표준 볼트 나사산이 한줄 나사인 이유

13,000명이 이 질문을 했습니다

“표준 볼트 나사산은 왜 대부분 한줄인가?”(번역)라는 질문은 Engineering Stack Exchange에서 13,000회 넘게 조회되었습니다. 그 글타래에서도, 다른 어디에서도 가장 먼저 나오는 답은 다줄 나사는 나선이 더 가파르므로 하중을 받으면 저절로 빠져나온다는 것입니다.

이 답은 확인할 수 있으므로 확인해 보았습니다. 성립하지 않습니다.

자립에 실제로 필요한 조건

나사산은 리드각이 등가 마찰각보다 작은 동안 정적 축 하중을 받아도 역회전하지 않습니다.

λ = arctan( n·P / (π·d₂) )  대  ρ′ = arctan( μ / cos 30° )

n은 줄 수, P는 피치, d₂는 유효 지름이며, cos 30°는 60° 나사산 형상에 대한 반각 보정입니다 — 플랭크가 기울어져 있으므로 수직력이 축 하중보다 크고 마찰도 그만큼 커집니다.

두 줄 M8×1.25는 6.32°입니다. μ = 0.10에서 마찰각은 6.59°입니다. 통과합니다. 임계 마찰계수는 μ_crit = tan λ · cos 30° = 0.096이며, 강재끼리의 조립 마찰은 보통 이보다 꽤 높게 제시됩니다.

실제 대가: 토크당 초기 체결력

토크는 세 가지 일에 나뉩니다. 첫째만 나사산을 올라가고 나머지 둘은 마찰에 소모됩니다.

T = F · [ nP/(2π)  +  μ_t·d₂/(2·cos 30°)  +  μ_n·r_n ]

줄 수를 늘리면 첫째 항만 배가되고 나머지 두 항은 그대로입니다. μ = 0.15에서 M8×1.25의 첫째 항은 전체의 12.1%에 불과합니다 — 토크 대부분이 장력이 아니라 마찰에 쓰인다는 익숙한 결과입니다. 이 항을 두 배로 하면 전체는 약 9분의 1 늘어납니다.

둘째 행은 잘못 읽기 쉬우니 주의해서 읽으십시오 — 저희도 잘못 읽었습니다. 마찰이 낮아진다고 초기 체결력이 줄지는 않습니다. 소모되는 토크가 줄기 때문에 줄 수와 관계없이 초기 체결력은 오히려 커집니다. 바뀌는 것은 비율입니다. 마찰이 줄면 남은 몫에서 리드 항이 차지하는 비중이 커지므로 다줄 나사가 상대적으로 더 많이 잃습니다. 윤활과 코팅이 잘된 체결 부품이야말로 다줄 나사가 상대적으로 가장 불리한 경우입니다 — 절대적으로가 아닙니다.

수치는 d₂ = 7.188 mm와 가정한 머리 지지면 반지름 r_n = 5.5 mm를 쓴 VDI형 선형화 식으로 계산했습니다. 이 반지름은 측정한 지지면 지름이 아니라 가정값입니다. 이송 나사의 완전한 식으로는 두 줄에서 88.7%와 82.7%가 나오므로 결론은 바뀌지 않습니다.

진짜 이유는 숫자가 하나 더 필요하다는 것입니다

확인하기 전에 저희가 잘못 알고 있던 부분이며, 결과적으로 이쪽이 더 흥미로운 절반이었습니다.

저희는 미터계 다줄 나사가 아예 ISO 체계 밖에 있다고 생각했습니다. 그렇지 않습니다. ISO 5408은 한줄과 다줄을 정의하고 피치와 리드를 구분합니다. ISO 965-1은 §9에서 다줄 나사의 유효 지름 공차 계수를, §12.3에서 호칭 방법을 제시하며, 그 형태는 다음과 같습니다.

M16 × Ph3P1.5 – 6H

읽어 보면 Ph3은 리드 3 mm, P1.5는 피치 1.5 mm입니다. 두 줄입니다. 그리고 이런 표기가 존재한다는 사실 자체가 논거입니다. 일반 체결 부품은 지름과 피치로 완전히 지정됩니다. 다줄 나사는 그렇지 않습니다 — 리드도 필요하며, 없으면 모호해집니다.

이제 그 두 번째 숫자가 사라지면 어떻게 되는지 생각해 보십시오. 부품 통에서는 결국 그렇게 됩니다. 두 줄 M8×1.25 나사와 일반 한줄 M8×1.25 너트를 생각합니다. 한 바퀴에 나사는 2.5 mm 이동을 요구하고 너트는 1.25 mm를 허용합니다. 회전하지 않는 경우를 빼면 두 조건을 동시에 만족할 수 없으므로, 이 조합은 입구에서 잠깐 물렸다가 간섭을 일으킵니다. 걸려 버립니다. 어느 쪽을 다줄로 바꾸어도 마찬가지이며 리드는 여전히 맞지 않습니다.

따라서 실무상 반대 이유는 다줄 나사를 구할 수 없거나 허용되지 않아서가 아닙니다. 체결 부품의 역할에는 몇 달 뒤 부품 통 속에서, 그것을 지정하지 않은 사람에게도 모호하지 않은 것이 포함되기 때문입니다. 지름과 피치는 이를 해냅니다. 지름, 피치, 리드는 셋 모두가 그 여정을 견뎌야만 이를 해냅니다.

다줄 나사가 정답인 곳

다줄 나사는 힘을 속도와 맞바꾸기 위해 존재합니다. 한 바퀴당 이동량이 많고, 체결하거나 풀 때 돌리는 횟수가 적습니다. 반 바퀴도 안 되는 회전으로 밀봉하거나 열어야 하는 병뚜껑, 그리고 빠르게 전진하는 것이 목적의 전부인 리드 스크루와 비슷한 운동 부품에서 바로 이것이 필요합니다.

구조용 체결 부품은 정반대의 맞교환을 원합니다. 가할 수 있는 토크로 가능한 한 큰 초기 체결력을 얻고, 그 뒤에는 가만히 있기를 원합니다. 같은 형상 계열, 정반대의 목표입니다. 체결 부품에 관한 많은 “왜 이렇게 되어 있는가?”라는 질문에 대한 답은 대체로 이런 모양이며 — 굵은 나사산과 가는 나사산 문제도 같은 방식으로 풀리는 이유이기도 합니다. 나사산은 강도로 고르는 것이 아닙니다.

사용 중의 풀림은 역회전과는 다른 메커니즘이며 나사가 풀리는 이유에서 다룹니다. 나사산 선택이 더 넓은 결정 순서에서 어디에 놓이는지는 나사 사양을 빠짐없이 지정하는 방법(영어)에 있습니다.

참고 자료

• ISO 5408 — 나사: 용어(피치, 리드, 한줄, 다줄의 정의)
• ISO 965-1 — 일반용 ISO 미터 나사: 공차(§9 다줄 나사의 유효 지름 계수, §12.3 호칭 방법)
• ISO 68-1 — 기본 산 모양(d₂ = d − 0.6495P)
• VDI 2230 제1부 — 초기 체결력 표에 쓴 선형화 토크 관계식
• Shigley, Mechanical Engineering Design, 8장 — 이송 나사와 자립 조건
• NASA-STD-5020B — 진동에 의한 풀림을 역회전과 별도로 다룸
• “표준 볼트 나사산은 왜 대부분 한줄인가?”(번역), Engineering Stack Exchange

이 페이지는 형상과 한 관례의 배경 논리를 설명합니다. 특정 체결부의 값은 해당 도면과 도면이 인용하는 표준이 정합니다.

이 글은 2단계: 나사산를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

다줄 볼트는 저절로 풀립니까?

일반적인 마찰에서 정적 축 하중으로는 풀리지 않습니다. 두 줄 M8x1.25의 리드각은 6.32도이고 마찰계수 0.10에서 등가 마찰각은 6.59도이므로 여전히 자립하며, 임계 계수는 0.096입니다. 이 확인은 역회전만 다루며 진동에 의한 풀림은 다루지 않습니다. 진동 풀림은 횡방향 미끄럼으로 생기며 리드각을 완만하게 해도 해결되지 않습니다. 세 줄에서는 0.10에서 이미 통과하지 못합니다.

다줄 나사의 실제 대가는 무엇입니까?

토크당 초기 체결력입니다. 줄 수를 늘리면 토크 식의 리드 항이 배가되고 두 마찰 항은 그대로입니다. 마찰계수 0.15의 M8x1.25에서 같은 토크로 얻는 초기 체결력은 한줄 대비 두 줄에서 89.2%, 세 줄에서 80.5%입니다. 수치는 머리 지지면 반지름을 가정한 VDI형 선형화 관계식으로 계산했습니다.

미터계 다줄 나사는 ISO에서 허용됩니까?

그렇습니다. ISO 5408은 한줄과 다줄 나사를 정의하고 피치와 리드를 구분합니다. ISO 965-1은 다줄 나사의 유효 지름 공차 계수와 호칭 형식을 제시하며, 예를 들어 M16 x Ph3P1.5 - 6H에서 Ph3은 리드 3 mm, P1.5는 피치 1.5 mm입니다. 다만 다줄 나사는 지름과 피치가 같은 일반 부품과 호환되지 않습니다.

두 줄 나사를 한줄 너트에 넣으면 어떻게 됩니까?

조립되지 않습니다. 한 바퀴에 두 줄 나사는 2.5 mm 이동을 요구하고 한줄 너트는 1.25 mm를 허용하며, 회전하지 않는 경우를 빼면 두 조건이 동시에 성립할 수 없습니다. 입구에서 잠깐 물렸다가 간섭을 일으켜 걸려 버립니다. 억지로 넣으면 나사산이 비뚤게 물리는 것이지 부분적인 물림이 아닙니다.

마찰이 낮으면 다줄 나사가 더 불리해집니까?

상대적으로만 그렇습니다. 마찰이 낮으면 마찰에 소모되는 토크가 줄어들므로 줄 수와 관계없이 주어진 토크에서 얻는 초기 체결력이 커집니다. 바뀌는 것은 비율입니다. 마찰이 줄면 남은 몫에서 리드 항의 비중이 커지므로 다줄 나사가 상대적으로 더 많이 내줍니다. 낮은 마찰이 다줄 나사의 초기 체결력을 절대적으로 줄이는 것은 아닙니다.