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Jan 31, 2024

체결 하중 및 접합 응력에 대한 볼트 접합 분석

그림 1. 이 화면 캡처는 자동차 차동 장치의 FEA 분석을 보여줍니다.

그림 1. 이 화면 캡처는 예상 하중 하에서 자동차 차동 하우징에 대한 FEA 분석을 보여줍니다. 종종 그렇듯이, 가장 높은 응력은 볼트 장력으로 인해 발생합니다(이 경우 두 탭 구멍에 작용함). 사진 제공: Keweenaw 연구센터

이 그래프는 육각 머리 캡 나사와 플랜지 머리 캡 나사의 접촉 압력과 압축 항복 강도를 비교합니다. 접촉 압력 영역은 0.18 및 0.52평방인치의 접촉 면적에 대한 최소 보증 하중의 75%의 균일 하중을 가정합니다. 각 영역의 상단 및 하단 가장자리는 각각 8등급 및 5등급 나사에 의해 가해지는 압력입니다. 출처: 피크 혁신 엔지니어링

이러한 압력 감지 필름 스캔은 5,000파운드로 장력이 가해진 ½인치 볼트 머리 아래의 압력 분포를 보여줍니다. 사진 제공: Peak Innovations Engineering

이 감압 필름 사진은 서로 다른 두 공급업체(중간 및 하단)의 육각 플랜지 너트(상단)와 육각 플랜지 캡 나사의 베어링 표면 전반에 걸친 압력 분포를 보여줍니다. 본 연구는 그림 3에 사용된 육각 플랜지 나사가 예기치 않게 플랜지의 외부 직경이 아닌 틈새 구멍의 가장자리에 압력이 집중된 것을 나타냈을 때 수행되었습니다. 사진 제공: Peak Innovations Engineering

이 그래프는 ½인치-13 나사와 너트로 고정된 두 개의 실린더(직경 2.25인치, 길이 2인치)에 대한 압력 분포를 보여줌으로써 불균일한 클램프 하중 문제를 보여줍니다. 이 두께에서도 최대 압력은 볼트 장력을 접합면의 접촉 면적으로 나누어 예측한 것보다 여전히 40% 더 큽니다. 그래프 제공: Peak Innovations Engineering

이 FEA 분석은 결합 나사산의 응력을 보여줍니다. 출처: "볼트 접합의 응력 분석", László Molnár 등. 알.

그림 7. 이 그래프는 다양한 일반적인 너트 부재 재료에 대한 공칭 패스너 직경을 기준으로 추정된 나사 결합을 요약합니다. 사진 제공: Peak Innovations Engineering

볼트 체결부 개발에 있어 많은 중요한 고려 사항이 간과되는 경우가 많습니다. 주어진 조임 전략에 대해 달성된 볼트 장력을 추정하는 것은 확실히 일반적인 초점이지만, 조인트 구성 요소에 대한 하중의 영향은 충분히 논의되고 이해되지 않습니다.

나사형 패스너가 널리 사용되는 한 가지 이유는 작은 영역에서 엄청난 양의 클램프 하중을 생성할 수 있기 때문입니다. 클램프 하중은 조인트 구성요소가 서로 상대적으로 움직이지 않고 함께 고정되는 메커니즘이기 때문에 핵심입니다. 이는 틀림없이 구조 조인트의 주요 요구 사항입니다. 그러나 작은 면적에 큰 하중을 가하면 높은 수준의 스트레스가 발생하여 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, ½ - 20 등급 8 볼트는 거의 20,000파운드의 클램프 하중을 공급할 수 있습니다. 표준 9/16인치 여유 구멍에 있는 표준 육각 헤드 베어링은 모든 하중이 동전 크기의 절반에 불과한 영역에 작용한다는 것을 의미합니다. 결과적인 응력은 대부분의 재료의 항복 강도를 초과합니다. 이는 스파이크 힐이 나무 바닥에 미칠 수 있는 효과와 유사합니다.

이 기사에서는 하중이 분산되는 두 개의 반대 영역(헤드나 너트 아래와 결합 나사산)에 대한 볼트 장력의 영향을 조사합니다. 예를 들어, 그림 1은 자동차 차동 하우징의 유한 요소 분석(FEA)을 보여줍니다. 종종 그렇듯이 나사산 구멍에는 가장 높은 응력이 작용합니다.

볼트 장력과 그에 따른 클램프 하중을 결정하기 위한 테스트를 하지 않은 것을 제외하고, 볼트 머리나 너트 아래 재료의 압축 항복 강도를 초과하는 것은 권장 설계 관행에서 가장 일반적인 편차입니다. 볼트 조임의 가장 일반적인 목표는 볼트 내력의 75%를 달성하는 것입니다. 설명을 위해 ½-13 육각 머리 캡 나사를 사용한 그림 2는 표준 9/16인치 간격 구멍을 가정할 때 결합 재료에 대한 볼트 장력에 의해 생성되는 압력을 요약합니다. 그런 다음 해당 압력을 다양한 경도를 가진 일반 강철 클램프 부재의 예상 압축 항복 강도와 비교합니다.