나사 풀림 시험의 종류와 시험 방법
풀림 시험에는 아래 표 1과 같은 형식이 있습니다. 그 중에서도 대표적인 풀림 시험으로서 축 직각 진동(융커식)과 충격의 가진(加振)식(NAS식)이 있습니다.각각의 시험 내용에 대하여 소개합니다.
또한 나사의 풀림 평가는 명확한 국제기준은 현시점에서는 정해지지 않았습니다. 대표적인 융커식 축직각진동시험, NAS식 충격 가진(加振)시험이라도 항공 우주 분야에서 사용되는 나사에 대한 시험 평가 방법으로 어디까지나 나사의 풀림이 생기지 않는 한계치에 의한 평가이며 단순히 나사가 풀렸다의 유무가 아니라 어느 조건에서 어떻게 풀렸는지 어느시점에서 풀리지 않았는지를 객관적 데이터로 기초한 평가가 아니면 조건에 따라 좋은 결과만 남길수 있다는 점에 아무쪼록 주의해주시기 바랍니다.
표1. 풀림 시험형식의 설명
| 시험 형식 | 설명 | |
|---|---|---|
| 축 직각 진동 (융커식) |
고정판과 진동판을 시험볼트너트로 체결하고 진동판에 축직각방향의 외력을 가하여 진동 변위시킨다. 변위는 회전성분이 들어가지 않는 평행변위만으로 한다. | |
| 축 회전 진동 | 토크식 | 고정판에 대하여 진동판에 토크를 가해 볼트 축 주위로 회전 변위시킨다.변위는 평행변위를 포함하지 않는 회전변위만으로 한다. |
| 가진식 (加振식) |
진동판에 ARM을 설치하여 그 끝에 추를 단다. 고정판을 진동대에 올려놓고 가진(加振)함으로써 회전변위를 일으키게 한다. | |
| 축 방향 하중 증감 | 볼트머리 및 너트 좌면에 각각 지그를 대고 해당 인장시험기로 축방향의 부하를 반복한다. | |
| 충격 | 가진식 (NAS식) |
시험볼트·너트로 조인 나사체결체를 연직방향의 긴구멍내에 눕히고 긴구멍의 본체를 진동대로 상하로 진동시켜 긴구멍의 상하단에서 축 직각 방향의 충격을 가한다. |
| 낙하식 | 시험볼트·너트로 2개의 원통을 조인 체결체를 일정한 높이로 부터 낙하시켜, 2개의 원통을 축방향으로 분리시키는 것 같은 충격을 가한다. | |
| 해머식 | 고정체와 충격받음 판을 시험볼트 너트로 체결하고 충격받음 판에 망치를 떨어뜨리듯한 축직각방향의 충격을 가한다. | |
*요시모토 이사무 편찬 : JIS 사용법시리즈 나사체결의 포인트(개정판), 일본규격협회(2002).
[吉本 勇編：JIS使い方シリーズ ねじ締結体設計のポイント(改訂版), 日本規格協会(2002).]
축 직각 진동(융커식)
ISO 16130: 2015
(Aerospace series vibration test)
G.H. 융커는 1966년에 DRAHT-Welt지에서 주로 축 직각방향의 동하중이 작용하는 이음매에 대해 시행된 시험에서 일반 나사 체결체는 물론 이른바 풀림 방지 나사 체결체에서도 완전히 풀림 회전시킬 수 있음을 발표했습니다. 즉, 축직각 반복하중이 자기이완을 일으키기 위해 가장 가혹한 조건을 가하는 것을 시험에서 확인하는 것입니다.
이 결과를 바탕으로 융커식 축 직각 나사 풀림 시험 방법이 고안되었습니다. 독일에서 DIN 65151을 거쳐 DIN 25201로 규격화되었으며 2015년에는 항공 우주 분야로 한정되어 있기는 하지만 ISO 16130으로 정식 국제규격화 되었습니다.
융커식 축직각 진동 시험에서는 고정판과 진동판을 시험 볼트・너트로 체결하고, 진동판에 볼트 축 직각방향의 외력을 가하여 진동 변위시킵니다. 고정판 측에 로드셀을 배치하여 나사체결 시의 체결 토크와 볼트 축력의 관계나 나사의 풀림에 대하여 볼트 축력의 변화를 항상 모니터할 수 있기 때문에 풀림 해석에는 효과적인 시험이라 할 수 있습니다. 이 규격으로 진동변위의 크기, 구동주파수 등의 시험조건과 시험결과 판정기준을 설정하고 있으며 제조사별 측정조건의 편차를 억제하고 있습니다.
융커식 진동 시험 장치의 부품
NAS(National Aerospace Standard: 미국항공우주규격)식
NAS 시험은 미국 항공 우주 규격으로 정해진 풀림 방지 평가 시험입니다.
충격 컬러와 와셔를 볼트 너트로 체결한 나사 체결체를 수직 방향의 긴 구멍이 있는 틀체로 진동대위에서 위아래로 진동시킵니다. 틀체의 긴구멍 상하단에 나사체결체가 충돌시 발생하는 축직각방향의 충돌충격으로 너트와 와셔의 접동, 볼트의 굴곡등 다양한 힘이 가해져 너트를 풀어주는 힘이 발생합니다.
시험에서는 진동 주파수를 1750-1800 c.p.m.로 하고 30000사이클(약 17분) 진동시킨 상태에서 진동에 의한 볼트와 너트의 상대회전이 360도(1회전) 이내로 할 것을 풀림의 한도로 하고 있으나 30000사이클까지 너트가 느슨해진 경우 풀릴 때까지의 시간(진동횟수)으로 비교 평가합니다.
NAS시험은 너트가 풀리는 과정의 축력변화를 측정하는 것이 어렵다는 점과 충격 발생 불균형이 발생함에 따라 나사 풀림의 상대비교에는 유효하지만 나사 풀림의 상세한 해석에 이용하는 것은 어렵다고 생각됩니다.
가진식 충격 풀림 시험(NAS식) 장치의 개요도