볼트와 너트, 어떻게 선택하고 설계해야 할까?

체결 실패를 방지하는 실무 설계의 정석

볼트와 너트는 기계 설계에서 가장 기본적인 부품이지만, 실제 설계 현장에서는 이 단순한 체결 요소로 인해 설비 고장, 진동 문제, 피로 파괴가 빈번히 발생합니다. 이는 단순한 체결 실수보다는 설계 단계에서의 부적절한 부품 선택이나, 하중 조건을 고려하지 않은 체결력 설계가 주된 원인입니다.

이번 글에서는 체결 설계의 핵심이 되는 볼트·너트의 선택 기준, 나사산 설계, 재질과 강도 고려, 하중 전달 메커니즘, 그리고 현장에서의 체결 관리 전략까지, 이론과 실무를 겸비한 시선으로 정리해봅니다.

1. 체결력이란 무엇인가?

체결력은 볼트와 너트가 조여질 때 생기는 **축방향의 압축력(preload)**입니다. 이 힘은 부품 간의 접합을 유지시키고, 외부 하중으로부터 풀림이나 변위를 방지하는 역할을 하죠.

하지만 실무에서는 체결력보다 하중 분산의 균형이 더 중요합니다. 예를 들어, 볼트가 인장 하중을 받는 상황에서는 체결력이 약하면 하중이 직접 볼트에 집중되면서 피로파괴 위험이 커집니다. 반면, 체결력이 충분하면 외부 하중이 접합면에 균등하게 분산되어 볼트의 수명을 높일 수 있습니다.

✅ 참고: 체결력은 토크로 유도되며, 이 토크는 일반적으로 마찰손실(약 85~90%)을 동반하므로, 정확한 프리로드 확보를 위해서는 토크 관리와 표면 마찰계수의 제어가 필수입니다.

2. 볼트와 너트, 어떤 기준으로 선택해야 할까?

① 강도 등급과 응력 설계

볼트에는 ISO 898-1에서 규정한 **기계적 등급 표시(예: 8.8, 10.9, 12.9 등)**이 있습니다. 예를 들어 ‘10.9’는 인장강도 1000 MPa, 항복비율 90%를 뜻합니다.

이때, 중요한 점은 단순한 강도만이 아니라 **볼트에 인가되는 최대 하중 대비 여유율(safety factor)**입니다. 일반적으로 체결부 설계에서 권장되는 여유율은 정하중 기준 2.0 이상, 피로 하중에서는 4.0 이상입니다.

등급인장강도(MPa)항복강도(MPa)주요 용도

8.8	800	640	일반 산업 구조물, 기계 프레임
10.9	1000	900	고하중 기계 장비, 차량 섀시
12.9	1200	1080	고속 회전체, 터빈, 프레스 설비

📌 주의: 고강도 볼트일수록 파단 전 변형이 적고, 취성 파괴(brittle fracture) 가능성이 있으므로 충격 하중에는 부적합할 수 있습니다.

 

② 나사 피치와 형상의 영향

나사산은 하중 전달의 핵심 구조입니다.

• **세피치(fine pitch)**는 나사산 각이 작고 체결력 유지에 유리하나, 이물질에 민감하고 파손 위험도 상대적으로 큽니다.
• **굵은 피치(coarse pitch)**는 조립성과 내구성은 좋지만, 체결력 유지에는 불리합니다.

나사 각도는 대부분 60°이지만, 삼각 나사, 사각 나사, 트래이프 나사(Trapezoidal) 등 형상에 따라 하중 전달 방식이 달라집니다.

• 삼각나사: 체결용, 일반 산업체계
• 트래이프 나사: 리드스크류, 선형이송 장치
• 사각나사: 하중 전달에 효율적이지만 제작 난이도 높음

 

③ 볼트 길이, 삽입 깊이, 유효 나사산

볼트는 단순히 조여지는 게 아니라, 하중을 전달하면서 지지하는 부품입니다. 그래서 유효 나사산 길이는 적어도 볼트 직경의 1~1.5배 이상 확보해야 합니다.

너트 깊이 역시 설계상 중요하며, 너트 두께 < 볼트 직경이면 하중 분산이 불균형해져, 나사산 피로 파손 위험이 증가합니다.

또한, 고정 대상의 재질이 연질일 경우, 삽입부 손상을 막기 위해 인서트 방식(예: 헬리코일, 리코일)을 병행하는 것도 효과적입니다.

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3. 체결력을 높이기 위한 실무 설계 전략

✔ 와셔 설계와 선택

와셔는 단순한 보조 부품이 아닙니다. 하중을 넓게 분산하고 체결력 유지를 돕는 중요한 요소입니다.

와셔 종류특징사용 조건

평와셔	체결면 보호, 압력 분산	전 영역
스프링 와셔	진동 흡수, 풀림 방지	저하중, 소형 체결
테이퍼 와셔	경사면 체결 보정	경사진 부품 조립 시
고정력 와셔(Serated, Star)	마찰력 증가	진동 많은 환경, 자동화 조립

📌 팁: 고진동 환경에서는 와셔보다 이중 너트, 너트 록킹 와이어, 로킹 패치 코팅 등의 기계적 풀림 방지 기술이 더 효과적입니다.

 

✔ 토크 관리와 프리로드 설계

체결 토크는 체결력의 주요 변수입니다. 그러나 재질, 나사산 마찰, 윤활 조건에 따라 실제 체결력은 큰 편차를 보입니다.

✅ 실무 팁: 동일한 토크에서도 마찰계수가 0.2 → 0.1로 감소하면 체결력이 2배 이상 증가할 수 있습니다.

프리로드 설정 시 고려할 점:

• 재질별 허용 응력
• 체결 토크와 마찰 계수 간 관계식 사용
• 표준 토크–프리로드 변환 표 활용 또는 스트레인 게이지로 직접 측정

4. 재질별 특성과 사용처

재질특징대표 사용 분야

탄소강	저렴, 일반 강도	기계 외장, 프레임
스테인리스강(SUS304, 316)	내식성 우수	수처리 설비, 야외 구조물
합금강(SCM, SNCM 등)	고강도, 피로 저항성 우수	중장비, 기어 체결
황동/동합금	연질, 전도성 우수	전기장비, 부싱 체결
알루미늄 합금	경량, 내식성	항공, 정밀전자 부품

이종 금속 체결 시 주의

스테인리스 볼트 + 알루미늄 구조물처럼, 서로 다른 전기화학적 전위를 가진 재질이 맞물리면 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion) 발생 위험이 있습니다. 이를 방지하려면 절연 와셔, 코팅제 적용, 전위차 최소화 조합이 필요합니다.

 

5. 체결 환경 및 하중 조건별 대응 전략

• 진동 환경: 스프링 와셔, 너트 락킹 장치, Loctite 적용
• 열팽창 발생 부품: 체결 후 열충격을 고려한 2차 체결 필요
• 정기 분해 조립 구조: 헬리코일, 삽입 너트 설계

또한, 하중 전달 구조를 고려할 때는 **이중 체결(backup bolt)**이나 프레임 지지 설계로 하중을 분산시켜야 피로 수명을 확보할 수 있습니다.

 

6. 실무 체크리스트

• ☐ 하중 조건과 사용 환경 파악 완료
• ☐ 강도 등급과 나사산 형상 적합 여부 확인
• ☐ 유효 체결 길이 및 삽입 깊이 확보
• ☐ 체결력 유지 위한 보조 장치 설계 적용
• ☐ 마찰계수, 윤활 조건 관리 계획 수립
• ☐ 체결 토크값 및 점검 주기 설정

 

마무리: 설계자는 체결을 전략적으로 생각해야 한다

‘체결’이라는 작업은 조여주는 것만으로 끝나는 것이 아닙니다. 볼트 하나, 너트 하나에도 하중 흐름, 재질 특성, 마찰 조건, 응력 집중 방지 등 수많은 공학적 고려가 필요합니다. 이 글을 통해 단순한 체결을 넘어, 구조적 신뢰성을 확보하는 설계 전략을 체득하시기 바랍니다.