볼트 · 너트의 풀림 사례

체결력을 감안한 구조 설계

Bolt의 허용외력 M6 = 1.9 kN, L₁ = 30 mm, L₂ = 30 mm, L₃ = 30 mm, L₄ = 28 mm

현 상

진동 및 충격에 의한 허용하중 부족으로 Bolt 풀림

분석

[그림 1] 에서 M6 사용 허용하중 $\displaystyle F_1 = \frac{L_2 \times 1.9}{L_1} = \frac{30 \times 1.9}{30} = 1.9 kN$

개선

구분	M6 사용 시 허용하중	M8 (2.5 kN 가정) 사용 시 허용하중
[그림 2]	$\displaystyle F_2 = \frac{L_3 \times 1.9 \times 2}{L_1} = \frac{30 \times 1.9 \times 2}{30} = 3.8$ kN	$\displaystyle F_2 = \frac{L_3 \times 2.5 \times 2}{L_1} = \frac{30 \times 2.5 \times 2}{30} = 5.0$ kN
[그림 3]	$\displaystyle F_3 = \frac{L_4 \times 1.9 \times 2}{L_1} = \frac{28 \times 1.9 \times 2}{30} = 3.54$ kN	$\displaystyle F_3 = \frac{L_4 \times 2.5 \times 2}{L_1} = \frac{28 \times 2.5 \times 2}{30} = 4.67$ kN

1.4 효과

Bolt의 크기 및 수량이 같은 경우라도 배치에 따라 허용하중이 달라진다.
[그림 2] M6 / [그림 1] M6 = $\displaystyle \frac{3.8}{1.9} = 2.0$ 배
Bolt의 크기에 따라 허용하중은 크게 변한다.
[그림 2] M8 / [그림 2] M6 = $\displaystyle \frac{5.0}{3.8} = 1.32$ 배
Bolt의 크기 및 배치 동시 변경
[그림 2] M8 / [그림 1] M6 = $\displaystyle \frac{5.0}{1.9} = 2.6$ 배

카운터 보어용 Spring Washer 사용

현상 : 자리파기 구멍이 있는 경우 [그림 2]

Spring Washer가 없어 진동 및 충격에 의한 Bolt 풀림

분석

Spring Washer가 자리파기 구멍보다 크기 때문에 일반 Spring Washer 사용 불가 [그림 2]
체결 자리면이 평면일 경우 Spring Washer를 사용하고 있음 (상태 양호) [그림 1]

개선

카운터 보어용 Spring Washer를 사용하여 진동 및 충격 흡수 [그림 4]
체결 자리면이 평면일 경우 기존과 동일 [그림 3]

효과

진동 및 충격에 의한 Bolt 풀림 방지

Bolt 체결 깊이 확보

현상

Bolt가 자리면에 체결되지 않고 Tap Hole의 불완전 나사부에 체결되어 Bolt 풀림 [그림 1]
Bolt가 2~3 산($T_2$)만이 체결되어 나사 산이 전단됨 [그림 2]

분석 : Bolt 길이 선정이 잘못됨

Bolt의 길이가 길다 [그림 1]
Bolt의 길이가 짧다 [그림 2]

개선

Bolt 체결 깊이 $1.2d < T_3 < 1.5d$ 로 체결
설계 시 Bolt의 표준 길이 확인 및 조립도에 Bolt 사양(길이) 정확히 명기
표준 길이 적용이 불가할 경우 자리파기 깊이를 조정할 것

효과

Bolt 체결 깊이 확보로 체결력 향상

Link Ball, Cam Follower 체결 구조 개선

사용 부품 THK (삼익) Catalogue

호칭번호	나사	항복점 강도
RBL 8	M8 × 1.25	670 kg

$d$ (Bolt 골지름) $= 8.0 - 1.25 = 6.75$ mm, $L = 20$ mm
$\displaystyle \sigma_{al}$ (피로 한도) $= \frac{M}{Z}$ ($P = 30 \text{ kg/mm}^2$)

현상

Link Ball, Cam Follower가 불완전 나사부에 체결되어 나사 풀림 및 파손

분석

피로파괴 검토 [그림 1]

$$P_{al} = \frac{\sigma_{al} \cdot \pi \cdot d^3}{L \cdot 32} = \frac{30 \text{ kg/mm}^2 \cdot \pi \cdot (6.75 \text{ mm})^3}{20 \text{ mm} \cdot 32} = 45.3 \text{ kg}$$

개선

불완전 나사부에 체결되지 않도록 구멍 가공 [그림 3]
Nut를 이용한 체결로 변경 [그림 4]
피로한도 검토 (형태가 BOLT와 동일함)
- $A$ (Bolt 유효단면적) $\displaystyle = \frac{\pi \cdot d^2}{4} = \frac{\pi \cdot (6.75 \text{ mm})^2}{4} = 35.8 \text{ mm}^2$
- $\sigma_s$ (항복응력) $= 90 \text{ kg/mm}^2$
- [정하중을 받는 경우 BOLT의 피로한도]
  $P_s = 0.5 \cdot A \cdot \sigma_s = 0.5 \cdot 35.8 \text{ mm}^2 \cdot 90 \text{ kg/mm}^2 = 1611 \text{ kg}$
- [동하중을 받는 경우 BOLT의 피로한도]
  $P_d = 0.4 \cdot P_s = 644 \text{ kg}$

효과

기존 체결과 비교하여 $\displaystyle \frac{644 \text{ kg}}{45 \text{ kg}} = 14.3$ 배

iconBrain01 : 잊지 마세요!

머리 밑면을 밀착시켜 설계할 것
조립 시 머리 밑면 밀착 상태를 필히 확인할 것

Loader 및 Lift 체결 구조 개선

현상

Loader 및 Lift에 F(하중) + W(중량)이 작용하여 Bolt가 파손됨

분석

Bolt (M10) 허용하중 = 6.8 kN

개선

Nut 체결 [그림 2] 및 Flange를 이용한 체결 [그림 3]로 변경
Nut (M16) 허용하중 = 17 kN

효과

Shaft에 Bolt를 사용하는 것보다는 Shaft에 나사를 가공하는 것이 나사를 크게 할 수 있어 허용하중을 증가시킬 수 있다.
[그림 2] / [그림 1] = $\displaystyle \frac{17}{6.8} = 2.5$ 배

Dog 체결 구조 변경

현상

M6 고정 나사 풀림 ⇨ Dog 위치 변동 발생 [그림 1]
Bolt로 Slot을 조임 ⇨ Dog에 미끄럼 현상 발생 [그림 2]

분석

체결 공간 부족으로 고정나사를 사용했으나 풀림 발생
마찰에 의한 고정으로 미끄럼 현상 발생

개선

Dog의 안쪽에 나사 가공으로 나사 산에 의해 미끄럼 현상 방지

효과

Slot 형 [그림 2]와 비교하여 체결력 증가로 풀림 방지

Jig 용 회전 방지 Pin 풀림 방지

현상

Jig 용 회전 방지용 멈춤 나사 풀림

분석

멈춤 나사에 체결면이 없어 체결이 안됨
풀림 방지액(록 타이트)을 도포했으나 장시간 사용 시 풀림 발생

개선

2개의 멈춤 나사(조정나사 + 고정나사)로 체결
조정나사로 위치를 조정한 후 고정나사로 조임

효과

풀림 방지액(록 타이트) 도포와 비교하여 체결력 증가 (5배)
[참고] 풀림 방지액 도포는 정상 체결의 15~20% 효과

Plunger 고정 나사 풀림 방지

현상

Plunger 고정 나사 풀림

분석

Plunger의 나사에 체결면이 없어 체결이 안됨
풀림 방지액(록 타이트)을 도포했으나 장시간 사용 시 풀림 발생

개선

Plunger 뒤쪽에 고정나사로 체결 [그림 2]
Plunger의 위치를 조정한 후 고정나사로 조임
너트(Nut)를 이용한 체결 [그림 3]
Plunger의 위치를 조정한 후 고정 Nut로 조임

효과

풀림 방지액(록 타이트) 도포와 비교하여 체결력 증가 (5배)
[참고] 풀림 방지액 도포는 정상 체결의 15~20% 효과

Spindle의 베어링(Tapered Roller Bearing) 체결 너트 풀림 방지

현상

Nut의 체결력이 강하여 베어링 회전이 안됨 [그림 1]
Bearing 예압량으로 체결했으나 장시간 사용으로 Nut 풀림 발생 [그림 2]

분석

Bearing 예압량(0.5 kN)과 Nut의 체결력(27 kN)의 상이로 체결이 안됨

개선

2개의 Nut를 사용한 체결 [그림 3]
Bearing 측의 Nut를 예압량 $F_3 = 0.5$ kN으로 체결하고, 후면의 Nut와 전면의 Nut를 $F_4 = 27$ kN으로 체결

효과

Bearing에 적정 예압(0.5 kN)이 작용하며, Nut에는 정상적인 체결력(27 kN)이 작용함

Jig의 구면 Washer 풀림 방지

현상

Nut를 정상 체결 [그림 1]
체결은 되나 회전이 되지 않아 좌우가 균등하게 Clamping 안됨
멈춤 나사의 체결력만으로 체결되어 나사 풀림 [그림 2]

분석

ZM 30의 체결력 = 59 kN ⇨ 회전 불가
멈춤 나사(M6) 체결력 = 3.4 kN ⇨ 너트 풀림

개선

Shaft를 2단으로 가공하여 체결면을 확보한 후 ZM20으로 체결 (체결력 = 38 kN)

효과

나사의 정상적인 체결로 체결력 향상
([그림 3] / [그림 2] = $\displaystyle \frac{38.0}{3.4} = 11$ 배)

Cylinder 연결부 풀림 방지

현상

Cylinder Rod Nut의 체결면에 틈새 발생으로 Nut 풀림
Cylinder Rod 굽힘 발생
Bushing 및 Packing의 마모로 누유 발생

분석

Cylinder와 작동체 간의 편심 및 편각 발생

개선

Floating Joint를 이용하여 Cylinder와 작동체 간의 편심 및 편각을 방지함

효과

나사의 정상적인 체결로 Nut 풀림 방지
Cylinder Rod 굽힘 방지로 부드러운 작동
Bushing 및 Packing의 마모 방지로 누유 방지 및 Cylinder 수명 향상

Motor Adjusting 풀림 방지

현상

Nut를 정상 체결 [그림 1]
- 장시간 사용 시 Cushion 고무 균열로 너트 풀림 발생
- 약하게 조일 경우 너트 풀림 발생
2개의 너트를 이용한 체결
- Motor의 진동을 흡수하지 못하고 상하 진동 발생

분석

Nut를 정상 체결 [그림 1]
- 체결은 되나 Cushion 고무가 완전히 압착되어 장시간 사용 시 균열이 생김
- 약하게 조일 경우 체결력 부족으로 너트 풀림 발생
2개의 너트를 이용한 체결
- Motor의 진동을 흡수하지 못함 (Cushion 고무의 탄성으로 상하 진동 발생)

개선

Cushion 고무를 제거함
Motor의 진동은 Unit의 중량에 비하여 미세하므로 진동이 일어나지 않음

효과

Motor Adjusting 너트 풀림 방지
Motor Adjusting 진동 방지

볼트의 재사용 횟수 제한

현상

볼트의 경우 반복사용으로 풀림 발생

분석

풀었다 조였다를 반복함에 따라 변형량(볼트의 늘어남)이 누적되어 축력이 저하됨

개선

재사용 횟수를 1~2회로 한정

효과

볼트의 반복사용으로 인한 풀림 문제 보완

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A. 설비 고장 유형

B. 체결부 불량원인

C. 체결부 파손 유형