체결 토크와 체결력의 관계

1. 체결 토크란?

체결 토크(Tightening Torque)는 볼트나 나사 등을 조일 때 작용하는 회전력을 말합니다.
이 토크가 재료에 적절한 **체결력(축방향 하중)**을 만들어야 부품 간 결합이 유지됩니다.

즉, 토크는 회전운동의 입력이고, 체결력은 이 회전이 만든 축방향의 결과입니다.

2. 체결력(Preload, 축방향 하중)이 중요한 이유

• 🔩 풀림 방지: 체결력이 부족하면 진동·열 팽창 등에 의해 풀림 발생
• ⚙️ 하중 분산: 조인트 면 간 간격 유지 → 하중이 균일 분산됨
• 🧱 조인트 강성 확보: 체결력이 커야 변형이 적고 응답 특성이 안정적임

3. 기본 관계식

체결 토크(T)와 체결력(F)의 관계는 다음과 같습니다:

T = K × F × d

기호의미

T	체결 토크 (N·m)
K	토크계수 (무차원, 보통 0.15~0.25)
F	체결력 (N)
d	나사 외경 (보통 유효경, m 단위)

👉 이 식은 간단하지만 실무에서 경사면 마찰 + 나사산 마찰을 단순화한 형태입니다.

4. 실무 공식 (보다 정확한 모델)

실제 체결 토크는 두 가지 마찰을 더해 다음처럼 나뉩니다:

T = T_thread + T_bearing

이를 풀어쓰면:

T = (F × d_2 / 2) × (p / (π × d_2) + μ_thread × secα) + (F × μ_bearing × D_b / 2)

기호	의미
F	체결력 (N)
d_2	유효 나사경 (mm)
p	나사 피치 (mm)
α	나사 산각/2
μ_thread	나사산 마찰계수 (보통 0.12~0.2)
μ_bearing	저면(너트와 판) 마찰계수 (보통 0.1~0.15)
D_b	너트 접촉면 평균지름 (mm)

5. 실무 예제 – M10 볼트 체결력 계산

항목	값
나사 규격	M10 (피치 1.5mm)
체결력 목표	20,000 N
유효경 d₂	약 8.16 mm
마찰계수	0.15 (K값)

간단식 적용:

T = 0.15 × 20,000 × 0.01 = 30 N·m

정밀 계산 시 나사산/저면 마찰 고려하면 약 28~35 N·m 수준으로 조정됨

6. 체결 토크 표 (대표값)

나사	강도 8.8 기준 체결력(N)	토크 (N·m) – K=0.2
M6	9,590	12.0
M8	17,770	28.4
M10	28,260	56.5
M12	41,310	99.1
M16	78,460	251.1
M20	122,550	490.2

※ 마찰계수 K = 0.2 가정. 재질, 윤활 여부에 따라 ±20% 오차 존재

7. 실무 팁

• 🌡 윤활 여부에 따라 마찰계수 변동 → 윤활 시 K값 0.12~0.15로 낮아짐
• 🔧 체결 토크 = 풀림 방지 보증 아님 → 별도 와셔·로크너트 적용 필요
• 📏 체결력은 길이보다 단면적에 비례 → M12 이상은 과도 체결 주의
• 🧰 체결 토크렌치 사용 시, 설정값은 마찰계수 반영한 보정값으로 설정

8. 마무리

체결 토크와 체결력은 기계설계에서 단순하지만 중요한 개념입니다.
볼트가 돌아가는 '힘'인 토크가, 실제로 얼마나 조여졌는지를 뜻하는 체결력으로 환산되려면
나사산, 저면의 마찰계수와 나사 구조를 충분히 이해하고 적용해야 합니다.

결국, 체결 토크는 단순한 수치가 아니라 "신뢰할 수 있는 체결 상태"의 핵심 지표입니다.