체결 토크의 대부분은 마찰에 쓰입니다 — 같은 토크에서 축력이 달라지는 이유
같은 토크로 조였는데 볼트가 끊어지거나 풀리는 이유. 토크가 어디에 쓰이는지, 마찰에 따라 축력이 얼마나 달라지는지 계산 예시와 그래프로 설명합니다.
"정해진 토크로 조였는데 볼트가 끊어졌습니다." 정금이 종종 받는 문의입니다. "정해진 토크로 조였는데 풀렸다"는 문의도 있습니다. 두 문의에는 공통점이 있습니다. 토크값만으로 축력을 확정할 수는 없습니다. 토크와 축력 사이에는 마찰이 있고, 그 마찰이 토크의 대부분을 차지합니다.
볼트를 조이는 목적은 축력입니다
볼트는 늘어난 스프링처럼 부품을 눌러 붙잡습니다. 이 누르는 힘이 축력입니다. 축력이 충분해야 부품이 미끄러지거나 벌어지지 않고, 진동에도 쉽게 풀리지 않습니다. 토크는 이 축력을 만들기 위해 렌치로 거는 돌림 힘입니다. "몇 N·m로 조여야 하나"는 사실 "축력이 얼마나 생기게 조여야 하나"를 묻는 질문입니다.
이 글의 계산 예시 조건: M5×0.8, A2-70, 냄비머리 머리 밑 접촉 외경 8.4 mm 가정(KS B 1023 부속서 dk 하한), 볼트 구멍 5.5 mm, 나사부 마찰계수 μG = 머리 밑 마찰계수 μK, 공구 편차 제외 (VDI 2230 계산식)
토크는 어디에 쓰이나
렌치로 건 토크는 세 곳으로 나뉩니다. 위 조건에서 마찰계수 0.30으로 계산하면 이렇습니다.
| 어디에 쓰이나 | 비율 (μ 0.30) |
|---|---|
| ■ 나사산 경사를 타고 올라가며 축력을 만드는 몫 | 6.6% |
| ■ 수나사·암나사가 비비는 나사부 마찰 | 40.0% |
| ■ 머리 밑이 부품과 비비는 머리 밑 마찰 | 53.5% |
이 조건에서는 토크의 약 93%가 마찰에 쓰입니다. 비율은 호칭·머리 모양·마찰계수에 따라 달라지지만, 대부분이 마찰이라는 점은 같습니다. 그래서 마찰이 조금만 달라져도 축력으로 가는 몫이 크게 흔들립니다. (토크 = 축력 × (0.16P + 0.58·d₂·μG + μK·Dkm/2) 의 세 항)
같은 토크, 다른 축력
같은 말을 두 방향에서 볼 수 있습니다.
| 마찰계수 | 축력 2,500 N을 만들려면 | 6.68 N·m로 조이면 계산되는 축력 |
|---|---|---|
| 0.30 | 4.88 N·m | 3,425 N |
| 0.50 | 7.91 N·m | 2,111 N |
위 조건, 공구 편차 제외. 표의 축력은 두 마찰 조건 모두에서 이 모델의 조립 허용 축력(μ 0.30에서 3,854 N, μ 0.50에서 2,865 N) 이내입니다.
마찰이 높으면 같은 축력에 토크가 약 1.6배 더 듭니다. 그런데 현장에서는 반대 방향이 더 중요합니다. 작업자는 정해진 토크로 조입니다. 토크렌치가 멈추면 조임도 끝납니다. 그러면 마찰이 높은 부품은 축력이 덜 생긴 채로, 마찰이 낮은 부품은 축력이 더 많이 생긴 채로 조임이 끝납니다. 손으로 느끼기에는 똑같이 꽉 조인 것처럼 느껴집니다.
6.68 N·m는 이 계산 예시에서 무윤활 스테인리스(마찰 0.30~0.50)를 기준으로 정한 토크입니다. 이 토크를 윤활한 부품(마찰 0.10 수준)에 그대로 쓰면, 같은 식으로는 축력이 9,084 N으로 계산되어 조립 허용 축력 5,194 N을 크게 넘습니다. 볼트가 영구적으로 늘어나거나 파손될 수 있는 영역입니다.
마찰이 예상보다 높으면 축력이 부족해 진동에 풀리거나 부품이 미끄러질 수 있습니다. 마찰이 예상보다 낮으면 축력이 지나쳐 볼트가 늘어나거나 파손될 수 있습니다. 토크를 정할 때 어떤 마찰 조건(도금·윤활·표면 상태)을 가정했는지가 토크 숫자만큼 중요합니다.
조립 중 파손으로 이어질 수 있는 두 가지 마찰 조건
"마찰이 커서 축력이 약했는데 끊어진 것 아니냐"는 질문을 받기도 합니다. 마찰이 크면 같은 토크에서 축력은 오히려 작아집니다. 마찰과 관련해 조립 중 파손으로 이어질 수 있는 대표적인 경로는 다음 두 가지이며, 원인이 정반대입니다. 모든 파손이 이 둘 중 하나라는 뜻은 아닙니다.
| ① 마찰이 예상보다 낮을 때 | ② 소착 등으로 마찰이 비정상적으로 높아질 때 | |
|---|---|---|
| 무슨 일이 | 같은 토크에서 축력이 증가하고, 조립 중 인장·비틀림의 조합이 허용 수준을 넘을 수 있습니다 | 일정한 마찰계수를 가정한 토크–축력 관계를 적용하기 어려워지며, 추가 조임이 비틀림 파손이나 나사산 손상으로 이어질 수 있습니다 |
| 대표 원인 | 윤활제·방청유, 도금 변경 — 위 그래프의 왼쪽 구간 | 스테인리스 나사산 소착(눌어붙음) |
| 조일 때 느낌 | 평소처럼 조여지다가 파손 | 중간에 갑자기 뻑뻑해지거나 걸림 |
| 파손 후 | 볼트가 늘어난 흔적 | 나사산이 뜯기거나 눌어붙은 흔적 |
정해진 마찰 범위 안에서 마찰이 높은 경우는 계산에 들어 있습니다. 허용 최대 토크는 나사부 마찰이 높아 비틀림이 커지는 경우까지 넣어 정합니다. 소착은 이 계산의 전제를 벗어나는 현상이라 계산으로 막을 수 없고, 소착 자체를 막아야 합니다. 파단면 모양으로도 어느 정도 구분할 수 있지만, 정확한 판정은 파단면을 직접 보고 해야 합니다.
정금이 함께 확인하는 것
"정해진 토크로 조였는데 볼트가 끊어졌다"는 문의를 받으면 제품 상태와 조립 조건을 함께 확인합니다. 조립 조건 쪽에서는 다음을 봅니다.
- 윤활·표면 상태가 바뀌지 않았나 (①) — 윤활제·방청유를 바르거나, 도금 종류·로트가 바뀌면 마찰이 달라집니다.
- 체결 공구가 바뀌지 않았나 (①) — 전동·임팩트 공구는 설정값보다 토크가 세게 걸리는 경우가 있습니다. 수동 토크렌치를 기준으로 정한 토크를 그대로 쓰면 안 됩니다.
- 토크값이 다른 강도구분 기준이 아닌가 (①) — 8.8 볼트 토크표의 값을 A2-70이나 4.8 볼트에 쓰면 넘칠 수 있습니다. 같은 M5 냄비머리라도 A2-70(무윤활)과 4.8(전기아연도금, 윤활 없음)은 계산기의 설정 토크가 약 두 배 차이 납니다.
- 스테인리스 나사산이 눌어붙지 않았나 (②) — 스테인리스끼리 체결하거나 빠르게 조이면 소착이 생기기 쉽습니다. (소착 자세히)
- 접시머리가 아닌가 — 접시머리는 머리 형상 때문에 머리가 몸통만큼 견딘다는 보장이 없습니다(KS B 0233 적용범위).
그래서 토크는 '범위'로 정합니다
마찰은 하나의 값이 아니라 범위입니다. 무윤활 스테인리스는 VDI 2230 마찰등급 E(0.30 이상)에 해당해 넓게 흩어집니다. VDI 마찰등급 E는 하한 0.30만 제시합니다. 이 예시의 상한 0.50은 실측 전 가정값이며, 실제 마찰이 이를 넘으면 계산된 최소 축력보다 낮아질 수 있습니다. 그래서 체결 토크도 세 숫자로 보는 것이 맞습니다. 아래는 체결 토크·축력 계산기의 결과입니다. 앞의 예시와 달리 냄비머리 치수 범위(dk 하한·기준치수), 나사부·머리 밑 마찰의 독립 조합(각각 0.30~0.50), 토크 편차 ±6%를 반영했습니다.
| 숫자 | 값 | 의미 |
|---|---|---|
| 허용 최대 토크 | 7.08 N·m | 가정한 마찰 범위에서 가장 불리한 조합으로 계산한 조립 허용 토크 |
| 작업 설정 토크 | 6.68 N·m | 토크 편차(±6%)로 세게 걸려도 상한을 넘지 않도록 낮춘 값 (약 68 kgf·cm) |
| 축력 범위 | 1,937~3,629 N | 가정한 조건에서 계산되는 축력 범위. 약 1.9배 차이 |
이 글에서 가정한 마찰 범위와 토크 편차에서도 같은 작업 지시로 조인 축력이 계산상 두 배 가까이 달라진다는 것, 이것이 무윤활 스테인리스 체결 관리가 어려운 이유입니다. 조건을 바꿔 가며 직접 계산해 보시려면 체결 토크·축력 계산기를 이용하십시오. 토크·풀림 토크·파단 토크의 관계는 체결 토크 · 풀림 토크 · 파단 토크 글에 정리했습니다.
위 숫자는 VDI 2230 계산식과 참고표의 마찰 범위로 구한 예시 계산값이며 보증값이 아닙니다. 마찰 범위는 정금 제품의 실측값이 아닙니다. 중요한 체결부는 실제 부품과 실제 공구로 확인하십시오. 조건을 알려주시면 함께 검토해 드립니다. 규격 상담
자주 묻는 질문
정해진 토크로 조였는데 볼트가 끊어졌습니다. 원인이 무엇인가요?
제품 상태와 조립 조건을 함께 확인해야 합니다. 마찰과 관련해서는 두 경로가 대표적입니다. 윤활제·방청유나 도금 변경으로 마찰이 예상보다 낮아지면 같은 토크에서 축력이 커져 조립 중 인장·비틀림의 조합이 허용 수준을 넘을 수 있고, 스테인리스 나사산 소착처럼 마찰이 비정상적으로 높아지면 추가 조임이 비틀림 파손이나 나사산 손상으로 이어질 수 있습니다. 전동·임팩트 공구, 다른 강도구분 기준의 토크값, 접시머리의 머리 강도도 확인할 항목입니다.
마찰이 커서 축력이 약했는데 끊어진 것 아닌가요?
마찰이 크면 같은 토크에서 축력은 오히려 작아집니다. 다만 소착처럼 나사부 마찰이 비정상적으로 높아지면 일정한 마찰계수를 가정한 토크–축력 관계가 맞지 않게 되고, 추가 조임이 비틀림 파손이나 나사산 손상으로 이어질 수 있습니다.
토크의 몇 %가 실제로 축력을 만드나요?
M5 냄비머리, 마찰계수 0.30의 계산 예시에서 약 7%입니다. 나머지 약 93%는 나사부 마찰(약 40%)과 머리 밑 마찰(약 53%)에 쓰입니다. 비율은 호칭·머리 모양·마찰계수에 따라 달라지지만 대부분이 마찰이라는 점은 같습니다.
윤활제를 바르면 토크를 그대로 써도 되나요?
안 됩니다. 윤활하면 마찰이 낮아져 같은 토크에서 축력이 크게 늘어납니다. 무윤활 스테인리스 기준 토크를 윤활한 부품에 쓰면 볼트가 조립 허용 축력을 넘을 수 있으므로, 윤활 조건으로 토크를 다시 정해야 합니다.
같은 토크로 조였는데 왜 어떤 볼트는 풀리나요?
마찰이 높은 부품은 같은 토크에서 축력이 적게 생깁니다. 이 글에서 가정한 마찰 범위(무윤활 스테인리스 0.30~0.50)와 토크 편차에서는 계산상 최대·최소 축력이 약 1.9배 차이 나며, 실제 마찰이 가정 범위를 넘으면 차이는 더 커질 수 있습니다. 축력이 적게 생긴 쪽이 진동에 풀리기 쉽습니다.
근거 자료
- VDI 2230 Blatt 1:2015 Systematic calculation of highly stressed bolted joints — Joints with one cylindrical bolt — 체결 토크식(피치·나사부 마찰·머리 밑 마찰 항), 조립 허용 축력, 마찰등급
- Würth Industrie, DINO technical part, ch. 6 — 6.3 마찰등급 표(p.1790)
- ISO 3506-1:2020 Fasteners — Mechanical properties of corrosion-resistant stainless steel fasteners — Part 1: Bolts, screws and studs with specified grades and property classes — A2-70 항복강도 최소값
- KS B 1023:2016 +자 홈 작은 나사, 부속서 부표 A.1 — 냄비머리 지름 dk
- KS B 0233:2000 강제 볼트·작은 나사의 기계적 성질 — 적용범위: 접시머리 등의 머리 형상과 인장·비틀림 요건
최종 개정 2026-10-09