WO2016163628A1

WO2016163628A1 - 풀림방지용 나사산 구조 및 그 가공공구

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Publication number: WO2016163628A1
Application number: PCT/KR2016/000027
Authority: WO
Inventors: 서현우; 장원범; 이정진
Original assignee: (주)대광금속
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US10871182B2; JP2018508728A; US20180003212A1; CN106050861B; JP6469888B2; EP3282139A4; KR101556265B1; CN106050861A; EP3282139A1; EP3282139B1; MY187432A

Abstract

본 발명에 따른 풀림방지용 나사산 구조는, 일정한 피치를 갖는 나사산이 구비되며 각 나사산의 양측면에는 나사산의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면과 나사산의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면이 형성되는 나사산 구조에 있어서, 상기 나사산의 무부하측 플랭크면은, 대응되는 상대 체결물의 나사산 정상에 형성된 원호부에 접하는 제1접선부 및 상기 제1접선부로부터 기 설정된 각도를 이루며, 상기 원호부에 접하는 제2접선부를 포함한다.

Description

풀림방지용 나사산 구조 및 그 가공공구

본 발명은 풀림방지용 나사산 구조 및 그 가공공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나사산의 무부하측 플랭크면에 제1접선부 및 제2접선부를 형성하여 외부 충격이나 진동으로 인한 풀림 현상을 최소화할 수 있는 풀림방지용 나사산 구조 및 그 가공공구에 관한 것이다.

일반적으로 나사는 적절한 치수로 만들어진 수나사와 암나사가 짝지어져 기본적인 기능을 하며, 물체와 물체의 결합을 죄어 붙이는 데 주로 사용된다.

이러한 나사를 이용한 체결수단으로는 수나사가 구비된 볼트와 암나사가 구비된 너트가 대표적인데, 기존의 볼트와 너트를 이용하여 물체를 결합할 경우에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

기존의 볼트와 너트를 이용하여 물체를 결합할 경우에는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 결합하고자 하는 두 물체(30)(31)를 관통하도록 볼트(109)를 삽입한 후 돌출된 볼트(109)의 수나사부(109a)에 너트(105)의 암나사부(105a)를 체결하게 된다.

여기서, 나사산 정상과 나사골 사이를 연결하는 경사면을 플랭크면이라고 하는데, 이 플랭크면은 나사산 정상을 중심으로 나사산의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면과 나사산의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면으로 구분된다.

상기와 같이 볼트(109)의 수나사부(109a)에 너트(105)의 암나사부(105a)를 체결하기 위해 볼트(109) 또는 너트(105)를 회전시키게 되면, 체결 시에 가해지는 축력에 의해 너트(105)의 암나사부(105a)를 구성하는 나사산(106)의 무부하측 플랭크면(107)과 볼트(109)의 수나사부(109a)를 구성하는 나사산(110)의 무부하측 플랭크면(111)이 면접촉하게 된다.

아울러, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 볼트(109)의 수나사부(109a)에 너트(105)의 암나사부(105a)를 완전히 체결하게 되면, 볼트(109)와 너트(105)의 결합으로 인해 압축력이 작용하게 되면서 너트(105)의 부하측 플랭크면(108)과 볼트(109)의 부하측 플랭크면(112)이 면접촉 상태로 강하게 밀착되고, 이로 인해 너트(105)의 부하측 플랭크면(108)과 볼트(109)의 부하측 플랭크면(112) 사이에 강한 마찰력이 작용함으로써 볼트(109)와 너트(105)의 체결상태가 유지된다.

그러나, 통상적으로 기존의 볼트(109)의 외경과 너트(105)의 내경 사이에는 조립의 용이성을 위해 조립공차(C)가 존재하게 되는데, 상기와 같이 볼트(109)와 너트(105)의 체결 상태가 너트(105)의 부하측 플랭크면(108)과 볼트(109)의 부하측 플랭크면(112) 사이에 작용하는 마찰력에 의해서만 유지될 경우, 외부 충격이나 진동이 가해질 때 조립공차(C)에 의한 틈새로 인해 서로 밀착하고 있던 너트(105)의 부하측 플랭크면(108)과 볼트(109)의 부하측 플랭크면(112) 사이가 떨어지게 되면서 밀착 상태에서만 작용하던 마찰력이 쉽게 약화되거나 소멸되므로 볼트(109) 또는 너트(105)의 풀림 현상이 빈번하게 발생되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해 종래에는 풀림방지 기능이 있는 스프링 또는 역회전방지돌기가 구비된 링을 개재한 상태로 볼트와 너트를 결합하거나 볼트의 외경과 너트의 내경 사이에 접착제나 실리콘 또는 나일론을 충전하는 방식 등을 사용하고 있었다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 풀림방지수단을 이용한 나사 체결방식은 조립공차(C)가 거의 없는 상태로 체결하게 되므로 체결이 용이하지 못할 뿐만 아니라, 구성이 복잡하고 생산 공정이 늘어나 전체적으로 생산원가와 판매가격이 높아지게 됨에 따라 일부 정밀을 요하는 기계장치나 고가의 제품에만 한정되어 적용될 뿐, 널리 보편화되지 못하는 문제점이 있었다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 나사 체결 후 부하측 플랭크면 사이에 작용하는 마찰력을 견고하게 유지시켜 외부 충격이나 진동에 인한 풀림 현상을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풀림방지용 나사산 구조는, 일정한 피치를 갖는 나사산이 구비되며 각 나사산의 양측면에는 나사산의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면과 나사산의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면이 형성되는 나사산 구조에 있어서, 상기 나사산의 무부하측 플랭크면은, 대응되는 상대 체결물의 나사산 정상에 형성된 원호부에 접하는 제1접선부 및 상기 제1접선부로부터 기 설정된 각도를 이루며, 상기 원호부에 접하는 제2접선부를 포함한다.

그리고 상기 제1접선부 및 상기 제2접선부는, 대응되는 상대 체결물과 체결된 상태에서 상기 원호부에 동시에 접하여 밀착될 수 있다.

또한 상기 제2접선부는, 수평선에 대해 상기 제1접선부보다 큰 각도를 가지도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 제1접선부 및 상기 제2접선부는, 수평선에 대해 상기 부하측 플랭크면보다 작은 각도를 가지도록 형성될 수 있다.

또한 상기 나사산은 국제표준을 만족하는 치수로 형성되며, 상기 제1접선부는, 수평선에 대해 4° 내지 6° 사이의 각도를 가질 수 있다.

그리고 상기 제1접선부는, 수평선에 대해 5°의 각도를 가질 수 있다.

또한 상기 제2접선부는, 수평선에 대해 35°의 각도를 가질 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 풀림방지용 나사산 가공공구는, 풀림방지용 나사산 구조를 암나사 또는 수나사로 가공하기 위한 다양한 형태의 가공공구를 포함할 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풀림방지용 나사산 구조 및 그 가공공구는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 나사산의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면에 나사 체결 시 상대물의 나사산 정상에 형성된 원호부에 동시에 접하게 되는 제1접선부 및 제2접선부가 형성되어, 나사 체결 후 부하측 플랭크면 사이에 작용하는 마찰력이 견고하게 유지되어 외부 충격이나 진동에 인한 풀림 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 본 발명의 풀림방지용 나사산 가공공구에 의하면, 나사산의 무부하측 플랭크면에 제1접선부 및 제2접선부가 형성되는 나사산 구조를 암나사 또는 수나사로 용이하게 가공할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 볼트와 너트의 체결 과정을 나타내는 도면;

도 2는 일반적인 볼트와 너트의 체결 상태를 나타내는 도면;

도 3은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 나타내는 도면;

도 4 내지 6은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 너트에 적용한 실시예를 나타내는 도면;

도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 가공하는 과정을 나타낸 도면;

도 9는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 최적화된 제1접선부 및 제2접선부의 각도를 나타낸 도면;

도 10은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제1접선부의 각도 변화에 따른 접촉점의 모습을 나타낸 도면;

도 11은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제2접선부의 각도 변화에 따른 접촉점의 모습을 나타낸 도면;

도 12는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제1접선부의 각도 변화에 따른 체결 토크의 변화량을 나타낸 그래프;

도 13 내지 15는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 볼트에 적용한 실시예를 나타내는 도면;

도 16 및 도 17은 본 발명의 풀림방지용 나사산 구조의 체결력을 테스트하기 위한 테스트장치의 모습을 나타낸 도면;

도 18 및 도 19는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 암나사로 가공하기 위한 가공공구를 나타내는 도면; 및

도 20 내지 도 23은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 수나사로 가공하기 위한 가공공구를 나타내는 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 풀림방지용 나사산 구조는 일정한 피치를 갖는 나사산(1)이 구비되며, 각 나사산(1)의 양측면에는 나사산(1)의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면(2)과 나사산의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면(3)이 형성된다.

한편 나사산 정상과 나사골 사이를 연결하는 경사면을 플랭크면이라고 하며, 이 플랭크면은 나사산 정상을 중심으로 나사산(1)의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면(2)과 나사산(1)의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면(3)으로 구분된다.

상기 나사산(1)의 양측에 형성되는 플랭크면을 무부하측 플랭크면(2)과 부하측 플랭크면(3)이라고 구분한 이유는 다음과 같다.

일반적으로 나사 체결 시에는 무부하측 플랭크면(2)이 먼저 접촉하게 되는데, 이때는 서로 접촉하는 플랭크면 사이에 아무런 부하가 걸리지 않게 된다. 그리고 나사 체결을 완료한 후에는 부하측 플랭크면(3)이 서로 접촉하게 되는데, 이때는 서로 접촉하는 플랭크면 사이에 강한 부하가 걸리게 되기 때문이다.

이와 같은 나사산 구조에서, 본 발명의 무부하측 플랭크면은, 제1접선부(2a) 및 제2접선부(2b)를 포함한다. 상기 제1접선부(2a) 및 상기 제2접선부(2a)는 각각 대응되는 상대 체결물의 나사산(4) 정상에 형성된 원호부(4a)에 동시에 접하도록 형성되며, 특히 상기 제2접선부(2b)는 상기 제1접선부(2a)로부터 기 설정된 각도를 이루도록 형성된다.

이때, 상기 나사산(4)의 정상에 형성되는 원호부(4a)는, 나사 가공 시 나사 산의 정상부를 뾰족하게 형성할 경우 체결과정에서 끝부분이 쉽게 파손되면서 체결을 방해하는 이물질이 발생되는 것을 미연에 방지하기 위해 나사산의 정상부를 라운드지게 형성한 부분을 말한다.

이와 같이 상기 나사산(1)의 무부하측 플랭크면(2)에 제1접선부(2a) 및 제2접선부(2b)를 형성할 경우, 나사 체결시 상대 체결물에 구비된 나사산(4)의 부하측 플랭크면이 나사산(1)의 부하측 플랭크면(3)에 밀착되는 동시에 상대 체결물에 구비된 나사산(4)의 정상에 형성된 원호부(4a)가 제1접선부(2a)와 제2접선부(2b)에 강하게 접촉하게 된다.

이때, 상대 체결물에 구비된 나사산(4)의 정상에 형성된 원호부(4a)가 상기 나사산(1)의 무부하측 플랭크면(2)에 형성된 제1접선부(2a) 및 제2접선부(2b)를 강하게 접촉하게 되면, 상대 체결물에 구비된 나사산(4)의 정상에 형성된 원호부(4a)가 제1접선부(2a) 및 제2접선부(2b)를 국부적으로 변형시키면서 견고한 고착 상태가 형성된다.

이와 같은 상태에서는 외부 충격이나 진동이 가해지더라도 서로 밀착하고 있던 부하측 플랭크면 사이가 쉽게 떨어지지 않게 되므로 나사 체결 후 부하측 플랭크면 사이에 작용하는 마찰력이 견고하게 유지된다. 따라서 외부 충격이나 진동에 인한 풀림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

한편 상기 제1접선부(2a) 및 상기 제2접선부(2b)는 대응되는 상대 체결물과 체결된 상태에서 상기 원호부(4a)에 동시에 접하여 밀착될 경우 체결력이 보다 향상될 수 있다.

그리고 본 실시예에서 상기 제2접선부(2b)는, 수평선에 대해 상기 제1접선부(2a)보다 큰 각도를 가지도록 형성된다. 이는 상기 제1접선부(2a) 및 상기 제2접선부(2b)가 상대 체결물의 원호부(4a)를 감싸는 형태로 접촉되도록 하기 위함이다.

또한 상기 제1접선부(2a) 및 상기 제2접선부(2b)는, 수평선에 대해 상기 부하측 플랭크면(3)보다 작은 각도를 가지도록 형성된다. 이는 상기 제1접선부(2a) 및 상기 제2접선부(2b)가 상대 체결물의 원호부(4a)에 접촉된 상태에서, 상기 부하측 플랭크면(3)이 상대 체결물에 전체 면적에 걸쳐 접촉되도록 하기 위해서이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조는 암나사 또는 수나사에 모두 적용할 수 있는데, 먼저 도 4 내지 도 6을 참조하여 암나사에 적용되는 경우에 대한 실시예를 설명하도록 한다.

본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 암나사에 적용할 경우에는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 너트(5)의 암나사부(5a)에 구비되는 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)에 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b)를 형성하게 된다.

이와 같이 너트(5)의 암나사부(5a)에 구비되는 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)에 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b)를 형성할 경우, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 볼트(9)의 수나사부(9a)에 너트(5)의 암나사부(5a)를 체결하기 위해 너트(5)를 회전시키게 되면, 체결 시에 가해지는 축력에 의해 너트(5)의 암나사부(5a)를 구성하는 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)과 볼트(9)의 수나사부(9a)를 구성하는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)이 접촉하게 된다.

이때, 상기 볼트(9)와 너트(5)는 볼트(9)의 수나사부(9a)를 구성하는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)과 너트(5)의 암나사부(5a)를 구성하는 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)이 넓은 면적에 걸쳐 면접촉된 상태로 체결되는 것이 아니라, 볼트(9)의 나사산(10)의 정상에 형성된 원호부(10a)와 너트(5)의 나사산(6)에 구비된 무부하측 플랭크면(7)의 제2접선부(7b)가 점접촉된 상태로 체결된다.

그리고 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 볼트(9)의 수나사부(9a)에 너트(5)의 암나사부(5a)를 완전히 체결하게 되면, 볼트(9)와 너트(5)의 결합으로 인해 압축력이 작용하게 되면서 너트(5)의 부하측 플랭크면(8)과 볼트(9)의 부하측 플랭크면(12)이 면접촉 상태로 강하게 밀착되는 동시에 볼트(9)에 구비된 나사산(10)의 정상에 형성된 원호부(10a)가 너트(5)에 구비된 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)에 형성된 제1접선부(7a)와 제2접선부(7b)에 강하게 접촉하게 된다.

이때, 볼트(9)에 구비된 나사산(10)의 정상에 형성된 원호부(10a)가 너트(5)에 구비된 나사산(6)의 무부하측 플랭크면(7)에 형성된 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b)에 강하게 접촉하게 되면, 볼트(9)에 구비된 나사산(10)의 정상에 형성된 원호부(10a)가 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b)를 국부적으로 변형시키면서 견고한 고착상태가 형성된다.

이와 같은 상태에서는 외부 충격이나 진동이 가해지더라도 서로 밀착하고 있던 부하측 플랭크면 사이가쉽게 떨어지지 않게 되므로, 나사 체결 후 부하측 플랭크면 사이에 작용하는 마찰력이 견고하게 유지됨에 따라 외부 충격이나 진동에 인한 풀림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

이하에서는, 이와 같은 나사산의 가공 과정과, 이에 따른 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b)의 최적 각도에 대해 설명하도록 한다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 가공하는 과정을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 최적화된 제1접선부 및 제2접선부의 각도를 나타낸 도면이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 가공하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 도 7과 같이 미가공 나사산(N)을 기준곡선(S)에 접하도록 1차적으로 가공하여 제2접선부를 형성한다. 상기 기준곡선(S)은 볼트 또는 너트의 유효경을 고려하여 상대 체결물의 원호부에 대응되도록 설정된다.

그리고 상기 제2접선부는 부하측 플랭크면으로부터 시작하여 상기 기준곡선(S)에 접하도록 직선 형태로 가공한다.

이후 도 8과 같이 제2접선부가 가공된 미가공 나사산(N)을 기준곡선(S)에 접하도록 2차적으로 가공하여 제1접선부를 형성한다. 상기 제1접선부 역시 제2접선부와 마찬가지로 부하측 플랭크면으로부터 시작하여 상기 기준곡선(S)에 접하도록 상기 제2접선부 방향으로 직선 형태로 가공한다.

도 9에 도시된 바와 같이 이와 같이 가공된 나사산 구조는, 상기 제1접선부(7a)가 수평선에 대해 5°의 각도를 가지고, 상기 제2접선부(7b)가 수평선에 대해 35°의 각도를 가질 경우 상대 체결물의 나사산(10)에 동시에 접촉되어 밀착될 수 있다.

볼트와 너트의 나사산은 국제표준(ISO)에 의해 규격화되며, 이에 따라 나사산의 피치, 내경, 유효경 및 골지름 등은 볼트와 너트의 크기에 따라 일정한 비율로 증가하게 된다. 이하의 [표 1]은 ISO68, ISO268에 근거한 너트의 크기에 따른 치수를 나타낸다.

규격	피치	산높이	외경	유효경	골지름
M1	0.25	0.135	1	0.838	0.729
M2	0.4	0.217	2	1.740	1.567
M3	0.5	0.271	3	2.675	2.459
M4	0.7	0.379	4	3.545	3.242
M5	0.8	0.433	5	4.480	4.134
M6	1	0.541	6	5.350	4.917
M7	1	0.541	7	6.350	5.917
M8	1.25	0.677	8	7.188	6.647
M9	1.25	0.677	9	8.188	7.647
M10	1.5	0.812	10	9.026	8.376
M11	1.5	0.812	11	10.026	9.376
M12	1.75	0.947	12	10.863	10.106
M14	2	1.083	14	12.701	11.835

이와 같이, 볼트와 너트의 크기에 관계 없이 나사산의 피치에 대한 산높이 비율은 일정하며, 나사산의 각도는 60°로 고정되어 있어 어떤 규격의 볼트 및 너트에 대해서도 나사산의 최적 각도를 동일하게 산출할 수 있다.

즉 제1접선부(7a)를 5°, 제2접선부(7b)를 35°로 가공할 경우 최대 체결력을 가지는 최적의 조건을 얻을 수 있게 된다.

이를 증명하기 위해 제1접선부(7a)와 제2접선부(7b)의 각도를 변화시키면서 실험을 진행하였다.

도 10은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제1접선부(7a)의 각도 변화에 따른 접촉점의 모습을 나타낸 도면이며, 도 11은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제2접선부(7b)의 각도 변화에 따른 접촉점의 모습을 나타낸 도면이다.

도 10 및 도 11에서 공통적으로 확인할 수 있는 바와 같이, 제1접선부(7a)와 제2접선부(7b) 중 어느 하나의 조건을 고정시킨 상태에서 다른 하나의 조건을 변화시킬 경우, 제1접선부(7a) 및 제2접선부(7b) 중 어느 하나는 상대 체결물의 나사산(10)과 접하지 않고 들뜨는 것을 확인할 수 있다.

즉 제1접선부(7a)는 5°, 제2접선부(7b)는 35°로 가공하였을 경우 제1접선부(7a)와 제2접선부(7b)가 동시에 상대 체결물의 나사산(10)과 접하게 되며, 이에 따라 최대 체결력을 형성할 수 있다.

도 12는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 있어서, 제1접선부의 각도 변화에 따른 체결 토크의 변화량을 나타낸 그래프이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제1접선부가 4°에서 6°사이에서 그래프의 미분값이 급격하게 증가하게 되며, 이에 따라 4° 내지 6°에서 체결력이 획기적으로 증가하게 됨을 알 수 있다.

또한 제1접선부의 각도가 5°인 경우, 전술한 바와 같이 제1접선부와 제2접선부가 상대 체결물의 나사산과 동시에 접하여 최대 체결력을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이상으로 제1접선부 및 제2접선부의 최적 각도 및 이에 따른 근거자료를 나열하여 설명하였으며, 이하에서는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 수나사에 적용할 경우에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 수나사에 적용할 경우에는, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 볼트(9)의 수나사부(9a)에 구비되는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)에 제1접선부(11a) 및 제2접선부(11b)를 형성하게 된다.

*이와 같이 볼트(9)의 수나사부(9a)에 구비되는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)에 제1접선부(11a) 및 제2접선부(11b)를 형성할 경우, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이 볼트(9)의 수나사부(9a)를 상대물(13)의 암나사부(13a)에 체결하기 위해 볼트(9)를 회전시키게 되면, 체결 시에 가해지는 축력에 의해 볼트(9)의 수나사부(9a)를 구성하는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)과 상대물(13)의 암나사부(13a)를 구성하는 나사산(14)의 무부하측 플랭크면(15)이 접촉하게 된다.

이때, 상기 볼트(9)와 대상물(13)은 볼트(9)의 수나사부(9a)를 구성하는 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)과 대상물(13)의 암나사부(13a)를 구성하는 나사산(14)의 무부하측 플랭크면(15)이 넓은 면적에 걸쳐 면접촉된 상태로 체결되는 것이 아니라, 볼트(9)의 나사산(10)에 구비된 무부하측 플랭크면(11)의 제2접선부(11b)와 대상물(13)의 나사산(14)의 정상에 형성된 원호부(14a)가 점접촉된 상태로 체결된다.

그리고 도 15에 도시되어 있는 바와 같이 대상물(13)의 암나사부(13a)에 볼트(9)의 수나사부(9a)를 완전히 체결하게 되면, 볼트(9)와 대상물(13)의 결합으로 인해 압축력이 작용하게 된다.

따라서 대상물(13)의 부하측 플랭크면(16)과 볼트(9)의 부하측 플랭크면(12)이 면접촉 상태로 강하게 밀착되는 동시에 대상물(13)에 구비된나사산(14)의 정상에 형성된 원호부(14a)가 볼트(9)에 구비된 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)에 형성된 제1접선부(11a)와 제2접선부(11b)에 강하게 접촉하게 된다.

이때, 대상물(13)에 구비된 나사산(14)의 정상에 형성된 원호부(14a)가 볼트(9)에 구비된 나사산(10)의 무부하측 플랭크면(11)에 형성된 제1접선부(11a) 및 제2접선부(11b)를 강하게 접촉하게 되면, 대상물(13)에 구비된 나사산(14)의 정상에 형성된 원호부(14a)가 제1 및 제2접선부(11a)(11b)를 국부적으로 변형시키면서 견고한 고착상태가 형성된다.

이에 따라 외부 충격이나 진동이 가해지더라도 서로 밀착하고 있던 부하측 플랭크면 사이가 쉽게 떨어지지 않게 되므로 나사 체결 후 부하측 플랭크면 사이에 작용하는 마찰력이 견고하게 유지됨에 따라 외부 충격이나 진동에 인한 풀림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

이하에서는, 본 발명의 풀림방지용 나사산 구조와 종래 일반적인 나사산 구조와의 체결력을 비교하여 설명하도록 한다.

기본적으로 나사를 체결하기 위하여 조임토크(Tightening torque)를 부여하면 수나사에서는 인장력을, 암나사에서는 압축력을 받게 된다. 이와 같이 체결 시 초기에 적용되는 힘을 초기하중(Preload)이라 하며, 조임토크에 의한 축하중은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

여기서 T는 조임토크, q는 축력 형태의 초기하중, d_p와 d_n은 각각 수나사와 암나사의 직경, β는 나사산 리드각을 의미한다. ρ는 마찰각으로 이하 [수학식 2]와 같이 표현된다.

여기서 μ_p, μ_n는 각각 수나사와 암나사에서의 마찰계수를 의미한다.

나사는 체결토크 값에 따라 체결력 또한 변하게 되며, 체결에 필요한 조임토크는 표준나사의 규격표를 참조하였다. 또한 나사산 리드각에 따라 조임 토크 값은 변화하기 때문에 나사산 리드각에 따라 형성되는 체결력 또한 변화하게 된다. 그리고 이와 같은 체결력 변화는, 진동 시 풀림방지 효과를 내는 것으로 입증될 수 있다.

본 발명에서는 규격 나사에 해당하는 조임토크(kgf·cm)를 적용하였으며, 이를 [수학식 1], [수학식 2]에 대입하여 초기하중(kgf)으로 산출하였다.

또한 모든 경우에 수나사와 암나사간의 경계면에서는 변형체-변형체 접촉조건을 부여하였으며, 나사산의 마찰계수는 관련 문헌을 참조하여 적용하였다.

그리고 전술한 최적의 설계안을 토대로, 제1접선부 및 제2접선부가 형성된 나사산을 가진 나사를 제작하고, 종래 사용되고 있는 나사와 함께 진동 테스트를 실시하였다.

진동테스트 조건은 국제표준기구의 ISO7481을 기준으로 실험을 진행하였으며, 도 16 및 도 17에는 본 실험에 사용된 진동테스트용 지그(50, 60)가 도시된다. 그리고 이를 이용한 실험 조건 및 실험 과정은 다음과 같다.

먼저 도 16 및 도 17의 제1지그(50) 및 제2지그(60)에 볼트와 너트의 나사부를 윤활하고, 시험할 너트를 모따기부를 포함하여 최소 2피치가 돌출하였을 때까지 볼트를 제1체결부(52) 및 제2체결부(62)에 체결한다.

그리고 조립체를 너트의 치수 표준 또는 도면에 명시한 최대 작동온도 ±5℃로 가열하고, 이 온도를 6시간±5℃분 동안 유지하도록 하였다. 이후 조립체를 오븐에서 꺼내 주위온도까지 천천히 냉각시키고 너트를 분리한다.

또한 동일한 윤활조건에서 스페이서와 와셔를 끼운 후 너트를 동일한 볼트에 조립하고, 조달 규격에 명시한 토크를 가하여 조인다. 이후 풀림방지부가 완전하게 빠지도록 너트를 풀어 블록 슬롯에 조립체를 장착한 후 3회에 걸쳐 조임과 풀림을 반복하고 동일한 볼트에 4회째에 조임을 가한다.

그리고 볼트의 끝단으로부터 너트까지 기준선을 표시하고, 합성 오일로 마찰부를 가볍게 윤활한 뒤 스페이서가 슬롯 내에서 자유롭게 움직일 수 있는지 검사한다.

이어 적절한 진동 발생 장치에 조립체를 장착하고 30,000사이클에 해당하는 16분 40초 동안 진동 영역에서 조립품을 진동시킨다. 그리고 시험 전 과정 동안 조립체가 슬롯 내에서 자유롭게 움직 일 수 있는지 검사한다.

시간이 지나 너트가 완전하게 풀리면 시험을 중지하고 조립체에서 결함이 있는 너트와 파손부를 들어내고 남아있는 시간 동안 다른 너트에 대한 시험을 계속한다. 다시 시간이 경과한 후 시험을 멈추고 조립체를 진동 발생 장치로부터 꺼내 조립체와 볼트에 대한 너트의 상태 회전수를 검사한다.

최종적으로 너트를 풀고 육안검사를 수행하고, 필요하다면 조달 규격의 요구 사항과의 일치성을 점검하기 위하여 단면을 자른 후 10배의 배율로 확대 검사를 수행한다.

이와 같은 과정을 전체로, 체결 토크는 보통 나사 기준인 150kgf·cm로 설정하고 나사산의 리드각을 변화 시켰을 때 어떻게 변화되는지 결과를 산출하였다. 이하의 [표 2]는 본원발명의 나사산이 적용된 제품과 종래 타사의 나사에 대해 진동테스트 비교결과를 나타낸다.

1	2	3	4
A사	B사	C사	본원발명
28050cycles	22740cycles	16050cycles	30000cycles

[표 2]에 나타난 바와 같이, 1번, 2번, 3번 제품은 기존의 제품을 실험한 결과이며, 4번은 본 발명으로 설계한 제품이다.

그 결과 1번, 2번, 3번 제품은 진동테스트시 각각 28050, 22740, 16050cycle 에서 풀림 현상이 발생하였지만 본 발명으로 설계한 제품인 4번은 30000cycle에서 풀림 현상이 발생하여 현저하게 향상된 풀림방지 성능을 나타낸다는 결과를 얻을 수 있다.

이상 본 발명에 따른 나사산 구조의 풀림방지 성능을 증명하기 위한 실험에 대해 설명하였으며, 이하에서는, 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 가공하기 위한 가공공구들에 대해 설명하도록 한다.

도 18 및 도 19는 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 암나사로 가공하기 위한 가공공구를 나타내는 도면이다.

도 18에 도시된 가공공구는 원통 형상으로 된 몸체의 외주면에 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 대응되는 절삭날부가 나선형으로 형성되는 탭 형태로 형성된 가공공구이며, 도 19에 도시된 가공공구는 절삭용 바이트형태로 형성된다.

이와 같은 형태의 풀림방지용 나사산 가공공구에 의하면, 너트의 내주면 또는 대상물에 형성된 구멍의 내주면에, 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 암나사로 용이하게 가공할 수 있게 된다.

그리고 도 20 내지 도 23은 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 수나사로 가공하기 위한 가공공구를 나타내는 도면이다.

도 20에 도시된 가공공구는 몸체의 내주면에 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조에 대응되는 절삭날부가 방사상으로 형성되는 다이스 형태로 형성되며, 도 21에 도시된 가공공구는 절삭용 바이트형태로 형성된다. 그리고 도 22 및 도 23에 도시된 가공공구는 각각 전조용 다이스형태로 형성된다.

이와 같은 형태의 풀림방지용 나사산 가공공구에 의하면, 볼트의 외주면 또는 원통형상으로 된 대상물의 외주면에 본 발명에 의한 풀림방지용 나사산 구조를 수나사로 용이하게 가공할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims

일정한 피치를 갖는 나사산이 구비되며 각 나사산의 양측면에는 나사산의 진입방향 빗면을 이루는 무부하측 플랭크면과 나사산의 후퇴방향 빗면을 이루는 부하측 플랭크면이 형성되는 나사산 구조에 있어서,

상기 나사산의 무부하측 플랭크면은, 대응되는 상대 체결물의 나사산 정상에 형성된 원호부에 접하는 제1접선부; 및 상기 제1접선부로부터 기 설정된 각도를 이루며, 상기 원호부에 접하는 제2접선부;를 포함하는 풀림방지용 나사산 구조.
제1항에 있어서, 상기 제1접선부 및 상기 제2접선부는 대응되는 상대 체결물과 체결된 상태에서 상기 원호부에 동시에 접하여 밀착되는 풀림방지용 나사산 구조.
제1항에 있어서, 상기 제2접선부는 수평선에 대해 상기 제1접선부보다 큰 각도를 가지도록 형성된 풀림방지용 나사산 구조.
제1항에 있어서, 상기 제1접선부 및 상기 제2접선부는 수평선에 대해 상기 부하측 플랭크면보다 작은 각도를 가지도록 형성된 풀림방지용 나사산 구조.
제1항에 있어서, 상기 나사산은 국제표준을 만족하는 치수로 형성되며, 상기 제1접선부는 수평선에 대해 4° 내지 6° 사이의 각도를 가지는 풀림방지용 나사산 구조.
제5항에 있어서, 상기 제1접선부는 수평선에 대해 5°의 각도를 가지는 풀림방지용 나사산 구조.
제5항에 있어서, 상기 제2접선부는 수평선에 대해 35°의 각도를 가지는 풀림방지용 나사산 구조.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 풀림방지용 나사산 구조를 암나사로 가공하기 위한 풀림방지용 나사산 가공공구.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 풀림방지용 나사산 구조를 수나사로 가공하기 위한 풀림방지용 나사산 가공공구.