마찰은 두 물체가 서로 접촉할 때 발생하는 힘입니다. 마찰은 모든 운동의 반대 개념입니다. 물체가 어느 방향으로 움직이든 마찰은 물체를 반대 방향으로 끌어당깁니다.
그럼에도 우리에게는 반드시 마찰이 필요합니다. 마찰이 없다면 우리는 걷지도, 의자에 앉지도, 계단을 오르지도 못할 것입니다. 그저 모든 것이 계속 미끄러질 뿐이죠.
독일 화스너 협회의 전 전무이사이자 마찰 분야에서 50년 이상 전문성을 쌓아온 Frank Naumann은 볼트 체결부에는 항상 마찰이 존재한다고 설명합니다. 이는 한편으로는 토크를 필요한 축력으로 변환하는 작업의 효율을 제한하기도 하지만, 다른 한편으로는 체결부의 풀림 방지를 위한 축력을 유지하는 데 필수적인 요소이기도 합니다.
"체결 과정에서 회전하는 부품 사이의 마찰을 설명하는 두 가지 계수가 있습니다."라고 나우만은 말합니다. "첫째는 나사 머리 아래 또는 너트 아래와 베어링 표면 사이의 마찰 계수 μb(μb = 와셔 마찰)이고, 둘째는 나사산 사이의 마찰 계수 μth(μth = 나사산 마찰)입니다. 둘 다 많은 양의 에너지를 소비하면서 이를 쓸모없는 열로 변환시킵니다. 예를 들면 µb=µth= 0.10인 경우, 토크의 16%만이 축력으로 변환됩니다. 여기서 윤활 관리로 계수의 값을 조절할 수 있습니다. 자동차 산업에서는 주로 0.08에서 0.16 사이의 범위를 사용합니다."
볼트 체결에 있어서 마찰은 때때로 해결책의 일부이기도 하지만 문제 요인의 일부이기도 합니다. 물론 볼트의 클램프 하중은 주로 볼트를 체결하는데 적용되는 토크에 의해 결정됩니다. 하지만 볼트 직경과 길이, 나사산의 형상, 나사산과 볼트 헤드 및 너트 아래에 발생하는 마찰 계수와 같은 측면도 영향을 미칩니다.
마찰 계수는 체결 토크와 그에 따른 볼트 인장력 및 응력을 계산하고 연결된 표면 사이의 마찰력을 계산하는 데 필요합니다.
그러나 차트에 표시된 마찰 계수의 대략적인 값은 대표적인 값일 뿐입니다. 따라서 다른 출처의 정보와 비교하여 확인하는 것이 좋으며, 가급적 실제 테스트를 통해 확인해야 합니다.
토크 값은 나사산에서 발생되는 마찰과 체결된 볼트 헤드 및 너트와 체결된 자재 또는 와셔(사용 시) 사이에 발생하는 마찰에 따라 달라집니다. 실제로 체결하는 과정에서 대부분의 토크는 헤드, 너트, 나사산 아래의 마찰을 극복하는 데 소모됩니다. 따라서 전체 토크의 극히 일부만이 클램프 하중 또는 인장력으로 변환됩니다.
토크 렌치는 볼트의 축력을 정확히 측정할 수 없습니다. 토크가 가해질 때 토크가 가해지는 측에 따라 볼트 헤드 및 너트 아래에 발생하는 정적 마찰을 극복해야 하며, 나사산에서 발생하는 마찰 역시 극복해야 합니다.
적용된 토크의 약 50%는 토크가 가해진 볼트 헤드와 너트 아래의 마찰로 인해 손실되고, 약 40%는 나사산의 마찰로 인해 손실됩니다. 따라서 적용된 토크의 단 10%만이 실제로 볼트를 늘려 축력을 확보하는 데 사용되게 됩니다.
마찰은 볼트 체결부를 고정하는 수단으로 주로 사용됩니다. 가장 일반적인 예로는 변형 나사 너트, 나일론 너트 또는 회오리/이붙이/스타 와셔 등이 있습니다. 이러한 솔루션의 원리는 나사산 또는 볼트 헤드와 너트 아래의 마찰력을 증가시켜 볼트를 고정시키는 것입니다.
그러나 비틀림, 고착, 갈링과 같은 문제는 이러한 마찰 기반 솔루션에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
여기에 더해 마찰 기반 고정 방식에서는 체결부의 비틀림 응력 증가로 인한 문제도 발생할 수 있습니다. 강한 비틀림에 의해 화스너가 예상보다 낮은 축력에서 파손될 위험이 있기 때문입니다. 또한 마찰 상태가 균일하지 않으면 필요한 축력을 확보하지 못할 가능성도 높아집니다.
스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 및 기타 합금으로 만들어진 화스너에서도 예측 불가한 나사산 갈링(냉간 용접) 현상이 발생할 수 있습니다. 나사산 갈링은 볼트 체결 시 화스너를 조이는 동안 접촉면과 움직이는 나사산 표면 사이에 압력이 축적되면서 발생합니다.
극단적인 경우 갈링은 나사산이 서로 엉겨붙어 볼트가 완전히 굳어버리는 고착 현상으로 이어질 수 있습니다. 이때 계속 체결을 시도하면 화스너가 비틀어지거나 나사산이 찢어질 수 있습니다.
윤활유는 마찰을 줄이고 균일한 클램프 하중을 얻기 위해 자주 사용됩니다. 내부 및 외부 나사산을 정기적으로 윤활 처리하는 것으로 나사산 갈링을 방지할 수 있습니다.
Dörken의 제품 매니저인 Michael Stähler에 따르면, 최신 트렌드는 볼트나 너트를 필요한 용도에 적합한 코팅제로 코팅하는 것입니다. 이는 주로 윤활 기능이 포함된 코팅제를 사용하는 방식으로, 코팅 후 별도의 윤활제를 적용하는 추가 작업이 더 이상 필요하지 않기 때문입니다. 또한 온도를 견디지 못하는 코팅제는 체결부가 풀리는 원인이 될 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 윤활은 마찰 기반 잠금 방식의 기능을 현저히 감소시키거나 완전히 상실시킬 수 있습니다. 따라서 윤활제는 잠금 기능을 방해할 수 있으므로 마찰 기반 잠금 방식과 함께 사용해서는 안 됩니다.
클램프 하중을 조절하는 것은 매우 중요한데, 이는 마찰의 범위를 감소시킴으로써 실현할 수 있습니다. 마찰을 기반으로 하지 않는 볼트 체결 솔루션을 사용하는 경우에는 윤활제를 사용하는 것이 권장됩니다.
윤활을 통하여 마찰을 줄임으로써 축력 제어 능력이 향상되고 축력의 확산은 현저히 낮출 수 있습니다. 결과적으로 볼트의 최대 성능을 활용할 수 있고 볼트 체결부의 수명 또한 연장됩니다. 피로로 인한 볼트 파괴는 예기치 않은 생산 중단을 초래할 수 있습니다.
Nord-Lock 와셔와 마찰
Nord-Lock 와셔는 마찰이 아닌 장력을 이용해 볼트 체결부를 고정합니다. 이 와셔는 쐐기 효과를 발생시키도록 설계되었으며, 체결을 풀 때 장력이 증가하는 것을 통해 그 효과를 확인할 수 있습니다.
와셔의 쐐기 효과는 볼트가 풀리는 현상을 방지합니다. 볼트 체결부는 와셔와 접촉면 사이의 정상적인 안착으로 인한 초기 축력의 미세한 손실이 발생합니다.
체결부를 확실하게 고정함과 동시에 나사산 마찰을 줄이는 것은 일반적으로 불가능하다고 여겨집니다. 그러나 장력을 이용한 Nord-Lock의 쐐기 잠금 와셔를 사용하면 윤활을 통해 이를 실현할 수 있습니다.
"쐐기 잠금 방식은 마찰이 아닌 장력을 기반으로 합니다. 쐐기 잠금 와셔의 가장 보편적인은 설명은 볼트의 나사산 피치보다 더 큰 각도의 캠을 가진 와셔 한 쌍입니다. 한 쌍의 와셔는 캠면끼리 맞물려 설치됩니다. 볼트/너트를 체결하면 세레이션이 체결면을 잡아 고정하므로 캠의 한 면을 넘어야만 회전할 수 있습니다. 이후 체결된 볼트/너트의 회전은 캠의 쐐기 효과에 의해 차단됩니다. 이러한 쐐기 잠금 기능은 윤활의 영향을 받지 않습니다. 또한 이 기술을 사용하면 각 볼트의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다." 라고 Nord-Lock의 애플리케이션 엔지니어인 Lena Kalmykova는 말합니다.
마찰에 대한 놀라운 사실
마찰은 표면의 특성, 즉 표면의 평탄도, 둥글기, 거칠기 등에 따라 달라집니다. 또한 마찰은 표면이 어떤 종류의 매질 속에 있는지, 젖은 상태인지 건조한 상태인지, 매질 속에 어떤 입자가 있는지에 따라서도 달라집니다.
마찰은 기계학, 화학, 유체 역학 등 다양한 분야에 영향을 미치기 때문에 매우 복합적인 분야입니다. 마찰의 관점에서 무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 알기 위해서는 원자 수준까지도 살펴봐야 합니다.
미끄럼 마찰의 기본 법칙은 레오나르도 다빈치에 의해 발견되었습니다. 이후 Guillaume Amontons 이 표면의 요철과 표면에 가해지는 무게에 따른 마찰의 성질을 제시하면서 이 법칙을 재발견했습니다.
지난 세기 동안 미시적 수준의 표면 간 실제 접촉 면적은 외관상 보이는 면적의 극히 작은 부분이라는 것이 밝혀졌습니다. 이후 원자력 현미경의 발달로 과학자들은 원자 수준에서 마찰을 연구할 수 있게 되었습니다.
정적 마찰은 서로 맞닿아 있는 두 표면 사이에서 발생합니다. 이는 표면의 굴곡이 서로를 더욱 안정적으로 고정할 수 있는 기회를 만들어줍니다.
