的夾緊力。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於使用夾緊件，其顯示 的Oms與OAf之間的差小於或等於300MPa，並且當連接已經建立時， 其設立在卸載平坦區(4)。
3、 用於在至少兩個部件之間建立連接的夾緊件，所述夾緊件在兩 個部件中的至少一個上施加壓力，其特徵在於，其由超彈性金屬性形狀記憶合金製成，其生成的應力曲線(d)-f(施加的位移(S))具有加載和 卸載平坦區(2， 4),使得剛度K與臨界加栽力(7Ms之間的比率小於 或等於IO，剛度K與臨界卸載力(TAf之間的比率小於或等於10，並且平坦區的長度Sam大於或等於3%，夾緊件上施加的位移s對應所述平坦區生成了力(7和校準的夾緊力。
4、 根據權利要求3所述的夾緊件，其特徵在於所述夾緊件的<tms 與(TAf之間的差小於或等於300MPa。
5、 根據權利要求3或4所述的夾緊件，其特徵在於所述夾緊件由 Ni-Ti合金製成，其包含重量為55.6%±0.4%的鎳，並經過熱處理生成 嵌入馬氏體，熱處理是指在480。C至520。C之間保持5到60分鐘。
6、 至少兩個部件之間的連接系統，其包括至少一個夾緊件在所述 部件中的至少一個上施加壓力，其特徵在於，所述夾緊件為權利要求 3至5中的任一項所述的類型。
7、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於待連接部件中的一個(8, 12)可包括一個剖口杯(7， 11)，其形狀與所述剖口杯要裝 配連接的另一部件(5， IO)的末端的形狀相對應，並且所述夾緊件(9， 13)是一個圍繞在所述剖口杯(7， 11)的環(9， 13)。
8、 根據權利要求7所述的連接系統，其特徵在於所述剖口杯(7) 是球形，與所述杯(7)要裝配連接的另一連接部件(5)的末端為球 軸(b)。
9、 根據權利要求7所述的連接系統，其特徵在於所述剖口杯(11) 是圓柱形，與所述杯(11)要裝配連接的另一連接部件(10)的末端為 圓柱形。
10、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於待連接部件中 的其中一個(14)包括至少一個翼片(15， 16)，至少一個環(18， 19) 圍繞所述翼片(15， 16)和另一待連接部件(17)。
11、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於待連接部件中 的其中一個(20)包括一個錐形穿孔(21)，其形狀與夾緊件(22)的 形狀相對應，所述夾緊件(22)具有一個穿孔(23)，以使另一待連接 部件(24)插入其中。
12、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於所述夾緊件是 一個楔子(28， 31, 32)，其插在所述待連接部件(25， 26， 29, 30, 34, 35)之間。
13、 根據權利要求12所述的連接系統，其特徵在於所述楔子(28, 31)是錐形的。
14、 根據權利要求12所述的連接系統，其特徵在於所述楔子(32) 是凸輪形的。
15、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於待連接部件中 的其中一個(37， 42， 46)包括一個具有兩個臂的叉子，其他待連接 部件(38， 43， 45)裝入兩個臂之間，並且夾緊件(39， 40， 44)在 所述臂上施加應力以使它們相互靠攏。
16、 根據權利要求15所述的連接系統，其特徵在於所述夾緊件 (39)呈軛狀。
17、 根據權利要求15所述的連接系統，其特徵在於所述夾緊件 (40, 44)是環狀的。
18、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於所述夾緊件是 一個楔子(52)，通過將一個螺杆(50)插入第二待連接部件(47)上 的螺孔(51)，使楔子壓向第一待連接部件(49)，第二待連接部件自 身包括一個孔口(48)，所述第一部件(49)插入其中。
19、 根據權利要求6所述的連接系統，其特徵在於所述夾緊件是 一個U形卡釘(57)，在它的臂之間每一個形成待連接部件(53， 54) 之一的一部分的兩個翼片(55， 56)被相互緊貼夾緊。
20、 根據權利要求6至19中的任一項所述的連接系統，其特徵在 於所述至少兩個部件是醫學或獸醫學上使用的植入裝置部件。
全文摘要
在兩個部件之間建立連接的方法，使用至少一個夾緊件使所述部件相互緊靠阻滯。所述夾緊件由超彈性金屬性形狀記憶合金製成，其生成的應力曲線(σ)＝f(施加的位移(ε))具有加載和卸載平坦區(2，4)，剛度K與臨界加載力σMs之間的比例≤10，剛度K與臨界卸載力σAf之間的比例≤10，並且平坦區的長度εAM≥3％，夾緊件上施加了位移ε，從而對應所述平坦區產生了力σ。夾緊件由這樣的金屬性形狀記憶合金製成。部件之間的連接系統包括至少一個上述夾緊件。
文檔編號F16B7/04GK101473142SQ200780023248
公開日2009年7月1日 申請日期2007年4月4日 優先權日2006年5月5日
發明者B·珀爾蒂耶, E·帕圖爾, P·馬克希, T·邦·贊埃布 申請人:華沙整形外科公司