【제목 : 나사체결 및 풀림 메커니즘】
1.나사의 체결과 토르크
1)나사 체결의 원리
●일반 나사는 그림(체결전)과 같이 나사부에 틈이 있어 나사체결이 가능하며, 나사 체결후에는
그림(체결후)와 같이 나사산의 한쪽사면끼리 접합되어 마찰이 발생합니다.
실제 체결상태는 （참고도）와 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)토르크한 무엇일까요?
●토르크란 힘의 모멘트라고 하며, 어떤 힘이 가해지는 물체를 회전시키는 정도를 말합니다.
즉 나사체결의 경우, 볼트와 너트를 회전시키는데 필요한 회전모멘트를 토르크라고 합니다.
토르크의 단위는 Kgfm(Kg.m, Nm)를 사용하며, "힘의 크기(F) X 회전축과 힘점간의 거리(r)"
로 계산됩니다. 아래의 그림(참고 1)에서 반지름 r인 원형 단면을 가진 회전체에 원주의
접선방향으로 힘 F가 작용하고 있다면 F.r의 모멘트로 회전운동을 하게 됩니다.
이때 회전축의 모멘트가 토르크입니다. 더 넓게는 한 축의 중심선방향에 대한 외력 모멘트를
총칭해서 토르크하고 합니다.
3)토르크의 종류
○체결토르크(Tf) : 체결력/축력(Fs)을 살리기 위해 볼트와 너트를 회전시키는데 필요한
회전모멘트
○풀림토르크(TI) : 나사를 체결한 상태에서 볼트와 너트의 분해에 필요한 토르크
일반적으로 체결 토르크(Tf)의 80%
○프리베일링토르크(Tp) : 나사의 체결/분해시 나사산에만 발생하는 회전 토르크로,
나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않은 상태
(나사 좌면의 마찰력 "0" )에서의 최고 Torque를 말한다.
4)체결토르크의 공식
『체결토르크(Tf) = 축토르크(Ts) + 좌면의 토르크(Tw)』
●볼트에 Fs의 축력을 발생시키기 위해 가해진 체결토르크를 Tf, 체결시 볼트의 축부에
발생한 축토르크를 Ts라고 한다면, Tf는 Ts와 Tw의 합과 같아집니다(참고 2)
『축토르크(Ts) = 유효경(dp)/2 X 수평력(U)』
●축토르크의 계산은 경사면에서의 마찰원리를 이용하여 구할 수 있습니다.
아래 그림의 경사면에서 물건을 밀어 올릴 때의 수평력은 U = F.tan(a+b)로 표시됩니다.
따라서 Ts = dp/2 X Fs.tan(a+b)가 됩니다. 이때 b는 리드각, a는 체결시의 마찰각을
나타냅니다.
『좌면토르크(Tw) = 좌면토르크의 등가직경(Dw)/2 X 마찰계수(㎼) X 축력(Fs)』
●좌면의 토르크는 좌면 등가직경의 1/2에 마찰계수와 축력을 곱한 값으로 표시됩니다.
『체결토르크(Tf) = 1/2 . Fs . ｛dp . tan(a+b) + Dw . ㎼｝』
●체결토르크에서 일반적으로 축토르크(나사산부분)가 전체의 약45~50%, 좌면의 토르크가
약50~55%가 됩니다.
5)풀림토르크의 공식
●풀림토르크(TI)도 체결토르크와 마찬가지로 축토르크와 좌면의 토르크로 이루어집니다.
단 축토르크 부분에서 마찰력이 중력의 반대방향으로 작용하게 됩니다
따라서 축토르크의 공식 Ts = dp/2 X Fs . tan(a+b)중에서 경사도 b부분이 마이너스로
바뀌게 됩니다. 이는 나사산의 축력에 대한 마찰력(토르크)이 마이너스로 작용함을 나타냅니다.
『풀림토르크(TI) = 1/2 . Fs . ｛dp . tan(a-b) + Dw . ㎼｝』
6)프리베일링 토르크
○PREVAILING-IN-TORQUE(P.I.T.) : 나사 체결시 나사산에만 발생하는 회전TORQUE로
나사 좌면이 떨어진 상태(나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않는 상태)에서의
최고 토르크
○PREVAILING-OUT-TORQUE(P.O.T.) : 나사 분해시 나사의 좌면이 떨어진 상태
(나사 좌면의 마찰력에 의한 체결력이 발생하지 않은 상태)에서의 최고 토르크
7)파괴토르크
○BREAK-AWAY-TORQUE(B.A.T.) : 취부토르크가 주어지지 않은 상태(축력이 0인 상태)
에서 경화된 나사를 분해하는데 요하는 초기 파괴토르크
○BREAK-LOOSENING-TORQUE(B.L.T.) : 취부토르크가 주어진 상태(축력이 발생한 상태)
에서 경화된 나사를 분해하는데 요하는 초기 파괴토르크
○파괴토르크는 통상 체결후 25±2°C에서 72시간 경과후 측정
2.나사풀림의 메커니즘
●일반나사는 체결전 나사부에 틈이 있어 나사의 체결이 가능하게 되지만, 아래의 그림처럼
나사를 완전히 체결하여도 나사의 한쪽 사면만 마찰이 있고, 틈새는 여전히 남는 상태로
완전체결됩니다.
이때 접촉부의 마찰력보다 진동이나 충격 등의 큰 외력(특히 축의 직각방향 진동, 충격)이
가해지면 나사산 접촉부의 공간차가 발생하여 볼트의 머리밑 좌면부위가 벌어지게 됩니다.
(한번 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.
♣토르크의 배분
일반적으로 나사의 토르크는 아래의 그림과 같이 좌면부의 토르크가 50%, 나사산부의
토르크가 40%, 피치부의 토르크 즉 축력이 10%의 비율로 나눠지게 됩니다.
이 피치부의 토르크가 체결시와 풀림시 반대로 작용하게 되어 풀림토르크는 체결토르크의
약80%가 됩니다.
♣축력(Clamp Load)란 무엇일까요?
나사체결시 좌면과 상대물이 맞닿은 이후에 힘이 더 가하게 되면 볼트에 인장력이 가해지고,
그 반작용(복원력)에 의해 볼트는 상대물을 잡아주게 됩니다.
이 힘을 축력이라고 하며 체결성능의 지표로 사용되고 있습니다.
