[하이플럭스 기술자료] 나사의 체결과 토크(토르크), 나사 풀림의 메커니즘

[하이플럭스 기술자료]

나사의 체결과 토크(토르크), 나사 풀림의 메커니즘

 

 

1. 나사의 체결과 토크(토르크)

 

1) 나사 체결의 원리

 

나사는 어떻게 체결될까요?

 

일반 나사는 그림(체결 전)과 같이 나사부에 틈이 있어 나사 체결이 가능하며, 나사 체결 후에는 그림과 같이 나사산의 한족사면끼리 접합되어 마찰이 발생합니다.

 

실제 체결상태는 그림과 같이 체결면이 실선이 아닌 점으로 이루어지게 되며 나사표면 상태에 따라 각 나사의 실제 마찰력은 달라집니다.

이러한 나사산의 마찰력, 좌면의 마찰력, 축력이 더해져 전체 나사의 체결력이 됩니다.

 

 

 

 

 
2) 토크(Torque)란?

 
토크란 힘의 모멘트라고 하며, 어떤 힘이 가해지는 물체를 회전시키는 정도를 말합니다.
즉 나사체결의 경우, 볼트와 너트를 회전시키는데 필요한 회전 모멘트를 토크라고 합니다.

 

토크의 단위는 Kgf.m(kg•m, Nm)를 사용하며, “힘의 크기(F) X 회전축과 힘점과의 거리(r)”로 계산됩니다.

 

아래 그림에서 반지름 r인 원형 단면을 가진 회전체에 원주의 접선방향으로 힘 F가 작용하고 있다면 F•r의 모멘트로 회전운동을 하게 됩니다.
이 때 회전축의 모멘트가 토크입니다. 더 넓게는 한 축의 중심선 방향에 대한 외력 모멘트를 총칭해서 토크라고 합니다.
 

 

 

3) 토크의 종류

 

a. 체결 토크(Tf) : 체결력/축력(Fs)을 살리기 위해 볼트와 너트를 회전시키는데 필요한 회전모멘트
b. 풀림 토크(Tl) : 나사를 체결한 상태에서 볼트와 너트의 분해에 필요한 토크. 일반적으로 체결 토크(Tf)의 80%
c. 프리베일링 토크(Tp) : 나사의 체결/분해시 나사산에서만 발행하는 회전 토크로, 나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않는 상태(나사 좌면의 마찰력 “0”)에서의 최고 Torque를 말합니다.

 

 

 

4) 체결 토크의 공식

 

체결 토크(Tf) = 축 토크(Ts) + 좌면의 토크(Tw)

 

볼트에 Fs의 축력을 발생시키기 위해 가해진 체결토크를 Tf, 체결시 볼트의 축부에 발생한 축 토크를 Ts라고 한다면, Tf는 Ts와 Tw의 합과 같아집니다. (그림 1 참조)

 

 

 

축 토크(Ts) = 유효경(dp) / 2 X 수평력(U)

축 토크의 계산은 경사면에서의 마찰원리를 이용하여 구할 수 있습니다.

 

 
위 그림의 경사면에서 물건을 밀어 올릴 때의 수평력은 U = F • tan(þ + ß)로 표시됩니다.
따라서 Ts = dp/ 2 X Fs • tan(þ + ß)가 됩니다. 이 때 ßsms 리드각, þ 는 체결시의 마찰각을 나타냅니다.

 

 

좌면 토크(Tw) = 좌면 토크의 등각직경(Dw) / 2 X 마찰계수(μ w) X 축력(Fs)

 

*좌면의 토크는 좌면 등가직경의 1/2에 마찰계수와 축력을 곱한 값으로 표시됩니다.

 

 

체결 토크(Tf) = 1/2 • Fs • {dp • tan(þ + ß) + Dw • μ w}

 

*체결 토크에서 일반적으로 축 토크(나사산부분)가 전체의 약 45~50%, 좌면의 토크가 약 50~55%가 됩니다.

 

5) 풀림 토크의 공식
 

풀림 토크(Tl)도 체결 토크와 마찬가지로 축 토크와 좌면의 토크로 이루어집니다.
단 축 토크 부분에서 마찰력이 중력의 반대방향으로 작용하게 됩니다.(그림 참조)

따라서 축 토크의 공식 Ts = dp/2 X Fs • {dp • tan(þ + ß) 중에서 경사도 ß 부분이 마이너스로 바뀌게 됩니다.
이는 나사산의 축력에 대한 마찰력(토크)이 마이너스로 작용함을 나타냅니다.

 

 

풀림 토크(Tl) = 1/2 • Fs • {dp • tan(þ + ß) + Dw • μ w}

 

 
6) 프리베일링 토크

 

a. Prevailing-In-Torque (P.I.T) : 나사 체결시 나사산에서만 발생하는 회전 Torque로 나사 좌면이 떨어진 상태(나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않는 상태)에서의 최고 토크

B. Prevailing-Out-Torque (P.O.T) : 나사 분해시 나사의 좌면이 떨어진 상태(나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않는 상태)에서의 최고 토크

 

 

7) 파괴 토크

a. Break-Away-Torque(B.A.T) : 취부토크가 주어지지 않는 상태(축력이 0인 상태)에서 경화된 나사를 분해하는데 요하는 초기 파괴토크

b. Break-Loosening-Torque(B.L.T) : 취부토크가 주어진 상태(축력이 발생한 상태)에서 경화된 나사를 분해하는데 요하는 초기 파괴토크

*파괴토크는 통상 체결 후 25 ±2℃ 에서 72시간 경과 후 측정

 

 

 

 

2. 나사 풀림의 메커니즘

 

 

 

일반나사는 체결 전 나사부에 틈이 있어 나사의 체결이 가능하게 되어 있지만, 위 그림처럼 나사를 완전히 체결하여도 나사의 한쪽 사면만 마찰이 있고, 틈새는 여전히 남는 상태로 완전 체결됩니다.

 

이 때 접촉부의 마찰력보다 진동이나 충격 등의 큰 외력(특히 축의 직각방향 진동, 충격)이 가해지면 나사산 접촉부의 공간차가 발생하여 볼트의 머리 밑 좌면 부위가 벌어지게 됩니다. ( 한 번 벌어진 틈은 나사 체결방향으로 외력이 가해져야만 다시 돌아갈 수 있습니다.)

 

이러한 진동, 충격의 반복에 의해 볼트의 머리부 마찰력이 떨어지게 되어 풀림이 발생하게 됩니다.
이것이 가장 전형적인 나사풀림의 메커니즘입니다.
 

 

* 토크의 배분

일반적으로 나사의 토크는 그림과 같이 좌면부의 토크가 50%, 나사산부의 토크가 40%, 피치부의 토크, 즉 축력이 10%의 비율로 나눠지게 됩니다. 이 피치부의 토크가 체결시와 풀림시 반대로 작용하게 되어 풀림 토크는 체결토크의 약 80% 됩니다.

 

 
* 축력(Clamp Load)이란?

나사체결시 좌면과 상대물이 맞닿은 이후에 힘을 더 가하게 되면 볼트에 인장력이 가해지고, 그반작용(복원력)에 의해 볼트는 상대물을 잡아주게 됩니다. 이 힘을 축력이라 하며, 체결성능의 지표로 사용되고 있습니다.