체결 부품 및 체결부 설계 가이드

안녕하세요. 오늘은 모터 설계를 하면서 종종 참고하는 내용을 작성해보았습니다.

볼트 체결부 설계 지침서를 만들어보았는데요, 모터는 전기적인 내용, 전자적인 내용, 기계적인 내용, 재료와 관련된 내용, 제어 등 폭 넓게 알아야 하는 듯 합니다.

 

 

위 이미지를 보시면, 체결 상대물의 드릴 깊이, 탭깊이에 대해 이해하기가 쉬우실거에요.

①번 상대물에 이미 가공되어 있는 영역(파란색)이 드릴로 가공한 "드릴 깊이"입니다.

물리적으로 볼트가 들어가는 공간을 만들어 내는 부분입니다.

해당 영역에 별도의 "탭 가공"을 통해 나사산 형태를 만들게 되는데, 그 때 나사산의 깊이를 "탭 깊이"라고 합니다.

 

따라서, 체결물인 볼트의 길이는 드릴 깊이보다는 작을 거에요. 그러나 탭 깊이보다는 길게 가져갑니다.

그 이유는 볼트 끝단 부는 체결이 되더라도 체결 강도가 보통 약하기 때문이에요.

그래서 볼트 끝단 부가 존재할 수 있는 여유 공간을 제공하기 위해 "드릴 깊이"는 보통 "탭 깊이"보다 2~3mm 정도 더 깊에 가공하게 됩니다.

 

예를 들어, 볼트 길이 16mm를 선정한다면 탭깊이는 15mm에 드릴깊이는 18mm 정도 가져가는 것이 경험 상 적당했던 것 같습니다.

여기서 탭 깊이는 볼트의 물림길이와 같게 될 건데, 이 물림길이는 볼트 직경을 기반으로 물림율을 검토해서 보통 정하게 됩니다.

 

그리고, 볼트를 선정할 때 중요한 건 체결 토크인데요.

 

체결토크는 아연도금 볼트는 0.15 정도, 건식의 경우 0.2의 계수를 기반으로 필요 축력과 볼트 직경을 곱해서 계산했습니다.

예를 들어 M10짜리 아연도금 볼트를 사용하는데, 내구 해석 결과 10,000N의 축력이 필요하다면 12 ~ 18Nm의 체결토크를 설계 도면에 기입했습니다.

 

아래는 볼트 체결부 설계 지침서를 작성해보았습니다.

 

업무에 참고하시면 좋을 듯합니다.

 

감사합니다.

기계설계를 위한 볼트 체결부 설계 지침서

1. 목적

이 지침서는 기계설계 시 볼트 체결부의 신뢰성과 가공성을 확보하기 위한 기준을 제공합니다. 특히 드릴 깊이, 탭 깊이, 체결 토크 선정에 대한 명확한 원칙을 정리하여 현장 설계 오류를 최소화하는 데 목적이 있습니다.

2. 주요 정의

드릴 깊이 (Drill Depth)	탭 가공 전 드릴로 뚫는 구멍의 전체 깊이
탭 깊이 (Tap Depth)	실제로 나사산이 가공되는 깊이
체결 깊이	볼트 나사산이 체결되는 깊이 (=탭 깊이)
볼트 길이	볼트 나사산부의 전체 길이 (머리 제외)
물림율 (Engagement Ratio)	체결 깊이/볼트 직경
체결 토크 (Tightening Torque)	볼트를 조일 때 적용하는 회전력
축력 (Axial Force)	체결을 통해 생성되는 볼트 축방향 인장력

 

3. 설계 기준

3.1 드릴 깊이 선정

• 원칙:드릴 깊이 = 탭 깊이+ 2~3mm
• 목적:
  • 탭 가공 말단 무나사 영역 확보
  • 칩 제거 여유
  • 볼트 말단 간섭 방지

3.2 탭 깊이 및 물림율 선정

• 기준 물림율:

재질 조합 권장 물림율 (물림율 = 체결 깊이/볼트 직경)

강재 ↔ 강재	1.0 ~ 1.2
강재 ↔ 연질재(Al 등)	1.5 ~ 2.0
연질 ↔ 연질	2.0 이상

• 최소 기준:탭 깊이≥볼트 직경×1.0
• 과도한 물림율은 불필요한 가공 시간과 비용 증가를 초래함.

3.3 볼트 길이 선정

• 기준:탭 깊이≤볼트 나사산 길이≤드릴 깊이
• 주의사항:
  • 막힘 구멍일 경우 드릴 깊이 초과 시 파손 위험
  • 스탠다드 볼트 제품 사용 시, 나사산 길이를 확인하고 탭 깊이에 맞춰 설계

4. 체결 토크 및 축력 계산

4.1 체결 토크 공식

$$T=K⋅d⋅F_t$$

• T: 체결 토크 [N·m]
• K: 토크 계수 (0.15~0.25)
• d: 볼트 직경 [m]
• Ft: 목표 체결 축력 [N]

4.2 토크 계수 기준

조건 계수(K) 범위

건식	0.20 ~ 0.25
윤활제 사용	0.15 ~ 0.20
도금(아연, 니켈 등)	0.12 ~ 0.18

 

4.3 축력 안전율 기준

• 축력은 볼트 항복강도의 70~90% 이하에서 설정
• 안전율(Safety Factor)

$$S = \frac{\sigma_{\text{yield}}}{\sigma_{\text{bolt}}} \geq 2.0$$

5. M10 실무 적용 예시

볼트 규격	M10 × 1.5	ISO 규격 나사산
드릴 깊이	17mm	탭 깊이 + 3mm 여유
탭 깊이	14mm	물림율 1.4 확보
볼트 길이	16mm	나사산 길이 14mm, 스탠다드품
체결 토크	40~45N·m	강재, 건식 기준
목표 축력	20,000N	항복 강도 8.8 기준 약 80%

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6. 설계 체크리스트

• 물림율 1.0 이상 확보되었는가?
• 드릴 깊이는 탭보다 2~3mm 깊은가?
• 볼트가 드릴 깊이를 초과하지 않는가?
• 체결 토크가 볼트 강도 대비 안전한가?
• 재질별 물림율 기준을 반영했는가?