[논문]로크 너트의 풀림 방지 성능 향상을 위한 스프링의 최적 형상 설계

송현석; 정원선; 정도현; 서영교

로크 너트의 풀림 방지 성능 향상을 위한 스프링의 최적 형상 설계
Optimum Shape Design of the Spring to Improve the Loose-proof Performance of the Lock Nut 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.2, 2010년, pp.91 - 96

송현석 (자동차부품연구원) , 정원선 (자동차부품연구원) , 정도현 (자동차부품연구원) , 서영교 (자동차부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The combination of a bolt and nut is the element most widely used for connecting machines and structures. When a load is repetitively applied in the direction right angle to the bolt axis after the bolt and nut is fastened, the nut gradually becomes loose. To solve this problem, in this study, a new type of the loose-proof nut, called a lock nut, is developed. The lock nut is equipped with a spring, and the spring increases the axial force of the bolt. Then, the connection force between the bolt and nut is also augmented. Three dimensional finite element models for the bolt and spring are generated, and the change of the axial force of the bolt while the bolt is being inserted into the spring is analyzed using MSC/Marc, a commercial finite element program. Finally, the optimum shape of the spring is found according to the response surface analysis methodology. The optimization result is verified by comparing the variation of the axial force of the bolt when the bolt is inserted to the initial and optimized spring.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

볼트가 스프링에 결합되면서 볼트 내부의 축력이 증대되고, 따라서 볼트와 너트의 결합력이 더욱 증대되는 효과를 불러일으킨다. 본 논문에서는 로크너트의 풀림 방지 성능을 향상시키기 위하여 유한 요소 해석을 이용하여 로크 너트 내부에 장착된 스프링의 최적 형상을 설계하였다. 볼트 및 스프링에 대한 유한 요소 모델을 생성하였고, MSC/Marc를 이용하여 볼트가 스프링에 삽입될 때 볼트 내부의 축력 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 로크 너트의 풀림 방지 성능을 향상시키기 위하여 볼트와 결합되어 볼트의 축력을 증대시키는 역할을 하는 스프링의 최적 형상을 찾아냈다.
이에 본 연구에서는 풀림 방지 너트에 대한 국내 독자 기술을 개발하고 및 세계 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위하여 스프링을 삽입한 풀림방지용 로크너트(lock nut)를 개발하였다. 개발된 너트의 내부에는 스프링이 장착되어 있다.

제안 방법

1) 스프링에 대한 인장/압축 시험을 실시하여 얻은 실험결과를 같은 조건에서 수행한 유한 요소 해석 결과와 비교함으로써 해석에 사용될 스프링 모델의 신뢰성 있는 물성치를 확보하였다.
스프링은 형태 및 단면 형상, 열처리 방법에 따라 기계적 성질이 변화하는 특성을 갖고 있기 때문에 유한요소 해석을 위한 물성치를 찾아내기가 매우 어렵다. 본 연구에서는 스프링의 정확한 물성치를 찾아내기 위하여 Fig. 2와 같이 스프링 인장/압축 실험을 실시하였고, 스프링을 일정한 길이만큼 인장 또는 압축할 때 발생하는 반발력을 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 로크너트의 풀림 방지 성능을 향상시키기 위하여 유한 요소 해석을 이용하여 로크 너트 내부에 장착된 스프링의 최적 형상을 설계하였다. 볼트 및 스프링에 대한 유한 요소 모델을 생성하였고, MSC/Marc를 이용하여 볼트가 스프링에 삽입될 때 볼트 내부의 축력 변화를 살펴보았다. 실험 계획법에 기초한 반응 표면 분석법⁴⁾을 이용하여, 볼트의 축력을 최대로 만들 때의 스프링의 최적 형상을 찾아냈다.
1로 설정하였다. 볼트의 회전와 축방향 수직 이동을 위해 볼트의 머리부의 중심에서 수직방향으로 15mm떨어진 지점에 기준 절점 (reference node)를 생성하였고 볼트 머리부의 절점들과 강체 빔(rigid beam)요소로 연결한 후 기준 절점의 수직 방향 이동과 회전을 제외한 모든 자유도를 구속하였다. 볼트의 피치가 1.
볼트 및 스프링에 대한 유한 요소 모델을 생성하였고, MSC/Marc를 이용하여 볼트가 스프링에 삽입될 때 볼트 내부의 축력 변화를 살펴보았다. 실험 계획법에 기초한 반응 표면 분석법⁴⁾을 이용하여, 볼트의 축력을 최대로 만들 때의 스프링의 최적 형상을 찾아냈다.
3는 인장 및 압축 시뮬레이션 결과를 보여준다. 실험과 동일한 상황을 구현하기 위하여 스프링의 하단부를 고정시킨 상태에서 스프링의 상단부에 강체 원통(rigid cylinder)과 강체 평면(rigid plate)을 생성한 다음 유한 요소 모델과 강체 모델 사이에 접촉조건을 부여하였고, 강체 모델에 강제 변위를 가했을 때 발생하는 수직 방향 접촉 반발력(contact normal force)를 측정하였다. 스프링의 원래 재질인 피아노선의 물성치(E=205, ν=0.
본 연구에서는 설계 변수와 반응변수와의 관계를 수학적으로 모델링하기 위하여 반응표면 분석법을 이용하였다. 적은 횟수의 실험으로 목적함수를 추정하기 위하여 중심합성 실험 계획표⁴⁾를 사용하였고, Table 2에서 보는 것과 같이 3수준 설계변수가 4개이므로 총 25회의 실험을 실시하였다. 실험 계획표와 실험결과를 토대로 최소 제곱법을 이용하여 2차의 회귀 모형 함수식을 유도 하였고 형태는 식 (1)과 같다.
Table 2는 공학적 토론(engineering discussion)을 거쳐 산출된 각 설계변수들의 수준에 따른 값을 보여준다. 최적화를 위한 목적함수는 볼트가 스프링에 삽입될 때 볼트에 작용하는 축력의 최대화로 설정하였다. 본 연구에서는 설계 변수와 반응변수와의 관계를 수학적으로 모델링하기 위하여 반응표면 분석법을 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 M12×P1.75의 표준 규격 볼트를 사용하였다.
Table 1은 유한 요소 모델의 물성치를 보여준다. 볼트는 강철(Steel)로 설정하였고, 스프링의 물성치는 3.1절서 얻은 결과를 사용하였다. 경계 조건으로 볼트와 스프링 사이에 접촉 조건을 부여하였고, 마찰계수는 0.
스프링은 후크부를 완전 구속 하였다. 해석에는 3차원 8절점 육면체 요소를 사용하였으며, 이때 볼트모델의 요소수는 14864개, 스프링은 2744개이다.

데이터처리

식 (1)에서 보면 d>L₂>L₁>r의 순으로 볼트의 축력 변화에 영향을 끼치고 있음을 알 수 있고, 특히 L₂의 경우 계수가 음수 이기 때문에 L₂가 증가할 경우 볼트의 축력이 감소될 것으로 예상된다. 도출된 회귀 모형 함수의 검증을 위해 분산 분석⁴⁾을 실시하였다. Table 3은 분산 분석표를 보여준다.

이론/모형

최적화를 위한 목적함수는 볼트가 스프링에 삽입될 때 볼트에 작용하는 축력의 최대화로 설정하였다. 본 연구에서는 설계 변수와 반응변수와의 관계를 수학적으로 모델링하기 위하여 반응표면 분석법을 이용하였다. 적은 횟수의 실험으로 목적함수를 추정하기 위하여 중심합성 실험 계획표⁴⁾를 사용하였고, Table 2에서 보는 것과 같이 3수준 설계변수가 4개이므로 총 25회의 실험을 실시하였다.
추정된 모형함수를 최소화 시키는 설계 변수들의 값을 찾아내기 위해 Sequential Quadratic Programming(SQP) 방법⁷⁾을 이용하였다. 최적화 결과 Table 4와 같이 목적함수를 최소화시키는 설계 변수들의 값을 얻었고, 최적화 이후 볼트의 축력이 약 28% 증가하였으므로 최적화가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.

성능/효과

2) 스프링 형상에 대한 4개의 설계변수를 선정하였고, 반응표면 분석법을 이용하여 스프링과 결합될 때 볼트의 축력이 최대가 되도록 하는 스프링의 최적 형상을 찾아냈다.
3) 최적화된 스프링과 결합한 볼트의 축력이 이전의 보다 약 28.6% 증대되었으므로 반응표면 분석법을 이용한 최적화가 성공적으로 이루어졌 음을 알 수 있다.
최적화 결과 Table 4와 같이 목적함수를 최소화시키는 설계 변수들의 값을 얻었고, 최적화 이후 볼트의 축력이 약 28% 증가하였으므로 최적화가 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서 개발한 너트를 활용하면, 일반 너트보다 진동 및 충격에 대하여 너트의 풀림량이 훨씬 적기 때문에 자동차, 생산 기기, 구조물, 교량, 철도등 여러 산업 분야에서 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NY LOCK의 단점은?	최근 너트 자체의 풀림방지 기능을 강화한 다양한 풀림방지너트들이 해외 선진사를 중심으로 개발되어 시판 중에 있다. WINDSOR에서 개발한 NY LOCK은 너트내부에 고무 패킹(packing)을 삽입하여 볼트와 패킹간의 마찰력을 발생시켜 너트의 풀림을 방지한 제품으로 고무 제품의 특성상 열/화학적 변화에 매우 취약하고, 고무의 소성 변형으로 인해 재사용이 불가능 하다는 단점이 있다. 일본에서 개발된 HARD LOCK은 편심원리를 이용하여 두 개의 편심된 너트에 볼트를 삽입함으로써 볼트의 축력을 증대시킨 제품으로 조립공정이 불편하고, 너트의 테이퍼 진 부분이 상대적으로 취약하다는 단점이 있다.
	NY LOCK이란?	최근 너트 자체의 풀림방지 기능을 강화한 다양한 풀림방지너트들이 해외 선진사를 중심으로 개발되어 시판 중에 있다. WINDSOR에서 개발한 NY LOCK은 너트내부에 고무 패킹(packing)을 삽입하여 볼트와 패킹간의 마찰력을 발생시켜 너트의 풀림을 방지한 제품으로 고무 제품의 특성상 열/화학적 변화에 매우 취약하고, 고무의 소성 변형으로 인해 재사용이 불가능 하다는 단점이 있다. 일본에서 개발된 HARD LOCK은 편심원리를 이용하여 두 개의 편심된 너트에 볼트를 삽입함으로써 볼트의 축력을 증대시킨 제품으로 조립공정이 불편하고, 너트의 테이퍼 진 부분이 상대적으로 취약하다는 단점이 있다.
	톱니형 볼트와 와셔를 이용한 풀림 방지법의 장단점은?	이는 톱니의 풀림 반발력을 이용한다. 그러나 이것을 이용하면 연성재료는 강하게 체결 되어질 수 있으나, 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

참고문헌 (7)

T. Sawa and Y Shoji, Analytical Research on Mechanism of Bolt Loosening due to Lateral Loads, Hard Lock Technical Reports, 2006.
S. Izumi, T. Yokoyama, A. Iwasaki and S. Sakai, "Three-dimensional Finite Element Analysis on Tightening and Loosening Mechanism of Threaded Fastener," Engineering Failure Analysis, Vol.12, No.4, pp.604-615, 2005.

상세보기
M. Zhang, Y. Jiang and C.H. Lee, "Finite Element Modeling of Self-loosening of Bolted Joints," Transactions of the ASME, Vol.129, No.2, pp.218-226, 2007.

상세보기
S. Jung and T. Park, "Development of the Optimization Design Module for a Brake System," Transactions of KSAE, Vol.16, No.3, pp.166-171, 2008.

원문보기 상세보기
SAE Spring Committee, Spring Design Manual, second edition, AE-21, Society of Automotive Engineers, Inc., 1996.
S. Park, Understanding of Design of Experiments, Minyoungsa, Seoul, Korea, 2005.
N. Vanderplaats, Numerical Optimization Techniques for Engineering Design with Applications, McGraw-Hill, San Francisco, 1984.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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