자동차 자가 정비용 전동 공구의 토크 측정 실험 기록

토크란 무엇인가?

토크(Torque, 돌림힘)란 물체를 회전시키려는 힘의 크기를 나타내는 물리량이다. 즉, 물건을 얼마나 세게 돌리냐를 나타낸다.

길이가 1m짜리 렌치를 볼트에 걸고 렌치 끝을 렌치와 수직 방향으로 1N(뉴턴)의 힘으로 누르면, 이때 볼트에 작용하는 토크가 1N·m(뉴턴미터)이다. 같은 힘이라고 해도 더 긴 렌치를 쓰면 토크가 더 커진다. 잘 풀리지 않는 볼트를 풀 때 긴 렌치를 사용하는 것을 상상해 보면 바로 이해가 될 것이다.

N은 힘의 단위인데, 1N은 질량 1kg인 물체에 1m/s²의 가속도를 발생시키는 힘이다. 학교 다닐 적 물리 시간에 들어봤을 중력가속도 9.8m/s²를 떠올려 보자. 질량 1kg인 물체에는 대략 9.8N의 중력이 작용한다.

좀 더 간단하게 말해, 1m짜리 렌치를 수평으로 놓고 렌치 끝에 1kg짜리 돌을 매달면, 볼트에 9.8N·m의 토크가 걸린다고 말할 수 있다.

토크의 단위 N·m, kgf·m

토크의 국제단위계(SI) 단위는 N·m(뉴턴미터)이다. 하지만 실제 현장에서는 kgf·m, kgf·cm 등 여러 단위가 섞여 사용된다. 차량 정비 매뉴얼의 단위와 토크렌치의 단위가 다른 경우는 정말 흔하다.

자동차 정비 바닥에서는 kgf·m(킬로그램힘 미터)를 많이 사용한다. 위 표의 관계를 생각해 보면 대충 T_N·m ≈ T_kgf·m × 10이라 치면 된다.

특히 kgf·m와 kgf·cm는 이름이 비슷하지만 같은 숫자라면 토크가 100배 차이 난다. 익숙해지면 보는 순간 느낌으로 알 수 있지만 반드시 단위를 정확히 확인해야 한다.

규정 토크를 준수해야 하는 이유

규정 토크로 조이라는 것은 무조건 세게 조이거나 감으로 적당히 조이지 말고, 정해진 크기의 힘으로 조이라는 말이다. 너무 약하게 조이면 체결이 느슨해져 진동이나 누유가 발생할 수 있고, 반대로 너무 세게 조이면 나사산이나 볼트, 체결 부품이 손상될 수 있다.

자동차 제조사는 부품의 재질과 강도, 하중과 사용 환경 등을 고려해 규정 토크를 제시한다. 같은 크기의 볼트라도 체결 위치와 윤활 상태 등에 따라 조건이 달라지므로, 해당 차량의 정비 지침을 확인해야 한다.

다음은 본 필자의 차량 정비 지침서에서 정리한 규정 토크의 예이다.

측정 방법

토크 측정에는 블루텍(Bluetec) BT-DTA 디지털 토크 어댑터를 사용했다. 동봉된 시험 성적서에는 측정 범위가 17~340N·m, 시계 방향 정확도가 ±2%로 기재되어 있다.

시험은 다음 순서로 진행했다.

1. 1/2인치 21mm 소켓을 디지털 토크 어댑터에 연결한다.
2. 반대쪽에는 TONE 2BAF-16 육각 샹크 → 1/2인치 사각 어댑터를 연결하고, 육각 샹크를 전동 공구에 장착한다.
3. 소켓을 차량의 휠 너트에 끼우고, 토크 어댑터의 표시 단위를 kgf·cm로 설정한다.
4. 전동 공구를 드릴 모드로 작동시켜 토크 어댑터에 표시되는 피크값을 10회 기록한다.
5. 스크류 모드로 전환하고 클러치를 최대 강도로 설정한다. 최대한 저속으로 작동시켜 클러치가 처음 동작할 때의 표시값을 10회 기록한다.

굳이 휠 너트를 사용한 이유는, 전동 따위로는 너트를 풀 토크가 나오지 않을 테니 너트가 버텨 주면 공구의 토크를 확인할 수 있겠다 싶었기 때문이다. 또한 일반 전동 공구와 연결해야 했으므로 변환 어댑터를 사용했다.

Aimsak BL14T50

Aimsak BL14T50은 14.4V 충전지를 사용하는 2단계 속도 조절이 가능한 해머드릴이다. 제조사에서 제공하는 스펙상 최대 토크는 50N·m (5.1kgf·m)이다.

Bosch GSB 10.8-2-LI

Bosch GSB 10.8-2-LI는 10.8V 충전지를 사용하는 2단계 속도 조절이 가능한 해머드릴이다. 제조사에서 제공하는 스펙상 최대 토크는 30N·m (3.1kgf·m)이다.

Bosch PushDrive

Bosch PushDrive는 USB를 이용해 충전할 수 있는 3.6V 가정용 스크루 드라이버이다. 제조사에서 제공하는 스펙상 최대 토크는 5N·m (0.5kgf·m)이다.

Bosch PushDrive는 토크 컨버터로 측정할 수 없었다. 10회 측정 결과 모두 0으로 표시되었다. 토크가 너무 낮아 측정이 되지 않았던 것으로 예상된다.

시험 방법의 차이

토크 측정 시험에서는 단순히 축을 움직이지 못하게 막는 것뿐 아니라, 회전하면서 부하가 어떻게 증가하는지도 중요하다. 국제 표준 ISO 5393에서는 연속적으로 토크를 가하는 회전 조임 공구를 대상으로, 부하 변화 조건과 반복 작동에 따른 토크의 편차 등을 평가하는 방법을 다룬다.

체결부가 자리 잡은 뒤 조금만 더 돌아가도 토크가 급격히 증가하는 조건을 하드 조인트, 더 많이 회전하면서 토크가 완만하게 증가하는 조건을 소프트 조인트라고 한다. 체결부 특성에 따라 공구의 토크가 달라질 수 있으므로, 표준 시험에서는 이러한 조건을 구분해 공구의 성능을 평가한다.

반면 본 필자는 이미 체결된 휠 너트에 공구를 연결해 작동시켰다. 너트가 버텨 주기는 했지만, 공구가 회전하다가 부하를 받으며 체결되는 과정을 재현한 것은 아니다. 제조사 스펙과 직접 비교하기에는 시험 방법부터 차이가 있었다.

연약한 육각 샹크와 어댑터의 다단 사용

전동 공구와 휠 너트 사이에는 육각 샹크 어댑터, 디지털 토크 어댑터, 소켓을 연결했다. 육각 샹크는 1/2인치 사각 연결부보다 가늘고, 사용한 TONE 2BAF-16 어댑터는 축을 기울여 사용할 수 있는 플렉시블 어댑터다.

축은 토크를 받으면 탄성 범위 안에서도 비틀리며, 모든 연결부에는 유격이 존재한다. 이러한 강성과 연결부의 유격은 토크에 영향을 준다. 이러한 특성이 부하가 걸리는 과정과 순간적인 피크값에 영향을 주었을 가능성이 있다.

필자의 연약한 팔 근육

휠 너트는 전동 공구의 토크를 버텼지만, 공구를 잡은 본 필자의 팔은 아니었다. 처음 아임삭을 작동시킬 때부터 생각보다 큰 반동에 공구를 잡은 손이 함께 돌아가 바닥에 부딪혔고, 꽤 아팠다. 결국 시험 다음 날에는 팔에 멍이 들고 알이 배겼다. ㅜㅜ

공구를 작동시키면 본체에는 반대 방향의 반력 토크가 작용한다. 본 필자는 이 힘을 제대로 받쳐 주지 못해 공구가 돌아가거나 자세가 휘청거렸다. 자세가 흐트러지니 방아쇠를 누르는 정도와 축의 각도도 일정하게 유지하지 못했다.

물론 본 필자의 팔 근육은 실제 작업을 진행할 때도 비슷할 것이다. 하지만 그렇다고 이번 수치를 실사용 토크라고 확정할 수는 없다. 공구가 낼 수 있는 힘과 본 필자가 안전하게 다룰 수 있는 힘은 별개의 문제다. 가녀린 팔로 반동을 버티는 방식은 토크 측정에 적합하지 못하다.