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문제 정의
- 본 연구에서는 ref.(8)에서 제안한 나사 풀림의 원인에 근거하여 너트와 접촉하는 표면 사이의 지지마찰을 독립적인 실험 장치로 측정하여 볼트 결합부에서 너트-와셔의 표면 조건, 회전속도 접촉영역 및 접촉 위치 등을 고려한 풀림에 대한 실험을 수행하여 지지 마찰 특성을 연구하고자 하였다.
- 이러한 지지 마찰 실험은 조임-풀림 과정에서 너트와 와셔 표면 사이의 지지표면 마찰을 극복하는데 필요한 토크 측정을 위해 설계된다. 각각의 실험에서 T-P 관계를 측정하였으며, 식 (3)에 의해서 지지마찰계수는 체결력을 인자로 하여 구할 수 있다.
제안 방법
- 동일 조건에 의한 실험으로 슬롯의 크기를 변화하여 실시하였다. 실험에 의하면 슬롯의 크기가 증가할수록 지지마찰계수의 증가가 미미함을 발견하였다.
- 마지막으로 너트의 유기질 코팅 및 코팅을 제거한 경우의 실험을 하였다. 유기질 코팅을 120번 사포로 문질러 제거하였으며, 실험은 1018강 와셔로서 회전속도는 18.
- 본 실험은 볼트 결합 부가 조임과 풀림을 반복할 때 너트 표면과 와셔 표면에서 일어나는 작용들을 실험하였다. 만능시험기의 특성상 축하중은 시간에 따라 선형적으로 증가, 감소시킬 수 있으며 동시에 비틀림 각을 비례적으로 변화시킬 수 있도록 하였다. 토크 T와 축하중 P가 동시에 측정되며 컴퓨터에서 자동 기록된다.
- 너트는 회전하면서 판 표면에 압력을 가하게 된다. 본 실험은 볼트 결합 부가 조임과 풀림을 반복할 때 너트 표면과 와셔 표면에서 일어나는 작용들을 실험하였다. 만능시험기의 특성상 축하중은 시간에 따라 선형적으로 증가, 감소시킬 수 있으며 동시에 비틀림 각을 비례적으로 변화시킬 수 있도록 하였다.
- 3333px">n은 실험으로 얻을 수 있다. 위 식의 기울기는 실험으로부터 T-P 관계식의 수치적 차에 의해 얻어지며, 따라서 본 실험에 사용되는 만능시험기는 주기적인 비틀림 하중과 죽 하중을 동시에 가할 수 있기 때문에 모든 비틀림 축과비틀림축과 축하중을 제어변수로 하였다.
- 이 이론을 토대로 하여 실험적으로 나사마찰과 지지마찰을 극복하는데 필요한 토크 결정을 직접 수행하였다. Bray와 Levi6)는 체결력과 지지표면 마찰 그리고 나사 마찰을 극복할 수 있는 토크를 별도로 측정하는 장치를 개발하였으며, 편심이나 지지표면의 경사로 말미암아 발생하는 굽힘 영향의 가능성을 극복하기 위하여 볼트 풀림의 기구학적인 조사와 설계를 개발하였다.
- 16rpm에서체결력과 지지마찰계수와의 관계를 나타낸다. 지지마찰에 대한 여러 가지 요인들이 있으나 본 실험에서는 회전속도, 접촉면적과 위치, 코팅 그리고 표면 상태 등을 실험하였다. 그림에서 보는 바와 같이 지지마찰계수는 체결력이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.
- 와셔의 코팅과 표면 상태이다. 표면상태와 코팅에 의한 영향을 연구하기 위하여 10개의 너트와 9개 와셔를 사용하여 전체 68가지 다른 조건들로 실험하였다. Table 1은 본 실험에 사용된 샘플의 보기이다.
대상 데이터
- 7mm이다. 너트는 M12×1.75 육각너트이며 유기물을 코팅하여 사용하였다. 지지마찰계수에 대한 접촉 위치의 영향은 아주 적은 것으로 나타났다.
- 너트와 와셔 사이의 지지 마찰에 관한 회전속도의 영향을 조사하기 위하여 1018강 와셔를 사용하였다. 와셔의 구멍 크기는 12.
- 7rpm 그. 리고 54.9rpm에 대하여 측정하였다.
- 본 실험에서는 구멍의 크기와 슬롯(slot)의 크기가 다른 와셔를 실험하였다. 회전속도는 9.
- Table 1은 본 실험에 사용된 샘플의 보기이다. 사용된 왁스는 Terotex 895215로서 이 왁스는 26(TF에서 묶음단위로 와셔들을 코팅하였다. 이 실험은 회전속도 18.
- 경우의 실험을 하였다. 유기질 코팅을 120번 사포로 문질러 제거하였으며, 실험은 1018강 와셔로서 회전속도는 18.3rpm으로 하였다. Fig.
- 사용된 왁스는 Terotex 895215로서 이 왁스는 26(TF에서 묶음단위로 와셔들을 코팅하였다. 이 실험은 회전속도 18.3rpm에서 실시하였으며 각 실험에서는 5~10개 시편들을 사용하였다. 이때 마찰계수는 식 (3) 을 사용하여 결정하게 된다.
- 다른 와셔를 실험하였다. 회전속도는 9.16rpm이고 구멍의 크기는 12.7mm, 14mm, 16mm 그리고 18mm이며 와셔의 재질은 1018강, 너트는 M12×1.75에 유기물을 코팅한 것을 실험하였다.
성능/효과
- 3rpm에서 조임-풀림 반복수에 따른 지지 마찰계수의 변화를 보여주고 있는데, 이 실험 결과는 아연 크롬산 코팅을 한 M12 육각 플랜지 너트에 9가지 서로 다른 표면 상태 와셔들에 대한 실험 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 전체적으로 반복된 조임-풀림 과정에서 거의 일정한 지지 마찰계수들을 보여주지만, 세가지 형태인 M12, M14, M16 평와셔에 대해서는 반복수가 10에서 급격한 증가 거동 반응을 보였다. 이 결과로부터 평 와셔가 아연 와셔보다 높은 마찰 저항을 가지고 있으며, 아연 와셔의 지지마찰계수는 반복수에 대하여 별로 변화가 없음을 알 수 있었다.
- 따라서 접촉면적의 작은 변화는 전체 지지 마찰에 큰 변화를 주지 않는다는 결론을 얻었다.
- 또한 구멍 크기, 회전속 그리고 접촉 위치가 볼트 결합부의 마찰에 큰 영향을 주지 않을 알 수 있었다. 볼트너트의 자동 풀림을 막기 위한 프리베일링 토크너트의 사용으로 너트를 반복해서 사용 하는 경우 원하는 만큼 효과를 갖지 못했다.
- 이 결과로부터 평 와셔가 아연 와셔보다 높은 마찰 저항을 가지고 있으며, 아연 와셔의 지지마찰계수는 반복수에 대하여 별로 변화가 없음을 알 수 있었다. 또한 아연 와셔의 마찰계수는 조임과 풀림을 반복함에 따라 안정되었으나 평와셔의 경우는 지지마찰계수가 불안정하였다.
- 즉 코팅을 함으로써 마찰계수를 감소시키는 결과를 가져오는 것을 알 수 있다. 또한 아연-크롬산을 코팅한 M12 육각 플랜지 너트가 아연 유기질 코팅너트의 경우보다 마찰계수가 큰 것을 알 수 있으며 아연-크롬산염을 처리한 너트가 아연 유기질을 코팅한 너트보다 데이터의 산포가 크다. 또 그림에서 E-코팅한 평와셔는 두 가지 너트 형태에서도 마찰계수가 평균 0.
- 볼트 결합부의 풀림 특성 파악을 위한 너트-와셔 지지마찰 실험을 통해 재료와 그 표면 조건이 볼트 결합부의 마찰에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었으며, 반복된 조임-풀림과정에서 특히 접촉표면이 코팅이 된 경우가 마찰이 증가함을 알 수 있었다. 또한 구멍 크기, 회전속 그리고 접촉 위치가 볼트 결합부의 마찰에 큰 영향을 주지 않을 알 수 있었다.
- 실시하였다. 실험에 의하면 슬롯의 크기가 증가할수록 지지마찰계수의 증가가 미미함을 발견하였다. 이러한 결과를 종합하여 보면 1018강에서 슬롯의 크기, 위치에 따른 지지 마찰계수에 대한 영향이 별로 없음을 의미한다.
- 육각 플랜지 너트와 와셔 또는 슬롯의 접촉을 요인으로 한 구멍과 슬롯의 크기에 따른 지지마찰계수의 반응이 일정치가 않음을 알 수 있는데, 시험편을 관찰하여 보면 접촉압력이 플랜지 너트의 바깥쪽 링부분에 집중되어 있음을 알 수 있다. 따라서 접촉면적의 작은 변화는 전체 지지 마찰에 큰 변화를 주지 않는다는 결론을 얻었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 전체적으로 반복된 조임-풀림 과정에서 거의 일정한 지지 마찰계수들을 보여주지만, 세가지 형태인 M12, M14, M16 평와셔에 대해서는 반복수가 10에서 급격한 증가 거동 반응을 보였다. 이 결과로부터 평 와셔가 아연 와셔보다 높은 마찰 저항을 가지고 있으며, 아연 와셔의 지지마찰계수는 반복수에 대하여 별로 변화가 없음을 알 수 있었다. 또한 아연 와셔의 마찰계수는 조임과 풀림을 반복함에 따라 안정되었으나 평와셔의 경우는 지지마찰계수가 불안정하였다.
- 실험에 의하면 슬롯의 크기가 증가할수록 지지마찰계수의 증가가 미미함을 발견하였다. 이러한 결과를 종합하여 보면 1018강에서 슬롯의 크기, 위치에 따른 지지 마찰계수에 대한 영향이 별로 없음을 의미한다. 평균 지지마찰계수는 약 0.
- M12 너트인 경우에 있어서 구멍의 크기에 따른 지지 마찰계수의 변화가 구멍 크기 15mm 이하인 경우에 거의 없다. 전체 4개 다른 구멍 크기의 변화에 대하여 지지 마찰계수는 Fig. 3과 같이 체결력의 증가에 따라서 모두 감소하는 경향이 있었다. 조임-풀림 반복 수는 본 실험에서 지지마찰계수에 어떤 한계 값으로 설정하여 17 사이클 이상 반복하였다.
- 3과 같이 체결력의 증가에 따라서 모두 감소하는 경향이 있었다. 조임-풀림 반복 수는 본 실험에서 지지마찰계수에 어떤 한계 값으로 설정하여 17 사이클 이상 반복하였다.
후속연구
- 볼트너트의 자동 풀림을 막기 위한 프리베일링 토크너트의 사용으로 너트를 반복해서 사용 하는 경우 원하는 만큼 효과를 갖지 못했다. 따라서 너트에 유기질 코팅을 함으로써 보다 정밀한 접촉특성을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
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