KR20220155335A

KR20220155335A - 구동 요소

Info

Publication number: KR20220155335A
Application number: KR1020227035489A
Authority: KR
Inventors: 니콜 봉가르츠
Original assignee: 니콜 봉가르츠
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-11-22
Also published as: BR112022020734A2; HUE065837T2; PT4107400T; AU2021257637B2; FI4107400T3; CN115413310A; DE102020110450A1; PL4107400T3; US20230235772A1; AU2021257637A1; ZA202211681B; HRP20240023T1; MX2022012839A; JP2023522051A; CA3177236A1; WO2021209624A1; DE102020110450B4; ES2972945T3; EP4107400B1; EP4107400A1

Abstract

본 발명은 구동 요소(8)에 관한 것으로, 이는 프로파일 축(P_I)을 정의하고, 내측에는 프로파일 축(P_I)을 중심으로 균일하게 분포되는 방시으로 배열된 복수의 오목한 구동 표면들(6)이 구비되고, 구동 표면들(6) 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들(7)이 제공되는, 내부 구동 프로파일(5)을 갖거나, 또는 프로파일 축(P_A)을 정의하고, 외측에는 프로파일 축(P_A)을 중심으로 균일하게 분포되는 방식으로 배열된 복수의 오목한 구동 표면들(10)이 구비되고, 구동 표면들(10) 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들(7a)이 제공되는, 외부 구동 프로파일(9)을 갖는다.

Description

구동 요소

본 발명은 - 특히 샤프트의 일 단부의 - 프로파일 축을 정의하고, 내측에는 프로파일 축을 중심으로 균일하게 분포된 복수의 오목한 구동 표면들이 구비되고, 구동 표면들 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들이 제공되는, 내부 구동 프로파일을 갖거나; 또는 프로파일 축을 정의하고, 외측에는 프로파일 축을 중심으로 균일하게 분포된 복수의 오목한 구동 표면들이 구비되고, 구동 표면들 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들이 제공되는, 외부 구동 프로파일을 갖는; 구동 요소에 관한 것으로,

횡단면에서, 구동 표면들과 전이 표면들 사이의 전이 지점들 또는 전이부들(transitions)은 내부 직경(Di)을 갖는 공통 내부 원에 놓여 있고,

구동 표면들은 프로파일 축을 중심으로 균일하게 분포된 직경(Da)을 갖는 외부 원들에 놓여 있고, 프로파일 축을 포함하는 이들의 종방향 중심 평면에 대해 대칭적으로 형성된다.

또한, 본 발명은 2개의 부품들을, 특히 스크류 및 회전 공구를 회전 고정 방식(rotationally fixed manner)으로, 연결하기 위한 방법에 관한 것으로, 부품들 중 하나는 외부 구동 프로파일을 갖는 구동 요소로서 설계되고, 다른 하나의 부품은 내부 구동 프로파일을 갖는 구동 요소로서 설계되며, 2개의 부품들의 구동 프로파일들은 2개의 부품들 사이에 회전 고정식 연결을 생성하도록 함께 축방향으로 끼워진다(axially plugged).

스크류들 및 회전 공구들은 종래 기술로부터 다양한 디자인들로 알려져 있다. 스크류들은 회전 공구와의 결합을 위해 상단 영역에 구동 프로파일이 제공되는 수나사산이 있는 스크류 생크를 포함하며, 구동 프로파일은 일반적으로 스크류 헤드 상에 형성된다. 회전 공구들은 예를 들어 링(ring) 또는 양구(open-end) 렌치들의 형태로 설계되거나, 또는 예를 들어 비트 고정기(bit holder)를 통해 휴대용 또는 무선 스크류 드라이버 형태의 드라이브에 연결되는 교환 가능한 비트들을 포함한다. 대안적으로, 비트 고정기는 교체용 어댑터를 통해 스크류 드라이버 핸들 또는 각진 핸들, 래칫, 토크 렌치, 무선 스크류 드라이버 또는 래칫 스크류 드라이버에 연결될 수 있다.

스크류 및 회전 공구는 회전 공구로부터 스크류에 토크를 전달하기 위해 서로 상보적으로 설계된 구동 프로파일들을 갖도록 제공된다. 이를 위해, 2개의 부품들 중 하나는 이의 자유 단부들 중 하나에 외부 구동 표면들을 갖는 외부 구동 프로파일을 갖고, 다른 하나의 부품은 이의 하나의 자유 단부에 외부 구동 프로파일에 상보적인 내부 구동 표면들을 갖는 내부 구동 프로파일을 갖는다. 구동 프로파일들은, 예를 들어 내부 육각형, 외부 육각형, 톡스(Torx) 프로파일 및 교차-슬롯 프로파일 또는 슬롯 프로파일의 형태이다. 내부 구동 프로파일과 외부 구동 프로파일이 결합된 이후, 구동 프로파일들은 유격(play)을 갖고 서로 접촉된다. 이는, 구동 프로파일들이 의도하지 않게 서로 분리될 수 있고 또한 구동 프로파일들을 서로 축 방향으로 정렬시키는 것이 가능하지 않다는 것을 의미한다. 회전 공구로 스크류를 조이고 풀 때 핸들링을 단순화하기 위해, 자석이 구비된 회전 공구들 또는 자석으로 자화할 수 있는 강자성의 회전 공구들이 제공된다. 그러나, 이는 추가 비용을 초래한다. 또한, 자성의 회전 공구를 사용하는 것으로는, 구동 프로파일들의 동축 정렬(coaxial alignment)이 달성될 수 없다. 그러나, 자동화된 제조 공정에 스크류 결합을 통합할 수 있으려면 이러한 동축 정렬이 필요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 소위 톡스 스크류들을 조이고 풀기 위한 회전 공구의 구동 표면이 프로파일 축에 대해 예각으로 경사지고, 따라서 회전 공구 및 스크류의 구동 프로파일들이 축 방향으로 함께 끼워지면 밀착(tight fit)이 이루어지고, 따라서 스크류를 나사산에 조이기 위해 추가적인 고정 수단이 필요하지 않다는 것이, 공보(DE 10 2005 011 734 A1)로부터 알려져 있다. 유사하게, 부품들 사이의 밀착을 생성하기 위해 스크류 및 회전 공구의 구동 표면들을 경사지게 형성하는 것이 공보(WO 2013/062895 A1) 및 공보(US 2010/0269644 A1)로부터 알려져 있다.

스크류들을 조이고 풀 때 반복적으로 발생하는 문제는, 스크류를 조이거나 풀기 위해 요구되는 토크들이 너무 높으면, 특히 에지 영역들에서, 구동 프로파일들이 손상된다는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 공보(WO 2019/238250 A1)에는 스크류 및 회전 공구가 있는 구동 시스템이 제안되어 있으며, 그 구동 프로파일들은 테이퍼형(tapered)이다. 또한, 외부 구동 프로파일은 오목한, 즉 원호 세그먼트의 형태로 프로파일 축을 향해 내측으로 만곡된 구동 표면들을 가지며, 내부 구동 프로파일은 이에 상보적인 구동 표면들을 갖는다. 정합(mate)되는 경우, 2개의 부품들의 구동 표면들은 원주 방향에서 볼 때 오목한 곡률의 정점(apex)의 양 측에서 접촉/맞물림 되도록 배열된다.

포지티브(positive) 및 비틀림 강성(torsionally rigid) 연결 이외에도, 본 설계는 또한 스크류와 회전 공구 사이에 마찰(frictional) 또는 클램핑(clamping) 연결을 생성하며, 이를 통해 부품들이 축 방향으로 연결되고 서로 동축으로 정렬된다. 또한, 힘 또는 토크는 정점의 양 측의 호 형상으로 만곡된 구동 표면들에서 발생하는 2차원 접촉을 통해서만 전달되며, 구동 표면들 사이에 위치한 전이 영역들/전이 표면들에서는 접촉이 없다. 이러한 방식으로, 구동 표면들의 에지 영역들 또는 주변 영역들에 대한 손상을 완전히 피할 수 있다.

본 발명의 과제는 전술한 구동 시스템을 더욱 최적화하는 것이며, 특히 높은 토크 전달 및 많은 수의 부하 사이클(load cycles)을 가능하게 하는 것이다.

이러한 과제는, 전술한 유형의 구동 요소에서, 외부 직경(Da) 및 외부 원들의 중심들과 내부 원의 중심 사이의 중심간 거리(L)는 내부 직경(Di)의 함수로서 선택되어, 프로파일 축에 대한 토크(M_D)가 구동 프로파일 내로 도입되는 경우, 하나의 구동 표면과 이에 인접한 전이 표면 사이마다의 전이 지점들에서 작용하는 법선력(normal force)은 이 하나의 구동 표면에 인접한 구동 표면에 접하거나(tangential) 또는 이 하나의 구동 표면 내부에서 연장된다(run)는 점으로 해결된다. 즉, 법선력은 인접한 구동 표면과 프로파일 축 사이에 놓인 구동 프로파일의 중앙 영역으로 향한다.

따라서, 이러한 과제는, 도입부에서 언급된 유형의 2개의 부품들, 특히 스크류 및 회전 공구의 회전 고정식 연결을 위한 방법에서, 부품들이 본 발명에 따른 구동 요소들로서 설계되고, 구동 요소들의 구동 프로파일들은, 구동 프로파일들이 축방향으로 함께 끼워지는(plugged) 경우 부품들의 구동 표면들이 2차원 방식으로 서로 접촉하게 되어 부품들이 서로 축방향으로 연결되는 마찰 및/또는 클래핑 연결이 부품들 사이에 생성되는 방식으로, 서로 상보적으로 선택된다는 점으로 해결된다.

도 1은 내부 구동 프로파일을 갖는 스크류의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 스크류의 구동 프로파일에 대응되는 본 발명에 따른 외부 구동 프로파일을 갖는 스크류 비트 형태의 구동 요소의 사시도이다.
도 3은 구동 표면들의 경사각(α)을 나타내는 단면도에서 스크류 비트와 스크류 간의 맞물림을 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 세부(X)의 확대도이다.
도 5는 전이 표면의 경사각(β)을 나타내는 다른 단면도에서의 맞물림을 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 5의 유닛(X)의 확대도이다.
도 7은 본 발명에 따른 구동 요소의 외부 구동 프로파일에 대한 기하학적 구조 및 힘 경로들을 도시한다.
도 8은 치수가 있는 본 발명에 따른 외부 구동 프로파일의 일 예를 도시한다.

구동 표면들에서의 토크 전달 동안 발생되는 법선력이 구동 프로파일의 코어를 향하고 따라서 오목하게 만곡된 구동 표면들 사이에 놓인 영역들이 굽힘 및/또는 전단력으로 인한 법선력에 의해 하중을 받지 않거나 거의 받지 않는다면, 달성 가능한 부하 사이클 수 및 전달 가능한 토크와 관련하여 최적의 결과가 달성될 수 있음이 입증되었다. 이는, 본 발명에 따라 외부 직경(Da), 내부 직경(Di) 및 중심간 거리(L)를 매칭시킴으로써 달성된다. 법선력은 토크를 발생시키기 위해 구동 프로파일 내에 도입되는 지렛대 힘(lever force)의 일부인 것으로 이해되며, 이는 각각의 원형 세그먼트 형상의 구동 표면에 대해 수직으로 연장되고, 따라서 그 원의 중심을 통과한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중심간 거리(L)는 식(L = F(L, D_i ) D_i)에 따라 계산되고, 여기서 F(L, D_i ) = 0.494 e^(0,605K)이다. 여기서, 연장 비율(K = D_a /D_i)은 0.3 내지 2.0의 범위에 있어야 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내부 구동 프로파일을 가지며, 내부 구동 프로파일의 구동 표면들은 프로파일 축에 대해 경사져서, 내부 구동 프로파일의 삽입 개구로부터 시작하여 내부 구동 프로파일의 후단을 향해 프로파일 축에 접근한다. 본 실시 예의 바람직한 실시 예는, 내부 구동 프로파일의 구동 표면들이 프로파일 축에 대해 적어도 1°, 특히 적어도 1.5°인 경사각(α_I)만큼 경사진 것 및/또는 내부 구동 프로파일의 구동 표면들이 프로파일 축에 대해 최대 5°, 특히 최대 3.5°, 바람직하게는 최대 3°의 경사각(α_I)만큼 경사진 것을 특징으로 하며, 경사각(α_I)은 바람직하게는 2° ± 0.2° 또는 3° ± 0.2°이다.

본 실시 예의 추가 실시 예에서, 전이 표면들은 프로파일 축에 대해 경사지고, 내부 구동 프로파일의 삽입 개구로부터 시작하여 내부 구동 프로파일의 후단을 향해 프로파일 축에 접근할 수 있다. 본 실시 예의 일 실시 예는, 전이 표면들이 프로파일 축에 대해 적어도 1°, 특히 적어도 1.5°인 경사각(β_I)만큼 경사진 것 및/또는 내부 구동 프로파일의 전이 표면들이 프로파일 축에 대해 최대 5°, 특히 최대 3.5°, 바람직하게는 최대 3°인 경사각(β_I)만큼 경사진 것을 특징으로 하며, 경사각(β_I)은 바람직하게는 2° ± 0.2° 또는 3° ± 0.2°이다. 바람직한 방식에서, 프로파일 축에 대한 구동 표면들의 경사각(α_I)은 프로파일 축에 대한 전이 표면들의 경사각(β_i)과 정확히 동일하다.

즉, 내부 구동 프로파일들은 그들의 삽입 개구로부터 원추형으로(conically) 수렴하도록 설계된다.

동일한 방식으로, 본 발명에 따른 구동 요소의 외부 구동 프로파일의 구동 표면들은 프로파일 축에 대해 경사져서, 외부 구동 프로파일의 삽입 단부를 향해 프로파일 축에 접근할 수 있다. 여기서, 구동 표면들은 프로파일 축에 대해 적어도 0.5°, 특히 적어도 1° 및/또는 최대 1.5°인 경사각(α_A)만큼 경사진 것이 적절하며, 경사각(α_A)은 바람직하게는 1.15° ± 0.2°이다.

이 경우, 전이 표면들은 프로파일 축에 평행하게 연장될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전이 표면들은 프로파일 축에 대해 0° 초과 0.7° 미만인 경사각(β_A)만큼 경사지고, 경사각(β_A)은 바람직하게는 0.4° ± 0.05°이다.

본 실시 예의 추가 실시 예에서, 프로파일 축에 대한 전이 표면들의 경사각(β_A)은 프로파일 축에 대한 구동 표면들의 경사각(α_A)보다 더 작고, 경사각(α_A) 대 경사각(β_A)의 비는 2 이상, 특히 2.5 이상, 바람직하게는 2.8 ± 0.2이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 외부 직경(Da)은 구동 프로파일의 축방향 길이에 걸쳐 일정하다. 여기서, 원추형으로 수렴하는 구동 프로파일의 경우 구동 표면들이이 상이하게 제조될 수 있음을 고려해야 한다. 한편으로는, 원통형 절삭기(cylindrical cutter)가 사용될 수 있으며, 이후 원하는 테이퍼 각도(taper angle)에 따라 조정될 수 있다. 이 경우, 구동 표면들은 테이퍼형 구동 프로파일의 각각의 플랭크 각도(flank angle)에 수직인 평면에서 순수한 원형 형상을 갖지만, 이 순수한 원형 형상은 프로파일 축에 수직인 단면 평면에서 약간 타원형으로 왜곡된다. 다른 제조 공정에서도 유사한 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 편차는 제조 공차로 간주된다.

유사하게, 내부 직경(D_I)은 구동 프로파일의 축방향 길이에 걸쳐 일정할 수 있거나, 전이 표면들의 경사에 맞춰, 내부 구동 프로파일의 경우 이의 삽입 개구의 방향으로 연속적으로 증가하고, 외부 구동 프로파일의 경우 이의 삽입 단부로부터 시작하여 증가할 수 있다. 후자의 경우, 요구되는 조건들 및 따라서 요구되는 법선력의 진로(course)는 외부 구동 프로파일의 테이퍼형 단부에, 바람직하게는 이의 전체 유효 길이에 걸쳐 존재해야 한다.

스크류 헤드의 경우와 마찬가지로, 구동 프로파일은 바람직하게는 5개 또는 6개의 구동 표면들을 갖는다. 그러나, 다른 개수도 가능하다.

바람직한 방식에서, 구동 요소는 스크류이고, 구동 프로파일은 스크류 헤드 상에 형성된다. 마찬가지로, 구동 요소는 스크류 비트일 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시 예에 따르면, 2개의 부품들의 구동 프로파일들은 프로파일 축에 대해 경사진 구동 표면들을 가지며, 부품들의 구동 프로파일들은, 구동 프로파일들이 축방향으로 함께 끼워지는 경우 부품들의 구동 표면들이 서로 2차원 접촉하게 되어 부품들이 서로 축방향으로 연결되는 마찰 및/또는 클램핑 연결이 부품들 사이에 생성되는 방식으로, 서로 상보적으로 선택된다.

본 발명에 따른 방법에서, 회전 고정 방식으로 연결될 부품들의 쌍들은 키트(kit)의 방식으로 서로 할당되며, 부품들은 서로 맞물리고 서로 대응되도록 설계된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 2개의 부품들은, 2개의 부품들의 구동 프로파일들이 그들 각각의 프로파일 축에 대해 경사진 구동 표면들을 갖도록, 선택된다. 바람직한 실시 예에서, 내부 구동 프로파일의 구동 표면들이 프로파일 축에 대해 경사지는 경사각(α_i)은, 외부 구동 프로파일의 구동 표면들이 프로파일 축에 대해 경사지는 경사각(α_A)보다 더 크다. 프로파일 축에 대해 외부 구동 프로파일의 구동 표면들의 경사각(α_A)은 1.15° ± 0.15°이고 내부 구동 프로파일의 구동 표면들의 경사각(α_i)은 3° ± 0.2°이거나, 또는 프로파일 축에 대한 내부 구동 프로파일의 구동 표면들의 경사각(α_i)은 2° ± 0.2°이고 프로파일 축에 대한 외부 구동 프로파일의 구동 표면들의 경사각(α_A)은 1.15° ± 0.15°이다. 이러한 설계는, 구동 프로파일들이 테이퍼형 단부들에 맞물리지만, 더 두꺼운 단부들을 향해 작은 간격이 있음을 보장한다. 이는 프로파일 축들을 가로지르는 힘 부하의 경우에도 안전한 연결을 보장하는 것으로 나타났다.

유사하게, 2개의 부품들의 구동 프로파일들)의 전이 표면들은 각각의 프로파일 축에 대해 경사지고, 프로파일 축에 대한 내부 구동 프로파일의 전이 표면들의 경사각(β_i) 대 외부 구동 프로파일의 전이 표면들이 프로파일 축에 대해 경사지는 경사각은 5 이상, 특히 6 이상, 바람직하게는 7.5 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 추가 실시 예에 따르면, 내부 구동 프로파일의 외부 직경이 외부 구동 프로파일의 외부 직경보다 더 작은, 특히 1.5 내지 3%만큼, 바람직하게는 2%만큼 더 작은 구동 요소들이 사용될 수 있다.

외부 구동 프로파일의 약간의 언더사이즈(undersize)는 구동 표면들의 제조 동안 절삭 인서트의 마모 현상을 보상할 수 있는 것으로 나타났다.

본 실시 예의 추가 실시 예에서, 2개의 부품들의 구동 표면들은 원주 방향에서 이들의 범위의 적어도 25%, 특히 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 60%에 걸쳐 서로 2차원 접촉하게 될 수 있다.

바람직하게는, 2개의 부품들은 이들의 종방향 중심 평면의 양 측에서 각각의 접촉 표면과 접촉하게 된다. 마찬가지로, 구동 프로파일들은, 이들이 전이 표면들의 영역에서 접촉하게 되지 않도록, 설계될 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들이 예시된다

도 1은 스크류(screw; 1) 형태의 구동 요소의 일 예를 나타낸다. 스크류(1)는, 수나사산(external thread; 3)을 지지하며 스크류(1)의 종축(longitudinal axis)을 정의하는 생크(shank; 2)를 포함한다. 생크(2)의 상단부에는 스크류 헤드(screw head; 4)가 제공되며, 이의 내측에는, 스크류 헤드(4)의 상측을 향해 개방되고 내부 구동 표면(inner driving surface; 6)들을 가지며 스크류(1)의 종축과 동축으로(coaxially) 놓여있는 프로파일 축(P_I)을 정의하는, 내부 구동 프로파일(inner driving profile; 5)이 구비된다. 이에 의해, 개방된 상측은 스크류 비트를 위한 내부 구동 프로파일(5)의 삽입 개구(5a)를 형성한다.

횡단면도 또는 평면도에서, 내부 구동 프로파일(5)은 정육각형의 기본 형상을 가지며, 이의 측면(side face)들은 2°의 경사각(α_I)으로 스크류(1)의 종축 또는 프로파일 축(P_A)에 대해 경사진 구동 표면들(6)을 형성하여, 이들은 내부 구동 프로파일(5)의 삽입 개구(5a)로부터 내부 구동 프로파일(5)의 후단을 향해 프로파일 축(P_A)에 접근할 수 있다. 즉, 구동 프로파일(5)은 스크류 헤드(4)에서 테이퍼진다(taper). 작은 스크류의 경우, 경사각(α_I)은 3°일 수도 있다.

내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)은 오목한 횡단면을 갖는데, 즉 이들은 프로파일 축(P_I)을 향해 내측으로 만곡된다(curved). 구체적으로, 오목한 구동 표면들(6) 각각은 원호 세그먼트(circular arc segment) 형상의 횡단면을 가지며, 구동 표면들(6)의 반경은 전체 축 방향 길이에 걸쳐 일정하다.

구동 표면들(6)은, 볼록하게 만곡되고 원호 형상을 갖는 전이 영역들 또는 전이 표면들(transition areas 또는 transition surfaces; 7)에 의해 6개의 코너들에서 서로 연결되고, 그 결과 빔-형상(beam-like) 형태로 바깥쪽으로 돌출된다. 전이 영역들(7)과 구동 영역들(6) 사이의 전이는 연속적이다. 전이 표면들(7)은 프로파일 축(P_I)에 대해 경사져서, 이들은 내부 구동 프로파일(5)의 삽입 개구(5a)로부터 시작하여 내부 구동 프로파일(5)의 후단을 향해 프로파일 축(P_I)에 접근한다. 이 경우, 프로파일 축(P_I)에 대한 전이 표면들(7)의 경사각(β_I)은 프로파일 축(P_I)에 대한 구동 표면들의 경사각(α_I)과 정확히 같으며, 따라서 예시된 실시 예에서 2°이다.

도 2에는, 도 1에 도시된 스크류(1)를 작동시키도록 설계된 스크류 비트 형태의 구동 요소/회전 공구(driving element/turning tool; 8)가 도시되어 있다. 회전 공구(8)는 외부 구동 프로파일(outer driving profile; 9)을 가지며, 이의 하단은 도시되지 않은 스크류 비트의 샤프트(shaft) 상에 제공되고 스크류(1)의 구동 프로파일(5)에 대응되도록 설계되어 프로파일 축(P_A)을 정의한다. 따라서, 외부 구동 프로파일(9) 또한 횡단면에서 육각형의 기본 형상을 가지며, 구동 프로파일(9)의 구동 표면(10)은 오목한데, 즉 프로파일 축(P_A)의 방향으로 만곡되고 프로파일 축(P_A)에 대해 소정의 각도로 연장된다. 구체적으로, 스크류 비트의 구동 표면들(10)은 프로파일 축(P_A)에 대해 1.15°의 각도(α_A)로 기울어져 있고, 이에 의해 이들은 외부 구동 프로파일(9)이 스크류(1)의 내부 구동 프로파일(5)에 삽입되는 외부 구동 프로파일(9)의 자유 삽입 단부(도 2의 상단부)를 향해 프로파일 축(P_A)에 접근한다. 따라서, 스크류 비트의 구동 표면들(10)은 스크류의 구동 표면들(9)보다 다소 가파르게 연장된다(도 3 및 도 4 참조). 구동 표면들(10)은, 이들의 축방향 길이에 걸쳐 일정하고 스크류(1)의 구동 표면들(6)의 곡률 반경과 동일한 값을 갖는 반경을 갖는 원호 세그먼트 형상의 횡단면을 갖는다.

구동 표면들(10)은, 또한 테이퍼지고 원호 형상을 갖는 볼록한 전이 영역들 또는 전이 표면들(7a)에 의해 서로 연속적으로 연결된다.

내부 구동 프로파일(5)과 마찬가지로, 외부 구동 프로파일(9)의 전이 표면들(7a)은 프로파일 축(P_A)에 대해 경사지며, 외부 구동 프로파일(9)의 삽입 단부를 향해 프로파일 축(P_A)에 접근한다. 여기서, 프로파일 축(P_A)에 대한 전이 표면들(7a)의 경사각(β_A)은 0.4°이다. 이는, 프로파일 축(P_A)에 대한 전이 표면들(7a)의 경사각(β_A)이 프로파일 축(P_A)에 대한 구동 표면들(10)의 경사각(α_A)보다 상당히 더 작음을 의미하며, 경사각의 비(α_A / β_A)는 거의 3이다. 또한, 외부 구동 프로파일(9)의 전이 표면들(7a)이 프로파일 축(P)에 대해 경사지는 경사각(β_A)은, 내부 구동 프로파일의 전이 표면들이 프로파일 축(P_I)에 대해 경사지는 경사각(β_I)보다 상당히 더 작다(도 5 및 도 6 참조). 이 경우, 비(β_I/ β_A)는 7.5이다. 스크류(1) 및 이에 대응되는 스크류 비트(8)의 전이 영역들은 서로 접촉하게 되지 않도록 배열된다. 따라서, 비트(8)의 전이 영역들(7a)의 곡률 반경은 스크류(1)의 전이 영역들(7)의 곡률 반경보다 더 크다.

즉, 구동 프로파일들(5, 9) 사이의 2차원 접촉/맞물림은 구동 표면들(6, 10)의 영역에서만 발생하고 중간 전이 영역들(7, 7a)에서는 발생하지 않으며, 원주 방향에서 볼 때 접촉 영역들은 오목하게 만곡된 구동 표면들(6, 10)의 정점(apex)의 양 측에서 각각 연장되는 방식으로 배열이 이루어진다. 정합 상태(mated state)에서 2개의 부품들(1, 8)의 구동 표면들(6, 10) 사이에 2차원 접촉이 존재하여, 구동 표면들(6, 10)의 구동 프로파일들(5, 9)의 원추형(conicity)으로 인해 2개의 부품들(1, 8) 사이에 클램핑 연결(clamping connection)이 생성될 때까지 2개의 구동 프로파일들(5, 9)이 축방향으로 정합되는 경우 2개의 부품들(1, 8)이 서로 정확하게 동축으로 정렬되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 2차원 접촉은 높은 토크가 전달될 수 있는 마찰 연결(frictional connection)을 생성한다.

도 7은 본 발명에 따른 자유, 테이퍼형 단부의 비트(8)의 외부 구동 프로파일(5)의 기하학적 구조를 도시한다.

전이 표면들(7)은 내부 직경(Da)을 갖는 공통 원(즉, 내부 원)에 놓여 있음을 알 수 있다. 그러나, 전이 표면들(7)은 연속적인 원호 형상을 가질 필요는 없고, 예를 들어 평평할 수도 있다. 도면에서 화살표(P1)로는 한번만 표시된 구동 표면(6)과 이에 인접한 전이 표면(7) 사이의 전이 지점들은 공통 내부 원에 놓여 있어야 한다.

또한, 구동 표면들(6)은 프로파일 축(P_A)을 중심으로 균일하게 분포된 직경(Da)을 갖는 외부 원들에 위치하고, 프로파일 축(P_A)을 포함하는(enclosing) 이들의 종방향 중심 평면에 대해 대칭적으로 형성된다는 것이 도시되어 있다.

프로파일 축(P_A)에 대한 토크(M_D)가 구동 프로파일(5)에 도입되는 경우 구동 표면들(6)과 이에 인접한 전이 표면들(7) 사이의 전이 지점들에서 작용하는 법선력(normal force)이 구동 표면에 인접한 구동 표면(6)에 접선 방향으로(tangentially) 인가되도록, 내부 원 및 외부 원들의 중심 지점들 사이의 중심간 거리(L) 및 외부 직경(D_a)은 내부 직경(D_i)의 함수로서 선택된다. 도 7에서, 법선력(F_N1)은 상부 접촉 표면(6)과 좌측의 인접한 전이 표면(7) 사이의 전이 지점(P1)에 대한 일 예로서 도시되었다.

원하는 토크(M_D)를 생성하기 위해, 지렛대 힘(F_H1)은 지점(P1)에서 작용해야 한다. 이는, 구동 표면(6)이 놓이는 외부 원에 수직으로 지향되어 그 중심을 통해 연장되는(run) 법선력(F_N1)과, 이에 수직으로 연장되는 접선력(tangential force; F_T1)으로 나눌 수 있다. 도 3에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 법선력(F_N1)이 상부 구동 표면(6)의 좌측에 인접하여 위치된 구동 표면(6)에 접선 방향으로 연장되도록 배열된다. 본 발명에 따르면, 법선력(F_N1)은 도 3의 점선 화살표(F_NB)에 대해 예시적으로 표시된 바와 같이, 도시된 법선력(F_N1)과 프로파일 축(P_A) 사이에서 연장(run)될 수도 있다. 법선력(F_N1)이 스크류 비트로서 설계된 부품(8)의 중앙 영역 또는 구동 프로파일(9)의 중앙 영역으로 도입되고, 구동 표면들(6) 사이의 빔-형상(beam-shaped) 전이 영역들(7)은 굽힘 또는 전단(shear)에 영향을 받지 않거나 거의 받지 않아야 한다.

주어진 내부 직경(D_i)에 대해, 외부 직경(D_a) 및 내부 원의 중심과 외부 원들의 중심들 사이의 중심간 거리(L)는 다음 식에 따라 계산될 수 있다.

L=F(L, D_i ) D_i .

연장 비율(running ratio; K = Da / Di)이 선택될 수 있으며, 이는 0.3 내지 2.0 범위이어야 한다.

계산의 예가 도 8에 도시되었다. 파라미터들은 다음과 같이 선택된다.

- D_i = 5.6 mm

- K = 0.8 (전술한 범위 내에서 자유롭게 선택됨)

- 이로부터, Da는 D_a = D_i K = 5.6 0.8 = 4.48로 계산된다.

- F(L, D_i )= 0,494 e^(0,605K) =0,494 e^{(0,605 0,8)} =0,8479 로 L 계산.

- L=F(L, D_i ) D_i= 0.8479 5.6 = 4.748.

이러한 파라미터들로부터, 도 4에 도시된 기하학적 구조가 구성될 수 있다.

내부 구동 프로파일(5)의 기하학적 구조는, 외부 구동 프로파일의 외부 직경(D_A)이 매칭되는 내부 프로파일(5)의 직경(D_A)보다 약 2% 더 작다는 조건에 따라 선택된다. 이는, 구동 표면들이 절삭 인서트(cutting insert)에 의해 생성되는 경우 구동 표면들의 중앙 영역에서 가장 큰 어느 정도의 마모를 받는다는 사실을 고려한 것인데, 이는 이 곳이 절삭 인서트에 의해 대부분의 재료가 제거되어야 하는 곳이기 때문이다. 마모가 증가함에 따라 구동 표면들의 중앙 영역에서 제거되는 재료가 줄어들어, 최소 곡률이 여기에 형성되어 언더사이즈를 보상한다.

구동 표면들의 경사각(α) 및 전이 표면들의 경사각(β)은 각각 대응하는 표면을 중심으로 하여 원주 방향으로 측정된다는 점에 유의한다. 따라서, 각도는 각각의 구동 프로파일의 프로파일 축과 교차하는 대응하는 표면의 중심 평면에서 측정된다.

1: 스크류
2: 샤프트
3: 수나사산
4: 스크류 헤드
5: 내부 구동 프로파일
5a: 삽입 개구
6: 구동 표면
7: 전이 영역들
7a: 전이 영역
8: 구동 요소/회전 공구/비트
9: 외부 구동 프로파일
10: 구동 표면
D_a: 외부 직경
L: 중심간 거리
M_D: 토크
P_I: 프로파일 축
P_A: 프로파일 축

Claims

구동 요소(8)로서,
프로파일 축(P_I)을 정의하고, 내측에는 프로파일 축(P_I)을 중심으로 균일하게 분포된 복수의 오목한 구동 표면들(6)이 구비되고, 구동 표면들(6) 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들(7)이 제공되는, 내부 구동 프로파일(5); 또는
프로파일 축(P_A)을 정의하고, 외측에는 프로파일 축(P_A)을 중심으로 균일하게 분포된 복수의 오목한 구동 표면들(10)이 구비되고, 구동 표면들(10) 사이에는 평면형 또는 볼록하게 만곡된 전이 표면들(7a)이 제공되는, 외부 구동 프로파일(9);
을 포함하되,
횡단면에서, 구동 표면들(5, 10)과 전이 표면들(7, 7a) 사이의 전이 지점들(P1) 또는 전이부들은 내부 직경(Di)을 갖는 공통 내부 원에 놓여 있고,
구동 표면들(5)은 프로파일 축(P_I, P_A)을 중심으로 균일하게 분포된 직경(Da)을 갖는 외부 원들에 놓여 있고, 프로파일 축(P_I, P_A)을 포함하는 종방향 중심 평면에 대해 대칭적으로 형성되며,
외부 직경(Da) 및 외부 원들의 중심들과 내부 원의 중심 사이의 중심간 거리(L)는 내부 직경(Di)의 함수로서 선택되어, 프로파일 축(P_I, P_A)에 대한 토크(M_D)가 구동 프로파일(5, 9) 내로 도입되는 경우, 하나의 구동 표면(6, 10)과 이에 인접한 전이 표면(7, 7a) 사이마다의 전이 지점들에서 작용하는 법선력은 상기 하나의 구동 표면(6, 10)에 인접한 구동 표면(6, 10)에 접하거나 상기 하나의 구동 표면(6, 10) 내부에서 연장되는,
구동 요소.
제 1 항에 있어서,
연장 비율(K=D_a /D_i)은 0.3 내지 2.0 범위인,
구동 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중심간 거리(L)는 식(L=F(L, D_i) D_i)에 따라 계산되고,
여기서 F(L, D_i ) = 0.494 e ^(0,605K)인,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
내부 구동 프로파일(5)을 포함하고,
내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)은 프로파일 축(P_a)에 대해 경사져서, 내부 구동 프로파일(5)의 삽입 개구(5a)로부터 시작하여 내부 구동 프로파일(5)의 후단을 향해 프로파일 축(P_a)에 접근하는,
구동 요소.
제 4 항에 있어서,
내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)은 프로파일 축(P_a)에 대해 적어도 1°, 특히 적어도 1.5°인 경사각(α_I)만큼 경사지고; 및/또는
내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)은 프로파일 축(P_I)에 대해 최대 5°, 특히 최대 3.5°, 바람직하게는 최대 3°의 경사각(α_I)만큼 경사지고,
경사각(α_I)은 바람직하게는 2° ± 0.2° 또는 3° ± 0.2°인,
구동 요소.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
전이 표면들(7)은 프로파일 축(P_I)에 대해 경사지고, 내부 구동 프로파일(5)의 삽입 개구(5a)로부터 시작하여 내부 구동 프로파일(5)의 후단을 향해 프로파일 축(P_I)에 접근하는,
구동 요소.
제 6 항에 있어서,
전이 표면들(7)은 프로파일 축(P_I)에 대해 적어도 1°, 특히 적어도 1.5°인 경사각(β_I)만큼 경사지고; 및/또는
내부 구동 프로파일(5)의 전이 표면들(7)은 프로파일 축(P_I)에 대해 최대 5°, 특히 최대 3.5°, 바람직하게는 최대 3°인 경사각(β_I)만큼 경사지고,
경사각(β_I)은 바람직하게는 2° ± 0.2° 또는 3° ± 0.2°인,
구동 요소.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
프로파일 축(P_I)에 대한 구동 표면들(6)의 경사각(α_I)은 프로파일 축(P_I)에 대한 전이 표면들(7)의 경사각(β_i)과 동일한,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
외부 구동 프로파일(9)을 갖고,
외부 구동 프로파일(9)의 구동 표면들(10)은 프로파일 축(P_A)에 대해 경사져서, 외부 구동 프로파일(9)의 삽입 단부를 향해 프로파일 축(P_A)에 접근하는,
구동 요소.
제 9 항에 있어서,
구동 표면들(10)은 프로파일 축(P_A)에 대해 적어도 0.5°, 특히 적어도 1° 및/또는 최대 1.5°인 경사각(α_A)만큼 경사지고,
경사각(α_A)은 바람직하게는 1.15° ± 0.2°인,
구동 요소.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
전이 표면들(7a)은 프로파일 축(P_A)에 대해 0° 초과 0.7° 미만인 경사각(β_A)만큼 경사지고,
경사각(β_A)은 바람직하게는 0.4° ± 0.05°인,
구동 요소.
제 11 항에 있어서,
프로파일 축(P_A)에 대한 전이 표면들(7a)의 경사각(β_A)은 프로파일 축(P_A)에 대한 구동 표면들(10)의 경사각(α_A)보다 더 작고,
경사각(α_A) 대 경사각(β_A)의 비는 2 이상, 특히 2.5 이상, 바람직하게는 2.8 ± 0.2인,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
외부 직경(D_A)은 구동 프로파일(5, 9)의 축방향 길이에 걸쳐 일정한,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 프로파일(5, 9)의 축방향 길이에 걸친 내부 직경(D_I)은 일정하거나, 또는 내부 구동 프로파일(5)의 경우 이의 삽입 개구(5a)의 방향으로 그리고 외부 구동 프로파일(9)의 경우 이의 삽입 단부로부터 시작하여, 각각의 프로파일 축(P_I, P_A)에 대한 전이 표면들(7, 7a)의 경사에 맞춰 연속적으로 증가하는,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 프로파일(5, 9)은 5개 또는 6개의 구동 표면들(6, 10)을 갖는,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 요소(1)는 스크류이고,
구동 프로파일(5)은 스크류 헤드(4) 상에 형성되는,
구동 요소.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 요소(8)는 스크류 비트인,
구동 요소.
2개의 부품들, 특히 스크류(1) 및 회전 공구(8)를 회전 고정 방식으로 연결하기 위한 방법으로서,
상기 부품들 중 하나는 외부 구동 프로파일(5, 9)을 갖는 구동 요소(8)로서 설계되고, 다른 하나의 부품은 내부 구동 프로파일(5)을 갖는 구동 요소(1)로서 설계되며, 2개의 부품들(1, 8)의 구동 프로파일들(5, 9)은 2개의 부품들(1, 8) 사이에 회전 고정식 연결을 생성하도록 축방향으로 서로 끼워지되,
상기 부품들은 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나의 항에 따른 구동 요소들(1, 8)로서 설계되고,
구동 요소들(1, 8)의 구동 프로파일들(5, 9)은, 구동 프로파일들(5, 9)이 축방향으로 함께 끼워지는 경우 부품들(1, 8)의 구동 표면들(6, 10)이 2차원 방식으로 서로 접촉하게 되어 부품들(1, 8)이 서로 축방향으로 연결되는 마찰 및/또는 클래핑 연결이 부품들(1, 8) 사이에 생성되는 방식으로, 서로 상보적으로 선택되는,
방법.
제 18 항에 있어서,
2개의 부품들(1, 8)의 구동 프로파일들(5, 9)은 이들 각각의 프로파일 축(P_I, P_A)에 대해 경사진 구동 표면들(6, 10)을 갖는,
방법.
제 19 항에 있어서,
내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)이 프로파일 축(P_I)에 대해 경사지는 경사각(α_i)은, 외부 구동 프로파일(10)의 구동 표면들(6)이 프로파일 축(P_A)에 대해 경사지는 경사각(α_A)보다 더 큰,
방법.
제 20 항에 있어서,
프로파일 축(P_B)에 대해 외부 구동 프로파일(6)의 구동 표면들(10)의 경사각(α_A)은 1.15° ± 0.15°이고, 내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)의 경사각(α_i)은 3° ± 0.2°이거나; 또는
프로파일 축(P_I)에 대한 내부 구동 프로파일(5)의 구동 표면들(6)의 경사각(α_i)은 2° ± 0.2°이고, 프로파일 축(P_A)에 대한 외부 구동 프로파일(6)의 구동 표면들(10)의 경사각(α_A)은 1.15° ± 0.15°인,
방법.
제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
2개의 부품들(1, 8)의 구동 프로파일들(5, 9)의 전이 표면들(7, 7a)은 각각의 프로파일 축(P_I, P_A)에 대해 경사지고,
프로파일 축(P_I)에 대한 내부 구동 프로파일(5)의 전이 표면들(7)의 경사각(β_i) 대 외부 구동 프로파일(9)의 전이 표면들(7a)이 프로파일 축(P_I)에 대해 경사지는 경사각(β_A)은 5 이상, 특히 6 이상, 바람직하게는 7.5 이상인,
방법.
제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 요소들(1, 8)은, 내부 구동 프로파일(5)의 외부 직경(D_a)이 외부 구동 프로파일(6)의 외부 직경(D_a)보다 더 작고, 특히 1.5 내지 3%만큼, 바람직하게는 2%만큼 더 작은,
방법.
제 18 항 내지 제 23 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 2개의 부품들의 구동 표면들(6, 10)은 원주 방향에서 이들의 범위의 적어도 25%, 특히 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 60%에 걸쳐 서로 표면 접촉하게 되는,
방법.
제 18 항 내지 제 24 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 2개의 부품들은 이들의 종방향 중심 평면의 양 측에서 각각의 접촉 표면(6, 10)과 접촉하게 되는,
방법.
제 18 항 내지 제 25 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
구동 프로파일들(5, 9)은, 이들이 전이 표면들(7, 7a)의 영역에서 접촉하게 되지 않는 방식으로, 설계되는,
방법.