전동렌치 전기에너지를 이용한 토크쉬어볼트의 체결축력 검사기법 개발

이현주,나환선,김강식,김강석 한국구조물진단유지관리공학회 2010 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.14 No.6

토크쉬어볼트의 토크계수는 환경요인에 의해 영향을 받는다. 습기, 녹, 시공중의 작업성 등. 토크쉬어볼트의 토크계수의 변동에 기인하여 볼트에 도입된 축력을 예측하는 매우 어렵다. 이런 이유로 시공중인 볼트 축력을 측정하고, 체결력을 검증하는 것은 필수적이다. 이 연구에서, 볼트에 도입된 하중을 확인하기 위해 시작품 제작이 계획되었다. 시작품의 알고리즘은 토크쉬어 전동렌치에서 얻은 전기에너지와 유압축력기에서 얻은 축력과의 상관관계를 구성한 것이다. 직접축력을 계측하는 회귀분석식은 미니탭 프로그램을 이용한 통계학적인 분석방법에서 구한 것이다. 이 시작품은 상용 토크렌치에 견줄만한 인장력을 평가하는 신뢰성이 있는 도구라고 판단된다. The torque-coefficient of torque-shear type high-strength bolts is affected by the environmental factors, such as ‘wet’, ‘rust’, ‘exposure to air’ and workability during tightening high strength bolts. It is difficult to assume the direct tension induced into the bolt due to variation of torque-coefficient for torque-shear type high-strength bolts. Therefore, it is essential to measure tension loads of bolts and to verify the clamping force under construction. In this study, the manufacture of trial product was planned to identify the induced force into the bolts. The algorithm for a trial product was composed of the relation between electricity energy taken from torque shear wrench and tension force from hydraulic tension meter. The regression analysis equation to measure the direct tension was derived by statistical analysis using Minitab program. It is considered that the trial product is reliable tool to evaluate the tension force comparable to a commercial torque wrench.

플랜지 볼트 체결토크에 따른 볼트중심으로부터 이격거리에 대한 면압 크기 및 분포영역의 특성에 관한 연구

배명환(Myung-whan Bae),김수민(Su-min Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.7

본 연구에서는 볼트체결 밀폐구조에 대해 해석적인 방법을 이용하여 체결하는 볼트의 접촉면에서 발생하는 면압분포, 접촉변형 및 기밀상태에 미치는 면압의 영향을 분석하는 것이 목적이다. 1단계로 본 논문에서는 구조해석에 의해 플랜지 볼트 및 체결토크의 크기에 따른 볼트중심에서의 이격거리에 대한 면압 크기 및 분포영역의 특성을 조사했다. 플랜지 볼트의 크기는 M6, M8, M10 및 M12를 사용했고, 체결토크는 각 플랜지 볼트의 크기에 따라 최소, 중간 및 최대의 값을 정하여 적용했다. 그 결과, 동일 플랜지 볼트에서는 체결토크가 클수록 동일한 볼트중심에서 이격거리에 대해 면압은 더 컸고, 면압 분포영역의 기울기도 더 컸지만, 면압 1 MPa 미만의 값 부근에서 수렴하였다. 또한, 1~3 MPa의 면압분포영역에서는 체결하는 플랜지 볼트의 크기가 클수록 동일한 면압에 대해 볼트중심에서 이격거리가 멀어져서 면압 분포영역이 넓어졌음을 알았다. The purpose of this study is to analyze the effect of contact pressure on the contact pressure distribution, contact deformation and airtightness generated at the contact surface of bolts fastened by the analytical method for the sealed structure of fastening bolt. In this paper, as a first step, we investigated the characteristics of magnitude and distribution area for contact pressure with respect to the separated distance from bolt center according to the flange bolt size and tightening torque by structural analysis. The sizes of flange bolt were M6, M8, M10 and M12, and the tightening torques were applied with the minimum, intermediate and maximum values according to the size of each flange bolt. The results show that for the same flange bolt, the larger the tightening torque, the larger the surface pressure with respect to the same separated distance from bolt center, and the greater the distribution region slope of contact pressure, but converged to near a value less than the contact pressure of 1 MPa. It is found, moreover, that as the size of flange bolt was increased, in the distribution area of contact pressure from 1 to 3 MPa, the distribution area of surface pressure was widened because the separated distance from bolt center at the same surface pressure became father away.

초소형 볼트의 비트 깊이에 따른 체결 토크 예측

이현규,김종봉,박근,나승우 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.8

휴대폰과 같은 전자제품의 소형화로 체결 부품도 소형화가 요구된다. 초소형 볼트의 머리부분 두께 감소 요구에 따라 체결시 볼트 머리부 파손으로 충분한 체결력을 확보하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 볼트 깊이에 따른 체결 토크를 해석적으로 예측하여 비트 형상 설계에 활용하고자 한다. 볼트 머리부는 주로 전단 파손이 발생하기 때문에, 볼트용 선재의 전단 실험을 통하여 파손 기준을 설정하였다. 그리고, 설정된 전단파손 기준을 바탕으로 체결시 파손 형상과 최대 체결 토크를 예측하였다. 또한, 머리부에 성형되는 비트의 깊이에 따른 최대 체결토크을 예측하였다. 비트 깊이가 깊을수록 볼트 머리와 나사부의 경계에서 응력 집중으로 파손이 빨리 발생하고, 최대 체결 토크도 작아짐을 알 수 있었다.

열충격 시험 조건 하에서 열응력에 따른 체결 성능 변화를 모사하는 물리 모델 개발 및 실험적 검증

이주엽(Ju Yub Lee),김서겸(Seo Gyeom Kim),위신환(Shin Hwan Wei) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

21 세기 자동차 산업은 저탄소, 친환경 차량 개발을 위한 차량 경량화 구현에 적극적인 노력을 기울이고 있다. 공차중량 1,500 kg의 5 인승 승용 차량을 10 kg 경량화 하면 연비는 2.8% 향상되고, 배기가스인 이산화탄소와 질소산화물은 각각 4.3%, 8.8% 감소된다. 전기차와 수소차의 경우에도, 배터리 무게로 인한 중량 증가분을 상쇄하기 위해 차체 경량화는 필수 요구사항이 되었다. 차체 부품에서는 알루미늄, 마그네슘 합금이 사용되고, 엔진 전장품, 동력계 부품에서는 범용 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱이 기존의 금속 재질 부품을 대체하고 있다. 금속과 플라스틱이 접합 또는 특정 매개체를 통해서 조립, 통합되는 부분의 경우 기존의 고장 모드가 아닌 다른 형태의 고장 모드가 발생하게 된다. 고온 열화, 이종 소재 접합부에서의 열팽창계수 차에 의한 열응력에 기인하는 변형 및 크랙, 공진점 변화에 따른 진동에 의한 크랙 등을 고려해야 한다. 본 연구에서는 열응력에 의한 변형 과정을 가시화하고자, 체결 성능에 대한 원리시험을 수행하였다. 고분자 소재와 금속 소재로 구성된 지그에 M8 볼트를 체결시킨 후, 주기적인 온도 변화에 따른 체결 성능(축력)의 변화를 로드셀을 이용하여 모니터링하였다. 볼트 요소 및 체결 특성을 고려한 토크-축력 관계 모델과 축력의 변화를 설명하는 이론적인 모델을 바탕으로, 계측된 축력 및 풀림 토크 결과와 비교하였다. 토크-축력 관계 모델의 경우, 체결 인자의 최적화를 통해 계측값과의 차이를 최소화하였으며, 열응력에 의한 변형량의 합과 등가를 이루는 기계적 부하에 의한 변형량의 합의 관계로부터 열피로 상황에서의 축력의 변화를 모사하는 이론적인 모델을 개발하였다. 해당 모델은 열피로(열충격) 시험과 관련된 특정 온도 조건과 볼트 규격에 따른 체결 성능의 변화를 설명할 수 있다. In the 21st century, the automobile industry is making active efforts to reduce vehicle weight for development of low-carbon and eco-friendly cars. If the weight of a five-seater car, which weighs 1,500 kg, is reduced with 10%, fuel efficiency will increase by 2.8 %, and carbon dioxide and nitrogen oxide of exhaust will decrease by 4.3 % and 8.8 %, respectively. In the case of electric and hydrogen vehicles, which do not emit carbon dioxide, reducing the weight of the vehicle has become an essential requirement to offset the increase in battery weight. Aluminum and magnesium alloys are used for body parts, and common plastics and engineering plastics replace existing metal parts of engine/transmission components. In the case of parts where metal and plastic are assembled and integrated through bonding or specific intermediaries, other types of failure modes will occur instead of the existing failure modes. Thermal degradation under high temperature, deformation and cracks caused by thermal stress due to difference in thermal expansion coefficient at different material junctions, and cracks resulting from vibration due to changes in resonance frequency must be considered. In this study, in order to visualize the process of deformation caused by thermal stress, a principle test was conducted on the effect of thermal fatigue. After fastening M8 bolt to a jig made of polymer material and metal material, changes in fastening performance (axis force) due to periodic temperature changes were monitored using a load cell. Measured axial force and loosening torque results were compared to calculated value based on a torque-axis force relationship model considering bolt design factors and tightening characteristics and a theoretical model describing changes in axial force. The difference between calculated value of the relationship model and measured value was minimized by optimizing the tightening factor. And, the theoretical model that explains the change in tightening performance in the effect of thermal fatigue was developed based on the total deformation by mechanical load equivalent to the sum of the deformation. The models are able to explain variation of tightening performance in the specific condition of thermal fatigue test and bolt standard.

열충격 시험 조건 하에서 열응력에 따른 체결 성능 변화를 모사하는 물리 모델 개발 및 실험적 검증

이주엽(Ju Yub Lee),김서겸(Seo Gyeom Kim),위신환(Shin Hwan Wei) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.11

본 연구에서는 열응력에 의한 변형 과정을 가시화하고자 체결 성능에 대한 원리시험을 수행하였다. 고분자 소재와 금속 소재로 구성된 지그에 M8 볼트 체결 후, 주기적인 온도 변화에 따른 체결 성능(축력) 변화를 모니터링하였다. 볼트 요소 및 체결 특성을 고려한 토크-축력 관계 모델과 축력 변화를 설명하는 이론식의 산출값을, 계측된 축력 및 풀림 토크 결과와 비교하였다. 토크-축력 관계 모델의 경우, 체결 인자 최적화를 통해 계측값과의 차이를 최소화하였으며, 열응력에 의한 변형량의 합과 등가를 이루는 기계적 부하에 의한 변형량 합의 관계로부터 열피로 상황에서의 축력 변화를 모사하는 이론 모델을 개발하였다. 해당 모델은 열응력 특성을 결정하는 온도 조건과 볼트 규격에 따른 체결 성능의 변화를 설명할 수 있다. In this study, a principle test was conducted on the effect of thermal fatigue for visualizing the deformation caused by thermal stress. After tightening an M8 bolt to a jig consisting of polymer and metal, changes in the tightening performance due to periodic temperature changes were monitored. The measured axial force and loosening torque results were compared to the obtained value using a theoretical model and a torque-axis force relationship model considering bolt design factors and tightening characteristics. The difference between the calculated value and measured value was minimized by optimizing the tightening factor. And, the theoretical model that explains the changes in tightening performance under thermal fatigue was developed based on the equivalent relation between the total deformation by the mechanical load and sum of the deformations. This model can possibly explain variations in the tightening performance due to bolt standards and temperature conditions determining the thermal stress property.

체결구의 텐션클램프 거동에 관한 연구

배석복(Seok Bok. Bae),최신형(Sin Hyung Choi),손병직(Byung Jik Son),임남형(Nam Hyoung Lim) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

레일 체결스프링은 레일 저부에서 레일과 침목 사이를 탄성적으로 고정시키는 가장 중요한 궤도 부품 중 하나이다. 궤도에서 발생하는 횡압은 체결 스프링에 생기는 압축응력이 인장 응력으로 변환되는 등 텐션 클램프 내 응력에 큰 영향을 미치며 응력의 크기는 초기체결력과 매우 밀접한 관계가 있다. 본 연구에서는 콘크리트 침목에서 사용되는 탄성 레일 체결장치의 초기체결 시 응력거동을 유한요소해석과 실험을 통하여 비교·분석하였다. A rail fastening spring is one of the most important part for fixing elastically between the sleeper and the rail of the rail bottom. Lateral stress occurred to tracks influences closely on changing compressive stress to tension stress and amount of stress is closely related to initial clamping force in tension clamp. In this study, Stress behavior is analyzed throughout the experiment and FE analysis when the initial clamping of elastic fastening used for concrete sleeper.

우주산업용 볼트토크 계산법에 대한 비교 및 실험적 검증

서지환,김선원,김창호,전형열,정규,임재혁 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회지 Vol.11 No.6

본 연구에서는 우주산업용 볼트토크 계산법을 비교검토하고 실험적으로 검증한다. 현재 미국항공우주국, 유럽항공우주국, 미국국방규격 등에서는 고유의 볼트토크 산정을 위한 기준을 제안하고 있으나 이기준들이 약간씩 달라 사용자의 높은 이해를 요구하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 널리 쓰이는볼트토크 계산식 중 대표적인 식들을 선정하고 볼트토크 예측값 비교 및 체결축력시험을 통해서 예측값을 검증하였다. 아울러 취급 및 재체결작업에 의한 체결축력의 변화도 살펴보았다. In this study, the bolt torque calculation method for space industry was compared and verified experimentally. Currently, NASA, European Aerospace Agency, and US National Defense Standards are proposing standards for bolt torque estimation. However, these standards vary slightly and require a high level of comprehension. To address these challenges, we selected typical equations among the widely-used bolt torque calculation methodologies, and the predicted values were verified via clamping force test. In addition, we examined the changes in clamping force associated with handling and refastening.

샤시계 체결부 토크법 역회전 재체결시 1차토크 조건에 따른 체결특성 영향 연구

조혁준(Hyuckjun Jo),백승진(Seung Jin Baek),한지혜(Jihye Han) 한국자동차공학회 2023 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2023 No.11

Torque control tightening in elastic area is the most widely used method when fastening bolts. However, preload scatter of bolts occurs because the material properties (e.g fiction coefficient) of bolts and base materials do not match 100%. There is an improvement plan which is reverse retightening method for reducing preload scatter. In this paper, reverse retightening method is analyzed and its principles will be explained.

컴프레서 체결용 볼트의 적정 토크 설정에 관한 연구

공유식(Yu Sik Kong),김태완(Tae Wan Kim) 한국트라이볼로지학회 2013 한국윤활학회지(윤활학회지) Vol.29 No.5

When a threaded fastener is tightened, the torque-tension relationship is highly sensitive to two friction components: thread friction and head friction. In this study, we carried out friction experiments and analyses to determine the optimum clamping torque setting for bolt joints. First, we measured the coefficients of thread friction and head friction under the same running conditions of the bolt clamping process for lubricated and nonlubricated bolts. We also measured axial tension through bolt clamping tests using lubricated and non-lubricated bolts attached to a strain gauge. Finally, we compared the experiment and theoretical results.

고력볼트 시공환경에 따른 토크계수와 체결축력에 관한 실험적 연구

이현주,나환선,김강석,김진호,김진만,Lee, Hyeon Ju,Nah, Hwan Seon,Kim, Kang Seok,Kim, Jin Ho,Kim, Jin Man 한국강구조학회 2008 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.20 No.1

현재 국내에서 현장 체결공법으로 채용하고 있는 토크관리법은 토크계수를 근거로 해서 간접적으로 도입축력을 제어하는 방법이기 때문에 현장에서의 토크계수 관리가 상당히 중요하다. 따라서 본 연구에서는 현장 시공시 볼트보관방법 및 현장관리에서 일반적으로 발생할 수 있는 주요 환경 요인 중 수분 침투, 녹 발생, 외기노출, 와셔의 오용 등 다양한 실험변수로 계획하여 토크계수의 변화에 따른 도입축력의 차이를 확인하기 위하여 실험을 수행했다. 실험에 사용된 볼트는 육각 고력볼트, TS 고력볼트, 아연피막처리 육각 고력볼트, ASTM A490 고력볼트로서 4종류로 구분하여 수행되었고, 각 볼트별로 시공환경에 따른 체결특성을 비교 분석하였다. Because the torque control method, which is also caled the clamping method in domestic construction sites, is affected by a variation of the torque coefficient, quality control of the torque coefficient is essential. This study was focused to evaluate the effects of several environmental factors and errors when installing bolts while tightening high-strength bolts. Conditioning environmental parameters include wet, rusty and exposure-to-air-only conditions. In addition, because of errors in workability such as instalation of two washers, upset washers are selected. During the tests, torque, torque coefficient, tension and angle of nut rotation were obtained using a bolt testing machine. Test specimens of four types of bolts (High-Strength Hexagon bolt on KS B 1010, Torque Shear Bolt on KS B 2819, High-Strength Hexagon bolt coated with zinc, and ASTM 490 bolt) were recomended. Based on test results, the tightening characteristics subjected to environmental parameters were investigated and compared with the results in normal condition.