모든 나사식 패스너 조인트는 사용 수명 동안 동일한 적, 즉 진동, 열 순환 또는 표면 침전으로 인한 조임력의 점진적인 손실에 직면합니다. 잠금 와셔는 스프링 압력을 생성하고 톱니형 설계에서는 회전에 저항하기 위해 결합 표면을 파헤쳐 손실을 방지하기 위해 개발되었습니다. 톱니형 제품군 내에서 두 가지 형상이 산업용 및 소비자용 하드웨어 카탈로그를 지배합니다. 외부 치아 잠금 와셔 , 치아가 테두리 주위로 바깥쪽으로 구부러져 있으며, 내부 치아 잠금 와셔 , 톱니가 보어를 향해 안쪽으로 기울어져 있습니다. 둘 다 동일한 광범위한 작업을 수행하지만 치아의 배치에 따라 힘이 적용되는 방식, 접촉이 발생하는 위치 및 각 디자인이 가장 적합한 조인트가 변경됩니다.
이 구별은 처음 나타나는 것보다 더 중요합니다. 둘 중 하나를 선택하는 패스너 엔지니어는 외형적인 변형을 선택하는 것이 아닙니다. 그들은 와셔 표면에서 물림이 발생할 위치, 결합 표면의 어느 정도 표시할 것인지, 반복되는 토크와 진동에서 와셔가 어떻게 작동하는지를 선택합니다. 톱니 배치, 하중 분산 및 설계 의도를 이해하면 구매자나 설계자는 선반에 있는 부품을 기본값으로 설정하는 대신 올바른 와셔를 올바른 조인트에 연결할 수 있습니다.
두 디자인 사이의 혼동은 멀리서 보면 둘 다 톱니 모양의 가장자리가 있는 금속 링처럼 보이기 때문에 이해할 수 있습니다. 사람이 하나를 집어 빛에 비춰볼 때만 치아의 방향이 분명해지며, 심지어 고정된 조인트가 실제로 어떻게 실패하는지에 대한 배경지식 없이는 그 방향의 실제 결과가 항상 직관적이지는 않습니다. 고정되고 변하지 않는 하중 하에서 패스너 자체가 저절로 풀리기 때문에 볼트로 조이거나 나사로 조인 조인트는 거의 풀리지 않습니다. 풀림은 패스너 헤드, 와셔, 그 아래 표면 사이의 작은 상대적 움직임으로 시작되는 경우가 많습니다. 진동, 열팽창 및 수축 또는 조립 직후 고정된 재료의 약간의 침전으로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 첫 번째 움직임이 나타나면 결합 표면의 마찰은 패스너가 작은 증분으로 회전하기 시작할 만큼만 떨어지며 조인트가 클램핑 힘을 측정할 수 있을 정도로 잃을 때까지 각 증분은 복합됩니다.
톱니형 잠금 와셔는 모든 작업을 수행하는 마찰 외에 조인트에 기계적 구매 지점을 제공하여 일련의 이벤트를 중단합니다. 볼트 헤드와 와셔 또는 와셔와 모재 사이의 표면 마찰에만 전적으로 의존하는 대신 톱니가 물리적으로 양쪽 표면을 물고 회전 동작이 시작되기 전에 첫 번째 회전 동작에 저항하는 작은 기계적 인터록을 생성합니다. 움직임의 첫 번째 조각이 느슨해지기 시작하는 단계이기 때문에 이를 조기에 멈추는 것은 치아의 작은 크기가 시사하는 것과 비교할 때 장기적인 관절 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다.
두 세탁기 유형 간의 핵심적인 물리적 차이점은 간단하게 설명할 수 있지만 광범위한 결과를 가져옵니다. 외부 치아 와셔에는 외경을 따라 형성된 치아가 꼬여 있어 각 치아가 와셔 평면에서 약간 각도를 이루는 날카로운 모서리를 나타냅니다. 내부 톱니 와셔는 이러한 배열을 뒤집습니다. 톱니는 내부 직경을 따라 스탬프 처리되고 볼트 생크 또는 나사 본체에 가깝고 안쪽으로 각도가 지정됩니다.
외부 톱니 와셔는 외부 림을 물기 때문에 볼트 헤드나 너트 아래의 베어링 표면에 대해 더 넓은 접촉 원과 맞물립니다. 더 넓은 원은 더 큰 호에 걸쳐 회전에 대한 저항을 분산시키며, 이는 판금 인클로저, 도장된 패널 또는 가벼운 합금 하우징과 같은 평평하고 부드러운 재료에 가장 도움이 되는 경향이 있습니다. 대조적으로, 내부 치아 와셔는 와셔의 외부 표면을 상대적으로 눈에 띄지 않게 유지하고 장식 패널, 기기 하우징 또는 외부 림이 다른 구성 요소에 가깝게 위치하여 돌출 치아를 견딜 수 없는 조인트와 같이 패스너 주변의 눈에 띄는 표면 마감이 중요한 경우 종종 선호됩니다.
치아의 수와 각도도 보조적인 역할을 합니다. 대부분의 스탬프 디자인은 링 주위에 8~12개의 톱니를 배치하며, 각 톱니는 평면에서 약간 비틀어져 압축 시 작은 캔틸레버 스프링 및 절단 모서리처럼 작동합니다. 패스너를 조이면 먼저 톱니가 약간 편평해지고 스프링 에너지를 저장한 다음 전체 조임력에 도달하면 표면에 물립니다. 부분적으로는 스프링이고 부분적으로는 절삭날인 이중 동작으로 인해 풀림 방지 메커니즘이 상당히 다르지만 톱니형 와셔가 분할 링 설계와 함께 더 넓은 잠금 와셔 제품군으로 분류되는 경우가 있습니다. 분할 링 와셔는 패스너 스레드에 대해 뒤로 밀어내는 저장된 스프링 장력에 거의 전적으로 의존하는 반면, 톱니형 와셔는 스탬핑 공정에서 제공되는 스프링 장력에 기계적 바이트를 추가합니다.
재료 선택은 치아 배치와도 상호 작용합니다. 두꺼운 구조용 강철과 같은 단단한 기판에서는 외부 및 내부 톱니 디자인 모두 깊게 물리는 데 어려움을 겪을 것이며 두 디자인 모두 기본 재료에 깊은 구매를 달성하지 못하기 때문에 둘 사이의 실제 성능 차이가 좁아집니다. 알루미늄 시트나 도장된 인클로저 패널과 같은 부드러운 기판에서는 톱니가 단순히 표면에 흠집을 내는 것이 아니라 실제로 재료 속으로 들어갈 수 있기 때문에 차이가 훨씬 더 뚜렷해집니다. 이것이 숙련된 조립 기술자가 디자인의 모든 패스너에 적용되는 포괄적인 표준이 아닌 조인트별 결정으로 치아 와셔 선택을 다루는 이유 중 하나입니다.
하중 분포는 치아 배치의 실제 결과가 가장 명확해지는 곳입니다. 조여진 패스너 아래의 와셔는 회전에만 저항하는 것이 아닙니다. 또한 볼트 머리나 너트의 조임력을 기본 재료 전체에 분산시켜 응력이 작은 한 지점에 집중되지 않도록 합니다. 치아가 접촉하는 직경에 따라 확산 반경이 변경됩니다.
외부 톱니는 주어진 와셔 크기에 대해 사용 가능한 가장 큰 직경에 위치하므로 바이트를 더 넓은 원주에 분산시켜 동일한 클램핑력에 대해 단일 톱니의 압력을 낮춥니다. 더 작은 반경에 위치한 내부 톱니는 동일한 토크에 대해 톱니당 더 많은 힘을 집중시켜 국지적 교합 깊이를 증가시키지만 더 단단하거나 얇은 재료의 보어 주변에 직접 표면 표시가 생길 위험도 증가시킵니다.
이 수치는 실험실 측정이 아닌 예시이지만 조인트 조립 실습에서 일관되게 관찰되는 패턴을 나타냅니다. 접촉 바이트가 더 넓은 와셔는 클램핑 응력을 더 큰 설치 공간에 분산시켜 시간이 지남에 따라 기본 표면이 변형되거나 패스너가 더 부드러운 재료에 가라앉을 가능성을 줄입니다.
하중 분배에는 간과하기 쉬운 부차적인 효과도 있습니다. 이는 조인트가 완전히 토크된 후 고정된 부품이 서로 얼마나 균등하게 배치되는지에 영향을 미칩니다. 베어링 압력을 좁은 링에 집중시키는 와셔는 주변 표면이 완벽하게 평평하지 않은 경우 약간 흔들리는 경향이 있을 수 있습니다. 왜냐하면 하중 경로가 더 넓은 영역에 걸쳐 완충되기보다는 작은 접촉 밴드를 통과하기 때문입니다. 더 넓은 베어링 설치 공간은 작은 표면 불규칙성을 평균화하는 경향이 있습니다. 이는 스탬핑된 판금 커버 또는 압출된 하우징 섹션과 같이 결합 패널이 제조 공차로 인해 약간의 물결 모양을 가질 수 있는 어셈블리에 외부 톱니 디자인이 종종 지정되는 이유 중 하나입니다.
그러나 주목할 가치가 있는 절충안이 있습니다. 더 넓은 영역에 하중을 분산시키면 단일 치아의 최대 압력이 낮아지므로 표면 손상을 방지하는 데 좋지만 동일한 조임력을 더 작은 링에 집중시키는 설계에 비해 평균 바이트 깊이가 더 얕아질 수도 있습니다. 이는 두 와셔 유형 간의 핵심적인 기계적 균형입니다. 외부 톱니 디자인은 주변 표면을 보호하는 데 적합한 넓고 부드러운 결합을 선호하는 반면, 내부 톱니 디자인은 더 작은 설치 공간에서 회전에 저항하는 데 적합한 더 단단하고 집중된 바이트를 선호합니다. 두 접근 방식 모두 보편적으로 더 강력하지는 않습니다. 각각은 단순히 압력 대 면적 곡선에서 관절이 위치한 위치로 이동합니다.
두 톱니 디자인 모두 주로 진동 시 풀림에 저항하는 능력에 대해 판매되지만, 각각이 확장된 사이클링을 유지하는 방식은 패스너 축을 기준으로 바이트가 발생하는 위치 때문에 약간 다릅니다. 내부 톱니 와셔의 볼트 생크에 더 가깝게 위치한 톱니는 회전 미세 움직임의 피벗점에 더 가까이 위치하여 초기 사이클 저항에 기계적 이점을 제공합니다. 외부 치아 와셔에서 더 멀리 위치하는 치아는 더 긴 레버 암의 이점을 누릴 수 있으며, 이는 초기 물린 부분이 표면에 고정되면 더 안정적인 장기 유지로 이어질 수 있습니다.
여기에 표시된 곡선은 고정된 보증이 아닌 많은 공동 연구에서 볼 수 있는 일반화된 패턴을 반영합니다. 내부 치아 와셔는 생크 근처의 짧은 레버 암으로 인해 약간 더 강한 초기 물림으로 시작하는 경우가 많은 반면, 외부 치아 와셔는 더 넓은 물림 반경이 개별 치아가 부분적으로 마모된 후에도 느슨해지는 것을 방지하기 때문에 더 점진적으로 저하되는 경향이 있습니다. 어느 패턴도 하나의 디자인을 보편적으로 우수하게 만들지 않습니다. 올바른 선택은 초기 장비 길들이기 중과 같이 조인트에서 강렬한 초기 진동이 나타날 것으로 예상되는지, 아니면 연속 작동 기계와 같은 꾸준한 장기 사이클링이 예상되는지에 따라 달라집니다.
톱니형 와셔는 잘못 지정된 패스너를 보완하기 위한 것도 아닙니다. 볼트 또는 나사 직경이 하중에 비해 작거나 클램핑된 재료가 너무 부드러워 토크를 전혀 유지하지 못하는 경우, 톱니 형상의 양이 불일치를 완전히 상쇄할 수 없습니다. 이는 올바른 크기의 조인트 위에 추가된 개선 사항이며 올바른 패스너 크기를 대체할 수는 없습니다.
패스너 디자인 선택이 단일 속성으로 결정되는 경우는 거의 없습니다. 엔지니어들은 표면 경도, 완성된 조인트의 가시성, 사용 가능한 반경 방향 여유 공간 및 예상되는 진동 프로필을 함께 평가합니다. 아래 표에는 총회 관행에서 도출된 일반적인 결정 사항이 요약되어 있습니다.
| 고려사항 | 외부 치아 와셔 | 내부 치아 와셔 |
|---|---|---|
| 바이트 반경 | 외부 림, 넓은 둘레 | 내부 보어, 생크에 가깝습니다. |
| 표면 마킹 | 더 넓은 조명 마킹 링 | 보어에 가까운 작은 링 |
| 최고 | 부드럽거나 얇은 시트 소재 | 더 단단하고 두꺼운 결합 부품 |
| 눈에 보이는 마감 효과 | 림에서 더 눈에 띕니다 | 대부분 볼트 머리 아래에 숨겨져 있음 |
| 일반적인 사용 | 패널 인클로저, 브래킷 | 전기 터미널, 소형 어셈블리 |
| 통관 필요 | 림 공간이 필요합니다. | 더 좁은 보어 영역에 적합 |
더 얇은 시트 스톡으로 제작되는 경우가 많은 인클로저 및 구조용 브래킷은 더 넓은 바이트가 패널을 변형하지 않고 조임력을 분산시키기 때문에 외부 톱니 디자인 쪽으로 기울어집니다. 눈에 보이는 면이 깨끗하게 유지되어야 하고 보어 주변 공간이 제한되어 있는 전기 단자 및 컴팩트 하우징은 내부 톱니 디자인 쪽으로 기울어집니다. 두 패턴 모두 엄격한 규칙은 아닙니다. 이는 두 가지 기계적 동작이 이해되면 선택을 안내하는 일반적인 논리를 반영합니다.
접지 및 접착 조인트는 치아 와셔가 일반적인 구조적 고정 외부에 나타나는 가장 일반적인 장소 중 하나입니다. 톱니는 물릴 때 가벼운 표면 산화를 통해 절단되기 때문에 두 디자인 모두 접착 응용 분야에서 일반적으로 지정되며 선택은 일반적으로 단자 러그 주변의 사용 가능한 공간에 따라 결정됩니다.
단일 숫자가 패스너 구성 요소의 전체 내용을 나타내는 경우는 거의 없으므로 선택 과정에서 다중 속성 비교가 더 유용한 경우가 많습니다. 아래의 레이더 차트는 일반적으로 서로 비교되는 5가지 특성, 즉 진동 저항, 표면 보호, 가장자리 물림 강도, 조립 중 정렬 용이성, 일반적인 생산량에서의 일반적인 비용 효율성을 표시합니다.
외부 치아 와셔는 진동 저항과 비용 효율성 측면에서 더 높은 점수를 받는 경향이 있습니다. 더 넓은 물림 반경이 풀림에 잘 견디고 외부 치아의 스탬핑 공정이 일반적으로 부피 측면에서 더 간단하기 때문입니다. 내부 치아 와셔는 표면 보호 및 정렬 용이성 측면에서 더 높은 점수를 받는 경향이 있습니다. 외부 프로파일이 작을수록 림이 주변 하드웨어에 닿지 않고 치아가 조립 중에 자루 주위에 더 자연스럽게 중심을 잡기 때문입니다. 가장자리 물림 강도는 둘 사이에 유사하며 결합 재료의 경도에 따라 장점이 달라집니다.
이와 같은 차트를 읽는 것은 모든 응용 프로그램에서 똑같이 중요하게 취급되기보다는 설계 중인 특정 조인트에 따라 속성에 가중치를 부여할 때 가장 유용합니다. 외관상의 문제보다 진동 저항과 장기적인 신뢰성이 더 중요한 실외 구조용 브래킷을 작업하는 디자이너는 당연히 외부 치아 디자인의 점수가 더 높은 속성 쪽으로 기울게 됩니다. 각 나사 주변의 눈에 보이는 이음새가 완제품에 중요하고 사용 가능한 방사형 공간이 좁은 소형 전자 인클로저를 작업하는 설계자는 표면 보호 및 정렬 용이성에 더 큰 비중을 두고 대신 내부 톱니 디자인에 기울일 것입니다. 차트는 최종 판정이 아닌 대화의 시작점입니다. 실제 프로젝트는 일반적으로 단 하나의 속성만 최적화하는 대신 이러한 속성 중 여러 가지를 동시에 동시에 균형을 유지하기 때문입니다.
올바른 치아 형상을 선택하는 것은 성공적인 조인트의 절반에 불과합니다. 몇 가지 실용적인 점검을 통해 세탁기 설치 후 성능이 저하될 가능성을 줄일 수 있습니다.
이러한 검사는 일반 조립 작업 전반에 걸쳐 일반적인 관행이며 어떤 톱니 형상이 최종적으로 선택되는지에 관계없이 적용됩니다. 이를 건너뛰는 것은 처음에 잘못된 와셔 유형을 선택하는 것보다 연결부가 느슨해지는 원인이 더 자주 발생합니다.
일반적으로 겹쳐서 사용하기보다는 한 번에 하나씩 사용합니다. 각각은 이미 자체적으로 충분한 물림을 제공하도록 설계되었으며 겹쳐 쌓으면 유지력의 비례적인 이득 없이 불필요한 관절 높이가 추가되기 때문입니다.
치아 배치는 주로 체결력에 도달하는 데 필요한 토크보다는 패스너가 단단해진 후 체결력이 분배되는 방식에 영향을 주지만, 치아가 물기 시작하면 약간 더 높은 마찰이 발생할 수 있습니다.
코팅된 표면에 사용할 수 있지만 치아는 일반적으로 접촉점에서 코팅을 뚫고 나옵니다. 이는 바이트가 아래의 기본 재료에 도달하는 데 달려 있기 때문에 예상되는 동작입니다.
내부 톱니 와셔는 볼트 생크 주위로 더 쉽게 자체 중심에 위치하는 경향이 있으며, 이는 외부 톱니 디자인의 외부 림 접촉에 비해 반복 조립 중에 정렬 속도를 약간 높일 수 있습니다.
이 제품은 진동으로 인해 풀릴 가능성을 줄여주지만 응용 분야에서 화학적 유지가 특별히 요구되는 조인트의 나사 고정 화합물을 대체할 수는 없습니다.
