KR950005837B1

KR950005837B1 - 피로 특성이 우수한 스텝(Stepped) 나사 및 절단(Cut off) 나사

Info

Publication number: KR950005837B1
Application number: KR1019880016588A
Authority: KR
Inventors: 노부유끼 스기무라
Original assignee: 노부유끼 스기무라
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1988-12-13
Publication date: 1995-05-31
Also published as: CN1027771C; GB2215429A; US4943095A; CN1035870A; DE3840731A1; KR890014906A; GB2215429B; FR2628171B1; FR2628171A1; SE8804347L; DE3840731C2; SE469484B; GB8827739D0; SE8804347D0

Abstract

내용 없음.

Description

피로 특성이 우수한 스텝(Stepped) 나사 및 절단(Cut off) 나사

제1도∼제10도는, 본 발명의 실시예를 나타낸 도면으로써, 제1도는 본 발명의 종단면 확대도로써 제2도의 스텝 나사부 확대도.

제2도는 본 발명의 어큐뮤레시터의 종단면도.

제3도 및 제5도∼제7도는 본 발명의 각각 다른 스텝 나사의 실시예를 나타낸 확대도로써, 제1도에 상당하는 도면.

제4도는 본 발명의 각 나사골과 단위당 최대 굽힘 모우멘트와의 관계를 나타낸 도면.

제8도 및 제9도는 본 발명의 각각 절단 나사의 실시예를 나타낸 종단면 확대도.

제10도는 본 발명의 각 나사골과 단위당 최대 굽힘 모우멘트의 관계를 나타낸 도면.

제11도는 종래예의 확대 단면도의 일부를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 10 : 용기본체 11 : 브래더(Bladder)

12 : 기체실 13 : 액체실

14, 15 : 양쪽 끝단부 3, 16, 17 : 측판

4, 19 : 숫나사 2, 20 : 암나사

2m, 2e, 20E : 앞끝단부 23 : 급배구

25 : 스톱퍼 30 : 액압회로

ACC 어큐뮤레이터 S : 나사부

FS, FS₁∼FS₁₀, FS_x: 암나사 산 L : 접촉 높이

50 : 표준 나사산부 51 : 중간 나사산부

MS : 나사산 FW : 접촉면적

FL : 낮은 나사산부 fx : 나사골

Wx : 하중 W₁∼₁₀: 하중

f₁∼₁₀: 암나사골 fr : 반경

C : 중심선 h₁: 경사선

본 발명은, 어큐뮤레이터나 실린더 등의 하중변동이 심한 것에 사용되는 반복 인장력을 받는 나사에 관한 것으로, 다시 말하면, 피로 수명이 긴 스텝(Stepped) 및 절단(Cut off) 나사에 관한 것이다.

예를들면, 유체 기기로서의 어큐뮤레이터는 용기본체의 내부를 브레더(Bladder)에 의하여 기체실과 액체실로 간막이하고, 그 양끝단부를 측판으로 폐쇄함과 동시에 액체 회로의 액체 압력 변동에 따라서 브래더를 신축시켜, 맥동 흡수 작용이나 쇼크 업서버 작용 등을 행하도록 하고 있으나, 이 용기 본체와 측판과의 고정수단으로서 평행나사가 사용되고 있다.

그러나, 어큐뮤레이터내의 압력이 상승하고 측판이 바깥쪽으로 밀리게되면 나사에는 축방향 및 둘레방향의 하중, 소위 변동 하중이 영(0)로부터 최대 하중의 범위에 결쳐 반복하여 가하여 지는데, 이 하중은, 각 나사산이 균일하게 분담하는 것은 아니고 인장력 방향으로 크게 치우친다.

그 때문에, 큰 인장 하중을 받는 암나사 암끝단부의 골에 응력집중이 발생하여, 거기에서부터 파괴되어 버린다.

그러한, 이 문제를 해결하기 위하여, 이미 특허되어 있는 「끝이 가는형상의 숫나사를 사용한 피로 특성이 뛰어단 나사 이음쇠」(미국특허 4189975호, 일본국 특공소 56-53651호 참조)을 이용하는 것이 고려될 수 있다.

본 출원인은, 제11도에 나타낸 바와같이 용기본체(1)의 암나사(2)와 측판(3)의 숫나사(4)와를 60도 삼각나사 M l06.8×2로 형성하고, 이 숫나사(4)를 상기 특허에 따라, 나사산(m₇∼m₁)의 산높이(h)를 점차 감소시킨 시험용 어큐뮤레이터를 제작함과 동시에, 상기 삼각나사를 표준상태에서 사용한 종래 형태의 어큐뮤레이터를 제작하고, 그리고, 시일의 직경 d=104㎜, 내압 p=0∼318㎏/㎝, 주파수 2.5㎐의 조건하에서 각 어큐뮤레이터의 각 나사산의 하중분담율이나 피로수명을 조사하였다.

그 결과, 하중분담율은, 시험용 어큐뮤레이터쪽이, 종래 형태의 어큐뮤레이터보다 평균화되어 있었으나, 피로 수명은 시험용 어큐뮤레이터쪽이 종래 형태의 어큐뮤레이터보다 짧았다.

이와 관련하여, 하중분담율이 제일 큰 나사산은 시험용 어큐뮤레이터에서는, 앞끝단부(2m)로부터 두번째의 나사산(m₂)이고, 그 율은 18.5%이고 종래 형태의 어큐뮤레이터에서는 앞끝단부로부터 첫번째의 나사산이며, 그 율은 21%이고, 또한 피로수명은 종래 형태의 어큐뮤레이터에서는 560,000회이고, 시험용 어큐뮤레이터에서는 380,000회이였다.

나사산의 하중분담율이 저하하면, 나사 피로 수명이 길어지는 것이 통상이지만, 상기한 시험용 어큐뮤레이터에서는, 이것에 반하여 피로수명이 짧아진 것이다.

또한, 그 원인을 조사한 바, 각 암나사골(f₁∼₁₀)에 가해지는 최대로 굽힘 모우멘트중, 암나사 앞끝단부(2e)의 두번째의 암나사골(f₂)에 피이크 굽힘 모우멘트가 가해져, 굽힘 모우멘트 진폭도 최대로 되고, 거기서부터 파괴하고 있다는 것을 알게 되었다.

즉, 숫나사(4)가 화살표 Y방향으로 밀려 눌리면, 암나사의 각 나사산(fm)은 아래면으로 분담 하중을 받는 한쪽 지지빔의 상태가 되고, 암나사산(fm)의 산높이(fh)는 굽힘 모우멘트의 크기에 영향하는 스팬(span)으로 볼 수가 있다.

그 때문에, 나사산 높이(fh)가 균일한 경우에는, 각 나사산의 분담 하중이 균일화되어 있지 않으면, 분담하중이 클수록 피이크 굽힘 모우멘트가 커지고, 또한 굽힘 모우멘트 진폭도 최대로 되어 파괴되기 쉽게 되는 것이다.

또한, 종래 형태의 어큐뮤레이터와 시험용 어큐뮤레이터의 암나사골에 발생하는 단위당의 최대 굽힘 모우멘트를 하중분담율과 평균 접촉 높이로부터 계산한 바 제4도에 나타낸 바와 같았다.

이 도면에 있어서(A)는, 종래 형태의 어큐뮤레이터이고, (B)는 시험용 어큐뮤레이터를 나타내는데, 시험용 어큐뮤레이터(B)의 앞끝단부 나사(2e)로부터 두번째의 암나사골(f₂)에 3.5Kgmm/㎜의 단위당 피이크 굽힘 모우멘트(PB)가 발생하고. 또한, 그 모우멘트(PB)는 종래 형태의 어큐뮤레이터(A)의 단위당 피이크 굽힘 모우멘트 PA=11.4Kgmm/㎜보다 커서, 그 때문에 굽힘 모우멘트 진폭도 커서, 나사가 피로 파괴되기 쉬운 것이 확실하여 졌다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 볼때 나사의 피로 특성을 향상시켜 나사의 피로 수명을 길게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 변동하중을 받는 나사 결합된 나사에 있어서, 인장하중을 받는쪽의 나사가, 이 나사 끝단부의 각 나사의 산정상부 접촉면을 절단시켜, 그 접촉 높이를 다른부분의 그것보다 낮게 함으로써 나사골의 단위당 최대 굽힘 모우멘트를 평균화하고, 단위당 피이크 굽힘 모우멘트를 크게 저감시킴과 동시에 굽힘 모우멘트 진폭을 작게하여 피로 파괴를 일으키지 않게 하는 것이다.

본 발명의 실시예를 첨부도면에 의하여 설명하면, 제2도는, 어큐뮤레이터(ACC)의 종단면 도면이며, 용기본체(10)의 내부는 브래더(11)에 의하여 기체실(12)과 액체실(13)로 간막이 되고, 또한 이 본체(10)의 양끝단부(14), (15)는 측판(16), (17)에 의하여 폐쇄되어 있다.

이 본체(10)의 양끝단부(14), (15)와 측판(16), (]7)은 나사식 붙임되어 있는데, 그 나사부(S)는, 제1도에 나타낸 것 같이 형성되어 있다.

즉, 용기본체(10)의 끝단부(14)의 안쪽에는, 측판(16)의 숫나사(19)와 나사식 맞춤하는 암나사(20)가 형성되어 있다.

이 암나사(20)는, 10개의 암나사산(FS)을 구비하고 있는데 각 암나사산의 접촉 높이(L)는 암나사산(FS₁₀)으로부터 암나사산(FS₇)까지의 표준나사산부(50)에서는 표준 높이로 형성하여 암나사의 나사산(FS)이 숫나사의 나사산(MS)과 접촉하는 부분, 소위 암나사의 접촉면적(FW)을 동일하게 하고, 또한 나사산(FS₅)으로부터 나사산(FS₁)까지의 낮은 나사산부(FL)에서는 나사산을 동일 높이로 산정상을 절단하여 성형하여 그의 접촉 높이(L)를 상기 나사산(FS_10∼0)보다 낮게하여 암나사의 접촉 면적(FW)을 감소시킨다. 중간 나사산부(51)의 나사산(FS₆)의 산정상부는, 표준 나사산부(50)의 나사산(FS_10∼7)의 산정상부 보다 낮고, 또한 낮은 나사산부(FL)의 나사산(FS_5∼1)의 산정상부 보다 높게 형성하고, 이 나사산(FS₆)에 가해지는 단위당 최대 굽힘 모우멘트가, 포준 나사산부(50)의 나사산(FS)에 가해지는 단위당 최대로 굽힘 모우멘트 보다 크고, 또한 낮은 나사산부(FL)의 나사산(FS_5∼1)에 가해지는 단위당 최대 굽힘 모우멘트 보다 작게된다.

암나사(20)는, 상기와 같이 형성되기 때문에, 각 나사산 정상부를 맺은선은 나사산(FS₈)과 나사산(FS₆)과의 사이에서 산높이를 체감한 단턱형상으로 되고, 소위 스텝 나사로 되는데 이 낮은 나사산부(FL)에 형성되는 나사산(FS)의 수는 다음과 같이하여 결정한다.

나사맞춤 나사산 수가 N의 경우는 나사의 인장력쪽의 x번째의 나사산(FSK)에 작용하는 하중 Wx는,

Wx=W×wNx (1)

W : 전하중

wNx : 나사산(FSx)에 대한 하중 분담률로써, 이때의 x번째의 나사골(fx)에 가해지는 단위당의 최대 굽힘 모우멘트 Mx는,

Mx=[(DL-D₀)+(D₀-D)/2] (2)

/2 ×W×wNx/(π×DL)

DL : 암나사골 지름

D₀: 숫나사의 외경

D : 암나사의 내경 Di, 또는 낮은 산부의 내경 Dx으로 나타낼 수 있다.

이때, Mx=피로한도내 나사골 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₀로 되도록 D=Dx를 결정하면, 나사접촉면적 FWx는,

FWx=(D₀-Dx)×π/4 (3)

로부터 구하고, 또한 이 접촉면적(FW)과 하중(Wx)으로부터 단위 면적당의 접촉면 압력(Px)를 구하면,

Px=Wx/FWx (4)

로 된다.

그래서, 우선 (1)식을 이용하여 제1나사산(FS₁)에 작용하거나 하중 W₁=W×wN₁을 구하는 동시에 (2)식을 이용하여 이때의 굽힘 모우멘트 M₁=[DL-D₀)+(D₀-D)/2]/2＞W×wN₁/(π×DL)을 구한다.

이때, 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₁=단위당 최대 굽힘 모우멘트 M으로 되도록 D=Dx를 구함과 동시에 (3)식을 이용하여 나사접촉면적 FW₁=(D₀-Dx)×π/4를 구하고, 다시 (4)식을 이용하여 접촉면 압력 P₁=W₁/FW₁를 구한다.

그 결과, P₁＜재료 인장강도 δB때에는, (1)식을 사용하여 제2나사산(FS₂)에 작용하는 하중 W₂=W×wN₂를 구하고, 그것을 (2)식에 대입함과 동시에 D가 암나사 표준 내경(Di)인 경우의 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂i와, 낮은 나사산부의 내경 Dx인 경우의 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂x를 각각 구한다.

그리고, 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂＜단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₀로 되는쪽, 예를들면, 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂x의 내경 Dx을 채용한다.

이하, 같은 작업을 반복하여 채용된 내경이 암나사 표준 내경 Di이 될 때까지 계속된다. P₁＞δB의 경우에는, 나사산이 소성 변형을 일으키기 때문에, 하중 W₁=W×wN₁이 작용함에도 불구하고, 제1나사산(FS₁)은, FW₁×δB의 하중밖에 받아들일 수 없다.

따라서, 다음의 나사산(FS₂)에 가해지는 하중 W₂은 (W-FW₁×δB)×w(N-1)₁로 된다.

이때의 하중을 (2)식에 대입함과 동시에 D가, 암나사 표준 내경 Di인 경우의 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂i와, 낮은 나사산부의 내경 Dx인 경우의 단위당 최대 굽힘 모우멘트 M₂x와를 각각 구하고, 그후 상기와 같은 처리를 행하고, 낮은 나사산부의 나사산수를 결정한다.

암나사골(f₁∼f₁₀)은, 원호형상으로 형성되고, 그 반경(fr)은, 피치의 0.1∼0.18배의 크기이다. 숫나사(19)의 각 나사산 높이(mh)는, 표준 높이로 형성되어 있다.

또한, (25)는, 필요이상의 나사 삽입을 방지하기 위한 스톱피이고, (C)는 중심선이다.

다음에, 이 실시예의 작동에 대하여 설명한다. 액압회로(30)의 액압이 변동하고, 급배구(23)로부터 어큐뮤레이터(ACC)내에 액체가 압입되면 브래더(11)가 압축되어 기체실(12)내의 압력이 상승하여 측단(16)을 화살표 A₂방향으로 밀어 누른다.

그 때문에, 숫나사(19)도 같은 방향으로 밀리기 때문에, 이것과 나사맞춤하고 있는 암나사(20)에도 하중이 가해지기 때문에, 각 나사산(FS_1∼10)에는, 분담하중(W_1∼10)이 걸린다.

그러나, 이 분담하중이 지나치게 크면, 그 나사산(FS)이 탄성한도내 변형과 소성 변형을 일으켜, 암나사의 피치가 변형하나 각 나사산(FS)의 현실에서 받는 하중은, 탄성한도내 변형의 힘의 범위 정도이다.

이 힘의 량은, 암나사의 접촉 면적(FW)의 크기에 따라 규제되어 있으나, 이 접촉 면적(FW)은, 나사산(FS)의 접촉 높이(L)가 높을수록 크게되기 때문에 나사산(FS_10∼8)에 비하여 낮은 산부(FL)의 나사산(FS_6∼1)의 접촉 면적(FW)은 작아진다.

또한, 각 암나사산(FS_10∼1)의 접촉 높이(L)는 각 나사골(f_10∼1)에 발생하는 단위당 최대 굽힘 모우멘트도 거의 균등한 높이로 하고 있다.

따라서, 암나사 앞끝단부(20E)의 나사골에 발생하는 단위당의 피이크 굽힘 모우멘트(PC) 및 굽힘 모우멘트 진폭은, 종래형 어큐뮤레이터의 암나사보다 크게 저감되기 때문에, 피로 수명을 길게 할 수 있다.

그래서, 본 발명에 의한 나사를 사용한 어큐뮤레이터를 제작하고 상기 실험과 같은 조건하에서 암나사골(f_1∼10)에 발생하는 단위당 최대 굽힘 모우멘트와 나사의 피로 수명을 조사한 바, 단위당 최대 굽힘 모우멘트는 제4도면의 곡선(C)으로 나타낸 것 같이 되고, 그 단위당 피이크 굽힘 모우멘트(PC)는 4.7㎏.㎜/㎜였으며, 또한 피로 수명은,10,000,000회 이상으로, 종래 형태의 어큐뮤레이터의 20배 이상으로 되었다.

본 발명은, 삼각나사에 한정되지 않고, 각 나사, 둥근나사, 사다리꼴나사 등에도 이용되는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 나사의 양끝단부에 인장 하중이 가해질 때에는, 제3도에 나타낸 바와같이, 암나사(20)의 한쪽끝단부(20E)의 나사산(FS_1∼3)를 동일한 높이로 산정상을 절단정형하여 낮은 산부(FL)을 형성하고, 이 암나사(20)의 접촉 높이를 단턱 형상으로함과 동시에 숫나사(19)의 끝단부, 즉, 암나사(20)의 다른 끝단부에 대향하는 쪽의 끝단부의 나사산(MS_10∼8)을 동일한 높이로 산정상을 절단정형하여 낮은 나사산부(ML)을 형성하고, 이 숫나사(19)를 단턱 형상으로 형성하여도 좋다.

또한, 나사를 산정상 절단정형하여 접촉 높이를 낮게하는 대신으로, 제5도에 나타낸 것 같이, 암나사산(FS)의 산정상부 접촉면을 깎아, 암나사 접촉 높이(L)를 낮게하여도 좋다.

제6도에 나타낸 것 같이, 암나사(20)의 암나사산(FS_10∼7)까지를 표준높이로하여 표준 나사산부(50)로 하고, 암나사산(FS_3∼1)까지를 동일한 늪이로 산정상을 깎아 정형하여 낮은 나사산부(FL)로 하고, 또한, 암나사산(FS_6∼4)까지를 중간 나사산부(51)로 하여도 좋다.

이 중간 나사산부(51)의 각 암나사산 정상은, 암나사산(FS₇)의 산정상과 암나사산(FS₃)의 산정상과를 맺은 경사선(h₁)상에 위치한다.

또한, 제7도는, 제6도의 변형예를 나타낸 도면이다. 표준 나사산부의 암나사산(FS_10∼8)과 중간 나사산부(51)의 교차점을 암나사(20)쪽에 중심(OP)를 가진 반지름(R₀)의 접선이 되도록 하고, 또한 낮은산부(FL)의 암나사산(FS_1∼3)와 중간산부(51)의 교차점을 숫나사(19)쪽에 중심(Om)을 가진 반경(R₁)의 접선이 되도록 하여도 좋다.

또는, 상기 암나사(20)를 제8도에 나타낸 바같이, 그 전체 나사산을 동일한 높이로 산정상을 절단정형하여 산정상부 접촉을 절단시켜, 이 전체나사 접촉 높이(L)을 동일한 높이로 하여 암나사의 나사산(FS)이 숫나사의 나사산(MS)과 접촉하는 부분 소위 암나사 접촉면적을 동일하게 하여도 좋다.

이 경우, 각 나사산의 현실의 분담 하중은, 나사맞춤 위치와 조여붙임의 변화에 관계없이 평균화하고, 이 나사산의 나사골에 생기는 단위당 최대 굽힘 모우멘트로 거의 같게 된다.

따라서, 나사골에 발생하는 단위당 피이크 굽힘 모우멘트 및 굽힘 모우멘트 진폭이 종래예에 비하여 저감하기 때문에 피로 특성이 향상하고, 피로수명이 길어진다.

그래서, 이 절단 나사를 사용한 어큐뮤레이터를 제작하고, 상기 실험과 같은 조건하에서 암나사골(f_1∼10)에 발생하는 단위당 최대 굽힘 모우멘트와 나사의 피로수명을 조사한 바 단위당 최대 굽힘 모우멘트는, 제10도의 곡선(C)으로 나티낸 것 같고, 그 단위당 피이크 굽힘 모우멘트(PC)는 3.482㎏.㎜/㎜으로서, 또한 피로수명은, 10,000,000회 이상이고, 종래 형태의 어큐뮤레이터의 20배 이상으로 되었다.

또한, 암나사의 전체 나사산을 동일한 높이로 산정상 절단정형하는 대신으로, 제9도에 나타낸 바같이, 암나사산의 산정상부 접촉면(FSL)을 깎아, 암나사 접촉 높이(L)를 동일한 높이로 형성하여도 좋다.

그 때문에, 이동용 나사, 또는 이동 고정용 나사로서 특히 우수한 피로 특성을 나타낸다.

또한, 도시되어 있지 않으나, 숫나사로 인장 하중이 가해질 때는, 각 설명의 숫나사와 암나사를 반대로 읽으면 좋다.

Claims

변동 하중을 받아 나사맞춤된 나사에 있어서, 인장 하중을 받는쪽의 나사(19), (20)가 단위당 피이크 굽힘 모우멘트를 감소시키기 위하여, 이 나사 끝단부의 각 나사산 정상부 접촉면을 절단되어서, 그 접촉 높이(L)가 다른 부분의 그것보다 낮은 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 스텝 나사.
변동 하중을 받아 나사맞춤된 나사에 있어서, 인장 하중을 받는쪽의 나사가, 단위당 피이크 굽힘 모우멘트를 감소시키기 위하여, 한쪽 끝단으로부터 다른 끝단으로 향하여 순차적으로 연속하는 낮은 나사산부(FL)와 중간 나사산부(51)와 표준 나사산부(50)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 스텝 나사.
제2항에 있어서, 낮은 나사산부(FL)와 중간 나사산부(51)가, 나사산의 산정상 절단에 의하여 접촉높이(L)가 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 스텝 나사.
제2항에 있어서, 낮은 나사산부(FL)와 중간 나사산부(51)의 나사산이, 각 나사산의 산정상부의 접촉면을 절삭함으로써 접촉 높이(L)가 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 스텝 나사.
제2항에 있어서, 중간 나사산부(51)의 나사산의 접촉 높이(L)가 표준 나사산부(50)의 접촉 높이보다 낮고, 또한 낮은 나사산부(FL)의 접촉 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 스텝 나사.
변동하중을 받아 나사맞춤된 나사에 있어서, 피이크 굽힘 모우멘트를 감소시키기 위하여, 인장 하중을 받는쪽의 전체나사 산정상부의 접촉면을 절단시켜 전체 나사 접촉 높이(L)를 동일 높이로 형성한 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 절단 나사.
제6항에 있어서, 전체 나사산의 접촉 높이(L)가, 나사산의 산정상 절단 정형에 의하여 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 절단 나사.
제6항에 있어서, 전체 나사산의 접촉 높이(L)가, 나사산의 산정상부의 접촉면을 절삭 함으로써 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 절단 나사.