나사의 자립조건·효율·풀림방지

자립조건의 정의

나사의 자립조건은 하중을 받아도 나사가 저절로 풀리지 않고 정지 상태를 유지하는 조건이다.

정식으로는 마찰각 ρ가 리드각 λ보다 크면 자립한다고 판정한다.

효율은 입력 토크 대비 유효하게 쓰인 일의 비율이며, 자립과는 구별해야 한다.

리드각과 마찰각

나사산 한 바퀴를 펼치면 밑변이 원둘레 πd₂, 높이가 리드 L인 직각삼각형이 된다.

빗변과 밑변이 이루는 각이 리드각 λ이며, tan λ = L/(πd₂)로 구한다.

마찰 계수 μ로 정해지는 마찰각 ρ는 tan ρ = μ, 즉 ρ = tan⁻¹μ로 구한다.

리드는 한 바퀴 돌 때 전진하는 거리이고, 피치는 인접한 나사산 사이 거리다.

자립 판정과 효율 계산

예로 M12, 피치 1.75mm 나사를 본다. 평균지름은 11.0mm, 마찰계수는 0.15로 둔다.

리드각은 tan⁻¹(L/πd_m)으로 약 2.9도, 마찰각은 tan⁻¹(0.15)로 약 8.5도다.

마찰각이 리드각보다 크므로 이 나사는 자립 조건을 만족한다.

효율은 tan λ / tan(λ+φ)로 약 0.25다. 체결 나사는 효율이 낮아도 되며, 낮은 효율은 자립의 결과다.

정적 자립과 동적 풀림

앞 문제의 정답은 자립한다. 마찰각이 리드각보다 크기 때문이다.

자립은 정적 상태에서 성립하는 조건이다. 정지해 있으면 하중이 있어도 풀리지 않는다.

그러나 진동이나 충격이 가해지면 유효 마찰계수가 낮아져 역구동될 수 있다.

윤활유를 임의로 쓰면 마찰이 줄어 자립이 깨질 수 있으므로 피해야 한다.

풀림방지 4가지 원리

풀림방지는 마찰 증가형, 기계적 고정형, 화학적 고정형, 탄성 변형형으로 나뉜다.

마찰 증가형은 잼 너트나 스프링 와셔처럼 접촉면 마찰을 키워 풀림에 저항한다.

기계적 고정형은 안전 와이어나 갈림 핀으로 부품을 물리적으로 묶는다.

화학적 고정형은 나사 고정액으로 굳히고, 탄성 변형형은 잠금 너트를 쓴다.

원리를 한 문장씩 적어야 한다. 서로 다른 원리로 네 가지 이상 제시해야 점수를 받는다.

정리와 점검

자립조건은 마찰각 ρ가 리드각 λ보다 클 때 성립한다.

효율은 입력 토크 대비 유효 일의 비율이며, 자립 여부와는 별개로 본다.

산업안전보건기준에 관한 규칙 제97조는 볼트·너트가 적정하게 조여져 있는지 수시로 확인하도록 정한다.