KR20220031383A - 볼팅 토크 결정 방법 - Google Patents

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KR20220031383A KR1020200113240A KR20200113240A KR20220031383A KR 20220031383 A KR20220031383 A KR 20220031383A KR 1020200113240 A KR1020200113240 A KR 1020200113240A KR 20200113240 A KR20200113240 A KR 20200113240A KR 20220031383 A KR20220031383 A KR 20220031383A
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박흥근
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손민수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은, 볼팅하고자 하는 대상물의 샘플들 및 볼트의 샘플들을 준비하는 준비 단계와, 대상물 및 볼트의 샘플들의 볼팅 시 대상물 및 볼트 중 적어도 하나의 샘플이 파단되는 샘플 파단 토크를 측정하여 획득하는 샘플 파단 토크 획득 단계와, 샘플 파단 토크를 기반으로 하여 파단되지 않고 체결되는 유효 체결 토크 구간을 결정하는 유효 체결 토크 구간 결정 단계와, 유효 체결 토크 구간 내에서 복수의 실험 토크를 선택하는 실험 토크 선택 단계와, 선택된 복수의 실험 토크 각각에 따라 샘플들의 시험 체결을 수행하며 볼트 체결 각도를 측정하는 볼트 체결 각도 측정 단계, 및 측정된 복수의 볼트 체결 각도를 근거로 복수의 실험 토크 중에서 대상물 및 볼트의 볼팅에 사용할 볼팅 토크를 결정하는 볼팅 토크 결정 단계를 포함하여 구성되고, 볼트 체결 각도 측정 단계는, 미리 정해진 기준 시점으로부터 시험 체결이 종료되는 시점까지 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법으로서, 볼팅 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 볼팅 토크를 정확하게 결정할 수 있는 볼팅 토크 결정 방법이 제시된다.

Description

볼팅 토크 결정 방법{METHOD FOR DETERMINING OF BOLTING TORQUE}
본 발명은 볼팅 토크 결정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 볼팅 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 볼팅 토크를 정확하게 결정할 수 있는 볼팅 토크 결정 방법에 관한 것이다.
이차전지(이하 '배터리'라고 한다)는 스마트 폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자기기뿐만 아니라, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등의 대형 장치에 이르기까지 다양한 분야에서 에너지 공급원으로 이용된다. 그중 전기 자동차 및 스마트 그리드 시스템과 같이 최근에 배터리가 많이 활용되는 분야는 큰 용량을 필요로 하는 경우가 많다.
배터리의 용량을 증가하기 위해서는 배터리 셀 자체의 용량을 증가시키는 방법이 있을 수 있겠지만, 이 경우 용량 증대 효과가 크지 않고, 배터리의 크기 확장에 물리적 제한이 있으며 관리가 불편하다는 단점을 갖는다. 이에 따라, 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형의 배터리 팩을 사용하고 있다.
이러한 배터리 팩은 배터리 팩 케이스와 별개로 복수의 배터리 셀을 외부 충격으로부터 보호할 수 있도록 하는 외부 하우징을 포함할 수 있고, 배터리 팩 케이스는 외부 하우징의 내부에 고정될 수 있다.
종래에는, 토크 렌치(torque wrench) 또는 너트 러너(nut runner) 등을 사용한 볼트 체결(이하 '볼팅'이라고 한다) 방식으로, 외부 하우징에 배터리 팩 케이스를 고정하였다. 이때, 볼팅 시에 볼트에 가해지는 볼팅 토크는 통상적으로 파단 토크보다 작은 소정의 토크 구간(이하 '체결 토크 구간'이라고 한다) 내에서 임의로 선택되었다. 이때, 볼팅 토크의 선택은 작업자의 경험에 의존하였다.
그러나 이러한 방식은 파단 토크가 커질수록 체결 토크 구간 내의 토크 편차가 커지는 문제점이 있다. 즉, 파단 토크가 커질수록 작업자의 선택지가 넓어지기 때문에 작업자가 경험적으로 볼팅 토크를 정하기 어려운 문제점이 있다.
그리고 볼팅 시의 조건 예컨대 볼트, 외부 하우징 및 배터리 팩 케이스의 치수 정밀도, 표면 거칠기 및 윤활 상태 등에 따라, 볼팅에 필요한 체결력이 달라질 수 있다. 하지만 작업자가 복수회의 볼팅을 수행하면서 매번 상술한 조건을 정확하게 고려하기 어렵기 때문에, 작업자가 파단 토크만을 기반으로 하여 경험적으로 정한 볼팅 토크로 볼트를 조여도 원하는 체결력을 얻지 못할 수 있다. 즉, 볼팅 시에 체결이 덜되거나 과하게 체결될 수 있고, 따라서, 볼팅의 품질 수준이 고르지 못한 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.
KR 10-2020-0092783 A JP 2009-274152 A
본 발명은 볼팅 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 볼팅 토크를 정확하게 결정할 수 있는 볼팅 토크 결정 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 볼팅 토크 결정 방법은, 볼팅하고자 하는 대상물의 샘플들 및 볼트의 샘플들을 준비하는 준비 단계: 상기 대상물 및 볼트의 샘플들의 볼팅 시 대상물 및 볼트 중 적어도 하나의 샘플이 파단되는 샘플 파단 토크를 측정하여 획득하는 샘플 파단 토크 획득 단계; 상기 샘플 파단 토크를 기반으로 하여 파단되지 않고 체결되는 유효 체결 토크 구간을 결정하는 유효 체결 토크 구간 결정 단계; 상기 유효 체결 토크 구간 내에서 복수의 실험 토크를 선택하는 실험 토크 선택 단계; 상기 선택된 복수의 실험 토크 각각에 따라 상기 샘플들의 시험 체결을 수행하며 볼트 체결 각도를 측정하는 볼트 체결 각도 측정 단계; 및 상기 측정된 복수의 볼트 체결 각도를 근거로 상기 복수의 실험 토크 중에서 상기 대상물 및 볼트의 볼팅에 사용할 볼팅 토크를 결정하는 볼팅 토크 결정 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 볼팅 체결 각도 측정 단계는, 미리 정해진 기준 시점으로부터 시험 체결이 종료되는 시점까지 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 소정 퍼센트(%)에 해당하는 토크를 넘어서는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 40%를 넘어서는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 회전력에서 체결력으로 전환되는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트를 샘플 대상물에 볼팅하도록 샘플 볼트를 회전시키는 볼팅 장치의 전류값 및 분당 회전수가 급격히 변화하는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트의 헤드가 샘플 대상물에 맞닿는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 유효 체결 토크 구간 결정 단계는, 상기 샘플 파단 토크보다 작은 제1토크를 하한으로 하고, 상기 제1토크와 상기 샘플 파단 토크 사이의 제2토크를 상한으로 하여, 상기 제1토크 내지 상기 제2토크의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 유효 체결 토크 구간 결정 단계는, 상기 샘플 파단 토크의 60% 내지 80%의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 실험 토크 선택 단계는, 연속한 두 실험 토크의 차이가 소정의 정해진 크기가 되도록 하여 상기 유효 체결 토크 구간 내에서 차례대로 복수의 실험 토크를 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기 유효 체결 토크 구간의 하한 및 상한 중 적어도 하나는 상기 복수의 실험 토크에 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 볼트 체결 각도 측정 단계는, 복수의 실험 토크 각각을 상기 샘플들의 시험 체결을 수행할 복수의 볼팅 장치 각각에 할당해주는 실험 토크 할당 단계; 실험 토크가 할당된 복수의 볼팅 장치로 각각의 샘플 볼트를 각각의 샘플 대상물에 볼팅시키는 샘플 볼팅 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 샘플 볼팅 단계 중에 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 볼트 체결 각도 측정 단계는, 복수의 실험 토크의 가장 낮은 값부터 가장 높은 값까지 또는 가장 높은 값부터 가장 낮은 값까지 순차적으로 상기 샘플들의 시험 체결을 수행할 볼팅 장치에 할당해주는 실험 토크 할당 단계; 실험 토크가 할당되는 순서대로, 상기 볼팅 장치로 복수의 샘플 볼트를 복수의 샘플 대상물에 각각 볼팅시키는 샘플 볼팅 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 샘플 볼팅 단계 중에 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 볼팅 토크 결정 단계는, 측정된 볼트 체결 각도를 미리 정해진 기준 볼트 각도와 대비하여 상기 기준 볼트 각도보다 작은 볼트 체결 각도를 선별하는 볼트 체결 각도 선별 단계; 상기 선별된 볼트 체결 각도가 하나이면 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하고, 상기 선별된 볼트 체결 각도가 복수개이면 이들의 평균값을 계산하여 평균값에 대한 표준편차가 3 이내이면서 가장 작은 값의 볼트 체결 각도를 확인하고 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하는 실험 토크 선별 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 실험 토크 선별 단계에서 선별된 실험 토크를 볼팅 토크로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 볼트 각도는 30도인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 체결 토크 구간 내에서 선택한 복수의 실험 토크에 따른 시험 체결을 수행하고, 이의 결과를 이용하여 최종적으로 볼팅 토크를 결정함으로써, 볼팅하고자 하는 대상물 및 볼트의 재료 편차가 반영된 정확한 볼팅 토크를 결정할 수 있다.
따라서, 작업자가 임의로 체결 토크 구간 내에서 바로 볼팅 토크를 결정하기 때문에 볼팅 토크에 파단 토크만이 반영된 종래의 경우보다, 정확하게 볼팅 토크를 결정할 수 있다. 이로부터 대상물 및 볼트의 볼팅 시에 충분한 체결력을 제공하여 볼트를 조여줄 수 있다. 따라서, 볼트가 느슨하게 체결되는 것과 볼트가 과도하게 체결되는 것을 방지하고, 볼팅의 품질 수준을 고르게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 볼팅 토크 결정 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 볼트 체결 각도, 실험 토크 및 기준 시점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 측정 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하도록 한다.
1. 본 발명의 실시 예에 따른 볼팅 토크 결정 방법
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 볼팅 토크 결정 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 볼트 체결 각도, 실험 토크 및 기준 시점을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 측정 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 볼팅 토크 결정 방법을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 볼팅 토크 결정 방법은 하기의 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
가. 준비 단계(S100)
준비 단계(S100)는 볼팅하고자 하는 대상물의 샘플들 및 볼트의 샘플들을 준비하는 단계이다. 여기서, 샘플들은 복수개의 샘플 대상물(10) 및 복수개의 샘플 볼트(20)를 포함하여 구성될 수 있다. 복수개의 샘플 대상물(10) 및 복수개의 샘플 볼트(20)의 개수는 후술하는 시험 체결의 횟수만큼 준비될 수 있다. 즉, 시험 체결을 3회 수행하면, 3개의 샘플 대상물(10)과 3개의 샘플 볼트(20)가 준비될 수 있다.
물론, 시험 체결의 횟수보다 샘플 대상물(10)과 샘플 볼트(20)의 개수가 각각 더 많을 수도 있다. 예컨대 시험 체결을 3회 수행하는 경우에도, 후술하는 획득 단계를 위하여, 3개보다 많은 개수의 샘플 대상물(10)과 3개보다 많은 개수의 샘플 볼트(20)가 각각 준비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 샘플 대상물(10)은 볼팅하고자 하는 대상물(미도시)와 동일한 재질 및 동일한 두께로 이루어지는 소정의 플레이트 부재일 수 있다. 예컨대 샘플 대상물(10)은 하판(11) 및 상판(12)을 포함하여 구성될 수 있다. 하판(11) 및 상판(12)은 상하로 적층되고, 이들을 상하 방향으로 관통하도록 체결홀이 관통형성될 수 있다.
볼팅하고자 하는 대상물은 배터리 팩일 수 있다. 하판(11)은 배터리 팩 케이스의 재질을 포함하여 구성될 수 있고, 배터리 팩 케이스의 두께와 같은 두께일 수 있다. 그리고 상판(12)은 외부 하우징의 재질을 포함하여 구성될 수 있고, 외부 하우징의 두께와 같은 두께일 수 있다. 물론, 볼팅하고자 하는 대상물의 종류는 배터리 팩 케이스 외에도 다양할 수 있고, 그에 따라, 하판(11) 및 상판(12)의 재질과 두께도 다양할 수 있다.
샘플 볼트(20)는 배터리 팩의 제조 시에 배터리 팩 케이스와 외부 하우징의 조립에서 사용할 볼트와 동일한 종류의 볼트일 수 있다. 샘플 볼트(20)는 헤드(21) 및 나사부(22)를 포함하여 구성될 수 있다. 헤드(21)는 상하 방향으로 연장형성될 수 있고, 샘플들의 시험 체결과 대상물 및 볼트의 볼팅 작업을 실제로 수행할 볼팅 장치(미도시)에 접속되도록 상부가 너트 형상으로 형성되거나 상면에 드라이버홈이 형성될 수 있다. 나사부(22)는 환봉 형상으로 형성될 수 있고, 헤드(21)로부터 하방으로 연장형성될 수 있고, 그 외주면에 나사산이 형성될 수 있다. 물론, 샘플 볼트(20)의 구조는 다양할 수 있다.
볼팅 장치는 예컨대 너트 러너 및 토크 렌치 등과 같은 전동 공구를 사용할 수 있다. 볼팅 장치는 볼팅 토크를 입력받으면 볼팅 토크만큼 샘플 볼트(20) 및 볼트를 축 회전시켜서 샘플 대상물(10) 및 대상물에 샘플 볼트(20) 및 볼트를 조여줄 수 있다. 또한, 볼팅 장치는 전자식 앵글 게이지를 구비할 수 있고, 샘플 볼트(20) 및 볼트가 축 회전되며 조여지는 동안 전자식 앵글 게이지를 이용하여 원하는 시점부터 볼팅이 끝날때까지의 샘플 볼트(20) 및 실제 볼트의 회전 각도('볼트 체결 각도'라고도 한다)를 측정하고, 이를 작업자에게 화면으로 제공할 수 있다. 물론, 볼팅 장치의 구성과 방식은 다양할 수 있다.
나. 샘플 파단 토크 획득 단계(S200)
도 1을 참조하면, 샘플 파단 토크 획득 단계(S200)는 대상물 및 볼트의 샘플들의 볼팅 시 대상물 및 볼트 중 적어도 하나의 샘플이 파단되는 샘플 파단 토크를 측정하여 획득하는 단계이다. 즉, 샘플 파단 토크는 샘플 볼트(20)에 토크를 가하여 샘플 대상물(10)과 샘플 볼트(20)를 볼팅할 때, 샘플 대상물(10) 및 샘플 볼트(20) 중 적어도 어느 하나가 파손될 수 있는 소정의 토크일 수 있다. 예컨대 샘플 파단 토크는 볼팅 시에 샘플 볼트(20)에 형성되는 응력이 샘플 볼트(20)의 항복 응력에 해당할 때에 샘플 볼트(20)에 가해진 토크이거나, 볼팅 시에 샘플 대상물(10)에 형성되는 응력이 샘플 대상물(10)의 항복 응력에 해당할 때에 샘플 볼트(20)에 가해진 토크일 수 있다.
샘플 파단 토크는 샘플 볼트(20)와 샘플 대상물(10) 중 어느 하나가 파손될 때까지 이들을 볼팅하여, 이들 중 적어도 하나가 파손되는 순간에 샘플 볼트(20)에 가해진 토크를 실험적으로 획득하거나, 샘플 볼트(20)의 재질의 물성 및 형상과 샘플 대상물(10)의 재질의 물성 및 그 형상을 근거로 이론적으로 계산할 수 있다.
다. 유효 체결 토크 구간 결정 단계(S300)
유효 체결 토크 구간 결정 단계(S300)는 샘플 파단 토크를 기반으로 하여 샘플들이 파단되지 않고 체결되는 유효 체결 토크 구간을 결정하는 단계로서, 샘플 파단 토크보다 작은 제1토크를 하한으로 하고, 제1토크와 샘플 파단 토크 사이의 제2토크를 상한으로 하여, 제1토크 내지 제2토크의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정하는 것으로 이루어질 수 있다.
유효 체결 토크는 대상물과 볼트를 상호 고정시키는데 필요한 체결력을 얻기 위하여 볼트에 작용하는 토크를 의미할 수 있고, 유효 체결 토크 구간은 대상물과 볼트를 상호 고정시키는데 필요한 체결력을 얻기 위하여 볼트에 작용하는 토크의 범위를 의미할 수 있다. 이때, 동일한 복수개의 볼트를 사용하여 동일한 복수개의 대상물에 볼팅하는 경우에도 각 볼트와 각 대상물의 체결 조건 예컨대 표면 거칠기, 치수 정밀도, 윤활 상태 등이 미세하게 다를 수 있다.
따라서, 같은 체결 토크로 같은 대상물과 같은 볼트를 같은 공구를 사용하여 볼팅하는 경우에도 각 볼팅 결과물에 제공되는 체결력이 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 유효 체결 토크 구간을 정하고, 이를 기반으로 시험 체결을 수행하고, 시험 체결의 수행 결과를 이용하여 볼팅 토크를 정함으로써 볼팅을 복수회 반복할 때의 체결력의 변화가 가장 적은 예컨대 재현성이 가장 좋도록 하는 하나의 볼팅 토크를 결정할 수 있다. 즉, 같은 종류의 볼트와 대상물을 이용한 복수의 볼팅 간에도 생길 수 있는 체결 조건의 편차를 반영한 볼팅 토크를 구할 수 있다. 한편, 볼팅 토크는 최종적으로 실제 대상물과 실제 볼트 간의 볼팅에 사용할 체결 토크를 의미할 수가 있다.
유효 체결 토크 구간 결정 단계(S300)를 이어서 설명한다.
제1토크는 샘플 파단 토크의 60%에 해당하는 토크일 수 있고, 제2토크는 샘플 파단 토크의 80%에 해당하는 토크일 수 있고, 샘플 파단 토크의 60% 내지 80%의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정할 수 있다. 즉, 샘플 파단 토크가 100㎏f·㎝인 경우, 유효 체결 토크 구간은 60 내지 80㎏f·㎝일 수 있고, 샘플 파단 토크가 200㎏f·㎝인 경우, 유효 체결 토크 구간은 120 내지 160㎏f·㎝일 수 있다.
이러한 유효 체결 토크 구간의 범위는 볼팅 토크를 결정하기 위한 실험 토크들과 파단 토크와의 관계를 보여주는 것으로, 볼팅을 안정적으로 수행하기 위해서는 파단 토크보다 작은 토크로 볼팅을 해야 하는데, 파단 토크보다 너무 작은 토크로 볼팅을 수행하면 볼트가 느슨하게 조여질 수 있고, 파단 토크와 너무 가까운 토크로 볼팅을 수행하면 볼트에 과도한 인장력이 가해지게 되어 볼팅된 부분의 구조가 외부의 충격에 의해 쉽게 불안정해질 수 있다. 유효 체결 토크 구간의 범위는 작업자로부터 경험적으로 획득할 수 있다.
예컨대 작업자들이 다양한 대상물 및 볼트를 사용하여 볼팅을 반복하는 동안 파단 토크의 X% 내지 Y% 내에서 선택된 소정의 토크로 볼팅을 하여 그렇지 않은 경우보다 볼팅 품질이 우수한 것을 확인하면, 파단 토크의 X% 내지 Y%의 범위 내에서 토크를 선택하여 선택한 토크로 볼팅을 수행하면 원하는 볼팅 품질을 보장할 수 있다고 판단할 수 있고, 유효 체결 토크 구간을 샘플 파단 토크의 X% 내지 Y%의 범위로 결정할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 이러한 유효 체결 토크 구간을 샘플 파단 토크의 60% 내지 80%의 범위로 결정하였다.
예컨대 유효 체결 토크 구간의 하한이 샘플 파단 토크의 60% 보다 작으면 시험 체결 시에 샘플 파단 토크의 60%보다 작은 토크로 시험 체결을 수행하는 경우가 생기고 해당 시험 체결에서는 샘플 대상물(10)과 샘플 볼트(20)의 체결이 느슨해질 수 있다.
그리고 유효 체결 토크 구간의 상한이 샘플 파단 토크의 80%보다 크면 시험 체결 시에 샘플 파단 토크의 80%보다 큰 토크로 시험 체결을 수행하는 경우가 생기고 해당 시험 체결에서는 샘플 볼트(20)가 과도하게 변형 예컨대 인장되어 체결 부위기 취약해질 수 있다.
물론, 유효 체결 토크 구간은 볼트와 대상물의 볼팅 구조를 모델링한 소정의 모델로부터 획득할 수도 있다.
라. 실험 토크 선택 단계(S400)
실험 토크 선택 단계(S400)는 유효 체결 토크 구간 내에서 복수의 실험 토크를 선택하는 단계이다. 이 단계는, 연속한 두 실험 토크의 차이가 소정의 정해진 크기가 되도록 하여 유효 체결 토크 구간 내에서 차례대로 복수의 실험 토크를 선택하는 것으로 이루어질 수 있다. 즉 실험 토크가 유효 체결 토크 구간 내에 고루 분포하도록, 유효 체결 토크 구간 내에서 실험 토크를 복수개 선택할 수 있고, 여기서, 유효 체결 토크 구간의 하한 및 상한 중 적어도 하나는 복수의 실험 토크에 포함될 수 있다.
예컨대 유효 체결 토크 구간이 60 내지 80㎏f·㎝이면, 실험 토크를 60㎏f·㎝와, 70㎏f·㎝와, 80㎏f·㎝의 토크로 선택할 수 있다. 물론, 동일한 구간 내에서 60㎏f·㎝와, 65㎏f·㎝와, 70㎏f·㎝와, 75㎏f·㎝와 80㎏f·㎝를 복수의 실험 토크로 선택할 수도 있다.
마. 볼트 체결 각도 측정 단계(S500)
볼트 체결 각도 측정 단계(S500)는 복수의 실험 토크 각각에 따라 샘플들의 시험 체결을 수행하며 볼트 체결 각도를 측정하는 단계이다. 도 2를 참조하면, 볼트 체결 각도의 측정은 각각의 시험 체결마다 수행되는데, 체결이 시작되면 샘플 볼트(20)에는 0부터 실험 토크까지의 토크가 순차적으로 가해지고, 소정 시간이 지나서 미리 정해진 기준 시점이 되면, 미리 정해진 기준 시점으로부터 샘플 볼트(20)에 가해지는 토크가 실험 토크에 도달하여 시험 체결이 종료되는 시점까지 샘플 볼트(20)가 회전한 각도('볼트 체결 각도'라고 한다)를 측정할 수 있다.
바. 기준 시점의 정의 및 의미
여기서, 기준 시점은 아래와 같은 방식으로 정의할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 소정 퍼센트(%)에 해당하는 토크를 넘어서는 시점으로 정의될 수 있다. 구체적으로, 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 40%를 넘어서는 시점일 수 있다.
기준 시점의 의미는 다음과 같다. 도 3의 (a)를 참조하면, 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트(20)에 작용되는 힘이 회전력(FA)에서 체결력(FB)으로 전환되는 시점일 수 있다.
예컨대 시험 체결을 시작하면 0에서부터 실험 토크까지 토크를 증가시키면서 샘플 볼트(20)에 토크를 가한다. 이때, 샘플 볼트(20)는 도 3의 (a) 내지 (b)와 같이, 소정 각도(θA)로 회전하면서 하강하여 샘플 대상물(10)의 홀에 삽입되고, 소정 시간이 지나면 헤드(21)가 샘플 대상물(10)에 접촉하게 된다.
이때, 샘플 볼트(20)의 헤드(21)가 샘플 대상물(10)에 접촉하기 전까지는 토크의 변화가 완만할 수 있다. 즉, 적은 힘을 들이고도 샘플 볼트(20)를 홀 내로 진입시킬 수 있고, 샘플 볼트(20)는 약 360° 이상의 소정 각도(θA) 원활하게 회전하면서 샘플 대상물(10)에 약하게 조여질 수 있다. 이때, 샘플 볼트(20)에 가해지는 힘을 회전력(FA)이라고 지칭할 수 있다.
이후, 샘플 볼트(20)의 헤드(21)가 샘플 대상물(10)에 접촉한 시점부터는 샘플 볼트(20)를 강제로 회전시켜 샘플 볼트(20)를 탄성 변형 혹은 소성 변형을 시켜가며 실험 토크에 도달할 때까지 샘플 볼트(20)를 강하게 조여서 볼팅을 완료해야, 샘플 볼트(20)와 샘플 대상물(10) 간에 원하는 체결력을 얻을 수 있다. 즉, 도 3의 (b) 내지 (c)와 같이, 큰 힘을 들여서 샘플 볼트(20)를 회전시키면 샘플 볼트(20)가 소정 각도(θB) 서서히 회전하며 샘플 대상물(10)에 강하게 조여지고 볼팅이 완료될 수 있다. 이때, 샘플 볼트(20)에 가해지는 힘을 체결력(FB)이라고 지칭할 수 있다. 이때, 도면에서 L은 변형 전의 샘플 볼트(20)의 길이를 나타내고, L'는 탄성 혹은 소성변형된 샘플 볼트(20)의 길이를 나타낸다.
즉, 상술한 바를 참조하면, 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트(20)의 헤드(21)가 샘플 대상물(10)에 맞닿는 시점일 수 있다. 또한, 이를 다르게 표현하면, 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트(20)를 회전시키는 볼팅 장치(미도시)의 전류값 및 분당 회전수가 급격히 변화하는 시점일 수 있다. 구체적으로 시험 체결 시 볼팅 장치의 전류값이 급격이 증가하고, 분당 회전수가 급격히 감소하기 시작하는 시점일 수 있다.
한편, 샘플 볼트(20)에 체결력이 가해지는 동안 샘플 볼트(20)가 30°를 초과하여 회전하면 샘플 볼트와 샘플 대상물의 나사 부분의 소성화가 과도하게 진행될 수 있고, 샘플 볼트(20)가 회전을 계속하여도 체결력이 증가하지 않을 수 있다. 따라서, 시험 체결 시에 샘플 볼트(20)에 작용되는 힘이 회전력(FA)에서 체결력(FB)으로 전환되는 시점 이후에, 볼팅을 완료할때까지 샘플 볼트(20)의 회전 각도는 30° 이하가 되는 것이 좋다.
사. 볼트 체결 각도 측정 단계(S500)의 상세 구성
이하, 볼트 체결 각도 측정 단계(S500)를 이어서 설명한다. 볼트 체결 각도 측정 단계(S500)는 아래와 같은 세부 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
A. 실험 토크 할당 단계
먼저, 복수의 실험 토크 각각을 샘플들의 시험 체결을 수행할 복수의 볼팅 장치 각각에 할당해줄 수 있다. 즉, 복수의 볼팅 장치를 이용하여 복수의 시험 체결을 동시에 수행할 경우, 복수의 실험 토크를 복수의 볼팅 장치에 각각 입력해줄 수 있다.
물론, 복수의 실험 토크의 가장 낮은 값부터 가장 높은 값까지 또는 가장 높은 값부터 가장 낮은 값까지 순차적으로 샘플들의 시험 체결을 수행할 볼팅 장치에 할당해줄 수도 있다. 이 경우는, 하나의 볼팅 장치를 이용하여 복수의 시험 체결을 순차적으로 수행하는 경우에 해당할 수 있고, 각각의 할당 단계의 사이마다 후술하는 볼팅 단계를 수행해줌으로써, 시험 체결을 순차적으로 수행할 수 있다.
B. 샘플 볼팅 단계
이후, 시험 체결을 동시에 수행하는 경우, 실험 토크가 할당된 복수의 볼팅 장치로 각각의 샘플 볼트(20)를 각각의 샘플 대상물(10)에 볼팅시킬 수 있다. 이 단계 중에 각각의 샘플 볼트(20)가 회전한 각도를 측정할 수 있다. 샘플 볼트(20)가 회전한 각도는 볼팅 장치에 구비된 앵글 게이지를 이용할 수 있다. 물론, 회전 각도를 측정하기 위한 공구는 이 외에도 다양할 수 있다.
또한, 시험 체결을 순차적으로 수행하는 경우, 실험 토크가 할당되는 순서대로 볼팅 장치로 복수의 샘플 볼트를 복수의 샘플 대상물에 각각 볼팅시킬 수 있다. 이 단계 중에, 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정할 수 있다.
예컨대 실험 토크가 각각 60㎏f·㎝와, 70㎏f·㎝와, 80㎏f·㎝의 토크이면, 먼저, 60㎏f·㎝의 토크로 샘플 볼트(20)와 샘플 대상물(10)의 시험 체결을 수행하면서 24㎏f·㎝의 토크를 지나는 시점부터 시험 체결이 종료되는 시점까지 볼트 체결 각도를 측정할 수 있다. 다음으로, 70㎏f·㎝의 토크로 새로운 샘플 볼트(20)와 새로운 샘플 대상물(10)의 시험 체결을 수행하면서 28㎏f·㎝의 토크를 지나는 시점부터 해당 시험 체결이 종료되는 시점까지 볼트 체결 각도를 측정할 수 있다. 이어서, 80㎏f·㎝의 토크로 또 다른 샘플 볼트(20)와 또 다른 샘플 대상물(10)의 시험 체결을 수행하면서 32㎏f·㎝의 토크를 지나는 시점부터의 볼트 체결 각도를 측정할 수 있다.
아. 볼팅 토크 결정 단계(S600)
볼팅 토크 결정 단계(S600)는 측정된 복수의 볼트 체결 각도를 근거로 복수의 실험 토크 중에서 대상물 및 볼트의 볼팅에 사용할 볼팅 토크를 결정하는 단계이다. 이러한 단계를 통하여, 볼팅 시의 체결력의 재현성이 좋은 볼팅 토크를 유효 체결 토크 구간 내에서 용이하게 결정할 수 있다.
상술한 볼팅 토크 결정 단계(S600)는 측정된 볼트 체결 각도를 미리 정해진 기준 볼트 각도와 대비하여 기준 볼트 각도보다 작은 볼트 체결 각도를 선별하는 볼트 체결 각도 선별 단계와, 선별된 볼트 체결 각도가 하나이면 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하고, 선별된 볼트 체결 각도가 복수개이면 이들의 평균값을 계산하여 평균값에 대한 표준편차가 3 이내이면서 가장 작은 값의 볼트 체결 각도를 확인하고 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하는 실험 토크 선별 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
볼팅 토크 선별 단계에서, 미리 정해진 기준 볼트 각도는 30도일 수 있다. 이에, 이 단계를 통하여 샘플 볼트(20)와 샘플 대상물(10)의 나사 부분에서 소성화가 과도하게 진행되기 전에, 시험 체결이 종료된 즉, 샘플 볼트(20)의 회전이 종료된 시험 체결을 선별할 수 있다.
실험 토크 선별 단계에서는, 선별된 시험 체결에 해당하는 실험 토크를 이용하여 볼팅 토크를 구할 수 있다. 이때, 선별된 시험 체결이 하나이면, 해당 시험 체결에서 사용한 실험 토크를 선별하여 볼팅 토크로 결정한다. 선별된 시험이 복수개이면, 선별된 복수개의 시험 체결에서 사용한 복수개의 실험 토크들 중에서 볼팅 토크를 결정해야 한다. 이를 위해, 선별된 볼트 체결 각도의 평균값을 계산하고, 평균값에 대한 표준편차를 각각 구한다. 그리고 표준편차가 3 이내인 볼트 체결 각도를 선택하고, 그중 가장 작은 값의 볼트 체결 각도를 확인한다. 이에, 확인한 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하고 이를 볼팅 토크로 결정할 수 있다. 이러한 단계를 통하여, 볼팅에 사용할 정확한 볼팅 토크를 결정할 수 있다.
볼팅 토크를 결정하면, 실제 대상물과 실제 볼트를 볼팅 토크로 볼팅하는 작업을 복수회 수행할 수 있고, 이로부터 우수한 품질의 배터리 팩을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 볼팅하고자 하는 대상물의 샘플 및 볼트의 샘플로부터 획득한 파단 토크를 기반으로 유효 체결 토크 구간을 결정하고, 유효 체결 토크 구간 내에서 복수의 실험 토크를 선택하여 각각의 시험 체결을 수행하며 기준 시점 이후부터의 볼트 체결 각도를 측정하고, 측정된 복수의 볼트 체결 각도를 이용하여 유효 체결 토크 구간 내에서 볼팅 토크를 최종적으로 결정할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 이와 같은 단계들을 통하여, 볼팅하고자 하는 대상물 및 볼트의 재료 편차에 따른 볼팅 조건의 변화를 수용할 수 있는 정확한 볼팅 토크를 결정할 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 조합 및 변형될 것이고, 이에 의한 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 샘플 대상물
11: 하판
12: 상판
20: 샘플 볼트
21: 헤드
22: 나사부
FA: 회전력
FB: 체결력
L: 샘플 볼트의 길이

Claims (14)

  1. 볼팅하고자 하는 대상물의 샘플들 및 볼트의 샘플들을 준비하는 준비 단계:
    상기 대상물 및 볼트의 샘플들의 볼팅 시 대상물 및 볼트 중 적어도 하나의 샘플이 파단되는 샘플 파단 토크를 측정하여 획득하는 샘플 파단 토크 획득 단계;
    상기 샘플 파단 토크를 기반으로 하여 파단되지 않고 체결되는 유효 체결 토크 구간을 결정하는 유효 체결 토크 구간 결정 단계;
    상기 유효 체결 토크 구간 내에서 복수의 실험 토크를 선택하는 실험 토크 선택 단계;
    상기 선택된 복수의 실험 토크 각각에 따라 상기 샘플들의 시험 체결을 수행하며 볼트 체결 각도를 측정하는 볼트 체결 각도 측정 단계; 및
    상기 측정된 복수의 볼트 체결 각도를 근거로 상기 복수의 실험 토크 중에서 상기 대상물 및 볼트의 볼팅에 사용할 볼팅 토크를 결정하는 볼팅 토크 결정 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 볼트 체결 각도 측정 단계는,
    미리 정해진 기준 시점으로부터 시험 체결이 종료되는 시점까지 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 소정 퍼센트(%)에 해당하는 토크를 넘어서는 시점인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준 시점은 시험 체결 중에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 증가하여 실험 토크의 하위 40%를 넘어서는 시점인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트에 작용되는 힘이 회전력에서 체결력으로 전환되는 시점인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트를 샘플 대상물에 볼팅하도록 샘플 볼트를 회전시키는 볼팅 장치의 전류값 및 분당 회전수가 급격히 변화하는 시점인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 기준 시점은 시험 체결 시에 샘플 볼트의 헤드가 샘플 대상물에 맞닿는 시점인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유효 체결 토크 구간 결정 단계는,
    상기 샘플 파단 토크보다 작은 제1토크를 하한으로 하고, 상기 제1토크와 상기 샘플 파단 토크 사이의 제2토크를 상한으로 하여, 상기 제1토크 내지 상기 제2토크의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유효 체결 토크 구간 결정 단계는,
    상기 샘플 파단 토크의 60% 내지 80%의 범위를 유효 체결 토크 구간으로 결정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 실험 토크 선택 단계는,
    연속한 두 실험 토크의 차이가 소정의 정해진 크기가 되도록 하여 상기 유효 체결 토크 구간 내에서 차례대로 복수의 실험 토크를 선택하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유효 체결 토크 구간의 하한 및 상한 중 적어도 하나는 상기 복수의 실험 토크에 포함되는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼트 체결 각도 측정 단계는,
    복수의 실험 토크 각각을 상기 샘플들의 시험 체결을 수행할 복수의 볼팅 장치 각각에 할당해주는 실험 토크 할당 단계;
    실험 토크가 할당된 복수의 볼팅 장치로 각각의 샘플 볼트를 각각의 샘플 대상물에 볼팅시키는 샘플 볼팅 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 샘플 볼팅 단계 중에 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼트 체결 각도 측정 단계는,
    복수의 실험 토크의 가장 낮은 값부터 가장 높은 값까지 또는 가장 높은 값부터 가장 낮은 값까지 순차적으로 상기 샘플들의 시험 체결을 수행할 볼팅 장치에 할당해주는 실험 토크 할당 단계;
    실험 토크가 할당되는 순서대로, 상기 볼팅 장치로 복수의 샘플 볼트를 복수의 샘플 대상물에 각각 볼팅시키는 샘플 볼팅 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 샘플 볼팅 단계 중에 각각의 샘플 볼트가 회전한 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  13. 청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 볼팅 토크 결정 단계는,
    측정된 볼트 체결 각도를 미리 정해진 기준 볼트 각도와 대비하여 상기 기준 볼트 각도보다 작은 볼트 체결 각도를 선별하는 볼트 체결 각도 선별 단계;
    상기 선별된 볼트 체결 각도가 하나이면 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하고, 상기 선별된 볼트 체결 각도가 복수개이면 이들의 평균값을 계산하여 평균값에 대한 표준편차가 3 이내이면서 가장 작은 값의 볼트 체결 각도를 확인하고 해당 볼트 체결 각도가 측정된 시험 체결에서의 실험 토크를 선별하는 실험 토크 선별 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 실험 토크 선별 단계에서 선별된 실험 토크를 볼팅 토크로 결정하는 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기준 볼트 각도는 30도인 것을 특징으로 하는 볼팅 토크 결정 방법.
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