KR100768458B1 - 공차 보상용의 장착 장치 - Google Patents

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더 게이츠 코포레이션
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Abstract

본 발명은 암나사 및 수나사가 형성된 부싱을 포함하는 공차 보상용의 장착 장치를 제공한다. 부싱(101)은 표면에 장착될 소정 부품에 나사 결합된다. 그 후, 볼트(200)가 암나사부를 이용하여 부싱의 보어 내로 나사 결합된다. 암나사부(102)는 볼트(200)의 섕크와 나사 형성부 사이를 억지 끼워맞춤되게 하여, 일시적으로 볼트(200)가 추가 삽입되는 것을 방지한다. 그 후, 볼트(200)가 더욱 회전되어, 부싱(101)을 회전시키고, 부싱을 그것이 장착 표면에 지지될 때까지 장착 표면을 향하여 부품으로부터 나사 풀리게 하고, 이로써 공차 간극을 완전히 보상한다. 볼트가 추가 회전함에 따라, 비교적 낮은 토크에서, 희생 암나사부는 볼트가 장착 표면의 구멍 내로 완전히 토크를 전달할 수 있도록 제거되고, 이로써 공차 간극을 보상하면서 적절하게 토크를 전달하는 접속 상태로 부품을 동시에 접속한다.

Description

공차 보상용의 장착 장치{TOLERANCE COMPENSATING MOUNTING DEVICE}
본 발명은 체결 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 구성 요소 사이의 끼워맞춤 공차(fit tolerance)를 보상하면서 구성 요소를 연결하는 데 사용되는 공차 보상용의 장착 장치에 관한 것이다.
설비 구성 요소의 조립은 공차, 즉 체결 지점에 간극(gap)을 야기할 수 있는 구성 요소 사이의 치수 차이에 의해 악영향을 받을 수 있다. 이들 공차는 항상 제거될 수는 없으며, 단지 조립된 장치에서 고려될 수는 있다. 또한, 공차는 둘 이상의 구성 요소가 특정 위치에서 결합될 때 "누적(stack)" 될 수 있어서, 상당한 치수 편차 또는 간극을 발생시킨다.
공차는 환경에 따라 일 밀리미터의 매우 적은 비율일 수도 있고, 매우 크게 수 밀리미터일 수도 있다. 공차가 클수록, 일반적으로 제조 비용은 줄어든다.
공차를 제거하거나 조립된 장치에서 그 공차를 보상하려는 시도가 종래 기술에 있었다. 이들 시도는 일반적으로 결합될 구성 요소의 맞물리는 표면 사이의 간극을 메우는 심(shim) 또는 스크루 타입 장치를 포함한다. 심 또는 스크류 타입 장치는 일반적으로 파스너와는 별개의 구성 요소이다.
또한, 종래 기술의 대표적인 예로는 결합될 구성 요소의 구멍을 정렬시키기 위한 트윈 콘 장치(twin cone device)를 개시하고 있는 Leicht 등의 미국 특허 제5,501,122호가 있다. 이 장치는 볼트에 의해 결합되는 한 세트의 원추 구조체를 포함한다.
종래 기술은 모두, 구성 요소에 원치 않는 응력을 유도하지 않으면서 적절하게 토크를 가하는 방식 또는 클램핑하는 방식으로 구성 요소를 동시에 결합하면서 평평한 장착 표면 사이의 공차를 보상하는 문제를 해결하지 못하고 있다. 또한, 종래 기술은 비공면(non-coplanar)의 연결 표면을 갖는 구성 요소를 적절하게 결합시킬 수도 없다. 또한, 종래 기술은 조립 공정의 일부로서 장착 표면 사이의 공차 간극 또는 틈새(clearance)를 자동으로 보상하는 파스너를 제공하지도 못한다.
구성 요소를 동시에 연결하면서 나사산이 형성된 부싱을 이용하여 결합될 구성 요소 사이의 틈새 또는 공차 간극을 완전하게 메우는 장치가 필요하다. 나사산이 형성된 파스너를 이용하여 결합될 구성 요소 사이의 공차 간극을 완전히 메우는 장치가 필요하다. 설치 중에 공차 간극을 자동으로 보상하는 장치가 필요하다. 본 발명은 이들 필요를 만족시킨다.
본 발명의 주요 양태는, 구성 요소를 동시에 연결하면서 나사산이 형성된 부싱을 이용하여 결합될 구성 요소 사이의 공차 간극 또는 조립 틈새를 완전하게 보상하는 공차 보상용 장착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는, 나사산이 형성된 파스너를 이용하여 결합될 구성 요소 사이의 공차 간극을 완전히 보상하는 공차 보상용 장착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 첨부 도면과 본 발명의 이하의 설명에 의해 표현되거나 명백하게 될 것이다.
본 발명은 암나사산 및 수나사산이 형성된 부싱을 포함하는 공차 보상용 장착 장치를 제공한다. 부싱은 표면에 장착될 소정 부품에 나사 결합된다. 그 후, 볼트가 암나사부를 이용하여 부싱의 보어 내로 나사 결합된다. 암나사부는 볼트의 섕크와 나사 형성부 사이를 억지 끼워맞춤되게 하여, 일시적으로 볼트가 추가 삽입되는 것을 방지한다. 그 후, 볼트가 회전되어, 부싱을 회전시키고, 부싱을 그것이 장착 표면에 지지될 때까지 장착 표면을 향해서 부품으로부터 나사 풀리게 하고, 이로써 공차 간극을 완전히 보상한다. 볼트가 더 회전함에 따라, 희생 암나사부(sacrificial internal thread)는 볼트가 장착 표면의 구멍 내로 완전히 토크를 전달할 수 있도록 제거되며, 이로써 공차 간극을 보상하면서 구성 요소를 동시에 연결한다.
본 명세서의 일부로서 채용되는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 공차 보상 장치의 횡단면도이고,
도 2는 도 1의 선 2-2에서의 평면도이고,
도 3은 도 1의 선 3-3에서의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 장치의 측부 횡단면도이고,
도 5는 본 발명의 장치의 측부 횡단면도이고,
도 6은 도 5의 선 6-6에서의 평면도이고,
도 7은 변형예의 횡단면도이고,
도 8은 본 발명의 제3의 변형예를 도시하고,
도 9는 도 8의 선 9-9를 따른 평면도이다.
도 1은 공차 보상용 장착 장치의 횡단면도이다. 본 발명의 장착 장치(100)는 부싱(101)을 포함한다. 부싱(101)은 실질적으로 원통형이다. 부싱(101)은 나사산이 형성된 표면 특징부(surface feature; 102)를 포함한다. 표면 특징부(102)는 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 파스너에 맞물리는 표면의 상승부를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 표면 특징부는 나사부(102)를 포함한다.
나사부(102)는 당업계에 알려진 임의의 나사 형태의 대략 2 피치를 포함한다. 부싱(101)에는 주축을 따라 부싱(101)의 길이에 걸쳐 연장되는 보어 또는 구멍(103)이 또한 마련되어 있다. 볼트(200)는 구멍(103)을 통하여 부싱(101)과 맞물린다. 볼트(200)는 나사부(102)와 맞물린다(도 4 참조). 나사부(102)의 내부 최소 직경은 구멍(103)의 내부 직경보다 작아서, 나사부(102)는 볼트(200)가 구멍(103)의 표면과 맞물리지 않는 상태로 볼트와 맞물릴 수 있다.
바람직한 실시예에서, 부싱(101)은 금속 재료로 이루어진다. 그러나, 결합 부품 사이에 비전도성의 절연체가 필요한 상황 또는 낮은 토크 적용이 필요한 경우에 사용하기 위하여 부싱이 비금속 재료, 예컨대 복합체, 세라믹 또는 플라스틱으로 이루어질 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
부싱(101)의 외면에는 수나사부(104)가 또한 형성되어 있다. 수나사부(104)는 부싱(101)의 외면에서 소정 길이(L)를 따라 연장된다.
부싱(101)은 렌치 또는 손가락을 이용하여 공구를 설치할 수 있도록 주축에 평행한 대칭의 평탄부(105; flat)를 더 포함한다(도 2 및 도 3 참조). 평탄부의 형상은 당업계에 알려진 너트 또는 볼트 헤드의 형상과 유사하다. 또한, 평탄부는 부싱을 손, 즉 손가락으로 회전시킬 수 있도록 널링 가공된 표면 또는 평평한 원통형 표면으로 대체될 수도 있다.
도 4를 참고하면, 장치(100)는 먼저 볼트(200) 없이 부품(P)에 나사 결합된다. 수나사부(104)가 부품(P)의 나사부(PT)와 맞물린다. 바람직한 실시예에서, 부싱(101)은 표면(106)이 부품(P)에 맞닿을 때까지 부품(P)에 나사 체결된다. 표면(106)이 실제적으로 부품(P)에 접촉할 필요는 없으며, 부싱(101)이 전체적으로 부품(P) 내로 삽입되었다는 것을 나타내는 맞물림도 좋다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 부싱(101)은, 최대 수의 나사부(104)가 부품(P)과 맞물리는 것을 보장하도록 부싱이 완전히 삽입될 때 부품(P)을 길이 A만큼 넘어서 연장되는 것도 또한 바람직하다. 그 후, 볼트(200)는 볼트 섕크 또는 볼트 나사부(202)의 단부가 나사부(102)와 맞물릴 때까지 구멍(103) 내로 나사 결합된다. 섕크의 직경(D1)은 나사부(202)의 직경(D2)보다 크다(도 7 참조). 그 결과, 볼트(200)와 나사부(102) 사이의 억지 끼워맞춤이 발생되어, 일시적으로 볼트(200)가 부싱(101) 내로 더욱 삽입되는 것을 방지한다.
그 후, 부품(P)은 볼트(200)가 구멍(MH)과 일렬로 되도록 장착 표면(M)과 정 렬된다.
도 5를 참고하면, 그 후 볼트(200)가 회전하며, 이는 부싱(101)이 볼트(200)와 나사부(102) 사이의 간섭에 기인하여 부품(P)으로부터 나사 풀리게 되는 효과를 갖는다. 부싱(101)은 표면(107)이 장착 표면(M)과 맞닿을 때까지 볼트(200)와 함께 회전한다. 그 후, 나사부(102)를 비틀거나, 제거하거나 파괴하기에 충분한 추가의 낮은 토크가 볼트(200)에 인가된다. 이러한 설명으로부터, 당업자는, 나사부(102)가 비교적 "약하고(soft)" 그로 인해 희생되어, 부싱이 장착 표면에 대해 지지될 때까지 볼트(200)와 함께 부싱(101)을 회전시키는 수단을 제공하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 접착제, 짧은 길이의 간섭체 또는 중합체 인서트(polymeric insert)에 의해 유사한 결과를 또한 얻을 수 있으며, 이들 모두는 구멍(103) 내에 있으며, 이들 모두는 볼트의 섕크를 일시적으로 파지하여, 부싱(101)이 볼트(200)와 함께 회전할 수 있게 한다.
다른 실시예는, 하나의 나사가 약간 비틀려 있고, 그 나사가 어느 정도 "강해서(stiff)" 볼트 나사부(202)와의 마찰 결합을 야기하게 되어 있는, 나사부(102)의 변형을 포함할 수 있다.
나사부(102)와 맞물리는 볼트(200) 상의 나사부는 일단 부싱(101)이 장착 표면에 지지되면 부분적으로 또는 전체적으로 비틀리거나 제거된다는 것을 또한 이해할 수 있는데, 이는 볼트 나사부의 상측 부분이 장착 구멍(MH)의 나사부와 맞물리지 않을 것으로 예상되기 때문이다.
변형예에서, 볼트(200)의 직경(D1)은 나사부(202)로부터 섕크에 이르는 단지 제한된 거리에 걸쳐 연장될 수 있다(도 7 참조). 전술한 바와 같이, 나사부(102)는 섕크의 보다 넓은 부분에 의해 제거된다. 볼트가 장착 표면 내로 나사 결합되는 경우, 볼트 섕크의 감소된 직경부는 섕크와 제거된 나사부(102) 사이에 추가의 토크 전달 유도 맞물림(torqued inducing engagement)을 방지한다. 이는 볼트가 장착 표면 내로 전체적으로 토크를 전달하는 경우에 잘못된 토크가 발생되는 것을 방지한다.
또한, 나사부(102)를 제거하기 위하여 볼트(200)에 토크를 인가하는 것은 부품(P) 상에 예비 부하(preload)를 가하는 효과를 갖는다. 본 발명의 이러한 특징은 부품 및 전체 조립체를 강화시키는 이점이 있다. 예비 부하의 크기는 나사부(102)를 제거하는 데 필요한 토크에 따라 조정될 수 있다.
일단 부싱의 표면(107)이 장착 표면(M)과 맞물리면, 볼트에 토크가 인가되어, 희생 나사부(102)를 파괴하게 된다. 그 후, 볼트(200)는 볼트 플랜지(201)가 부품(P)의 지지면과 맞물릴 때까지 장착 표면(M)의 나사 형성 구멍(MH) 내로 충분히 나사 결합된다. 그 후, 볼트(200)는 용례에 따라 적절한 토크 값으로 토크를 전달할 수 있다. 알 수 있듯이, 공차 간극은 부싱에 의해 자동적이고 완전하게 메워진다.
도 6은 도 5의 선 6-6을 따른 파스너의 평면도이다. 플랜지(201)가 도시되어 있다. 플랜지(201)는 사용자가 원하는 임의의 폭으로 구성될 수 있다.
도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 장착 표면에 치구(fixture)를 장착하는 동시에 본 발명의 장치를 사용하면 상당한 공차(T)가 메워질 수 있다. 이 장치는, 클램핑된 구성 요소 또는 치구에 원치 않는 굽힘(또는 기타 비틀림 하중)을 발생시키지 않으면서, 확실하고, 적절하게 토크 전달되는 볼트 조인트(bolted joint)를 구현할 수 있게 한다.
본 발명의 공구는, 많은 경우에, 예컨대 구성 요소를 용이하게 조립할 수 있도록 큰 공차를 필요로 하지만 공차를 완전히 보상해야 하는 경우에, 공차 누적(tolerance stack)의 효과를 제거하도록(즉, 실제로는 넓은 공차를 이용할 수 있게 하도록) 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 상이한 평면에서의 면 사이에 뿐만 아니라 주요면에 대하여 어긋난 각도(odd angle)의 면에 장착 표면을 볼트 체결할 때 공차를 보상하도록 사용될 수도 있다.
본 발명의 장치는 변형예에서는 "역전될(inverted)" 수 있다. 도 7은 변형예의 횡단면도이다. 볼트 결합될 부품 내로 나사 체결되지 않고, 본 발명의 장치는 대신에 수나사부(104)를 이용하여 장착 표면의 구멍으로 나사 체결된다. 이 경우에, 수나사부(104)는 왼나사이다. 또 다른 실시예로서, 도시하지는 않았지만 나사부(102) 대신에 마련되는 마찰식 피팅(fitting)이 구멍(103) 내로 삽입되어 볼트(200)를 마찰식으로 파지하고, 이로 인해 볼트가 회전함에 따라 부싱은 그것이 부품과 맞물릴 때까지 공차 틈새를 줄이도록 장착 표면으로부터 나사 풀리거나 후퇴된다(backs-out). 마찰식 피팅을 이용하는 실시예에서는, 일단 부싱이 지지된 후에 볼트가 장착 표면으로 추가의 토크를 전달하는 때에 용이하게 실현되는 최소의 토크 요구치를 제공한다.
일단 부싱(101)과 부품(P)이 부싱의 표면(108)에서 지지되면, 나사부(102)는 전술한 바와 같이 제거되고, 그 후 볼트(200)는 완전하게 토크를 전달한다.
또 다른 변형예에서, 나사부(102)는 보어(103)의 길이를 따라 연장되며, 희생되지 않는다. 나사부(102)는 나사부(104)와 반대 방향(opposite hand)으로 형성되어 있다. 이 실시예에서, 부싱(101)은 먼저 왼나사부(104)를 이용하여 장착 구멍(MH) 내로 나사 결합된다. 그 후, 볼트(200)가 부품(P)의 구멍(PH)을 통하여 보어(103)로 삽입된다. 이 실시예에서, 부품(P)의 구멍에는 나사산이 형성되어 있지 않으며, 볼트(200)는 장착 표면의 구멍과 나사식으로 맞물리지 않는다. 부싱(101)이 볼트(200)의 회전 작용에 의해 장착 표면(M)으로부터 나사 풀림에 따라, 부싱의 표면(108)은 부품(P)과 맞물리게 된다. 그 후, 볼트(200)는 부싱(101) 내로 완전히 나사 체결된다. 왼나사부(104)는 볼트(200)가 적소에서 완전히 토크를 전달하는 중에 장착 구멍(MH)과 맞물린다. 나사 체결 접속의 분야에서 알려진 바와 같이 완전한 접속 강도를 발생시키기 위하여 전체 나사부 중 최소의 수가 구멍(MH)에 맞물리게 하는 것이 유리하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 당업자는 평탄부(105)를 이용하는 공구나 렌치에 의해 또는 손으로 부싱(101)을 회전시켜서, 공차 틈새(T)를 보상하도록 부싱을 부품 내에 설치하거나, 그 부싱을 회전시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 제3의 변형예를 도시하고 있다. 부싱(300)은 그것의 주축을 따라 보어 또는 구멍(303)이 연장되는 실질적으로 원통 형상을 포함한다. 수나사부(304)는 부싱(300)의 외측면을 따라 연장된다. 이 실시예에서, 수나사부(304)는 오른나사이다. 장치의 일단에는 부싱을 손으로 맞물리게 하거나 나사 결합시키기 위한 평탄부 또는 널링 가공된 표면(305)이 마련되어 있다. 볼트(200)는 구멍(303)을 통하여 부싱과 맞물린다. 사용 시에, 부품(P)은 장착 표면(M)에 대하여 실질적으로 최종의 조립된 위치로 위치되어 있다. 그 후, 볼트(200)가 구멍(303)에 삽입된 상태로 부싱(300)은 부싱의 표면(307)이 장착 표면(M)에 맞물릴 때까지 나사부(315)를 이용하여 부품(P)에 나사 결합된다. 부싱(300)은 손으로 또는 희생 나사부(315)나 그 외의 마찰식 인서트에 의해 볼트(200)에 맞물리도록 회전될 수 있으며, 이로써 다른 실시예에 대해 설명한 바와 같이 볼트(200)가 부싱(300)을 회전시킬 수 있게 된다. 일단 부싱의 표면(307)이 장착 표면(M)에 맞물리면, 나사부(315)는 볼트(200)의 추가 회전에 의해 제거되고, 그 후 볼트(200)는 장착 표면(M) 내로 완전히 나사 결합된다. 볼트(200)는 볼트(200)의 헤드가 부싱의 표면(308)과 완전히 맞물리면 완전하게 토크를 전달한다.
도 9는 도 8의 선 9-9를 따른 평면도이다. 공구 등에 맞물리는 평탄부(305)가 도시되어 있다.
명세서에서는 본 발명의 소정 형태를 설명하였지만, 본 명세서에서 설명되는 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 부품의 관계 및 구성에 있어서 수정이 있을 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (16)

  1. 외면에 나사산이 형성되어 있고, 파스너를 수용하기 위한 내부 보어가 마련되어 있으며, 상기 내부 보어가 주축에 평행한 것인 실질적으로 원통형인 몸체와,
    상기 원통형 몸체의 일단에서 주축에 실질적으로 수직으로 연장되는 제1 표면을 포함하는 공차 보상용의 장착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 보어는 그 일부에 표면 특징부(surface feature)를 구비하며,
    상기 표면 특징부의 직경은 상기 내부 보어의 직경보다 작아서, 상기 표면 특징부가 파스너에 맞물리는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파스너는 상기 표면 특징부에 맞물릴 수 있는 나사산이 형성된 파스너를 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나사산이 형성된 파스너는 장착 표면의 구멍과 맞물릴 수 있는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 표면 특징부는 희생 나사부를 포함하여, 나사산이 형성된 파스너 부분과의 간섭 맞물림이 구현되고, 희생 나사부는 나사산이 형성된 파스너 부분의 추가 삽입에 의해 변형되는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 나사산이 형성된 파스너는 파스너의 주축에 수직으로 연장되는 제2 표면을 더 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 원통형 몸체는 그 몸체를 회전시키기 위하여 주축에 평행하게 대칭으로 배치된 맞물림 표면을 더 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 내부 보어의 표면은 파스너와 맞물리는 나사산이 마련된 특징부를 더 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  9. 제8항에 있어서, 수나사부는 상기 내부 보어의 표면 상의 나사부와 반대 방향인 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수나사부는 왼나사를 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  11. 제2항에 있어서, 상기 원통형 몸체는 금속 재료를 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 원통형 몸체는 비금속 재료를 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  13. 제2항에 있어서, 상기 내부 보어의 표면은 파스너에 활주식으로 맞물리는 마찰 표면을 더 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 장치.
  14. 파스너와,
    소정의 부품과 맞물리도록 외면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 파스너를 수용하기 위한 내부 보어가 마련되어 있으며, 상기 내부 보어는 주축에 평행한 것인 실질적으로 원통형인 몸체와,
    상기 원통형 몸체의 일단에서 주축에 실질적으로 수직으로 연장되어 장착 표면과 맞물리는 제1 표면과,
    상기 내부 보어를 포함하되,
    상기 내부 보어는 그 일부에 표면 특징부를 구비하며, 상기 표면 특징부는 마찰면을 포함하고, 상기 표면 특징부의 직경은 파스너에 맞물리도록 내부 보어의 직경보다 작으며, 상기 파스너는 장착 표면의 구멍에 더욱 맞물릴 수 있으며,
    상기 파스너는 파스너 주축에 대해 수직으로 연장되어 소정 부품에 맞물리는 제2 표면을 더 포함하는 것인 공차 보상용의 장착 부싱.
  15. 제14항에 있어서, 상기 파스너의 일부에는 나사산이 형성되어 있는 것인 공차 보상용의 장착 부싱.
  16. 소정의 부품과 맞물리도록 외면에 나사산이 형성되어 있고, 파스너를 수용하기 위한 내부 보어가 마련되어 있는 실질적으로 원통형인 몸체와,
    상기 원통형인 몸체의 일단에서 주축에 실질적으로 수직으로 연장되어 장착 표면에 맞물리는 제1 표면과,
    상기 내부 보어를 포함하되,
    상기 내부 보어는 그 일부에 표면 특징부를 구비하며, 상기 표면 특징부는 파스너에 마찰식으로 맞물리는 것인 공차 보상용의 장착 부싱.
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