KR20050048676A - 파단 체결 시스템 - Google Patents

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Abstract

체결 시스템은 환형 용접부(26)를 가지는 용접 스터드(10)와 파괴 가능한 너트를 가진다. 파괴 가능한 너트 및 스터드 구조는 구조적인 부품의 파괴 전에 비틀림 하중 하에서 파괴도는 구성을 하고 있다.

Description

파단 체결 시스템 {BREAK AWAY FASTENING SYSTEM}
본 출원은 2002년 10월 7일에 출원된 미국 가출원 제60/416,614호의 PCT 국제 출원이다. 본 출원은 2002년 10월 24일에 출원된 미국 가출원 제60/420,951호의 이익을 청구한다. 상기 출원의 기재는 본 명세서에 참조된다.
본 발명은 부재를 금속 구조부에 체결하는 체결 시스템에 관한 것이며, 특히 부재를 시트 금속에 체결하는 체결 시스템에 관한 것이다. 환형 용접면을 갖는 나사형 금속 스터드는 단시간 아크 용접으로 구조부에 체결되고, 파열 가능한 체결 너트는 부재와 구조부를 체결하도록 스터드 상에 나사 결합된다.
금속 용접 스터드는 통상 로드 재료로부터 냉간 성형되는 것과 같은 표준 체결 스탬핑 방법에 의해 형성된 비압축성 고체 본체이다. 그러한 용접 스터드는 용접 스터드를 통해 에너지를 제공하여 원형 희생 용접 요소와 기판 재료 구성 요소의 부분 모두를 녹이는 공지된 용접 장치를 사용하여 구성 요소의 표면에 용접된다. 용접 스터드는 액화된 금속을 혼합하여 냉각시킴으로써 기부 재료에 고정된다. 용접 장치, 특히 용접 총(weld gun)은 스터드의 견부와 용접될 면의 단부 사이의 구역에 클램핑 조오를 사용하여 용접 스터드를 파지한다. 각각의 용접 스터드는 용접 직전에 한번에 하나씩 용접 총의 입부 내에 위치된다. 이러한 스터드의 크기, 중량 및 구조는 취입 용접 총에 따라 그 사용이 제한된다.
수송 산업에서의 연료 절감 요구의 증가로 인해 더 얇은 게이지 재료의 사용이 요구된다. 특히, 폴리머 코어를 갖는 복합 금속 재료 및 특정 복합 알루미늄 재료는 다양한 구조의 표면 재료 또는 표피 재료로 효과적으로 사용되어 왔다. 이러한 매우 얇은 금속 적층물은 통상 적층물의 일측면 상에 지지 구조에 체결됨으로써 지지 구조에 결합되거나 체결된다. 이를 위해, 스터드를 구조에 용이하게 결합시키기 위해 적층 구조에 통상적인 용접 스터드를 체결하는 것이 공지되었다.
통상, 용접 스터드는 얇은 적층 재료의 적어도 제1 층을 통해 연소한다. 용접은 용접 스터드 적층 경계면의 강도를 상당히 약화시키는 응력을 발생시킨다. 용접 스터드의 반복적인 하중은 결합 경계면에 소성 변형을 일으키고, 적층 경계면에서 스터드의 조기 파괴를 일으킨다.
공지된 스터드는 헤드 및 헤드에 연결된 섕크를 갖는다. 스터드의 헤드는 차량 본체의 시트 금속에 용접된다. 용접 작업은 공지된 유도 아크 용접의 방법에 따라 수행된다. 이러한 방법에서, 스터드는 시트 금속과 접촉하고, 그 후에 용접 전류가 켜지며, 스터드가 시트 금속을 유도하여 스터드와 시트 금속 사이에 아크가 형성된다. 아크가 연소하는 동안, 스터드 헤드의 일부와 시트 금속의 일부가 용융된다. 용융된 금속이 충분한 양으로 발생되면, 스터드는 용융물내로 유도된다. 이와 같은 용접 작업은 여러 가지 인자에 의해 영향을 받는다. 각각의 인자의 영향은 용접 스터드가 유도 아크 방법일 때 오류를 발생시키기 쉬운 다양한 효과를 갖는다.
아크를 발생시키기 위해, 스터드의 헤드 형상은 그에 따라 설계되어야 한다. 이러한 관계에서, 원추형 팁을 구비한 헤드를 갖는 스터드는 당해 분야에 공지되었다. 대체로 평평한 헤드/전방 단부를 갖고 전방 단부의 중심에 점화 팁이 형성된 스터드 또한 공지되었다. 평평한 전방 단부를 갖는 스터드 또한 공지되었다. 나사형 스터드는 소의 단시간 아크 용접으로 본체의 금속 시트 상에 용접된다. 단시간 아크 용접은 또한 금속 스터드(나사형 스터드)가 본체의 시트 금속과 접촉하도록 위치된 스터드 용접으로 공지되었다. 그 후에 감시 전류가 켜지고 금속 스터드는 다시 본체의 시트 금속으로부터 약간 상승된다. 동시에, 아크가 유도된다. 그 후에, 용접 전류가 켜져서 금속 스터드의 대면하는 표면과 본체 시트 금속이 용융된다. 그 후에, 금속 스터드는 본체의 시트 금속으로 다시 하강하여 용융물이 결합된다. 용융 전류는 꺼지고 용융된 전체 질량체가 고화된다.
그 후에, 체결 너트는 통상 스터드 상으로 나사 결합되어, 본체의 시트 금속으로부터 돌출한다. 너트는 부재를 시트 금속에 고정시키는 역할을 한다. 대체로, 체결 너트는 합성 금속으로 제조된다. 스터드는 넓은 피치 나사형 스터드 또는 좁은 피치 나사형 스터드일 수 있다. 정합 나사는 체결 너트에 제공된다. 넓은 피치 나사의 경우에, 체결 너트에 단지 하나의 구멍이 제공될 수 있다. 그 후에 넓은 피치 나사는 대응하는 반나사를 구멍 내로 절단한다.
나사형 스터드의 파열 및 금속 본체 시트의 파열은 정의되지 않은 방식으로 일어난다. 이러한 파손의 이유를 파악하기는 어렵다. 또한, 차량 본체의 파열된 시트 금속의 재가공은 파열된 스터드를 재가공하는 것보다 상당한 비용이 든다. 스터드가 파열되는 경우에, 새로운 스터드가 시트 금속에 부당한 힘을 가하지 않고 동일한 지점에 용접될 수 있다.
이러한 배경에 반하여, 본 발명에 존재하는 문제는 특히, 용접된 스터드 구조가 파열하도록 너트를 결합하는 상황에서 재가공이 거의 필요치 않은 일반적인 형태의 개선된 체결 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 교시에 따른 유도 아크 용접 스터드의 측면도이다.
도2는 도1에 따른 유도 아크 용접 스터드의 저면도이다.
도3은 적층체 시트에 결합되는 도1에 따른 유도 아크 용접 스터드의 측면도이다.
도4는 본 발명에 따른 체결 시스템의 제1 실시예의 개략적인 단면도이다.
도5는 체결 시스템의 변형된 실시예의 단면의 상세도이다.
도6은 본 발명에 따른 체결 시스템의 추가 실시예의 단면도이다.
도7은 본 발명의 체결 시스템의 다양한 상대 토크의 정성도이다.
도8 및 도9는 본 발명의 교시에 따른 취성 너트의 단면도이다.
도10 및 도11은 다른 체결 너트의 측면도이다.
도12는 본 발명의 교시에 따른 용접 파라미터를 기재한 차트를 도시한다.
상술된 체결 시스템의 단점을 극복하기 위해, 구조부와 나사형 스터드 사이의 용접된 조인트의 강도와 스터드 및 너트 자체의 강도는 서로 조절된다. 특히, 이들은 체결 너트가 나사형 스터드에 나사 결합될 때 상세에 따라 인가되는 토크를 초과하는 토크가 인가될 때, 스터드가 파열되기 전에 너트가 파열되고 너트가 파열되지 않는 상황에서는 구조부가 파열되지 전에 스터드가 파열되는 것을 보장하도록 조절된다.
이것은 너무 큰 토크가 양호하게 용접된 조인트를 갖는 나사형 스터드에 가해질 때마다, 모든 경우에서 구조부가 아닌 너트 또는 스터드가 파열되는 것을 보장한다. 이 방식에서, 부정확하게 조절된 토크 또는 인장 비틀림 또는 체결구의 나사결합 문제로 인한 재가공 비용이 감소된다. 매우 큰 강도를 갖는 채결 너트가 사용되는 경우에도, 스터드와 구조부 사이의 용접된 조인트가 양호한 경우, 구조부의 손상이 대부분 배제되는 것이 보장된다.
이러한 관점에서, "파열"은 각각의 요소에 인가된 토크가 더 이상 체결 체인의 다음 요소로 전달될 수 없는, 요소(체결 너트, 스터드, 구조부)에 대한 임의의 손상을 의미한다. 구조부의 파열은 통상 구조부가 구조적으로 손상되는 것을 의미하며, 특히 용접된 조인트의 구역 내에서 이탈하는 것을 의미한다. 이 방식으로 목적이 완전히 달성된다.
이 실시예는 과도하게 큰 토크가 가해질 때 스터드가 구조부가 파열되기 전 파열되는 것을 보장하기 위해서, 구조부(차량의 본체의 시트 금속)의 강화가 필수적이지 않는 장점을 갖는다.
다른 양호한 실시예에 따르면, 나사형 스터드는 용접된 조인트의 주변에 배치되고 부재가 체결 너트에 의해 나사 결합되거나 또는 체결 너트 자체가 나사 결합된 플랜지 섹션을 갖는다.
또 다른 양호한 실시예에 따르면, 스터드는 체결 너트가 나사 결합될 때 외부 나사니가 일 나사니를 그 구멍으로 개재하는 넓은 피치(coarse-pitch) 나사형 스터드이다. 다른 실시예에 따르면, 나사형 스터드는 메트릭 나사니와 같은 미세 피치 나사니를 가지며, 체결 너트는 상응하는 내부 나사니를 갖는다.
또한, 나사형 스터드의 강도와 체결 너트의 강도는, 체결 너트가 나사형 스터드에 나사 결합될 때 상세에 따라 인가되는 토크를 초과하는 토크가 체결 너트에 인가될 때, 체결 너트가 스터드가 파열되기 전에 파열되는 것을 보장하는 방식으로 서로에 대해 조절된다.
전반적으로 이러한 방식으로 체결 너트의 소정의 파손 모멘트가 나사형 스터드의 소정의 파손 모멘트보다 작아서 구조부의 소정의 파손 모멘트 및/또는 구조부와 스터드 사이의 용접된 조인트의 파손 모멘트보다 작은 폐쇄식 공정 체인이 얻어진다.
다른 실시예의 교시에 따르면, 종래 기술의 단점을 극복한 유도 아크 용접 시스템에 사용되는 용접 스터드 조립체가 제공된다. 상기 용접 스터드 조립체는 환형 용접 영역을 갖는 헤드를 갖는다. 환형 용접 영역은 헤드의 외측 반경에 일치하는 외측 반경을 갖는다. 환형 용접 영역은 비틀림 스터드 하중의 시트 금속으로의 분배를 개선하면서, 통상의 원형 용접 영역으로부터의 표면 영역과 거의 동일한 용접 표면 영역을 제공하는 기능을 한다.
상술되고 이하 설명될 특징들은 각 예에서 지시된 조합에서 사용될 수 있으며, 본 발명의 범주 내에서 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있다. 본 발명의 교시에 따르면, 종래 기술의 단점을 극복한 유도 아크 용접 시스템에 사용되는 용접 스터드 조립체가 제공된다. 상기 용접 스터드 조립체는 환형 용접 영역을 갖는 헤드를 갖는다. 환형 용접 영역은 헤드의 외측 반경에 일치하는 외측 반경을 갖는다. 환형 용접 영역은 비틀림 스터드 하중의 시트 금속으로의 분배를 개선하면서, 통상의 원형 용접 영역으로부터의 표면 영역과 거의 동일한 용접 표면 영역을 제공하는 기능을 한다.
본 발명의 적용의 추가적인 영역은 이하 제공되는 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 상세한 설명과 특정 예들은 본 발명의 양호한 실시예를 나타내지만 도시의 목적으로 의도되었을 뿐 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않았다는 것이 이해되어야만 한다.
양호한 실시예의 이하 설명은 사실상 단지 예시적이며, 본 발명, 그의 적용 또는 용도를 제한하도록 의도되지 않는다.
도1은 본 발명의 교시에 따른 유도 아크 용접 스터드(10)를 도시한다. 용접 스터드(10)는 3개의 주요 부품인, 섕크(12), 헤드(14) 및 환형 용접부(16)로 형성된다. 비제한적인 예로써, 섕크(12)는 M6 나사형 체결구일 수 있다. 동등하게, 섕크는 파인 트리(pine-tree)형 커넥터 또는 다른 치수의 나사형 체결구의 형태를 취할 수 있다.
헤드(14)부는 냉간 성형 방법론을 이용하여 형성된다. M6 체결구용 헤드(14)는 약 13 ㎜의 외경 및 약 2 ㎜의 두께를 갖는다. 또한, 헤드는 약 13 ㎜의 직경을 갖는 편평 하부 표면(15)을 갖는다. 체결구의 강도는 헤드의 두께의 함수이다. 이로써, 헤드의 두께가 증가됨에 따라, 용접 스터드(10)의 강도가 일반적으로 증가된다. 체결구의 강도의 증가는 적층체 재료 및 체결구의 경계부의 원하지 않는 파괴를 종종 가져온다. 이러한 파괴는 체결구가 적층체 재료의 외부로 당겨지게 하여, 얇은 시트 금속 내에 구멍을 남긴다.
환형 용접부(16)는 헤드(14)의 하부면(15)의 외부 반경과 동일한 외부 반경(18)을 갖는다. M6 스터드 섕크에 있어서, 헤드(14)의 외부 반경은 약 13 ㎜이다. 용접부(16)의 내부 반경은 약 11 ㎜의 반경을 갖는다. 얻어진 용접 영역은 약 150 ㎟이다. 각 헤드(14)는 두께(T)를 갖는다. 용접부(16)의 두께(19)는 T 값의 약 50% 미만이고, 양호하게는 T 값의 약 20 % 내지 약 35 %이다.
이와 관련하여, 헤드(14)는 웨브 두께(12)를 가지며, 이는 체결구(10)의 파괴 모드를 조정하도록 변형 가능하다. 비제한적인 예로써, 3.0 ㎜의 웨브 두께를 갖는 스터드(10)는 1820 lb(825.54 kg)보다 큰 인장 파괴 모드 및 140 in-lb(76.9 Nm)의 토크 부하에서 박리하는 나사(thread)의 비틀림 파괴를 갖는다. 2.5 ㎜의 웨브 두께(21)를 갖는 스터드(10)에 있어서, 기부 재료의 인장 파괴는 약 1730 lb(784.71 kg)보다 큰 부하에서 발생하며, 체결구의 나사의 박리에 의해 비틀림 파괴는 약 140 in-lb(76.9 Nm)보다 큰 부하에서 발생한다. 2.0 ㎜의 웨브 두께(21)를 갖는 스터드(10)에 있어서, 스터드는 약 1700 lb(771.7 kg)보다 큰 부하에서 인장으로 파괴되며, 약 135 in-lb(74.13 Nm)보다 큰 부하에서 나사를 박리하여 비틀림으로 파괴된다. 1.5 ㎜의 웨브 두께(21)를 갖는 스터드(10)에 있어서, 스터드는 120 lb(54.43 kg)보다 큰 비틀림 부하에서 웨브의 파괴에 의해 그리고 1830 lb(830.07 kg)보다 큰 부하에서 기부 재료에서 파괴된다. 1.0 ㎜의 웨브 두께(21)를 갖는 스터드(10)에 있어서, 스터드는 약 1400 lb(635.03 kg)보다 큰 부하에서 웨브에서, 그리고 약 75 in-lb(41.18 Nm)보다 큰 토크 부하에서 웨브에서 인장으로 파괴된다.
이하에 설명되는 바와 같이, 웨브부보다 낮은 비틀림 및 인장 응력에서 섕크가 파괴되도록 하는 스터드 파괴 모드를 설계하는 것이 가능하다. 또한, 웨브 두께(21)를 변경함으로써, 스터드 섕크 파괴 레벨보다 높게 용접 경계부까지 스터드보다 낮은 레벨에서 웨브부(21)의 파괴 모드를 설정하는 것이 가능하다.
헤드(14)의 외부 반경과 동일한 외부 반경을 갖는 환형 용접부(16)를 제공함으로써, 기부 시트 금속의 가열은 보다 큰 영역에 걸쳐 분포된다. 시트 금속의 표면에 대한 손상은 감소되며, 표면 경계부에 대한 용접 스터드(10)의 강도는 향상된다. 예로서, 본 발명의 교시에 따른 M6 용접 스터드의 경계부는 약 400 in-lb(219.66 Nm)의 비틀림 부하를 견딜 수 있다.
섕크(12)의 비틀림 파괴 강도를 80 인치 파운드(43.93 Nm)로 설정함으로써, 섕크는 스터드가 벗겨지고(pulling off) 시트 금속 적층체 구조에 손상을 주기 전에 비트림으로 항상 파손되어서, 기부 재료의 일체성을 유지한다.
도3에 도시된 바와 같이, 스터드(10)가 적층 시트(20)에 용접될 때, 용접 영역(26)은 스터드(10)를 적층체의 상부층(23)에 결합시킨다. 용접 공정 동안, 상부층(23)은 적층 시트(20)의 하부층(25)에 부분적으로 결합된다. 중간 중합체 층(27)은 상부층(23) 및 하부층(25)에 결합된채 유지된다. 이러한 중간 중합체 층(27)은 적층 구조체(20)를 지지하는 기능을 한다. 또한, 스터드 하부 및 환형 용접부 내의 적층 시트의 중앙 결합은 비틀림 응력의 분배를 도와서 환형 용접 조인트(26)의 비틀림 강도를 강화시키는 것으로 생각된다. 이는 중합체 층(27)을 통해 연소되거나 또는 중합체 층을 갈라지게 하는 종래의 스터드와 대비된다.
본 발명의 적용의 예시를 위해, 도3은 스터드(10)와 구조 시트 또는 적층 구조체(20) 사이의 용융 접속을 도시한다. 스터드(10)는 용접 전의 도1의 구성에 대응하고, 반복을 피하기 위해 도1의 설명이 참조된다.
사용시에, 도1의 스터드(10)는 적층 구조체(20)와 접촉하도록 위치되고, 환형 용접부(16)의 편평 엣지(22)는 적층 구조체(20)와 접촉된다. 그후, 용접 전류가 인가된다. 용접 전류의 인가 후, 스터드(10)는 아크를 형성하도록 후퇴된다. 아크가 연소하는 동안, 스터드(10)의 편평 엣지(22)와 구조체(20)의 일부는 용융된다. 소정의 시간 후, 스터드(10)는 용융된 금속 내로 침지된다. 용접 전류는 침지 전 또는 침지 동안에 변환된다. 그후, 용접부는 냉각된다. 도3에 도시된 바와 같이, 주연 엣지(22)의 일부는 용융된다. 용융된 금속의 일부는 환형 용접 영역에 의해 형성된 공동(24)으로 들어간다. 용접부는 대체로 환형이다. 스터드(10) 및 구조체(20)는 설정된 공통의 용접 영역(26)을 갖는다. 물론, 본 발명의 다른 실시예도 유사한 방식으로 작업이 이루어진다.
본 발명의 체결 시스템 또는 구성의 제1 실시예는 대체로 도면번호 9로 표시된다. 체결 시스템(9)은 본 경우에 구멍(13)에 의해 횡단되는 인조 재료의 일부로 표시되는 부재(11)를 본 경우에서 차 본체의 시트 금속(20)인 구조 시트(20)에 체결하도록 작용한다.
체결 시스템(9)은 스터드 용접 공정 중에 차 본체의 적층된 또는 단일의 시트 금속(20) 상으로 용접되는 나사형 스터드(10)를 포함한다. 또한, 체결 시스템(9)은 스터드(10) 상으로 나사 고정될 수 있는 파열 가능한 재료로 된 체결 너트(68)를 포함한다.
스터드(10)는 헤드(14)를 포함한다. 본 경우, 헤드(14)는 바람직하게는 스터드(10)의 샤프트(12)의 직경의 2배인 상당히 큰 직경을 갖는 섹션을 의미한다.
나사형 스터드(10)는 스터드 용접 공정 중에 시트 금속(20)의 상부측 상으로 헤드(14)의 하부측에 의해 용접된다. 용접된 조인트(26)는 도4와 도5에 개략적으로 도시된다. 헤드(14)의 대향 측부 상에는 넓은 피치(coarse-pitch) 나사가 형성된 섕크(12)가 제공된다.
넓은 피치 나사와 헤드(14) 사이의 전이 구역에서, 나사형 스터드(10)는 또한 본 경우에서는 선택적인 주연 홈(30)으로 형성된 취약 부분(28)을 갖는다. 취약 부분(28)은 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 스터드의 소정의 파단점을 나타낸다.
체결 너트(68)는 구멍(70)을 갖고, 구멍(70)의 직경은 섕크(12)의 직경에 따라 구성된다. 넓은 피치 나사는 자가 절단 나사로 설계되어, 체결 너트(68)가 스터드(10) 상으로 나사 고정될 때 내부 나사는 구멍(70) 내로 절단된다. 선택적으로, 체결 너트(68)는 소정의 비틀림 하중에서 파열되도록 구성되는 나사형 금속 너트일 수 있다. 이러한 파열은 나사 또는 너트(68)의 본체에 발생될 수 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 부재(11)의 개구(13)는 나사형 스터드(10) 상으로 미끄러진다. 그후, 체결 너트(68)는 나사 고정되어, 부재(11)는 헤드(14)의 상부측과 체결 너트(68)의 하부측 사이에 보유된다.
도4에는, 체결 너트(68)에 인가된 토크(M)가 나사의 구역에서 스터드(10) 상에 인장력을 제공하는 축방향 힘(A)으로, 그 다음 나사형 스터드(10) 상의 대응하는 모멘트를 가하는 접선력(T)으로 어떻게 변환되는지가 개략적으로 표시된다. 체결 시스템(9)의 변경(10')이 도5에 도시된다. 체결 시스템(9)에서, 나사형 스터드(10')는 섕크(12')와 용접부(26) 사이에 놓여지는 헤드(14')를 갖도록 설계된다.
나사형 스터드(10')가 차 본체(14)의 시트 금속 상으로 용접될 때, 용접된 조인트(26')는 편평 엣지(22)와 시트 금속(20) 사이에 제공된다. 따라서, 시트 금속(20)의 상부측과 헤드(14')의 하부측 사이에는 공간(36)이 존재한다.
용접 섹션(26)의 직경은 섕크(12')의 직경보다 크게 선택된다. 따라서, 전체적으로, 용접 섹션(16)의 직경이 특정 섕크(12')의 직경과 동일할 때 얻을 수 있는 강도보다 더 큰 강도를 가지는 용접 조인트(26')를 얻을 수 있다.
도6은 체결 시스템(9)의 추가적 실시예를 도시한다. 체결 시스템(9)은 금속 튜브 형태의 부재(42)를 차량 본체의 시트 금속과 같은 다른 구조부(44)에 체결하는 역할을 한다. 체결 시스템(9)은 스터드 용접 공정에 의해 차량 본체의 시트 금속(44)에 용접되는 나사형 스터드(10)를 갖는다. 또한, 체결 시스템(9)은 합성 재료인 클립의 형태로 체결 너트(68)를 포함한다.
나사형 스터드(10)는 도5의 체결 시스템(9)의 헤드(14')에 대응하는 헤드(14)를 갖는다. 차량 본체의 시트 금속(20)과 나사형 스터드(10) 사이의 용접 조인트는 52로 도시되어 있다. 스터드(10)의 섕크(12)에는 나사가 제공된다. 나사형 스터드(10)는 58로 도시된 바와 같이, 섕크(12)와 헤드(14) 사이의 변이 구역에서 취약해진다. 체결 시스템(9)에서, 섕크(12)의 직경이 헤드(14) 및 헤드 아래에 있는 용접 섹션의 직경보다 명확히 작다는 점에서 취약해지며 여기서 상세히 설명되지는 않는다. 또한, 섕크(12)와 헤드(14) 사이의 변이부는 날카로운 에지 코너로 설계된다.
이러한 경우, 합성 재료의 클립은 클립(68)의 하부측이 헤드(14)의 하부측을 타격할 때까지 나사형 스터드(10) 상으로 나사 결합된다. 금속 튜브 형태인 부재(42)는 합성 재료의 클립(68)에만 고정된다. 도시된 실시예에서, 리세스(64)는 금속 튜브(42)를 수용하기 위해 제공된다. 또한, 합성 재료의 클립(68)은 리세스(64)를 폐쇄하고 금속 튜브(42)를 클립(68)에 체결 수용할 목적으로 설계된, 가요성 있게 안착된 체결 스트랩(66)을 갖는다.
도4 내지 도6의 세가지 모든 실시예에서 차량 본체의 나사형 스터드(10) 및 시트 금속(20)은 각각 강철이나 강철 합금 또는 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 체결 너트(68)는 도7을 참조하여 설명된 강도 요건이 충족된다면 합성 재료외의 다른 재료로도 제조될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와달리 부재(12)는 금속 요소일 수 있다. 이에 대응하여, 부재(42)는 다르게는 합성 재료 요소일 수 있다. 세가지 모든 실시예에서, 개별 요소들의 강도는 도6에서 개략적으로 도시된 바와 같이 서로 맞춰진다.
도7에서 부재(12)를 차량 본체의 시트 금속에 체결하기 위해 체결 너트(68)에 인가되는 토오크(M)는 도7에서 가로로 도시되어 있다. 부재(12)의 적절한 체결을 위해, 체결 너트(68)는 도7에서 0보다 큰 양으로 주어진 정격 토오크(MN)로 나사결합된다. 상기 정격 토오크(MN)는 토오크 렌치 또는 장력 렌치등으로 인가되는 허용 오차 영역(TN)이 할당된다.
파괴 없는 부분과 파괴 없는 용접 조인트(26)를 고려할 때, 정격 토오크(MN)를 인가하면, 부재(14)는 적절히 체결될 수 있다. 또한, 체결 너트(68)의 소정의 파단 모멘트가 도7에서 MM으로 도시되어 있다. 소정의 파단 모멘트(MM)는 정격 토오크(MN)보다 양적으로 크다. 소정의 파단 모멘트(MM)는 체결 너트(68)가 파열하거나 나사가 손상되는 허용 오차 영역(TM)이 할당된다. 동시에, 상기 허용 오차 영역(TN, TM)이 교차하지 않고 양호하게는 서로 인접하도록 주의를 기울여야 한다.
도7은 또한 나사형 스터드(10)의 소정의 파단 모멘트(MG)를 도시한다. 소정의 파단 모멘트(MG)는 체결 너트(68)의 소정의 파단 모멘트(MM)보다 양적으로 크다. 소정의 파단 모멘트(MG)는 체결 너트(68)의 허용 오차 영역(TM)과 교차하지 않고 직접 인접하는 허용 오차 영역이 할당된다.
마지막으로, 용접 조인트(26)의 소정의 파단 모멘트가 도7에서 MS로 도시되어 있다. 소정의 파단 모멘트(MS)는 스터드(10)의 소정의 파단 모멘트(MG)보다 명확히 크다. 용접 조인트(26)의 소정의 파단 모멘트(MS)는 마찬가지로 허용 오차 영역(TS)이 인가된다.
용접 조인트(26)의 소정의 파단 모멘트(MS)의 공차 영역(Ts)은 공차 영역(TG)과 교차하지 않으며, 오히려 그로부터 상당히 이격된 거리에 있다. 그러므로, 나사형 스터드(10)에 의해 여전히 [공차 영역(TG)의 상한을] 지탱할 수 있는 최대의 소정 파단 모멘트(MG)가 용접 조인트(26)가 파열될 수 있는 최소의 소정 파단 모멘트(MG)보다 틀림없이 작다는 것이 보장된다.
간소한 설명을 목적으로, 용접 조인트(26)의 하나의 파열만이 도7에 관하여 언급되었다. 그러나, 용접 조인트 및/또는 차 본체의 시트 금속의 파열을 의미하도록 의도되었음을 이해해야 한다. 정격 토크와 소정의 파단 모멘트의 이러한 "폐쇄 공정 및 체결 체인"은 모든 작동 조건하에서 가장 싼 비용으로 교환되는 요소가 항상 파열되는 요소임을 보장한다.
마찬가지로, 웨브 두께(21)는 웨브 두께(21)의 파단 모멘트가 스터드 섕크의 파단 모멘트(Mg)와 용접 조인트(22)의 파단 모멘트(MS) 사이에 있도록 조정될 수 있다. 파열시에, 환형 용접 구조는 용접 영역에 의해 금속 박판 구조에 결합된 파손된 도넛형 헤드부를 이탈한다.
체결 너트(68)가 부재(12)에 나사 결합될 때 [공차 영역(TN)의 상한보다 큰] 너무 큰 토크(M)가 부주의하게 인가되면, 너트의 소정 파단 모멘트(MM)가 나사형 스터드(10)의 소정의 파단 모멘트(MG)보다 분명히 작기 때문에, 그리고 공차 영역들(TM 및 TG)이 교차하지 않는다는 사실 때문에, 모든 경우에 있어서 너트가 파열되거나 그 나사가 찢어진다.
도4에서, 부정확한 체결 너트(68)(강도가 과도한 체결 너트)가 부주의하게 선택된다면, 모든 경우에 있어서 공차 영역들(TG 및 TM)의 이격된 분명한 거리는, 스터드(10)가 [보통 소정의 파단점(30)에서 또는 그 나사의 파손에 의해] 우선 파열되며, 이에 따라 차 본체의 용접 조인트(26) 또는 시트 금속(20)에 손상이 발생하지 않음을 보장한다.
체결 시스템(9)에서 발생할 수 있는 모든 실수의 원인에 대해, 차 본체의 용접 조인트(26)와 시트 금속(20)이 불필요하게 손상되지 않을 것을 보장한다.
체결 나사(68)가 나사 결합되기 전에 나사형 스터드(10)의 품질 관리에서, 보통 특정 체결 너트(68)의 소정의 파단 모멘트(MM)와 동일한 시험 모멘트가 스터드에 인가된다. 대체로 유리 섬유-강화 시험 너트가 이러한 목적으로 사용된다. 이러한 시험에서, 과도한 토크가 부주의하게 인가되면 공차 영역들(TG 및 TS) 사이의 거리가 모든 경우에 있어서 스터드(10)는 파열되며, 용접 조인트(26) 및 차 본체의 시트 금속(20)이 손상되지 않음을 보장한다.
여러 모멘트와 폐쇄 공정 체인에 대한 위 설명은 도5 및 도6의 실시예에 그에 따라 적용될 수 있다. 도6의 실시예의 경우, 합성 재료의 클립(68)은 체결 너트를 나타낸다.
스터드(10)와 체결 너트(68) 사이의 나사 정합(match)이 체결 너트(68)의 나사가 파괴되는 경우임에도 불구하고 나사를 풀 때 불필요하게 높은 토크가 스터드(10, 46)에 작용되는 것을 예방하도록 나사 풀림이 가능하도록 선택되어야 할 것으로 이해해야 한다. 폐쇄 공정 체인 때문에, (보통 합성 재료로 제조되는) 체결 너트(68, 18)는 "가장 취약한 링크"이다. 그 다음 취약한 링크는 체결 스터드(10)이다. 용접 조인트(26, 52)는 가장 큰 강도를 갖는다.
나사형 스터드(10)가 하나의 점에서 취약해질 때 그리고 구조부가 구조부와 스터드 사이의 용접 조인트 영역 내에서 파열되기 전에 스터드(10)가 취약점에서 파열되도록 이러한 취약화가 설계될 때, 특별한 이점이 있다.
취약화는 여러 방식으로, 예를 들어 재료의 선택, 스터드의 구조 등에 의해 영향을 받는다. 스터드(10)의 나사가 사용 불능으로 되면 즉 더이상 토크를 전달할 수 없을 때의 경우도 파열로 이해하여야 한다. 이와 달리, 파열에 의해 용접 조인트를 구조적으로 손상시키지 않으면서 나사형 스터드(10)가 그 푸트(foot)에 대해 전체로서 파단되는 것으로 이해 되어야 한다. 스터드(10)가 취약 리세스 특히 주연 홈을 갖는 경우 특별한 장점이 있다.
이러한 약한 리세스는 구조적으로 단순한 방식으로 본 발명에 따라 제1 스터드(10)가 과도한 토크가 가해질 때 구조부가 파괴되기 전에 파괴되는 것을 보장할 수 있다. 약한 리세스는 예를 들면 기계 가공에 의해 제조될 수 있다.
도8은 측면도에서 작용 토크를 제한하기 위한 본 발명에 따른 너트(68)를 도시하고, 나사형 섹션(82) 및 깔대기형의 관형 섹션(84)을 갖는다. 간극 또는 협착부로 설계된 소정 파단 지점(86)은 나사형 섹션(82) 및 관형 섹션(84) 사이에 배열된다. 바꾸어 말하면, 소정 파단 지점(86)은 관형 섹션(84)의 외부 직경 또는 외부 치수보다 작을 뿐만 아니라 나사형 섹션(82)의 외부 직경 또는 외부 치수보다 작은 외부 직경을 갖는다. 관형 섹션은 나사형 섹션(82)의 내부 나사(88)의 외부 또는 공칭 직경으로부터 시작하여 관형 섹션으로부터 이격되는 (방향으로) 넓혀지는 방식으로 예를 들면 깔대기형으로 설계될 수 있다.
도9에 도시된 관형 섹션(84)의 깔대기형 설계에 대한 대안으로 도10에 도시된 실린더형 설계가 있다. 그리고 나서 바람직하게는 이러한 실린더형으로 설계된 관형 섹션(85)은 나사형 섹션(82)의 내부 나사(88)의 외부 또는 공칭 직경보다 더욱 큰 직경을 갖는다.
전술된 두 실시예(관형 또는 실린더형)는 바람직하게는 개시부에서 기술된 문제를 최소화하며, 내부 나사(88)의 상부에서 강한 마찰의 경우에, 아마 관형 섹션(84) 내에 돌출하는 (도시되지 않은) 스터드(10)에서, 힘의 도입이 이러한 조인트 뿐만 아니라 스터드(10) 단부를 통해서도 일어나지 않기 때문에 소정 파단 지점(86)은 조금도 견디게 되지 못한다.
도9 또는 도10에 도시된 바와 같이, 적어도 관형 섹션(84)은 개방 단부 렌치 또는 유사한 외부 공구인 가장 간단한 경우에 공구를 위한 제2 견부 구조(90)를 갖는다. 내부 공구를 위한 제3 견부 구조(92)는 바람직하게는 예를 들면, 직각 또는 육각 등과 같이 관형 섹션(84)으로 설계된다. 특히, 조립된 나사 너트(94)의 분해의 목적을 위해, 나사형 섹션(82)의 구역에서 추가적인 공구, 바람직하게는 다시 외부 공구를 위한 제1 견부 구조(89)를 갖는다.
도11은 유사한 치수의 제1 및 제2 견부 구조(89, 90)를 갖는 평면도로 도시된 도9 및 도10의 체결 너트(68)를 도시한다. 예를 들면, 선택적으로 제공된 플랜지(87)는 바람직하게는 나사 너트(94)의 구역에서 (도시되지 않은) 구조부의 안착 또는 조임을 개선한다. 또한, 이러한 체결 너트(68)는 예를 들면 금속 시트의 밖으로 찢어지는 것으로부터 너트와 함께 협동하는 스터드(10)를 보호한다.
본 발명에 따라, 체결 너트(68)는 도6에 도시된 바와 같이 바람직하게는 유사하지 않은 치수의 제1 및 제2 견부 구조(89, 90)를 갖는다. 따라서, 예를 들면 제1 견부 구조(89)는 제2 견부 구조(90)보다 큰 치수를 가질 수 있고, 특히 도시된 바와 같이 유사하지 않는, 즉 현격한 차이가 나는 다각형을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 나사 너트(84)는 바람직하게는 합성 재료, 특히 폴리아미드와 같은 폴리머로 구성된다. 이는 바람직하게는 소정 파단 지점(86)의 구역이 나사형 섹션(82) 및/또는 관형 섹션(84)과 상이한 재료, 특히 연성 재료로 구성될 수 있는 장점을 갖고, 즉 형성된 토크 한계는 소정 파단 지점(86)의 형상을 통해서 뿐만 아니라 전적으로 바람직한 품질의 선택적으로 공정화된 재료를 통해서도 획득되어지지 않는다.
도12는 본 발명의 교시에 따라 용접 파라미터를 개시하는 차트를 나타낸다. 세 개의 특정한 영역을 갖는 용접 아크 전류(암페어) 대 용접 아크 시간을 나타내는 차트가 도시된다. 스터드가 하중 조건 아래에 위치될 때 용접 영역(16)의 파괴보다 오히려 스터드 파괴에 의해 허용 용접 영역은 스터드 파손의 90% 이상까지 형성된다. 제1 영역(80)은 본 발명의 교시에 따라 종래 기술의 스터드와 스터드(10) 모두를 위한 비허용 용접 영역이다(U로 표시). 또한 본 발명의 교시에 따라 스터드(10)를 위한 본 허용 용접 영역은 점선에 의해 둘러싸인 영역(81)으로 도시된다(A로 표시). 본 발명의 스터드(10) 뿐만 아니라 종래 기술의 스터드를 위한 허용 용접 영역을 나타내는 실선에 의해 포함된 제3 영역(83)이 도시된다.
차트에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스터드(10)는 용접 공정의 상당한 개선을 나타낸다. 허용 용접 파라미터의 범위가 증가함에 따라, 자동 용접 공정은 상당히 개선될 수 있고 덜 비싸게 될 수 있다. 차트는 스터드가 얇은 시트 금속에 체결될 때 스터드(10)를 이용하는 허용 용접 영역은 50 msec보다 큰 용접 아크 시간 및 150 amps보다 적은 용접 아크 전류로 이용 가능함을 도시한다. 0.90 mm와 동등하거나 보다 적은 금속 두께를 갖는 적층물이 차트의 형성에 이용된다.
본 발명의 설명은 본질적으로 단지 예일 뿐이며, 따라서 본 발명의 요점으로부터 벗어나지 않는 변화는 본 발명의 범위 내에 있게 됨을 알게 된다. 이러한 변화는 본 발명의 사상 및 범위로부터의 이탈로 간주되지 않는다.

Claims (22)

  1. 제1 두께를 갖는 헤드와,
    제2 두께를 갖는 환형 용접 영역을 포함하며,
    상기 제2 두께는 제1 두께보다 작은 용접 가능한 체결구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 헤드는 제1 외부 반경을 갖는 외부 벽을 갖고, 상기 환형 용접 영역은 상기 제1 외부 반경과 동일한 제2 외부 반경을 갖는 용접 가능한 체결구.
  3. 제1항에 있어서, 나사형 섕크를 더 포함하는 용접 가능한 체결구.
  4. 제3항에 있어서, 상기 섕크는 상기 헤드에 인접한 취약부 위치를 포함하는 용접 가능한 체결구.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 두께는 제1 두께의 약 20% 내지 약 35%인 용접 가능한 체결구.
  6. 재1항에 있어서, 상기 제1 두께는 1.5mm보다 큰 용접 가능한 체결구.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 두께는 2.0mm보다 큰 용접 가능한 체결구.
  8. 제1 두께를 갖는 헤드 및 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는 환형 용접 영역을 갖는 용접 가능한 체결구와,
    상기 용접 가능한 체결구를 구조물 사이에 배치되고, 구조물에 결합시키는 환형 용접부를 포함하는 구조물 구축을 위한 스터드.
  9. 제8항에 있어서, 상기 헤드에 결합된 나사형 섕크를 더 포함하는 구조물 구축을 위한 스터드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 헤드는 웨브 부분을 포함하는 구조물 구축을 위한 스터드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 섕크는 제1 파손 하중을 갖고, 상기 웨브는 제1 파손 하중보다 큰 제2 파손 하중을 갖도록 구성되는 구조물 구축을 위한 스터드.
  12. 제11항에 있어서, 상기 환형 용접부는 제1 파손 하중보다 큰 제3 파손 하중을 갖는 구조물 구축을 위한 스터드.
  13. 제11항에 있어서, 제4 파손 하중에서 파단되도록 구성된 너트를 포함하고, 상기 제4 파손 하중은 제3 파손 하중보다 작은 구조물 구축을 위한 스터드.
  14. 제10항에 있어서, 상기 구조물은 금속 적층물인 구조물 구축을 위한 스터드.
  15. 제14항에 있어서, 상기 금속 적층물은 폴리머층을 포함하는 구조물 구축을 위한 스터드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 적층물은 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하고, 상기 폴리머층은 제1 금속층 및 제2 금속층 사이에 배치되는 구조물 구축을 위한 스터드.
  17. 용접 영역은 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 부분적으로 배치되는 구조물 구축을 위한 스터드.
  18. 환형 용접 영역 내의 폴리머층은 제1 금속층 및 제2 금속층과 결합되는 구조물 구축을 위한 스터드.
  19. 구조물에 나사형 섕크를 결합하기 위한 방법이며,
    나사형 섕크에 결합된 헤드를 제공하는 단계와,
    상기 구조물에 접촉하도록 환형 용접부를 위치 선정하는 단계와,
    상기 환형 용접부를 전류로 로딩하는 단계와,
    용융 금속을 생성하기 위해 아크를 형성하도록 상기 환형 용접부를 상기 구조물로부터 철회하는 단계와,
    경계층을 구축하기 위한 스터드를 형성하도록 상기 헤드를 용융 금속 내로 밀어 넣는 단계를 포함하며,
    상기 헤드는 제1 두께 및 환형 용접부를 갖고, 상기 환형 용접부는 제1 두께보다 작은 제2 두께를 갖는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 헤드를 제공하는 단계는 상기 제1 두께의 약 20% 내지 약 35%의 두께를 갖는 환형 용접부를 제공하는 단계인 방법.
  21. 제19항에 있어서, 용접부를 전류로 로딩하는 단계는 용접부를 950 암페어보다 작게 로딩하는 단계인 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 헤드를 철회하는 단계는 50 ms보다 크도록 헤드를 철회하는 단계인 방법.
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