볼트는 왜 풀릴까요?

볼트는 분해가 쉽다는 단순한 이유로 여러 산업과 적용처에 널리 사용되는 파스너입니다. 그러나 이 특성 때문에 자체 풀림과 축력 손실에 취약하기도 합니다.

적용처에 따라서 볼트 풀림은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 풀려 버린 볼트 하나가 전체 생산 공장을 중단시켜 기업에는 막대한 비용 손실을 초래할 수 있고, 다른 적용처에서는 볼트가 느슨해지면 심각한 안전 위험이 발생할 수도 있습니다. 그렇다면, 볼트가 풀리는 주요 원인은 무엇일까요? 일반적으로 자연적 풀림과 느슨해짐이라는 두 가지 주요 원인이 있습니다.

볼트 자체 풀림의 원인과 효과에 대해 폭넓은 연구를 수행한 Georg Dinger (Siegenia-Aubi KG)는 이렇게 말합니다. “문제 발생의 주요 원인과 결과는 환경, 그리고 일반적으로 업계에서 볼트 체결부의 용도에 따라 달라집니다."

"예를 들어 석유 화학 업종에서는 부식 문제가 주된 우려 사항이고 피로와 진동 풀림은 일반적으로 부차적인 우려 사항입니다. 반면에 자동차 산업의 경우는 자체 풀림과 부식을 두 가지 중요 문제로 삼습니다. 구조 스틸 업종의 주된 우려 사항은 체결부 슬립과 부식이며 자체 풀림과 누출은 이보다 중요도가 낮습니다. 항공 우주 업종에서는 피로도를 가장 우선시할 것입니다.”

그리고 Dinger 씨는 이렇게 덧붙였습니다. “나사산 피치 토크 (thread pitch torque)에서 기인하는 생크 토크 (shank torque) 영향 아래서 접촉면 사이의 반복적인 상대 변위는 볼트 또는 너트의 점진적 회전으로 이어질 수 있습니다. 이에 따라 축력 손실이 발생하고 결과적으로 볼트 연결부의 기능이 손실됩니다. 이 효과는 잘 알려져 있지만, 그 방지책은 자체 풀림 사고가 발생한 후에만 실험적으로 적용되는 경우가 많습니다.”

볼트 풀림의 주요 원인으로는:

• 볼트/너트의 자발적 회전 풀림 - 충격, 진동, 동하중

• 조인트가 느슨해지는 비회전 풀림 - 침하, 크리프, 응력 이완

자연적 풀림을 방지하려면 체결된 부품 간의 슬립을 제거하거나 적어도 임계 수준 밑으로 줄여야 합니다. 이렇게 하려면 축 텐션을 늘리거나, 클램핑된 부품 간의 마찰을 늘리거나, 반복 하중을 줄이면 됩니다. (예: 충격, 진동 또는 반복 열 하중)

또 다른 일반적인 방법은 볼트 나사산 간의 마찰을 늘리는 것입니다. 이를 위한 솔루션은 다양하며 일부는 효과적이지만 단점도 존재합니다. 접착제는 효과적인 마찰 기반 방식이지만 접착제가 굳으면 분해 및 볼트 제거 시 문제가 될 수 있습니다. 또한 나사산 간의 마찰이 증가하면 특정 토크 수준에서 달성 가능 축력이 감소합니다. 항공 업종에서는 풀림 방지 와이어도 널리 사용됩니다.

볼트 및 클램핑된 부분에서는 피로도가 영구적인 손상 또는 변형입니다. 축력이 손실되어 체결부가 풀릴 때 발생합니다. 축력 손실에는 자연적 풀림과 느슨해짐이라는 두 가지 기본 메커니즘이 있습니다.

자연적 풀림 또는 회전으로 인한 자체 풀림은 기본적으로 충격, 진동 또는 동적 부하로 인해 볼트가 회전하면서 발생합니다. 약간만 회전하더라도 볼트 체결부의 축력이 모두 사라질 수 있습니다. 이 현상이 볼트 풀림의 가장 일반적인 원인입니다. 느슨해짐은 침하(settlement), 크리프(creep), 이완(relaxation)이라는 세 메커니즘에 의해 발생합니다.

침하는 동적 부하로 인해 발생할 경우 중요합니다. 체결부가 동적 부하로 인한 응력 증가에 노출되면 클램핑된 재질의 영구적 손상이 발생한다고 Nord-Lock Group의 기술 책임자 Harlen Seow 씨는 설명합니다. 그리고 계속해서 이렇게 설명합니다. “볼트의 응력이 항복 강도를 초과하지 않으면, 볼트 체결부의 모든 부분은 해제 후 원래 모양으로 돌아갑니다. 페인트와 같은 접촉면의 일부 재질은 영구적으로 변형될 가능성이 높습니다. 재질이 몇 마이크로미터라도 침하하면 볼트의 신장이 감소하여 축력의 저하로 이어집니다."

재질이 몇 마이크로미터라도 침하하면 볼트의 신장이 감소하여 축력의 저하로 이어집니다.

크리프(creep)는 체결부 재질의 항복 강도 이하에서 높은 수준의 응력에 장기적으로 누출되어 발생하는 영구적 변형입니다. 고온 응용 분야에서 더 심각합니다.

이완(Relaxation)은 체결부 소재의 마이크로 구조가 재구성되어 장시간에 걸쳐 기존 탄성 변형이 소성변형으로 바뀌는 경우입니다. 침하나 크리프와 달리 클램프 길이는 변하지 않기 때문에 감지가 더 어렵습니다. Seow 씨는 “축력 손실을 측정하는 한 가지 방법은 작동 기간 후, 볼트 길이를 측정하여 조인 직후의 볼트 길이와 비교하는 것입니다."라고 덧붙였습니다. "하지만 이렇게 해도 이완은 감지되지 않으므로 더 문제입니다.”

피로(fatigue)를 피하는 핵심은 우수한 디자인입니다. 볼트 체결부의 수요 증가와 경량 소재의 사용 증가로 인해 최근 이러한 우수한 디자인의 중요성이 더욱 커졌습니다. 볼트의 인장력에만 집중하여 신축성 및 강도와 같은 다른 중요한 변수를 간과하지 않아야 합니다.

Dinger 씨는 “올바른 체결부 디자인은 높은 축력 수준과 연관된 고강도 마찰력을 달성함으로써 전체 수명 동안 높은 슬립 저항을 유지하는 것이 핵심입니다."라고 말하면서 다음과 같이 밝혔습니다. “지금까지 디자인 엔지니어는 볼트 파손과 관련된 장애에 집중했습니다. 성능이 향상하고 체결부의 무게가 감소함에 따라 다른 장애 메커니즘이 더욱 중요해졌습니다. 축력 이완 및 자체 풀림의 메커니즘은 경량 디자인에서 점점 더 자주 접하는 문제가 되었습니다.”

볼트와 응용 분야 그리고 축력 풀림의 원인에 따라, 일반적으로 최적의 볼트 체결부를 디자인하는 옵션에는 여러 가지가 있습니다.

Dinger 씨는 이렇게 말합니다. “열 부하가 존재하는 경우 체결부는 클램핑된 부분에 대해 동일한 열팽창 계수를 가지는 재질을 선택하여 최적화할 수 있습니다. 침하를 최소화하고 작동 중 높은 축력을 유지하기 위해 접촉면 간의 거칠기를 줄일 수 있습니다. 작은 구멍 직경 또는 톱니 모양 표면 등의 대책을 사용하면 상대 변위를 최소화할 수 있습니다."

Seow 씨는 이렇게 조언합니다. "일반적으로 좋은 볼트 체결부는 매우 탄성 있는 볼트와 매우 경도가 높은 클램프 부품으로 이뤄지며 이를 위한 방법에는 여러 가지가 있습니다. 볼트 탄성을 높이는 한 가지 방법은 긴 클램프 길이를 사용하는 것입니다. 하지만 클램프 길이를 충분히 늘릴 수 없는 플랜지가 있는 경우에는 더 작은 볼트를 더 많이 사용하여 디자인을 변경할 수 있습니다. 따라서 다섯 개의 볼트를 사용하는 대신 더 작은 볼트 열 개를 사용하여 더 탄성 있는 체결부를 만들 수 있습니다.”

전체적으로 볼 때 최적의 볼트 체결부를 만들려면 여러 변수와 디자인 옵션을 고려해야 합니다.

축력이란 무엇인가요?

엔지니어링에서 많은 의미를 가지는 용어입니다. 한 가지는 처음 조일 때 파스너에서 생성되는 텐션(부하)입니다. 볼트가 신장하면서 볼트와 너트 사이의 요소들이 압축되며 이에 따라 조임이 끝날 때까지 소위 말하는 클램프 부하가 늘어납니다. 아래 동영상에서 축력을 어떻게 설명하는지 보시죠.

The Junker Test

볼트 풀림의 원인에 대한 연구는 거의 60년 이상 진행되고 있지만 독일 엔지니어 Gerhard Junker가 1960년대에 제시한 선구적 이론은 여전히 볼트 풀림 방지에 대한 현대적 방법과 이론의 기초로 자리 잡고 있습니다. 진동에 노출되었을 때 파스너가 회전하여 풀리는 시점을 확인하는 데 사용한 그의 검사 방법론은 이제 융커 테스트(Junker test)로 널리 알려졌으며 독일 규격 DIN 65151 및 국제 표준 ISO 16130에 채택되었습니다.

융커 테스트는 볼트 체결부에서 가장 가혹한 진동 테스트로 알려져 있습니다. 아래 비디오에서 서로 다른 볼트 체결 방식의 성능을 어떻게 비교할 수 있는지 살펴보겠습니다.

(아래 비디오는 여섯 가지 마찰 기반 볼트 체결 솔루션의 융커 테스트 결과로, 축력이 풀리는 데 걸리는 시간이 표시됩니다. 이 검사는 프랑스 리옹의 Nord-Lock Group 기술 센터에서 실시되었으며 Nord-Lock Group의 공식 YouTube 채널에서 비디오를 확인하실 수 있습니다.)