KR20160003315A

KR20160003315A - 풀림 방지 나사산 부재

Info

Publication number: KR20160003315A
Application number: KR1020157035814A
Authority: KR
Inventors: 쑹린 쉬
Original assignee: 쑹린 쉬
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2016-01-08
Also published as: US20160153486A1; WO2015000318A8; WO2015000318A9; CA2915891C; WO2015000318A1; CA2915891A1; EP3018367A4; JP2016524681A; EP3018367A1

Abstract

본 발명은 암나사산 부재(1)와 수나사산 부재(2)를 포함하는 풀림 방지 나사산 부재에 관한 것이다. 암나사산 부재(1)의 내부 홀에는 원기둥 암나사산(3)이 설치되어 있고, 수나사산 부재(2)의 나사축에는 원기둥 수나사산(4)이 설치되어 있으며, 수나사산(4) 또는 암나사산(3) 루트에는 수나사산(4) 또는 암나사산(3)의 종방향 중축선(5)과 협각 α 또는 협각 β를 이루는 설형 경사면(6)이 형성되어 있고, tanα 또는 tanβ는 설형 경사면(6)과 암나사산(3) 또는 수나사산(4)의 접촉면 사이의 동마찰 계수보다 작으며, 암나사산과 수나사산을 서로 꽉 조인 후, 암나사산(3) 또는 수나사산(4)의 표면과 설형 경사면(6) 사이는 서로 긴밀하게 접촉하는 구조 즉 횡방향 로킹 구조이며, 따라서 프리스트레싱이 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이를 서로 긴밀하게 접촉시킬 수 있기만 하면 각종 재질의 나사산 표면을 가진 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 풀림 방지를 효과적으로 구현할 수 있다.

Description

풀림 방지 나사산 부재{ANTI-LOOSENING THREADED PART}

본 발명은 풀림 방지 나사산 부재에 관한 것이다.

횡방향 진동 또는 충격의 환경에서 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 풀림은 오래전부터 극복해야 할 문제인데, 본 발명자는 횡방향 진동 또는 충격의 환경에서 원기둥 나사산 부재의 나사대우가 풀리게 되는 원인에 대하여 아래와 같이 구체적으로 분석하였다.

한 조의 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 암나사산과 수나사산의 플랭크 사이의 마찰계수와 리드각(Lead angle)이 일정값에 도달하게 되면 나사산 부재의 나사대우의 종방향 셀프 로킹이 이루어진다.

일반적인 원기둥 나사산 부재의 나사대우는 꽉 조인 상태에서 외력의 작용을 받지 않을 때 암나사산과 수나사산 사이에 종방향 및 횡방향으로 모두 일정한 간격이 있다.

한 조의 표준 원기둥 오른 나사산 너트를 대응하는 표준 전산 원기둥 오른 나사산 볼트에 꽉 조이고(암나사산과 수나사산 사이에 종방향과 횡방향으로 모두 일정한 간격이 있음) 너트의 일단이 볼트 헤드와 접촉되어 일정한 프리스트레싱(pretightening force)이 있는 나사산 부재의 나사대우를 예로 들면, 볼트 헤드가 위로 향하고 수평면과 수직되는 상태에서, 나사산 부재의 나사대우는 전방으로 수평 직선 방향을 따라 일정한 속도로 단단한 고정물에 부딪치는 운동을 한다(부딪치는 순간에는 볼트 헤드만 고정물과 접촉함). 만약 서로 중첩되는 암나사산의 종방향 중축선과 수나사산의 종방향 중축선을 포함하고 나사산 부재의 나사대우의 운동방향과 서로 평행하는 평면으로 볼트와 너트를 좌우 양측으로 분리한다면, 볼트의 좌측 수나사산의 상부 플랭크는 아래로 굴곡된 경사면을 이루고, 볼트의 우측 수나사산의 상부 플랭크는 위로 굴곡된 경사면으로 이루는데, 이러한 구조로 인하여 나사산 부재의 나사대우가 고정물에 부딪치는 순간에 너트의 우측 암나사산의 하부 플랭크와 볼트의 우측 수나사산의 상부 플랭크 사이는 서로 누르는 추세가 되고, 너트의 좌측 암나사산의 하부 플랭크와 볼트의 좌측 수나사산의 상부 플랭크 사이는 서로 이탈하려는 추세가 되므로, 나사산 부재의 나사대우가 고정물에 부딪치는 순간에는 너트의 우측 암나사산의 하부 플랭크와 볼트의 우측 수나사산의 상부 플랭크 사이의 마찰력이 너트의 좌측 암나사산의 하부 플랭크와 볼트의 좌측 수나사산의 상부 플랭크 사이의 마찰력보다 더 크고, 따라서 나사산 부재의 나사대우가 고정물에 부딪치는 순간, 너트는 우측 암나사산의 하부 플랭크와 우측 수나사산의 상부 플랭크의 접촉면을 지지점(이론적으로, 일반적인 원기둥 나사산의 한 바퀴의 암나사산과 수나사산의 상부/하부 플랭크는 모두 서로 평행하지 않는 수많은 직선이 나사산의 나선을 따라 배열된 것이므로, 서로 일치하게 접촉되는 일반적인 원기둥 나사산의 한 바퀴의 암나사산의 하부 플랭크와 한 바퀴의 수나사산의 상부 플랭크 사이의 접촉 상태만 변화시키면, 암나사산의 하부 플랭크와 수나사산의 상부 플랭크 사이에는 접촉면이 아닌 하나의 접촉점만 있을 수 있는데, 이 접촉점이 바로 이론적 지지점임)으로 하여 좌측으로 회전하려는 추세가 발생되기 때문에, 나사산 부재의 나사대우가 고정물에 부딪치는 순간에 너트가 받는 합력이 일정값을 초과하게 되면, 너트는 고정축이 없이 좌측으로 회전하게 되는데 즉 너트가 볼트에 대하여 풀려지는 운동을 하게 되고, 암나사산과 수나사산 사이의 횡방향 간격은 너트가 고정축이 없이 좌측으로 회전하는 공간을 제공하게 된다. 아래의 실험과 같이, 수평 현가된 원기둥형 연필에 하나의 내경이 연필 외경의 2배 이상(실험의 편리성을 도모할 수 있는 동시에 실험의 시각적 효과를 확대할 수도 있음)인 링을 씌우고, 링의 중부를 힘껏 밀면, 링은 고정축이 없이 종방향으로 회전하게 되며, 추진력의 방향이 변하지 않는 한 링의 회전 방향도 변하지 않고, 추진력의 방향이 변하게 되면 링의 회전 방향도 변하게 된다.

따라서, 일반적인 원기둥 나사산 부재의 나사대우가 횡방향 진동 또는 충격의 환경에서 풀리게 되는 원인을 다음과 같이 도출할 수 있다. 일반적인 원기둥 나사산 부재의 나사대우는 횡방향 진동 또는 충격의 환경에서 나사산의 나선구조로 인하여 일측의 암나사산과 수나사산의 플랭크 사이의 마찰력이 다른 일측의 암나사산과 수나사산의 플랭크 사이의 마찰력보다 크기 때문에, 암나사산 부재 또는 수나사산 부재는 마찰력이 더 큰 일측의 암나사산과 수나사산의 플랭크의 접촉면을 지지점으로 하여 횡방향으로 회전하려는 추세가 발생 되고, 따라서 암나사산 부재 또는 수나사산 부재가 받는 합력이 일정값을 초과하게 되면 암나사산 부재 또는 수나사산 부재는 고정축 없이 횡방향으로 회전하게 되는데 횡방향으로 회전하는 방향이 바로 암나사산과 수나사산 사이가 상대적으로 풀려지는 방향이고, 암나사산과 수나사산 사이의 횡방향 간격은 암나사산과 수나사산 사이가 고정축 없이 횡방향으로 회전하는 공간을 제공하며, 암나사산과 수나사산의 플랭크 사이의 동마찰 계수와 플랭크의 경사각은 나사산 부재의 나사대우의 횡방향 셀프 로킹의 조건을 만족시킬 수 없다.

따라서, 암나사산 부재와 수나사산 부재 사이의 고정축 없이 횡방향으로 회전하는 운동을 막기만 하면 나사산 부재의 나사대우가 횡방향 진동 또는 충격의 환경에서 풀려지는 것을 완전히 방지할 수 있다.

미국의 Horace D. Holmes는 Spiralock 너트를 설계하였고, 20세기 70년대에 특허를 출원하여 양산을 시작하였으며, 사용자의 인기를 얻었으나, MIT(미국 매사추세츠 공과 대학)의 한 교수는 "이러한 체결 시스템의 테스트 상황은 아주 좋으나, 시험 목적은 이론적 의거가 결핍하기 때문이다”라고 하였다. 일반적으로 Spiralock 원기둥 나사산 부재의 암나사산 또는 수나사산의 루트에는 암나사산 또는 수나사산의 종방향 중축선과 30도 협각을 이룬 설형 경사면이 형성되어 있고, 풀림 방지를 요구하는 대부분의 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 나사산 표면 사이의 동마찰 계수가 모두

보다 작기 때문에, 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이는 횡방향으로 셀프 로킹할 수 없고, 이로 인해 반드시 추천하는 아주 큰 프리스트레싱으로 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이에 변형을 일으켜 횡방향 로킹 구조로 만들어야 암나사산 부재와 수나사산 부재 사이의 고정축 없이 횡방향으로 회전하는 운동을 효과적으로 방지할 수 있고, 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 풀림 방지를 효과적으로 구현할 수 있다.

물체가 경사면에 정지되어 있는 경우, 경사면의 경사각이 θ로 증가되면 물체는 경사면에서 등속으로 미끌어 내리게 되는데, 이때의 경사면의 경사각 θ를 마찰각이라고 하고, 마찰각의 크기에 따라 물체와 경사면 사이의 동마찰 계수 즉 μ=tanθ를 계산할 수 있으며, 또한 물체와 경사면 사이의 동마찰 계수에 따라 마찰각의 크기 즉 θ=tan^- ¹μ를 계산할 수도 있다. 경사면의 경사각이 마찰각θ보다 작을 때, 경사면에 있는 물체가 아무리 무거워져도 물체는 미끌어 내리지 않고, 경사면의 경사각이 마찰각θ보다 클 때, 물체가 아무리 무거워져도 물체는 미끌어 내리게 된다.

나사산 체결 부재의 사용 과정에서, 암나사산과 수나사산 사이의 동마찰 계수가 너무 크면 체결력의 부족으로 인해 피연결부재 사이에 풀림이 발생하는 리스크를 쉽게 초래하게 된다. 독일자동차산업협회에서 규정한 VDA 235-101 규격에 따르면, 암나사산 부재와 수나사산 부재 사이의 동마찰 계수는 0.15를 초과하지 말아야 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 Spiralock 원기둥 나사산 부재의 전술한 부족점을 극복하기 위하여, 프리스트레싱이 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이를 서로 긴밀하게 접촉시킬 수 있기만 하면 각종 재질의 나사산 표면을 가진 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 풀림 방지를 효과적으로 구현할 수 있는 풀림 방지 나사산 부재를 제공하는데 있다.

전술한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서 사용한 기술방안은 다음과 같다. 암나사산 부재의 내부 홀에는 원기둥 암나사산이 설치되어 있고, 수나사산 부재의 나사축에는 원기둥 수나사산이 설치되어 있으며, 암나사산과 수나사산의 표면에는 풀림 방지 재료가 피복되어 있지 않고, 수나사산 또는 암나사산 루트에는 수나사산 또는 암나사산의 종방향 중축선과 협각 α 또는 협각 β를 이루는 설형 경사면이 형성되어 있으며, tanα 또는 tanβ는 설형 경사면과 암나사산 또는 수나사산의 접촉면 사이의 동마찰 계수보다 작고, 암나사산 부재와 수나사산 부재를 서로 꽉 조인 후, 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이는 서로 긴밀하게 접촉하는 구조 즉 횡방향 로킹 구조이며, 따라서 암나사산 부재와 수나사산 부재 사이의 고정축 없이 횡방향으로 회전하는 운동을 효과적으로 방지할 수 있는데, 즉 원기둥 암나사산 부재와 원기둥 수나사산 부재 사이의 풀림 방지를 효과적으로 구현할 수 있다.

독일자동차산업협회에서 규정한 VDA 235-101 규격에 따르면, 암나사산 부재와 수나사산 부재의 암나사산과 수나사산 사이의 동마찰 계수는 0.15를 초과하지 말아야 하고, tanα 또는 tanβ는 0일 될 수 없으므로(이는 암나사산 또는 수나사산의 종방향 중축선이 설형 경사면에 있을 수 없기 때문임), tanα 또는 tanβ는 0보다 크고 0.15보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명은 다음과 같은 유익한 효과를 가진다. 전술한 풀림 방지 나사산 부재는 프리스트레싱이 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이를 서로 긴밀하게 접촉시킬 수 있기만 하면 각종 재질의 나사산 표면을 가진 원기둥 나사산 부재의 나사대우의 풀림 방지를 효과적으로 구현할 수 있다. 전술한 풀림 방지 나사산 부재는 구조가 간단하고 사용이 편리하여 기존의 공정과 기기를 이용하여도 양산을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암나사산 부재와 수나사산 부재를 서로 꽉 조인 후의 나사산 부재의 나사대우의 중심 종단면 측면도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암나사산 부재와 수나사산 부재를 서로 꽉 조인 후의 나사산 부재의 나사대우의 중심 종단면 측면도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 풀림 방지 나사산 부재에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

실시예 1

도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 풀림 방지 나사산 부재는 암나사산 부재(1)와 수나사산 부재(2)를 포함하는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 암나사산 부재(1)의 내부 홀에는 원기둥 암나사산(3)이 설치되어 있고, 수나사산 부재(2)의 나사축에는 원기둥 수나사산(4)이 설치되어 있으며, 암나사산(3)과 수나사산(4)의 표면에는 풀림 방지 재료가 피복되어 있지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이, 수나사산(4) 루트에는 수나사산(4)의 종방향 중축선(5)과 협각 α를 이루는 설형 경사면(6)(wedge-shaped inclined surface)이 형성되어 있고, tanα는 설형 경사면(6)과 암나사산(3)의 접촉면 사이의 동마찰 계수보다 작으며, 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 암나사산 부재(1)와 수나사산 부재(2)를 서로 꽉 조인 후, 암나사산(3)의 표면과 설형 경사면(6) 사이는 서로 긴밀하게 접촉하는 구조이다. 상기 tanα는 0보다 크고 0.15보다 작다.

실시예 2

도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 풀림 방지 나사산 부재는 암나사산 부재(1)와 수나사산 부재(2)를 포함하는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 암나사산 부재(1)의 내부 홀에는 원기둥 암나사산(3)이 설치되어 있고, 수나사산 부재(2)의 나사축에는 원기둥 수나사산(4)이 설치되어 있으며, 암나사산(3)과 수나사산(4)의 표면에는 풀림 방지 재료가 피복되어 있지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이, 암나사산(3) 루트에는 암나사산(3)의 종방향 중축선(5)과 협각β를 이루는 설형 경사면(6)이 형성되어 있고, tanβ는 설형 경사면(6)과 수나사산(4)의 접촉면 사이의 동마찰 계수보다 작으며, 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 암나사산 부재(1)와 수나사산 부재(2)를 서로 꽉 조인 후, 수나사산(4)의 표면과 설형 경사면(6) 사이는 서로 긴밀하게 접촉하는 구조이다. 상기 tanβ는 0보다 크고 0.15보다 작다.

전술한 실시예는 본 발명의 원리, 효능 및 일부 응용된 실시예를 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐이고 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 창조적인 사상을 벗어나지 않는 전제하에서 다양한 변형 및 개선을 실시할 수 있으며 이러한 변형과 개선은 모두 본 발명의 보호범위에 포함된다.

1 : 암나사산 부재
2 : 수나사산 부재
3 : 암나사산
4 : 수나사산
5 : 종방향 중축선
6 : 설형 경사면

Claims

암나사산 부재와 수나사산 부재를 포함하고, 상기 암나사산 부재의 내부 홀에는 원기둥 암나사산이 설치되어 있고, 상기 수나사산 부재의 나사축에는 원기둥 수나사산이 설치되어 있으며, 상기 암나사산과 수나사산의 표면에는 풀림 방지 재료가 피복되어 있지 않고, 상기 수나사산 또는 암나사산 루트에는 수나사산 또는 암나사산의 종방향 중축선(longitudinal center axis)과 협각 α 또는 협각 β를 이루는 설형 경사면(wedge-shaped inclined surface)이 형성되어 있으며, 상기 암나사산과 수나사산을 서로 꽉 조인 후, 상기 암나사산 또는 수나사산의 표면과 설형 경사면 사이는 서로 긴밀하게 접촉하는 구조인 풀림 방지 나사산 부재에 있어서,
tanα 또는 tanβ는 상기 설형 경사면과 상기 암나사산 또는 수나사산의 접촉면 사이의 동마찰 계수(dynamic friction factor)보다 작은
것을 특징으로 하는 풀림 방지 나사산 부재.
제1항에 있어서,
상기 tanα 또는 tanβ는 0보다 크고 0.15보다 작은 것을 특징으로 하는 풀림 방지 나사산 부재.