볼트(Bolt)의 설계
볼트 설계 시 고려해야 할 몇 가지 사항들입니다.
| 고려 사항 | 설명 |
|---|---|
| 용도 및 부하 조건 | 볼트가 견뎌야 할 인장력, 전단력, 진동 등의 부하 조건을 분석하여 적절한 볼트의 크기와 강도 등급을 결정합니다. |
| 재질 | 부하 조건, 부식, 온도, 화학적 환경 등에 따라 다양한 재질(탄소강, 합금강, 스테인리스강, 티타늄 등)이 사용됩니다. |
| 크기와 형태 | 구조물의 크기와 종류에 따라 볼트의 직경과 길이가 결정되며, 머리와 나사산의 형태도 다양한 설계 요구 사항에 따라 선택됩니다. |
| 강도 등급 | 볼트의 강도 등급은 볼트가 견딜 수 있는 최대 하중을 나타내며, 인장 강도와 항복 강도 등을 고려하여 선택됩니다. |
| 표면 처리 | 내식성, 내마모성을 높이기 위해 아연 도금, 니켈 도금, 크롬 도금 등의 다양한 표면 처리가 적용됩니다. |
| 나사산 | 나사산의 종류(예: 메트릭, 유니파이)와 피치(나사산 간격)는 조립될 부품과의 호환성을 고려하여 결정됩니다. |
- 용도 및 부하 조건
볼트가 견뎌야 할 인장력, 전단력, 진동 등의 부하 조건을 분석합니다. 이를 통해 적절한 볼트의 크기와 강도 등급을 결정할 수 있습니다. - 재질
볼트의 재질은 부하 조건뿐만 아니라 부식, 온도, 화학적 환경 등에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적으로 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 티타늄 등 다양한 재질이 사용됩니다. - 크기와 형태
볼트의 직경과 길이는 사용될 구조물의 크기와 종류에 따라 달라집니다. 볼트의 머리와 나사산의 형태도 다양한 설계 요구 사항에 따라 선택됩니다. - 강도 등급
볼트의 강도 등급은 볼트가 견딜 수 있는 최대 하중을 나타냅니다. 인장 강도, 항복 강도 등을 고려하여 적절한 강도 등급의 볼트를 선택해야 합니다. - 표면 처리
볼트의 내식성, 내마모성 등을 높이기 위해 다양한 표면 처리가 적용될 수 있습니다. 아연 도금, 니켈 도금, 크롬 도금 등이 일반적입니다. - 나사산
나사산의 종류(예: 메트릭, 유니파이)와 피치(나사산 간격)는 조립될 부품과의 호환성을 고려하여 결정됩니다.
볼트(Bolt)의 설계와 역학
1. 볼트(Bolt)의 설계와 역학 – 축 방향만 인장하중이 작용할 때
고리볼트, 훅, 압력용기 등의 볼트에서는 인장하중만 작용하고, 파괴는 수나사의 골지름 단면에서 발생한다.
1) KS 규격표를 적용하는 경우 인장응력(σa)와 골지름(d1)
2) KS 규격표를 적용하지 않는 경우(d1=0.8d)
2. 볼트(Bolt)의 설계와 역학 – 축 방향: 인장하중 + 비틀림 전단하중(나사잭, 나사프레스)
1) KS 규격표를 적용하는 경우 인장응력(σ)과 전단응력(τ)
최대 주응력설
최대 전단응력설
*최대 주응력과 최대 전단응력을 계산하고, 재료의 허용전단응력과 인장응력을 비교하여 수나사의 골지름(d1)을 선택합니다.
바깥지름은 KS규격을 사용하거나 (d1=0.8d)로 가정합니다.
2) KS 규격표를 적용하지 않는 경우
구체적인 내용이나 자료가 없으면 유도식을 사용합니다.
*허용인장응력 σa=1.32σ는 τ=0.5σ를 전단 변형 에너지설에 대입하여 얻은 값입니다.
3. 볼트(Bolt)의 설계와 역학 – 충격하중이 작용할 때
인장충격을 받아 탄성한도 내에서 변형이 발생하면, 저장되는 충격에너지 U는 다음과 같습니다.
F: 충격하중, δ: 변형량
F=kδ이며, k=EA/l 이므로, 아래와 같이 적을 수 있습니다.
4. 볼트(Bolt)의 설계와 역학 – 볼트에 정적인 외력이 작용할 때
압력용기에 압력이 발생하면 볼트는 추가로 인장되며, 인장하중이 P이면 힘의 평형관계는 다음과 같습니다.
Qb: 볼트에 작용하는 인장하중
Qp: 중간재에 작용하는 압축하중
1) 볼트의 스프링상수
2) 중간재의 스프링상수
볼트의 스프링상수와 중간재의 스프링상수를 대입한 인장하중의 크기
*kb/kp+kb = 내외력비
너트(Nut)의 설계와 역학
너트 설계 시 고려해야 할 몇 가지 사항들입니다.
| 항목 | 설명 |
|---|---|
| 굽힘강도 | – 너트 상부가 축력에 의해 휘어지는 것을 방지 – 너트의 높이가 작을수록 굽힘강도 감소 – 적절한 높이 설계 필요 |
| 전단강도 | – 너트의 나사산이 전단력에 의해 파괴되지 않도록 함 – 전단면적은 너트의 유효지름과 높이에 따라 달라짐 |
| 접촉면압력 | – 볼트와 너트 나사산 사이의 접촉면압력을 재료의 허용압력 이하로 설계 – 접촉면적은 유효지름, 리드, 나사산 형상에 따라 결정 |
| 나사산 형상 | – 유효지름은 일반적으로 외경의 0.8배로 설계 – 피치, 리드, 나사산 형상 등을 고려하여 적절한 형상 결정 |
1. 너트(Nut)의 설계와 역학 – 면압강도를 고려한 너트 나사의 설계
너트에 작용하는 축방향 하중은 나사산과의 최초 위치에서 가장 크고, 두번째 나사산부터 급격하게 감소합니다.
이러한 현상의 개선을 위해 너트의 형상을 고치거나, 볼트보다 탄성이 작은 재료를 사용하여 하중분포를 고르게 해야 합니다.
1) 나사산의 수(z)
나사산에 작용하는 축방향 하중은 균등합니다.
2) 너트의 높이(H)
2. 너트(Nut)의 설계와 역학 – 전단강도 또는 굽힘강도에 대한 나사산의 파괴
파괴는 수나사의 안지름에서 축방향으로 발생하며, 사각나사는 운동나사이므로 축방향 하중이 작아 파괴가능성이 낮습니다.
마무리
오늘은 볼트(Bolt)와 너트(Nut)의 설계와 역학에 대해 알아보았습니다.
볼트 설계 시, 용도 및 부하 조건을 고려하여 인장력, 전단력, 진동 등을 분석하고, 이에 따라 적절한 크기와 강도 등급을 결정합니다. 재질 선택은 부하 조건, 부식, 온도, 화학적 환경 등에 따라 달라지며, 다양한 재질(탄소강, 합금강, 스테인리스강, 티타늄 등) 중에서 선택됩니다.
볼트의 크기와 형태는 구조물의 크기와 종류에 따라, 나사산의 종류와 피치는 조립될 부품과의 호환성을 고려하여 결정됩니다. 강도 등급은 최대 하중을 견딜 수 있는 볼트의 능력을 나타내며, 표면 처리는 내식성과 내마모성을 높이기 위해 수행됩니다.
볼트의 역학적 설계는 축 방향 인장하중, 인장하중과 비틀림 전단하중의 조합, 충격하중, 그리고 정적인 외력이 작용할 때를 고려합니다. 각 상황에서 볼트의 인장응력, 전단응력, 충격에너지, 인장하중의 크기 등을 계산하고, 적절한 볼트의 스펙을 결정합니다.
너트의 설계는 굽힘강도, 전단강도, 접촉면압력, 나사산 형상을 고려해야 합니다. 너트의 나사산 설계는 축방향 하중에 대한 면압강도, 전단강도 또는 굽힘강도에 대한 나사산의 파괴 가능성을 고려하여 이루어집니다. 너트와 볼트 사이의 하중 분포를 고르게 하기 위한 설계 수정이나 탄성이 작은 재료 사용 등이 고려될 수 있습니다.
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