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이남자의 기록 :: 볼트 조임토크표 기술자료
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렌치 볼트 체결 토크
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볼트 역학과 체결 토크 계산
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1 볼트 역학 – 체결력과 토크
2 체결 토크 계산
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볼트에 대한 최대 권장 토크는 얼마입니까? – Atlas Copco 한국
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볼트 크기
볼트 등급
볼트 마찰
볼트 조임 토크 :: [공학나라] 기계 공학 기술정보
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볼트 조임 토크
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볼트 & 너트 그리고 토크 의 세계
대부분의 기계를 비롯한 모든 영역에서 사용되고 있는 흔한 물품,
기계에 별 관심이 없는 경우 특별히 주목할 것도 없지만 관계분야의
종사자 분에게는 매우 중요한 볼트 너트 토크의 세계
그러나 아주 흔한 일반기계 계열과 자동차 바이크 항공기 선박 철도 등에서는
기본적으로 알아두어야 할 사항입니다.
여기에서 조금 더 전문가가 될 수 있는 기본적인 지식을 소개합니다
볼트의 머리 형상과 호칭
볼트의 머리 형상에는 사진과 같이 여러가지 종류가 있고, 이 중 대표적으로는 육각볼트 이며,
그중에서도 나사 가공이 일부분만 있는 볼트와 나사가공이 모두 되어있는 부분으로 나눠진 것,
또 육각 머리를 제외한 모든 부분이 나사가공이 되어있는 볼트 등 다양한 규격과 크기로 구분이 됩니다.
육각 볼트 는 일반적으로 너트 와 함께 사용 되는 것이 많으며,
이름 그대로 머리 가 육각 모양에 나사를 가진 일반적으로 ” 볼트 ” 라고 하면
이 육각 볼트 를 말합니다.
육각 렌치 볼트 와는 달리 육각 구멍 이 없기 때문에,
육각 너트 와 마찬가지로 스패너 와 렌치 를 소켓 등을 사용하여 잠금 또는 풀림작업을 합니다.
볼트의 규격은 아래의 그림의 내용과 같이 부르거나 표시합니다.
아래 그림의 볼트의 규격은 M16 x P2.0 x 80L 로 부릅니다.
볼트의 크기와 모양이 동등하지만 각 볼트의 소재와 나사의 피치
그리고 강도에 의해서 사용장소와 볼트의 잠금 토크는 크게 달라집니다.
여기서 잠깐!!!
볼트 머리의 표시를 이해하기 위하여 알아야 할 한가지^^
SAE 규격 ? (네이버 지식에서 가져옴)
[ SAE standard , – 規格 ]철강, 비철 금속 재료(非鐵金屬材料), 비금속 재료(非金屬材料), 연료, 윤활유, 기계 요소, 부품, 장치류, 자동차 및 부품의 시험 방법, 수리 방법, 용어의 정의(定義) 등에 관하여 미국 자동차 기술 학회(Society of Automotive Engineers)가 제정한 규격으로서,
강제성은 없으나, 미국 국내에서는 널리 이용되고 있으며 세계 여러 나라에서도 그대로 또는 다소 수정을 가하여 통용하고 있다.
인치 inch ?
이것은 간단히 말하자면 미국식 입니다. 1인치 inch = 25.4 mm 이며
나사의 길이를 말할때는 단순 환산만 하면 되지만,
흔히들 1/4″ (일본식 표시 “니부”) , 3/8″ (일본식 표시 “삼부”) , 1/2″ (일본식 표시 “욘부”)은
무엇을 말하는지 모르시는 분들도 계시죠^^
이건 간단히 1/2″ 은 1인치 를 반으로 나눈것이며, 1/4″ 은 1인치 를 1/4으로 나눈것을 말합니다.
1인치inch = 25.4 mm 이니까
1/4″ 은 6.35 mm,
1/2″ 은 12.7 mm 입니다.
그럼 3/8″ 은??? 1 인치 inch = 25.4 mm 를 8로 나눈후 3을 곱하면 9.525 mm 가 됩니다 참 쉽죠^^
비슷한 크기와 길이 굵기의 볼트의 경우 인치와
미리를 일반인들이 쉽게 구분하기는 힘듭니다.
가장 일반적으로 국내에서는 대부분 볼트가
은색도금 볼트 와 너트는 인치
금색도금 볼트 와 너트는 미리
로 쉽게 구분할 수 있습니다만 꼭 그렇지 않은 경우의 제품도 있습니다.
인치 볼트의 나사 피치를 말할 때는 역시 인치 방식의 표기를 합니다.
이것은 보통 16산 18산 24산 등으로 표기하거나 말하며,
1인치inch = 25.4 mm 거리안에 16개, 18개, 24개 32산 등의 나사산 이 있다는 것을 말합니다.
볼트의 직경 굵기와 나사의 모양이 얼핏보면 비슷하게는 보이지만
실제로는 다른 규격이므로 혼동하여 사용하여서는 안됩니다
가장 먼저 볼트를 선정 할때에는 볼트의 크기 와 규격에서 부터
즉 위의 그림과 같이
1. 축의 직경 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
2. 나사의 피치 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
3. 머리의 종류 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
4. 재질
5. 강도
의 기준으로 선택 합니다.
둥근 나사부분의 크기는 거의 동일하지만
동일한 재료에서 머리의 종류가
1. 육각머리
2. 둥근머리 (십자 . 일자 . 육각 . 별각Torx . 등등)
다양하게 나눠집니다만 일반적으로 볼트 머리에 육각 구멍이 있거나
별각Torx 종류의 볼트가 고강도로 사용하는 특징을 가지고 있습니다.
* 제조사의 기준에 따라 다른 경우도 있습니다.
볼트를 선택시 사용목적에 준하는 기준을 알아두는 것이 좋습니다.
볼트와 너트의 머리 부분에 표시된 기호의 표시는 무엇을 말하는가?
볼트와 너트등에 표기 기호에 따른 호칭 인장강도 (압력)
볼트의 머리 부분에는 제조사의 식별기호 볼트의 강도 및 재질의 종류 등 여러가지의 식별 기호가 있습니다만
일부 이러한 표시가 없는 경우도 있습니다 .
육각 볼트 는 대부분 위의 사진과 같이 문자 가 들어있는 것이 있습니다.
이 경우 위쪽 문자 는 제조 회사를 표시하며,
아래 의 4.8 등은 강도 구분 을 나타냅니다.
( 이 외에도 재질 구분 을 표시 하는 경우 도 있습니다 ) .
물론 문자 가 들어 있지 않거나 미터 나사 를 나타내는 ‘M’ 이라고 만 표시 가 있는 것과
다른 나사 에 비해 문자 가 입력 되는 경우 가 많은 것도 육각 볼트 의 특징 중 하나입니다 .
이것은 같은 육각 볼트 도 다양한 종류가 있으며,
강도 등 은 외형으로 판단 할수없는 경우 도 있기 때문입니다.
특히 육각 볼트 강도 구분 의 종류가 많기 때문에 이 부분의 이해가 중요 합니다
* 둥근머리 (십자 . 일자 . 육각 . 별각Torx . 등등)
강도의 표시와 종류의 호칭
강도 구분 과 재질
3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8 .8, 9 .8, 10.9, 12.9 에 사용되는
볼트 재질 의 종류
볼트의 강도 구분은 볼트가 가지는 강도 (최소 인장 강도와 항복점)의 기준이되는 분류이며,
사용하는 강재의 종류와 열처리, 가공 방법에 따라 달라지며 이 강철을 사용하고 있기 때문에
강도 구분 이 나눠진다는 것을 꼭 말하는 것은 아닙니다..
원래 강도가 뛰어난 강재도 열처리 방법에 의해 강도도 변화하고 또한 엄밀히 말하면
볼트의 제조 방법을 가공 하거나 절단 하거나 에서도 강도가 달라집니다.
하지만 대개 각 강재의 성분과 열처리에 의해 기계적 강도가 결정 때문에 기준으로 나열할수 있습니다.
또한 강재는 고온과 저온 환경에서 상온과 기계적 성질이 다르기 때문에
이러한 사용 환경도 고려해야 합니다.
고온에서는 열에 의한 연화 문제 저온에서는 강재 자체가 저온 취약 라는 문제가
나오기 때문에 충격에 대한 내성이 저하됩니다.
강도구분 재질
3.6 보통 강, 탄소강, SWCH 등 4.6 보통 강, 탄소강, SS400 , S20C 4.8 탄소강 탄소강 SS400 상당 SWRCH6R , SWRCH 재 5.6 탄소강 S45C , S25C 등 5.8 탄소강 6.8 탄소강 S45C , SCM432 8.8 탄소강 (단 열처리 안정성 과 합금 원소 강화 ) , S45C 열처리 로 강화한 SWRCH38K 등 9.8 SNB7 , SCM435 , 탄소강 (단 열처리 안정성 과 합금 원소 첨가로 강화 ) 10.9 합금강, SCM435 , SCM440 12.9 합금강 SCM435
볼트 에 규정 되어있는 10가지 강도 구분
강도구분 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 d≦16 d≧16 호칭 인장 강도
（N/mm 2 ） 300 400 500 600 800 800 900 1000 1200 최소 인장 강도
（N/mm 2 ） 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220
머리에 표기된 숫자 4.8, 8.8, 10.9, 12.9 의 해석
표기 힘의 단위 비고 １２．９ 대략 120kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 90 % 의 약 108kg 까지 하중을 가해 도 원래대로 돌아 간다
캡 볼트 / 일부 고강도 육각 볼트 등 １０．９ 대략 100kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 90 % 의 약 90 kg 까지 하중을 가해 도 원래대로 돌아 간다
캡 볼트 ( 도금 제품 ) / 고강도 육각 볼트 등 ８．８ 대략 80kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 98 % 의 약 64kg 까지 하중을 가해 도 원래대로 돌아 간다
8 마크 육각 볼트 등 ４．８ 대략 40kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 80 % 의 약 32 kg 까지 하중을 가해 도 원래대로 돌아 간다
육각 볼트 ( 일반 제품 ) 등
토크 (Torque 토르크) 라는 것은?
“Torque” 토크(토르크)에 관한 기초 지식
가장 먼저 “Torque” 토크(토르크) 란?
“Torque” 토크(토르크)는 볼트와 너트를 조이거나 풀 때 스패너와 렌치를 돌기를 위한 힘 (회전력)을 의미합니다.
Ｆ（100N）×Ｌ（1m）＝Ｔ（100N・m）입니다
만약 200mm 렌치(공구)로 10N · m ( 약 1kgf · m ) 의 토크로 잠글 때 필요한 힘 은 50N ( 약 5.1kgf ) 입니다.
Ｆ（힘）×Ｌ（0.2m）＝Ｔ（10N・m）
Ｆ（힘）＝Ｔ（10N・m）÷Ｌ（0.2m）＝50N
아래 그림과 같이, L의 길이 렌치 (※)에서 F의 힘을 가하지 때 볼트에 주어지는 회전력 T는 것입니다.
예를 들어, 1m 길이의 렌치 100N (약 10kgf)의 힘을 가하였을 때의 토크는 100N · m (약 10kgf · m)입니다.
※ 보다 정확하게 말하면, L은 볼트의 회전축에서 힘을 가하는 지점까지의 거리이지만,
여기에서는 설명을 용이하게하기 위해, 렌치 길이를 L로 표현하고 있습니다.(위의 그림참조)
“Torque” 토크(토르크) 의 단위
토크의 단위는 이전 kgf · m (킬로그램 미터)이 이용되고 있었지만, 일본의 경우
1993 년에 시행 된 “신 계량법」에 의해 SI 단위 (ISO 국제 규격)으로의 전환이 되어,
현재는 힘 단위는 N (뉴턴), 토크의 단위는 N · m (뉴턴 미터)가 기본으로 많이 사용되고 있습니다.
1N · m은 0.10197kgf · m로, 반대로 1kgf · m은 9.8067N · m입니다.
실제 작업에서는 1kgf · m은 약 10N · m로 생각하면 대략의 기준이 되는 것입니다.
1kgf・m＝9.8067N・m
1kgf・m≒10N・m
1N・m≒0.1kgf・m
“Torque Wrench” 토크 렌치(토르크렌치)의 길이
토크는 “힘 × 길이” 그러므로 길이가 길어질수록 큰 토크가 걸리게 됩니다.
하지만 볼트는 각각 적정한 조임 토크가 볼트의 종류와
조임 장소 & 목적에 따라 조임 토크가 규정되어 있습니다.
토크렌치도 기본적으로는 그 볼트에 적정한 조임 토크에 맞는,
또는 그 토크가 걸리는 길이로 설정되어 있는 것입니다.
예를 들어 승용차의 휠 너트 규정 토크 값의 상당수는 103N · m로 설정 되어있어,
휠 너트 용 잠금에 사용되는 토크 렌치 길이가 400mm 정도 라고 하고,
400mm 토크렌치로 103N·m의 토크로 잠금 작업할 경우 손잡이에 필요로 하는 힘은
257.5N·m (약 26kgf)입니다.
이것은 휠 너트 를 잠금때 마다 26kg의 힘을 가해야 한다는 것입니다.
이것을 토크렌치의 길이가 800mm 일 경우에는 13kg의 힘을 가하면 되는 것입니다.
Ｆ×0.4m＝103N・m
Ｆ＝103÷0.4＝257.5N（약26kgf）
이 힘은 일반적으로 성인이 가볍게 체중을 걸 정도의 힘으로, 손으로 가하는 힘의 한계에 가깝습니다.
한편, 길이가 400mm의 절반인 200mm 토크렌치로 103N · m의 토크를 걸려면 약26kgf 2배인
(약 52kgf)의 힘이 필요하기 때문에 손의 힘만으로는 거의 불가능합니다.
따라서, 휠 너트를 잠금다면 최소 길이 400mm 이상의 토크렌치가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
“Torque” 토크(토르크) 관리의 중요성
볼트 체결의 메카니즘
조임 볼트가 쉽게 풀려지는 이유는 체결된 것으로부터
볼트가 원래대로 돌아 가려고 하는 힘이 작용하기 때문입니다.
볼트를 조일 때 볼트 본체에는 인장 방향의 힘이 가해집니다.
이 힘에 의해 조여진 볼트는 스프링처럼 원래대로 돌아 가려고 하면서 부품들을 체결하고 압축합니다.
볼트가 잠김 (고정 된) 상태는 너트가 당기는 힘에 이끌려 늘어나려고 하는 힘과
원래의 위치로 돌아가려고 하는 힘의 균형이 발생하는 상태가 됩니다.
볼트의 조임이 약하면 주위의 진동이나 열 등의 영향으로
이 균형이 무너져 볼트의 잠금상태가 느슨하게 되어버립니다.
반대로 기준치 이상으로 강하게 체결 되면 부품 등, 이나 볼트 자체의 파손을 초래합니다.
볼트의 잠금을 너무 강하게 하여 발생되는 문제점
*아래 그림 참조*
잠겨 있는 볼트를 풀면 당겨져 있던 볼트는 원래의 모양으로 돌아갑니다.
그러나 잠금의 힘을 늘려 가면 어느 시점에서 볼트는 완전히 원래의 형태로 돌아 오지 않습니다.
이 경계를 “항복점” 이라고 하며, 볼트가 완전히 원래 상태로 돌아 가기 범위를
“탄성 영역”(탄성 변형 범위) 완전히 복원되지 않을 범위를 “소성 영역」(소성 변형 범위) 이라고 합니다.
볼트를 더욱 조여 나가면, 결국 나사가 무너져 버립니다. 이 점을 “파괴 점”이라고 합니다.
볼트가 풀리지 않도록 하려면 가급적 큰 힘으로 조여지는 것이 바람직 합니다.
그러나 볼트를 소성 영역까지 조여 버리면, 손상 지점에 접근하여 위험합니다.
또한 소성 영역까지 조여 버린 볼트는 변형되어 원래의 형태로 돌아 가지 않기 때문에 재사용 할 수 없습니다.
따라서 볼트는 탄성 영역의 범위 내에서 사용해야만 합니다.
※ 엔진 헤드 볼트 등은 소성 영역에서 조여지는 특수 볼트가 많이 있습니다.
미니상식 (물리학 에서 가져옴)
탄성영역 이란?
물체에 외부에서 힘을 가하면 부피와 모양이 바뀌었다가,
그 힘을 제거하면 본디의 모양으로 되돌아가려고 하는 성질.
변형의 종류에 따라 체적 탄성과 형상 탄성으로 나눈다.
소성영역 이란?
고체가 외부에서 탄성영역 한계 이상의 힘을 받아 형태가 바뀐 뒤 그 힘이 없어져도 본
래의 모양으로 돌아가지 않는 성질을 말한다.
항복점 이란?
물체에 작용하는 힘이 커져서 응력과 변형과의 비례 관계가 깨어지고
변형만이 급격히 증가할 때의 응력. 이것을 넘으면 물체는 영구 변형을 한다.
적절한 “Torque” 토크(토르크) 관리를 위해서는
탄성 영역에서 항복점을 넘어 소성 영역에 들어가면 토크 (조이는 힘)의 증가에 볼트가 성장 비율은 커집니다.
그러나 인간의 오감으로 이 변화를 느끼기 어렵습니다.
어느 정도 경험을 있는 작업자들도 토크 에 대한 느낌의 부족으로 풀림을 방지 하고 싶은 마음에
무의식적으로 작업하여 규정 토크를 초과하는 힘으로 잠그기 쉽습니다.
또한 최근에는 각 산업 분야에서 철 이외의 다양한 소재가 사용되고 있습니다.
알루미늄이나 수지 등의 부품은 철제에 비해 부드러운 재질 때문에 같은 감각으로 잠그면
부품 자체를 손상시켜 버릴 가능성이 높아집니다.
토크 관리 부족으로 볼트 · 너트의 풀림이나 오버 토크에 의한 볼트 나 부품의 손상은
심각한 사고를 발생시키는 원인이 됩니다.
따라서 경험과 직감에만 의존하는 토크 관리만이 아니라,
토크 렌치를 이용한 정확한 토크 관리가 바람직 합니다.
볼트 역학과 체결 토크 계산
볼트 역학과 체결 토크 계산
볼트를 체결하기 위해 필요한 힘은 어떻게 계산될 까요?
우리가 볼트를 체결할 때 사용하는 토크렌치의 토크 값의 근거는 무엇일 까요?
볼트를 체결함에 따라 볼트 몸통에 작용하는 인장 응력(예하중, 프리텐션)은 어떻게 계산될까요?
1. 볼트 역학 – 체결력과 토크
볼트를 조이거나 풀 때, 아래 그림처럼 접선 방향의 회전력 P가 작용하고 경사면을 따라 밀어 올리는 과정에서 수직하중 Q가 작용하게 됩니다.
이때의 경사면에 따른 경사각 λ는 볼트의 리드각을 의미합니다.
볼트를 조이는 힘 P는 축 방향에 직각인 유효 지름 d2의 접선 방향으로 작용합니다.
이때 축 방향 하중 Q는 유효 지름의 나선 위에 작용한다고 생각할 수 있습니다.
결과적으로 볼트를 조이는 힘 P에 따라 볼트 몸통에는 축 방향 하중 Q가 작용한다고 할 수 있습니다.
여기서 조이는 힘 P는 체결력과 연관되고, 축 방향 하중 Q는 예하중(프리텐션)과 연관됩니다.
이때 마찰계수 μ와 수직력의 곱인 마찰력은 운동을 방해하는 방향으로 작용합니다.
위 그림을 참고하여 힘의 평형방정식을 통해 P와 Q의 관계식을 구해보겠습니다.
여기서 F는 마찰력, λ는 리드각을 의미하므로
Y 축에 대한 힘 평형방정식을 정리하면
X 축과 Y 축의 힘 평형식을 연립하여 정리하면,
마찰계수 μ와 마찰각 ρ 사이의 관계식은,
이므로
이때 리드각 λ, 피치 p와 유효지름 d2의 관계는
이므로 회전력 P는 아래로도 표현될 수 있습니다.
따라서 나사를 조일 때 필요한 체결 토크 T는 아래와 같습니다.
해당 내용은 사각나사 볼트의 내용이므로 삼각나사에 대한 내용으로 풀어보겠습니다.
삼각나사는 나사면이 경사져 있으므로 위에서 언급한 축 방향 힘 Q와 삼각나사의 경사면에 작용하는 수직력 R 과의 관계는 아래와 같습니다.
삼각나사의 나사면에 작용하는 마찰력 F는,
따라서 삼각나사와 사각나사 볼트의 차이는 마찰계수의 차이로 설명할 수 있습니다.
즉, 삼각나사의 마찰력이 사각나사의 마찰력보다 크므로 체결용 나사로는 사각나사 볼트보다 삼각나사 볼트가 더욱 유리합니다.
2. 체결 토크 계산
그런데 실제로 나사를 조일 때에는 너트 면의 마찰도 작용하므로 더욱 큰 토크가 필요합니다.
일반적으로 나사산의 마찰에 의한 저항이 40% 정도이고, 자리면의 마찰에 의한 저항이 50% 정도 작용합니다.
따라서 실제로 볼트를 체결하는데 필요할 토크 T는 아래와 같습니다.
<최종공식>
여기서, μn은 너트 또는 볼트 머리의 자리면, 와셔 면의 마찰계수이며 rn, dn은 해당 면의 평균 지름을 나타냅니다.
3. 결론
기계 구조물 설계자라면 볼트 체결력을 계산하는 경우가 빈번히 발생합니다.
제품 제작 시에 필요한 체결 토크를 시방서에 기입해야 할 경우나, 제품 매뉴얼에 유지 보수를 위한 볼트 체결 토크를 제시해 줘야 하기 때문입니다.
일반적으로 볼트 항복강도의 60~70%에 상당하는 예하중(프리텐션)이 작용할 수 있도록 체결 토크를 산정합니다.
체결 토크 계산에서 가장 중요한 변수는 마찰계수이므로 볼트 나사산 도금, 윤활의 종류에 맞는 마찰계수를 적용하여 체결 토크를 계산해낼 수 있어야 합니다.
엑셀 서식을 활용해 필요 축 하중을 달성하기 위한 체결 토크를 계산할 수 있습니다.
이상으로 볼트 역학과 체결 토크 계산에 대해서 알아보았습니다.
다음 포스팅에는 체결 토크와 볼트 예하중(프리텐션)간의 관계를 구조해석 실험을 통해 알아보도록 하겠습니다.
감사합니다.
[공학나라] 기계 공학 기술정보
▷ 볼트를 조이는 이유
볼트를 조이는 이유는 적절한 볼트 인장력 (볼트머리와 나사산이 당기는 힘) 을 생성하기 위해서이다. 특히, 압력 용기에서는 적절한 볼트 인장력 (압력에의한 분리력 이상) 이 있어야 기밀이 유지된다.
▷ 토크의 분배
대부분의 볼트를 조이는 힘은 볼트 머리와 나사산에서 마찰력으로 90% 정도가 사용되며 10% 정도만이 볼트 인장력이 생성되는데 사용되어진다 (뭔가 상당히 비효율적인 느낌이지만 그렇다).
▷ 토크의 계산
표준 (KS, ISO, JIS, DIN 등) 볼트는 이미 표로 호칭경과 재질 강도에 따른 최대 조임토크와 축력이 제시되어 있다. 표준이 없는 경우는 제작사에서 해당 볼트의 조임토크를 추천해준다. 이러한 조임토크는 (복잡하지 않은 수식을 이용하여) 볼트의 호칭경과 강도를 알면 구해진다. 경우에 따라 마찰계수를 선정하여야 하는데 출처에 따라 편차가 있으므로 잘 모를 경우에 최대값을 취하면 강도측면에서 안정적이다.
표준에서 호칭경과 강도에 따라 토크를 결정하는 방법은 간단히 설명하면 조임 과정에서 발생하는 응력 (볼트 인장 + 조임에의한 비틀림에 의한 응력) 을 항복강도보다 약 10% 작게하는 것이다. 따라서 주의할 점은 표준에서 제시되는 토크값은 조임 과정에 대한 구조적 안정성 을 제시한다는 점이다 (즉 이 토크 보다 세게 조이면 조임 과정에서 볼트에 영구 변형이 생기게 된다).
즉, 볼트를 포함하는 제품의 운용 조건에서의 구조적 안정성은 제품의 설계자가 판단해야 한다 . 볼트를 사용하는 제품의 설계자는 해당 제품의 운용 조건에서 볼트에 필요한 축력과 볼트에 부하되는 등가응력 (예. von-Mises) 을 구하여 이에 맞는 볼트를 선정하여야 한다.
* ISO 조임 토크 표
볼트몰
(영문)
http://www.fullermetric.com/technical/information/tech_torque_figures.aspx#torque-figures-metric
(영문)
http://www.cncexpo.com/MetricBoltTorqueNm.aspx
아래는 이론 부분으로 위의 표들을 이용하면 규격 볼트의 조임토크를 알 수 있으므로 읽어볼 필요는 없다
(비규격 볼트도 제조사에서 제시해준다).
▷ 볼트 강도가 문제가 되는 경우
실무 설계 입장에서 강도와 관련되어 문제가 되는 경우는 대부분 볼트를 잘 못 선정하여
1. 추천 토크를 사용하여 조여도 축력이 부족하여 대상 구조물이 제대로 결합되지 않거나
2. 운용 조건에서 볼트의 강도가 부족하여 파괴되는 경우
이다. 이 경우에는 당연하지만 대책은
1. 볼트를 추가하거나,
2. 볼트 호칭경을 큰 것을 사용하거나,
3. 보다 강도가 높은 재질을 사용하여야 한다.
조임 과정에서의 응력을 구하는 식은 복잡하지는 않으나 관심있는 실무자가 거의 없으므로 생략한다.
▷ 토크에 의한 축력 계산
토크 대 축력을 구하는 수식은 여러가지가 있으나 아래와 같은 간단한 식을 사용한다. 마찰계수의 부정확성이나 조립 방법에 따른 토크 편차를 고려하면 해석적으로 정확한 토크의 예측이 의미가 적으며 개략적으로 이 정도의 값을 가진다는 의미로 보는게 좋다. 볼트의 호칭경, 조임토크, 축력 중에 어느 두 개를 알면 다른 하나를 계산할 수 있으며, 축력이 제품의 설계에 활용된다.
T = K x d x Ff or Ff = T / (K x d)
T : 토크
K : 마찰계수에 따라 다르며 0.15~0.2의 값
d : 호칭경
Ff : 볼트 인장력
볼트를 조이는 방식에 따라 실제 적용된 토크 편차가 매우 클수있다. 여러 변수에 따라 바뀔 수 있으나 일반적으로 제시되는 토크 편차는 의외로 크다 (특히 토크렌치에 의한 편차).
조임 방법에 따른 토크 편차 방법 정확도 윤활되지 않은 볼트에 대한 토크 렌치 사용 ± 35% 카드뮴 도금 볼트에 대한 토크 렌치 사용 ± 30% 윤활 볼트에 대한 토크 렌치 ± 25% 하중 지시 와셔 ± 10% 스트레인 게이지 ± 1% 컴퓨터 제어 렌치 (항복 이하) ± 15% 컴퓨터 제어 렌치 (항복 센싱) ± 8% 볼트 연신율 ± 5% 초음파 센싱 ± 5%
* 볼트 토크 자동 계산식
(영문)
http://www.futek.com/boltcalc.aspx?mode=metric
http://www.stanleyengineeredfastening.com/brands/spiralock/information-center/torque-calculator
*토크 이론 상세
(영문)
http://www.tohnichi.com/torque-technical-data.asp
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