처음 볼스크류를 선정하려 하면 카탈로그를 펼쳐봐도 어디서 어떻게 시작해야 할지 좀 막막합니다.

쉽게 볼스크류 선정을 하기 위해 각 조건만 입력하면 자동으로 볼스크류 제원을 알려주는 볼스크류 선정 계산기로 쉽고 간편하게 볼스크류 선정을 하세요.

이어서 볼스크류 선정 방법에 대해 순서대로 다뤄보겠습니다.볼스크류 종류·구조가 아직 익숙하지 않다면 볼스크류 종류 및 구조 포스팅을 먼저 보시면 이해하기가 훨씬 쉽습니다.

⚙️ 볼스크류 선정 계산기 — 조건 입력하면 직경까지 자동 추천

이송 질량·속도·스트로크를 입력하면 필요 Ca 자동 산출 → HIWIN 적합 제품 자동 추천 → 수명·DN값·좌굴 검증까지 한 번에 계산합니다.

볼스크류 선정 5단계 흐름

볼스크류 선정에서 흔한 실수는 직경부터 고르는 것입니다.
직경은 하중과 스트로크가 결정된 다음 선택하는 항목입니다.
아래 순서를 참고해주세요

STEP 1 — 이송 조건 정리

정리해야 할 항목과 이유

볼스크류 선정의 첫 단계는 설비 요구 조건을 숫자로 정리하는 것입니다.
막연하게 볼스크류를 이용해서 기계 장비를 이동시켜야지 라고 생각하면 막막합니다.
아래 항목들을 설계 초기에 확실히 정하는 것이 좋습니다.

축 방향별 축방향 하중 계산

볼스크류에 작용하는 축방향 하중(Fa)은 이송 방향에 따라 계산 방법이 다릅니다.
여기서 μ는 가이드 마찰 계수(LM 가이드 기준 0.002~0.005, 슬라이딩 방식 0.02~0.05)입니다.

수직 축에서 하강 방향의 Fa는 모터 감속 시 볼스크류가 밀리는 방향으로 작용합니다.
이때 볼스크류 너트가 급제동 토크를 받으므로 서보 드라이브의 감속 토크 한계와 함께 검토해야 합니다. 수직 축에 볼스크류를 쓸 때 브레이크가 반드시 필요한 이유입니다.

STEP 2 — 리드 결정과 모터 회전수 역산

리드 결정 공식

볼스크류 선정에서 리드는 모터 최고 회전수(Nmax)와 목표 이송 속도(v)에서 역산합니다.
여기에 감속기가 있으면 감속비(i)를 곱합니다.

계산한 리드보다 작은 표준 리드 제품을 선택하면 같은 모터 회전수에서 이송 속도가 줄어들고, 큰 리드를 선택하면 속도는 나오지만 같은 추력을 내기 위해 더 큰 토크가 필요합니다. 표준 리드 제품(4, 5, 8, 10, 12, 16, 20mm)에서 가장 가까운 값을 고른 뒤 모터 토크 여유를 재확인하세요.

모터 토크 역산 — 볼스크류 효율 반영

볼스크류를 통해 추력 Fa[N]을 내려면 모터에서 필요한 토크 T[N·m]는 아래 식으로 계산합니다.
볼스크류 효율 η는 보통 0.9를 사용합니다.

이 값에 가감속 관성 토크와 안전율(1.2~1.5)을 더한 것이 최소 모터 정격 토크입니다.
모터 선정 가이드에서 다룬 RMS 토크 계산과 함께 검토하면 모터와 볼스크류를 동시에 확정할 수 있습니다.

STEP 3 — 직경·하중 검토 (Ca·C0a)

기본 동정격하중 Ca와 정정격하중 C0a

카탈로그에서 볼스크류를 고를 때 보게 되는 두 가지 하중 값이 있습니다.

기본 동정격하중 Ca [N]: 100만 회전에서 90%의 볼스크류가 피로 손상 없이 버티는 하중입니다.
수명 계산의 기준이 되는 값으로, 연속 운전에서 가장 중요한 값입니다.

기본 정정격하중 C0a [N]: 정지 상태에서 볼스크류에 영구 변형이 생기지 않는 최대 하중입니다.
충격 하중이나 정지 시 외부 하중이 크게 걸리는 설비에서 확인합니다. C0a > (충격 하중 × 충격 계수)가 되어야 합니다.

1차 직경 선택 기준은 Ca ≥ 동등가 하중 × 하중 계수 × 안전율입니다. 여기서 하중 계수(fw)는 이송 속도와 진동 조건에 따라 아래 표를 참조합니다.

직경 선택 실무 팁

필요 Ca를 계산하면 카탈로그에서 Ca가 이 값 이상인 제품 중 가장 작은 직경을 고릅니다.
직경이 크면 하중 용량은 올라가지만 무게와 관성이 늘어나고 가격도 오릅니다. 처음에는 1단계 작은 직경으로 선택한 뒤 수명 계산에서 부족하면 한 단계 올리는 방식으로 접근하는 것이 효율적입니다.

또 한 가지 — 직경은 좌굴 하중과도 연결됩니다.
스트로크가 길면(600mm 이상) 직경이 너무 작아서 좌굴이 생길 수 있습니다. STEP 5에서 검증하지만, 스트로크가 긴 경우에는 처음부터 한 단계 큰 직경을 검토하는 것이 안전합니다.

STEP 4 — 수명 계산 (L10)

볼스크류 L10 수명 계산식

볼스크류 수명은 베어링과 동일한 L10 이론(90%의 제품이 손상 없이 도달하는 수명)으로 계산합니다.

주의할 점은 평균 이송 속도를 어떻게 산정하느냐입니다.
트라페조이달 속도 프로파일(가속-등속-감속)이라면 등속 구간 속도의 2/3 수준이 실제 평균에 가깝습니다. 정확한 계산이 필요하다면 사이클 전체의 이동 거리를 총 시간으로 나눠 평균 속도를 구합니다.

하중이 가변적일 때 — 등가 하중 계산

가속·등속·감속 구간에서 하중이 다를 때는 각 구간별 하중과 이동 거리를 반영한 등가 동하중(Fm)을 계산해야 합니다.

실무에서는 가속/감속 구간 하중이 등속 구간보다 클 때 이 등가 하중을 쓰지 않으면 수명을 지나치게 낙관적으로 계산하게 됩니다. 특히 고가속(0.5G 이상) 장비에서는 가속 하중이 등속 하중의 2배 이상이 되기도 합니다.

STEP 5 — DN값·좌굴 하중 검증

DN값 검증

볼스크류의 최고 회전수는 DN값(샤프트 직경 D[mm] × 최고 회전수 N[rpm])으로 제한됩니다.
일반 볼스크류의 허용 DN값은 약 70,000 이하이며, 고속용은 150,000 이상도 있습니다.

좌굴 하중 검증

볼스크류 샤프트는 축방향 압축 하중을 받으면 좌굴(기둥이 옆으로 휘는 현상)이 생길 수 있습니다.
특히 스트로크가 긴 경우 반드시 확인해야 합니다. 좌굴 하중 Pk는 오일러 식으로 계산합니다.

지지 조건 계수 η가 의미하는 것은 양단 고정이 고정-자유보다 16배 높은 좌굴 하중을 버틴다는 뜻입니다.
긴 스트로크에서 좌굴이 걱정된다면 고정-지지 → 고정-고정으로 바꾸는 것이 직경을 키우는 것보다 효과적일 때가 많습니다.

실전 계산 예시 — 수평 이송 장치 1축

조건 설정

컨베이어 위 팔레트를 수평으로 이송하는 단축 장치를 설계하는 예입니다.
조건은 다음과 같습니다.

단계별 계산

① 축방향 하중 Fa
수평 이송이므로 Fa = μ × W = 0.003 × 490 = 1.47N
여기에 가속 시 관성력을 더합니다: F_accel = 50kg × (500mm/s ÷ 0.2s) / 1000 = 50 × 2.5 = 125N
가속 구간 최대 하중: Fa_max = 125 + 1.47 ≒ 127N

② 리드 결정
리드 = 30,000mm/min ÷ 3,000rpm = 10mm → 표준 리드 10mm 선택

③ 필요 Ca 계산 (fw = 1.3 적용, 중속 조건)
등가 하중 Fm: 가속(127N, 50mm) + 등속(1.47N, 700mm) + 감속(127N, 50mm)
Fm = ∛((127³×50 + 1.47³×700 + 127³×50) / 800) = ∛(127³×100/800 + 무시) ≒ ∛(2,048,383/8) ≒ 63N
필요 Ca ≥ fw × Fm × (L10 목표에 따른 계수) → 아래 수명 계산에서 역산

④ 수명 계산 (직경 25mm, 리드 12mm, Ca = 11,100N 제품 가정)
평균 속도 ≒ 500 × 2/3 = 333mm/s → 평균 회전수 Nm = 333 × 60 / 12 = 1,667rpm
L10 = (11,100 / (1.3 × 63))³ × 10⁶ = (135.6)³ × 10⁶ ≒ 2.49 × 10¹⁵ rev
Lh = 2.49 × 10¹⁵ ÷ (1,667 × 60) ≒ 24,900,000시간
※ 이 하중 조건(63N)은 정격하중 Ca(11,100N)보다 매우 작아 이론 수명이 극단적으로 크게 나옵니다. 실제로는 윤활·오염·정렬 불량이 수명을 제한하므로, 수명 계산이 목표의 10배 이상 나오면 더 작은 직경(Ca가 낮은 제품)으로 다운사이징을 검토할 수 있습니다. → 조건 충분히 충족

⑤ DN값 검증
Nmax = 30,000 ÷ 10 = 3,000rpm
DN = 25 × 3,000 = 75,000 → 일반 볼스크류 허용 70,000 초과!
→ 해결: 고속용 볼스크류(DN 허용 120,000) 선택, 또는 리드 12mm로 변경(DN = 25 × 2,500 = 62,500 통과)

⑥ 좌굴 하중 검증 (지지 간 거리 lb = 900mm, 직경 25mm, 유효 직경 d₁ ≒ 22mm)
※ 유효 직경 d₁은 볼의 접촉점 중심 기준 샤프트 직경으로, 공칭 직경의 약 88% 수준. THK 카탈로그 규격표에 “볼나사 외경” 항목으로 기재됩니다.
I = π × 22⁴ / 64 = 11,499mm⁴
Pk = 2 × π² × 2.06×10⁵ × 11,499 / 900² = 2 × 9.87 × 2.06×10⁵ × 11,499 / 810,000
= 4.68×10¹⁰ / 810,000 ≒ 57,800N
안전율: 57,800 / 127 ≒ 455배 → 좌굴 문제 없음

결론: 직경 25mm, 리드 12mm, C3 등급, 경예압, 고정-지지(F-S) 볼스크류를 선택하면 모든 조건을 충족합니다.
최종적으로 THK 공식 사이트 · NSK · HIWIN 카탈로그에서 이 사양 이상의 제품을 찾아 발주합니다.

자주 묻는 질문 & 트러블슈팅 FAQ

Q1. 볼스크류 선정에서 안전율은 얼마나 잡아야 하나요?

A. 수명 계산(L10) 자체가 90% 신뢰도의 통계 기반이므로, 별도의 안전율보다는 목표 수명을 여유 있게 잡는 것이 더 실질적입니다. 하중 계수(fw)를 정확히 적용했다면 수명이 목표의 1.5~2배 이상 나오는 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 충격이 심한 설비라면 fw를 2.0 이상으로 보수적으로 적용하세요.

Q2. 감속기를 붙일 때 볼스크류 선정이 달라지나요?

A. 감속기가 있으면 모터 최고 회전수를 감속비로 나눈 값이 볼스크류 최고 회전수가 됩니다. 리드를 줄여도 되고(빠른 속도 구현이 쉬움), 동일 모터 토크에서 더 큰 추력을 낼 수 있습니다. 감속기 선정 가이드에서 다룬 감속비 계산과 연계해서 검토하면 모터→감속기→볼스크류 전체 시스템을 최적화할 수 있습니다.

Q3. 볼스크류를 수직 축에 쓸 때 추가 검토 사항은?

A. 수직 축에서는 세 가지를 추가로 확인해야 합니다. 첫째, 하강 방향 Fa 계산 시 중력 하중을 축방향 하중에 포함할 것. 둘째, 전원 차단 시 자중 낙하를 막을 브레이크(전자 브레이크) 또는 역지 클러치 설계. 셋째, 긴 스트로크 수직 축에서는 너트 하우징에 걸리는 굽힘 모멘트도 검토합니다. 볼스크류 자체보다 주변 설계를 더 꼼꼼히 봐야 합니다.

Q4. THK 카탈로그로 선정할 때 어떤 시리즈를 먼저 보나요?

A. 일반 자동화 설비라면 THK의 BNK/BNF 시리즈(위상차 예압, C3~C5 등급)가 범용으로 많이 씁니다. 고정밀이 필요하면 BSS 시리즈(C1~C3, 단일 너트 정밀 예압). 고속·대하중 용도라면 SBN 시리즈를 확인하세요. HIWIN은 R 시리즈가 동일 포지션입니다. 국내 유통 재고와 납기를 감안하면 HIWIN이 빠르게 구할 수 있는 경우가 많습니다.

Q5. 볼스크류 수명이 계산보다 훨씬 짧게 나옵니다. 원인은 무엇인가요?

A. 실제 수명이 계산보다 짧은 주된 이유는 세 가지입니다. ① 실제 하중이 설계 하중보다 크다(하중 계수 fw를 너무 낮게 적용). ② 윤활 부족(그리스 보급 주기 미준수). ③ 샤프트 정렬 불량(볼스크류 축과 LM 가이드 축이 평행하지 않아 편하중 발생). 세 가지를 순서대로 점검하세요. 특히 정렬 불량은 볼스크류만 바꿔도 같은 문제가 반복되는 원인이 됩니다.

본 글은 일반적인 기술 정보 제공을 목적으로 작성되었으며, 실제 설계 및 시공 시에는 반드시 자격을 갖춘 전문가와 상담하시기 바랍니다. 현장 조건과 법규에 따라 적용 방법이 달라질 수 있습니다.