KR20190041488A - 고성능 나사 전조 및 나사 로킹 체결구 - Google Patents

Abstract

나사 전조 및 자가 로킹 체결구가 제공된다. 나사 전조 외부 나사가 체결구의 샤프트를 따라 배치된다. 또한, 비연속적 코어 나사가 그 위에 배치된다.

Description

고성능 나사 전조 및 나사 로킹 체결구

본 개시내용은 나사 전조 체결구에 관한 것으로, 특히 나사 전조 및 나사 로킹 체결구에 관한 것이다.

고성능 나사 전조 체결구, 즉 볼트의 내부 나사를 형성하는 체결구가 수년간 이용되어 왔다. 유사하게, 나사 로킹 체결구 또한 수년간 체결 시스템으로서 이용되어왔다. 나사 전조 체결구 또는 나사 로킹 체결구의 개별적인 기능과 관련된 종래의 체결구의 예는 예를 들어, 발명의 명칭이 "BLANK FOR SELF-TAPPING FASTENER"인 미국 특허 제6,089,806호, 발명의 명칭이 "THREADED FASTENER SYSTEM"인 미국 특허 제5,722,808호 및 발명의 명칭이 "SELF-LOCKING THREADED FASTENER"인 미국 특허 제4,351,626호에 개시되어 있으며, 이들 각각의 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

도 1은 본 기술분야에 현재 공지된 자가 로킹 체결구 및 너트 조합(100)의 예시적인 측면도이다. 체결구는 헤드(105), 비나사 생크 부분(115) 및 나사 생크 부분(110)을 포함한다. 나사 생크 부분은 나사형 너트 부재(120)와 작동식으로 상호 작용하여 자가 로킹 체결구 조합을 형성한다. 전형적으로, 나사 부분(110)은 견고한 금속 대 금속 접촉을 생성하고 진동력을 받을 때 체결구의 수반되는 풀림과 함께 서로에 대한 체결구 및 너트의 측방향 이동을 방지하도록 작용하는 특수 나사 설계를 포함한다.

도 2는 현재 본 기술분야에 공지된 예시적인 나사 전조 체결구(200)의 예시적인 측면도이다. 체결구(200)는 베이스(210)를 갖는 헤드(205)를 포함한다. 나사 부분(215) 및 나사 전조 부분(225)을 갖는 생크(225)가 그로부터 연장된다. 나사 전조 부분(225)은 적절한 회전력이 헤드(205)를 통해 체결구(200)에 가해질 때 비나사형 너트 부재(도시되지 않음)와 같은 재료에 적절한 나사를 형성하도록 예시적으로 설계된다. 체결구는 SAE-J1237 1979에 정의된 바와 같을 수 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

앞서 설명한 바와 같이, 자가 로킹 기능을 갖는 체결구는 본 기술분야에 공지되어 있다. 유사하게, 나사 전조 체결구도 본 기술분야에 공지되어 있다. 그러나 나사 전조 및 자가 로킹 모두가 가능한 체결구는 존재하지 않는다. 설계 선택을 단순화할 수 있기 때문에 양 특징을 모두 갖는 단일 체결구를 갖는 것이 바람직하다.

종래 기술의 언급된 단점은 나사 전조 및 자가 로킹 체결구(스크류)를 제공함으로써 극복된다. 스크류(또는 다른 체결구)는 고성능 나사 전조 기능 및 스크류 나사의 새로운 설계를 기반으로 너트(또는 기타 재료)에 새롭게 형성된 나사 사이의 교번적인 순차적 간섭을 예시적으로 생성하는 기계적 로킹 특징을 제공한다. 로킹 요소(코어 나사)는 정합 표면에 위치한 압력에 의존하는 종래 기술의 시스템과 다르다. 대신에, 체결구 상의 로킹 요소는 체결구 코어 둘레에 너트 나사 재료를 재성형함으로써 체결구-너트 조립체에 가해지는 외부적(예를 들어, 진동) 힘으로 인해 발생할 수 있는 풀림 경향에 저항하는 기계적 계면을 제공하도록 나사 계면을 전개한다.

로킹 요소는 체결구의 외부 나사보다 작은 직경을 갖는 코어 나사를 포함한다. 코어 나사는 체결구 본체를 따라 연속적이지 않다. 동작시, 로킹 요소 또는 코어 나사는 이전에 생성된 내부 나사를 변형시켜 내부 압력 영역을 생성한다. 이는 내부 나사의 일부의 변형만을 야기하지만; 그러나 완전히 형성된 외부 나사와 내부 나사는 핀치(pinch)로서 작용하고, 이는 내부 로킹을 생성한다. 로킹 요소가 내부 나사의 일부를 변형시킨 후, 체결구의 외부 나사는 내부 나사를 재성형할 것이다. 로킹 요소가 연속적이지 않기 때문에, 체결구의 제거시 외부 나사는 내부 나사를 그 원래의 형상으로 재성형하여 너트 부재의 재사용을 허용할 것이다.

사전 태핑(pre-tapped) 너트 부재를 사용하는 경우에도 유사한 원리가 적용된다. 체결구를 삽입할 때 외부 나사는 내부 나사를 따르고 로킹 요소는 내부 나사를 변형시킬 것이다. 외부 나사는 삽입 및 제거 중에 내부 나사를 유지하고 재성형한다.

본 발명의 전술한 및 추가 이점은 유사 참조 번호가 동일하거나 실질적으로 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면과 관련하여 본 명세서에서 설명된다.
앞서 설명한 도 1은 예시적인 자가 로킹 체결구 조립체의 측면도이다.
앞서 설명한 도 2는 예시적인 나사 전조 체결구의 측면도이다.
도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구의 측면도이다.
도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 로킹 요소(코어 나사)의 배치를 예시하는 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 외부 나사 및 코어 나사의 예시적인 나사 프로파일을 예시하는 도면이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구의 종방향 단면도이다.
도 5의 (b)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구의 측방향 단면도이다.
도 5의 (c)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구의 측방향 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 체결구의 부분 측면도이다.
도 6b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 코어 나사의 시작부를 예시하는 예시적인 체결구의 부분 측면도이다.
도 6c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 코어 나사를 예시하는 예시적인 체결구의 부분 측면도이다.
도 6d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 코어 나사를 예시하는 예시적인 체결구의 부분 측면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 비나사형 너트 부재 내의 예시적인 체결구를 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 나사형 너트 부재 내의 예시적인 체결구를 도시하는 단면도이다.

본 발명은 예시적인 나사 전조 및 자가 로킹 체결구를 제공한다. 나사 전조 외부 나사는 예시적으로 체결구상에서 이용된다. 코어 나사를 포함하는 복수의 신규 로킹 요소가 로킹 기능을 제공하기 위해 체결구의 생크를 따라 비연속적인 위치에서 외부 나사 사이에 배치된다. 코어 나사는 너트 재료를 변형시켜 자가 로킹 기능을 제공한다. 외부 나사는 너트를 재사용할 수 있도록 너트의 내부 나사를 재성형한다.

도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 체결구(300A)의 측면도이다. 체결구(300A)는 예시적으로 베이스(310)를 갖는 헤드(305)를 포함한다. 베이스(310)로부터, 생크(340)는 체결구의 축을 따라 체결구 단부(325)까지 연장된다. 생크(340)의 일부를 따라 외부 나사를 갖는 예시적인 나선형 나사(315)가 배치된다. 예시적으로, 나선형 나사(315)는 앞서 통합된 SAE-J1237 1979에 정의된 나사 전조 스크류용 나사를 포함하고, 본원에 참고로 통합된 IFI 510에 정의된 나사 크기를 가질 수 있다. 샤프트(340)는 또한 예시적으로 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 너트 부재(도시되지 않음) 내에 체결구를 설정하는 데 이용될 수 있는 테이퍼형 리드 진입 부분(320)을 포함한다. 예시적으로, 예시적인 로킹 요소(코어 나사)(330)는 나선형 나사(315)를 갖는 생크(340)의 부분을 따라 분산되어 아래에 추가로 설명된 바와 같이 신규한 로킹 기능을 제공할 수 있다.

본 기술 분야의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 헤드(305)는 스크류드라이버 등과 같은 공구가 결합되어 너트 부재에 대한 삽입/제거의 목적으로 회전력을 부여하는 적절한 메커니즘을 예시적으로 포함한다. 헤드(305)는 공구가 결합되는 임의의 유형의 메커니즘을 이용할 수 있다.

생크(340)는 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있고 또는 앞서 언급된 미국 특허 제6,089,806호에 설명된 것과 같은 3개의 로브를 갖는 것과 같은 대안적인 단면을 가질 수 있다.

도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 체결구(300B)의 예시적인 측면도이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 복수의 로킹 요소(330)가 생크(340)를 따라 배치된다. 로킹 요소는 예시적으로 이하에서 더 설명되는 코어 나사로서 구현된다. 로킹 요소 및 코어 나사라는 용어는 본 설명 내에서 상호 교환 가능하게 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 로킹 요소(330)는 너트 부재가 생크의 길이를 따라 항상 결합되도록 하는 간격으로 배치된다. 예시적으로, 로킹 요소는 2개의 코어 나사 중 어떠한 것도 외부 나사(315)의 나사 피치(즉, 인접한 나사의 크레스트 사이의 거리)의 대략 2 배보다 근접하게 위치되지 않도록 340을 따라 위치된다. 이는 예시적인 거리이며, 본 발명의 대안적인 실시예에서, 로킹 요소(330) 사이의 거리는 외부 나사의 피치의 2 배보다 크고 및/또는 2 배보다 작을 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 설명은 본 발명의 대안적인 실시예에서 로킹 요소가 생크를 따라 비연속적으로 분포된다는 관점에서 기재되었지만, 로킹 요소는 생크를 따라 실질적으로 고르게 및/또는 연속적으로 분포될 수 있다. 따라서, 로킹 요소(330)의 수 및 빈도는 너트 부재의 유형 및 두께에 대한 설계 선택에 기초하여 상이한 체결구 사이에서 변할 수 있다. 이와 같이, 도 3a 및 도 3b의 로킹 부재(330)의 발생의 설명 및 예시는 단지 예로서 고려되어야 한다.

도 4는 본 발명의 예시된 실시예에 따른 외부 나사(315) 및 코어 나사(330)의 예시적인 나사 프로파일을 도시한 도면이다. 나사 사이의 가장 낮은 지점은 피치(P)만큼 서로 분리되어 있고, 즉, 나사를 따른 임의의 지점에서 다음 나사의 대응 위치는 거리 P만큼 떨어져 있을 것이다.

예시적으로, 외부 나사는 완전한 삼각형의 단면을 가지지 않으며, 대신 절두되어 있다. 예시적으로, 절두되지 않은 외부 나사의 높이는 P의 대략 0.8660254배 높이이다. 대안적인 실시예에서, 외부 나사의 높이는 설계 선택에 따라 달라질 수 있음에 유의해야 한다. 이와 같이, 본 명세서에서 사용될 때, 높이는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

도 4는 3개의 측정 기준을 도시한다:

Tmax = 0.40714 Х P

T = 0.433013 Х P

Tmin = 0.37886 Х P.

이 값은 예시적인 것이며 본 발명의 대안적인 실시예에서 변화될 수 있음을 유의하여야 한다. T는 예시적으로 부 나사 피치 직경과 주 나사 피치 직경이 정렬된 측정치이다. Tmax는 예시적으로 T보다 큰 쪽의 대략 1/2 피치 직경 공차의 부 나사의 상한 측정치이다. 유사하게, Tmin은 예시적으로 T보다 작은 쪽의 대략 1/2 피치 직경 공차의 부 나사의 하한 측정치이다.

도 5의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 체결구의 예시적인 단면도(500A)이다. 도 5의 (a)는 직경 선 A-A에 따른 예시적인 체결구의 종방향 모습을 도시한다. 도 5의 (b)는 도 5의 (a)의 단면선 B-B의 선을 따른 예시적인 체결구의 측면도(500B)이다. 도 5의 (c)는 도 5의 (a)의 선 C-C를 따른 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 체결구의 예시적인 단면도(500C)이다. 단면도(500B, C)는 로킹 요소(330)뿐만 아니라 예시적인 외부 나사 윤곽(315)을 도시한다. 예시적인 단면(500B, C)에서 알 수 있는 바와 같이, 코어 나사(330)는 생크의 일부를 따라 회전하고 외부 나사(315)의 직경을 초과하지 않는다. 예시적인 단면(500B, C)은 예시적인 3개의 로브형 단면 설계임을 유의해야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예에서는 상이한 단면이 본 발명의 목적을 달성하기 위해 이용될 수 있음을 또한 유의해야 한다. 이와 같이, 3-로브 단면의 설명은 단지 예시로서 고려되어야 한다.

이는 본 명세서에 설명된 도 6a 내지 도 6d에 추가로 도시되어 있다. 도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 체결구의 예시적인 측면도 및 단면(600A)이다. 단면도(605)는 외부 나사(315)의 직경이 도 6a에서 알 수 있는 바와 같이 이루어질 수 있음을 도시한다. 체결구를 따른 특정 지점에는 로킹 요소가 존재하지 않는다. 그러나, 도 6b에서, 로킹 요소(330)는 외부 나사(315) 사이의 공간 내에 나타나기 시작했다. 체결구가 계속 회전함에 따라, 로킹 요소(330)는 도 6c에 도시된 바와 같이 크기가 계속 증가한다. 이는 로킹 요소(330)가 외부 나사(315) 사이에서 그 최대 크기에 도달하는 도 6d에서 계속된다.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 삽입된 예시적인 체결구를 갖는 예시적인 비나사형 너트 부재(705)의 단면도이다. 예시적인 너트(705)가 도시되어 있으며, 너트 부재(705)의 내부 에지(710)뿐만 아니라 비나사 너트 부분(705)을 도시하는 너트의 단면도가 도시되어 있다. 나사(315)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 비나사형 너트 부재의 적절한 내부 나사를 형성한다. 추가적인 로킹 요소(330)는 앞서 설명한 바와 같이 비나사형 너트 부재를 변형시켜 로킹 메커니즘을 생성한다.

도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 내부 나사(810)를 갖는 나사형 너트 부재(805) 내로 삽입된 체결구의 예시적인 단면도이다. 로킹 부재(330)는 너트 부재(805)를 변형시켜 로킹 메커니즘을 생성하는 것으로 도시된다.

본 설명은 본 발명의 다양한 예시적인 실시예와 관련하여 설명된다. 본 기술 분야의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 실시예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 이와 같이, 설명된 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (10)

1. 체결구이며,
   헤드로서, 생크가 제1 축에서 그로부터 연장되고, 생크에는 나사 전조 나선형 나사가 그 위에 형성되어 있는, 헤드; 및
   생크를 따라 배치된 하나 이상의 코어 나사를 포함하는, 체결구.
2. 제1항에 있어서, 생크는 원형 단면을 갖는, 체결구.
3. 제1항에 있어서, 생크는 3개의 로브를 갖는 단면을 갖는, 체결구.
4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 코어 나사는 생크를 따라 대략 너트 부재의 폭만큼 이격되어 있는, 체결구.
5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 코어 나사는 생크를 따라 나사 전조 나선형 나사의 나사들 사이에 배치되는, 체결구.
6. 체결구이며,
   제1 축을 따라 연장되는 생크로서, 생크의 제1 단부에 헤드가 연결되고, 헤드는 제1 축에 수직으로 연장되며, 헤드는 구동력을 수용하도록 구성된, 생크;
   헤드로부터 실질적으로 생크의 제2 단부까지 생크를 따라 배치된 제1 나사로서, 너트 부재에 내부 나사를 형성하도록 구성된, 제1 나사; 및
   생크의 하나 이상의 부분을 따라 배치된 제2 나사로서, 체결구가 너트 부재 내로 삽입될 때 너트 부재의 재료를 로킹 메커니즘으로 형성하는, 제2 나사를 포함하는, 체결구.
7. 제6항에 있어서, 제2 나사는 체결구가 제거될 때 너트 부재의 재료를 재성형하는, 체결구.
8. 제6항에 있어서, 제1 나사는 자가 태핑 나사인, 체결구.
9. 제6항에 있어서, 제2 나사는 헤드로부터 생크의 제2 단부까지 생크를 따라 실질적으로 주기적인, 체결구.
10. 시스템이며,
    제1 나사 및 제2 나사가 그 위에 배치되어 있는 체결구로서, 제1 나사는 나사 전조 나사이고 제2 나사는 코어 나사인, 체결구; 및
    너트 부재로서, 너트 부재는 삽입시에 체결구 및 너트 부재가 로킹되도록 제2 나사에 의해 변형되고, 너트 부재는 제거시 제2 나사에 의해 재성형되는, 너트 부재를 포함하는, 시스템.

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