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.

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!!!

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 .

강도의 표시와 종류의 호칭

"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

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.