KR102069413B1 - 나사산이 없는 너트 고정구에 사용하기 위한 고성능 억지 조임 나사／볼트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나사가 고정구 내의 통상적인 직경의 구멍에 삽입되고 그리고 나사산 나선각이 나사/볼트의 고정구 내로의 상대적인 축방향 전방 이동이 야기되는 방식으로 회전되는 경우에 상대 너트 나사산을 형성하는데 특히 적합한 나사/볼트 나사산 프로파일 기하학적 구조를 제공하는 것에 관한 것이다. 이런 회전 및 상대적인 축방향 이동은 나사/볼트 나사산과의 상대 접촉부를 갖는 너트 나사산을 발전시키는데 있어서의 원동력이 된다.

Description

나사산이 없는 너트 고정구에 사용하기 위한 고성능 억지 조임 나사／볼트{HIGH PERFORMANCE THREAD ROLLING SCREW／BOLT FOR USE IN AN UNTHREADED NUT ANCHOR}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 본 명세서에서 원용되는 앨런 프리처드(Alan Pritchard)에 의해 2013년 7월 19일자로 출원된 "나사산이 없는 너트 고정구에 사용하기 위한 고성능 억지 조임 나사/볼트"라는 미국 특허 가출원 제61/856,218호의 우선권을 주장한다.

기술분야

본 발명은 연성 재료의 나사산이 없는 너트 고정구에 삽입되어 조립체를 형성하는 고성능 억지 조임 나사(thread rolling screw)에 사용될 때 특히 유익한 신규한 나사 나사산 프로파일 기하학적 구조에 관한 것이다.

고성능 억지 조임 나사는 강철의 경합금 고정구 내에 대응 너트 나사산을 탭핑하기 위한 수단을 제공하기 위해 1960년대에 처음으로 시장에 도입되었으며, 그리고 고정구 내에 형성되는 나사산은 표준 기계 나사/너트 나사산과 관련된 더 종래의 나사산 탭핑 또는 나사산 성형 기술에 의해 제조된 나사산과 동일하였다. 나사는 조립체로 삽입되었을 때 완성된 조립체의 일체형 부품으로서 유지된다. 이 시스템은 판금 구조체의 조립을 위해 1930년대에 도입되었던 자체 탭핑 나사와 여러모로 유사하다. 2개의 시스템 간의 차이점은 "고성능 억지 조임 나사"는 특정된 "기계 나사 표준"에 상응하는 대응 너트 나사산을 생성하였으며 그리고 공칭 나사 직경의 2배를 초과하는 두께를 가지는 고정구에 사용될 수 있었다는 점이다. 이런 특징은 1930년대의 자체 탭핑 나사로는 일반적으로 가능하지 않았다.

그런 제품의 현장에서의 비용 절감 이점을 인지하였던 산업에서 1960년대 버전의 도입시에 예상되었던 이익을 초과한, 그 보다 높은 이익을 요구하였다는 점에서 '고성능 억지 조임 나사'의 원 설계 개념에 대한 많은 개선이 이루어지고 있다.

이런 유형의 제품에 대한 산업적 수요를 충족시키기 위해 취해지고 있는 진행중인 방법들의 진보성을 강조하고 있는 수많은 특허가 전 세계적으로 허여되고 있다. 그 중에서도, 개선에 대한 요구를 충족시킨 미국 허여 특허는 그 내용이 본 명세서에서 원용되는 앨런 프리처드에게 1998년 3월 3일자로 허여된 "나사산이 형성된 체결구 시스템"이라는 발명의 명칭의 미국 특허 제5,722,808호를 포함한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 나사가 고정구 내의 통상적인 직경의 구멍에 삽입되고 그리고 나사산 나선각으로 인해 나사/볼트의 고정구 내로의 상대적인 축방향 전방 이동이 야기되는 방식으로 회전되는 경우에 상대 너트 나사산을 형성하는데 특히 적합한 나사/볼트 나사산 프로파일 기하학적 구조를 제공하는 것이다. 이런 회전 및 상대적인 축방향 이동은 나사/볼트 나사산과의 상대 접촉부를 갖는 너트 나사산을 발생시키는데 있어서의 원동력이 된다.

신규한 나사산 프로파일 설계는, 너트 나사산 성형 공정 동안 그 자체의 기능을 각각 수행하지만 또한 직렬 연계 작용하여 다른 공지된 시스템을 초과한, 그 보다 높은 이점을 제공하도록 작동하는 3개의 규정된 구역 또는 섹션으로 구성된다는 점에서 고성능 억지 조임 나사에 이용된 다른 공지된 설계와 다르다. 본 발명의 나사산 프로파일은 나사/볼트의 축에 직각인 가상선 주위로 대칭이다.

구역 'A'(도 2)로 규정되는 나사산 프로파일의 중간 섹션은 기계 나사 유형의 나사산의 선택된 기초 피치 직경 더하기 선택된 '기본 편차' 주변에서 전개된다. 선택된 값은 M 프로파일 나사산, U.N.C. 나사산 또는 U.N.F. 나사산을 위한 표준으로서, 또는 특별한 요구에 적용될 수도 있는 임의의 다른 표준으로서 수용되는 값일 수 있다. 구역 'A'의 높이는 사다리꼴 기하학적 구조의 단면을 형성하도록 이런 기준선 위 및 아래로 균등하게 간격을 두고 있다. 사다리꼴의 높이의 크기는 예시적으로 특별한 체결구 나사산을 위해 선택되는 피치 직경 공차의 1.5배 내지 3배 정도이다. 사다리꼴의 각도는 선정된 특정 표준에 관련되는 각도이다. M 프로파일 및 유니파이드 나사산(Unified thread)을 위해, 이 각도는 60°이다.

구역 'B'(도 2)로 규정되는 나사산 프로파일의 팁 섹션은 포물선을 이용하여 전개된다. 포물선은 외부 섹션의 양쪽 변에 대해 구역 'A'의 상부/외부 지점이 종결되는 지점과 연계하여 나사산 팁 폭 및 외주변부로부터 구성된다. 이들 결정 지점의 위치는 도 2 및 도 3을 참조하여 기술된다.

구역 'C'(도 2)로 규정되는 루트 섹션은 쌍곡선을 이용하여 전개된다. 쌍곡선은 내부 나사산 구역의 양쪽 변에 대해 나사산 루트가 나사산들 사이의 공간의 중심과 일치하는 지점 및 구역 'A'의 내부/외부 지점으로부터 구성된다.

외부 팁(구역 B)을 위한 포물선 및 쌍곡선 루트 섹션(구역 'C')의 전개는 각각의 형상이 그로부터 전개되는 상이한 시작 위치들을 이용한다는 것은 처음으로 제기되는 것이다. 팁을 위한 포물선은 사다리꼴의 측면에 평행하게 연장되는 변을 갖는 직사각형에 기초한다. 루트 쌍곡선의 전개를 위한 직사각형은 나사의 축에 직각인 변을 갖는다. 이런 차이점의 목적과 혁신적인 용도가 이후에 도시 및 설명된다.

나사/볼트의 진입 단부는 이 단부를 향해 내향으로 테이퍼지는 규정된 개수의 나사산 피치로 구성된다. 신규한 나사산 프로파일 설계로 인해, 이들 테이퍼 나사산은 전체 프로파일에 있어서 구역 'B'와 같이 형성되는 포물선 형상을 진입부에 갖는다. 이런 기하학적 구조는 너트 나사산이 완전히 형성됨에 따라 제어가능하게 증가되는 초기의 낮은 나사산 성형 토크를 허용한다. 이 지점의 나사산 형상은 또한 나사/볼트가 제거되고 재삽입되어야만 하는 '크로스 스레딩(cross threading)'을 방지하는데 도움을 준다.

본 발명의 상술된 이점 및 추가적인 이점은 유사한 도면부호가 동일한 또는 기능적으로 유사한 구성요소를 나타내는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 양호하게 이해될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 체결구의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 혁신적인 나사산 프로파일의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 나사산 팁 부분 포물선을 생성하는데 사용되는 전개도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 나사산 루트 쌍곡선의 전개도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 진보적인 나사산 프로파일(26)을 포함하는 나사산 성형 나사/볼트(20)가 도시되어 있다. 나사/볼트는 적절한 나사산이 없는 파일럿 구멍을 포함하는 너트 부재 'N'과 나사/볼트 사이에 상대적인 회전을 부여하기 위한 적절한 수단을 갖춘 헤드(22)를 포함한다. 나사산이 형성된 섕크(23)는 나사/볼트의 헤드의 하부로부터 연장되어 헤드(22)로부터 가장 먼 말단에서 테이퍼형 리드 진입 단부(24)로 종결된다. 섕크(23)는 그 내용이 본 명세서에서 원용되는 미국 특허 제3,195,196호에 규정되어 있는 형태인 소엽형(lobular) 단면 영역 기하학적 구조를 예시적으로 포함한다. 단면 영역은 또한 필요하다면 원형 형태일 수도 있다. 테이퍼형 리드 진입 단부(24)는 너트 고정구 'N'의 파일럿 구멍 내로의 용이한 삽입을 가능하게 하기 위해 테이퍼(24a)로 구성된다.

섕크(23)는 코어(25)와, 코어(25) 둘레에 형성된 나선형 나사산(26)을 포함한다. 나선형 나사산(26)은 나사/볼트 축(28)에 직각인 가상선(27) 주위로 대칭이다. 나사산 나선각 α의 크기는 나사산 주 직경(29) 및 선택된 나사산 피치(34)에 대한 선정된 값으로부터의 수학적 전개값이다.

도 2를 참조하면, 나사산 프로파일이 보다 상세히 도시되어 있다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 나사산(26)은 3개의 구역, A, B 및 C를 포함한다. 각각의 구역은 체결구 축(28)(도 1)에 대한 가상 수직선(27) 주위로 대칭이다.

구역 'A'는 단면에서 보면 나사산의 중앙 섹션이다. 이 구역은 60°인 면각(101)을 갖는 사다리꼴로 보일 수 있거나, 또는 특정한 조립체 요구에 맞도록 선정되는 공지된 표준 사양에 대해 특정된 각도의 사다리꼴일 수도 있다. 직경(31)은 나사산을 위한 선정된 기초 피치 직경 더하기 선택된 기본 편차에 관련된 직경이다. 기초 피치 직경 외에도 '기본 편차'를 사용하는 것은 팁 폭(40)과 관련하여 사용되는 경우의 구성에서 명확한 팁 프로파일 포물선을 달성하기 위한 신규한 수단이다. 사다리꼴의 높이(32)는 직경(31) 주위로 균등하게 간격을 두고 있다. 높이(32)는 예시적으로 체결구의 나선형 나사산(26)의 직경(31)을 위해 선정된 제조 공차의 2배와 동일한 크기이다. 그러나, 사다리꼴의 높이는 나사산 피치 직경(31)을 위해 선정된 제조 공차의 1.3배 내지 2배의 범위 내에 있을 수 있다. 편평면 폭(31a)은 높이(31)와 면각(101)으로부터 수학적으로 결정된다(예로서, 면각 = 60°에 대해서 31a = 31 / sin 60).

선택된 피치 직경(31)에 관련된 사다리꼴의 폭(33)은 예시적으로 체결구를 위해 선택된 나사 축방향 나사산 피치(34)의 1/2과 동일해야 한다. 사다리꼴 구역의 말단은 지점(35, 35a, 36, 36a)에서 종결된다. 이들 지점은 나사산 팁 구역 'B'의 기점[지점(35, 35a)] 및 나사산 루트 구성 구역 'C'의 기점[지점(36, 36a)]에 대한 상대적인 위치를 제공한다.

구역 'B'는 팁 폭(40)과, 체결구의 선택된 피치 직경(31) 위의 높이(41)를 갖는 나사산의 팁인 것으로 도시되어 있다. 팁 폭(40)은 체결구 축(28)에 대한 가상 수직선(27) 주위로 균등하게 간격을 두고 있으며, 선택된 나사 축방향 피치의 1/10과 동일한 예시적인 크기를 갖는다. 그러나, 팁 폭은 선택된 축방향 피치(34)의 0.10배 내지 0.125배의 범위 내에 있을 수도 있다. 이 팁 폭의 말단은 지점(42, 42a)으로 표시되어 있다. 2개의 추가적인 가상 지점(43, 43a)은 구역 'A'의 변 프로파일 면에 직각으로 배치되고 그리고 이 변 프로파일 면에 대한 평행선(44, 44a)과 직접적으로 관련된다.

팁의 프로파일(45, 45a)은 포물선으로 구성되며, 구역 'B'의 나사산 프로파일 및 팁 섹션을 완성시킨다. 포물선(45)은 도면부호 35, 42 및 43으로 표시된 지점들 사이에서 구성되고, 포물선(45a)은 지점들(35a, 42a, 43a) 사이에서 구성된다.

도 3을 참조하면, 상대적인 지점들 사이에 도시된 바와 같은 포물선(45)의 구성이 도시되어 있다. 포물선(45a)은 포물선(45)의 거울상으로 구성된다.

팁 포물선은, 체결구가 대응 너트 나사산을 형성하도록 초기에 삽입되어 구동될 때, 너트 고정구 재료 N의 제어가능한 유동 속도를 제공하기 위해 도입된다. 초기 유동 속도는 상대적으로 높으며, 그리고 대응 나사산 결합부가 달성됨에 따라 포물선의 영향을 받아 감소 및 제어된다. 이런 제어의 이점은 대응 너트 및 볼트 나사산을 구성하기 위한 보다 효과적인 방법을 이룰 수 있게 하는 것이다.

구역 'C'의 프로파일 면(51, 51a)은 쌍곡선으로 구성된다. 프로파일 면(51)은 지점들(36, 52, 53) 사이에서 구성된다. 지점(52)은 체결구 코어(25)의 외주변부 및 선택된 체결구 나사산 축방향 피치(34)의 중간 지점에 있는 예시적인 위치를 갖는다. 지점(53)은 구역 'A'의 프로파일 면의 도면부호 36으로 표시된 위치로부터 내향으로 연장되는 가상 수직선과 체결구 코어(25)의 주변부와의 그 교차부의 교차 지점에 있는 예시적인 위치를 갖는다.

도 4는 나사산 프로파일의 루트에서 쌍곡선을 전개시키는데 이용되는 방법에 관한 도면을 도시한다. 프로파일 면(51a)은 말단들(36a, 52a, 53a)을 이용하는 쌍곡선으로 구성되는데, 이 말단들은 상기 단락에서 개략적으로 설명된 형상의 거울상을 전개시킨다.

루트 구조를 쌍곡선으로 전개시키는 목적은 고성능 억지 조임 나사/볼트의 삽입 동안 너트 나사산 성형을 향상시키는 제어가능한 속도에서의 너트 재료 유동을 도와주는 것이다. 추가적인 이점은 이런 진보적인 나사산 루트 형태의 신규한 구성이 조립체에 있어서 심각한 요인이 되는 나사/볼트의 피로 포텐셜에 저항하는데 도움을 준다는 점이다.

본 발명의 예시적인 실시예가 상술되었지만, 통상의 기술자는 설계 또는 구성의 상세 사항에 대한 수많은 변경예 또는 변형예가 본 발명을 벗어나지 않고 이루어질 수도 있음을 알 것이다.

본 발명의 대안적인 일 실시예는 나사가 플라스틱 요소들의 조립체에 사용될 때 이점을 제공하도록 본 발명의 진보적인 기술 사상을 구성하는 것이다. 이를 위해 채용될 수도 있는 변경 사항은 도 2를 참조한다.

나사산 각도(101)는 65° 내지 75°의 범위 내에 있다. 팁 폭(40)은 '플라스틱 재료에 사용되는 나사'에 대한 관행에 따라 선택된다. 가상 피치 직경(31)은 나사산 깊이부의 높이의 1/2이도록 선택된다. 그런 높이는 나사 외경(29)에서 나사 루트 직경(25, 나사산 내경)을 빼고 그리고 그 결과를 2로 나누는 것을 이용하여 구성된다.

프로파일의 팁(구역 'B')은 가상선(44)을 따라 전개되면서 규정된 지점(42, 43)을 이용하는 쌍곡선으로 구성되는 나사산 면을 갖는다. 이 가상선(44)은 이제 플라스틱 재료에 사용하기 위한 혁신적인 나사산의 경사면 프로파일이다. 나사산의 루트를 향하는 나사산 형태는 현재 쌍곡선이다. 이 구성 방법을 이용함으로써, 나사산의 폭(33)은 경사면(44)이 가상 피치 직경(31)과 조우하는 부분의 폭에 상당하도록 감소된다.

다음의 청구범위는 본 명세서에 개시된 본 발명의 일반적인 특징 및 특정한 특징 모두를 커버하는 것임을 또한 알 것이다.

Claims (10)

1. 억지 조임 체결구로서,
   3개의 구역으로 형성되는 나사산 프로파일을 포함하고,
   외부 구역 프로파일은 포물선으로 구성되는 나사산 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되고,
   중앙 구역은 사다리꼴의 변으로 구성되는 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되고,
   내부 구역은 쌍곡선으로 구성되는 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되며,
   프로파일 형태는 선택된 기초 피치 직경 주변에서 전개되고, 상기 피치 직경은 선택된 기본 편차가 추가되는 선택된 공칭 기초 피치 직경이며, 상기 사다리꼴의 변의 높이는 상기 피치 직경 상하로 균등하게 간격을 두고 있고,
   외부 구역 포물선은 나사 또는 볼트 나사산의 주 외경을 향해 중앙 사다리꼴의 상부 위치로부터 구성되고, 상기 포물선이 종결되는 팁 폭이 상기 외경에 존재하고,
   내부 구역 쌍곡선은 중앙 사다리꼴의 내부 위치로부터 구성되고 그리고 나사산 내경을 향해 연장되며, 상기 내부 구역 쌍곡선은 나사산들 사이의 중간 위치와 나사산 내경의 교차점까지 연장되는, 억지 조임 체결구.
2. 제1항에 있어서, 상기 중앙 사다리꼴의 높이는 기초 피치 직경을 위해 선정된 제조 공차 더하기 선택된 기본 편차의 1.3배인, 억지 조임 체결구.
3. 제1항에 있어서, 상기 중앙 사다리꼴의 높이는 기초 피치 직경을 위해 선정된 공차 더하기 선택된 기본 편차의 1.3배 내지 2배의 범위 내에 있는, 억지 조임 체결구.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나사산 프로파일의 팁 폭은 나사산 프로파일의 주 직경에서 선택된 나사산 축방향 피치의 0.10배인, 억지 조임 체결구.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나사산 프로파일의 팁 폭은 나사산 프로파일의 주 직경에서 선택된 나사산 축방향 피치의 0.100배 내지 0.125배의 범위 내에 있는, 억지 조임 체결구.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나사산의 외부 프로파일을 위해 전개된 포물선은 팁 폭의 외부 지점과 중앙 사다리꼴의 상부 및 외부 지점 사이에 생성되는, 억지 조임 체결구.
7. 제1항에 있어서, 상기 나사산의 내부 프로파일은 나사산 내경과 조우하는 인접한 나사산들 사이의 중간 위치와 중앙 사다리꼴의 하부 및 외부 지점 사이에서 쌍곡선으로 전개되는, 억지 조임 체결구.
8. 제1항에 있어서, 팁에 인접한 외부면을 위한 포물선을 구성하도록 전개되는 직사각형은 중앙 사다리꼴의 면에 평행한, 억지 조임 체결구.
9. 제1항에 있어서, 루트 쌍곡선을 구성하기 위한 직사각형은 체결구의 축에 직각인 수직변을 갖는, 억지 조임 체결구.
10. 3개의 구역으로 형성되는 나선형 나사산 프로파일을 갖는 억지 조임 체결구로서,
    사다리꼴의 변으로 구성된 제1 구역 나사산 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되는 프로파일을 갖는 제1 구역으로서, 프로파일 형태는 미리 결정된 기본 편차가 추가되는 선택된 공칭 기초 피치 직경을 포함하는 미리 결정된 선택된 기초 피치 직경에 기초하며, 상기 사다리꼴의 변은 사다리꼴의 변의 중간 지점이 상기 미리 결정된 기초 피치 직경 상하로 균등하게 간격을 두도록 배열되는, 제1 구역과,
    포물선으로 구성된 제2 구역 나사산 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되는 프로파일을 갖는 팁 섹션의 제2 구역과,
    쌍곡선으로 구성된 제3 구역 나사산 프로파일 면을 갖는 것으로 형성되는 프로파일을 갖는 루트 섹션의 제3 구역을 포함하는, 억지 조임 체결구.

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