그 스프링은 토크 문제를 길이 문제로 바꿉니다

곁가지 댓글이 옳고, 그것이 모델의 전부입니다

볼트는 탄성 부재입니다. 조이면 늘어나고, 체결 축력은 그 늘어난 양에 강성을 곱한 값입니다. 그 뒤 체결부가 어떻게 거동할지를 정하는 것은 볼트 혼자가 아니라 볼트 강성과 피체결물 강성의 비율이며, 이는 볼트는 스프링이다에서 다룹니다.

가장 먼저 마주치는 결과는, 단단한 체결부 안의 단단한 볼트가 작은 길이 변화를 견디지 못한다는 점입니다. 수 마이크로미터의 자리잡음, 열팽창 계수가 다른 두 재료에 걸친 온도 변화, 잘못된 쪽 끝으로 나온 공차 누적. 하나하나가 아주 작은 변위이지만, 강성이 높은 조립체에서는 아주 작은 변위가 큰 하중 변화가 됩니다. 온도만으로 생기는 변화는 온도는 초기 체결력을 움직인다에서 설명합니다.

끝까지 조여 멈추는 것이 실제로 얻는 것

그 나사는 멈출 때까지 조인다는 답글은 실제 메커니즘을 설명한 것이며, 분명하게 짚어 둘 가치가 있습니다. 나사가 단단한 멈춤면에 닿으면 그 이후의 토크는 스프링이 아니라 멈춤면으로 들어갑니다. 스프링은 형상이 정한 고정된 거리만큼 압축되어 있고, 스프링이 내는 힘은 그 거리에 스프링 상수를 곱한 값입니다.

따라서 하중은 더 이상 누가 드라이버를 얼마나 세게 돌렸는지, 나사산 마찰이 어떤지, 나사산에 기름이나 습기가 있었는지에 좌우되지 않습니다. 바로 이 변수들이 토크 값을 믿기 어렵게 만드는 요인이며, 토크 사양이 이들에 대해 암묵적으로 무엇을 가정하는지는 토크 사양은 마찰 조건을 가정한다에서 설명합니다.

하중 제어가 토크에서 변위로 옮겨 갔습니다. 이는 힘 측정을 회전 측정으로 바꾸는 각도 제어나 항복점 제어와 같은 계열의 결정입니다. 다만 여기서는 형상이 그 일을 맡기 때문에 작업자를 따로 교육할 필요가 전혀 없습니다.

이것이 작동하는 조건은 멈춤면이 체결력 경로 안에 있다는 것입니다. 멈춤면이 경로 밖에 있으면, 예를 들어 캡 너트가 너무 긴 스터드 끝에 닿아 멈추면, 같은 메커니즘이 정반대 결과를 낳습니다. 아무것도 체결되지 않았는데도 렌치 값은 올라가고 딸깍 소리가 납니다.

불확실성은 사라지지 않고, 공급처를 바꿉니다

이 부분은 꼭 가져가야 합니다. 스프링을 공짜 정확도로 읽기 쉽기 때문입니다. 그렇지 않습니다. 편차가 한곳에서 다른 곳으로 옮겨 갔을 뿐이며, 새로운 곳에는 가격표가 붙어 있습니다.

토크 제어는 마찰 조건을 함께 끌고 갑니다. 원래 체결부에서 교정한 토크 체결에 대해 VDI 2230이 제시하는 값은 ±17~23%이며, 더 익숙한 ±25%가 실제로 어디서 왔는지는 체결 방법은 초기 체결력을 얼마나 못 맞추는가에서 따져 보았습니다. 그중 어느 것도 조립 작업자가 통제할 수 없고, 나중에 눈으로 확인할 수도 없습니다.

압축 스프링은 그 대신 제조 공차를 끌고 가는데, 이 공차는 규정되고 등급을 매길 수 있는 대상입니다. EN 15800은 냉간 성형 압축 스프링의 품질 요구 사항을 정하고 세 가지 품질 등급을 정의하며, 허용 편차는 코일 지름, 자유 길이, 직각도와 평행도, 그리고 여기서 중요한 정해진 길이에서의 스프링 힘을 포함합니다. 등급 1이 가장 좁은 공차 대역이며 가장 비싸고, 등급 3이 가장 넓습니다.

같은 발상의 볼트 체결부 버전

쿨러 나사는 눈에 보이는 사례일 뿐, 같은 맞교환을 일반 볼트 체결부에서도 훨씬 작은 변위로 쓸 수 있습니다. 바로 접시 스프링 와셔입니다. DIN 6796이 볼트 체결용 접시 스프링 와셔를 다루며, 이 사이트의 와셔 페이지에서는 형식 표의 한 줄로 실려 있습니다. 열 사이클과 자리잡음을 거치면서도 초기 체결력을 유지하므로, 회전이 아니라 초기 체결력 손실에 대응한다는 내용입니다. 그 표의 나머지와 다른 와셔 형식이 실제로 하는 일은 와셔 해설에 있습니다.

이것을 범용 해법으로 쓰기 전에 알아 둘 점이 두 가지 있습니다. 한 접시 스프링 제조사는 이 와셔가 볼트 체결부에서 정하중 전용이며, 최대 힘이 강도 등급 8.8 및 10.9 볼트 체결 축력의 70~90%에 해당한다고 밝힙니다. 이름이 밝혀진 제조사가 수치까지 제시한 것이지만, 여전히 제조사가 규격을 설명한 것일 뿐이며 DIN 6796 원문은 읽지 않았습니다. 뒤쪽 내용은 주의해서 읽어야 합니다. 사용 하중에서 거의 평평해지는 스프링 요소는 남은 변위가 거의 없으므로, 쿨러 스프링이 주는 유연성이 아니라 작은 탄성 여유를 제공할 뿐입니다.

치르는 비용

• 높이와 부품 수. 유연성은 어딘가에 자리를 차지해야 하며, 쿨러에서는 체결 적층 중 가장 높은 부품이 됩니다.
• 스프링은 이완되는 부품입니다. 온도와 시간에 따라 자체적인 거동을 보이며, 이제 하중 경로에 영구적으로 들어가 있습니다.
• 검증 방법이 바뀝니다. 멈춘 뒤의 토크는 멈춤면에 대한 정보이므로 더 이상 토크 렌치로 하중을 확인할 수 없습니다. 검사는 치수 검사가 되거나, 스프링 등급에 대한 신뢰가 됩니다.
• 멈춤면은 진짜 멈춤면이어야 합니다. 위의 모든 내용은 나사가 관리된 위치에서 단단한 턱에 닿는다는 전제입니다. 나사산 안에서 멈추거나 변형되는 면에서 멈추면, 하중을 정하던 형상이 이미 달라진 것입니다.

이 방법을 쓸 때

• 아래 부품에 최솟값이 아니라 하중 범위가 정해져 있을 때. 너무 약하면 안착되지 않고, 너무 세면 손상됩니다. 토크 제어로는 범위 안에 들어가기가 어렵습니다.
• 체결 길이가 너무 짧아 쓸 만한 스프링이 되지 못할 때. 몇 밀리미터의 적층으로는 열에 의한 변위를 흡수할 수 없습니다. 부드러운 요소를 추가하는 것이 유일하게 얻을 수 있는 유연성입니다.
• 실제 조립자가 사양을 정할 때 상정한 사람이 아닐 때. 멈추는 나사는 서두르는 손이 설계 하중을 넘겨 조일 수 없는 나사입니다.
• 체결부가 마찰로 횡하중을 전달해야 할 때는 해당하지 않습니다. 그런 경우에는 관리된, 일부러 낮춘 체결력이 아니라 부품이 허용하는 최대의 초기 체결력이 필요합니다.

그 스프링 곡선의 모양을 정하는 것은 하나의 비율이며, 접시 스프링에서는 품번의 문자가 그것을 나타냅니다. A, B, C는 세 가지 크기 등급이 아니라 세 가지 곡선 형태입니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

방열판 나사에는 왜 스프링이 달려 있습니까?

아래의 패키지를 정해진 하중 범위 안에서 눌러야 하는데, 적층이 너무 짧아서 나사 자체가 쓸 만한 스프링 역할을 할 수 없기 때문입니다. 부드러운 요소를 직렬로 넣으면 자리잡음, 열팽창, 공차로 조립체 길이가 조금 변해도 하중은 크게 변하지 않습니다. 그리고 나사는 끝까지 조여 멈추도록 설계되므로, 하중은 누가 드라이버를 얼마나 세게 돌렸는지가 아니라 스프링이 얼마나 압축되었는지로 정해집니다.

스프링이 토크 렌치보다 정확합니까?

공짜 정확도가 아니라 다른 불확실성의 원천입니다. 토크 제어는 나사산과 머리 아래의 마찰 조건을 함께 끌고 가며, 이것은 나중에 아무도 보거나 조정할 수 없습니다. VDI 2230은 원래 체결부에서 교정한 토크 체결을 ±17~23%로 봅니다. 스프링은 자체 제조 공차를 끌고 가며, EN 15800은 정해진 길이에서의 스프링 힘 허용 편차를 세 가지 품질 등급으로 규정함으로써 이를 등급화할 수 있는 양으로 만듭니다. 불확실성이 물려받는 것에서 구매하는 것으로 바뀝니다.

같은 효과를 얻으려면 그냥 더 긴 나사를 쓰면 되지 않습니까?

가능합니다. 원래 스레드의 한 답글이 바로 그렇게 말했습니다. 볼트는 이미 스프링이며 다만 매우 단단할 뿐이고, 충분히 긴 나사와 스페이서를 쓰면 원하는 스프링 상수를 얻을 수 있다는 것입니다. 걸림돌은 공간입니다. 쿨러의 적층 높이는 몇 밀리미터에 불과해 늘어난 길이를 둘 곳이 없습니다. 공간이 있는 곳이라면 체결 길이를 늘리는 것이 일반적이고 더 나은 해법입니다. 부품을 하나 더하는 대신 하나를 없애기 때문입니다.

일반 볼트에서도 접시 스프링 와셔로 같은 역할을 할 수 있습니까?

같은 발상이지만 변위가 훨씬 작고, 개입의 규모도 더 작습니다. DIN 6796이 볼트 체결용 접시 스프링 와셔를 다룹니다. 한 접시 스프링 제조사는 이 와셔가 볼트 체결부에서 정하중 전용이며, 최대 힘이 강도 등급 8.8 및 10.9 볼트 체결 축력의 70~90%에 해당한다고 밝힙니다. 이전에 이 페이지에 실렸던 모호한 요약이 아니라 이름이 밝혀진 제조사의 수치이지만, DIN 6796 원문은 여전히 읽지 않았습니다. 실무적 해석은 그대로입니다. 사용 하중에서 거의 평평해지는 와셔는 남은 변위가 매우 적으므로, 쿨러 스프링이 주는 길이 변화 허용성이 아니라 자리잡음에 대한 탄성 여유를 제공합니다.

이런 체결부는 어떻게 검사합니까?

토크 렌치로는 안 됩니다. 나사가 멈춤면에 닿은 뒤 읽히는 토크는 멈춤면에 대한 값이지 스프링 하중에 대한 값이 아닙니다. 남는 것은 치수 검사, 즉 나사가 실제로 턱에 닿았고 스프링이 의도한 높이까지 압축되었는지 확인하는 것, 또는 지정한 스프링 등급에 대한 신뢰입니다. 이것이 맞교환의 숨은 비용입니다. 하중은 재현성이 높아졌지만, 동시에 라인에서 확인하기는 더 어려워졌습니다.

참고 자료

• EN 15800:2008 — 원형 단면 선재 원통형 코일 스프링, 냉간 성형 압축 스프링의 품질 사양. 세 가지 품질 등급과 정해진 길이에서의 스프링 힘 허용 편차의 출처
• DIN 6796 — 볼트 체결용 접시 스프링 와셔. 카탈로그 항목이며 규격 원문은 읽지 않았습니다
• Surisa, DIN 6796 standard — 접시 스프링 제조사의 설명: 정하중 전용, 최대 힘은 8.8 및 10.9 등급 볼트 체결 축력의 70–90%, C60 경화 420–510 HV, 표 M3–M36
• VDI 2230 Part 1 — 체결 계수, 그리고 이 페이지가 바탕으로 삼는 강성비 모델

이 페이지의 출처는 수준이 고르지 않으므로 어느 것이 어떤 수준인지 밝혀 둡니다. 강성비 모델과 체결 계수 값은 위에 링크한 이 사이트의 페이지에서 가져왔으며, 그 페이지들에서 당시 VDI 2230과 NASA RP-1228을 대조해 정리했습니다. EN 15800에 관한 내용, 즉 세 가지 품질 등급을 정의하고 허용 편차에 정해진 길이에서의 스프링 힘이 포함된다는 점은 규격 요약과 카탈로그 목록에서 가져온 것이며, 저희가 읽은 조항이 아닙니다. 그곳에서 등급은 정성적으로만 설명되어 있고, 구할 수 있는 수치가 없었으므로 여기서도 백분율을 인용하지 않습니다. DIN 6796에 관한 서술은 이 페이지를 쓸 당시 같은 요약 수준이었으나 그 뒤 보강되었습니다. 이름이 밝혀진 한 접시 스프링 제조사가, 이 와셔는 정하중 전용이며 최대 힘이 8.8 및 10.9 등급 볼트 체결 축력의 70~90%에 해당한다고 밝히고 있습니다. 이는 제조사가 규격을 설명한 것이지 규격 자체가 아니며, DIN 6796 원문은 여전히 읽지 않았습니다. 해결하지 않고 열어 둔 모순이 하나 있습니다. 그 제조사는 규격의 표를 M3~M36으로 제시하지만, 한 유통업체의 DIN 6796 사양서는 M2와 M2.5부터 크기를 싣고 있습니다. 저희는 두 문서 모두 읽지 않았고 어느 범위가 맞는지 알지 못합니다. M2와 M2.5가 저희 생산 범위 안에 있으므로 이 사이트에는 중요한 문제입니다. 공개적으로 인용할 수 있는 사양을 찾지 못했으므로 프로세서 패키지의 하중 값은 여기에 싣지 않았습니다. EN 15800은 ISO가 아니라 CEN 규격이므로 iso.org가 아닌 카탈로그 목록으로 링크했습니다. 이 사이트에서 처음 인용하는 규격이라 가져다 쓸 기존 번호가 없었습니다.