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더블 너트의 풀림방지 특성과 고찰 (융커 시험)

1. 시험 배경 목적

맞물려 조임이라는 로킹 방법에 대한 더블너트의 풀림 방지 기능은 매우 높이 평가된다고 알려져 왔습니다.
그러나, 이것을 확인하기 위한 최신 실험데이터는 적으며, 또 있다고 하더라도 체결 방법의 조건이 불명확한 것들이 많습니다. 여기서 본 시험에서는 맞물려 조여 로킹 효과를 발휘하는 대표적인 방법의 상(上)너트 정전법과 하(下)너트 역전법을 여러 패턴으로 재현하여 로킹 효과를 완전히 실시하는 방법은 어느 방법인지 검증하기 위하여 최신 융커식 나사 풀림시험기를 통하여 평가하였습니다.

아래의 링크를 확인하시면 상(上)너트 정전법과 하(下)너트 역전법의 설명을 확인하실 수 있습니다.
자료 : 더블 너트는 풀림 방지 효과가 있다?없다?

 

2. 시편

시중에 판매하는 M12 보통나사의 강도구분 10.9로 볼트 밑 길이50mm의 흑착색 볼트를 사용하였습니다.
상 하(下)너트 또한 시중에 판매하는 강도구분 8T(S45C)의 무처리 1종너트를 이용하였습니다.
시편은 총 4종류 + 하드록 너트가 쓰여졌으며 아래의 표와 같이 나뉩니다.

표 1. 각 시편의 체결 방법

No. 너트 종류 설명
1 싱글너트 일반적인 육각너트 1개로 체결하는 방법
2 더블너트 너트 2개로 하나씩 조여 체결하는 방법
3 더블너트 – 정전법 너트 2개로 하나씩 조인 뒤 상(上)너트기준으로 맞물려 조여 체결하는 방법
4 더블너트 – 역전법 너트 2개로 하나씩 조인 뒤 하(下)너트기준으로 맞물려 조여 체결하는 방법

 

3. 체결 토크 결정

기준 토크는 42N·m
기준 토크를 정한 이유는 맞물려 조일 시, 상(上)너트의 몇 배 / 하(下)너트의 각도 얼마 라는 기준으로 체결하기 위함입니다. 기준 토크는 토크계수 0.1정도(윤활제 도포)에 있어서 M12 강도구분8.8 볼트 항복점 70%의 축력(37.8kN)이 되는 값입니다.
완전한 로킹 효과를 발휘하는 조건을 찾기 위해서 위 기준 토크로 하(下)너트 혹은 상(上)너트를 3가지 조합으로 체결하였습니다.

표 2. 42N·m 토크 기준

1/2배 1배 2배
21N·m 42N·m 84N·m

 

4. 융커 시험 조건

시험은 ISO16130(항공우주산업용 나사 풀림 평가 국제규격)를 토대로 제작된 융커 시험기로 실시하였습니다. 이번 시험의 진폭 조건은 ±0.35mm로 진동주파수는 5Hz, 2000사이클 경과후 잔류 축력률(초기 축력 ÷ 잔류 축력의 비율)로 풀림방지 효과를 평가하였습니다. 또한 완전히 맞물려 조임에 의한 로킹 효과를 재현하기 위해서 초기 체결시에 발생하는 나사 체결체의 초기 풀림을 완전히 제거하는 작업하기 위하여 아래와 같은 항목을 실시하였습니다.

・볼트 너트 나사축에 대한 볼트 머리부분, 나사 좌면의 기울기를 제거하기 위하여 추가 가공하여 그뒤 표면 연마하였습니다.
・저 마찰용 윤활제를 상(上)너트 하(下)너트 접촉면을 제외한 나머지 나사체결체 접촉면 전체에 도포하였습니다.
・볼트 너트 가공시에 생긴 표면의 크고 작은 거칢을 평평하게 하고 나사 체결 상태를 최적화하기 위하여 기준 체결 토크의 반정도로 수회 탈착하여 표면 거칢을 제거한 뒤 본 체결을 하였습니다. (상(上)너트의 하면, 하(下)너트의 상면은 윤활제 처리하지 않았습니다.)
・나사 체결시에는 불필요한 부하가 걸리지 않게 체결공구를 지구로 완전히 고정하고 연속해서 안정된 체결을 할수 있도록 파워 렌치를 이용하였습니다.
・맞물려 조임에 따른 로킹효과 작업은 보다 정확한 작업을 위해 2명에서 진행하였습니다.

아래의 링크를 확인하시면 융커식 실험 구조에 대하여 확인 하실 수 있습니다.
자료 : 융커시험

그림 1. 융커식 나사 풀림 시험기 구조도

 

5. 시험 결과

시험 체결 방법 및 토크에 대하여 다음과 같습니다.

표 3. 각 시편의 체결 토크

No. 너트 종류 체결 토크
1 싱글너트 42 N·m(1배)로 체결.
2 더블너트 더블너트의 로킹작업을 전혀 하지 않고 하(下)너트 상(上)너트를 42 N·m(1배)씩 체결.
3 더블너트 – 정전법 하(下)너트를 21N·m로 체결한 뒤, 하(下)너트를 고정해서 상(上)너트를 4배(84N·m)로 체결.
4 더블너트 – 역전법 하(下)너트 상(上)너트를 42N·m로 체결한뒤, 상(上)너트를 고정하고 하(下)너트를 체결한 각도의 1/2만 되돌려 회전을 시행.

더 구체적인 체결 방법과 융커식 실험 동영상을 참조하시길 바랍니다.
자료 : 더블너트와 하드록 너트의 차이점


결과에 대하여 그림 2에 표시한다.

그림 2. 더블너트 융커 시험 결과

그림 2의 2번 같이 더블너트는 약 500회의 반복횟수에 축력이 거의 남질 않았습니다. 이 체결방법은 더블너트라고 하면 일반적으로 널리 시행하는 시공방법이지만, 잔류 축력률은 7%로 풀림 방지 효과가 전혀 없으며 하나만을 사용하는 싱글너트와의 결과와 별 차이가 없습니다. 고로, 위의 결과와 같이 로킹 효과를 발휘되도록 체결 하지않으면, 설령 더블너트라고 해도 풀림방지 기능이 전혀 발휘되지 않는 것을 알수 있습니다.
또한 로킹 효과가 완전히 발휘되었다고 생각되는 2가지 방법에 대해서는 2000회 반복횟수 경과에도 매우 높은 잔류 축력률을 나타냅니다.(표 4의 4번과 7번) 이와 같이 맞물려 조임에 의한 로킹 효과를 확실히 발휘하게 되면 더블너트 또한 굉장히 우수한 풀림 방지 효과를 발휘 한다라는 것을 확인할 수 있습니다. 다만, 맞물려 조임작업을 할시 정전법의 경우 목표 축력보다 축력이 커지며 역전법의 경우 목표 축력에 못미치는 것을 알 수 있었습니다.

이번에 실시한 시험조건에 있어서 가장 우수했던 체결방법은 아래와 같습니다.
상(上)너트 정전법 : 하(下)너트를 적절한 토크로 체결한뒤 하(下)너트를 고정한 채로 상(上)너트를 하(下)너트 토크값 4배로 체결.(표4의 4번)
하(下)너트 역전법 : 상(上)너트와 하(下)너트를 적절토크로 조이고, 상(上)너트를 고정한 채로 하(下)너트를 하(下)너트 체결 각도의 반각만 되돌려 회전하여 체결. (표4의 7번)
위의 두 조건만이 맞물려 조임에 의한 풀림 방지 효과가 발휘되는 것으로 생각됩니다.
한편, 아래의 그림6와 그림8과 같이 조건에 따라 로킹 효과가 불완전한 것들도 있으므로, 설계 단계에서 적절한 기준 토크의 설정 및 그 기준토크에 대하여 어떻게 조일 지에 대한 고려를 충분히 해야됩니다. 게다가 체결 토크에 따른 축력의 편차나 하(下)너트 역전법에 따른 축력저하 그리고 시험조건을 완벽히 작업현장에 재현할 수 있는지는 의문으로 남습니다.

표 4. 융커 시험 결과와 그 평가


 

6. 정리

상(上)너트 정전법, 하(下)너트 역전법으로 맞물려 조인 M12에 대하여 융커 시험을 실시하여 풀림 방지 효과를 조사하였습니다.
(1) 더블 너트는 완전한 로킹 효과를 발휘할 수 있다면 풀림 방지 효과가 매우 높다라는 것을 확인하였습니다.
이번에 실시한 시험조건에 대해서는 아래와 같습니다.

・상(上)너트 정전법으로는 하(下)너트를 기준토크 1/2배, 상(上)너트 기준토크 2배(즉 상하(上下)너트가 4배되는 토크)로 맞물려 조임을 시행합니다. (위의 표4의 4번 조건)
・하(下)너트 역전법으로는 상(上)너트와 하(下)너트를 기준 토크로 체결하고 하(下)너트를 체결한 각도의 1/2로 되돌려 맞물려 조임을 시행합니다. (위의 표4의 7번 조건)

(2) 그러나 높은 풀림방지 효과를 실현하기 위하여 체결 조건은 위의 (1)의 토크 배분의 조임을 하는 것이 전재조건이며 게다가 본 시험에서 로킹 효과를 위한 체결의 실시가 가능했지만, 적절한 조건으로 체결 관리가 필요하며 특히 협소하고 복잡한 작업현장에서 재현할 수 있을지 의문입니다. 고로, 최종적인 평가에 대해서는 표4의 4번과 7번의 결과가 우수한 성적으로 종합평가 7점으로 평가하였습니다. 번외로, 하드록 너트 또한 동일한 조건으로 시험을 실시하여 그 결과 표 4에 표시 하였습니다. 하드록 너트는 맞물려 조임이 필요없으며 그 체결방법은 표4의 2와 같으며 또한 풀림방지 효과에 대해서는 맞물려 조임을 시행한 더블너트들과 동등한 결과를 얻었습니다.
즉 더블너트보다 작업성능이 더 나은점, 잔류축력이 동일한점을 고려하여 종합평가 9점으로 평가하였습니다.

아래의 링크를 확인하시면 하드록 너트에 대하여 확인 하실 수 있습니다.
자료 : 하드록 너트는 왜 풀리지 않을까?

아래의 그림 3~9은 표 4의 각 시편 별 융커 시험 결과입니다. 이 그래프의 주요 포인트는, 기본 토크 42Nm로 체결했을 시 보통 축력이 37kN을 목표로 체결합니다만, 더블너트 정전법과 역전법일시, 축력의 30~42kN 정도로 편차가 큰 것을 확인 하실 수 있습니다. 그리고 반복횟수에 따른 축력의 변화. 즉 가장 중요한 풀림 방지의 기능의 여부를 확인 하실 수 있습니다.

그림 3. (조건 1) 싱글너트 42Nm

그림 4. (조건 2) 더블너트 하(下)너트 21 / 상(上)너트 84Nm

그림 5. (조건 4) 더블너트 정전법 하(下)너트 21 / 상(上)너트 84Nm

 

 

그림 6. (조건 3) 더블너트 정전법 하(下)너트 21 / 상(上)너트 42Nm

(조건 5) 더블너트 정전법 하(下)너트 42 / 상(上)너트 42Nm

(조건 6) 더블너트 정전법 하(下)너트 42 / 상(上)너트 84Nm

그림 7. (조건 7) 더블너트 역전법 하(下)너트 42 / 상(上)너트 42Nm + 1/2 각도

그림 8. (조건 8) 더블너트 역전법 하(下)너트 42 / 상(上)너트 42Nm + 1/4 각도

그림 9. (조건 9) 하드록 너트 하(下)너트 42 / 상(上)너트 42Nm