KR101535989B1

KR101535989B1 - 풀림 방지용 와셔

Info

Publication number: KR101535989B1
Application number: KR1020150070320A
Authority: KR
Inventors: 이상철
Original assignee: 이상철
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-07-10

Abstract

본 발명은 와셔의 경사면과 너트가 직접 접촉하도록 하여 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 와셔의 경사면에 의해 쐐기 효과를 항상 보장할 수 있도록 해주는 풀림 방지용 와셔를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 개발된 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔는, 중앙에 볼트 삽입공이 형성되고, 상부면에 볼트 머리 또는 너트가 안착되는 와셔 몸체부; 상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 조여지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리부가 걸려지도록 형성된 걸림턱; 및 상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 바닥면과 접촉되어 상기 볼트 머리 또는 너트가 타고 올라가도록 형성된 경사면;을 포함하고, 상기 경사면은 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 바깥쪽에 형성된 측면 경사면과 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 안쪽으로 연장 형성된 바닥 경사면을 포함한다.

Description

풀림 방지용 와셔{WASHER TO PREVENT SCREW OR NUT LOOSENING}

본 발명은 풀림 방지용 와셔에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경사면을 이용하여 볼트 또는 너트의 풀림을 방지하도록 개발된 풀림 방지용 와셔에 관한 것이다.

일반적으로 볼트나 체결부재를 사용하여 부품을 체결할 시는 통상 부품과 볼트 또는 너트 사이에 와셔를 개재시켜 그 체결력을 증가시키고 풀림을 방지하는데, 통상적으로 흔히 볼 수 있는 와셔는 평와셔와 스프링와셔를 들 수 있다.

평와셔는 특히 목재 등의 무른 부재에 볼트와 너트를 체결할 시 볼트 머리나 너트가 잘 안착되도록 하는 역할을 한다. 스프링와셔는 탄성복원력을 이용하여 볼트와 너트로 결합된 부재가 진동이나 충격을 받는 경우에도 볼트와 너트에 가해지는 나사축 방향의 지압력 변화에 대한 완충작용을 함으로써 볼트와 너트의 풀림방지에 기여한다. 그러나 스프링와셔의 탄성복원력의 크기가 볼트 또는 너트의 지압력에 비해 상대적으로 작고, 시간이 경과함에 따라 탄성복원력의 크기도 감소되기 때문에 풀림방지 기능에 한계가 있었다.

풀림 방지 효과를 향상시킨 것으로 최근에 가장 많이 사용되고 있는 와셔 구조로서 도 1에 도시된 노드 락(Nord-Lock) 풀림 방지 시스템이 있다. 노드 락 풀림 방지용 와셔(4)는 2 개의 모재(1)를 결합시키기 위해 체결되는 볼트(2)와 너트(3)의 사이에, 보다 정확하게는 너트(3)와 모재(1) 사이에 끼워져 체결된다.

상기 노드 락 풀림 방지용 와셔(4)는 상부 와셔판(4a)과 하부 와셔판(4b)으로 구성되고, 이 한 쌍의 상,하부 와셔판(4a,4b)은 상호 경사지게 맞물리도록 대면하는 면에 원주 방향을 따라 톱니 모양의 경사면(5)이 형성된다. 이 톱니 모양의 경사면(5)이 맞물리는 경사각(α)은 상기 볼트(2)와 너트(3)가 체결되는 나사산의 경사각(β)보다 항상 더 크게 되도록 형성된다. 볼트(2)와 너트(3)를 조이는 방향으로 회전시키면, 상부 와셔판(4a)과 하부 와셔판(4b)의 톱니 경사면이 완전히 맞물린 상태로 잠겨진다.

앞서 설명한 바와 같이, 와셔의 경사면이 맞물리는 경사각(α)이 볼트(2)와 너트(3)가 체결되는 나사산의 경사각(β)보다 더 크기 때문에, 진동이나 외력에 의해 너트(3)가 풀어지는 방향으로 회전하게 되면 너트(3)가 나사산을 타고 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리보다 상부 와셔판(4a)이 톱니 경사면을 타고 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리가 더 크게 된다. 그 결과 상부 와셔판(4a)이 너트(3)를 가압하게 되고, 이로 인해 증가되는 마찰저항모멘트가 너트(3)가 풀어지는 방향으로 회전하는 것을 억제하는 쐐기 효과를 발휘하여 풀림을 억제하게 된다.

이 노드 락 풀림 방지용 와셔를 사용할 경우, 상부 와셔판(4a)과 하부 와셔판(4b) 사이에서만 슬라이딩이 발생한다면 볼트와 너트 사이에 결합된 나사산이 파손되거나 와셔의 경사면이 파손되지 않는 한 반 영구적으로 너트 풀림을 방지할 수 있게 된다.

그러나, 노드 락 풀림 방지용 와셔(4)의 풀림 방지 원리는 너트(3)가 풀어지는 방향으로 회전할 때 너트(3)의 바닥면과 상부 와셔판(4a)의 상부면 사이에 발생하는 마찰저항력에 의하여 너트(3)와 상부 와셔판(4a)이 일체화되어 함께 회전한다는 것을 전제로 하고 있으나, 실제로 너트(3)가 풀어지는 방향으로 회전하게 되면 너트(3)와 상부 와셔판(4a)간 접촉면이 이격되는 방향으로 너트(3)가 이동하기 때문에 접촉면의 지압력과 이로 인한 마찰저항력이 급격히 감소하면서 상부 와셔판(4a)이 너트(3)와 함께 회전하지 못하게 되어 풀림방지 기능을 상실하는 문제점이 있었다.

더욱이, 각 접촉면의 마찰계수의 차이가 크지 않다면, 경사면보다는 수평면이 먼저 슬라이딩될 수 밖에 없으므로, 상부 와셔판(4a)과 하부 와셔판(4b) 사이의 경사 접촉면(5)보다 너트(3)와 상부 와셔판(4a) 사이의 수평 접촉면(6)이나 하부 와셔판(4b)과 모재(1) 사이의 수평 접촉면(7)에서 먼저 슬라이딩이 일어나면서 노드 락 와셔의 쐐기 효과 자체가 발휘되지 못하는 경우도 발생하였다.

한편, 노드 락 와셔는 경사 접촉면(5)보다 수평 접촉면(6, 7)에서 먼저 슬라이딩이 발생하는 현상을 완화하기 위하여 상부와셔판(4a)의 윗면이나 하부와셔판(4b)의 밑면에 요철을 형성하여 부재간 접촉면의 면적을 줄이는 사례도 있었다. 그러나, 마찰저항력의 크기는 수직방향의 지압력과 마찰계수에만 좌우될 뿐으로서 부재간 접촉면의 면적과는 무관하므로, 와셔의 바닥면에 요철을 형성하더라도 마찰저항력이 증가되지는 않는다.

더욱이, 모재나 너트가 금속이나 세라믹 등 압축강도가 강한 재질인 경우에는 와셔의 요철부위가 모재나 너트에 박혀서 역회전에 저항토록 하는 효과도 기대할 수 없다. 만일, 너트를 조일 때에 너트의 바닥면에 압축변형이 발생한다고 하더라도, 와셔가 너트를 따라 함께 따라 돌아가는 경우에는 풀릴 때에도 함께 돌아가기 때문에 풀림방지 기능을 발휘하지 못할 것이며, 와셔가 너트를 따라 돌아가지 않는 경우에는 너트의 바닥면이 회전방향을 따라 길게 파인 형상으로 압축 변형되므로 너트의 풀림을 방지하는 요철기능도 수행할 수 없게 된다.

이에 더하여, 노드 락 와셔는 너트의 바닥면 면적에 의해서 너트와 와셔간의 수평접촉면의 면적이 결정되기 때문에, 와셔의 직경을 너트의 직경보다 크게 확대해서 제작하는 경우에도 풀림방지를 위한 수평 접촉면(6)의 마찰저항모멘트의 증대효과는 발휘될 수 없다는 한계가 있다.

또한, 노드 락 풀림 방지용 와셔는 한 쌍으로 장착해야 하므로, 현장 작업이 번거롭고 구매 비용도 높아 경제성이 떨어지는 문제점도 있었다.

본 발명은 이러한 노드 락 풀림 방지용 와셔의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 볼트 또는 너트가 와셔의 경사면에 직접 접촉하도록 구성된 풀림 방지용 와셔를 1개만 사용하면서도, 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 상대 회전할 때 항상 와셔와의 경사 접촉면에서만 슬라이딩이 발생하도록 함으로써, 이에 따른 쐐기 효과를 보장할 수 있도록 해주는 풀림 방지용 와셔를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 개발된 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔는, 중앙에 볼트 삽입공이 형성되고, 상부면에 볼트 머리 또는 너트가 안착되는 와셔 몸체부; 상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 조여지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리부가 걸려지도록 형성된 걸림턱; 및 상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 바닥면과 접촉되어 상기 볼트 머리 또는 너트가 타고 올라가도록 형성된 경사면;을 포함하고, 상기 경사면은 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 바깥쪽에 형성된 측면 경사면과 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 안쪽으로 연장 형성된 바닥 경사면을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 걸림턱 및 경사면은 상기 볼트 삽입공의 중심축을 기준으로 일정 반경으로 그려지는 원의 원주 방향을 따라 다수 개가 형성될 수 있다.

또한, 상기 걸림턱은 다각형인 상기 볼트 머리 또는 너트의 각각의 모서리부에 일대일로 대응되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 경사면은 상기 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트가 나사산을 타고 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리보다 상기 볼트 머리 또는 너트가 상기 경사면을 타고 올라가면서 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리가 더 크도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 와셔 몸체부에는 상기 볼트 삽입공의 중심축을 향해 하방 또는 상방으로 경사지게 형성되고, 상기 볼트 또는 너트가 조여진 상태에서 볼트의 나사산에 끼움 결합되는 끼움 고정편이 마련될 수 있다.

또한, 상기 와셔 몸체부에는 그 둘레를 따라 플랜지부가 연장 형성될 수 있다.

또한, 상기 와셔 몸체부는 다각형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 와셔 몸체부의 바닥면에는 그 가장자리를 따라 하방으로 돌출 형성된 바닥 돌출부가 마련될 수 있다.

또한, 상기 와셔 몸체부의 바닥면에는 복수개의 바닥 고정돌기가 하방으로 뾰족하게 돌출 형성될 수 있다.

또한, 상기 걸림턱과 경사면은 납작한 판재 형태로 된 상기 와셔 몸체부의 일부를 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리 라인을 따라서 일정한 형상으로 절개하고, 이 절개된 부분을 상부로 굽힘 가공하여 만든 경사 굽힘편에 의해 일체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 걸림턱과 경사면은 납작한 판재 형태로 된 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리 라인을 따라서 일정한 길이를 가지도록 돌출 형성한 경사 돌기편에 의해 일체로 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 의하면, 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 볼트 머리 또는 너트가 와셔의 경사면을 직접 타고 올라가게 됨으로써, 볼트 또는 너트의 나사축 방향으로의 지압력과 마찰저항모멘트가 급격히 증가하게 되고, 이 증가된 마찰저항모멘트에 의한 쐐기 효과가 볼트 또는 너트의 풀림을 완전히 억제해 준다.

또한, 와셔 몸체부의 둘레를 따라 연장 형성된 플랜지부 및 와셔 몸체부의 바닥면에 그 가장자리를 따라 돌출 형성된 바닥 돌출부는 와셔와 모재 사이의 마찰저항모멘트를 증가시켜준다. 또한, 와셔의 볼트 삽입공의 둘레를 따라 형성된 끼움 고정편이 너트가 완전히 조여진 상태에서 볼트를 강하게 물어줌으로써, 와셔와 볼트 간의 상대 회전에 저항하는 마찰저항모멘트를 발생시킨다.

또한, 볼트 머리 또는 너트가 삽입되는 풀림 방지용 보조 슈즈는 볼트 머리 또는 너트와 와셔 사이의 규격 및 형상(사각, 육각 등)의 차이를 극복하게 해 줄 뿐만 아니라, 볼트 머리 또는 너트에 비해 직경이 큰 와셔를 사용함으로써 와셔와 모재 사이의 마찰저항모멘트도 더욱 증가시켜 준다.

그 결과, 와셔와 모재 간의 수평 접촉면에서 보다 너트와 와셔간의 경사 접촉면에서 먼저 슬라이딩이 발생되도록 해줌으로써, 상술한 너트와 와셔의 경사면 사이의 마찰저항모멘트의 증가에 따른 쐐기 효과를 더욱 확실하게 보장해 준다.

또한, 종래의 노드 락 와셔의 경우 한 쌍의 와셔로 삽입해야 하는데 반해, 본 발명의 와셔는 한 개의 와셔만으로 풀림 방지 기능을 수행할 수 있어 현장 작업의 생산성이 높아지고 와셔의 구매비용도 절감될 수 있다.

도 1은 종래의 노드 락(Nord-Lock) 풀림 방지용 와셔를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔의 구성 상세도.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔의 구성 상세도.
도 7은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔의 경사면 구조를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔의 구성 상세도.
도 9는 도 8의 와셔를 변형한 또 따른 실시예의 풀림 방지용 와셔의 구성 상세도.
도 10은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔와 너트의 회전시에 와셔와의 접촉 상태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔와 너트의 회전시에 와셔와의 접촉 상태를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 있어서 경사면 및 걸림턱의 제1 변형예를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 있어서 경사면 및 걸림턱의 제2 변형예를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 있어서 경사면 및 걸림턱의 제3 변형예를 나타낸 도면.
도 15는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 있어서 경사면 및 걸림턱의 제4변형예를 나타낸 도면.
도 16은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔에 있어서 경사면 및 걸림턱의 제5 변형예를 나타낸 도면.
도 17은 종래의 노드 락 풀림 방지용 와셔의 응력 분포를 나타낸 도면.
도 18은 종래의 노드 락 풀림 방지용 와셔의 회전 모멘트 분포를 나타낸 도면.
도 19는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔와 너트와 결합 상태를 나타낸 도면.
도 20은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔의 응력 분포를 나타낸 도면.
도 21은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔의 회전 모멘트 분포를 나타낸 도면.
도 22는 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔의 끼움 고정편을 나타낸 도면.
도 23은 본 발명에 따른 다른 실시예의 끼움 고정편을 나타낸 도면.
도 24는 본 발명에 따른 끼움 고정편의 다양한 변형예를 나타낸 도면.
도 25는 본 발명에 따른 사각형 보조슈즈를 나타낸 도면.
도 26은 본 발명에 따른 육각형 보조슈즈를 나타낸 도면.
도 27은 본 발명에 따른 바닥 고정돌기를 나타낸 도면.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 풀림 방지용 와셔를 나타낸 도면이다. 풀림 방지용 와셔(20)는 기본적으로 중앙에 볼트 삽입공(23)이 형성되고, 상부면(22)에 너트(10)가 안착되는 판재 형태의 와셔 몸체부(21); 상기 와셔 몸체부(21)의 상부면(22)에 너트(10)가 조여지는 방향으로 회전할 때 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 걸려지도록 형성된 걸림턱(25); 및 상기 와셔 몸체부(21)의 상부면에 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때 너트(10)의 바닥면과 접촉되어 너트(10), 보다 정확하게는 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 타고 올라가도록 형성된 경사면(24);이 포함된다.

도 2의 (a)는 본 발명에 따른 가장 기본적인 형태의 풀림 방지용 와셔(20)를 나타낸다. 이 풀림 방지용 와셔(20)는 와셔 몸체부(21)의 상부면(22)에 볼트 삽입공(23)만 형성되고, 다른 가공이 되지 않은 형태이다. 따라서, 상기 와셔 몸체부(21)의 상부면(22)은 단순히 너트(10)가 안착되는 기능을 수행한다. 바람직하게는, 상기 풀림 방지용 와셔(20)의 상부면(22)은 너트의 형태(사각형, 육각형 등)와 동일거나 유사하게 형성되어 너트(10)가 안정적으로 안착되도록 해준다.

너트(10)의 내주면을 따라 형성된 나사산(12)이 볼트(미도시)의 나사산과 결합된 상태로 조여지면, 주로 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 풀림 방지용 와셔(20)의 걸림턱(25)에 걸려지므로, 풀림 방지용 와셔(20)도 너트(10)와 함께 회전하게 된다. 초기에는 너트(10)와 와셔(20)가 아직 모재에 압착되기 전이므로 마찰력이 없기 때문에 조금만 걸려도 함께 잘 돌아가며, 너트(10)가 점점 채워지면 해당 외측면 모서리부(13)가 걸림턱(25)에 더 깊숙이 걸리면서 더 큰 조임력을 감당할 수 있게 된다.

여기서, 걸림턱(25)에 걸려지는 너트(10)의 외측면 모서리부(11)라 함은 다각 기둥 형상인 너트에서 각각의 외측면이 만나서 형성되는 모서리에 인접한 외측면 부분을 가리킨다. 이와 대비되는 개념으로, 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)라 함은 다각기둥 형상인 너트의 각 외측면과 바닥면이 만나는 선을 따라서 형성되는 모서리에 인접한 바닥면 부분을 가리킨다. 상기 너트(10)의 외측면 모서리부(11)는 너트(10)가 조여지는 방향으로 회전할 때 풀림 방지용 와셔(20)의 걸림턱(25)에 걸리는 부분이고, 상기 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)는 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면(24)을 타고 올라가는 부분이 된다.

상기 경사면(24)은 너트의 풀림 방지를 위해 새로이 채택된 기술 구성 중 하나로서, 와셔 몸체부(21)의 상부면에 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)와 접촉되어 너트(10)가 경사면(24)을 타고 올라가도록 형성된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 경사면(24)은 풀림 방지의 대상물인 너트(10)와 직접 접촉된다는 점에서 종래의 노드 락 풀림 방지용 와셔와 구별된다.

또한, 상기 경사면(24)은 상기 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 너트(10)가 나사산을 타고 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리보다 상기 너트(10)가 상기 경사면(24)을 타고 올라가면서 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리가 더 크도록 형성된다. 그 결과, 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전하더라도 경사면(24)에 의해 볼트의 나사축 방향, 다시 말해 너트(10)의 중심축 방향으로 너트(10)가 와셔(20)와 모재를 누르는 지압력이 발생하여 너트(10)가 더 이상 풀리지 않도록 고정시켜 주는 것이다.

따라서, 본 발명의 풀림 방지용 와셔(20)를 사용하면 너트(10)의 나사산 또는 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면이 파손되지 않은 이상 반 영구적으로 너트(10)의 풀림이 방지된다. 경사면(24)에 의해 발생하는 너트(10) 지압력에 대한 더욱 상세한 설명은 도 17 내지 도 21을 참조로 후술하기로 한다.

도 2의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풀림 방지용 와셔(20)를 나타낸다. 이 풀림 방지용 와셔(20)가 와셔 몸체부(21), 걸림턱(25) 및 경사면(24)으로 구성되어 있다는 점에서는 도 2의 (a)와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

다만, 이 풀림 방지용 와셔(20)는 와셔의 상부면이 단순히 너트(10)가 안착되는 부분으로만 기능하는 것이 아니라, 볼트의 나사산에 끼움 결합되는 끼움 고정편(26)이 형성된다는 점에 기술적 특징이 있다. 이 끼움 고정편(26)은 상기 와셔 몸체부(21)의 상부면의 일부가 상기 볼트 삽입공(23)의 반경 방향으로 복수개로 절개되어 상기 볼트 삽입공(23)의 중심축을 향해 하방 또는 상방으로 경사지게 형성된다. 이 끼움 고정편(26)은 상기 너트(10)가 조여짐에 따라 나사축 방향으로 가압되어 수평 방향으로 변형되면서 볼트 몸통의 나사산 요철 부위에 강하게 끼움 결합되도록 구성된다. 이 끼움 고정편(26)에 대한 상세한 설명은 도 22 내지 도 24를 참조로 후술하기로 한다.

도 2의 (c)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풀림 방지용 와셔(20)를 나타낸다. 이 풀림 방지용 와셔(20)가 와셔 몸체부(21), 걸림턱(25), 경사면(24) 및 끼움 고정편(26)으로 구성되어 있다는 점에서는 도 2의 (b)와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다만, 이 풀림 방지용 와셔(20)는 와셔 몸체부(21)에는 그 둘레를 따라 플랜지부(27)가 연장 형성된다는 점에 기술적 특징이 있다. 이 플랜지부(27)는 풀림 방지용 와셔(20)가 모재에 압착될 때, 마찰저항모멘트를 증가시켜("마찰저항모멘트 = 힘×팔길이"이므로 마찰저항모멘트는 모멘트 중심에서 모재와 접촉면까지의 길이에 비례함) 풀림 방지용 와셔(20)와 모재 사이에서 슬라이딩이 발생하는 것을 더욱 확실하게 억제해준다.

이는 너트가 결합된 부분에 외력이나 진동이 가해질 때, 모재와 풀림 방지용 와셔(20)의 수평 접촉면보다 너트(10)와 풀림 방지용 와셔(20) 사이의 경사 접촉면에서 먼저 슬라이딩이 발생하도록 해줌으로써, 풀림 방지용 와셔(20)가 풀림 방지 기능을 발휘할 수 있도록 더욱 확실히 보장해준다.

도 2의 (c)의 풀림 방지용 와셔(20)가 도 2의 (b)와 비교할 때 또 다른 점은 상기 끼움 고정편(26)의 단부 형상이 양쪽이 뾰족한 형태에서 둥근 형태로 바뀌었다는 점이다. 이와 같이, 끼움 고정편(26)의 단부 형상은 둥근 형태, 뾰족한 형태, 톱니 형태 등 다양한 모양으로 형성할 수 있다. 이 끼움 고정편(26)의 단부 형상에 대한 다양한 실시예에 대해서는 도 24를 참조로 후술하기로 한다.

도 3의 (a) 내지 (c)는 풀림 방지용 와셔(20)의 외형이 사각형을 이룬다는 점을 제외하고는 도 2의 (a) 내지 (c)와 그 기술적 내용이 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 풀림 방지용 와셔(20)의 외형이 사각형을 이루면, 필요에 의해 와셔를 풀어야 하는 때에 렌치 등을 이용하여 각 면을 잡고 돌릴 수 있게 된다. 이러한 목적을 위하여 풀림 방지용 와셔(20)의 외형이 육각형과 같은 다른 형태의 다각형으로도 구성되거나, 외형이 둥근 형상인 와셔의 외측 면에 방사상으로 돌기부가 형성될 수도 있다.

도 4의 (a) 내지 (c)는 풀림 방지용 와셔(20)가 너트가 아니라 볼트와 결합되는 점을 제외하고는 도 3의 (a) 내지 (c)와 그 기술적 내용이 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 자동차 엔진 등과 같은 동력 기관에는 프레임에 암나사를 형성하고, 너트를 사용하지 아니한 채 볼트의 나사산(18)을 암나사에 삽입하여 조임 결합시키는 형태도 많이 사용된다.

본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)는 이 경우에 너트 없이도 볼트 머리(15)와 직접 접촉하여 압착되도록 사용될 수도 있다. 이 때, 볼트 머리(15)의 바닥면 모서리부(17)가 도 2 및 도 3에서 설명한 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)와 동일한 방식으로 풀림 방지용 와셔(20)와 결합된다.

후술하는 도 5 내지 도 27에서는 너트(10)를 사용한 실시예를 통해 설명하지만, 너트 대신에 볼트 머리가 직접 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)에 결합하는 형태도 본 발명의 기술적 사상에 포함됨은 당연하다 할 것이다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 구성을 보다 상세히 나타낸다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 걸림턱(25) 및 경사면(24)은 상기 볼트 삽입공(23)의 중심을 기준으로 일정 반경(r)으로 그려지는 원의 원주 방향을 따라 다수 개가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 걸림턱(25) 및 경사면(24)을 너트(10)의 바닥면 모서리부(13) 보다 조금 바깥쪽에 위치하도록 형성함으로써, 너트가 풀림 방지용 와셔(20)의 상부면에 정확히 안착될 수 있도록 할 수 있다.

이 때, 상기 걸림턱(25)은 다각형인 상기 너트(10)의 각각의 외측면 모서리부(11)에 일대일로 대응되도록 형성함으로써, 너트가 풀림 방지용 와셔(20)의 상부면(22)에 더욱 정확히 안착될 수 있도록 해 줄 수 있다.

또한, 상기 걸림턱(25)은 상기 상부면(22)에서 상기 경사면(24)의 상단부까지의 높이차(h)를 이용하여 일체로 형성함으로써, 이들을 각각 별개로 형성하는 것보다 제작이 용이해지고, 경사면(24)의 시작 위치 내지 와셔 경사각을 조절하여 걸림턱의 높이(h)를 손쉽게 조절할 수 있도록 해 줄 수 있다.

상기 걸림턱의 높이(h)는 너트가 조여지는 방향으로 회전할 때 걸림턱(25)에 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 걸려서 풀림 방지용 와셔(20)가 너트와 함께 돌아갈 수 있도록 해주는데 충분한 높이로 구성된다. 이 걸림턱의 높이(h)는 와셔 경사면(24)의 시작 위치 내지 와셔 경사면(24)의 경사각(θ3)의 크기에 따라서 달라질 수 있다.

와셔 경사면(24)의 안쪽 모서리의 시작 위치는 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a) 상에 위치하게 된다. 도 5의 (a)에는 와셔 경사면(24)의 안쪽 모서리의 시작 위치가 너트의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 중앙부에 위치한 예가 도시되어 있다. 도 6의 (a)에는 와셔 경사면(24)의 안쪽 모서리의 시작 위치가 너트의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 시종점(1개의 바닥면 모서리부의 양 꼭지점 부분)에 위치한 예가 도시되어 있다. 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 경사면(24)의 안쪽 모서리의 시작 위치가 너트의 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a) 상의 어디에 위치하여도 무방하다.

도 7에 예시되어 있는 바와 같이, 와셔 경사면(24)의 안쪽 모서리의 시작 위치가 걸림턱(25) 쪽으로 근접할수록 동일한 걸림턱의 높이(h)를 형성하는데 필요한 와셔 경사각은 점점 증가하게 된다(θ4 > θ3 > θ2 > θ1).

한편, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 풀림 방지용 와셔(20)의 바닥면(28)은 플랜지부(27)를 확장시킴으로써 그 직경을 자유롭게 조절 가능하다. 이 바닥면(28)은 풀림 방지용 와셔(20)가 완전히 조여진 상태에서 모재와 수평하게 접촉하는 면이다. 와셔의 직경을 증가시키면 상기 와셔의 바닥면(28)과 모재가 접촉하는 면적이 증가하게 되므로, 와셔와 모재가 접촉하는 수평면 상의 마찰저항모멘트가 증가하게 된다.

또 다른 실시예로서, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 풀림 방지용 와셔(20)의 바닥면(28)에는 그 가장자리를 따라 하방으로 돌출 형성된 바닥 돌출부(29)가 마련될 수 있다. 이 바닥 돌출부(29) 또한 와셔의 중심에서 모재(1)와의 접촉면까지의 길이를 증가시켜 주므로, 수평 접촉면의 마찰저항모멘트가 이에 비례하여 증가하게 된다.

그 결과, 종래의 노드 락 풀림 방지용 와셔에서 경사면보다 수평면에서 먼저 슬라이딩이 발생하여 노드 락 와셔의 쐐기 효과 자체가 발휘되지 못하게 되는 문제점을 해결해 준다. 이에 대한 상세한 설명은 도 17 내지 도 21을 참조로 상세히 후술하기로 한다.

도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 풀림 방지용 와셔를 나타낸다. 본 실시예는 도 2 및 도 3에 도시된 실시예와 비교할 때 와셔 몸체부(21)에 너트를 안착시키기 위해 상부면(22)을 별도로 가공하지 않고, 판재 1장을 이용하여 간단하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.

보다 상세하게 설명하면, 도 8의 (a)의 경우에는 납작한 판재 형태로서, 와셔 몸체부(21)에서 볼트 삽입공(23)의 중심으로부터 일정 반경만큼 이격된 부분을 너트의 다각(예를 들어 육각 또는 사각) 모서리 라인을 따라서 일정한 형상으로 절개하고, 이 절개된 부분을 상부로 굽힘 가공하여 경사 굽힘편(30)을 형성한다. 그 결과, 이 경사 굽힘편(30)에 의해 너트의 바닥면 모서리부(13)가 타고 올라가도록 해주는 경사면(24)과 너트의 외측면 모서리부(11)가 걸려지는 걸림턱(25)이 일체로 형성된다. 풀림 방지용 와셔(20)의 몸체부(21)에는 상기 경사 굽힘편(30)에 의해 다각 형태의 너트 바닥면이 안착되는 상부면(22)이 자연스럽게 형성된다.

이 경우, 상기 경사 굽힘편(30)의 말단부와 마주하는 몸체부의 상부면(22) 부위를 압축 가공 등을 통하여 경사 굽힘편(30) 방향으로 다소 연장되도록 형성함으로써, 경사 굽힘편(30)이 수평방향으로 펴지는 힘을 강하게 받는 경우에도 경사 굽힘편(30)의 말단부가 몸체부의 상부면(22)에 걸려서 완전히 펴지지 않고 일정한 각도의 경사면(24)을 유지하며 풀림 방지 기능을 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 8의 (b)의 경우에는 납작한 판재 형태로 된 와셔 몸체부(21)의 상부면(22)에 상기 볼트 삽입공(23)의 중심으로부터 일정 반경만큼 이격된 부분에 너트의 다각 모서리 라인에 따라서 경사 돌기편(31)이 형성되도록 제조된다. 이 경사 돌기편(31)에 의해 너트의 바닥면 모서리부(13)가 타고 올라가도록 해주는 경사면(24)과 너트의 외측면 모서리부(11)가 걸려지는 걸림턱(25)이 일체로 형성된다. 본 실시예에 따르면 도 8의 (a)의 경사 굽힘편과 달리 경사 돌기편(31)이 눌리거나 휘어지지 않는 장점이 있다. 풀림 방지용 와셔(20)의 몸체부(21)에는 상기 경사 돌기편(31)에 의해 다각 형태의 너트 바닥면이 안착되는 상부면(22)이 자연스럽게 형성된다.

도 9는 도 8의 와셔를 변형한 또 따른 실시예의 풀림 방지용 와셔를 나타낸 다. 도 8의 (b)에 도시된 풀림 방지용 와셔(20)는 걸림턱(25) 및 경사면(24)이 하나의 경사 돌기편(31)에 의해 동시에 형성된다. 다시 말해, 경사 돌기편(31)의 상부면은 경사면(24)이 되고 내측면은 걸림턱(25)이 된다. 그 결과, 와셔 경사각(θ)의 크기와 걸림턱(25)의 높이(h)가 서로 비례하므로 2개를 독립적으로 제어할 수 없게 된다.

그러나, 본 변형예에 따르면, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 경사면(24)을 형성하는 경사 돌기편(32)과 걸림턱(25)을 형성하는 걸림 블럭부(33)를 별개로 형성할 수 있다. 그 결과, 도 9의 (a)에서 보듯이 와셔 경사각(θ)의 크기와 무관하게 걸림턱의 높이(H)를 높게 할 수가 있다. 이와 같이, 걸림턱의 높이(H)를 높게 하면, 너트를 조일 때에는 너트의 외측면 모서리부가 걸림턱에 더 잘 걸리게 되어 큰 조임 토크에도 함께 잘 돌아가고, 너트가 풀릴 때에는 와셔 경사각(θ)을 최소화할 수 있으므로 와셔 바닥면의 마찰저항력을 높일 수 있다.

도 10의 (a)는 너트가 조여지는 방향(A)으로 회전하는 상태를 나타낸다. 너트의 외측면 모서리부가 풀림 방지용 와셔(20)의 걸림턱(25)에 걸리게 되고, 너트와 풀림 방지용 와셔가 함께 회전하게 된다. 회전 초기에는 너트와 와셔가 아직 모재에 압착되기 전이므로 마찰력이 없기 때문에 조금만 걸려도 함께 잘 돌아가며, 너트가 점점 채워지면 외측면 모서리부가 걸림턱에 더 깊숙이 걸리면서 더 큰 조임력을 감당할 수 있게 된다.

도 10의 (b)는 너트가 풀어지는 방향(B)으로 회전하는 상태를 나타낸다. 너트가 풀어지는 방향으로 회전하게 되면 너트와 와셔의 걸림턱과의 접촉이 해제되기 때문에 와셔는 회전하지 아니한다. 너트는 도면에서 점선으로 표시된 것과 같이 너트의 육각형의 각 바닥면 모서리부가 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면(24)과 중첩되면서 회전하게 된다. 그 결과, 너트의 육각형의 각 바닥면 모서리부(13)가 경사면(24)을 타고 올라가면서 너트를 볼트 나사축 방향으로 전진시키는 것이다.

도 11의 (a)는 사각형의 너트를 위한 풀림 방지용 와셔(20)를 나타내고, 도 11의 (b)는 사각형의 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면(24)과 중첩되는 모양을 나타낸다. 사각형의 너트를 위한 것이라는 점을 제외하고는 육각형의 너트를 예시한 상기 도 10의 (a),(b)의 경우와 동일하므로 상세한 설명은 이를 참조하기로 한다.

도 12 내지 도 15는 도 5 및 도 6을 참조로 설명한 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 걸림턱(25) 및 경사면(24)의 기본 형태에 대한 몇 가지 변형 가능한 예를 나타낸다.

도 12는 도 5에서 도시된 바와 같이 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면(24)이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽에만 형성되어 있던 기본 형태를 변형한 것으로서, 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 안쪽으로 연장된 바닥 경사면(24b)을 추가로 형성한 것이다. 상기 바닥 경사면(24b)과 용어의 혼동을 피하기 위하여 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽에 형성되어 있던 기존의 경사면을 측면 경사면(24)으로 명명한다.

너트(10)가 조여지는 방향으로 회전할 때에는 "A" 영역에서 보듯이 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 걸림턱(25)에 걸려서 함께 회전하게 된다. 반대로, 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때에는 "B" 영역에서 보듯이 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 상기 바닥 경사면(24b)을 곧바로 올라 타게 된다.

도 5에 도시된 기본 형태에 따르면, 너트(10)의 바닥면의 외접원 직경이 와셔의 바닥면의 외접원 직경보다 작을 때에는 너트(10)가 풀리는 방향으로 일정 각도로 회전한 후에 경사면(24)과 만나게 되므로, 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 경사면(24)을 타고 올라가기 이전에 너트(10)의 지압력이 감소되어 풀림에 대한 마찰저항모멘트가 약화되었다. 그 결과, 너트(10)가 강한 진동이나 충격을 받으면 미세하게 풀렸다 조여졌다 하기를 반복하면서 와셔가 조금씩 느슨해질 수도 있었다.

그러나, 도 12에 도시된 변형예와 같이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 안쪽으로 연장되도록 바닥 경사면(24b)을 형성하게 되면, "B" 영역에서 보듯이 너트(10)의 직경이 조금 작은 것을 사용하더라도 너트(10)가 풀리는 방향으로 회전함과 동시에 와셔의 바닥 경사면(24b)을 타고 올라갈 수 있기 때문에 너트의 나사축 방향으로의 지압력과 마찰저항모멘트가 곧바로 증가하게 된다.

도 13은 도 12에서 도시된 바와 같이 풀림 방지용 와셔(20)의 측면 경사면(24) 및 바닥 경사면(24b)이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽 및 안쪽에 각각 형성되어 있던 형태를 변형한 것으로서, 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽에 형성되어 있던 기존의 측면 경사면(24)을 제거하고 바닥 경사면(24b)만을 남겨 놓은 것이다. 그 결과, "C" 영역에서 보듯이, 경사면의 높은 쪽 일부가 제거된 형태를 가진다.

너트(10)가 조여지는 방향으로 회전할 때에는 "A" 영역에서 보듯이 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 와셔의 내벽면(25a)에 걸려서 함께 회전하게 된다. 본 변형예에서는 측면 경사면(24)을 제거함에 따라 와셔의 내벽면(25a)이 걸림턱(25) 역할을 하게 된다. 반대로, 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때에는 "B" 영역에서 보듯이 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 상기 바닥 경사면(24b)을 곧바로 올라 타게 된다.

이 변형예는 도 12에 비해 더욱 간단한 형태로 제조 가능하다는 장점이 있으며, 너트(10)의 바닥면의 외접원 직경이 와셔의 바닥면(22)의 외접원 직경보다 내접원 직경에 가까워서, 너트(10)가 풀리는 방향으로 회전할 때 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 바닥 경사면(24b)을 타고 올라가는 거리와 높이만으로도 충분한 지압력과 마찰저항모멘트를 확보할 수 있는 경우에 사용될 수 있다.

도 14는 도 9를 참조로 상술한 풀림 방지용 와셔(20)와 유사한 형태로서, 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽에 형성된 기존의 측면 경사면(24)과 별도로 너트(10)의 각 외측면 모서리부(11)에 대응하는 지점에 별도의 걸림 블럭부(25b)를 형성한 것이다.

너트(10)가 조여지는 방향으로 회전할 때에는 "A" 영역에서 보듯이 너트(10)의 외측면 모서리부(11)가 상기 걸림 블럭부(25b)에 걸려서 함께 회전하게 된다. 반대로, 너트(10)가 풀어지는 방향으로 회전할 때에는 "B" 영역에서 보듯이 너트(10)의 바닥면 모서리부(13)가 상기 측면 경사면(24)을 올라 타게 된다.

본 변형예와 같이, 걸림 블럭부(25b)를 별도로 형성하면, 와셔 경사각(θ)의 크기와 무관하게 걸림턱을 높게 할 수 있다. 그 결과, 너트를 조일 때에는 너트의 외측면 모서리부가 걸림턱에 더 잘 걸리게 되어 큰 조임 토크에도 함께 잘 돌아가고, 너트가 풀릴 때에는 와셔 경사각(θ)을 최소화할 수 있으므로 마찰저항력을 높일 수 있다.

도 15는 도 12에서 도시된 바와 같이 풀림 방지용 와셔(20)의 측면 경사면(24) 및 바닥 경사면(24b)이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽 및 안쪽에 각각 형성되어 있던 형태를 변형한 것으로서, 바닥 경사면(24b)의 안쪽 외곽선이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)에 접하는 내접원(IC, Inscribed Circle)의 선형을 따라 원호 형태로 형성된 것이다.

그 결과, 도 15의 (b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 바닥 경사면(24b)은 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)과 이에 접하는 내접원(IC) 사이에만 형성된다. 바닥 경사면(24b)를 이와 같이 형성하면, 측면 경사면(24)의 중앙에서부터 바닥 경사면(24b)의 원호가 시작되기 때문에 바닥 경사면(24b) 위에 중첩되는 너트의 바닥면 모서리(13)의 길이를 최대화 할 수 있으며, 바닥 경사면(24b)과 측면 경사면(24)이 연속적으로 꺾임 없이 동일한 경사각으로 형성될 수 있으며, 너트가 조여지거나 풀어지는 방향으로 회전할 때에 내접원(IC)의 안쪽까지 돌출된 바닥 경사면(24b)의 모서리에 의해 방해됨이 없이 와셔의 경사면을 부드럽게 타고 올라갈 수 있게 된다.

도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 한 세트의 측면 경사면(24) 및 바닥 경사면(24b)는 왼쪽이 높고 오른쪽이 낮은 형태로 구성된 것은 오른쪽으로 회전할 때 조여지는 오른 나사(Right-handed thread)에 사용되는 것이다. 반대로, 왼쪽으로 회전할 때 조여지는 왼 나사(Left-handed thread)에 사용되기 위하여 한 세트의 측면 경사면(24) 및 바닥 경사면(24b)이 오른쪽이 높고 왼쪽이 낮은 형태로 구성될 수도 있음은 당연하다 할 것이다.

도 15의 (b)에 표시된 숫자는 너트가 풀어지는 방향으로 회전하기 시작하면서 올라가는 높이를 나타낸다. 바닥 경사면(24b)의 시작 위치는 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a) 상에 위치하게 된다. 본 실시예에서는 바닥 경사면(24b)의 시작 위치가 너트의 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 중앙점이 되고, 이 때 높이는 0.0mm가 된다.

너트(10)가 풀어지는 방향으로 계속 회전하게 되면 바닥 경사면(24b)을 타고 올라가면서 높이가 0.0 ~ 1.2mm 까지 높아진다. 여기서, 너트(10)가 바닥 경사면(24b)을 타고 올라가기 시작하는 높이가 0.0mm인 경우는 너트(10)의 중심에서 외측면 모서리(11)까지의 반경이 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)에 접하는 내접원(IC)의 반경보다 작거나 같아야만 발생할 수 있으며, 너트의 규격이 커질수록 너트가 타고 올라가기 시작하는 바닥 경사면(24b) 상의 시작 위치도 높아지게 된다.

너트(10)가 1.2mm 높이까지 올라가면 너트의 바닥면 모서리부(13)가 타고 올라가는 경사면이 바닥 경사면(24b)에서 측면 경사면(24)으로 옮겨지게 된다. 계속하여 회전하게 되면 측면 경사면(24)을 타고 올라가면서 1.2 ~ 2.4mm까지 높아지게 된다. 즉, 측면 경사면(24)의 최고점은 2.4mm가 된다.

도 15의 (b)에는 바닥 경사면(24b)의 시작 위치가 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 중앙점이 되는 실시예가 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 너트의 내접원(IC)의 원호 상에 위치하는 임의의 지점(예를 들어 0.6mm 높이의 선과 교차하는 지점)에서부터 시작될 수 있다.

도 16은 도 15를 참조로 상술한 풀림 방지용 와셔(20)의 변형예로서, 너트(10)의 각 바닥면 모서리부(13)에 대응하는 선(24a)의 바깥쪽에 형성된 기존의 측면 경사면(24)과 별도로 너트(10)의 각 외측면 모서리부(11)에 대응하는 지점에 별도의 걸림 블럭부(25b)를 형성한 것이다.

이와 같이, 걸림 블럭부(25b)를 별도로 형성하면, 와셔 경사각(θ)의 크기와 무관하게 걸림턱을 높게 할 수 있다. 그 결과, 너트를 조일 때에는 너트의 외측면 모서리부가 걸림턱에 더 잘 걸리게 되어 큰 조임 토크에도 함께 잘 돌아가고, 너트가 풀릴 때에는 와셔 경사각(θ)을 최소화할 수 있으므로 마찰저항력을 높일 수 있다.

다음으로, 도 17 내지 도 21을 참조로 종래의 노드 락 와셔(4)와 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)와의 작용 상의 차이점을 구체적으로 설명한다. 즉, 노드 락 와셔는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때, 상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b)가 이루는 경사면(5)이 아니라 너트(3)와 상부 와셔(4a)의 수평 접촉면(6) 또는 하부 와셔(4b)와 모재와의 수평 접촉면(7)에서 먼저 슬라이딩이 일어나기 쉽나는 사실과, 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)는 와셔와 모재와의 수평 접촉면이 아니라 너트와 와셔의 경사면에서 항상 먼저 슬라이딩이 일어나도록 할 수 있다는 사실을 구조 역학적으로 상세히 설명한다.

도 17은 종래의 노드 락 와셔의 응력 분포를 나타낸 도면이고, 도 18은 노드 락 와셔의 회전 모멘트 분포를 나타낸 도면이다. 도 17의 도면부호는 도 1에 도시된 노드 락 와셔의 구성요소를 나타내는 도면부호가 동일하다.

너트가 완전히 조여지면 수직 지압력(P)이 작용한다. 이 때 외력이나 진동에 의하여 너트가 풀어지는 회전 방향으로 측면 작용력(F1)이 가해질 때, 노드 락 와셔의 각 구성요소에 작용하는 힘은 다음과 같이 정의된다.

먼저, 볼트(2)와 너트(3)의 나사산 결합 부분에는 상기 수직 지압력(P)의 분력인 나사산 수직응력(R1)이 작용하고, 나사산 면을 따라 마찰 저항력(μ1R1)이 작용한다. 이 때, 나사산은 일정한 경사각(a1)을 이룬다. 너트(3)와 상부 와셔(4a)와의 수평 접촉면(6)에는 상기 수직 지압력(P)의 분력인 상부 수평면 수직응력(R2)이 작용하고, 수평 접촉면(6)을 따라 마찰 저항력(μ2R2)이 작용한다.

상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b)와의 경사면(5)에는 상기 수직 지압력(P)의 분력인 경사면 수직응력(R3)이 작용하고, 경사면(5)을 따라 마찰 저항력(μ3R3)이 작용한다. 이 때, 경사면은 일정한 경사각(a3)을 이룬다. 이 경사면의 경사각은 상기 나사산의 경사각보다 크게 구성된다(a3 > a1). 하부 와셔(4b)와 모재(미도시)와의 수평 접촉면(7)에는 상기 수직 지압력(P)의 분력인 하부 수평면 수직응력(R4)이작용하고, 수평 접촉면(7)을 따라 마찰 저항력(μ4R4)이 작용한다.

도 18을 참조로 너트(3)가 풀어지는 방향으로 회전력이 가해질 때, 회전 모멘트 내지 마찰저항모멘트(M = F×L)를 계산하기 위한 각 모멘트의 팔 길이를 정의한다. 먼저, 나사산이 형성된 너트의 암나사 반경은 r1이다. 회전력 F1이 가해질 때 너트(3)의 회전 모멘트의 팔 길이는 회전 중심에서 너트(3)의 외측면 모서리부(11)까지의 거리인 L1이 된다.

너트(3)와 상부 와셔(4a)와의 수평 접촉면(6)에 대한 마찰저항모멘트의 팔 길이는 너트(3)의 회전 중심에서 마찰력의 작용점까지의 길이인 L2이 된다. 상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b)와의 경사면(5)에 대한 마찰저항모멘트의 팔 길이는 와셔(4)의 회전 중심에서 마찰력의 작용점까지의 길이인 L3가 된다. 하부 와셔(4b)와 모재와의 수평 접촉면(7)에 대한 마찰저항모멘트의 팔 길이는 하부 와셔(4b)의 회전 중심에서 마찰력의 작용점까지의 길이인 L4가 된다.

아래 표 1은 비교예로 제시된 노드 락 와셔의 각 구성요소의 수치 및 너트에 의한 수직 지압력(P), 너트가 풀려지는 방향으로 가해지는 측면 작용력(F1)을 나타낸다.

P (KN)	F1 (KN)	μ	r1 (mm)	a1 (도)	a3 (도)	L1 (mm)
100	100	0.25	10	2.28	4.68	17.5

μ= μ1 = μ2 = μ3 = μ4, L2= L3 = L4

계산의 단순화를 위하여 각 표면에서의 마찰계수는 모두 동일한 것으로 가정한다. 너트의 규격은 M20의 보통나사를 기준으로, 암나사의 반경(r1)은 10mm, 너트의 회전중심에서 다각형인 너트의 바닥면 모서리부(13)까지의 연직거리는 15mm, 너트의 회전중심에서 너트의 외측면 모서리부(11)까지의 연직거리(L1)는 17.5mm로 가정한다. 나사산의 경사각(a1)은 나사산의 피치(pitch)를 2.5mm로 하여 도출된 값이며 노드 락 와셔의 경사면의 경사각(a3)은 와셔 경사면(24)의 개수를 6개, 각 경사면 측면의 걸림턱(25) 높이를 1.5mm로 가정하여 도출된 값이다. 너트를 바닥면 반경이 17.5mm(L1)인 원통형으로 가정하면, 너트의 회전중심에서 바닥면에 작용하는 마찰력의 합력이 작용하는 지점까지의 팔 길이인 L2는 14.1mm로 계산된다. 이러한 규격을 가진 노드 락 와셔에 있어서, 수직 지압력(P)이 100KN, 너트가 풀어지는 회전 방향으로 가해지는 측면 작용력(F1)이 100KN이라고 가정할 때, 각 접촉면에서의 슬라이딩 억제에 필요한 수평방향 최소 지지력의 크기를 산출함으로써 어느 부위에서 가장 먼저 슬라이딩이 발생하는지를 역학적으로 계산하였다.

이 때, 노드 락 와셔의 크기는 와셔의 반경이 너트의 외측면 모서리부(11)가 접하는 원형의 반경과 동일하다고 가정한다. 따라서, L2, L3, L4는 모두 14.1mm로 동일한 값을 가지고, L1은 17.5mm 값을 가진다. 물론 와셔의 반경을 너트의 반경보다 더 크게 할 수도 있지만, 이 경우 상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b), 하부 와셔(4b)와 모재 간에 접촉 면적이 증가하면서 마찰저항모멘트가 증가하므로, 너트(3)와 상부 와셔(4a)와의 수평 접촉면(6)에서 슬라이딩이 일어날 가능성이 매우 증가한다. 이는 수평면(6,7)에서의 슬라이딩보다 경사면(5)에서의 슬라이딩이 먼저 일어나는 것을 전제로 하는 노드 락 와셔의 구조적 특성 상 바람직하지 않다. 따라서, 도 1에 예시된 바와 같이, 통상적으로 노드 락 와셔는 와셔의 크기가 너트의 크기와 거의 동일하도록 제작된다. 이러한 점을 고려하여, 본 비교예에서 L2, L3, L4는 모두 동일한 값을 가지는 것으로 가정한다.

노드 락 와셔에서 슬라이딩이 일어날 수 있는 3가지 지점인, 너트(3)와 상부 와셔(4a)의 수평 접촉면(6), 상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b)와의 경사면(5), 하부 와셔(4b)와 모재와의 수평 접촉면(7)에서 슬라이딩이 발생하기 시작한 시점에서의 힘의 역학관계를 고려하면 다음과 같다.

먼저, 너트(3)와 상부 와셔(4a)와의 수평 접촉면(6)에 작용하는 수직 지압력(R2)는 수직 지압력(P)과 힘의 방향이 동일하므로 그 값이 동일하다. 이 수평 접촉면(6)에서 너트(3)가 풀어지는 회전 방향으로 F1의 힘이 작용할 때, 너트(3)가 슬라이딩되지 않도록 해주는데 필요한 최소 반력을 F2라고 가정한다. 이 수평 접촉면(6)에 최대정지마찰력이 발생하는 시점(슬라이딩이 발생하는 시점)에서는 (F1-F2)에 의한 회전 모멘트(M)와 이 수평 접촉면(6)의 마찰력에 의한 마찰저항모멘트(M')가 평형 상태를 이룬다. 이 2개의 모멘트가 동일하다는 수식으로부터 상기 F2 값을 도출할 수 있다. 역으로, 측면 작용력 F1이 100KN 작용할 때, 수평 접촉면(6)에서 슬라이딩이 발생되지 않도록 하기 위해 필요한 수직 지압력(P2)의 크기도 도출할 수 있다.

상부 와셔(4a)와 하부 와셔(4b)와의 경사 접촉면(5)에 작용하는 수직 지압력(R3)은 전체 수직 지압력(P)과 경사면의 경사각(a3)을 이용하여 도출된다. 이 경사면(5)에서 너트(3)가 풀어지는 회전 방향으로 F1의 힘이 작용할 때, 한 쌍의 와셔(4a,4b) 사이에서 슬라이딩이 발생되지 않도록 해주는데 필요한 최소 반력을 F3라고 가정한다. 이 경사면(5)에서 슬라이딩 발생한다는 것은 (F1-F3)에 의한 회전 모멘트(M3)가 이 경사면(5)의 마찰력에 의한 마찰저항모멘트(M3')보다 크다는 것을 의미한다. 이 2개의 모멘트가 동일하다는 수식으로부터 상기 최소 반력인 F3 값을 도출할 수 있다. 또한, F3 = 0이 되기 위해 필요한 최소 수직 지압력(P3)을 도출할 수 있다.

하부 와셔(4b)와 모재와의 수평 접촉면(7)에서 슬라이딩이 발생되지 않도록 해주는데 필요한 반력 F4는 상기 F2와 동일하고, 이 F4 = 0가 되기 위해 필요한 최소 수직 지압력(P4)는 상기 P2와 동일하다.

여기서

R1 = P/{cos(a1)+μ1*sin(a1)},

R2 = R4 = P,

R3 = P/{cos(a3)-μ3*sin(a3)},

F2 = F4 = F1+(P/1.75)*[{sin(a1)-μ1*cos(a1)}/{cos(a1)+μ1*sin(a1)}-1.41*μ2],

F3 = F1+(P/1.75)*[{(sin(a1)-μ1*cos(a1)}/{cos(a1)+μ1*sin(a1)}-1.41*{sin(a3)+μ3*cos(a3)}/{(cos(a3)-μ3*sin(a3)}]

로 계산된다.

이상에서 설명한 각 응력 값을 정리하면 아래 표2와 같다.

(단위: KN)

너트와 상부와셔와의 수평면		상부와셔와 하부와셔와의 경사면		하부와셔와 모재와의 수평면
R2	F2	R3	F3	R4	F4
100	68.0	102.4	60.8	100	68.0

위 표 2에서 보는 바와 같이, 노드 락 와셔의 2개의 수평면 상에는 슬라이딩을 방지하기 위해 필요한 반력(F2,F4)이 68KN으로서, 와셔의 경사면 상에서 슬라이딩을 방지하기 위해 필요한 반력(F3)인 60.8KN보다 크다. 그러므로 수직 지압력 P = 100KN이 가해졌을 경우, 수평방향으로 너트풀림을 유발하는 측면 작용력(F1)이 32.0KN(100 - 68.0 = 32.0) 이상의 크기만 가해져도 2개의 수평면에서는 슬라이딩이 발생하기 시작하지만, 경사면에서는 측면 작용력(F1)이 39.2KN(100 - 60.8 = 39.2) 이상의 크기로 가해지기 전에는 슬라이딩이 발생하지 않으며, 따라서 경사 접촉면(5)보다 2개의 수평 접촉면(6,7)에서 먼저 슬라이딩이 발생하면서 너트가 풀어지게 된다. 역으로 계산하면, 측면 작용력 F1 = 100KN 이 가해졌을 경우, 수평 접촉면(6,7)에서의 슬라이딩 방지에 요구되는 최소 수직 지압력(P2, P4)는 312.3KN으로서, 경사 접촉면(5)에서의 슬리이딩 방지에 요구되는 최소 수직 지압력(P3)인 255.2KN보다 크다. 이는 수직 지압력(P)으로서 300KN이 작용하는 경우 경사면은 완전히 슬라이딩이 방지되는 반면에 2개의 수평면에서는 슬라이딩이 발생한다는 것을 의미한다.

이로써, 노드 락 와셔의 경사면보다 수평면에서 먼저 슬라이딩이 발생하게 되므로, 경사면에서의 슬라이딩을 기본 전제로 한 노드 락 와셔의 풀림 방지 기능은 발휘되지 못한다는 점이 구조 역학적으로 입증되었다.

다음으로, 도 19 내지 도 21을 참조로 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 경우 와셔의 경사면에서 항상 먼저 슬라이딩이 일어날 수 있도록 할 수 있음을 역학적 계산을 통해 설명한다.

도 19 및 도 20을 참조로 풀림 방지용 와셔(20)가 슬라이딩할 때 가해지는 외력 분포를 설명한다.

먼저, 너트(10)가 느슨하게 조여져서 볼트의 나사산이 너트의 나사산을 누르는 수직 지압력이 발생되지 않는 상태(P = 0)를 가정한다.

이 상태에서 너트가 풀어지는 회전방향으로 측면 작용력(F1)이 가해지면 초기에는 와셔의 경사면에 마찰력이 없는 상태이므로 너트의 바닥면과 와셔의 경사면 사이에서 슬라이딩이 발생한다. 와셔의 경사면에서 슬라이딩이 진행됨에 따라 경사면에는 수직응력(R3)와 마찰저항력(μ3R3)이 발생하며, 이러한 경사면의 수직응력(R3)과 마찰저항력(μ3R3)은 와셔 바닥면에 수평방향 회전력과 함께 바닥면(28)의 수직응력(R4)과 마찰저항모멘트를 발생시킨다. 그러므로, 와셔의 바닥면과 모재 사이에 작용하는 회전모멘트가 마찰저항모멘트보다 크면 와셔의 바닥면과 모재 사이의 수평 접촉면에서 슬라이딩이 발생할 것이며, 마찰저항모멘트보다 작으면 바닥면이 아닌 와셔의 경사면에서 슬라이딩이 발생할 것임을 알 수 있다.

한편, 처음부터 일정한 크기의 수직방향 지압력 P가 작용하더라도, 측면작용력(F1)에 의한 바닥면의 수직응력(R4)이 P 값을 초과한 이후에는 P = 0 상태에서 F1을 가한 경우와 동일한 결과가 발생한다. 여기서 P 값은 너트의 조임 강도를 조절함으로써 임의로 변경할 수 있으므로, 와셔의 경사면(24)과 너트의 바닥면이 접촉하는 경사 접촉면과 와셔의 바닥면(28)과 모재가 접촉하는 수평 접촉면 중 어느 면에서 슬라이딩 발생하는지 여부는 너트의 초기 수직 지압력(P)의 크기와 무관함을 알 수 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같이 정의된다.

먼저, 느슨하게 조여져 있는 너트(10)의 외측면 모서리부(11)에 측면 작용력(F1)이 너트가 풀어지는 회전 방향으로 가해진다. 이로 인해 볼트와 너트의 나사산 결합 부분에는 나사산 수직응력(R1)이 발생하고, 나사산 면을 따라 마찰 저항력(μ1R1)이 발생한다. 이 때, 나사산은 일정한 경사각(a1)을 이룬다.

너트(10)와 와셔의 경사면(24) 사이에는 경사면 수직응력(R3)이 발생하고, 경사면(24)을 따라 마찰 저항력(μ3R3)이 발생한다. 이 때, 경사면은 일정한 경사각(a2)을 이룬다. 와셔의 바닥면(28)과 모재와의 수평 접촉면에는 수평면 수직응력(R4)이 발생하고, 수평 접촉면을 따라 마찰 저항력(μ4R4)이 발생한다.

도 21을 참조로 너트(10)가 풀어지는 회전 방향으로 측면 작용력(F1)이 가해질 때, 회전 모멘트 내지 마찰저항 모멘트(M = F×L)를 계산하기 위한 각 모멘트의 팔 길이를 정의한다. 먼저, 나사산이 형성된 너트의 암나사 반경은 r1이다.

측면 작용력 F1이 가해질 때, 발생 가능한 너트(10)의 회전 모멘트의 최대 팔 길이는 회전 중심에서 너트(10)의 외측면 모서리부(11)까지의 연직거리인 L1과 같다. 너트(10)와 와셔 경사면(24)사이에 발생하는 마찰저항모멘트의 팔 길이로 정의되는 L3도 회전 중심에서 너트(10)의 외측면 모서리부(11)까지의 연직거리인 L1보다 약간 작지만 거의 동일하다.

와셔의 바닥면(28)과 모재와의 수평 접촉면의 모멘트 팔길이는 와셔 바닥면(28)의 최외각 가장자리에 하방으로 돌출된 바닥 돌출부(29)를 형성한 경우에 회전 중심에서 와셔 바닥면(28)의 최외각 가장자리까지의 거리 또는 와셔 바닥면(28)의 반경과 거의 동일하다.

아래 표 3은 본 와셔에 가해지는 측면 작용력(F1)과 와셔의 각 구성요소의 값을 예시한다.

F1 (KN)	μ	r1 (mm)	a1 (도)	a2 (도)	L3 (mm)	L4 (mm)
100	0.25	10	2.28	4.68	17.5	K*r1

μ= μ1 = μ2 = μ3 = μ4, K = 와셔반경 확대계수

계산의 단순화를 위하여 각 표면에서의 마찰계수는 모두 동일한 것으로 가정한다.

너트의 규격은 M20의 보통나사를 기준으로, 암나사의 반경(r1)은 10mm, 너트의 회전중심에서 다각형인 너트의 바닥면 모서리부(13)까지의 연직거리는 15mm, 너트의 회전중심에서 너트의 외측면 모서리부(11)까지의 연직거리(L1)는 17.5mm로 가정한다. 나사산의 경사각(a1)은 나사산의 피치(pitch)를 2.5mm로 하여 도출된 값이며 와셔 경사면의 경사각(a2)은 와셔 경사면(24)의 개수를 6개, 각 경사면의 측면을 활용한 걸림턱(25)의 높이를 1.5mm로 가정하여 도출된 값이다.

와셔(20)의 바닥면(28)의 최소 반경으로 정의되는 L4의 길이는 상기한 도 5의 (b)와 같이 와셔(20)의 플랜지부(27)의 폭을 확장하거나, 도 6의 (b)와 같이 와셔의 바닥면(28)의 가장자리에 바닥 돌출부(29)를 형성하여 와셔 바닥면의 외곽 부위만 모재에 접촉되도록 함으로써 자유롭게 증가시킬 수 있다. 이는 종래의 노드 락 와셔와 대비되는 것으로서, 본 발명의 특징적 기술구성을 이룬다. 노드 락 와셔의 경우, 와셔의 반경을 증가시키게 되면 와셔의 경사면 또는 하부 와셔와 모재 사이의 수평 접촉면에서의 마찰저항모멘트가 증가하게 되었다. 그 결과, 너트와 상부 와셔와의 수평 접촉면에서 슬라이딩이 발생하게 되므로 와셔의 반경을 자유롭게 증가시키지 못하였다.

다른 실시예에 따르면, 와셔(20)의 플랜지부(27)을 확장하여 마찰저항모멘트를 증가시키는 방법 이외에도 와셔(20)의 바닥면(28)을 마찰계수가 높은 재질로 변경하여 마찰저항모멘트를 증가시키거나, 와셔(20)의 경사면(24)을 마찰계수가 낮은 재질로 변경하여 마찰저항모멘트를 감소시킬 수 있다.

와셔와 모재사이에서 발생하는 마찰저항모멘트의 최소 팔 길이를 나타내는 L4는 나사산의 반경(r1)으로부터 얼마나 반경이 증가되었는지를 나타내는 와셔반경 확대계수(K)를 이용하여 L4 = K*r1으로 정의한다. 이 K값은 너트에 풀림방향의 회전을 유발하는 진동 등 측면 작용력(F1)이 가해졌을 때, 너트의 바닥면과 와셔의 경사면 사이에서 먼저 슬라이딩이 발생한 후 정지된 상태를 가정하고, 이때 측면 작용력(F1)에 의해 와셔의 바닥면(28)에 유발된 너트풀림 방향의 회전모멘트의 크기가 바닥면(28)의 마찰저항모멘트 크기와 동일하다고 놓고 계산함으로서 도출할 수 있다.

실제로, 와셔의 바닥면 반경이 L4(K*r1) 보다 크게 되면, 와셔의 바닥면(28)과 모재의 수평면 사이에서보다 너트의 바닥면과 와셔의 경사면(24)에서 항상 먼저 슬라이딩이 일어난다. 따라서, 와셔의 경사면 각도(경사면 높이)가 정해지면, 이에 따라 경사면의 슬라이딩을 보장할 수 있는 와셔의 최소 반경(L4 = K*r1)이 결정되고, 와셔 바닥면의 반경(마찰저항모멘트의 팔 길이)을 이 최소 반경보다 더 크게 제작함으로써 너트의 풀림을 완전히 방지할 수 있다.

위 표 3과 같이 정의된 풀림 방지용 와셔(20)에 있어서, 실제 와셔반경 확대계수(K)를 계산해보면, 와셔의 경사면 높이가 1.5mm일 때, 경사면의 경사각은 4.68도가 되고, 와셔반경 확대계수(K)는 2.37이 된다. 이 때, 나사산의 반경(r1)이 10mm이므로, 와셔 바닥면의 최소 반경은 L4 = 23.7mm가 된다. 따라서, 실제 와셔의 바닥면 반경이 23.7mm보다 크면 와셔의 바닥면보다 와셔의 경사면에서 항상 먼저 슬라이딩이 일어나게 된다.

이러한 K값은 산출 공식은 다음과 같이 계산된다.

먼저, F1에 의한 와셔의 회전유발모멘트 M1 = [1.75*r1] * [R3*{sin(a2)+μ3cos(a2)}] 이고, F1에 의한 와셔 바닥면의 마찰저항모멘트 M2 = (K*r1)*μ4*R4이 된다. 여기서 R4 = R3*{cos(a2)-μ3sin(a2)}이므로, 회전유발모멘트와 마찰저항모멘트의 평형상태(M1 = M2)를 가정하면,

K = (1.75/μ4)*[{sin(a2)+μ3*cos(a2)}/{cos(a2)- μ3*sin(a2)}]가 도출된다.

여기에서, 와셔반경 확대계수 K는 수평 작용력(F1) 및 수직 지압력(P)와 무관하며, 너트의 나사산 경사각(a1)과 와셔의 경사면 경사각(a2)에 큰 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다.

와셔의 반경이 23.7mm인 경우와 25.0mm인 경우, 측면 작용력 F1=100KN에 의해 와셔에 발생되는 회전모멘트와 와셔 바닥면의 마찰저항모멘트를 계산해 보면 아래 표 4와 같다.

와셔의 바닥면 반경 (mm)	너트의 회전모멘트(N·m)	나사산의 저항모멘트(N·m)	와셔의 회전모멘트(N·m)	와셔 바닥면의 저항모멘트(N·m)
L4=23.7	1,750	455	1,295	1,295
L4=25.0	1,750	455	1,295	1,365

표 4에서 보는바와 같이, 너트의 회전모멘트(F1*L1 = 1,750)에 의해 유발되는 너트 나사산의 마찰저항모멘트(455) 및 와셔의 회전모멘트(1,295 = 1750 - 455)는 와셔의 바닥면의 최소 반경(L4)과 무관하게 일정하다. 한편, 실제 와셔의 바닥면 반경이 K*r1과 같거나(L4 = 23.7mm) 작은 경우에는 와셔 바닥면에 작용하는 마찰저항모멘트가 와셔의 회전모멘트와 같거나 작으므로 와셔의 바닥면에서 슬라이딩이 발생할 수 있으나, 바닥면의 반경이 K*r1보다 큰 경우(L4 = 25.0mm)에는 와셔 바닥면에 작용하는 마찰저항모멘트(1,365)가 와셔의 회전모멘트(1,295)보다 크므로, 와셔의 바닥면에서 슬라이딩이 발생하지 않게 되어서 영구히 풀림을 방지할 수 있다.

표 5 및 표 6은 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 경사면(24)의 높이(h)에 따른 응력 분포와 와셔반경 확대계수(K)를 나타낸 것이다. F1에 의해 경사면(24)에서만 슬라이딩이 충분히 발생한 후 정지되고, 와셔와 모재 사이의 수평면에서는 슬라이딩이 발생하지 않는 힘의 평형 상태를 조건으로 계산한 것이다. 나머지 너트와 와셔의 각 구성요소의 값은 상기 표 3에서 규정한 것과 동일하다.

경사면 높이 (h)(mm)	경사각 (도)	R1 (KN)	R3 (KN)	R4 (KN)	최소 와셔 반경(L4)(mm)	와셔반경 확대계수(K)
0.5	1.56	249	253	251	19.55	1.95
1	3.13	231	237	234	21.62	2.16
1.5	4.68	216	224	218	23.72	2.37
2	6.23	203	212	205	25.85	2.59

와셔 경사면 높이		와셔 반경
경사면 높이(h)(mm)	증가율	최소 와셔 반경(L4)(mm)	증가율
0.5	-	19.55	-
1.0	100%	21.62	11%
1.5	200%	23.72	21%
2.0	300%	25.85	32%

와셔의 경사면의 높이가 증가함에 따라 경사면에서의 슬라이딩을 보장하기 위한 최소 와셔 반경(L4)도 증가한다. 그러나, 와셔의 경사면의 높이 증가율에 와셔반경 증가율은 1/10 수준에 불과하므로, 와셔의 경사면의 변화에 따른 와셔반경의 증감은 그리 크기 않다. 따라서, 본 발명에 따르면 필요에 따라 와셔반경(모멘트 팔 길이, L4)를 조금씩 증가시킴으로써 수평면에서의 마찰저항모멘트를 증가시켜 경사면에서의 슬라이딩을 확실히 보장할 수 있다. 물론, 수평면에서의 마찰저항모멘트를 증가시키는 방법은 와셔반경을 증가시키는 것 외에도 마찰계수를 증가시키는 등 여러 가지 방법을 병행할 수 있음은 이미 상기한 바와 같다.

이에 더하여, 노드락 와셔는 일정한 크기의 수직 지압력(P)이 가해진 상황에서만 마찰저항모멘트를 발생시킬 수 있었으나, 본 발명은 수직방향 지압력(P)이 가해지지 않은 상황이라 하더라도 측면 작용력(F1)이 가해지면 바로 경사면(24)에 의한 압축응력과 마찰저항력이 발생하므로, 볼트가 느슨하게 풀린 상태에서도 풀림방지 기능을 발휘할 수 있다는 또 다른 장점이 있다. 왜냐하면, 본 발명의 풀림방지 와셔는 풀림을 유발하는 수평방향의 충격력(F1)의 크기에 상관없이 항상 수평면보다 경사면에서 먼저 슬라이딩이 발생하여 수직방향의 지압력(P)을 증가시키고, 증가된 지압력(P)은 경사면과 수평면의 마찰저항모멘트를 증가시키며 선순환하기 때문이다.

다음으로 도 22 내지 도 24를 참조로 본 발명에 따른 또 하나의 중요한 기술구성인 끼움 고정편(26)에 대해 설명한다.

이 끼움 고정편(26)은 와셔 몸체부(21)에 상기 볼트 삽입공(23)의 중심축 방향을 향해 상방 또는 하방으로 경사지게 형성되고, 상기 볼트 또는 너트가 조여진 상태에서 볼트의 나사산에 강하게 끼움 결합되도록 구성된다.

도 22는 와셔의 끼움 고정편(26)이 하방으로 경사지게 형성된 실시예를 나타낸다. 도 22의 (a)와 같이 너트(10)가 조여지는 방향으로 회전하게 되면, 너트(10)의 바닥이 와셔 몸체부(21)의 상부면(22)에 접촉되면서 계속 하강하게 된다. 이에 따라 와셔의 끼움 고정편(26)이 나사축 방향으로 가압되어 점차 수평하게 펴지게 되고, 도 22의 (b)와 같이 최종적으로 볼트(2)의 몸통의 나사산 사이에 압착되어 끼움 결합된다. 그 결과, 상기 끼움 고정편(26)이 볼트(2)의 몸통을 강력하게 물어줌으로써, 충격과 진동 등 외력에 의한 와셔의 요동을 방지하고, 풀림 방지용 와셔(20)와 모재(1) 간의 마찰저항력에 더하여 풀림 방지용 와셔(20)와 볼트(2)의 몸통 간의 상대 회전에 저항하는 마찰저항력을 발생시키며, 이는 너트와 와셔의 경사면(24)에서 가장 먼저 슬라이딩이 발생할 수 있도록 보조해준다.

특히, 이러한 끼움고정편(26)은 너트와 와셔에 가해지는 충격과 진동 등 외력에 의하여 와셔가 먼저 미세하게 풀리는 방향으로 회전하고 너트가 따라 돌아가는 현상을 반복하면서 풀리게 되는 문제점도 원천적으로 해소시켜 준다. 왜냐하면 다수의 끼움고정편이 볼트의 나사산을 강하게 물고 있기 때문에 와셔가 너트보다 먼저 역회전하려면 볼트의 나사산을 따라서 회전하면서 나사축 방향으로 이동하여야 하나, 너트의 바닥면에 의해 이동경로가 막혀 있기 때문에 와셔가 너트보다 먼저 풀어지는 방향으로 회전할 수 없기 때문이다.

더욱이, 도 22의 (b)에서 보는 바와 같이, 볼트(2)의 나사산이 나선형으로 형성되어 있으므로 볼트(2)의 축방향을 기준으로 좌우측에 형성된 나사산의 높이가 다르게 된다. 따라서, 풀림 방지용 와셔(20)의 끼움 고정편(26)이 강하게 끼움 결합되는 볼트 나사산의 위치(A,B)의 높이가 달라지고, 그 결과 너트(10)와 볼트(2)의 몸통 사이에 편심이 발생하여 마찰 저항력을 더욱 증가시켜 준다.

도 23은 와셔의 끼움고정편(26)이 상방으로 경사지게 형성되어 있는 실시예를 나타낸다. 끼움고정편(26)의 경사 방향을 제외하고는 도 22를 참조로 설명한 실시예와 작동 관계가 동일하므로 이에 대한 상세한 내용은 생략하기로 한다.

도 24는 와셔의 끼움고정편(26)의 단부 형상에 대한 다양한 변형예를 나타낸다. 도 24의 (a)에 도시된 톱니형은 끼움고정편(26)의 단부가 톱니 형상으로 이루어진 것으로, 이들 톱니들이 볼트(2)의 나사산을 상하로 어긋나게 물어주므로 와셔의 위치 고정력을 향상시켜준다. 도 24의 (b)에 도시된 첨예형은 끼움고정편(26)의 단부가 뾰족한 형상으로 이루어진 것으로서, 볼트(2)의 몸통을 파고드는 단위면적당 지압력을 증가시켜 준다. 도 24의 (c)에 도시된 빗살형은 끼움고정편(26)의 단부가 반지름 방향을 따라 다수개로 갈라진 형상으로 이루어진 것으로서, 진동과 충격에 의해 단부가 파손되지 않도록 완충 기능을 제공해 준다. 도 24의 (d)에 도시된 복합형은 상술한 톱니형과 빗살형을 반복적으로 구현한 것으로서, 양 변형예의 장점을 복합적으로 나타낸다.

마지막으로, 도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 본 발명의 풀림방지용 와셔는 너트 또는 볼트 머리의 크기를 증가시킬 수 있는 보조 슈즈를 세트로 구비할 수 있다. 도 25에는 사각 와셔에 삽입할 수 있는 사각형의 보조 슈즈(40)가 예시되어 있고, 도 26에는 육각 와셔에 삽입할 수 있는 육각형의 보조 슈즈(40)가 예시되어 있다.

현재 판매되고 있는 너트 또는 볼트 머리의 크기는 규격에 따라 매우 다양하다. 이러한 규격을 모두 만족시키기 위하여 다양한 직경을 가지는 풀림 방지용 와셔를 제조할 수도 있다.

그러나, 다른 실시예로서 도 25 및 도 26에서 보듯이 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 규격은 통상의 너트(10) 또는 볼트 머리의 크기보다 조금 크게 제조하고, 보조 슈즈(40)를 이용하여 너트(10) 또는 볼트 머리의 크기를 풀림 방지용 와셔(20)의 규격에 맞추어 증가시키는 방법도 사용 가능하다. 상대적으로 복잡한 형태를 가진 본 발명에 따른 풀림 방지용 와셔(20)의 규격은 몇 가지로만 표준화하고, 보다 간단한 형태로 제조 가능한 보조 슈즈(40)를 너트 또는 볼트 머리의 크기에 맞추어 다양한 규격으로 제조함으로써, 생산 및 사용 상의 편리성을 제고할 수 있다.

더욱이, 도 25에 도시된 바와 같이, 보조 슈즈(40)를 사용하면 육각형의 너트(10)를 사각형의 풀림 방지용 와셔(20)에 사용할 수도 있다. 그 결과, 육각형의 풀림 방지용 와셔(20)를 사용하는 경우보다 경사면의 길이 증가, 경사각 낮춤 및 걸림턱 높임 효과로 인하여 안정적인 걸림 및 풀림 방지 기능을 발휘할 수 있다.

마지막으로, 도 27은 본 발명에 따른 바닥 고정돌기(28a)를 나타낸다. 이 바닥 고정돌기(28a)는 풀림 방지용 와셔(20)의 바닥면(28)에 삼각 형상을 갖는 복수개의 돌기가 하방으로 뾰족하게 배열된다. 이 바닥 고정돌기(28a)는 너트가 조여지는 방향으로 회전할 때 모재의 표면을 긁어면서 파고 들어가기 때문에 모재 표면에 경사면이 형성되어, 와셔가 풀리는 방향으로 회전하는 것을 방지하는 마찰저항모멘트를 증가시켜 줄 수 있다. 또한, 이러한 바닥 고정돌기(28a)의 개수를 2 ~ 3개로 최소화하거나 고정돌기(28a)의 높이를 서로 다르게 형성하면 모재를 파고 들어가는 단위면적당 지압력이 극대화되고 볼트와 너트의 나사축 사이에 편심 발생을 통한 마찰저항력 증가도 유도될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 모재 2: 볼트
10: 너트 11: 외측면 모서리부
13: 바닥면 모서리부 20: 풀림 방지용 와셔
21: 몸체부 22: 상부면
23: 볼트 삽입공 24: 경사면
25: 걸림턱 26: 끼움 고정편
27: 플랜지부 28: 바닥면
28a: 바닥 고정돌기 29: 바닥 돌출부
30: 경사 굽힘편 31: 경사 돌기편
40: 보조 슈즈 a1: 나사산 경사각
a2: 와셔 경사각

Claims

중앙에 볼트 삽입공이 형성되고, 상부면에 볼트 머리 또는 너트가 안착되는 와셔 몸체부;
상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 조여지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리부가 걸려지도록 형성된 걸림턱; 및
상기 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트의 바닥면과 접촉되어 상기 볼트 머리 또는 너트가 타고 올라가도록 형성된 경사면;을 포함하고,
상기 경사면은 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 바깥쪽에 형성된 측면 경사면과 상기 너트의 각 바닥면 모서리부에 대응하는 선의 안쪽으로 연장 형성된 바닥 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 걸림턱 및 경사면은 상기 볼트 삽입공의 중심축을 기준으로 일정 반경으로 그려지는 원의 원주 방향을 따라 다수 개가 형성된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 걸림턱은 다각형인 상기 볼트 머리 또는 너트의 각각의 모서리부에 일대일로 대응되도록 형성된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 경사면은 상기 볼트 또는 너트가 풀어지는 방향으로 회전할 때 상기 볼트 머리 또는 너트가 나사산을 타고 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리보다 상기 볼트 머리 또는 너트가 상기 경사면을 타고 올라가면서 전진하는 볼트 나사축 방향의 이동거리가 더 크도록 형성된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 와셔 몸체부에는 상기 볼트 삽입공의 중심축을 향해 하방 또는 상방으로 경사지게 형성되고, 상기 볼트 또는 너트가 조여진 상태에서 볼트의 나사산에 끼움 결합되는 끼움 고정편이 마련된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 와셔 몸체부에는 그 둘레를 따라 플랜지부가 연장 형성된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 와셔 몸체부는 다각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 와셔 몸체부의 바닥면에는 그 가장자리를 따라 하방으로 돌출 형성된 바닥 돌출부가 마련된 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 와셔 몸체부의 바닥면에는 복수개의 바닥 고정돌기가 하방으로 뾰족하게 돌출 형성된 것을 특징으로 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 걸림턱과 경사면은 납작한 판재 형태로 된 상기 와셔 몸체부의 일부를 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리 라인을 따라서 일정한 형상으로 절개하고, 절개된 부분을 상부로 굽힘 가공하여 만든 경사 굽힘편에 의해 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.
청구항 1에 있어서,
상기 걸림턱과 경사면은 납작한 판재 형태로 된 와셔 몸체부의 상부면에 상기 볼트 머리 또는 너트의 모서리 라인을 따라서 일정한 길이를 가지도록 돌출 형성한 경사 돌기편에 의해 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 풀림 방지용 와셔.