나사(screw)

1 개요

 1) 나사의 일반사항

   - α : 리드각 = tan^-1(p/πd)
   - p : 피치

   - 호칭지름(d) : 바깥지름 또는 나사규격

   - 골지름(d1) : 볼트 최소 직경

   - 유효지름(d2) : 바깥지름과 골지름의 평균지름

   - 나사높이(h) : 골지름과 바깥지름 사이 높이

 2) 나사의 종류

   ① 삼각나사

      - 미터나사(Metric thread)

        * 나사산의 각도가 60도

        cf. M3x0.5        M : 나사의 종류        3 : 호칭지름(d2)        0.5 : 피치

      - 유니파이나사(Unified thread)

        * 나사산의 각도가 60도

        cf. 1/4-20UNC        1/4 : 나사의 지름        20 : 산수(inch 안에 있는 산 수)

        UNC : 보통 나사의 종류(UNF : 가는나사)

   ② 사각나사

2 나사의 규격

 1) 나사규격의 정의
   - 나사의 KS규격을 보면 나사는 아래 지름에 대해 세가지로 정리해서 그 규격을 정의하고있다.

   - 나사의 규격을 구분한 이유는 나사의 기계요소를 계산할때 필요한 치수가 다르기 때문이다.

 

 

     * D : 바깥지름(호칭치수)

     * D1 : 골지름

     * D2 : 유효지름

 2) 나사규격 상세

    ① D : 바깥치수(호칭지름)

      - 나사의 규격을 지정하기 위해 정의한 치수이다.

      - 나사의 외곽(나사산의 정상부분)의 치수를 뜻한다.

    ② D1 : 골지름

      - 나사의 인장/압축응력을 계산하기 위해 필요하다.

    ③ D2 : 유효지름

      - 나사의 토오크를 계산하기 위해 필요하다.

      - 유효지름은 사각나사에만 (D+D1)x1/2이다.

 3) 나사 설계시 주의사항

   - 나사의 기계요소설계할때 반드시 구분하여 치수를 구분해야 한다.

    cf. M10 볼트의 호칭지름 10mm 를 가지고 인장, 토오크를 계산하면 그 오차는 아래와 같다.(보통나사 기준)
 
     ▶ (0.785XD1^2)/(0.785XD^2)=0.70

     ▷ (0.785XD2^2)/(0.785XD^2)=0.81

 

    즉, 정상계산값보다 토오크 계산시 81%수준으로 인장압축 계산시 70% 수준으로 낮기에 틀린 계산식이 된다.

    나사의 사양을 선정할때는 반드시 D, D1, D2 를 구분하여 사용해야 한다.

3 나사의 역학적 해석

 1) 사각나사

  ① 나사의 회전 torque

 

      μ : 마찰계수   ρ : 마찰각  2) 나사의 체결력

  ② 나사의 자립조건

     - 관련 공식(나사의 풀림)

       * 해석

          α=ρ P'=0 : 임의의 위치에서 정지

          α>ρ P'<0 : 나사가 풀림

          α<ρ P'>0 : 정지(나사를 풀기위해서는 차이만큼의 힘이 필요)

 

  ③ 나사의 효율   

     - 회전력으로 효율 정의

     - 일량으로 효율 정의

 

 2) 삼각나사

   ① 상당마찰 계수

     - 공식

 

     * β : 마찰각(60도 해당)   ρ : 상당 마찰각

   ② 나사를 조이는 힘

   ③ 나사의 효율

 

 

4 나사의 풀림방지

 1) 풀림역학(풀림기준)

   - T(토오크), P(하중) 값의 증대가 필요함.

   - 접촉면 마찰력 증대(μ 값 증대)

   - 마찰각의 증대/마찰계수 증대(μ 값 증대)

   - 피치의 감소(p 값 감소)

   - 진동억제(진동시 마찰력 감소)

 2) 상용 나사의 풀림방지

   ① 마찰개선

     - 접착제(록타이트등)을 사용하여 마찰력 증대.
     - 와셔 표면을 거칠게하여 표면 마찰력 증대

     - 스프링와셔등을 끼워서 마찰력을 가중시킴.

  ② 물리적고정

     - 록너트(Locknut) 사용
     - 홈붙이 너트를 사용하여 너트가 돌지 못하게 함
     - 특수와셔를 사용하여 볼트 또는 너트가 돌지 못하도록 방지함.
     - 멈춤나사를 사용하여 볼트 나사부를 고정.

     - 볼트 또는 너트에 구멍을 뚫고 핀을 꽂음으로 풀림 방지함.