KR100991015B1

KR100991015B1 - 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소

Info

Publication number: KR100991015B1
Application number: KR1020100037585A
Authority: KR
Inventors: 우상하
Original assignee: 주식회사 아세아볼트
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2010-10-29
Also published as: TWI425152B; CN102261365A; WO2011132859A2; WO2011132859A3; TW201144624A

Abstract

본 발명은 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사에 관한 것으로, 특히, 나사산의 중심을 기준으로, 나사산의 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크(flank)면의 각도가, 나사산의 후퇴 방향 빗면을 이루는 후측플랭크면의 각도에 비해 작게 형성되고, 후측플랭크면은 경사 구간 내에서 수평 방향으로 단층 형성된 평탄부를 구비하여, 나사와, 나사에 대응하여 상호 체결되는 암나사 사이에서의 접촉 면적을 확장하는 형상으로 이루어져, 외부 충격으로 인한 상, 하, 좌, 우 방향의 진동을 억제하여 나사 체결 후의 자체 풀림 현상을 방지함은 물론, 반복 사용으로 인한 풀림 토크(torque) 저하 문제를 효과적으로 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소{SCREW HAVING STRUCTURE OF IMPROVED IMPACT STRENGTH, VIBRATION RESISTANT, CLAMPING FORCE AND THE SCREW TYPE MACHINE COMPONENT HAVING THE SAME}

본 발명은 나사 및 나사식 기계요소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체결 시, 외부 충격에 강하고, 상, 하, 좌, 우 방향의 진동에 대해서도 체결 후 풀림 방지 효과가 탁월하며, 반복 사용에 따른 풀림 토크(torque)값의 저하를 억제할 수 있는 구조로 갖는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소에 관한 기술이다.

기계식 나사(machine screw, 기계)는 환봉의 외주면을 따라서 나선 모양의 홈을 전조(rolling)한 것으로서, 기계 부품 간의 체결 및 고정에 활용됨은 물론, 그 외의 동력 전달에도 널리 이용되는 기계요소이다.

그 종류로서, 먼저, 나사의 배치 형태에 따라, 볼트와 같이 원통 외주면에 형성된 나사인 수나사와, 너트와 같이 속이 빈 원통 내주면에 형성된 나사인 암나사로 대별될 수 있으며, 통상적으로는 상기 수나사를 나사라는 명칭으로 지칭한다.

그리고 나사는 나사산의 모양에 따라, 삼각나사, 사각나사, 사다리꼴나사, 톱날나사 및 둥근나사 등으로 나누어질 수 있는데, 이 중 나사산이 삼각형인 삼각나사가 가장 일반적인 결합용 나사의 한 형태로서 널리 이용되고 있다.

삼각나사의 경우, 미터 계(系) 및 인치 계로 나누어지는데, 이러한 구분에 따라 나사산의 모양은 조금씩 차이가 있을 수 있으며, 통상적인 미터 계 나사각은 60도이다.

통상적으로 가장 흔하게 이용되는 삼각나사인 기계식 나사는 암나사에 체결 후 인장력을 받을 때, 나사산의 한쪽 면만이 상호 대향된 암나사의 대응면에 접촉 되는 형상으로 이루어진다.

이러한 종래의 기계식 나사와 이에 대응하는 상호 체결되는 암나사 사이에는 상기와 같은 접촉 형상에 따라, 체결력 강화를 위하여 상호 마찰 면적을 더 확장하기에는 다소 불리한 구조로 이루어질 수밖에 없었으며, 아울러, 상호 체결력을 향상시키기에는 다소 어려움이 따랐다.

아울러, 종래의 기계식 나사와 이에 대응하여 상호 체결되는 암나사 사이에는 체결 시의 축력 및 체결 후의 압축력 발생에 의해 서로 다른 한쪽의 플랭크(flank)에서만 접촉면이 형성되므로, 외부 충격(예를 들면, 낙하 시 충격)으로 인해 상하 방향은 물론 좌우 방향으로 진동 발생 시, 체결력이 급격히 저하되는 문제점이 따랐다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 기계식 나사와 암나사 사이에 상호 접촉 면적을 확장하여 체결력을 향상시킬 수 있는 구조로 된 나사 및 나사식 기계요소를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다.

또한, 본 발명은 외부 충격에 강하고, 상, 하, 좌, 우 방향의 진동에 대해서도 체결 후 풀림 방지 효과가 탁월하며, 반복 사용에 따른 풀림 토크(torque)값의 저하를 억제할 수 있는 구조로 된 나사 및 나사식 기계요소를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 사상에 따르면, 나사산의 중심을 기준으로, 상기 나사산의 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크(flank)면의 각도가, 상기 나사산의 후퇴 방향 빗면을 이루는 후측플랭크면의 각도에 비해 작게 형성되고, 상기 후측플랭크면은 경사 구간 내에서 수평 방향으로 단층 형성된 평탄부를 구비하여, 나사와, 상기 나사에 대응하여 상호 체결되는 암나사 사이에서의 접촉 면적을 확장하는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사를 제공한다.

이때, 상기 나사산 사이의 골은 일정폭으로 편평하게 확장 형성되는 평면부를 더 구비하는 것이 좋다. 이로써, 나사의 파단 강도가 향상될 수 있다.

그리고 상기 평면부의 길이는 피치 길이에 비해 0.24~0.28배로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전측플랭크면의 각도와, 상기 평탄면을 기준으로 상단 후측플랭크면의 각도의 합인 나사각은 40±2.5°일 수 있다.

이때, 전측플랭크면의 각도는 10±1°이고, 상단 후측플랭크면의 각도는 30±1.5°이며, 상기 평탄면을 기준으로 하단 후측플랭크면의 각도는 10±1°일 수 있다.

그리고 상기 평탄부는 상기 나사산의 높이에 대응하여 0.45~0.50배 높이의 위치상에 형성될 수 있으며, 상기 평탄부의 외주 직경은 상기 암나사의 안지름과 동일하거나 작게 형성될 수 있다.

또한, 상기 평탄부의 길이는 상기 나사의 피치 길이에 비해 0.20~0.25배로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 또 하나의 사상에 따르면, 환봉의 외주면을 따라 일정한 나사산이 형성되되, 나사산의 중심을 기준으로 상기 나사산의 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크(flank)면의 각도가, 상기 나사산의 후퇴 방향 빗면을 이루는 후측플랭크면의 각도에 비해 작게 형성되고, 상기 후측플랭크면은 경사 구간 내에서 수평 방향으로 단층 형성된 평탄부를 구비하는 나사가 환봉의 외주면을 따라 일정한 궤적으로 형성되는 나사식 기계요소를 제공한다.

여기서, 나사식 기계요소란, 전술한 나사가 몸체부에 형성된 기계요소(機械要素, mechanical elements)를 말하며, 대부분의 기계를 구성하는 단위 부품으로서, 체결용 볼트, 연결용 스크류, 동력전달용 샤프트, 지지용 축 등을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

본 발명의 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소에 따르면, 기계식 나사와 이에 대응하여 상호 체결되는 암나사 사이의 상호 접촉 면적을 확장하여 종래에 비해 더 증강된 나사 체결력을 발휘할 수 있는 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소에 따르면, 외부 충격 시, 상, 하, 좌, 우 방향의 자체 진동을 억제하여, 나사 체결 후의 풀림 방지 효과가 뛰어나며, 아울러 반복 사용에 따른 풀림 토크(torque) 값의 저하를 억제할 수 있는 구조로 이루어져, 제품의 내구성이 향상됨은 물론, 제품의 수명이 기존에 비해 길어지는 유리한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 기계식 나사의 단면을 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 일반적인 기계식 나사가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입하는 모습을 구조적으로 도시한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 일반적인 기계식 나사가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입 후 체결이 완료된 모습을 구조적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예를 단면으로 도시한 도면,
도 5는 도 4에 도시된 A영역을 확대하여 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입하는 모습을 구조적으로 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입 후 체결이 완료된 모습을 구조적으로 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예에 치수 및 각도를 부여하여 실제 제작 형상을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일반적인 기계식 나사(mechanical screw)의 단면을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 도시된 일반적인 기계식 나사(1)는 환봉의 외주면을 따라 일정한 나사산(10)이 나선의 궤적을 따라 형성되는 몸체부(3)와, 상기 몸체부(3)의 상단에 형성되는 머리부(5)를 갖는 기계요소로 흔히 이용되는 것이다.

도 1을 통해 확인할 수 있듯이, 일반적인 기계식 나사(1)는 나사(1)의 안지름(a) 및 바깥지름(b) 사이에서, 길이방향 전 구간을 따라 동일한 높이(f)와, 피치(g) 길이를 갖는 나사산(10)을 구비한다.

아울러, 이러한 기계식 나사(1)는 나사산(10)의 중심을 기준으로 골(16)까지 소정의 각도로 빗면을 이루는 경사면을 가지는데, 이러한 경사면을 플랭크(flank)면(12, 14)이라 한다.

상기 플랭크면(12, 14)은 설명상의 편의를 위하여, 나사산(10)의 산봉우리(crest)를 기준으로 나사(1)의 진입방향으로 배치된 전측플랭크면(14)과 나사(1)의 후퇴방향으로 배치된 후측플랭크면(12)으로 나누어 살펴볼 수 있다.

일반적인 기계식 나사(1)의 경우, 상기 전측플랭크면(14)과 후측플랭크면(12)이 나사산(10)의 산봉우리(crest)로부터 이루는 경사진 각(이하 '플랭크면의 각도'라 한다)이 서로 동일하게 형성된다. 일반적인 기계식 나사(1)의 플랭크면(12, 14)의 각도(d, e)는 각각 대략 30°정도에서 정해지며, 이들의 합인 나사각은 대략 60° 정도에서 정해진다.

전측플랭크면(14)과 후측플랭크면(12)로 구분하여 설명하는 이유는 그 형상 및 경사 기울기는 서로 동일하나, 각각이 형성되는 위치가 다르기에 서로 다른 작용 효과를 발휘하기 때문이다. 이러한 전측플랭크면(14)과 후측플랭크면(12)의 각각의 작용 효과는 이어지는 도 2 및 도 3의 설명을 통해 상세히 확인할 수 있다.

도 2는 일반적인 기계식 나사가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입하는 모습을 구조적으로 도시한 도면이며, 도 3은 일반적인 기계식 나사가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입한 후 상호 체결이 완료된 모습을 구조적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 기계식 나사가, 상기 나사와 상호 체결되는 암나사에 진입하는 모습을 확인할 수 있다.

나사의 회전에 의해 나사가 체결되는 방향으로 축력(도 2에서 화살표로 표시)을 받으면서, 나사의 나사산(10)은 암나사의 나사산(20)을 가압하며 일정한 리드(lead) 폭으로 진입하여 체결된다.

이때, 나사의 나사산(10)은 암나사의 나사산(20)과 일정 영역에서만 접촉하는데, 그 접촉 영역이 나사산(10)의 전측플랭크면(14)과 암나사의 바깥쪽 플랭크면(24)이 된다.

그리고 도 3을 참조하면, 기계식 나사가 상기 나사와 상호 체결되는 암나사에 진입한 이후 상호 간의 체결이 완료된 모습을 확인할 수 있다.

앞서 도 2에서 설명한 바와 달리, 이 경우의 나사는 진입이 완료되고 나사에는 강한 조임이 가해진다. 그리고 더 이상 나사의 체결 시와 동일한 축력은 가해지지 않으며, 앞서의 경우와 반대로, 암나사로부터 체결 반발이 이루어질 수 있으며, 축력의 반대 방향으로 나사가 밀리는 압축력(도 3에서 화살표로 표시)을 받게 된다.

이러한 경우에도, 나사의 나사산(10)은 암나사의 나사산(20)과 일정 영역에서만 접촉하게 되는데, 그 접촉 영역이 나사산(10)의 후측플랭크면(12)과 암나사의 안쪽 플랭크면(22)이 된다.

도 2 및 도 3을 통해 살펴본 바와 같이, 일반적이 기계식 나사는 체결 시 나사 및 암나사 사이에서 상호 접촉되는 영역이 서로 달리 적용되며, 그 접촉 면적이 협소하여 안정한 체결을 유지하기에 다소 어려움이 따른다.

특히, 이러한 일반적인 기계식 나사는 외부 충격을 받을 경우, 상, 하, 좌, 우의 진동이 유발되어, 안정적인 체결 상태를 지속적으로 유지하기에는 적합하지 못한 구조로 되어 있다.

본 발명에서는 이러한 구조를 변경하여, 외부 충격이 가해지는 경우에도 진동을 억제하여, 더욱 강화된 체결력을 확보할 수 있는 나사 및 이러한 나사를 구비한 나사식 기계요소를 제공한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예를 단면적으로 도시한 도면으로서, 이러한 도면은 본 발명은 구조 관계를 개념적으로 명확히 이해시키기 위해서 그 특징되는 부분만을 명확히 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 도시된 나사(100)는 나사(100)의 안지름(a) 및 바깥지름(b)을 가지며, 이러한 안지름(a) 및 바깥지름(b)의 사이에서 일정 단차를 이룬 중간지름(c)을 더 가지는 형상으로 되어 있다.

이때, 중간지름(c)이란 도 5에서 평탄부를 설명할 때, 더욱 상세히 설명하기로 하고, 여기서는 이러한 중간지름(c)을 통해 이루어진 하나의 단차 면이 나사와, 암나사 간의 접촉 면적을 확장하는 기능을 발휘한다는 정도만으로 이에 대한 설명을 줄이기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 나사(100)는 환봉의 외주면을 따라 특유의 형상으로 이루어진 나사산(110)이 구비되며, 상기 나사산(110)은 나선의 궤적을 따라 형성된다. 그리고 머리부(150)를 더 구비하여 나사식 기계요소로도 이용될 수 있다.

여기서, 나사식 기계요소(機械要素, mechanical elements)란, 대부분의 기계를 구성하는 단위 부품을 말하는 것으로, 본 구성에 따른 나사가 구비된 체결용 볼트, 연결용 스크류, 동력전달용 샤프트, 지지용 축 을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 이러한 나사식 기계요소가 본 발명의 범주에 포함됨은 자명하다.

본 발명에 따른 나사의 나사산(110) 구조를 세분하여 명확하게 이해할 수 있도록, 도 4에서 나사산(110)을 포함하는 A영역을 도 5를 통해 확대하여 살펴보기로 한다.

도 5는 도 4에 도시된 A영역을 확대하여 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 각각의 나사산(110)은 길이방향 전 구간을 따라 동일한 높이(f)와 피치(g) 길이를 가지도록 규칙적으로 배치된다.

상기 나사산(110)의 주심을 기준으로 전측플랭크면(114)의 각도(e)는 후측플랭크면(112a, 112b)의 각도(d1)에 비해 작게 형성된다.

앞서 도 1 내지 도 3을 통해 확인하였듯이, 이는 전측플랭크면(114)과 후측플랭크면(112a, 112b)의 서로 다른 작용 효과에 따라 체결 시 편의성 확보와 동시에 체결 후의 체결강화를 고려하여 그 구조를 변경한 것이다. 및 체결 후 체결강화를 고려하여 구조 변경한 것이다.

전측플랭크면(114)의 각도(e) 및 후측플랭크면(112a, 112b)의 각도(d) 차이에 따른 기능 차이를 조금 더 상세히 살펴보기로 한다.

전측플랭크면(114)은 나사가 암나사를 통해 진입하여 체결될 때, 암나사와 마찰된다. 이러한 마찰은 체결 중인 나사의 회전에 저항력으로 작용된다.

따라서 본 발명에서는 전측플랭크면(114)의 각도(e)를 기존에 비해 작게 형성함으로써, 나사의 체결 시 저항을 감소하여 체결 편의성을 향상시킨 것이다.

바람직한 실시예에 따르면, 이러한 전측플랭크면(114)의 각도(e)는 10±1°가 될 수 있으며, 만일 이보다 작은 각도를 가질 경우, 나사산(110)의 강도 저하를 초래하여 극단적인 경우 나사산(110)의 파단으로 이어질 수 있다.

따라서 상기 전측플랭크면(114)의 각도(e)는 자체 구조 강도를 확보하는 수준에서, 나사의 체결 시 암나사와의 마찰을 최소화 할 수 있는 범위인 10±1°에서 정해지는 것이 좋다.

후측플랭크면(112a, 112b)은 나사가 암나사를 통해 진입하여 체결이 완료된 후, 암나사와 접촉되는 부분이다.

본 실시예에 따른 후측플랭크면(112a, 112b)의 형상은 상단에서 하단까지 연결되는 경사 구간 내에 수평 방향으로 단층을 이루어 또 하나의 암나사와의 접촉면으로 작용하는 평탄부(113)를 구비하는 형태로 되어 있다.

이러한 평탄부(113)에 의해 상단의 후측플랭크면(112a)과 하단의 후측플랭크면(112b)으로 구분될 수 있으며, 상단의 후측플랭크면(112a)의 각도(d1)는 하단의 플랭크면(112b)의 각도(d2)와 다르게 형성될 수 있는데(즉, d1>d2 임), 상단의 후측플랭크면(112a)의 각도(d1)는 30±1.5°로서 기존의 삼각나사의 기준에 부합된다(미터 계의 삼각나사의 1/2나사각 표준규격은 30°임).

이와 달리, 평탄부(113) 아래에 형성된 하단의 플랭크면(112b)의 각도(d2)는 10±1°가 될 수 있다.

따라서 기 출시된 대부분의 기계요소에 그대로 이용 가능하며, 제품 호환성이 뛰어나다.

아울러, 이러한 나사 형상을 이루어 제작되는 나사식 기계요소는 전측플랭크면(114)과 상단의 후측플랭크면(112a)의 각도의 합인 나사각이 40±2.5°에서 정해질 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 나사의 체결 완료 후 암나사와 접촉되는 부분으로서, 상단의 후측플랭크면(112a) 이외에 평탄부(113)가 있다.

평탄부(113)는 그 외주연을 따라 형성된 둘레면을 통해, 나사의 안지름(도 4에서 도면부호 a)과 나사의 바깥지름(도 4에서 도면부호 b) 사이에서 중간지름(도 4의 도면부호 c)을 형성하는 부분이다.

이러한 평탄부(113)는 암나사의 나사산 산봉우리(crest) 형상과 대응하여 상호 접촉 가능한 형태의 형상을 가진다.

그리고 평탄부(113)는 나사산(110)의 높이에 대응하여, 골에서부터 0.45~0.50배가 되는 높이 상에 위치하며, 그 길이는 나사의 피치(g) 길이에 비해 0.20~0.25배인 것이 좋다.

이러한 평탄부(113)는 암나사를 통해 나사를 체결한 이후, 나사의 견고한 결합을 위하여 외력에 의해 클램프 하중(clamp load)이 가해질 때, 암나사의 나사산 산봉우리(crest)에 더 밀착하여 구속됨으로써, 체결된 나사의 좌, 우 유격을 억제함과 동시에, 상호간의 주면 마찰력(skin friction)을 발생시켜 체결력을 강화한다.

이로 인하여, 체결된 나사는 외부 충격으로 인하여 유발되는 상, 하 진동은 물론, 좌, 우 흔들림까지 억제되어, 시간이 지남에 따라 체결력이 약화되는 현상을 방지할 수 있으며, 최초 체결 시 나사에 부여된 긴장력을 가능한 한 오래 지속할 수 있게 된다.

그리고 나사산(110) 사이의 골(116)에는 나사의 안지름(도 4의 도면부호 a)을 따라 일정폭으로 편평하게 확장 형성되는 평면부(117)가 구비된다.

기존의 일반적인 나사는 골 부위가 노치(notch) 형상으로 이루어져 있었으며, 이러한 골 부위에서는 응력 집중이 유발되기 쉬워, 나사의 파단강도가 약화되는 결과를 초래하였다.

따라서 본 발명에서는 상기 나사산(110) 사이의 골(116)에 나사의 안지름과 동일한 선상에서 형성되는 편평한 면 즉, 평면부(117)를 형성하여 나사의 파단강도를 강화시킨 것이다.

평면부(117)는 나사의 피치(g) 길이에 대응하여, 이에 비례하는 길이 범위를 가질 수 있는데, 바람직한 실시예로서, 피치(g) 길이에 비해 0.24~0.28배로 이루어지는 것이 좋다.

만일, 평면부(117)의 길이가 피치(g) 길이의 0.24배보다 작을 경우, 평면부(117)에 의한 파단 강도 향상의 효과가 미미할 수 있으며, 이와 반대로, 평면부(117)의 길이가 피치(g) 길이의 0.28배보다 클 경우에는, 체결을 위한 나사산(110)의 개수 및 폭이 줄어들어 나사의 체결력을 저하시킬 수 있다.

이러한 이유에 따라, 평면부(117)는 피치(g) 길이의 0.24~0.28배로 이루어지는 것이 체결력 확보는 물론, 파단 강도 향상에 도움이 된다.

도 6은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입하는 모습을 구조적으로 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 암나사를 통해 나사가 회전 진입하여 상호 체결되는 형상을 확인할 수 있다.

도시된 바와 같이, 나사의 회전에 의해 나사가 체결되는 방향으로 발휘된 축력(도 6에서 화살표로 표시)에 의해 나사의 나사산(110)이 일정한 리드(lead) 폭으로 암나사의 나사산(210)쪽으로 회전 진입함으로써 상호 체결된다.

이때, 나사에 구비된 나사산(110)과, 암나사에 구비된 나사산(210)은 상호 치합(齒合)되어, 국부적인 영역에서 서로 접촉되어 마찰이 유발된다.

즉, 나사의 나사산(110) 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크면(114)의 소정 영역은 암나사의 나사산(210) 바깥쪽 플랭크면(214)을 접촉 가압하여, 나사의 체결에 방해가 되는 저항력을 일으키는 것이다.

따라서 본 발명에서는 전측플랭크면(114)의 각도를 기존의 경우(30°)와 다르게 10±1°로 설계 변경하여, 암나사의 나사산(210) 바깥쪽 플랭크면(214)에 접촉하는 나사산의 부위를 줄임으로써, 나사 체결 시의 편의성을 향상시킨 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예가 이와 상호 체결되는 암나사에 진입 후 체결이 완료된 모습을 구조적으로 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 암나사를 통해 나사의 체결이 완료된 모습을 확인할 수 있다.

도시된 바와 같이, 나사는 더 이상 회전 체결되지 않을 정도로 조임이 가해지며, 암나사에 견고하게 체결된다. 이때, 나사에는 더 이상 체결 시와 동등한 축력이 가해지지 않으며, 이와 반대로, 암나사의 나사산(210)이 이미 긴장 체결된 나사의 나사산(110)을 밀어내는 체결 반발, 즉 압축력(도 7에서 화살표로 표시)이 작용될 수 있다. 즉, 도 6의 축력과 반대 방향의 힘이 가해질 수 있는 것이다.

이러한 경우에도 나사의 나사산(110)은 암나사의 나사산(20)과 일정 영역에서 접촉 대응하게 되는데, 도시된 바와 같이, 나사의 나사산(110) 상단 후측플랭크면(112a) 및 평탄부(113)와, 암나사의 나사산(210) 안쪽 플랭크면(212) 및 산봉우리(crest)가 상호 접촉하여 밀착하게 되는 것이다.

나사의 나사산(110) 상단 후측플랭크면(112a)은 암나사의 나사산(210) 안쪽 플랭크면(212)과 경사 접촉되어 마찰력을 극대화시키며, 이로써 나사의 체결력을 향상시킨다.

이와 동시에, 나사의 나사산(110) 평탄부(113)는 암나사의 나사산(210) 산봉우리(crest)에 밀착하여 구속됨으로써, 체결된 나사의 좌, 우 유격을 억제시키며, 상호간의 주면 마찰력(skin friction)을 유발하여 나사의 체결력을 향상시킨다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나사는 외부 충격으로 인한 상, 하 진동은 물론, 좌, 우 흔들림까지 억제함으로써, 진동 또는 흔들림으로 인한 체결력 약화의 문제를 해결하며, 최초 체결 시 나사에 부여된 긴장력(예: clamp load)을 가능한 한 오래 지속할 수 있게 해준다.

도 8은 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사의 일실시예에 치수 및 각도를 부여하여 실제 제작 형상을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 제작된 나사는 피치 길이가 0.3mm이며, 평탄부의 길이는 0.08mm이며, 나사산의 높이는 0.17mm이고, 평탄부의 형성 위치는 나사산의 산봉우리로부터 0.1mm 만큼 하측으로 형성되며(즉, 나사산의 골로부터 0.09mm만큼 상측으로 형성됨), 나사각은 40°이고, 전측플랭크면의 각도는 10°이며, 상단 후측플랭크면의 각도는 30°이다. 그리고 평탄부의 길이는 0.07mm이다.

이러한 치수 및 각도는 전술된 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 나사의 각 부위의 치수 및 각도 범위에 부합되게 적용하여 설계한 치수일 뿐, 다양한 실시예를 통해 변경 가능한 것으로, 본 발명은 이러한 치수 및 각도 조건에 반드시 제한될 필요는 없다.

표 1은 도 8에 도시된 실시예에 따라 제작된 나사와, 기존의 일반적인 나사(이하, 이를 '비교예'라 함) 간의 외부 충격으로 인한 풀림 토크(torque) 값의 정도 차를 비교하여 작성한 시험 결과표이다.

[표 1]

표 1에서의 체결 깊이는 나사의 길이에서 나사가 관통하여 체결된 철판의 두께를 뺀 치수이다. 표 1은 본 실시예와 비교예를 통해, 낙하 테스트라는 인위적인 외부 충격을 가해주는 시험을 통해 1회~4회까지의 네 번의 시험을 개별적으로 진행하여, 각각의 풀림 토크 값을 측정하고, 이들의 평균값에 해당하는 풀림 토크 값을 도출해 낸 것이다.

표 1에 개시된 시험 결과에 따르면, 본 실시예의 평균적인 풀림 토크 값은 비교예와 비교하여 약 112%정도 대폭 증가된 것을 확인할 수 있다.

따라서 본 실시예는 기존의 나사 구조가 적용된 비교예에 비하여, 매우 높은 체결력을 확보하고 있음을 알 수 있으며, 아울러 낙하와 같은 외부 충격으로 인한 상, 하, 좌, 우의 진동 및 흔들림에 따라 체결력이 약화되는 현상을 효과적으로 방지하고 있음을 알 수 있다.

표 2는 도 8에 도시된 실시예와 비교예를 5회에 걸쳐 체결과 풀림을 반복 적용하여 재사용성에 따른 풀림 토크 값의 정도 차를 비교하여 작성한 시험 결과표이다.

[표 2]

표 2에서의 체결 깊이는 나사의 길이에서 나사가 관통하여 체결된 철판의 두께를 뺀 치수이다.

표 2는 본 실시예와 비교예를 통해, 5회에 걸쳐 체결과 풀림을 반복 적용하여, 나사의 재사용에 따른 풀림 토크 값이 약화되는 정도를 측정함하고, 이들의 평균값에 해당하는 풀림 토크 값을 도출해 낸 것이다.

표 2에 개시된 시험 결과에 따르면, 본 실시예의 재사용에 따른 평균적인 풀림 토크 값은 비교예와 비교하여 약 8%정도가 향상된 것을 확인할 수 있다.

체결과 풀림을 반복적으로 실시하여 도출해낸 본 시험 결과는 나사를 구비한 제품의 내구수명 증가와 직결되는 문제로서, 본 실시예는 기존의 비교예에 비해 더욱 길어진 내구수명을 가지는 것으로 판단할 수 있다.

표 3은 도 8에 도시된 실시예와 비교예를 5회에 걸쳐 체결과 풀림을 반복 적용하여 재사용성에 따른 풀림 토크 값의 정도 차를 비교하여 작성한 시험 결과표이다.

[표 3]

표 3은 본 실시예와 비교예를 통해, 5회에 걸쳐 파단 강도를 측정하고서, 측정된 파단 강도 토크 값의 평균값을 도출해 낸 것이다.

표 3에 개시된 시험 결과에 따르면, 본 실시예의 파단 강도 토크 값이 비교예와 비교하여 약 3%정도가 향상된 것을 확인할 수 있다.

이러한 파단 강도의 개선은 본 실시예의 구조상에 적용된 평면부(도 5의 도면부호 117)의 존재에 기인하는 것으로, 본 실시예와 비교예의 차이점인 상기 평면부(도 5의 도면부호 117)의 유무에 따른 결과라고 판단할 수 있다.

본 실시예를 이용할 경우, 기존에 비해 자체 파단 강도가 증가됨에 따라, 작업의 편의성은 물론, 나사의 파단으로 인한 재작업의 필요성이 감소되며, 아울러 완성된 제품의 체결 안정성을 확보하는 데에도 도움이 된다.

이상에서 본 발명에 따른 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사 및 나사식 기계요소에 관한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 실시예를 포함한 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야만 한다.

100: 나사 110: 나사산
112a: 상단 후측플랭크면 112b: 하단 후측플랭크면
113: 평탄부 114: 전측플랭크면
116: 골 117: 평면부

Claims

나사산의 중심을 기준으로,
상기 나사산의 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크(flank)면의 각도가, 상기 나사산의 후퇴 방향 빗면을 이루는 후측플랭크면의 각도에 비해 작게 형성되고,
상기 후측플랭크면은 경사 구간 내에서 수평 방향으로 단층을 이루어 암나사와의 접촉면으로 작용하는 평탄부를 구비하되,
상기 평탄부에 의해 상기 후측플랭크면은 상단의 후측플랭크면과 하단의 후측플랭크면으로 구분되어지며, 상기 상단의 후측플랭크면의 각도에 비해 상기 하단의 후측플랭크면의 각도가 작게 형성되며, 상기 나사산 사이의 골은 일정폭으로 편평하게 확장 형성되는 평면부를 더 구비하여,
나사의 체결 시, 상기 나사에 대응하여 상호 체결되는 암나사와의 접촉 면적을 감소시켜 상기 나사의 체결 중 회전 저항을 억제하며, 상기 나사의 체결 후, 상기 암나사와의 접촉 면적을 증가시켜 체결력을 강화하는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 평면부는,
피치 길이에 비해 0.24~0.28배의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
제 1 항에 있어서,
상기 전측플랭크면의 각도와, 상기 평탄부를 기준으로 상단 후측플랭크면의 각도의 합인 나사각은 40±2.5°인 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
제 4 항에 있어서,
상기 전측플랭크면의 각도는 10±1°이고, 상기 상단 후측플랭크면의 각도는 30±1.5°인 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
제 1 항에 있어서,
상기 평탄부는,
상기 나사산의 높이에 대응하여 0.45~0.50배 높이의 위치상에 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
제 1 항에 있어서,
상기 평탄부는,
상기 나사의 피치 길이에 비해 0.20~0.25배의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사.
환봉의 외주면을 따라 일정한 나사산이 형성되되, 나사산의 중심을 기준으로 상기 나사산의 진입 방향 빗면을 이루는 전측플랭크(flank)면의 각도가, 상기 나사산의 후퇴 방향 빗면을 이루는 후측플랭크면의 각도에 비해 작게 형성되고, 상기 후측플랭크면은 경사 구간 내에서 수평 방향으로 단층을 이루어 암나사와의 접촉면으로 작용하는 평탄부를 구비하되, 상기 평탄부에 의해 상기 후측플랭크면은 상단의 후측플랭크면과 하단의 후측플랭크면으로 구분되어지며, 상기 상단의 후측플랭크면의 각도에 비해 상기 하단의 후측플랭크면의 각도가 작게 형성되며, 상기 나사산 사이의 골은 일정폭으로 편평하게 확장 형성되거나 볼록하게 돌출되는 평면부를 더 구비하는 나사가 환봉의 외주면을 따라 일정한 궤적으로 형성되는 나사식 기계요소.
삭제
제 8 항에 있어서,
상기 평면부는,
피치 길이에 비해 0.24~0.28배의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사식 기계요소.
제 8 항에 있어서,
상기 전측플랭크면의 각도와, 상기 평탄부를 기준으로 상단 후측플랭크면의 각도의 합인 나사각은 40±2.5°인 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사식 기계요소.
제 11 항에 있어서,
상기 전측플랭크면의 각도는 10±1°이고, 상기 상단 후측플랭크면의 각도는 30±1.5°인 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사식 기계요소.
제 8 항에 있어서,
상기 평탄부는,
상기 나사산의 높이에 대응하여 0.45~0.50배 높이의 위치상에 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사식 기계요소.
제 8 항에 있어서,
상기 평탄부는,
상기 나사의 피치 길이에 비해 0.20~0.25배인 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격, 내진동 및 체결력 강화 구조를 갖는 나사식 기계요소.