KR100945807B1 - 나사 체결구조 및 그 나사 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나사를 복합화시켜 강한 체결력을 얻을 수 있으면서도 체결이 용이한 나사 체결구조 및 그 나사 조립체에 관한 것으로, 대상물을 1차적으로 체결할 수 있게 형성되는 제1나사와, 제1나사의 둘레에 제1나사를 통과하여 체결됨으로써 대상물을 2차적으로 체결하는 적어도 하나의 제2나사를 포함한다. 제2나사는 제1나사의 체결방향에 대해 경사지게 배치된다. 이에 따라, 제2나사의 압축 및 굽힘 응력을 이용하는 것이므로, 단순히 제1나사만을 회전시키는 경우뿐만 아니라 제2나사가 수직으로 서 있는 경우보다 강한 체결력을 얻을 수 있다. 또한 제1나사를 장기간 체결한 상태에서 고착이 되더라도 제1나사를 풀고자 하는 경우에는 제2나사를 사용하여 손 쉽게 제1나사의 고착상태를 하소할 수 있다.
볼트, 나사, 잭볼트

Description

나사 체결구조 및 그 나사 조립체{BOLT FASTENING STRUCTURE AND BOLTING ASSEMBLY THEREOF}
본 발명은 나사를 복합화시켜 강한 체결력을 얻을 수 있으면서도 체결이 용이한 나사 체결구조 및 그 나사 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 나사는 대상물을 체결을 위한 부품으로써, 각종 산업분야에 두루 사용되고 있다. 특히, 고온 또는 고압의 환경이나 시설물에 사용되는 나사는 크기도 커지고, 이를 체결하기 위해서 보다 큰 공구가 필요하게 된다.
전통적인 나사의 형태는 하나의 볼트에 하나의 너트를 체결한 방식으로서 작은 체결력이 요구되는 분야에 사용되었다. 그러나, 나사가 커짐에 따라 그에 맞는 체결공구 또는 장비도 거대하게 되고 정확한 체결도 어려워지게 되는 단점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 규모가 있는 하나의 나사를 사용하기보다 작은 나사를 복합적으로 활용함으로써 강한 체결력을 확보하고 조임 또는 이완이 용이한 나사시스템이 도입되기도 하였다. 그러한 예로서 고온의 볼팅 시스템(High Temperature Bolting System)에 관한 미합중국 특허 6,199,453호, 잭볼트(Jackbolts for multi jackbolt tenstioners)에 관한 미합중국 특허 6,112,396 호, 6381,827호 등이 있다.
그러나, 종래의 기술에 의한 복합적인 나사의 경우 강한 체결력을 얻기 위한 작은 나사들이 주 나사의 체결방향과 동일하게 형성되어 있으므로 나사의 체결력을 극대화시키는 데에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 주 나사가 풀어지는 것을 방지할 수 있도록 강한 마찰력을 확보할 수 있는 나사체결구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 그와 같은 나사체결구조에 의하여도 체결 또는 분리가 용이하도록 하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 대상물을 1차적으로 체결할 수 있게 형성되는 제1나사와, 제1나사의 둘레에 제1나사를 통과하여 체결됨으로써 대상물을 2차적으로 체결하는 적어도 하나의 제2나사를 포함하고, 제2나사는 제1나사의 체결방향에 대해 경사지게 배치되는 나사 체결구조 및 그 체결나사 조립체를 개시한다. 제1나사는 암나사 또는 숫나사의 형태일 수 있으며, 제2나사는 그 경사에 의해 제1나사가 풀어지지 않도록 강한 마찰력을 제공한다.
제1나사에는 제2나사가 통과될 수 있게 나사홀이 형성될 수 있으며, 제2나사는 나사홀의 내경에 비해 70 ~ 98 %의 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 제2나사는 대상물에 접촉하여 탄성적으로 휘어져 체결될 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 즉, 제2나사의 굽힘 탄성변형에 의하여 제1나사의 체결력이 떨어지는 것을 효과적으로 방지한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 제2나사의 대상물에 접촉하는 끝단 부위는 경 사진 형태 또는 라운드 형태로 형성됨으로써 제2나사와 대상물에 대한 마찰면적을 증대시킬 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 제1나사에는 각 제2나사가 통과될 수 있게 나사홀들이 형성되고, 나사홀들은 제2나사의 체결시 제1나사가 조여지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제1나사홀들과 제2나사의 체결시 제1나사가 풀려지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제2나사홀들을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 일방향으로 경사진 나사홀들로만 이루어지는 경우 제1나사가 풀어지거나 조여지는 쪽으로만 작용하게 되어 체결의 안정성이 떨어질 수 있으므로 이를 방지하기 위해 나사홀들은 서로 반대 방향을 갖도록 조합한다. 이 경우, 제1나사홀들의 수는 제2나사홀들의 수보다 많거나 같도록 형성됨으로써 제1나사는 전체적으로 항상 조여지는 방향으로 힘이 작용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 제1나사홀들과 제2나사홀들은 상호 교대하도록 배치될 수 있다. 제2나사를 체결하는 과정에서 제1나사가 풀려지지 않도록 제1나사홀들에 체결되는 제2나사들이 우선 체결된다.
대상물과 제1나사 사이에는 와셔가 더 구비되고, 와셔에는 제2나사의 끝단 부위가 매입되어 접촉할 수 있게 그루브(groove)가 형성될 수 있다. 그루브는 나사의 마찰면을 증대시켜 제1나사의 체결력을 극대화시킨다. 일 예로서, 그루브는 호상(弧狀)의 수직단면 형상을 가질 수 있다.
상기와 같이 본 발명과 관련된 나사체결구조 및 그 체결나사 조립체에 의하면, 경 사지게 배치되는 제2나사의 체결력을 활용하는 것이므로, 제2나사의 압축 및 굽힘 응력을 통하여 단순히 제1나사만을 회전시키는 경우뿐만 아니라 제2나사가 수직으로 서 있는 경우보다 강한 체결력을 얻을 수 있다. 또한 제1나사를 장기간 체결한 상태에서 고착이 되더라도 제1나사를 풀고자 하는 경우에는 제2나사를 사용하여 손 쉽게 제1나사의 고착상태를 하소할 수 있다.
본 발명과 관련된 나사체결구조에 의하면, 제2나사의 탄성력을 이용할 수 있으므로 진동 또는 동하중이 발생하는 환경에서도 풀림이 방지될 수 있으며, 안정적인 체결력을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명과 관련된 나사체결구조 및 그 체결나사를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 나사 체결구조를 보인 사시도로서, 대상물(101)은 볼트(102) 및 본 발명과 관련된 나사 조립체(100)에 의하여 체결되어 있다. 도시된 나사 조립체(100)는 일반적 형상을 하고 있는 볼트(102)에 대하여 너트 역할을 하는 제1나사(110)를 포함하고 있으며, 제1나사(110)는 다시 둘레에 배치되는 제2나사(120)에 의하여 볼트(102)에 강한 텐션을 가한다.
도 2는 본 발명과 관련된 나사 조립체를 보인 부분 단면 사시도이다. 제1나사(110)는 볼트(102)에 체결될 수 있도록 내측에 나사산(111)이 형성되어 있다. 다만, 제1나사(110)에는 공구를 사용하기 위한 형상이 반드시 필요하지 않다는 점에서 전통적인 너트 등과 차이가 있다. 도 2에서는 제1나사(110)의 외주면이 원통형 태로 형성된 예를 보이고 있다.
제2나사(120)는 대상물(101)과 제1나사(110) 사이에 배치될 수 있는 와셔(130)에 접촉할 수 있게 구성되어 있다. 와셔(130)는 제2나사(120)가 대상물(101)에 직접적으로 접촉하여 가압됨으로써 대상물(101)의 표면이 손상되는 것을 방지하고, 재질이 갖는 탄성에 의해 제1나사(110)가 풀리는 것을 방지할 수 있다.
제1나사(110)의 둘레에는 제2나사(120)가 통과하여 체결될 수 있게 나사홀들(112A,112B)이 형성되어 있다. 나사홀들(112A,112B)은 제1나사(110)의 체결방향에 대하여 경사지게 형성된다. 나사홀들(112A,112B)의 경사 방향 또는 경사각은 체결력에 따라 설정될 수 있다. 도 2는 6 개의 나사홀들(112A,112B)이 제1나사(110)의 둘레에 배치된 것을 보인다. 나사홀들(112A,112B)은 제2나사(120)의 체결시 제1나사(110)가 조여지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제1나사홀들(112A)과 제2나사의 체결시 제1나사(110)가 풀려지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제2나사홀들(112B)로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 체결력을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3에서 보는 것과 같이, 제2나사(120)는 수평면에 대하여 일정 각(θ)으로 경사지게 형성되어 있음을 볼 수 있다. 이에 따라, 제2나사(120)의 풀림저항력(fR)은 제2나사(120)의 진행방향으로 가하여지는 압력(N)의 수평분력(Ncosθ; fH)과, 압력(N)의 수직분력(Nsinθ)이 발생시키는 마찰력(μNsinθ; fS)의 합에 의해 도출된다(수학식 1).
Figure 112008022868277-pat00001
따라서, θ가 60°이고, 마찰계수 μ가 0.4라면, fR은 (0.5 + 0.4×0.866)N = 0.86N으로서, 제2나사(120)가 기울여지지 않았을 때 즉, θ가 90°인 경우, fR이 0.4N인 것에 비해 약 2.1배가 된다. 동일한 제2나사(120)의 압력(N)에 대해 제1나사(110)가 똑바로 서있는 경우보다 그만큼 제1나사(110)의 체결저항력이 증대된다. 다만, 마찰력의 확보를 위하여 θ는 45°이상으로 형성되는 것이 바람직하므로, 45°<θ< 90°는 범위를 가질 수 있다.
도 3에 의하면, 제2나사(120)의 대상물에 접촉하는 끝단 부위는 경사진 형태 또는 라운드 형태로 형성됨으로써, 제2나사(120)의 대상물 또는 와셔(130)에 대한 마찰면적을 증대시키고 있을 뿐만 아니라 대상물 또는 와셔(130)의 표면을 보호하고 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 체결구조 및 그 방법을 도시한 평면도이다. 제1나사(110)가 풀리는 방향으로만 제2나사(120)의 경사가 형성되면 제2나사(120)를 조이는 과정에서 제1나사(110)가 풀리는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 일방향으로만 경사진 경우 제1나사가 풀어지거나 조여지는 쪽으로만 작용하게 되어 체결방법의 안정성이 떨어질 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 나사홀들(112A,112B)은 서로 반대 방향을 갖도록 조합한다. 도 4a 및 도 4b에 의하면, 제2나사(120)의 체결시 제1나사(110)가 조여지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제1나사홀들(112A)과 제2나사(120)의 체결시 제1나사(110)가 풀려지는 방향으로 힘을 가하도록 경사지게 형성되는 제2나사홀들(112B)이 도시되어 있다.
제1나사홀들(112A)의 수는 제2나사홀들(112B)의 수보다 많거나 같도록 형성됨으로써 제1나사(110)는 전체적으로 항상 조여지는 방향으로 힘이 작용할 수 있도록 할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서는 3개의 제1나사홀들(112A)과 3개의 제2나사홀들(112B)로 이루어진 것을 예시하고 있다. 제1나사홀들(112A)과 제2나사홀들(112B)은 상호 교대하도록 배치됨으로써, 힘의 편중을 방지하고 구조적 안정성을 도모할 수 있다.
본 발명과 관련된 나사체결방법을 설명하면, 우선, 제1나사(110)를 대상물에 1차적으로 체결한다. 다음으로, 제2나사(120)들 중 제1나사홀(112A)들에 있는 나사를 우선적으로 체결하여 제2나사(120)를 체결하는 과정에서 제1나사(110)가 강하게 조여져 풀리지 않도록 한다(도 4a).
제1나사홀들(112A)을 통하여 제2나사(120)들을 최대한 결합시킨 후, 제2나사홀들(112B)을 통하여 제2나사(120)를 체결하되 제1나사(110)가 풀리지 않도록 체결력을 가한다(도 4b).
이와 같이, 제2나사(120)가 모두 체결되면 제2나사(120)에는 압축응력 및 전단응력이 걸리게 되고, 그 합력은 제1나사(110)로 하여금 볼트(102)를 강하게 인장시키는 방향으로 작용하게 된다. 그 결과, 제1나사(110)의 체결력이 증대되어 풀리는 것이 방지된다.
또한 나사를 풀고자 하는 경우에는 우선 제1나사홀들(112A)을 통하여 결합된 제2나사(120)를 푼 후, 제2나사홀들(112B)을 통하여 결합된 제2나사(120)를 조금 더 조여줌으로써 제1나사(110)를 풀 수 있다. 이는 제2나사홀들(112B)에 결합된 제2나사(120)의 조임이 제1나사(110)를 푸는 쪽으로 힘을 가한다는 점을 응용한 것으로서, 장기간의 결합상태에서 오는 제1나사(110)의 고착상태를 손쉽게 해결할 수 있다. 제1나사(110)가 어느 정도 풀린 상태에서 제2나사홀들(112B)에 있는 제2나사(120)를 풀어주면 강하게 결합되어 있던 제1나사(110)의 풀림이 용이하게 된다.
도 5는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 다른 예를 보인 사시도이다. 도 5에 의하면, 제1나사(210)는 숫나사의 형태를 띄고 있다. 제1나사(210)가 너트(202)에 1차적으로 체결되면 제2나사(220)가 앞서 설명한 방법에 의하여 체결됨으로써 강한 체결력을 얻을 수 있다. 이때의 너트(202)는 대상물(201)에 형성된 것으로서, 너트(202)가 돌아가서 풀리는 일이 없는 경우에 사용하는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 다른 예를 보인 단면도이다. 도 6a에 의하면, 제2나사(320)의 외경(D1)은 나사홀(312)의 내경(D2)에 비해 충분히 작게 형성되어 있어 제2나사(320)를 체결하는 과정에서 제2나사(320)가 받는 마찰저항을 최소화시켰다. 이에 따라, 제2나사(320)가 와셔(330)에 접촉되어 압력을 받기 전에는 체결과 분리가 용이한 반면, 제2나사(320)가 와셔(330)에 접촉되어 압력을 받은 후에는 그 방향으로 휨이 발생하여 제2나사(120)의 체결력 및 제1나사(310)의 체결력을 증가시킨다. 제2나사(320)의 외경(D1)은 나사홀(312)의 내경에 접촉하여 체결될 수 있는 사이즈를 갖도록 구성될 수 있으며, 나사홀(312)의 내경(D2)의 70 ~ 98 %로 하는 것이 바람직하다.
제2나사(120)가 와셔(130)에 접촉되면, 도 6b와 같이, 제2나사(320)의 머리쪽은 오른쪽으로 밀착되어 조여지는 반면, 뿌리쪽은 휘어지며 나사홀(312)의 왼쪽에 밀착되어 조여진다. 그 결과, 제2나사(320)는 제1나사(310)에 더욱 강하게 체결되어 풀림이 자동적으로 방지된다. 또한, 제2나사(320)의 굽힘에 의한 탄성복원력은 제1나사(310)의 체결력을 배가시킨다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명과 관련된 또 다른 예의 체결구조의 단면도이다. 이들 도면에 도시된 것과 같이, 나사홀(412)의 대상물 쪽 개구는 반대쪽 개구에 비해 넓게 형성되고 있다. 따라서, 제2나사(420)가 와셔(430)에 접촉하기 전에는 제2나사(420)가 받는 마찰력이 적기 때문에 그만큼 용이하게 체결이 가능하다. 제2나사(420)는 대상물에 접촉하여 탄성적으로 휘어져 체결될 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
나사홀(412)에 진입된 제2나사(420)는 와셔(430)에 접촉되면서 휨력을 받게 된다. 즉, 도 6b에 도시된 것과 같이, 나사홀(412)은 경사지게 되어 있으므로 제2나사(420)의 끝단에 작용하는 반작용력은 제2나사(420)를 시계방향으로 회전시키려는 토크로 작용한다. 그리고, 제2나사(420)의 머리쪽은 밀착되어 조여져 있는 반면, 제2나사(420)의 뿌리쪽은 안으로 구부러지게 된다. 그 결과, 제2나사(420)의 머리쪽이 제1나사(410)에 더욱 강하게 체결되어 풀림이 자동적으로 방지된다.
도 8은 본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 나사 체결구조의 사시도이다. 도 8과 같이, 대상면 또는 와셔(530)의 표면은 일정한 형상을 갖추고 있다. 즉, 와셔(530)에는 제2나사(520)의 끝단 부위가 매입되어 접촉할 수 있게 그루브(groove; 531)가 형성되어 있다. 따라서, 그루브(531)는 제2나사(520)의 마찰면을 증대시켜 제1나사(510)의 체결력을 극대화시킨다. 도 8에 의하면, 그루브(531)는 호상(弧狀)의 수직단면 형상을 가진 예를 보이고 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 나사 체결구조를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 개시된 실시의 적어도 하나 이상이 조합될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 나사 체결구조를 보인 사시도
도 2는 본 발명과 관련된 나사 조립체를 보인 부분 단면 사시도
도 3은 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 체결력을 설명하기 위한 개념도
도 4a 및 도 4b는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 체결구조 및 그 방법을 도시한 평면도
도 5는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 다른 예를 보인 사시도
도 6a 및 도 6b는 본 발명과 관련된 나사 체결구조의 다른 예를 보인 단면도
도 7a 및 도 7b는 본 발명과 관련된 또 다른 예의 체결구조의 단면도
도 8은 본 발명과 관련된 다른 일 예로서, 나사 체결구조의 사시도

Claims (8)

  1. 대상물을 1차적으로 체결할 수 있게 형성되는 제1나사; 및
    상기 제1나사의 둘레에 상기 제1나사를 통과하여 체결됨으로써 상기 대상물을 2차적으로 체결하는 적어도 하나의 제2나사를 포함하고,
    상기 제2나사는 상기 제1나사의 체결방향에 대해 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1나사에는 상기 제2나사가 통과될 수 있게 나사홀이 형성되고, 상기 제2나사는 상기 나사홀의 내경에 비해 70 ~ 98 %의 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2나사는 상기 대상물에 접촉하여 탄성적으로 휘어져 체결될 수 있는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1나사에는 상기 각 제2나사가 통과될 수 있게 나사홀들이 형성되고, 상기 나사홀들은,
    상기 제2나사의 체결시 상기 제1나사가 조여지는 방향으로 힘을 가하도록 경 사가 형성된 제1나사홀들; 및
    상기 제2나사의 체결시 상기 제1나사가 풀려지는 방향으로 힘을 가하도록 경사가 형성된 제2나사홀들을 포함하여 구성되는 나사 체결구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1나사홀들의 수는 상기 제2나사홀들의 수보다 많거나 같도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1나사홀들과 제2나사홀들은 상호 교대하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대상물과 상기 제1나사 사이에는 와셔가 더 구비되고, 상기 와셔에는 상기 제2나사의 끝단 부위가 매입되어 접촉할 수 있게 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 나사 체결구조.
  8. 대상물을 1차적으로 체결할 수 있게 형성되는 제1나사; 및
    상기 제1나사의 둘레에 상기 제1나사를 통과하여 체결됨으로써 상기 대상물을 2차적으로 가압하는 복수의 제2나사를 포함하고,
    상기 제2나사는 상기 제1나사의 체결방향에 대해 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 체결나사 조립체.
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