KR102445528B1 - 나사체 설계 방법 - Google Patents

Abstract

수체(10)는, 축부(12)와, 축부(12)의 둘레면에 형성되어, 적당의 리드각 및/또는 리드 방향으로 설정되는 제1 나선홈(14)과, 상기 제1 나선홈(14)과 리드각 및/또는 리드 방향이 상이한 리드각 및/또는 리드 방향으로 설정되는 제2 나선홈(15)을 구비하도록 하고, 제1 나선홈(14)과 제2 나선홈(15)이 중첩 형성됨으로써 창출되는 조부(G)의 정부에서 골짜기를 향해 연재하는 한 쌍의 경사면이 이루는 각도를 61° 이상 또한 75° 이하로 설정한다. 이것에 의해, 예를 들면, 리드각 및/또는 리드 방향이 상이한 2종류의 나선홈을 중첩 형성해서 이루어지는 수체에서, 체결력을 고도로 유지한다.

Description

나사체 설계 방법{SCREW BODY DESIGN METHOD}

본 발명은, 특수한 구조의 조부를 갖는 수체 및 그 설계 방법에 관한 것이다.

체결 구조의 하나로서, 볼트 등의 소위 수나사체와, 너트 등의 소위 암나사체를 이용하는 것이 존재한다. 이 나사체에 의한 체결 구조에 관해서, 하나의 수나사체에 대해서, 리드각 및/또는 리드 방향이 상이한 2종류의 나선홈(예를 들면 우나선홈에 의한 수나사부와 좌나선홈에 의한 수나사부)을 형성하고, 이 2종류의 나선홈에 대해서, 더블 너트와 같이, 2종류의 암나사체(예를 들면 우암나사체와 좌암나사체)를 따로 따로 나합시키는 것이 있다. 어떠한 계합 수단에 의해, 2종류의 암나사체의 상대 회전을 억제하면, 리드각 및/또는 리드 방향이 상이함에 의한 축 방향 간섭 작용 또는 축 방향 이반 작용에 의해, 수나사와의 사이에 기계적인 풀림 방지 효과를 제공할 수 있다(일본 등록 특허 5406168호 공보 참조).

일반적으로 나사산의 각도는, 미터 보통 나사(metric coarse thread)·미터 가는 나사(metric fine thread)의 경우는 60°, 유니파이 보통 나사(unified coarse thread)·유니파이 가는 나사(unified fine thread)의 경우는 60°, 위트 보통 나사(Whitworth coarse thread)의 경우는 55°, 미니어처 나사(miniature screw thread)의 경우는 60°가 되지만, 그 각도에 관한 이론적인 근거는 반드시 명확하지 않다.

본 발명자에 의한 본 출원 시점에서 미공지의 방대한 양의 실험에 의한 지견에서는, 예를 들면, 미터 보통 수나사 및 암나사를 나합시키고, 양자를 축 방향으로 이반시키면, 축부는 파단하지 않고, 수나사의 나사산이 변형 혹은 전단하는 것으로 체결이 해제되는(여기에서는 「나사산 붕괴 형태」라고 정의함) 결과가 되는 것이 적지 않다. 즉, 수나사의 축부 자체가 파단하는 상태(이를 「축파단 형태」라고 정의함)를 얻을 수 없는 것이다. 환언하면, 종래의 설계 사상의 경우, 수나사의 축부의 인장 강도가 과잉이거나, 또는, 수나사의 축부와 비교하여 나사산의 강도가 낮다고 생각할 수 있다. 이와 같이, 종래의 나사체의 규격이나 나사 설계 사상에서는, 높은 체결력을 확보한다고 하는 요구가 만족되지 않았다.

특히, 일본 등록 특허 5406168호 공보에 개시되는, 2종류의 나선홈이 축 방향과 겹쳐지도록 형성되는 수나사체의 경우, 이 수나사의 나사산에 부하를 인가했을 때에 발생하는 하중 밀도가 커지기 쉽고, 따라서, 나사산 측의 강도가 부족 기색의 종래의 나사 설계 사상을 그대로 적용한 것은, 나사산 측의 강도 부족이 생길 수 있다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 본 발명자의 예의연구에 의해 이루어진 것으로, 예를 들면, 리드각 및/또는 리드 방향이 상이한 2종류의 나선홈을 갖는 수체에서, 체결력을 고도로 유지하기 위한 기술 사상을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명은, 축부와, 상기 축부의 둘레면에 형성되어, 적당의 리드각 및/또는 리드 방향으로 설정되는 제1 나선홈과, 상기 축부의 둘레면에 형성되어, 상기 리드각 및/또는 리드 방향에 대해서 상이한 리드각 및/또는 리드 방향으로 설정되는 제2 나선홈을 구비하고, 상기 제1 나선홈과 상기 제2 나선홈이, 상기 축부의 축 방향에서의 동일 영역 상에 중첩 형성되고, 둘레 방향으로 연장되는 초승달 모양으로 이루어지고, 둘레 방향 중앙이 높고, 둘레 방향 양단이 점차 낮아지도록 높이가 변화되는 조부(條部)를 갖고, 상기 조부는, 상기 조부의 정부에서 골짜기를 향해 연재하는 한 쌍의 경사면이 이루는 각도가 61° 이상 75° 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 수체이다.

상기 수체에 관련하여, 상기 각도가 73° 이하로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 수체에 관련하여, 상기 각도가 65° 이상으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 수체에 관련하여, 상기 각도가, 70°±3°의 범위로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명은, 호칭 지름(nominal diameter)이 일정하고 조부의 각도 및 곡경이 상이한 복수의 검증용 수체와, 상기 검증용 수체와 체결되는 복수의 검증용 암나사체를 이용하여, 상기 검증용 수체에 상기 검증용 암나사체를 체결하여 축 방향으로 상대 이반시키는 체결 강도 시험을 실시하는 경우에서, 상기 검증용 수체가 축부에서 파단하여 체결 상태가 해제되는 축파단 형태, 및, 상기 검증용 수체의 조부가 변형 혹은 전단하는 것에 의해서 체결 상태가 해제되는 조부 붕괴 형태의 쌍방의 형태의 파괴를 일으킴으로써, 상기 축파단 형태와 상기 조부 붕괴 형태의 경계 근방에서 이루어지는 곡경(이하, 경계곡경으로 칭함)에 대해서, 상기 조부의 각도의 변량에 기인하는 변화 정도를 추출하는 경계곡경 추출 공정과, 상기 경계곡경의 변화 정도에 근거하여, 상기 경계곡경이 최대치로 이루어지는 특정의 조부의 각도(이하, 축파단 우위 각도로 칭함)를 선정하는 축파단 우위 각도 선정 공정과, 상기 축파단 우위 각도와 근사하는 각도를, 상기 호칭 지름에서의 실제의 수체 또는 암나사체에 적용하는 각도 결정 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 나사체 설계 방법이다.

상기 나사체 설계 방법에 관련하여, 상기 경계곡경 추출 공정은, 조부의 각도 및 호칭 지름이 일정하고, 곡경이 상이한 복수의 검증용 수체와, 상기 검증용 수체와 체결되는 복수의 검증용 암나사체를 이용하여, 상기 검증용 수체에 상기 검증용 암나사체를 체결하여 축 방향으로 상대 이반키는 체결 강도 시험을 실시하는 경우에서, 상기 검증용 수체가 축부에서 파단하여 체결이 해제되는 축파단 형태, 및, 상기 검증용 수체의 조부가 변형 혹은 전단하는 것에 의해서 체결이 해제되는 조부 붕괴 형태의 쌍방의 형태의 파괴를 일으킴으로써, 상기 축파단 형태와 상기 조부 붕괴 형태의 경계 근방에서 이루어지는 특정의 곡경을 추출하는 개별 경계곡경 추출 공정과, 서로 다른 복수의 조부의 각도를 선정하고, 각 각도에 근거하여, 상기 개별 경계곡경 추출 공정을 반복하여 실시함으로써, 상기 조부의 각도의 변량에 기인하는 상기 경계곡경의 변화 정도를 추출하는 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 예를 들면, 리드각 및/또는 리드 방향이 상이한 2종류의 나선홈으로 이루어지는 수나사 구조를 갖는 단일의 수체에서, 이 수체와 대응하는 암나사체와의 체결 강도를 향상시켜, 체결력을 장기간에 걸쳐 고도로 유지하는 것이 가능해진다.

[도 1] 본 발명의 실시 형태에 따른 수체 및 암나사체의 체결 구조의, (A) 정면도이며, (B) 평면도이다.
[도 2] 동 체결 구조의, (A) 정면 단면도이며, (B) 측면 단면도이다.
[도 3] (A)는 동 암나사체의 정면 단면도이며, (B)는 동 암나사체와 나선 방향이 반대가 되는 암나사체의 정면 단면도이다.
[도 4] 동 수체의, (A) 정면도, (B) 조부만의 단면도, (C) 평면도이다.
[도 5] 동 수체의, (A) 측면도, (B) 조부만의 단면도, (C) 평면도이다.
[도 6] (A)는 동 수체의 조부의 단면 형상을 확대하여 나타내 보이는 단면도이며, (B)는 동 암나사체의 조부의 단면 형상을 확대하여 나타내 보이는 단면도이다.
[도 7] (A)는 본 발명의 실시 형태에 따른 나사 설계 방법에 이용되는 검증용 수체군을 나타내는 매트릭스이며, (B)는 본 발명의 실시 형태에 따른 나사 설계 방법에 이용되는 검증용 암나사체군을 나타내는 매트릭스이다.
[도 8] 동 검증용 수체와 동 검증용 암나사체의 체결 강도 시험의 모양을 나타내는 도이다.
[도 9] 호칭 지름 N16의 동 검증용 수체와 동 검증용 암나사체의 체결 강도 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
[도 10] 호칭 지름 N24의 동 검증용 수체와 동 검증용 암나사체의 체결 강도 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
[도 11] 호칭 지름 N30의 동 검증용 수체와 동 검증용 암나사체의 체결 강도 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
[도 12] 본 실시 형태의 다른 예에 따른 수체 및 암나사체의 체결 구조의 정면도 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를, 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

<수체 및 암나사체>

도 1 및 도 2에 나타내듯이, 본 실시 형태에 따른 수체(10) 및 암나사체(100)의 체결 구조(1)는, 암나사체(100)를 수체(10)에 체결시킴으로써 구성된다.

도 4 및 도 5에 나타내듯이, 수체(10)는, 축부(12)에서의 기초부 측에서 축단을 향하고, 수나사 나선홈이 형성된 수나사부(13)가 설치된다. 본 실시 형태에서는, 이 수나사부(13)에, 대응하는 우나사로 이루어지는 암나사상의 나선조를 체결 가능하게 구성되는 우나사로 이루어지는 제1 나선홈(14)과, 대응하는 좌나사로 이루어지는 암나사상의 나선조를 체결 가능하게 구성되는 좌나사로 이루어지는 제2 나선홈(15)의 2종류의 수나사 나선홈이, 수체(10)의 축 방향에서의 동일 영역 상에 중복하여 형성된다. 또, 상기 중복 부분 이외에, 일방의 방향의 나선홈이 형성되어서 이루어지는 편나선홈 영역을 설치해도 좋다.

제1 나선홈(14)은, 이에 대응하는 암나사체(100)의 우나사로 이루어지는 암나사상의 나선조와 체결 가능하고, 제2 나선홈(15)은, 이에 대응하는 암나사체(100)(이는, 상기 우나사를 갖는 암나사체와 별체의 경우를 포함함)의 좌나사로서 이루어지는 암나사상의 나선조와 나합(체결) 가능해진다.

수나사부(13)에는, 도 4(C) 및 도 5(C)에 나타내듯이, 축심(나사축)(C)에 수직이 되는 면 방향에 대해 둘레 방향으로 연장되는 대략 초승달 모양의 조상(條狀)을 이루는 조부(條部)(G)가, 수나사부(13)의 직경 방향에서의 일방 측(도의 좌측) 및 타방 측(도의 우측)에 교대로 설치된다. 즉, 이 조부(G)는, 그 능선이 축에 대해 수직으로 연장되고, 조부(G)의 높이는, 둘레 방향 중앙이 높고, 둘레 방향 양단이 점차 낮아지도록 변화한다. 조부(G)를 이와 같이 구성함으로써, 우회전으로 선회하는 가상적인 나선홈 구조(도 4(A)의 화살표 14 참조) 및 좌회전으로 선회하는 가상적인 나선홈 구조(도 4(A)의 화살표 15 참조)의 2종류의 나선홈을, 조부(G)의 사이에 형성할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 이와 같이 함으로써, 제1 나선홈(14) 및 제2 나선홈(15)의 2종류의 수나사 나선홈을, 수나사부(13)에 중첩 형성하고 있다. 따라서, 수나사부(13)는, 우나사 및 좌나사의 어느 암나사체와도 체결되는 것이 가능해진다. 또, 2종류의 수나사 나선홈이 형성된 수나사부(13)의 상세한 것에 대해서는, 본원 발명자에 따른 일본 등록 특허 제4663813호 공보가 참조될 수 있다.

도 3(A)에 나타내듯이, 암나사체(100)는, 통상 부재(106)로 구성된다. 통상 부재(106)는, 소위 육각 너트상을 이루고, 중심에 관통공부(106a)를 갖는다. 물론, 암나사체(100)의 개형(槪形, approximate form)은, 육각 너트상에 한정하지 않고, 원통형, 둘레면에 로 렛(knurling)을 갖는 형상, 4각형상, 별형 형상(星型形狀) 등 임의로 적당하게 설정 가능하다. 관통공부(106a)에는, 우나사로서의 제1 암나사 나선조(114)가 형성된다. 즉, 통상 부재(106)의 제1 암나사 나선조(114)는, 수체(10)의 수나사부(13)에서의 제1 나선홈(14)과 체결된다.

또한, 도 3(B)에 나타내듯이, 암나사체(101)로서, 관통공부(106a)에 좌나사로서의 제2 암나사 나선조(115)가 형성되도록 해도 좋다. 이 경우는, 제2 암나사 나선조(115)는, 수체(10)의 수나사부(13)에서의 제2 나선홈(15)과 체결된다.

다음으로, 도 6(A)을 참조하고, 수체(10)에서의 수나사부(13)에 형성되는 조부(G)의 축 방향을 따르는 단면을 축 직교 방향에서 보았을 때의 형상에 대해 설명한다.

또, 도 6(B)에 나타내는, 암나사체(100)의 제1 암나사 나선조(114) 및/또는 암나사체(101)의 제2 암나사 나선조(115)의 조부(P)의 형상은, 수체(10)의 조부(G)의 형상에 근거하여 상대 설정되므로, 여기서의 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 실시 형태의 수체(10)의 호칭 지름(nominal diameter)에서는, 두문자에 N을 붙여 부르기로 한다. 예를 들면, N16의 수체(10)의 경우는, 조부(G)의 정점(Gt)에서의 직경(F)이 16mm인 것을 의미하고, N16의 암나사체(100)의 경우는, 나사산의 곡경이 16mm인 것을 의미한다.

조부(G)의 각도(T)(각도는, 조부(G)의 정부에서 골짜기를 향해 연재하는 한 쌍의 경사면이 이루는 각도를 의미함)는, 61° 이상 또한 75° 이하의 범위로 설정되고, 보다 바람직하게는 63° 이상 또한 73° 이하의 범위로 설정되고, 더욱 바람직하게는, 65° 이상 또한 73° 이하로 설정되고, 보다 구체적으로는 70°으로 설정된다. 또, 조부(G)의 곡경(D)(즉, 수체(10)의 축부(12)에서 조부(G)를 생략하는 경우의 외경)은, N16의 경우는 13.5mm 이상 또한 14.3mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N16의 경우의 곡경(D)은 13.5mm 이상 또한 14.3mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N24의 경우의 곡경(D)은 19.6mm 이상 또한 20.5mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N30의 경우의 곡경(D)은 25.8mm 이상 또한 26.7mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 여기서 말하는 곡경은 종래의 미터 나사에서 말하는 유효지름이 아니라, 곡저(谷底) 부분의 직경에 상당한다.

따라서, 도 6(B)에 나타내듯이, 암나사체(100)에 관해서도, 나사산(P)의 각도(Q)는, 61° 이상 또한 75° 이하의 범위로 설정되고, 보다 바람직하게는 63° 이상 또한 73° 이하의 범위로 설정되고, 더욱 바람직하게는, 65° 이상 또한 73° 이하로 설정되고, 보다 구체적으로는 70°으로 설정된다. 또, 나사산(P)의 정점(Pt)의 산경(山徑)(E)은, N16의 경우는 13.5mm 이상 또한 14.3mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N16의 경우의 산경(E)은 13.5mm 이상 또한 14.3mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N24의 경우의 산경(E)은 19.6mm 이상 또한 20.5mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. N30의 경우의 산경(E)은 25.8mm 이상 또한 26.7mm 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 물론, 암나사의 산경의 설정은, 수체의 곡경에 비교하여, 동등 이상으로 설정할 필요가 있는 것은 말할 필요도 없다.

<설계 수법 및 설계 근거>

다음으로, 수체(10) 및 암나사체(100)의 설계 수법 및 설계 근거에 대해 이하에 설명한다. 또, 여기에서는 호칭 지름 N16의 수체(10)를 설계할 때의 사례를 소개한다.

<수체(10) 및 암나사체(100)의 시리즈의 준비>

먼저, 호칭 지름 N16으로 이루어지는 수체(10)에 관해서, 도 7(A)에 나타내듯이, 상이한 복수의 곡경(D1, D2, ·· , Dn)과, 상이한 복수의 각도(T1, T2, ···, Tn)로 구성되는 매트릭스 조건의 일부 또는 전부를 채우도록, 복수의 검증용 수체(10)(Tn, Dn)를 준비한다.

또, 이 복수의 검증용 수체(10)(Tn, Dn)의 각각에 대응시키고, 그것과 체결 가능한 검증용 암나사체(100)를 같은 수만큼 준비한다. 즉, 도 7(B)에 나타내듯이, 상이한 복수의 산경(E1, E2, ···, En)과, 상이한 복수의 각도(Q1, Q2, ···, Qn)로 구성되는 매트릭스 조건의 전부 또는 일부를 채우도록, 복수의 검증용 암나사체(100)(Qn, En)를 준비한다. 구체적으로는, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)의 산경(En)은, 검증용 수체(10)(Tn, Dn)의 곡경(Dn)과 대략 일치하고, 각도(Qn)는, 검증용 수체(10)(Tn, Dn)의 각도(Tn)와 대략 일치한다. 결과, 도 7(A)와 도 7(B)의 매트릭스 상의 같은 위치에 존재하는 검증용 수체(10)(Tn, Dn)와, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)가 쌍이 되는 검증용 세트가 다수 준비된다.

또한, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)의 축 방향 길이(W)(이를, 축 방향 관련 길이(W)라고도 한다. 도 1 참조.)는, 호칭 지름 N16에서의 체결 강도 시험에서는, 모든 시험체에 공통되게 호칭 지름 N16에 대한 소재 고유의 소정의 비율 γ(0<γ<1)로 하고 있다. 즉, N16의 본 사례의 경우, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)의 축 방향 길이 W는, 16mm×γ로 설정된다. 물론, W의 값은, 재료 고유치인 소정 비율의 γ를 호칭 지름마다 각각 곱해 산출된다.

이 축 방향 관련 길이(W)는, 도 8에 나타내듯이, 대체로, 수체(10)의 축부(12)의 축 직각 단면(12A)이 견딜 수 있는 인장 강도(H)와, 축 방향 관련 길이(W)에서 수체(10)의 조부(G)의 기저면(GL)(도 6(A) 참조)으로 구성되는 둘레면(J)의 전단 강도(S)가 근사하기 쉬운 값을 선정하고 있다. 인장 강도(H)는, 곡경(Dn)에서의 단면적에 계수 a1를 곱한 값이 되고, H=π×Dn2×a1로 표현할 수 있다. 전단 강도(S)는, 곡경(Dn)에서의 축 방향 관련 길이(W)에 상당하는 원통 면적에 계수 a2를 곱한 값이 되고, S=π×Dn×W×a2로 표현할 수 있다.

계수 a1이나 a2는, 모재의 재료 등에 의해서 각각 다르지만, 본 발명자의 검토에 의하면, 본 실시 형태에서는 모재에 S45C나 SCM435 등과 같은 범용의 강재를 선정하고, W를 상술한 대로 설정하면, 인장 강도(H)와 전단 강도(S)가 꽤 가까운 값이 되는 것을 알 수 있다. 이 결과, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)와 검증용 수체(10)(Tn, Dn)의 체결 강도는, 각도(T)나 곡경(D)이 변화함으로써, 실제로는, 전단 강도(S) 측이 미묘하게 커지거나, 인장 강도(H) 측이 미묘하게 커지거나 한다. 어느 쪽이 우위가 될지는, 체결 강도 시험에 의해서 검증하면 좋고, 전단 강도(S) 우위 상태와 인장 강도(H) 우위 상태의 경계를, 실험에 의해서 찾아내는 것이 가능해진다.

또한, 여기에서는 설명의 편의상, 도 7에 나타내는 매트릭스를 이용하여, 곡경(D)이나 각도(T) 등을 변량 시키는 경우를 예시했지만, 실제로는, 매트릭스의 모든 장소를 채우도록 검증용 수체(10)(Tn, Dn)와 검증용 암나사체(100)(Qn, En)를 준비할 필요는 없고, 또, 매트릭스화할 필요도 없다. 후술하듯이, 곡경(D)과 각도(T)가 어느 정도의 범위에서 변동하는 검증용 수체와 검증용 암나사체의 편성으로, 최적치를 추출할 수 있는 태양이면 좋다.

<경계곡경 추출 공정>

다음으로, 쌍이 되는 검증용 수체(10)(Tn, Dn)와, 검증용 암나사체(100)(Qn, En)(이하, 검증용 볼트 너트 세트라고 함)를 각각 체결하여 체결 강도 시험을 실시한다. 여기서의 체결 강도 시험은, 도 8에 나타내듯이, 검증용 수체(10)(Tn, Dn)와 검증용 암나사체(100)(Qn, En)를, 축 방향에서 떨어진 방향(화살표 A 참조)으로 상대 이동시키고, 체결 상태(나합 상태)를 강제적으로 해제시키는 인장 시험을 의미하지만, 특별히 이것으로 한정되지 않고, 반복 수체(100)(Tn, Dn)와 암나사체(100)(Qn, En)를 상대 이반시키는 피로 시험 외에도, 나사체의 토크·축력·회전각을 검증하기 위한 소위 나사 고정 시험 등이어도 좋고, 이러한 시험 결과와 인장 시험의 결과 사이에 상관성이 있는 것이 확인되고 있다. 모든 검증용 볼트 너트 세트에 대해 체결 강도 시험을 실시하고, 그 결과가, 수체(100)의 축부(12)에서 파단함으로써 체결이 해제되는 축파단 형태가 되는지, 조부(G)가 변형 또는 무너짐으로써 체결이 해제되는 조부 붕괴 형태가 되는지를 판정한다.

이 판정 결과의 그래프예를 도 9에 나타낸다. 본 그래프에서는, 횡축을 각도(Tn), 세로축을 곡경(Dn)으로 설정하고, 축파단 형태가 된 검증용 볼트 너트 세트를 ○, 조부(또는 나사산) 붕괴 형태가 된 검증용 볼트 너트 세트를 △로 표시하고 있다. 이 결과로부터 알 수 있듯이, 그래프 상은, 조부 붕괴 형태가 생기는 영역(X)(조부 붕괴 영역(X))과, 축파단 형태가 생기는 영역(Y)(축파단 영역(Y))으로 2분 되고, 그 경계선(K)을 분명히 할 수 있다. 이 경계선(K)은, 혹은 특정의 각도(Tk)에 대응하여 축파단 형태를 일으키게 하는 것이 가능한 최대 곡경의 값을 경계곡경(Dk)이라고 정의했을 경우, 각도(Tk)의 변화와 경계곡경(Dk)의 변화의 상관관계를 의미하게 된다.

예를 들면, 각도(T)를 68°로 설정하고, 축부의 곡경(D)을 14.1mm 이상으로 하는 설계 사상은, 조부 붕괴 영역(X)에 속하므로, 인장 시험에 의한 체결 해제 시에 축파단 형태는 얻기 어렵고, 조부 붕괴 형태가 생길 가능성이 높은 것을 의미하고, 그 만큼 축부의 강도가 소용 없게 되는 설계라고 생각할 수 있다. 한편, 각도(T)를 68°로 설정하고, 축부의 곡경(D)을 13.6mm로 설정하는 설계 사상은, 체결 해제 시에 축파단 형태를 얻기 쉽지만, 경계곡경(Dk)은 약 14.05mm가 됨으로써, 그 범위 내이면 축부의 곡경(D)을 더 크게 설정할 수 있어 인장 강도를 높일 수 있다는 점에서, 비효율적인 설계인 것을 의미한다.

역설하면, 이 경계선(K)에서는, 경계곡경(Dk)의 변화에 대응하여, 그 수체를 축파단 형태로 시키는 것이 가능한 경계 각도(Tk)의 허용 범위(이것을 경계 각도 영역(Ts)이라 부름)를 결정할 수 있게 된다.

<축파단 우위 각도 선정 공정>

경계곡경 추출 공정이 종료된 후, 경계선(K) 중에서, 상기 경계곡경(Dk)이 최대치로 이루어질 수 있는 조부의 각도(이하, 축파단 우위 각도(Tp))를 선정한다. 도 9의 그래프에서는, 경계선(K)의 피크치로부터, 축파단 우위 각도(Tp)는 70.5°가 된다. 이 축파단 우위 각도(Tp)는, 축부를 극히 굵게 하여 인장 강도를 높였다고 해도, 체결 해제에 관해서는 축파단 형태로 이끌기 쉬운 각도, 즉, 조부(G) 측의 전단 강도(S)가 가장 높아지기 쉬운 각도라고 설명할 수 있다.

<각도 결정 공정>

마지막으로, 결정되는 축파단 우위 각도(Tp)와 근사하는 각도를, 호칭 지름 N16에서의 실제의 수체(10) 및/또는 암나사체(100)에 적용하고 설계를 실시한다. 예를 들면, 실제의 각도(T)를 70°로 설정하면, 곡경(D)을 크게 설정하는 것이 가능하게 된다. 구체적인 곡경(D)으로서는, 예를 들면 14.25mm 정도가 바람직하게 된다.

또한, 도 9에서는, 호칭 지름 N16의 경우의 설계 수법에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 다른 호칭 지름이어도 좋다. 예를 들면 도 10에는 호칭 지름 N24의 경우의 검증 결과의 그래프를 나타내고, 도 11에는, 호칭 지름 N30의 경우의 검증 결과의 그래프를 나타낸다. 이러한 그래프에 공통되게 말할 수 있는 것은, 축파단 우위 각도(Tp)는 61° 이상 또한 75° 이하의 범위 내이며, 보다 바람직하게는 65° 이상 또한 73° 이하의 범위 내이며, 대체로 70° 전후가 된다. 즉, 본 실시 형태의 구조를 갖는 수체(10)의 경우, 조부의 각도는, 종래의 상식인 60°가 아니고, 그보다 큰 값이 적합하며, 70° 근방이 최적치인 것을 알 수 있다.

또한, 상기의 수체(10) 및 암나사체(100)에서는, 제1 나선홈(14) 및 암나사 나선조(114)의 쌍과, 제2 나선홈(15) 및 암나사 나선조(115)의 쌍이, 서로 역나사의 관계(리드각이 같고 리드 방향이 반대)가 되는 경우를 예시했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면 도 12에 나타내듯이, 리드 방향(L1, L2)이 같고, 리드각이 다른 제1 나선홈(14) 및 암나사 나선조(114)와, 제2 나선홈(15) 및 암나사 나선조(115)를 채용할 수도 있다. 이 경우, 제1 나선홈(14)에 대해서, 더 리드각이 다른 나선홈을 중첩 형성함으로써, 리드가 L1(리드각 α1)의 제1 나선홈(14) 및 리드가 L2(리드각이 α2)의 제2 나선홈(15)이, 나사 방향을 나란하게 하여 형성된다. 이 경우는, 제1 나선홈(14)의 제1 조부(G1)와, 제2 나선홈(15)의 제2 조부(G2)는, 공유되지 않고 별도가 됨으로써, 그 조부(G1, G2)의 적어도 일방에 본 발명을 적용하면 좋고, 또, 쌍방에 적용해도 좋다. 물론, 제1 조부(G1)의 각도와 제2 조부(G2)의 각도는, 서로 달라도 좋다

또한, 상기 실시 형태에서는, 이중 나사 구조의 수체(10)의 경우를 예시했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 1중 나사 구조의 수체에서도, 상기 설계 순서를 적용하면, 최적인 각도를 이론적 및/또는 실험적으로 분명히 하는 것이 가능하다.

또, 본 발명의 실시예는, 상기 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경을 더할 수 있는 것은 물론이다.

1 체결 구조
10 수체
12 축부
13 수나사부
100 암나사체
106 통상 부재
G 나사산
P 조부

Claims (2)

1. 호칭 지름이 일정하고 조부의 각도 및 곡경이 상이한 복수의 검증용 수체와, 상기 검증용 수체와 체결되는 복수의 검증용 암나사체를 이용하여 상기 검증용 수체에 상기 검증용 암나사체를 체결하여 축 방향으로 상대 이반시키는 체결 강도 시험을 실시하는 경우에서,
   상기 검증용 수체가 축부에서 파단하여 체결 상태가 해제되는 축파단 형태, 및, 상기 검증용 수체의 조부가 변형 혹은 전단하는 것에 의해서 체결 상태가 해제되는 조부 붕괴 형태의 쌍방의 형태의 파괴를 일으킴으로써 상기 축파단 형태와 상기 조부 붕괴 형태의 경계 근방으로 이루어지는 곡경(이하, 경계곡경이라 칭함)에서, 상기 조부의 각도의 변량에 기인하는 변화 정도를 추출하는 경계곡경 추출 공정과,
   상기 경계곡경의 변화 정도에 근거하고, 상기 경계곡경이 최대치로 이루어지는 특정의 조부의 각도(이하, 축파단 우위 각도라 칭함)를 선정하는 축파단 우위 각도 선정 공정과,
   상기 축파단 우위 각도와 근사하는 각도를, 상기 호칭 지름에서의 실제의 수체 또는 암나사체의 적어도 하나에 적용하는 각도 결정 공정,
   을 갖는 것을 특징으로 하는 나사체 설계 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 경계곡경 추출 공정은,
   조부의 각도 및 호칭 지름이 일정하고, 곡경이 상이한 복수의 검증용 수체와, 상기 검증용 수체와 체결되는 복수의 검증용 암나사체를 이용하여 상기 검증용 수체에 상기 검증용 암나사체를 체결하여 축 방향으로 상대 이반시키는 체결 강도 시험을 실시하는 경우에서,
   상기 검증용 수체가 축파단 형태, 및, 조부 붕괴 형태의 쌍방의 형태의 파괴를 일으킴으로써, 상기 축파단 형태와 상기 조부 붕괴 형태의 경계 근방에서 이루어지는 특정의 곡경을 추출하는 개별 경계곡경 추출 공정과,
   서로 다른 복수의 조부의 각도를 선정하고, 각 각도에 근거하여 상기 개별 경계곡경 추출 공정을 반복 실시함으로써, 상기 조부의 각도의 변량에 기인하는 상기 경계곡경의 변화 정도를 추출하는 공정,
   을 갖는 것을 특징으로 하는 나사체 설계 방법.

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