KR20170043241A - 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트 - Google Patents

Abstract

볼트는 너트와 짝을 이루어 두 개 이상의 물체를 연결하는데 사용한다. 그러나 어떤 이유에 의해서 볼트나 너트가 풀리게 되면 그 기능이 상실된다. 이를 방지하기 위하여 스프링 와셔나 2개의 너트를 사용하여 체결을 하기도 한다.
볼트와 너트의 나사산 사이의 접촉력이 두 나사산 사이의 마찰계수와 결합하여 마찰력이 생성되고, 이 마찰력이 볼트나 너트가 돌아가려고 하는 반대 방향으로 작용하는 현상을 이용하는 것이 볼트의 체결 원리이다. 접촉력은 볼트 머리와 너트 사이에 끼어서 눌려 있는 체결물의 반력에 의해 발생한다.
그러나 진동에 의해서 너트가 약간 풀리면 접촉력이 줄어들게 된다. 그 결과로 마찰력도 줄어들게 되어, 너트가 풀리는 것에 저항하는 힘도 줄어들게 된다. 한번 풀린 볼트혹은 너트는 풀리는 것에 저항하는 힘이 줄어들어 점점 쉽게 풀리게 되며, 결국 나사가 풀려서 볼트와 너트는 본연의 역할을 수행할 수 없다.
볼트의 재료와 체결물의 재료가 동일하다면 온도변화에 의한 체결력의 헐거워짐음 고려하지 않아도 된다. 그러나, 체결물과 볼트의 재료가 다르거나 밀봉을 위해서 중간에 가스켓 등을 끼워 넣게 되면, 늘어나거나 줄어드는 차이가 생겨서 체결력의 약화를 수반하게 된다.
본 발명(온도변화 환경 사용 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트)은 온도 변화에 따른 재질의 팽창 정도의 차이를 이용하는 것으로 다음과 같은 경우에 사용하여 나사 풀림을 방지할 수 있다.
- 체결 기계부품이 체결작업을 수행했을 때보다 높은 온도에서 사용할 경우
- 체결물 사이에 밀봉을 위해 가스켓을 사용하는 경우
본 발명은 열팽창이라는 재료 고유의 물질적 특성을 이용한 풀림 방지 볼트에 대한 고안으로, 볼트의 나사산 내부에 볼트의 재질과 다른 종류의(볼트의 재료보다 열팽창계수가 더 큰) 금속을 삽입하여 온도 변화에 따라 팽창되는 정도의 차이를 이용하도록 하는 체결용 볼트에 관한 사항이다. 온도 상승에 따라 내부의 금속이 더 많이 팽창하게 되어 볼트의 나사산을 너트의 나사산 보다 더 크게 만듦으로써, 볼트와 너트의 나사산사이의 접촉력을 증대하도록 하여 풀림이 방지 되도록 고안되었다.

Description

고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트{Self-Locking Bolt for Using High Temperature Environment}

본 발명은 온도가 올라가면 볼트와 너트의 나사산이 모두 팽창하지만, 볼트의 나사산내 삽입체가 상대적으로 더 많이 팽창하고 그 결과로 볼트의 나사산이 팽창하기 때문에 볼트의 나사산과 너트의 나사산 사이의 접촉력은 더 증대하게 된다. 접촉력이 증대되면 볼트와 너트가 서로 풀리려고 하는데 저항하는 마찰력이 커진다. 그 결과로 볼트와 너트의 풀림은 방지된다. 또한, 볼트 나사산 내 삽입체는 너트 나사산 골 사이로도 팽창하기 때문에 볼트 나사산과 너트 골 사이의 틈을 없앰으로써 밀봉을 유지하도록 구성된 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트에 관한 것이다.

볼트는 너트와 짝을 이루어 두 개 이상의 물체를 연결하는데 사용한다. 그러나 어떤 이유에 의해서 볼트나 너트가 풀리게 되면 그 기능이 상실된다. 이를 방지하기 위하여 스프링 와셔나 2개의 너트를 사용하여 체결을 하기도 한다.

볼트와 너트의 나사산 사이의 접촉력이 두 나사산 사이의 마찰계수와 결합하여 마찰력이 생성되고, 이 마찰력이 볼트나 너트가 돌아가려고 하는 반대 방향으로 작용하는 현상을 이용하는 것이 볼트의 체결 원리이다. 접촉력은 볼트 머리와 너트 사이에 끼어서 눌려 있는 체결물의 반력에 의해 발생한다.

그러나 진동과 같은 외력에 의해서 너트가 약간 풀리면 접촉력이 줄어들게 된다. 그 결과로 마찰력도 줄어들게 되어, 너트가 풀리는 것에 저항하는 힘도 줄어들게 된다. 한번 풀린 볼트 혹은 너트는 풀리는 것에 저항하는 힘이 줄어들어 점점 쉽게 풀리게 되며, 결국 나사가 풀려서 볼트와 너트는 본연의 역할을 수행할 수 없다.

볼트의 재료와 체결물의 재료가 동일하다면 온도변화에 의한 체결력의 헐거워짐음 고려하지 않아도 된다. 그러나, 체결물과 볼트의 재료가 다르거나 밀봉을 위해서 중간에 가스켓 등을 끼워 넣게 되면, 늘어나거나 줄어드는 차이가 생겨서 체결력의 약화를 수반하게 된다.

선행기술인 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0113470호는 볼트 풀림방지 와셔 및 볼트 풀림방지 기능을 구비한 단자구조에 관한 것이며, 대한민국 등록특허 제10-1179531호는 풀림방지 너트 및 그 제조방법에 관한 것으로 본 발명의 나사산내 열팽창 계수가 상이한 삽입체를 삽입한 구성과 작용효과는 선행 기술과는 차이가 현저하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 a) 체결물이 고온 환경에 노출되는 경우를 위해, b) 플렌지 사이에 넣은 가스켓의 열팽창계수가 작은 경우를 위해, c) 심한 조임으로 인한 나사산의 파손을 방지하기 위한 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 a) 접착제나 스프링 와셔가 필요 없이 적절한 조임만으로 작업이 가능하고, b) 체결 후에도 온도가 내려가면 쉽게 분해가 가능하도록 하면서, c) 풀림 방지를 위해 다른 조치를 하지 않고 사용하기 위해 사용할 수 있는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트에 있어서, 볼트의 나사산 중앙부에 설정된 폭과 깊이로 삽입체가 들어갈 수 있는 홈을 형성하고, 형성된 홈에 볼트 재질과 다른 종류의 금속을 삽입 제작하되, 삽입체의 재질이 볼트의 재질보다 고온에서 팽창율이 큰 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈과 삽입체의 상하 폭이 동일하도록 제작된 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈의 상부 및 하부의 폭과 삽입체의 상부 및 하부의 폭이 서로 다르게 제작된 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 삽입체가 상온에서 상기 볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈에 삽입할 경우에 나사산의 상부 높이와 동일하도록 제작된 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제공하는데 있다.

본 발명은 a) 고안은 간단한 적용을 통해서 빠른 작업이 가능하고, b) 추가적인 부품이나 작업 없이 풀림 방지 기능을 하도록 설계하며, c) 영구변형을 주지 않아 체결 및 분해의 반복이 가능할 수 있는 유리한 효과가 있다

도 1은 본 발명에 따른 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트의 개념도이다.
도 2는 나사산 내 삽입체가 나사산을 감고 있는 형태를 나타낸 것이다.
도 3은 일반적인 볼트와 너트의 체결상태를 나타낸 것이다.
도 4는 온도가 올라가기 전 본 발명에 따라 제작된 볼트와 너트의 접촉상태를 도시한 것이다.
도 5는 온도가 상승 후 본 발명에 따라 제작된 볼트와 너트의 접촉상태를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 제작된 볼트와 너트의 사용 예를 도시한 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명은 온도가 올라가면 볼트와 너트의 나사산이 모두 팽창하지만, 볼트의 나사산내 삽입체가 상대적으로 더 많이 팽창하고 그 결과로 볼트의 나사산이 팽창하기 때문에 볼트의 나사산과 너트의 나사산 사이의 접촉력은 더 증대하며, 접촉력이 증대되면 볼트와 너트가 서로 풀리려고 하는데 저항하는 마찰력이 커지며, 그 결과로 볼트와 너트의 풀림은 방지되는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명은 고온에서 풀리는 체결용 볼트의 단점을 극복하고자 고안된 풀림 방지 볼트의 고안과 관련된 사항이다.

일반적인 체결용 볼트는 볼트와 너트 사이에 체결물을 넣고 너트를 강한 힘으로 조여 볼트가 인장되도록 함으로써 발생하는, 볼트가 축방향으로 줄어들려고 하는 복원력을 이용하여 풀림을 방지한다.

이 복원력은 볼트와 너트의 나사산 사이의 접촉력을 증대시킨다.

접촉력과 나사산 사이의 마찰계수가 곱해진 값이 마찰력이다. 그러므로 접촉력의 증대는 마찰력이 커진다는 것을 의미한다. 마찰력은 운동을 하려고하는 반대 방향으로 작용한다. 체결된 상태의 볼트와 너트에서는 마찰력이 너트가 풀리려고 하는 회전에 저항하는 힘이 된다.

그러므로, 볼트와 너트가 풀리지 않도록 하기 위해서는 이 마찰력의 크기를 크게 해야 한다. 마찰력을 크게 하기 위해서는 너트를 더 강하게 조여서 볼트가 더 많이 인장되도록 하여야 하나, 너무 강한 힘으로 너트를 조이게 되면 나사산의 파손과 같은 부작용이 생긴다.

너무 강한 힘으로 너트를 조이지 않고 볼트를 인장하기 위해서는 스프링 와셔를 사용하는 방법이 있다. 그러나 스프링 와셔의 복원력은 볼트 자체가 늘어나면서 생기는 복원력에 비해서 작고 고온에서는 재료 자체가 부드러워지므로 스프링 와셔에 의한 복원력도 줄어들게 된다.

또 다른 방법으로는 볼트의 나사산에 홈을 가공하여 홈을 중심으로 나사산을 양쪽으로 벌림으로써 나사산의 스프링 작용에 이용하여 접촉력을 증대시키는 방법도 있다.

체결물의 온도가 올라가면 스프링 와셔나 스프링 타입의 나사산을 사용하는 볼트의 온도도 올라가게 된다. 일반적으로 온도가 올라가면 재료의 탄성계수는 낮아지게 된다. 이는 스프링상수의 저하를 의미한다. 그러므로, 체결물의 온도가 올라감으로써 볼트 및 너트의 온도가 올라가면 와셔나 볼트 재질의 물성 변화 때문에 볼트와 너트의 나사산 사이의 접촉력 감소는 필연적이다.

그렇기 때문에 볼트를 미리 가열하여 체결을 하여 고온에서 예상되는 접촉력 저하를 막는 방법도 있다. 그러나, 볼트를 미리 가열하기 위해서는 볼트에 히터 홀을 만들어야 하는 등 번거로움이 따른다.

본 발명은 상기 종래기술의 단점 및 번거로움을 해결할 수 있는 것이다. 도 1은 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트의 개념도이다. 도 1은 볼트 부분의 나사산을 따라 홈을 파고 그 홈에 볼트 재료의 열팽창계수보다 큰 재료를 채워 넣은 상태를 나타낸 것이다.

도 2는 나사산 내 삽입체가 나사산을 감고 있는 형태임을 보여준다.

도 3은 일반적인 볼트와 너트의 체결상태를 보여준다. 일반적인 볼트와 너트는 일부 나사산만 접촉을 하고 대부분의 나사산은 접촉을 하지 않는다.

그러므로, 고온 상태를 예상하여 볼트와 너트를 너무 세게 조이면 접촉하고 있는 나사산에 힘이 집중되어 해당 나사산이 파손될 수 있다.

온도가 상승하면 금속은 팽창을 한다. 열팽창계수가 큰 금속일수록, 온도 차이가 클수록, 길이가 더 길수록 더 많이 팽창한다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서,

은 늘어난 길이,

는 선팽창계수,

은 길이,

는 온도변화이다.

온도가 올라가기 전 본 발명의 볼트와 너트의 접촉상태가 도 4에 나타나 있다. 볼트 혹은 너트를 조였을 때 일반 볼트 도 3과 마찬가지로 볼트의 일부 나사산만 너트의 나사산과 접촉하고 대부분의 나사산은 접촉을 하지 않는다. 그러나 온도가 올라가면 삽입체가 볼트 나사산 및 너트 나사산보다 열팽창계수가 크기 때문에 더 많이 팽창을 하게 된다.

즉, 도 5에서 보는 바와 같이 삽입체가 팽창하면서 볼트의 나사산을 양쪽 화살표 방향으로 밀게 되고, 볼트의 나사산이 커져서 너트의 나사산 사이의 골을 채우는 결과가 된다.

그러므로, 온도가 올라가면 도 5와 같이 볼트의 나사산이 커짐으로 인하여 너트의 나사산 사이를 완전히 채우게 된다. 이로 인하여 볼트의 나사산과 너트의 나사산 사이에 접촉력이 발생한다. 온도가 더 상승할수록 삽입체는 더 많은 팽창을 하게 됨으로써 접촉력을 증대 시켜 볼트와 너트는 외부 진동 등의 영향으로 풀리지 않게 된다.

또한, 상온에서 삽입체의 높이를 너트의 골에 닿을 정도로 만들면, 고온에서 팽창한 삽입체가 팽창하여 볼트의 나사산과 너트의 골 사이 공간을 없앰으로써 밀봉의 효과도 얻을 수 있다.

가스켓이 삽입된 도 6과 같은 플렌지에서는 온도가 상승하면 양쪽 배관이 늘어나면서 가스켓을 압축하게 된다. 거기에다 가스켓의 열팽창계수가 작으면 상대적으로 더 많은 압축이 일어나서 체결용 볼트의 인장력이 작아진다.

인장력이 작아지면 볼트와 너트의 접촉력 또한 작아지고, 그 결과로 풀림에 대한 저항인 볼트와 너트 사이의 마찰력이 작아진다. 마찰력이 작아진 상태에서 진동과 같은 외력이 작용하면 볼트와 너트는 쉽게 풀리게 된다.

그러나, 본 발명에 따라 제작된 볼트는 온도가 올라가면 볼트의 나사산에 삽입되어 있는 삽입체가 팽창하고 그 결과로 볼트의 나사산이 팽창하기 때문에 접촉력은 더 증대하게 된다. 그 결과로 볼트와 너트의 풀림은 방지된다.

도 1은 볼트와 너트가 결합되어 있는 그림이다. 부위를 확대한 그림에서 은 볼트, 는 볼트 나사산내 삽입체, 은 너트 부위이다. 나사산 내 삽입체는 도 2에서와 같이 나사산을 감고 있는 형태이다.

볼트의 나사산 중앙부에 설정된 폭과 깊이로 삽입체가 들어갈 수 있는 홈을 형성하고, 형성된 홈에 열팽창율이 높은 재질의 금속을 삽입 부착하여 제작하되, 삽입체와 볼트의 나사산에 형성되는 홈의 형태는 아래에 기술된 바와 같이 다양하게 제작할 수 있다.

삽입체의 형태는 도 1과 도 4에서와 같이 견고한 결합을 위하여 볼트 나사산의 중앙에 형성하는 것이 바람직하며, 서로 다른 종류의 물질이 서로 쉽게 분리되지 않도록 삽입체 하부의 폭이 상부보다 넓게 형성되도록 제작할 수도 있다.

물론 삽입체 하부와 상부의 폭이 도 1과 도 4에서와 같이 동일하게 형성할 수 있으며, 상부를 하부보다 넓게 형성할 수도 있다.

보다 견고한 결합을 위하여 볼트의 중앙부에 형성되는 홈과 삽입체 각각에 홈과 볼록부를 하나이상 교대로 형성하여 제작할 수도 있다.

삽입체는 상온에서 상기 볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈에 삽입할 경우에 나사산의 상부 높이와 동일하도록 제작하는 것이 바람직하나, 다소 낮게 또는 높게 형성할 수도 있다.

본 발명의 원리는 재료의 종류에 따라 열팽창계수가 다르다는 물리적 성질을 이용하는 것이다.

온도가 올라가면 볼트와 너트의 나사산이 모두 팽창하지만, 볼트의 나사산내 삽입체가 상대적으로 더 많이 팽창하고 그 결과로 볼트의 나사산이 팽창하기 때문에 볼트의 나사산과 너트의 나사산 사이의 접촉력은 더 증대하게 된다.

접촉력이 증대되면 볼트와 너트가 서로 풀리려고 하는데 저항하는 마찰력이 커진다. 그 결과로 볼트와 너트의 풀림은 방지된다.

또한, 볼트 나사산 내 삽입체는 너트 나사산 골 사이로도 팽창하기 때문에 볼트 나사산과 너트 골 사이의 틈을 없앰으로써 밀봉을 유지하게 된다.

본 발명은 온도가 올라가면 볼트와 너트의 나사산이 모두 팽창하지만, 볼트의 나사산내 삽입체가 상대적으로 더 많이 팽창하고 그 결과로 볼트의 나사산이 팽창하기 때문에 볼트의 나사산과 너트의 나사산 사이의 접촉력은 더 증대하게 된다. 접촉력이 증대되면 볼트와 너트가 서로 풀리려고 하는데 저항하는 마찰력이 커진다. 그 결과로 볼트와 너트의 풀림은 방지된다. 또한, 볼트 나사산 내 삽입체는 너트 나사산 골 사이로도 팽창하기 때문에 볼트 나사산과 너트 골 사이의 틈을 없앰으로써 밀봉을 유지하도록 구성된 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트를 제작하여 견고한 볼트 체결을 이룰 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

11; 볼트 12; 삽입체
13; 나사산 14; 너트

Claims (4)

1. 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트에 있어서,
   볼트의 나사산 중앙부에 설정된 폭과 깊이로 삽입체가 들어갈 수 있는 홈을 형성하고, 형성된 홈에 볼트 재질과 다른 종류의 금속을 삽입 제작하되,
   삽입체의 재질이 볼트의 재질보다 고온에서 팽창율이 큰 것을 특징으로 하는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트.
2. 청구항 1에 있어서,
   볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈과 삽입체의 상하 폭이 동일하도록 제작됨을 특징으로 하는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트.
3. 청구항 1에 있어서,
   볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈의 상부 및 하부의 폭과 삽입체의 상부 및 하부의 폭이 서로 다르게 제작됨을 특징으로 하는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트.
4. 청구항 1에 있어서,
   삽입체는 상온에서 상기 볼트의 나사산 중앙부에 형성된 홈에 삽입할 경우에 나사산의 상부 높이와 동일하도록 제작됨을 특징으로 하는 고온 기계 부품 체결용 풀림 방지 볼트.

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