KR20170108503A - 형상기억합금을 이용한 파스너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼트와 너트로 이루어지는 파스너의 체결 성능을 강화시키기 위한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 파스너는 아래와 같은 구성으로 이루어진다.
나사산 및 나사골을 포함하는 볼트 또는 너트를 포함하는 파스너에 있어서, 상기 볼트의 나사골이 형성된 외주면, 또는 상기 너트의 나사골이 형성된 내주면에, 볼트와 너트가 결합되는 방향으로 형성되는 하나 이상의 와이어 삽입 슬릿을 포함하며, 상기 와이어 삽입 슬릿에 형상기억합금 와이어가 삽입되는 것이 특징이다.

Description

형상기억합금을 이용한 파스너{FASTENER USING SHAPE MEMORY ALLOY}

본 발명은 볼트와 너트로 구성되는 파스너에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 형상기억합금을 이용하여 체결 강도를 향상시킴으로써 풀림을 방지 성능을 높일 수 있는 파스너에 관한 것이다.

볼트와 너트로 대표되는 금속 파스너는 두 개의 부품을 결합하는데 사용되는 부품이다. 이러한 파스너는 건설, 광산, 자동차조립, 로봇, 반도체장비, 철도설비, 고속전철, 조선, 선박엔진, 해양구조물, 원자력, 풍력 및 플랜트산업 등에 널리 사용되고 있다. 파스너의 제품군으로는 특수 수요용 볼트/너트, 베어링 등이 있다.

파스너는 필요에 따라 대상 물품들을 서로 분리할 수도 있게 결합시켜주는 점에서 리벳 등의 영구적 결합을 위한 기계요소와는 차이가 있다. 따라서 파스너는 그 속성 상 결합이 해제될 가능성을 염두에 두는 것이지만, 결합된 상태에서는 결합이 견고하게 유지되어야 하는 특성을 만족하여야 한다. 하지만 실제 사용 시, 파스너는 여러 형태의 외력에 의해 결합이 서서히 풀리는 경향이 있다. 그 결과 연결된 부품이 분리되어 대형 사고가 발생되기도 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 결합된 상태에서는 결합을 견고하게 유지할 수 있는 파스너에 대한 연구가 이루어지고 있다.

예를 들어, 볼트와 너트의 나사산 형상에 변화를 주어서 결합을 강화하는 기술이 다수 존재하고 있다. 또 와셔나 기타 보강 부품을 이용하는 기술도 다수 존재하고 있다.

이와 같이 다양한 시도가 있으나, 결합 상태를 지속적으로 거의 완전히 유지하는 것은 쉽지 않다. 특히 파스너가 비철금속으로 이루어질 경우에는, 보강 부품을 사용하더라도, 비철금속의 강도가 충분하지 못해 반복되는 하중을 견디지 못하고 결합이 풀릴 가능성이 있다.

본 발명은 전술한 종래 볼트와 너트로 이루어지는 파스너의 체결 성능을 강화시키기 위한 것으로서, 형상기억합금으로 만들어진 와이어를 채용하여 결합을 보다 견고하게 할 수 있는 볼트와 너트를 포함하는 파스너를 제공하는 것이 특징이다.

전술한 목적을 위하여 본 발명에서는 아래와 같은 구성으로 이루어지는 파스너를 제공한다.

나사산 및 나사골을 포함하는 볼트 또는 너트를 포함하는 파스너에 있어서,

상기 볼트의 나사골이 형성된 외주면, 또는 상기 너트의 나사골이 형성된 내주면에, 볼트와 너트가 결합되는 방향으로 형성되는 하나 이상의 와이어 삽입 슬릿.

상기 파스너는 와이어 삽입 슬릿에 삽입되는 형상기억합금 와이어를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 와이어 삽입 슬릿 내에는 다수의 홈이 간격을 두고 형성되며, 상기 와이어가 변형 시 그 일부분이 상기 홈에 삽입되는 것이 더욱 바람직하다.

또 본 발명에서는 아래와 같은 구성으로 이루어지는 파스너를 제공한다.

나사산과 나사골을 포함하는 볼트 또는 너트를 포함하는 파스너에 있어서,

상기 볼트 또는 너트의 나사골에 형상기억합금 와이어가 삽입되는 것을 특징으로 하는 파스너.

이때 상기 볼트 또는 너트의 나사골에는 하나 이상의 홈이 형성되며, 상기 와이어는 변형 시 일부분이 상기 홈에 삽입되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서는 파스너를 구성하는 볼트와 너트의 결합을 강화하기 위해 형상기억합금 와이어를 이용한다.

형상기억합금(SMA, Shape Memory Alloy)이란 변형시킨 후에 열을 가하면 원래 형상으로 되돌아오는 특성을 가진 합금을 의미한다. 보통 금속의 경우 탄성한계를 넘어 변형을 가하면 변형된 모양으로 고정되지만 형상기억합금은 한계온도 이하에서 10％ 이내로 변형시킨 후에 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가며 이를 형상기억 효과라고 한다. 1960년대 초 티탄-니켈 합금을 발견한 후에 지금까지 20여 가지가 넘는 합금이 형상기억 효과가 있는 것으로 확인되었으며, 이 가운데 잘 알려지고 많이 발전된 형상기억합금은 구리-아연-알루미늄, 구리-알루미늄-니켈, 티탄-니켈 합금 등이다. 형상기억합금은 형상을 회복하면서 동시에 큰 힘을 발생하기 때문에 여러 산업 분야에 다양하게 응용된다.

본 발명은 특히 비철 금속 재료 파스너가 사용되는 분야에 적합하며, 와이어로는 Cu계 형상기억합금을 채용한다. 열탄성 마르텐사이드 변태에 기인되는 Cu계 형상기억합금 제품군은 실용성이 있는 합금군으로서 Cu-Zn-Al 및 Cu-Al-Ni 삼원계로 알려져 있다. Cu계 형상기억합금은 Ni-Ti계 형상기억합금에 비해 가격이 저렴하고, 상대적으로 변태온도가 높은 장점이 있다.

볼트 또는 너트에 형성된 나사골에 형상기억합금 와이어를 삽입하고 가열을 하면, 와이어는 변형을 하게 된다. 이때, 미리 기억되었던 형상에 따라, 와이어 중의 변형된 부분이 나사골 내에 형성된 홈 부분에 삽입된다. 그 결과, 볼트 또는 너트에 진동 등이 가해져 외력이 작용할 때, 결합이 해제되는 데 대한 저항으로 작용한다. 따라서 볼트와 너트의 결합이 더욱 견고하게 된다. 즉 파스너의 성능을 향상할 수 있게 된다.

한편 본 발명은 전형적인 육각 볼트와 육각 너트에 적용되는 것이 일반적이나, 그 외의 다양한 형태의 볼트나 너트에 적용될 수 있음은 물론이다. 또 본 발명은 KS 규격 기준으로 M8 이상 크기의 볼트와 너트에 적용되는 것이 바람직하다. 그보다 작은 경우에는 볼트 및 너트의 나사산에 슬릿이나 홈을 가공하기가 힘들어지고, 정밀한 가공이 필요함에 따라 가공 비용도 상승하게 된다.

이상 설명한 본 발명에 따르면 형상기억합금으로 만들어진 와이어를 채용함으로써, 종래에 비해 결합을 보다 견고하게 할 수 있는 볼트와 너트를 포함하는 파스너를 제공할 수 있다.

또한 형상기억합금 와이어의 변형을 이용하기 때문에, 볼트와 너트를 분리시키고자 할 경우에는 형상기억합금 와이어를 다시 변형시킴으로써 분리를 용이하게 할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 파스너를 구성하는 볼트와 너트를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따라 볼트 또는 너트에 삽입되는 형상기억합금 와이어를 나타내는 도면이다.
도 3은 와이어가 볼트에 형성된 슬릿에 삽입된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 파스너의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따라 볼트 또는 너트에 삽입되는 형상기억합금 와이어를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따라 와이어가 삽입된 상태에서 체결된 볼트와 너트의 일부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 파스너를 구성하는 볼트와 너트를 나타내는 사시도이다.

도 1의 (a)에서 볼트(100)는 머리(110)와 몸체(120)로 이루어진다. 본 실시예에서 볼트(100)는 일반적으로 널리 사용되는 육각 볼트이다. 볼트(100) 몸체의 표면에는 나사골(122)이 형성되어 있다.

한편, 몸체(120) 표면에는 또한 길이방향, 즉 너트와의 결합 방향으로 와이어 삽입 슬릿(124)이 형성되어 있다. 슬릿(124)의 깊이는 이후 설명할 와이어가 삽입될 수 있도록 와이어의 지름보다 약간 큰 정도면 된다. 슬릿(124)은 몸체(120)의 둘레 방향으로 여러 개 형성될 수 있으며, 본 실시예는 4개가 형성된 경우이다.

슬릿(124) 내에는 일정 간격으로 홈(126)이 다수 형성되어 있다. 홈(126)의 깊이와 크기는 특히 한정되지 않으며, 변형된 와이어의 일부가 삽입되거나 걸릴 수 있는 정도이면 된다.

도 1의 (b)에서 너트(200)의 내주면에도 길이방향, 즉 볼트(100)와의 결합 방향으로 와이어 삽입 슬릿(224)이 형성되어 있다. 슬릿(224)의 깊이는 와이어가 삽입될 수 있도록 와이어의 지름보다 약간 큰 정도면 된다. 슬릿(224)은 너트 몸체(220) 내면을 따라 여러 개가 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 4개이다.

슬릿(224) 내에는 일정 간격으로 홈(226)이 다수 형성되어 있다. 홈(226)의 깊이와 크기는 특히 한정되지 않으며, 변형된 와이어의 일부가 삽입되거나 걸릴 수 있는 정도이면 된다.

도 2는 본 실시예에 따라 볼트(100) 또는 너트(200)에 삽입되는 형상기억합금 와이어(300)이다. 도면에서는 이해를 위해, 와이어(300)의 지름을 크게 해서 도시하였다. 와이어(300)는 볼트(100) 또는 너트(200)의 슬릿(124, 224)에 삽입되기 전에는 도 2의 (a)에 도시된 것과 같이 일반적인 직선형 와이어이다. 하지만, 가열을 할 경우, 도 2의 (b)와 같이 일부분은 톱니 형상부(310)가 되도록 변형을 하도록 미리 형상이 기억되어 있다. 와이어(300)가 변형하는 온도는 한정되어 있지 않으며, 와이어(300)를 구성하는 합금의 종류에 따라 변형 온도가 달라진다. 와이어(300)의 재질은 본 실시예의 경우 Cu계 합금, 예를 들어 Cu-Zn-Al 및 Cu-Al-Ni이다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 조성의 형상기억합금이 사용될 수 있다. 와이어(300)의 지름은 볼트(100)와 너트(200)의 크기, 그리고 그에 따른 나사골(122, 222)의 크기에 따라 적절히 선택하면 된다.

도 3은 와이어(300)가 볼트(100)에 형성된 슬릿(124)에 삽입된 상태를 나타내는 측단면도이다. 도 3의 (a)는 설명을 용이하게 하기 위해, 볼트(100) 쪽에만 4개의 슬릿(124)이 형성되어 있는 경우이다. 즉 도 1의 (a)에 도시된 볼트(100)의 슬릿(124)에 형상기억합금 와이어(300)가 삽입된 상태에서 볼트(100)와 너트(200)가 결합된 상태를 나타낸다.

이 상태에서 와이어(300)는 가열하여 온도를 변태점까지 높이면 와이어(310)는 변형되며 일부분은 톱니 형상부(310)가 된다. 와이어(300)의 온도를 높이는 방법은 특히 한정되지 않으며, 예를 들어 토치 등을 사용할 수 있다. 볼트와 너트가 작고, 개수가 많지 않은 경우는 라이터를 사용하여도 된다.

그리고 이와 같이 형성된 톱니 형상부(310)는 도 3의 (b)에 나타난 것과 같이 슬릿(124) 내에 형성된 홈(126) 내로 변형되어 들어가거나, 적어도 홈(126)의 입구에 걸리게 된다.

이와 같이, 볼트(100)와 너트(200)가 체결된 상태에서 그 사이에 끼인 와이어(300)가 변형하면서 톱니 형상부(310)가 볼트(100)와 너트(200)의 나사산 및 나사골에 압력을 가하게 된다. 동시에 톱니 형상부(310)는 볼트(100)와 너트(200)의 나사산 및 나사골에 의해 변형이 저항을 받는다. 이렇게 와이어(300)와 볼트(100)와 너트(200) 사이에서 주고받는 가압력이 볼트(100)와 너트(200)를 풀리게 하는 힘에 대해 저항으로 작용한다. 스프링 와셔가 볼트와 너트에 힘을 가함으로써 풀림을 방해하는 압력을 작용하는 것과 동일한 원리이다. 이에 따라 볼트(100)와 너트(200)는 종래에 비해 한층 견고한 결합을 유지할 수 있게 된다.

한편 와이어(300)는 슬릿(124)에 삽입되어 고정이 용이하도록 하기 위해, 표면에 접착 성분이 도포되어 있는 것이 바람직하다.

이상 본 실시예에 따른 파스너의 구조 및 결합 강화 메커니즘을 와이어 삽입 슬릿(124)이 볼트(100) 쪽에만 형성된 도 3의 경우를 통해 설명하였는데, 제조 비용 등을 고려하고, 요구되는 강도가 크기 않을 경우에는 이와 같이 슬릿이 볼트 또는 너트 어느 한 쪽에만 형성되어 있어도 된다. 하지만, 결합 강도를 더욱 높이기 위해서는, 볼트와 너트 양쪽에 슬릿이 형성되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 파스너의 구조를 나타낸다.

도 4의 (a) 및 (b)에서 볼트(400)와 너트(500)는 일반적인 육각 볼트와 육각 너트이다. 볼트(400)는 머리(410)와 몸체(420)로 이루어지며, 너트(500) 역시 몸체(520)를 포함한다. 볼트(400)의 나사골(422) 또는 너트(500)의 나사골(522) 중 어느 하나 또는 모두에 일정 간격으로 다수의 홈(426, 526)이 형성되어 있다. 홈(426, 526)은 중심부를 향해 파여 있다.

형상기억합금 와이어는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타난 것과 같이 일정 길이의 로드(rod) 형태로 해서 다수를 나사골(422, 522)을 따라 일정 간격으로 삽입할 수 있다. 또는 나사골을 따라 연속적으로 삽입되는 루프 형태여도 된다. 와이어(600)는 미리 볼트(400)와 너트(500)의 길이 및 나사골(422, 522)의 지름 등 규격에 맞춰 성형을 한다. 성형 시에는 와이어(600)의 일정 길이 이상에 대해, 가열 시 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이 톱니 형상부(610)가 되도록 변형을 할 수 있게 미리 기억을 시킨다.

와이어(600)는 및 볼트(400)와 너트(500) 중 어느 하나 또는 모두의 나사골을 따라 삽입된다. 와이어(600)가 삽입된 상태에서 볼트(400)와 너트(500)를 체결한다. 이후 제1실시예에서와 마찬가지로 볼트(400)와 너트(500)를 가열하여 와이어(600)를 변형시킨다. 이에 따라 와이어(600)의 일부는 톱니 형상부(610)가 된다.

도 6은 제2실시예에서 와이어(600)가 삽입된 상태에서 체결된 볼트(400)의 일부분을 도식적으로 나타낸 단면도이다. 도 6의 (a)는 와이어(600)가 삽입된 후 체결된 볼트(400)를 나타내고, 도 6의 (b)는 체결 후 와이어(600)를 가열한 후의 상태를 나타낸다. 도 6은 설명을 용이하게 하기 위해, 와이어가 볼트(400)의 나사골에만 삽입된 경우를 나타내었다. 또한 와이어(600)가 로드 형태 또는 루프 형태 상관 없이 나사골(422)마다 삽입된 경우를 나타낸다.

와이어(600)는 가열에 의해 일부분이 톱니 형상부(610)가 되도록 변형된다. 이때 톱니 형상부(610)의 톱니 방향은 와이어(600)가 놓인 평면에 대해 X, Y 방향인 2차원 방향이 될 수 있다. 이러한 변형의 경우에는 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이 와이어(600)를 단면 방향에서 볼 때 타원형으로 나타난다. 한편, 도시되지는 않았으나, 톱니 형상부(610)는 각 톱니 해당 부분마다 임의의 방향으로, 즉 방사상으로 변형되도록 가공 및 기억될 수도 있다. 이와 같이 와이어(600) 톱니 형상부(610)의 변형 방향은 특정되지 않으며, 합금에 형상을 기억시키는 단계에서 선정하여 가공할 수 있다.

변형된 볼트(400)와 너트(500)가 맞물린 상태에서 그 사이에 끼인 와이어(600)는 변형하려고 하면서 톱니 형상부(610)가 볼트(400)와 너트(500)의 나사산 및 나사골에 압력을 가하게 된다. 동시에 볼트(400)와 너트(500)의 나사산 및 나사골에 의해 톱니 형상부(610)는 변형에 대해 저항을 받는다. 이와 같이 와이어(600)의 톱니 형상부(610)가 볼트(400) 및 너트(500)와 주고받는 가압력이 볼트(400)와 너트(500)를 풀리게 하는 힘에 대해 저항으로 작용한다. 즉 스프링 와셔가 볼트와 너트가 가하는 힘이, 풀림을 방해하는 압력으로 작용하는 것과 동일한 원리이다. 이에 따라 볼트와 너트는 종래에 비해 한층 견고한 결합을 유지할 수 있게 된다.

그리고 이때, 변형된 와이어(600)의 톱니 형상부(610) 중 일부는, 나사골(422)에 형성된 홈(426) 내로 일부분이 삽입되거나 적어도 홈(426)에 걸리게 된다. 이에 따라, 볼트(400)와 너트(500)가 풀리는 방향으로 외력이 작용할 때, 움직임을 저지하는 장애물로서 작용한다. 그 결과 결합을 더욱 견고하게 해준다.

한편 이상 설명한 실시예들에서는 홈이 있는 경우를 들어 설명하였으나, 본 발명에서는 홈이 없어도 형상기억합금 와이어를 나사골 또는 슬릿에 삽입하는 것만으로도 체결 강화 효과가 있다. 하지만 홈이 형성되는 경우, 체결 강화 효과가 더욱 강력해진다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였다. 하지만, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 발명의 사상 내에서 당업자가 다양한 변형 실시예를 구현할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지는 것으로 이해되어야 한다.

100, 400: 볼트 110, 410: 볼트 머리
120, 420: 볼트 몸체 200, 500: 너트
220, 520: 너트 몸체 124, 224: 와이어 삽입 슬릿
126, 226, 426, 526: 홈 300, 600: 형상기억합금 와이어
122, 222, 422, 522: 나사골 310, 610: 톱니 형상부

Claims (10)

1. 나사산 및 나사골을 포함하는 볼트 또는 너트를 포함하는 파스너에 있어서,
   상기 볼트의 나사골이 형성된 외주면, 또는 상기 너트의 나사골이 형성된 내주면에, 볼트와 너트가 결합되는 방향으로 형성되는 하나 이상의 와이어 삽입 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 와이어 삽입 슬릿 내에 하나 이상의 홈이 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 와이어 삽입 슬릿 내에 삽입되는 형상기억합금 와이어를 더 포함하는 파스너.
   
4. 나사산과 나사골을 포함하는 볼트 또는 너트를 포함하는 파스너에 있어서,
   상기 볼트 또는 너트의 나사골에 삽입되기 위한 형상기억합금 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 볼트 또는 너트의 나사골에 하나 이상의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 형상기억합금 와이어는 상기 나사골을 따라 삽입될 수 있는 연속된 루프 형상인 것을 특징으로 하는 파스너.
   
7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 형상기억합금 와이어는 가열 시 일부분이 톱니 형상으로 변형되는 와이어인 것을 특징으로 하는 파스너.
   
8. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 형상기억합금 와이어가 Cu계 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
9. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 형상기억합금 와이어 표면에 접착 성분이 도포되는 것을 특징으로 하는 파스너.
   
10. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 볼트 및 너트가 비철금속 재질인 것을 특징으로 하는 파스너.

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