비스듬한 나사는 체결력을 거의 잃지 않습니다. 대신 더 나쁜 것을 얻습니다.

스레드가 정리한 것과 남겨 둔 것

추천 2,560점을 받은 답은 정확하고 간결해서 인용할 만합니다. 대부분은 전단으로 파손되므로 나사를 접합면에 수직으로 박아 접합부를 가로지르는 압축력을 최대화하고 전단을 최소화해야 한다는 것입니다.

그 아래 966점을 받은 답은 사람들이 놓치는 부분을 덧붙입니다. 나사는 두 부재를 잇지만 두 부재가 하는 일은 같지 않습니다. 나사산은 에이프런을 물고, 머리는 브래킷을 끌어당겨 고정합니다. 나사가 지나가기만 하는 브래킷 쪽 각도는 거의 상관이 없습니다. 나사산이 물린 쪽의 각도가 고정력을 바꿉니다. 이는 볼트 구멍 속 나사는 몸통으로 하중을 받지 않는다는 것과 같은 관찰을 작업대에서 얻은 것입니다.

둘 다 맞습니다. 어느 쪽도 말하지 않은 것은 각도가 커질 때 도 단위로 얼마를 잃느냐이며, 두 양은 매우 다른 속도로 변합니다.

장력을 분해하면 답의 모양이 달라집니다

나사는 자기 축을 따라 당깁니다. 장력을 F, 나사 축과 접합면 법선 사이의 각도를 θ라고 합시다. 이 장력은 체결하는 성분과, 한 부재를 다른 부재 위로 미끄러뜨리려는 성분으로 나뉩니다.

체결 성분 = F cos θ    면내 성분 = F sin θ

이는 흔한 걱정을 뒤집습니다. 작은 각도에서 문제가 되는 것은 체결력 손실이 아닙니다. 접합부가 움직이는 것입니다.

나사가 자기 접합부를 미끄러뜨리기 시작하는 각도

면내 성분에는 두 면 사이의 마찰이 저항하며, 마찰은 체결 성분에 비례합니다. 따라서 나사 자신의 당기는 힘이 접합부를 미끄러뜨리기 시작하는 조건은 다음과 같습니다.

F sin θ > µ F cos θ, 즉 tan θ > µ

F는 약분되어 사라집니다. 얼마나 세게 조이든 문턱값은 전혀 움직이지 않습니다. 곱씹어 볼 만한 점입니다. 밀려나는 접합부에 대한 본능적 반응은 더 세게 조이는 것인데, 그것은 효과가 있을 수 없습니다. 중요한 것은 각도와 마찰뿐입니다.

왼쪽 숫자에 대해서는 Wood Handbook이 인용할 수 있는 출처이며, 무엇을 설명하는지에 대해 신중합니다. 매끄럽고 건조한 목재가 단단하고 매끄러운 표면에 닿을 때의 운동 마찰 계수를 보통 0.3~0.5로, 중간 함수율에서는 0.5~0,7, 섬유 포화점 근처에서는 0.7~0.9로 제시합니다. 또한 정지 마찰 계수가 일반적으로 운동 마찰 계수보다 크며, 마찰은 함수율과 함께 증가하다가 표면이 실제로 물에 잠기면 다시 감소한다고 적고 있습니다.

이 문구에서 정직한 단서 두 가지가 따라 나옵니다. 그 수치는 목재와 목재가 아니라 목재와 단단하고 매끄러운 표면 사이의 값이므로 문제를 풀어 주기보다 범위를 정해 줄 뿐입니다. 그리고 정지 마찰이 인용된 운동 마찰 값보다 크므로, 실제 접합부는 표가 시사하는 것보다 약간 더 큰 각도까지 버팁니다. 결과의 방향은 두 단서를 거쳐도 그대로입니다.

그래서 포켓 홀 접합은 클램프로 잡아야 합니다

포켓 홀 나사는 얕은 각도로 박으며, 흔히 약 15도로 알려져 있습니다. tan 15°는 0.268로, 0.3~0.5 범위의 하한 바로 아래이고, 더 큰 정지 마찰 값을 감안하면 훨씬 아래입니다. 즉 포켓 홀 나사는 문턱에서 멀리 떨어진 것이 아니라 가까이에서 작동하도록 설계되어 있으며, 그래도 제 역할을 합니다. 나사를 박는 동안 접합부를 클램프로 잡으라는 보편적인 조언은 미신이 아닙니다. 나사가 부재를 정렬에서 끌어내는 유일한 구간 동안 부재를 붙잡아 두는 것입니다.

µ를 높이는 모든 것은 여기서 여유를 줍니다. 계면 마찰을 높이는 것이 자발 풀림에 저항하는 것이 아니라 그 원인에 대처하는 대책인 것과 같은 이유입니다. 그리고 왁스나 마감을 한 면, 젖었다가 마르는 표면처럼 µ를 낮추는 모든 것은 반대로 작용합니다.

도면으로 가져갈 세 가지

• 수직은 체결력의 문제가 아닙니다. 체결 축력은 적당한 각도에는 둔감합니다. 사용 하중이 오기도 전에 체결 부품 자신의 장력이 접합부를 움직이게 하지 말자는 것입니다
• 더 세게 조여도 비스듬한 나사로 인한 밀림은 고쳐지지 않습니다. F는 문턱값 식에서 약분됩니다. 나사를 박는 동안 접합부가 밀린다면 해결책은 각도, 마찰, 또는 클램프이지 더 큰 토크가 아닙니다
• 두 부재는 동등하지 않습니다. 나사산이 물리는 부재가 고정력을 정하고, 볼트 구멍 쪽 부재는 머리 하중만 받습니다. 접근성 때문에 접합을 기울여야 한다면, 형상이 선택을 허락하는 한 나사가 물리는 쪽이 아니라 지나가는 쪽에 각도를 두세요

하중이 체결 부품 축 방향이 아니라 가로 방향으로 걸려 토크를 더해도 도움이 되지 않는 일반적인 경우는 더 세게 조인다고 더 오래가는 것은 아니다에서 다룹니다. 장력이 생긴 뒤 그 가치가 얼마인지, 그리고 렌치의 숫자가 왜 접합부의 숫자가 아닌지는 토크와 체결 축력에 있습니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

나사는 접합면에 수직이어야 합니까?

대개 그렇습니다. 다만 이유는 많은 사람이 말하는 것과 다릅니다. 체결 축력은 각도의 코사인을 따르므로 놀라울 만큼 둔감합니다. 수직에서 15도 벗어나도 체결력의 96.6퍼센트가 유지됩니다. 빠르게 변하는 것은 사인을 따르는 면내 성분으로, 같은 15도에서 25.9퍼센트에 이릅니다. 수직이 중요한 이유는 체결력을 지키기 때문이 아니라 나사가 접합부를 옆으로 밀지 않게 하기 때문입니다.

비스듬한 나사를 박을 때 접합부가 왜 옆으로 밀립니까?

나사 장력 중 접합면에 평행한 성분이 체결 성분이 만들어 낼 수 있는 마찰을 넘기 때문입니다. 조건은 각도의 탄젠트가 마찰 계수보다 큰 것이며, 장력은 이 식에서 완전히 약분되므로 각도와 마찰 두 가지만이 결과를 정합니다. 마찰 계수 0.3에서 문턱값은 약 16.7도, 0.5에서는 약 26.6도입니다.

더 세게 조이면 접합부가 밀리는 것을 막을 수 있습니까?

아닙니다. 이것이 계산의 유용한 부분입니다. 장력은 미끄럼 조건의 양변에 나타나 약분되므로, 나사를 겨우 밀착시킨 상태든 완전히 조인 상태든 문턱 각도는 같습니다. 비스듬한 나사 아래에서 밀리는 접합부에는 다른 각도, 마찰이 큰 면, 또는 나사를 박는 동안 잡아 주는 클램프가 필요합니다.

목재의 마찰 계수는 얼마입니까?

Wood Handbook은 매끄럽고 건조한 목재가 단단하고 매끄러운 표면에 닿을 때의 운동 마찰 계수를 보통 0.3~0.5로, 중간 함수율에서 0.5~0,7, 섬유 포화점 근처에서 0.7~0.9로 제시하며, 정지 마찰 계수가 일반적으로 운동 마찰 계수보다 크다고 적습니다. 문구를 주의해서 읽으세요. 목재와 목재가 아니라 목재와 단단하고 매끄러운 표면의 값이므로, 특정한 두 면에 대한 답이라기보다 범위를 정해 주는 값입니다.

각도는 두 부재에서 똑같이 중요합니까?

아닙니다. 나사산은 한 부재에 물리고 머리는 다른 부재를 누르므로, 고정력은 나사산이 있는 쪽의 각도가 정하고 나사가 지나가기만 하는 부재는 주로 머리 하중을 전달합니다. 접근성 때문에 어딘가에 각도가 생겨야 하고 형상이 선택을 허락한다면, 나사산 쪽보다 볼트 구멍 쪽 부재에 두는 편이 손실이 적습니다.

참고 자료

• Wood Handbook, FPL-GTR-190, Chapter 4, Moisture Relations and Physical Properties of Wood. 운동 마찰 계수와 정지·운동 마찰 비교 및 함수율에 관한 서술은 Friction Properties 절
• r/woodworking — 이 글이 시작된 스레드. 수직으로 박으라는 답과 나사산 쪽 부재가 중요하다는 관찰

이 페이지의 삼각함수 계산은 저희가 직접 한 것이며 계산기로 다시 확인할 수 있습니다. 어떤 규격에서도 가져오지 않았습니다. 마찰 수치는 Wood Handbook의 문구 그대로 인용했으며 그 문구가 중요합니다. 매끄럽고 건조한 목재가 단단하고 매끄러운 표면에 닿을 때의 운동 마찰 계수이지 목재 대 목재의 값이 아니며, 핸드북 스스로 정지 마찰 계수가 일반적으로 더 크다고 밝힙니다. 그래서 이 값으로 계산한 문턱 각도는 보수적인 쪽에 있으며, 실제 목재 접합부는 약간 더 큰 각도까지 버팁니다. Forest Products Laboratory의 해당 장 URL이 요청을 거부해 같은 핸드북의 완본 사본으로 읽었으며, 위의 참고 자료는 공식 위치를 가리킵니다. 포켓 홀 나사의 15도는 규격이 아니라 흔히 인용되는 값이며 지그마다 다릅니다. 목재에서 나사 각도에 따른 접합 강도를 측정해 발표한 자료 중 인용할 만한 것을 찾지 못했으므로 여기서는 강도에 관한 주장을 하지 않습니다. 이 논의는 두 양 중 어느 쪽이 각도에 따라 더 빨리 변하는지에 관한 것이며, 이는 시험이 아니라 삼각함수의 문제입니다.