볼트 조임 토크의 결정 예시 (Tightening Torque)

·▶ 본 토크값의 예시는 볼트 조임토크 값에 대한 예시의 안내일 뿐, 본 내용을 기준으로 하여 실제 적용시 발생하는 결과에 대하여서는 일체 책임이 없음을 알려 드립니다. 반드시 볼트 공급 업체를 통하여 적합한 토크 조임값을 접수하여 실무에 적용 하시길 당부 드립니다.

 

ISO 기준에 따른 볼트 체결 토크 계산은 체결의 신뢰성을 보장하고, 과도한 체결 또는 부족한 체결로 인해 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위해 중요합니다. 토크 값은 주로 체결되는 볼트와 너트의 크기, 재질, 마찰 계수, 그리고 요구되는 체결력을 기반으로 계산됩니다.

1. 토크(Torque)의 기본 계산식

ISO 898-1 등의 표준에 따르면, 볼트의 체결 토크(T)는 다음과 같이 계산됩니다:

T = K·F·d

• T: 체결 토크 (Nm)
• K: 토크 계수 (마찰 계수와 나사 형상에 따른 계수)
• F: 체결력 (볼트의 축 방향 힘, N)
• d: 볼트의 공칭 지름 (m)

2. 주요 요소 설명

(1) 토크 계수 (K)

• 토크 계수는 마찰에 의해 결정됩니다.
• 마찰 계수는 나사산과 접촉면 사이의 마찰 특성에 따라 달라지며, 일반적으로 다음 값을 참고합니다:

처리방식/상태	마찰계수 [㎛]	토크계수 [K]	설  명
일반 상태 (건조)	0.18 ~ 0.25	0.18 ~ 0.22	윤활 없이 사용된 일반 강철 볼트. 마찰 계수가 높아 체결 토크 증가.
윤활 상태 (오일, 그리스)	0.10 ~ 0.15	0.10 ~ 0.15	마찰 감소로 토크 계수가 낮아짐.
아연 도금 (전기 도금)	0.12 ~ 0.20	0.13 ~ 0.18	도금층의 윤활 여부에 따라 변동.
용융 아연 도금	0.30 ~ 0.45	0.30 ~ 0.38	도금층이 두꺼워 높은 마찰 계수를 가짐. 체결 토크 증가.
다크로 도금	0.09 ~ 0.14	0.10 ~ 0.15	균일한 도금으로 마찰 감소 및 안정적 체결 토크 제공.
니켈 도금	0.13 ~ 0.20	0.14 ~ 0.18	도금층이 매끄럽고 균일하며 부식 방지 기능 제공.
PTFE 코팅 (테플론)	0.04 ~ 0.08	0.04 ~ 0.07	매우 낮은 마찰 계수로 토크 계수도 작음. 고강도 체결 작업에 적합.
세라믹 코팅	0.08 ~ 0.12	0.08 ~ 0.10	체결력 균일성 보장. 고온, 고압 환경에서 사용.
녹 방지 오일 처리	0.10 ~ 0.16	0.11 ~ 0.15	마찰 감소로 체결 토크가 낮아짐.

(2) 체결력 (F)

• 볼트가 체결되었을 때 축 방향으로 작용하는 힘.
• ISO 898-1은 볼트의 강도 등급에 따른 허용 체결력을 규정합니다

F = 0.7 ·As ·Rm​

• As​: 볼트의 유효 단면적 (mm²).
  
  • 단순 계산 시 ISO 표준 유효 단면적 참조.
• Rm​: 볼트의 인장 강도 (MPa).
  • ISO 강도 등급(예: 8.8 등급)에서 Rm = 800 MPa

(3) 볼트 공칭 지름 (d)

• 체결되는 볼트의 외경 또는 유효 직경을 사용하며, 단위는 미터(m)로 변환해야 함.

3. 계산 예제

예제:
강도 등급 8.8, M10 볼트, 건조 상태(마찰 계수 K=0.2)

(1) 볼트의 유효 단면적 (As​):

ISO 898 표에 따르면 M10의 유효 단면적은 약 58 mm^2

(2) 체결력 (F):

F = 0.7 ⋅ As ⋅ Rm
F = 0.7 · 58 · 800 = 32,480N

 

(3) 체결 토크 (T):

T = K ⋅  F ⋅ d
T = 0.2 ⋅ 32,480 ⋅ 0.01 = 64.96 Nm

4. 표준 토크 값 참고 (ISO 898-1)

ISO는 일반적인 체결 조건에서 볼트 크기와 강도 등급에 따른 권장 토크 값을 제공합니다. 아래는 일부 예시입니다:

호칭경	마찰계수	최대 체결력 [N]			최대 조임토크 [N.m]
		ISO 898/1에 의한 나사 등급			ISO 898/1에 의한 나사 등급
		8.8	10.9	12.9	8.8	10.9	12.9
M6	0.100	9760	13700	16450	8.6	12	14.5
	0.125	9290	13050	15650	9.9	14	16.5
	0.140	9010	12650	15200	10.5	15	18
M8	0.100	17900	25200	30200	21	29	35
	0.125	17050	24000	28800	24	34	40
	0.140	16550	23200	27900	26	36	43
M10	0.100	28500	40100	48100	42	58	70
	0.125	27100	38200	45800	48	67	81
	0.140	26300	37000	44400	51	72	87
M12	0.100	41500	58400	70000	72	101	121
	0.125	39600	55600	66800	83	117	140
	0.140	38400	54000	64800	89	125	150
M14	0.100	57000	80100	96200	114	160	193
	0.125	54300	76400	91700	132	185	220
	0.140	52700	74100	89000	141	198	240
M16	0.100	78300	110000	132000	174	245	295
	0.125	74700	105000	126000	200	385	340
	0.140	72600	102000	122500	215	305	365
M18	0.100	95300	134000	161000	240	340	405
	0.125	90900	128000	153500	275	390	470
	0.140	88200	124000	149000	295	420	500
M20	0.100	122500	172000	206000	340	475	570
	0.125	117000	164000	197000	390	550	660
	0.140	113500	159000	191500	420	590	710
M22	0.100	153000	215000	258000	455	640	765
	0.125	146000	205000	246000	530	745	890
	0.140	142000	199500	239500	570	800	960
M24	0.100	176000	248000	297000	580	820	980
	0.125	168000	236000	284000	675	950	1140
	0.140	163500	230000	276500	725	1020	1220
M27	0.100	232000	326000	391000	855	1210	1450
	0.125	221000	311000	374000	995	1400	1680
	0.140	215000	302000	363000	1070	1510	1810
M30	0.100	282000	396000	475000	1160	1640	1970
	0.125	269000	378000	454000	1350	1900	2280
	0.140	261000	367000	441000	1450	2050	2450
M33	0.100	351000	494000	592000	1570	2210	2650
	0.125	335000	472000	566000	1380	2580	3090
	0.140	326000	458000	550000	1970	2770	3330
M36	0.100	412000	579000	695000	2030	2850	3420
	0.125	394000	553000	664000	2360	3310	3980
	0.140	382000	538000	645000	2530	3560	4280
M39	0.100	495000	696000	835000	2620	3680	4420
	0.125	473000	665000	798000	3050	4290	5150
	0.140	460000	646000	776000	3290	4620	5550

최대 체결력은 항복강도의 90% 값을 예시한 것이며, 조임 토크값도 이때의 값을 명기함. 실제 적용시에는 나사의 안전율에 따른 보정값을 감안하여, 최대 체결력 값을 줄여야 합니다.

 

5. 토크렌치 허용 공차의 의한 토크값 보정

토크렌치는 브랜드 및 제품마다 각각의 공차값을 가지고 있습니다. 따라서 토크 조임을 실시 할때 토크렌치의 공차값을 고려하여 작업을 진행해야 합니다.

 

사용 토크값 = 최대 토크값 - 토크렌치 고차값

예를 들어, 토크렌치의 허용 공차값이 ±10%라 가정하고, 호칭경 M10, 볼트 등급 10.9에 아연도금한 나사의 경우에는 아래와 같이 사용 최대 토크값이 결정 될수 있다.

또한, 현장 작업자 및 사용공구의 정밀도에 따라 추가적인 보정값을 적용 해야 한다. 일반적으로 너트러너와 같은 장비를 사용할 경우에는 ±3 N.m 면 충분하지만 토크렌치등을 사용할 경우 이보다 더 큰 값을 적용 해야 한다.(대략 5~ 10 N.m)

 

10.9, M10 볼트의 최대 조임 토크값 = 67 N.m
사용최대 토크값 = 67 · (1 - 0.1) = 60.3 N.m
숙련도에 따른 보정 토크값  = 60.3 - 5 = 50.3 N.m ± 5 N.m

6. 체결력 적정성 검토

상기 조건에 따라 토크값을 적용한 후에 최소값에 대한 체결력을 검토하여 그 값이 필요 체결력을 상회 해야한다. 그렇지 않다면, 체결력이 부족하여 문제가 발생 될수 있으므로 이경우에는 볼트 호칭경을 한 치수 큰것으로 적용 하거나 강도 등급을 높은것으로 교체한뒤 상기 계산 방식을 반복적으로 수행 해야 한다.

 

최대 토크값 = 67N.m일때 최대 체결력은 38200 N (상기 표 참조)
최소 체결력 = 38200 · 45.3 / 67 = 25827.8 N