HARD LOCK Technical Reports

PVP2006-ICPVT-11-93292

EXPERIMENTAL EVALUATION OF SCREW THREAD LOOSENING IN BOLTED JOINT WITH SOME PARTS FOR PREVENTING THE LOOSENING UNDER TRANSVERSE REPEATED LOADINGS

SAFETY IS POWER !

Korean Edition 2007 Vol. 2

Toshiyuki SAWAHiroshima University

Kagamiyama, Higashi-HiroshimaHiroshima 739-8527 JAPAN

sawa@mec.hiroshima-u.ac.jp

Mitsutoshi ISHIMURAShonan Institute of Technology

Hiroshi YAMANAKAHiroshima University

http://www.hardlock.co.jp/

축직각방향이 반복적인 하중작용 아래에서 몇가지의 풀림방지 부품을 장착한 볼트 체결체 나사풀림에 관한 실험적 평가 ( 확대판 )

SAFETY IS POWER !

Korean Edition 2007 Vol. 2

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HARD LOCK Technical Reports

< 목차 >

PVP2006-ICPVT-11-93292

EXPERIMENTAL EVALUATION OF SCREW THREAD LOOSENING IN BOLTED JOINT WITH SOME PARTS FOR PREVENTING THE LOOSENING UNDER TRANSVERSE REPEATED LOADINGS

축직각방향이 반복적인 하중작용 아래에서 몇가지의 풀림방지 부품을 장착한 볼트 체결체 나사풀림에 관한 실험적 평가 ( 확대판 )

개요

머리말

풀림방지 부품

JUNKER 시험기를 사용한 진동풀림 시험

NAS 3350 시험기를 사용한 진동충격풀림 시험

결론

도표

HL 테크니컬 코너

Toshiyuki SAWA (Hiroshima University) Mitsutoshi ISHIMURA (Shonan Institute of Technology) Hiroshi YAMANAKA (Hiroshima University)

Proceedings of PVP2006-ICPVT-11 2006 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference July 23-27, 2006, Vancouver, BC, Canada

PVP2006-ICPVT-11-93292

EXPERIMENTAL EVALUATION OF SCREW THREAD LOOSENING IN BOLTED JOINT WITH SOME PARTS FOR PREVENTING THE LOOSENING UNDER TRANSVERSE REPEATED LOADINGS

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축직각방향이 반복적인 하중작용 아래에서 몇가지의 풀림방지 부품을 장착한 볼트 체결체 나사풀림에 관한 실험적 평가 ( 확대판 )

개요 　기계구조물에는 다수의 볼트와 너트가 이용되고 있다 . 구조물에 몇가지 형태의 하중이 작용하면 나사가 풀려 사고가 발생할 수도 있다 . 최근에 들어서 나사 풀림의 원인이 점차 밝혀지고 있지만 스프링 와셔와 더블 너트 등 , 갖가지 풀림방지 부품의 효과에 대해서는 충분히 밝혀지지 않고 있다 . 본 연구에서는 축직각방향의 반복적인 하중작용 아래에서 스프링 와셔 , 플랜지 너트 , 더블 너트 및 편심 너트 ( 상품명 : 하드록 너트 ) 등 여러가지 풀림방지 부품의 풀림방지 효과를 실험과 유한요소해석에 의하여 평가하였다 . 실험에는 Junker 식 풀림 시험기와 NAS(National Aerospace Standard) 시 험 기 를 사 용 하 였 다 . Junker 시험에서는 각각의 풀림방지 부품을 장착한 체결체에 축직각방향의 하중을 작용시켜 볼트 축력의 감소량을 근거로 풀림방지 효과를 평가하였다 . NAS 시험에서는 풀림방지 부품을 장착한 체결체에 축직각방향의 충격하중을 일정한 횟수로 작용시켜 너트가 느슨하게 풀린 상태로 회전하였는지의 여부를 평가하였다 . 유한요소해석에서는 Junker 시험기의 모델을 작성하여 접시 스프링 와셔와 편심 너트의 풀림방지 효과를 평가하였다 . 그 결과 , 편심 너트와 혐기성 접착제의 풀림방지는 뛰어난 효과가 있는 것으로 밝혀졌지만 예전부터 사용되고 있는 와셔의 풀림방지는 거의 효과가 없는 것으로 밝혀졌다 . 본 연구에서는 위에서 말한 풀림방지 부품의 효과에 관해서 검토하여 그 결과에 대하여 소개한다 .

머리말 　볼트 체결체는 자동차산업 , 철도산업 , 기계구조물 등에 폭넓게 사용되고 있다 . 볼트 체결체는 충격과 진동 등의 외하중을 받으면 나사가 풀려 사고가 발생할 수도 있다 . 볼트 체결체는 축직각방향의 반복적인 하중을 받으면 느슨하게 풀리는 경우가 많다고 널리 알려져 있다 . 이에 대하여 지금까지 수많은 풀림방지 부품이 제안되었으며 사용되어 왔다 . 하지만 경험을 통하여 대부분의 풀림방지 부품은 효과가 없는 것으로 증명되었다 .

따라서 이전의 풀림방지 부품의 성능을 시험해 보고 그 효과를 검증해야 할 필요가 있다 . 최 근 , 볼 트 체 결 체 나 사 풀 림 에 관 한 연 구 [1]-[6] 이 실험과 유한요소법 등의 수치계산에 의하여 실시되었지만 여러가지 풀림방지 부품을 사용한 풀림에 관한 계통의 연구는 실시되지 않았다 . 본 연구에서는 Junker 시험기 [4] 와 NAS 시험기 [7] 을 사용하여 플랜지 너트 , 편심 너트 , 나일론 인서트 너트 , 스프링 와셔 및 혐기성 접착제 등 , 12 종류의 풀림방지 부품을 장착한 볼트 체결체의 풀림 시험을 실시하였다 . 더욱이 표준 육각 너트와 접시 스프링 와셔 및 편심 너트를 장착한 볼트 체결체에 대해서 3 차원 유한요소해석을 통하여 풀림방지 효과를 평가하였다 . 위에서 기술한 풀림방지 부품의 효과에 대해서 소개한다 .

풀림방지 부품 　그림 1 은 본 실험에서 사용한 풀림방지 부품을 나타내고 있다. 그림 1의 (a)는 플랜지 너트이며, 그림 1 의 (b) 는 더블너트 , 그림 1 의 (c) 는 나일론 인서트 너트 , 그림 1 의 (d) 는 슬릿 너트 , 그림 1의 (e)는 판스프링 인서트 너트, 그림 1의 (f)는 스프링 와셔 , 그림 1 의 (g) 는 이붙이 와셔 , 그림 1 의 (h) 는 접시 스프링 와셔 , 그림 1 의 (i) 는 노드록 와셔 , 그림 1 의 (j-1) 은 편심 너트를 위에서 바라본 그림 , 그림 1 의 (j-2) 는 편심 너트를 아래에서 바라본 그림 , 그림 1 의 (k) 는 혐기성 접착제를 나타낸다 .

Junker 시험기를 사용한 진동 풀림 시험

실험 방법 　그림 1 에서 표시된 풀림방지 부품의 효과를 Junker 식 풀림 시험기 [4] 를 사용하여 평가한다 . 그림 2 의 (a) 는 본 실험에서 사용한 Junker식 풀림 시험기의 개념도를 나타낸 것이며 그림 2 의 (b) 는 시험 장치를 나타낸 것이다 . 이 시험기는 문헌 [4] 를 참조하여 제작한 것으로 축직각방향의 하중을 볼트 체결체에 가할 수 있다 . 위에서 기술한 풀림방지 부품을 장착하여 축직각방향

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의 반복적인 하중을 가하면서 비틀림 게이지를 이용하여 볼트 축력을 측정하고 축력의 감소량을 측정 평가하였다 . 볼트와 너트의 호칭지름은 M10 1.5 M10 1.5 M10 1.5 M10 1.5 본 시험에서는 볼트 초기의 조임력을 5, 9 및 12.5kN 으로 하였다 . 이들의 볼트 초기 조임력은 볼트의 항복 응력의 30, 50 및 70% 에 상당한다 . 최초에 볼트 머리부와 너트 와셔면의 접촉을 피하기 위하여 볼트 초기 조임력이 5kN 이 될 때까지 조인 후 , 다시 볼트 초기 조임력이 0kN 이 되도록 풀어주는 순서를 5 회 반복한 후 , 볼트 체결체를 위에서 말한 초기 조임력으로 조였다 . 풀림 시험에 있어서 축직각방향 변위 S 는 S=0.35mm 로 하고 축직각방향 하중의 반복 횟수는 500 회로 하였다 . 또한 편심 너트 ( 하드록 너트 ) 와 혐기성 접착제의 경우에 대해서는 반복 횟수를 5000 회로 하여 시험을 하였다 . 풀림 시험기로 더블 너트를 시험할 경우에는 아래쪽의 너트를 먼저 조이고 , 위쪽의 너트를 조였다 . 위쪽의 너트가 완전히 고정되어 있는 사이에 토크렌치로 아래쪽의 너트를 느슨하게 된 것을 나사 전체의 접촉면이 완전히 압축될 때까지 양쪽의 너트를 조였다 . 시험에서 위쪽 너트는 1 개 준비하고 아래쪽 너트를 3 개 준비하였다 . 실험 결과 　그림 3 은 Junker 식 풀림 시험의 결과를 나타낸다 . 세로축은 볼트 축력을 나타내고 가로축은 축직각방향 하중의 반복 횟수를 나타낸다 . 그림 3 의 (a) 는 볼트 초기 조임력이 5Kn 인 체결체의 결과를 나타낸다 . 반복 횟수가 증가함에 따라 볼트 축력이 감소한다는 것을 분명하게 알 수 있다 . 더욱이 그림 3 의 (a) 에서 나타낸 바와 같이 혐기성 접착제와 편심 너트 및 나일론 인서트 너트를 제외한 풀림방지 부품을 장착한 체결체는 대부분의 축력이 상실되었다 . 위에서 말한 3 가지 종류의 풀림방지 부품을 장착한 체결체에는 잔류 볼트 축력이 보여졌다 . 특히 , 혐기성 접착제와 편심 너트는 뛰어난 풀림방지 효과를 보였다 . 그림 3 의 (b) 는 볼트 초기 조임력이 9kN 인 체결체의 결과를 나타낸다. 육각 너트, 플랜지 너트, 더블 너트, 판스프링 인서트 너트 및 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체에서는 볼트 축력이 완전히 상실되었다 . 슬릿 너트 , 이붙이 와셔 , 혐기성 접착제 , 나일론 인서트 너트 , 노드록 와셔 및 스프링 와셔를 장착한 체결체는 어느 정도의 잔류 축력이 보여진다 . 하지만 편심 너트를 장착한 체결체에서는 축력 감소가 상당히 작다는 결과를 나타낸다 . 그림 3 의 (c) 는 볼트 초기 조임력이 12.5kN 인 체결체의 결과를 나타내었다 . 육각 너트 , 플랜지 너트 , 더블 너트 , 판스프링 인서트 너트 , 접시 스프링 와셔 및 스프링 와셔를 장착한 체결체의 볼트 축력은 완전히 상실되었다 . 노드록 와셔 , 이붙이 와셔 , 나일론 인서트 너트 및 슬릿을 장착한 체결체는 어느 정도의 잔류 축력이 남겨졌다 . 하지만 편심 너트와 혐기성 접착제를 장착한 체결체에서는 볼트 축력의 감소가 작다는 결과가 나타났다 .

그림 4 는 풀림방지 효과가 비교적 높은 편심 너트와 혐기성 접착제를 장착한 체결체에 축직각방향 하중을 5000 회 가했을 경우의 시험 결과를 나타낸다 . 그림 4 의 (a) 는 볼트 초기 조임력이 5kN인 체결체의 결과를 나타낸다 . 혐기성 접착제를 첨부한 체결체의 볼트 축력은 상당히 상실되었다 . 한편 , 편심 너트를 장착한 체결체에서는 축력의 감소가 작다는 것을 알 수 있다 . 그림 4 의 (b)는 볼트 초기 조임력이 12.5kN 인 체결체의 결과를 나타낸다 . 혐기성 접착제를 첨부한 체결체의 볼트 축력은 대부분 남아있지 않지만 편심 너트를 장착한 체결체의 잔류 축력은 상당히 크다 . 종합적으로 Junker 시험에서 편심 너트와 혐기성 접착제가 상당히 뛰어난 풀림방지 효과를 가지고 있다고 말할 수 있다 .

NAS 3350 시험기를 사용한 진동충격 풀림 시험

실험 방법 　그림 5 는 본 실험에서 사용한 NAS 3350 시험기 [7] 를 나타낸다 . 풀림방지 부품 ( 와셔는 육각 너트와 병용 ) 과 볼트로 컬러와 진동판 및 평 와셔를 체결하여 진동판에 축직각방향의 반복적인 충격하중을 가하여 너트가 1 회전 이상 풀어질 때까지의 시간을 측정하였다 . 볼트와 너트의 호칭지름은 M10 1.5 M10 1.5 조임 토크는 17.5kN 과 25.0kN 으로 하였다 . 이들의 초기 조임토크는 볼트의 항복 응력의 60% 및 90% 에 상당하는 것으로 추측된다 . 그림 5 에 나타낸 바와 같이 축직각방향 변위는 11mm, 충격변위는 19mm 이며 , 진동판을 1 분간 1780 회 왕복시켰다 . 이들의 시험은 17 분간 ( 약 30000 사이클 ) 진행되었다 .

실험 결과 　그림 6 은 NAS 3350 시험기 [7] 를 사용한 충격풀림 시험의 결과를 나타낸다 . 편심 너트를 제외한 모든 부품에서 풀림 현상을 보였다 . 하지만 혐기성 접착제 및 나일론 인서트 너트는 편심 너트를 제외한 다른 풀림방지 부품과 비교하여 매우 뛰어난 풀림방지 효과를 보였다 . NAS 시험에서는 편심 너트를 장착한 체결체에서 풀림 현상이 보이지 않았다 .

3 차원 유한요소해석 　 육 각 너 트 와 접 시 스 프 링 와 셔 및 편 심 너트 에 대 해 서 범 용 유 한 요 소 해 석 소 프 트ANSYS(Ver.9.0) 를 사용하여 Junker 식 풀림 시험기의 모델을 작성하고 풀림방지 성능을 평가하였다 .

해석 모델 　그림 7 은 FEM 해석모델을 나타낸다 . 그림 7의 (a) 는 JIS 규격으로 규정되어 있는 육각 너트와 볼트로 진동판을 체결한 모델 , 그림 7 의 (b)

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는 접시 스프링 와셔를 장착한 모델, 그림 7의 (c)는 편심 너트를 장착한 모델이다 . 각각 볼트 , 너트 , 풀림방지 부품 및 진동판을 모델링하였다 . 편심 너트는 위쪽의 요(凹)너트와 아래쪽의 철(凸)너트가 있는데 본 해석에서 요 ( 凹 ) 너트는 1 피치 만큼만 조였다 . 나사골 바닥의 원형 부분과 표면의 조도 ( 粗度 ) 는 고려하지 않았다 . 볼트와 너트의 호칭지름은 M10 이며 , 진동판의 구멍지름은 12mm 이다 . 볼트와 너트 및 접시 스프링 와셔의 종탄성계수를 189GPa, 진동판의 종탄성계수를 206GPa, 푸아송의 비는 모두 0.3 으로 설정하고 마찰 계수는 0.1 로 하였다 . 해석에는 3 차원 8절점 6 면체요소와 접촉 요소를 사용하였으며 접촉 알고리즘은 페널티법을 채용하였다 . 접촉 요소는 육각 너트를 장착한 체결체의 모델 ( 그림 7 의 (a)) 에서는 너트 와셔면 - 진동판 사이 그리고 나사산 사이에 , 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체의 모델 ( 그림 (7 의 (b)) 에서는 나사산 사이 , 너트 와셔면 - 접시 스프링 와셔의 상부 사이 및 접시 스프링 와셔 하부 - 진동판 사이에 편심 너트를 장착한 체결체의 모델 ( 그림 7 의 (c)) 에서는 나사산 사이 , 철 ( 凸 ) 너트의 하부 - 진동판 사이 및 너트의 요철 ( 凹凸 ) 부의 접촉면으로 정의하였다 . 더욱이 이 3 종류의 모델 전부에 수나사와 축부 , 암나사와 너트의 경계면을 고착하였다 . 그림 7 의 (a) 에 나타나 있는 체결체의 절점수는 15965, 요소수는 22240, 그림 7 의 (b) 에 나타나 있는 체결체의 절점수는 18825, 요소수는 26796, 그림 7의 (c) 에 나타나 있는 체결체의 절점수는 21975, 요소수는 31872 였다 .

해석 방법 　본 해석에서는 볼트에 축력 5kN 을 작용시키고 진동판에 축직각방향 변위 ( 0.35mm) 를 5 사이클 가하여 볼트의 축력과 너트의 회전량을 계산하였다 . 축력은 진동판 저면의 z 방향과 x 방향을 구속하여 볼트축 하단면에 강제 변위를 가함으로써 작용시켰다 . 초기 조임력을 5kN 으로 하기 위하여 축 하단면에 가한 변위량은 육각 너트 만을 장착한 모델에서는 -0.0149470mm, 접시 스프링 와셔와 육각 너트를 장착한 모델에서는 -0.176220mm, 편심 너트를 장착한 모델에서는 -0.0167135mm 였다 . 또한 축직각방향 변위는 진동판 측면 (y 방향의 면뿐 ) 에서 y 방향으로 강제 변위 (±0.35mm) 를 가함으로써 작용시켰다 .

해석 결과 　그림 8 은 볼트 축력의 변화를 나타낸다 . 세로축은 볼트 축력을 나타내고 , 가로축은 축직각방향 하중의 반복 횟수를 나타내고 있다 . 그림 8 에서 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체는 육각 너트를 장착한 체결체와 비교하여 축력의 감소량이 크다는 것을 알 수 있다 . 또한 , 편심 너트를 장착한 체결체는 비교적 축력 감소량이 작다는 것을 알 수 있다 . 그림 8 에서 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체는 축력이 점차 커지고 있지만 이는 진

동판이 축직각방향으로 이동할 때 , 접시 스프링 와셔가 빠져버려 접촉 위치가 바뀐 것이 원인이라고 생각된다 . 그림 9 는 너트의 회전량을 나타낸다 . 세로축은 너트의 풀림 회전량을 나타내고 가로축은 축직각방향 하중의 반복 횟수를 나타낸다 . 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체 너트는 풀림방지 부품을 장착하지 않고 있는 너트과 비교하여 풀림 회전량이 크다는 것을 알 수 있다 . 또한 , 편심 너트를 장착한 체결체는 최초의 1 사이클로 조이는 방향으로 회전하며 그 후의 풀림 회전량은 다른 2 종류의 체결체와 비교해서 상당히 작다는 것을 알 수 있다 . 이는 편심 너트 특유의 쐐기효과에 의하여 진동판이 축직각방향으로 이동했을 때 , 아래쪽의 철 ( 凸 ) 너트 와셔면이 진동판과의 접촉면에서 받는 힘보다도 철 ( 凸 ) 너트의 철 ( 凸 ) 부가 요 ( 凹 )너트의 요 ( 凹 ) 부와의 접촉면에서 받는 힘이 큰 것이 원인이라고 추측된다 . 본 해석에서 편심 너트는 풀림방지 효과를 나타내었으며 접시 스프링 와셔는 풀림방지 효과를 나타내지 않았다 . 이 경향은 Junker 시험 결과와 일치한다 .

결론

　본 연구에서는 Junker 시험기와 NAS 시험기 및 FEM 을 사용하여 축직각방향의 반복적인 하중작용 아래에서 몇가지 풀림방지 부품을 장착한 볼트 체결체의 풀림 시험 및 해석을 실시하였다 . 그 결과 , 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다 .

1) Junker 식 풀림 시험기를 사용한 풀림 시험의 결과에 의하면 대부분의 모든 풀림방지 부품은 풀림방지 효과를 나타내지 않았지만 편심 너트 및 혐기성 접착제는 상당히 뛰어난 풀림방지 효과를 나타내었다 .

2) NAS 충격 풀림 시험에서 대부분의 풀림방지 부품은 풀림방지 효과를 나타내지 않았지만 편심 너트만은 뛰어난 풀림방지 효과를 나타내었다 . 또한 , 초기 조임토크를 크게 설정하였을 경우에는 혐기성 접착제도 상당히 양호한 풀림방지 효과를 나타내었다 .

3) 3 차원 유한요소해석을 이용하여 풀림 현상의 시뮬레이션을 육각 너트 , 접시 스프링 와셔 및 편심 너트를 장착한 체결체를 대상으로 실시하였다 . 그 결과 , 편심 너트는 풀림방지 효과를 보였지만 표준육각 너트 및 접시 스프링 와셔를 장착한 체결체에서는 풀림방지 효과를 나타내지 않았다 . 이 결과는 Junker 시험의 결과와 일치하였다 .

Toshiyuki SAWA (Hiroshima University)1976: PH.D. Mechanical and Physical Engineering Tokyo Institute of Technology. (Doctor of Engineering) 1976:Lecturer, Department of mechanical engineering, The University of Yamanashi. 1983: Associate Professor, Department of mechanical engineering, The University of Yamanashi. 2004: Professor, Department of Mechanical System Engineering, Graduate School of Engineering, Hiroshima University.About 100 papers published in English, The chairman of national committee on the sealing technology in High Pressure Institute, the chairman of committee on bolted joints in East Japan Railway, the chairman of examination committee on gas facilities under seismic loadings in KHK and the chairman of several committees in Japan. Dr.Sawa has been engaged in the examination for a lot of accidents happened in Japan for a long time. In 2002, he was awarded from the Headquarter of Yamanashi prefecture Police and in 2004 also awarded from the Headquarter of Kanto Regional Police. He was the conference co-chair of Joint ASME-JSME Pressure Vessel and Piping Conference held in San Diego in USA in 2004.

Mitsutoshi ISHIMURA (Shonan Institute of Technology)

Hiroshi YAMANAKA (Hiroshima University)

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< 참고문헌 >[1] Yamamoto A. and Kasei S., 1984, “A Solution for Self-Loosening Mechanism of Threaded Fasteners Under Transverse Vibration, ” Bull,

Jpn. Soc. of précis. Eng., 18,pp.261-266[2] Sakai T.,1978, “Investigations of Bolt Loosening Mechanisms : 1st Report, On the Bolts of Transversely Loaded Joints, ” Bulletin of JSME,

Vol21, pp.1385-1390 [3] Sakai S. 2005, “Three-dimensional Finite Element Analysis on Tightening and Loosening Mechanism of Bolted Joints, ” Engineering Failure

Analysis, 12-4, pp. 604-615[4] Junker G. H., “New Criteria for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration, ” SAE Paper 690055, pp.314-335[5] Zhang M. and Jiang T., 2004, “Finite Element Modeling of Self-Loosening of Bolted Joints, ” Proceedings of PVP2004, Vol.478, pp.19-27 [6] Shoji Y. “ANALYTICAL RESEARCH ON MECHANISM OF BOLT LOOSENING DUE TO LATERAL LOADS, ” Proceedings of PVP

2005, PVP2005-71333 (CD-R) [7] NATIONAL AEROSPACE STANDARD NAS3350, NAS3354

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■도표 / DIAGRAMS

Figure-1 Parts for preventing the loosening

(a) Flange nut (b) Double nuts (c) Nylon insert nut (d) Slotted nut

(e) Steel plate insert nut (f) Spring washer (g) Toothed washer

(h) Plate spring washer (i) Nordlock washer

(j-1) Eccentric nut (head) (j-2) Eccentric nut (tail) (k) Anaerobic adhesive

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Figure-3 (a) The result in the loosening test using Junker's machine (Bolt preload is 5kN)

Figure-2 (a) A schematic of Junker's type loosening test machine

Figure-2 (b) Junker's type loosening test machine

Dial gauge

Load cell

Fixed rig

Fixed plate

Movable plate

Bolt

Steel ball

Transversedisplacement (0.35mm)

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Figure-3 (b) The result in the loosening test using Junker's machine (Bolt preload is 9kN)

Figure-3 (c) The result in the loosening test using Junker's machine (Bolt preload is 12.5kN)

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Figure-4 (a) The result in the loosening test using Junker's machine (Bolt preload is 5kN, the maximum number of repeated cycles is 5000)

Figure-4 (b) The result in the loosening test using Junker's machine (Bolt preload is 12.5kN, the maximum number of repeated cycles is 5000)

Figure-5 A schematic of NAS 3350 impact loosening test machine [7]

Impact displacement (19mm)

Bolt

Collar

Nut

Plate washer

Movable plateTransverse displacement (11mm)

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Figure-6 Test results for the impact loosening tests using NAS 3350 machine

The number of repeated cycles

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Figure-7(a) FEA model of the joint with hexagon nut

Figure-7(b) FEA model of the joint with plate spring washer

Figure-7(c) FEA model of the joint with eccentric nutFigure-7 Finite element models

Movable plate

Transverse repeated loadings in the y-direction

Constraint in the x and y-directionsForced displacement in the z-direction

Plate spring washer

Constraint in the x and y-directions

Upper nut which has a concave part

Lower nut which has a convex part

Figure-8 Change of the bolt load Figure-9 Change of the nut rotation

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하드록 (Hard Lock), 그 록 (Lock) 에너지의 비밀은 쐐기의 원리이다 !

HL 테크니컬 코너

< 신기술 소개 > 쐐기효과를 너트에 적용한다 .쐐기의 원리를 너트에 도입한 풀림방지 너트 하드 록 너트가 탄생되기까지 !

●쐐기에 대해서

사전을 인용하면 쐐기란 , 단단한 목재나 금속 ( 태고시에는 돌로 여겨진다 ) 으로 , 한쪽끝을 두껍게 다른 한쪽끝을 점점 얇게 만든 날형의 도구로 , 목적별로 크게 나눈다면 " ①물건을 쪼갠다”, " ②물건과 물건을 접합시킨다”의 2 가지로 나눌 수 있다 .어느쪽이든 이 삼각형의 뛰어난 물체는 고대부터 건축을 비롯하여 다양한 기술에 이용되어 왔으며 , 물론 지금도 그 원리는 필수 불가결한 기법이라고 할 수 있을 것이다 . 이를테면 고대의 지혜이지만 이러한 지혜의 결정인 쐐기 문자를 만든 것이 기원전 3000 년경의 수메르인이다 . 당시 이미 도시국가를 건설하였다고 하는 수메르 문명 ( 메소포타미아 남부 ) 은 역사상 그 수준이 돌출하여 , 실은 우주인이 지구에 와서 만들어 낸 문명이라고 하는 설이 나돌고 있을 정도이다 .

●사고 방식의 경위

서론은 이 정도로 하고 , 이 쐐기의 원리를 풀림 방지용 나사에 도입할 수 없을까 하고 생각해 낸 것이 1 번 그림의 내용이다 . 쐐기를 망치로 박아 넣으면 반대면의 틈을 메워 이곳에 화살표 방향과 같이 큰 압압력의 작용이 마찰력의 증대화로 이어져 일체화를 유지하게 한다 .이를 2 번 그림과 같이 , 볼트와 너트내에 작용시키면 일체화는 더욱 견고해져서 빠지지 않게 되며, 아울러 외부로부터의 충격에도 대응할 수 있는 단단한 풀림 방지 너트를 기대할 수 있다 . 그러나 실제로 현장에서 체결시킨 너트에 망치로 쐐기를 박는 작업은 비현실적이므로 이를 상품화시킬 수

●망치와 쐐기를 제거하고 그 교체물을 생각한다 .

아이디어라는 것은 A 와 B 의 조합에서 부터 이루어지며 , 그 조합내용이 좋으면 좋을 수록 훌륭한 아이디어 제품으로 이어진다 . 망치 A 와 쐐기 B 의 조합은 매우 흥미롭지만 상품화하기 위해서는 더욱 사용의 편리성과 비용을 고려하지 않으면 안된다 . 따라서 이 주제가 실제로 결실을 맺기까지는 시행착오가 반복되어 그 결과 앞 페이지 3 번 그림과 같은 형태로 만들어졌다 .즉 , 너트를 하측 너트와 상측 너트로 분활하고 , 하측 너트에 쐐기를 설정하여 상측 너트에 망치의 역할을 부여하였다 .하측 너트의 쐐기 부분은 돌기부분의 중심에서 빗겨서 ( 편심량 a), 편심 가공함으로써 3 번 그림의 왼쪽 부분이 쐐기의 역할을 수행할 수 있다 .

◎하측 너트는 체결 너트로서의 역할

상측 너트는 록 너트로서의 역할을 하여 상측 너트를 조여 나가면 , 점차 토크 ( 회전력 ) 가 커져 , 쐐기를 너트안으로 밀어 넣는 작용을 하며 , 그 실감은 손의 감촉으로 느낄 수도 있다 . 가벼운 나사조임 토크로 상당히 간단히 쐐기를 박는 것이 망치나 쐐기가 없어도 가능하게 된 것이다 .

< 안전은 위력 !>SAFETY IS POWER!

규정된 체결 토크치로 체결하면 어떠한 충격과 진동에도 잘 풀리지 않는 , 이른바 거의 " 완벽한 풀림방지 너트”를 실현시킬 수 있습니다 .하드 록 너트라는 상품명으로 30 여년 . 안전을 중시하는 기업으로서 , 폭 넓은 산업사회에서 그 위력을 발휘하고 있다 . 캐치프레즈는 " 안전은 위력”입니다 .향후에도 하드록공업 주식회사는 여러분들과 함께 발전을 거듭해 나갈 것입니다 .

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