HARD LOCK Technical Reports

축 직각 하중에 의한 나사풀림 현상의 메커니즘에 관한 연구

Analytical Research on Mechanism of Bolt Loosening Due to Lateral Loads

PVP2005－71333 ASME 2005 PVP

COMPUTER TECHNOLOGY

HARD LOCK Technical Reports Korean Edition 2006

Toshiyuki SAWA Hiroshima University

Kagamiyama, Higashi-Hiroshima

Hiroshima 739-8527 JAPAN [email protected]

Yasumasa SHOJI ABAQUS, Inc.

9-5-27 Akasaka, Minato-ku

Tokyo 107-0052, JAPAN [email protected]

HARD LOCK Industry Co., Ltd. http://www.hardlock.co.jp

SAFETY IS POWER!



HARD LOCK Technical Reports Korean Edition 2006

<목차>

요지 ....................................................................................................... 1

1. 머리말 ............................................................................................. 2

2. 해석 방법

2-1 해석 대상................................................................................. 3

2-2 해석 모델................................................................................. 4

2-3 해석 케이스.............................................................................. 5

3. 해석 결과

3-1 너트의 회전각 .......................................................................... 7

3-2 볼트의 축력.............................................................................. 9

3-3 나사부 접촉면의 마찰력(전단응력) ......................................... 10

4. 너트가 회전하여 나사풀림 현상의 메커니즘 .......................... 12

5. 결론 ............................................................................................... 13

테크니컬 코너.................................................................................... 14

SAFETY IS POWER!

- 1 -

PVP2005－71333 ASME 2005 PVP

COMPUTER TECHNOLOGY



Toshiyuki SAWA (Hiroshima University)

Yasumasa SHOJI (ABAQUS, Inc.)

요지

나사 체결체에 있어서 볼트·너트를 조인 후, 피체결물에 대해 축 직각 방향으

로 하중이 가해지면 볼트·너트의 나사가 풀린다는 사실은 잘 알려져 있다.

이를 실증한 연구는 다수 있지만, 왜 너트가 회전하여 풀리는가에 관한 메커니

즘은 아직 충분히 밝혀졌다고는 할 수 없다.

본 연구는 유한요소법(有限要素法)의 해석을 이용하여, 볼트의 축 직각 방향으

로부터 하중이 체결체에 가해질 때 너트가 회전하는 것을 재현해 보았다. 그

결과 볼트가 풀리는(너트가 회전하는) 메커니즘을 알 수 있었다. 또한, 더블너

트의 경우, 축 직각 방향의 하중에 대해 나사가 통상보다 잘 풀리지 않는다는

것과 편심너트(일본에서 시판되고 있는 하드 록 너트)도 잘 풀리지 않는다는

점도 계산을 통해 알 수 있었다.

따라서, 일반 볼트·너트의 나사풀림 현상의 원인은 나사산의 형상이 볼트 축에

대해 기울어져 쐐기 모양으로 변하는 것이 그 원인으로 축 직각 방향으로 하

중이 가해지면, 볼트·너트의 나사부가 상대적으로 미끄러져버려, 이 때문에 너

트가 풀리는 방향으로 회전한다는 사실을 알 수 있었다.

반대로, 축 직각 방향으로 하중이 개방되면 너트는 미끄러진 그 위치에서 볼트

의 나사가 미끄러지면서 원래 위치로 되돌아가 버린다. 이 것이 너트의 회전이

볼트의 축력을 저하시키는 요인이 되며, 이 회전이 극히 작은 부분의 현상이라

하더라도 누차 반복되면 결국은 나사가 풀리게 된다는 것을 알 수 있었다.

SAFETY IS POWER!

HARD LOCK Technical Reports

- 2 -

1. 머리말

나사 체결체에 있어서 볼트·너트를 조인 후, 피체결체에 대해 볼트의 축 직각

방향으로부터 하중을 가하게 되면, 볼트·너트의 나사가 풀린다는 사실은 잘 알려져

있다.

이 나사풀림 현상은 공장설비 등의 현장에서는 매우 빈번하게 발생하는 현상으로

어떠한 나사 체결체라도 도처에 이같은 위험이 노출되어 있다. 따라서 볼트·너트의

나사풀림 현상에 대한 현실적인(또는 유일한) 대책으로서, 적정한 볼트 축력을

유지시키기 위하여 볼트를 정기적으로 추가조임하는 방법으로 해결하고 있는 것 같다.

단지, 일반기계라도 정기적으로 볼트의 추가조임이라는 사후관리가 필요하며, 더욱이

통상 1 대의 기계에 방대한 숫자의 볼트가 사용되는 경우가 많기 때문에, 당연히 많은

작업자들의 손이 필요하게 되어, 이에 따른 비용도 막대한 금액이 되고 있다.

그러나 이러한 막대한 비용이 소요됨에도 불구하고 사후관리가 이루어지는 기간

동안은 어떠한 이익도 발생하지 않기 때문에, 이를 제거하던가, 아니면 적어도

가능한한 삭감해 달라는 것이 현장의 강력한 요구이다.

이와같이 볼트·너트의 나사풀림 현상을 방지하거나, 아니면 적어도 풀림을 감소시키는

것이 보수비용의 손실과 공장설비의 정지에 따른 손실을 저감시킬 수 있으며,

산업계에도 막대한 이익을 가져다 준다.

뿐만아니라 공장설비의 가동과 정지, 보수관리시의 불필요한 에너지 손실을 억제하게

되어 사회적으로도 지대한 공헌을 할 수 있으며, 또한, 에너지소비의 효율 자체도

총체적으로 높아지게 될 것이다.

축 직각 방향의 하중에 의한 볼트의 풀림현상을 실험적으로 실증한 연구는 [1], [2]등

(야마모토 등의 연구)이 있지만, 풀림현상의 메커니즘은 아직 충분히 해명되었다고는

할 수 없으며, 결정적인 대책도 또한 일반화되어 있다고는 할 수 없을 것이다. 볼트의

초기 체결력을 높이는 것, 더블너트와 와이어로 고정시키는 등 몇가지 방법이 현장에서

채택되고 있지만, 그 실효성, 특히 극심한 진동 조건속에서 충분히 실증되고 있다고는

볼 수 없다.

이와같이 본 연구는 유한요소법의 해석을 통해, 너트의 회전(나사의 풀림)을 재현하여

그 결과를 바탕으로 볼트·너트의 나사풀림 현상의 메커니즘을 해명하는 것이 연구

목적이다.

또한, 동일한 방법을 이용하여 일반 볼트·너트의 조합으로는 풀리지만, 시판중의

편심너트(하드 록 너트)와 조합하면 볼트풀림 현상의 원인이 되는 너트의 나사 회전을

억제시킬 수 있다는 것[3]이 밝혀졌으며, 풀림 방지에 효과가 있다는 것을 알 수

있었다.

해석에 이용한 유한요소 프로그램은 ABAQUS(V6.4)이다.


- 3 -

2. 해석 방법

2.1 해석 대상

그림-1 에서 나타내고 있는 바와같이 개념도의 모델을 작성해 보았다. 그림-2 는 그

치수를 나타낸다. 볼트는 M8 의 크기로 하고, 치수공차는 반경 방향으로 최대

0.014mm [4] 이기 때문에, 볼트와 너트의 나사부에 가장 미끄러지기 쉽다고 생각되

는 이 공차로 모델을 작성해 보았다.

그림-1 해석의 개념도

그림-2 M8 볼트의 치수


- 4 -

2.2 해석 모델

해석에 이용한 모델을 그림-3 에 나타낸다. 유한요소 모델은 3 차원 사면체 2 차 수정

솔리드 요소(C3D10M)를 이용했다. 이 형식의 요소는 ABAQUS[5] 특유의 성질로

사면체 요소이면서 높은 정밀도를 보유하고 있으며, 또한 접촉을 취급할 수 있는 2

차 요소이다. 볼트의 윗면은 강체로 정의하고, 원형을 유지한 채, 반경 방향으로만 이

동시킬 수 있다고 가정한다. 너트 부분은 마찬가지로 2 차 사면체 요소로 Meshing 을

한 후에 강체로 정의했다.

이에 따라 변형은 볼트에만 적용하게 되며, 상대 운동의 일반성을 잃지 않고 계산시

간을 단축할 수 있도록 했다. 볼트와 너트의 나사부의 마찰을 고려하여, 마찰계수는

0.1 로 가정했다. 이는 볼트를 체결할 때 마찰을 일정하게 제어하는 경우(윤활유를 이

용한 경우)의 대표적인 값이라고 볼 수 있다. 너트는 축 둘레의 회전만이 가능하게

설정했다.

(너트는 축 둘레 회전 이외의 자유도를 구속하여, 축 직각 방향, 축 방향으로의 병진

운동, 또한 축 둘레 회전 이외의 회전, 즉 너트의 경사는 생기지 않도록 했다.)

각 볼트에는 ABAQUS [5] 특유의 볼트 텐션 섹션을 설정하고 축력을 발생시켜, 그

인장 상태에서 고정시켰다. 이에 따라 축력의 변화는 그 상태에서 굴곡으로 계산할

수 있으며, 축력의 변화를 구할 수 있다.

해석에 사용한 재료 특성은 다음과 같다.

영율 E=190000Mpa=190Gpa

포아송비 ν=0.3

그림-3 해석 모델

최대공차

볼트 축력

접촉위치

축력이 가해지지 않은 축력이 가해진 상태


- 5 -

일반너트

너트

축 둘레의 회전을 허용한다.

2.3 해석 케이스

그림-3 의 모델을 사용하여 다음과 같은 해석을 했다.

(1)구속조건

다음의 (a)에서 (c)의 전례를 즉 서로 다른 너트에 대한 구속상태를 모델로 삼아 검

토했다.

(a) 너트에는 축 둘레의 회전만을 허용한다. 볼트의 상단면을 축 직각 방향(X 축 방

향)으로 움직인다. 이것이 일반 볼트·너트의 체결상태에 대해 축 직각 하중이 가

해지는 경우라고 볼 수 있다.

(b) 너트에는 축 둘레의 회전만을 허용한다. 볼트의 상단면을 축 직각 방향(X 축 방

향)으로 움직여, 하단면은 축 직각 방향(X, Y 축 방향)의 변위를 구속한다. 이 하

단면 변위의 구속조건이 더블너트로의 체결상태라고 볼 수 있다.

(c) 볼트 체결에 의한 축력을 발생시킨 너트 나사부를 볼트 나사부에 밀어

넣음으로써, 너트는 반경 방향과 볼트 축(2 축 방향) 으로부터 직각 방향으로

변위되고 있다. 너트의 변위량을 0.025mm 로 하고, 나사부의 틈을 최대

0.014m 로 한다. 너트를 변위시킨 후, 너트에는 축 둘레의 회전만을 허용한다.

즉, 풀리거나 혹은 체결 방향의 회전이 가능하게 된다. 이는 편심너트(하드 록

너트)로의 체결상태라고 볼 수 있다.

더블너트

너트의 회전을 허용한다.

축 직각 방향의 변위를 구속

볼트가 좌우(X)전후(Y)로 움직인다.

편심너트(하드 록 너트)

X 축 방향으로 0.025mm 움직인다.

축 직각 방향의 변위를 구속


- 6 -

(2)볼트의 축력(예장력)

볼트의 축력으로서 다음 하중치를 선택했다. 각각 하중의 물리적인 의미를 나타낸다.

(a) 500N : 축력이 낮고, 볼트가 느슨해진 상태

(b) 1500N : 소정의 축력이 절반정도 가해진 상태. 체결 방법이 적절하지 않은 경우

(c) 3000N : 볼트에 소정의 축력이 가해진 상태. 평균응력이 약 100Mpa

(d) 5000N : 소정의 축력과 항복점의 중간정도로 체결된 상태

(e) 8500N : 볼트의 항복점 근처에서 체결된 상태

(3)볼트 상단면의 이동량

볼트 상단면은 아래의 수평이동을 2 사이클 실시한다.

(+X⇒0⇒-X⇒0⇒+X⇒0⇒X⇒0)

(a) 0.01mm

(b) 0.02mm

이들의 이동은 저자 등이 정한 값이며, 상단의 이동량이 풀림현상에 미치는 영향의

크기를 상대적으로 이해하기 위한 것이다.이상과 같은 하중의 조합 중, 해석을 실시

한 케이스를 표-1 에 정리해서 나타내 보았다.

표-1 각종 해석조건

식별 번호 볼트의 종류 초기 체결력 Ff(N) 주어진 변위(mm) 1 일반너트 500 0.01 2 일반너트 1500 0.01 3 일반너트 3000 0.01 4 일반너트 5000 0.01 5 일반너트 8500 0.01 6 일반너트 500 0.02 7 일반너트 1500 0.02 8 더블너트 500 0.01 9 더블너트 1500 0.01

10 더블너트 3000 0.01 11 편심너트 500 0.01 12 편심너트 1500 0.01 13 편심너트 3000 0.01


- 7 -

UR2_일반 101_1500UR2_일반 101_3000UR2_일반 101_500 UR2_일반 101_5000UR2_일반 101_8500UR2_일반 102_1500UR2_일반 102_500

3. 해석 결과

3.1 너트의 회전각

그림-4 에 일반너트에 볼트 축력을 발생시킨 상태에서 볼트 머리부분을 0.01mm(표

-1 의 1∼5)X 방향(축 직각 방향)으로 이동시킨 경우의 너트 회전각의 시간변화를 나

타낸다. 가로 축은 시간변화를, 세로 축은 너트의 회전각을 나타내고 있다. 초기 체결

력의 크기에 의해 회전각이 크게 다르며, 3000N 을 경계로 풀림이 현저하게 축소하는

것을 알 수 있다.

이것은 적절한 볼트 축력(초기 체결력)을 주고, 즉 볼트의 체결이 적절하다면 볼트는

간단하게는 풀리지 않는다는 것을 의미하며, 반대로 초기 체결력이 작으면, 주어진

축 직각 하중에 대해서 풀리게 된다.

그림-5 에는 더블너트 및 편심너트에 있어서 회전각의 시간변화를 나타낸다. 편심너

트의 경우, 처음의 회전각 자체는 타의 조건보다도 크지만, 하중의 방향이 바뀌면 회

전각도 바뀌어, 결국 원래의 위치로 돌아가게 된다는(회전하지 않는다.)것을 알 수 있

다.

즉, 처음의 하중작용에 의해 너트가 회전하지만, 볼트 축력은 그 후 감소하지 않는

것을 의미한다.

어느 그림을 보더라도 1 번째와 2 번째의 사이클에서는 다른 움직임을 보이고 있음을

알 수 있다. 그림-6 에는 각 경우의 너트 회전각의 결과를 나타낸다. 그림중에서 “평

균”이란, 2 사이클의 평균치를 의미하여, “최종”이란, 2 번째의 사이클의 결과만을 나타

낸다. 회전각의 크기가 어떤 볼트 축력치를 경계로 급격히 바뀌는 것을 알 수 있다.

이것은 2 번째의 평균도 동일하다는 것을 나타내고 있다. 또한, 그림-4 와 그림-5 를

통해 알 수 있는 것은, 너트에 따라서는 1 번째의 사이클과 2 번째의 사이클에서 너트

회전의 거동이 크게 달라진다는 것이다. 그림-6 에서는 2 사이클의 평균치와 2 번째

사이클만의 그래프를 나타내고 있다. 값은 다르지만 동일한 경향을 나타내고 있다.

이 그래프에서 볼트의 축력은 너트의 풀림현상에 대해서 큰 영향력을 갖고 있다는

것을 명확하게 나타내고 있다.

그림-4 일반너트의 회전각


- 8 -

그림-5 더블너트와 편심너트의 회전각

그림-6 회전각의 정리

더블너트 0.01mm 1500N 더블너트 0.01mm 3000N 더블너트 0.01mm 500N 편심너트 0.01mm 1500N 편심너트 0.01mm 3000N 편심너트 0.01mm 500N

일반너트 01 (ave) 일반너트 02 (ave) 편심너트 01 (ave) 더블너트 01 (ave) 일반너트 01 (last) 일반너트 02 (last) 편심너트 01 (last) 더블너트 01 (last)


- 9 -

3.2 볼트의 축력

전항에서는 너트의 회전각을 나타냈지만, 여기서는 너트 회전중의 볼트의 축력변화에

대해서 검토해 보고자 한다. 그림-7 은 일반 볼트이며, 그림-8 은 더블너트와 편심너

트의 축력에 대한 시간변화를 나타낸다. 풀리는 볼트에서는 축력 그 자체가 감소하는

현상이 보이며, 이 축력 저하는 더욱 볼트를 풀리게 한다. 반대로, 풀리지 않는(너트

가 회전하지 않는다) 볼트에서는 축력이 유지되고 있다.

편심너트는 너트 나사부가 볼트의 나사부에 밀려들어 이 때 볼트의 축력이 늘어나기

때문에 지금까지 보아 온 것 처럼 이 축력 증가는 볼트를 더욱 체결시켜 나사를 풀

리지 않게 하고 있다.

그림-7 일반너트의 축력변화

일반너트 0.01mm 1500N 일반너트 0.01mm 3000N 일반너트 0.01mm 500N 일반너트 0.01mm 5000N 일반너트 0.01mm 8500N 일반너트 0.02mm 1500N 일반너트 0.02mm 500N


- 10 -

그림-8 더블너트와 편심너트의 축력 변화

3.3 나사부 접촉면의 마찰력(전단응력)

볼트 축 직각 방향에 걸리는 전단응력을 그림-9∼11 에 나타낸다.

그림-9 는 일반 볼트에 1500N 의 축력(초기 체결력)을 가한 것. (사례 i)

그림-10 는 일반 볼트에 8500N 의 축력(초기 체결력)을 가한 것. (사례 ⅱ)

그림-11 는 편심너트에 1500N 의 축력(초기 체결력)을 가한 것. (사례 ⅲ)

각각의 경우에서는 볼트 머리의 이동량은 0.01mm(축 직각 변위)이며, 각 플롯은 2

사이클째의 (a)정방향 (X 축 방향) 이동시, (b)되돌아올 때, (c)부방향(X 축 방향) 이동

시이다. 이것을 보면, 전단응력이 교대로 가해진 경우(사례 i : 축력이 낮은 것)는 볼트

가 풀리기 쉽고, 반대로 전단응력이 거의 일정하게 유지된 상태 (사례 ⅱ: 축력이 높

은 것)나 (사례ⅲ: 나사부에 밀어넣는 응력이 가해진 편심너트)는 볼트가 잘 풀리지

않는다는 것을 나타내고 있다.

더블너트 0.01mm 1500N 더블너트 0.01mm 3000N 더블너트 0.01mm 500N 편심너트 0.01mm 1500N 편심너트 0.01mm 3000N 편심너트 0.01mm 500N


- 11 -

그림-9

일반너트에 1500N 의 전단력

그림-10

일반너트에 8500N 의 전단력

그림-11

편심너트에 500N 의 전단력

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(b)


- 12 -

4. 너트가 회전하여 나사가 풀리는 메커니즘

전항(사례 i)에서 전단응력 즉 마찰력이 교대로 변화하고 있음을 서술하였지만, 이 응력

교대현상은 볼트의 풀림 즉 너트를 회전시키는 원인이라고 볼 수 있다.

한편, (사례ⅱ)와 (사례ⅲ)에서는 교대하는 응력은 보이지만, 너트의 회전을 저지하는 다

른 마찰력과 비교하여 극히 작은 것이라는 것도 알 수 있었다.

사례ⅱ에서는 너트의 회전을 저지하는 힘이 볼트 축력에 의한 마찰력이며, 사례ⅲ에서

는 그 저항력의 대부분이 너트의 볼트 축 직각 방향에 대한 전단응력(마찰력)이며, 또

한 그 때 발생하는 볼트 축력이 되고 있다. 이 사례에서는 너트를 회전시키는 마찰력은

그다지 크지 않다.

이 현상을 검증하면, 그림-12 에서 나타낸 바와같이 너트가 축 직각 방향으로 이동할

때, 볼트의 나사부가 너트의 나사부에 말려 들어가며, 그 때 나사 표면에 통상적으로

가해지는 응력(마찰력)이 발생한다. 나사부는 볼트 축에 대해 기울어져 있기 때문에,

이 응력은 볼트 축 방향의 응력(축력)과 볼트 축 직각 방향의 응력(전단응력)의 2 가지

성분을 가진다. 축 방향의 응력은 축력을 증가시키며, 축 직각 방향의 응력은 너트에

회전력을 준다. 이 축 직각 방향의 응력을 더욱 자세히 분석하면, 나사면에 대한 접선

응력의 성분을 가진다. 따라서 접선응력은 나사부에 상대적으로 미끄러져 버린다. 만일,

볼트와 너트의 나사부가 볼트의 수평이동에 의해 서로가 미끄러져 볼트가 원래의 위치

로 되돌아 갔을 때나, 또는 반대로 미끄러져 버리지 않으면 미끄럼 현상은 사이클속에

복원하지 않게 된다. 이 현상이 반복적으로 발생하면, 비록 1 사이클의 회전이 극히 미

미한 것이라도 그것이 축적되면, 충분히 볼트·너트의 나사풀림 현상을 발생시킬 수 있

게 된다.

한편으로, 사례ⅲ은 볼트 나사부가 너트 나사부에 고정되어 있기 때문에 사례 i 및 ⅱ에

서는 교대응력이 보이지 않는다. 그림-5 에서 너트의 회전을 참고한 바와 같이 회전각

은 타의 사례보다 크지만, 부하가 제거되면 너트의 회전이 역전되기 때문에, 볼트가 원

래의 위치로 되돌아 가더라도 너트는 원래의 위치로 되돌아온다. 이 1 사이클의 복원운

동이 너트의 회전을 축적시키지 않으며, 그 결과 볼트가 잘 풀리지 않게 된다.

그림-12 너트 표면에서의 힘의 성분

편심너트가 볼트를 누를 때에 발생하는쐐기의 힘

쐐기의 힘이 발생했을 때에 가해지는 축 방향의 힘

너트가 회전하고자 하는 힘

편심너트 표면에서의 힘의 성분


- 13 -

5. 결론

결과적으로 보면, 볼트·너트의 나사풀림 현상은 나사 접촉면이 교대하는 전단응력에 의

해 발생한다는 것을 알게 되었다. 이것은 볼트와 너트의 나사부의 형상이 쐐기형태를

이루고 있고, 그 부분에 교대로 상대운동이 발생하면, 너트에 회전을 주게 된다.

다음은 볼트에 의해 큰 축력을 가하면, 상대적으로 나사 접촉면에서의 교대 전단응력은

상당히 작아진다. 이 것은 볼트 축력이 충분하게 높아지면, 볼트·너트의 나사는 잘 풀리

지 않는다는 것을 의미한다. 너트측의 볼트 단면은 축 직각 방향의 변위를 구속하면,

볼트가 잘 풀리기 않게 된다. 이를 테면 더블너트에 의한 체결방법은 일반 볼트·너트

체결에 비해, 볼트의 풀림현상을 억제시키려는 요인이 작용하고 있음을 추측할 수 있

다.

다음으로 편심너트와 대응하는 너트의 움직임, 즉 너트 체결후 너트를 볼트 축에 상대

적으로 편심시킨 경우(밀어 넣었을 경우), 너트의 회전을 저지하고자 하는 마찰력(전단

응력)이 발생하며, 더욱이 볼트 축력 그 자체도 증대한다. 이 마찰력(전단응력)이 교대

로 전단응력을 해소시킴으로써 볼트의 풀림현상을 억제하고 있다고 볼 수 있다. 즉, 편

심너트는 어떠한 경우(일반너트 및 더블너트)와 비교해도 전단응력이 있기 때문에, 좀

처럼 쉽게 풀리지 않는다고 생각할 수 있다.

<참고문헌> [1] Zhang M. and Jiang Y., 2004, "Finite Element Modeling of Self-Loosening of Bolted Joints,"

Proceedings of PVP2004 Vol. 478, pp.19-27 [2] Zhang M. and Jiang Y., 2004, "An Experimental Investigation of the Effects of Clamped Length and

Loading Direction of Self-Loosening of Bolted Joints," Proceedings of PVP2004 Vol. 478, pp.129-136 [3] Brochure of HARD LOCK Industry Co. Ltd, 2004, http://www.hardlock.co.jp [4] Japan Industrial Standards, JIS A0001 [5] ABAQUS Analysis User's Manual V6.4, 2004

Toshiyuki SAWA (Hiroshima University) 1976: PH.D. Mechanical and Physical Engineering Tokyo Institute of Technology.

(Doctor of Engineering) 1976: Lecturer, Department of mechanical engineering, The University of Yamanashi. 1983: Associate Professor, Department of mechanical engineering, The University of Yamanashi. 2004: Professor, Department of Mechanical System Engineering, Graduate School of

Engineering, Hiroshima University. About 100 papers published in English, The chairman of national committee on the sealing technology in High Pressure Institute, the chairman of committee on bolted joints in East Japan Railway, the chairman of examination committee on gas facilities under seismic loadings in KHK and the chairman of several committees in Japan. Dr.Sawa has been engaged in the examination for a lot of accidents happened in Japan for a long time. In 2002, he was awarded from the Headquarter of Yamanashi prefecture Police and in 2004 also awarded from the Headquarter of Kanto Regional Police. He was the conference co-chair of Joint ASME-JSME Pressure Vessel and Piping Conference held in San Diego in USA in 2004.

Yasumasa SHOJI (ABAQUS, Inc.)


- 14 -

테크니컬 코너

하드록(Hard Lock), 그 록(Lock)에너지의 비밀은 쐐기의 원리이다!


- 15 -

<신기술 소개> 쐐기효과를 너트에 적용한다.

쐐기의 원리를 너트에 도입한 풀림방지 너트

하드 록 너트가 탄생되기까지!

●쐐기에 대해서

사전을 인용하면 쐐기란, 단단한 목재나

금속(태고시에는 돌로 여겨진다)으로, 한

쪽끝을 두껍게 다른 한쪽끝을 점점 얇게

만든 날형의 도구로, 목적별로 크게 나눈

다면 “①물건을 쪼갠다”, “②물건과 물건

을 접합시킨다”의 2 가지로 나눌 수 있

다.

어느쪽이든 이 삼각형의 뛰어난 물체는

고대부터 건축을 비롯하여 다양한 기술에

이용되어 왔으며, 물론 지금도 그 원리는 필수 불가결한 기법이라고 할 수 있을 것

이다. 이를테면 고대의 지혜이지만 이러한 지혜의 결정인 쐐기 문자를 만든 것이 기

원전 3000 년경의 수메르인이다. 당시 이미 도시국가를 건설하였다고 하는 수메르

문명(메소포타미아 남부)은 역사상 그 수준이 돌출하여, 실은 우주인이 지구에 와서

만들어 낸 문명이라고 하는 설이 나돌고 있을 정도이다.

●사고 방식의 경위

서론은 이 정도로 하고, 이 쐐기의 원리를 풀림 방지용 나사에 도입할 수 없을까

하고 생각해 낸 것이 1 번 그림의 내용이다. 쐐기를 망치로 박아 넣으면 반대면의

틈을 메워 이곳에 화살표 방향과 같이 큰 압압력의 작용이 마찰력의 증대화로

이어져 일체화를 유지하게 한다.

이를 2 번 그림과 같이, 볼트와 너트내에 작용시키면 일체화는 더욱 견고해져서

빠지지 않게 되며, 아울러 외부로부터의 충격에도 대응할 수 있는 단단한 풀림 방지

너트를 기대할 수 있다. 그러나 실제로 현장에서 체결시킨 너트에 망치로 쐐기를

박는 작업은 비현실적이므로 이를 상품화시킬 수 없다.

망치

G∼쐐기를 박는 양 쐐기

1 번 그림

G∼쐐기를 박는 양 쐐기

망치

2 번 그림

상측 너트

쐐기

하측 너트a:편심

3 번 그림


- 16 -

●망치와 쐐기를 제거하고 그 교체물을 생각한다.

아이디어라는 것은 A 와 B 의 조합에서 부터 이루어지며, 그 조합내용이 좋으면 좋을

수록 훌륭한 아이디어 제품으로 이어진다. 망치 A 와 쐐기 B 의 조합은 매우 흥미롭지

만 상품화하기 위해서는 더욱 사용의 편리성과 비용을 고려하지 않으면 안된다. 따

라서 이 주제가 실제로 결실을 맺기까지는 시행착오가 반복되어 그 결과 앞 페이지

3 번 그림과 같은 형태로 만들어졌다.

즉, 너트를 하측 너트와 상측 너트로 분활하고, 하측 너트에 쐐기를 설정하여 상측

너트에 망치의 역할을 부여하였다.

하측 너트의 쐐기 부분은 돌기부분의 중심에서 빗겨서(편심량 a), 편심 가공함으로써

3 번 그림의 왼쪽 부분이 쐐기의 역할을 수행할 수 있다.

◎하측 너트는 체결 너트로서의 역할

상측 너트는 록 너트로서의 역할을 하여 상측 너트를 조여 나가면, 점차 토크(회전

력)가 커져, 쐐기를 너트안으로 밀어 넣는 작용을 하며, 그 실감은 손의 감촉으로 느

낄 수도 있다. 가벼운 나사조임 토크로 상당히 간단히 쐐기를 박는 것이 망치나 쐐

기가 없어도 가능하게 된 것이다.

<안전은 위력!>

규정된 체결 토크치로 체결하면 어떠한 충격과 진동에도 잘 풀리지 않는, 이른바 거의

“완벽한 풀림방지 너트”를 실현시킬 수 있습니다.

하드 록 너트라는 상품명으로 30 여년. 안전을 중시하는 기업으로서, 폭 넓은 산업사회

에서 그 위력을 발휘하고 있다. 캐치프레즈는 “안전은 위력”입니다.

향후에도 하드록공업 주식회사는 여러분들과 함께 발전을 거듭해 나갈 것입니다.

Publisher: HARD LOCK Industry Co., Ltd. Publication Date: May 2006

Produce: Trim Creation Service All rights are reserved by HARD LOCK Industry Co., Ltd.

Copyright 2005 HARD LOCK Industry Co., Ltd.

HARD LOCK Industry Co., Ltd. Main office: 6-24, 1-chome, Kawamata,

Higashi Osaka, Japan 577-0063 Tel:+81-6-6784-1131 Fax:+81-6-6784-1161 Tokyo office: 5-9, 2-chome, Higashi Ueno,

Taito-ku, Tokyo, Japan 110-0015 Tel:+81-3-3833-1491 Fax:+81-3-3833-1438

SAFETY IS POWER!

Documents

HARD LOCK Technical Reports