토크 힌지 계산 및 선택 가이드: 공식 및 표준

토크 힌지(마찰 힌지 또는 프리스톱 힌지라고도 함)는 회전 조인트 내에서 제어 가능한 댐핑 및 유지 토크를 도입합니다. 이를 통해 커버, 디스플레이 또는 도어가 스프링백 없이 어떤 각도에서도 위치를 유지할 수 있어 열고 닫을 때 일관된 느낌을 보장합니다.

노트북, 산업 장비 서비스 도어, 의료용 디스플레이 암, 정밀 기기에서 이러한 경첩은 HMI(인간-기계 인터페이스) 품질, 제품 수명 및 안전에 직접적인 영향을 미칩니다.

이 종합 가이드는 실용적인 토크 계산 방법, 선택 워크플로, 재료 필수 사항 및 기술 표준 참조를 제공하여 설계 프로세스를 간소화할 수 있도록 도와줍니다.

토크 힌지의 기본 원리

정의 및 물리적 의미

토크($T$): 회전력는 가해진 힘과 모멘트 암의 곱으로 정의됩니다.

• 단위: N-m(뉴턴 미터), 당 ISO 80000-4:2019 역학의 수량 및 단위.

힌지 구조에서는 중력에 의해 중력 모멘트 패널의 무게중심에서 회전축까지의 수직 거리를 통해 측정합니다. 힌지의 내부 마찰 쌍이 저항을 생성합니다. 마찰 토크. 이 둘 사이의 균형에 따라 부품의 위치 유지 여부가 결정됩니다.

정적 토크 대 동적 토크

힌지를 선택할 때는 이 두 가지 개념을 구분하는 것이 중요합니다:

• 정적 토크: 다음에 필요한 토크 보류 중력에 대해 특정 각도로 고정된 패널입니다. 디자인 계산은 주로 이 값에 중점을 둡니다.
• 동적 토크: 다음에 필요한 토크 이동 (관성 및 운동 마찰을 극복하는) 패널.
  • 참고: 고점도 댐핑 그리스는 일반적으로 동적 토크가 정적 토크보다 약간 더 높습니다. 이렇게 하면 '튀는' 현상을 방지할 수 있지만 사용자가 움직이기 위해서는 약간 더 많은 힘이 필요합니다.

작동 메커니즘

내부적으로 쌓인 마찰판(예: 강철/인청동) 또는 사전 로드된 탄성 요소는 일정하거나 거의 일정한 댐핑을 생성합니다.

• 보유 조건: 언제 마찰 토크 ≥ 외부 교란 토크 (중력 + 진동)을 사용하면 각도가 안정적으로 "고정"됩니다.
• 관련 테스트:
  • ISO 4287/4288: 표면 거칠기 매개변수 및 평가.
  • ASTM G99: 핀 온 디스크 마모 테스트를 통해 마찰 쌍의 수명을 평가합니다.

구조적 형태별 분류

유형	설명	일반적인 애플리케이션
단방향	주로 한 방향으로 댐핑을 제공합니다(예: 닫을 때 댐핑, 열 때 자유).	무거운 유지보수 커버, 상부 적재함.
양방향	열기 및 닫기 방향 모두에서 대칭적인 댐핑을 제공합니다.	노트북 화면, 의료용 모니터, POS 디스플레이.
인덱싱(디텐트)	"촉각 피드백을 위해 설정된 각도(예: 0°, 90°, 180°)에서 제자리에 '클릭'합니다.	산업용 포지셔닝, 접이식 장비.
색인화되지 않음	전체 스트로크(무한 위치)에 걸쳐 지속적이고 부드러운 댐핑을 제공합니다.	가전제품, 하이엔드 가전.

토크 힌지 선택을 위한 주요 파라미터

기본 필요 수량

• 무게($W$): 뉴턴(N) 단위. 공식: $W = 질량(kg) \times 9.81m/s²$.
• 모멘트 암($L$): 그리고 수직 거리 무게중심(COG)에서 회전축까지의 거리(미터)입니다.
• 각도($\세타$): 중력 방향에 대한 각도입니다.
• 힌지 개수($n$): 힌지당 토크 공유를 결정합니다.

토크 계산 공식

보유 포지션의 기본 요건은 다음과 같습니다:

$$T_{req} = W \times L \times \sin(\theta)$$

참고: $\theta$는 중력이 최대로 작용하는 각도를 나타냅니다. 이 피크는 거의 항상 패널이 다음과 같은 경우에 발생합니다. 수평 ($\sin 90^\circ = 1$).

설계 공식(안전 계수 포함):

$$T_{design} = SF \times T_{req}$$

• 권장 안전 계수(SF): 1.2 - 1.5 (제조 공차, 그리스 점도 변화, 마모 등을 고려합니다).
• T_design 대상 선택 범위를 정의합니다.

일반적인 함정

경고:

• 질량 대 무게: Kg을 직접 사용하지 마세요. 뉴턴으로 변환해야 합니다($kg \배 9.81$).
• 기하학적 중심 대 COG: 기하학적 중심이 무게 중심(COG)이라고 가정하지 마세요. 비대칭 패널의 경우 CAD에서 실제 COG를 찾습니다.
• 수평 함정: 최대 토크 요구 사항은 레버 암이 가장 길 때(수평) 결정됩니다. 항상 이 최악의 시나리오를 가정하여 계산하세요.

애플리케이션별 계산 예시

노트북 디스플레이(경량/정밀)

• 조건: 디스플레이 질량 0.45kg($W \약 4.415 N$), COG 거리 $L = 0.10m$.
• 피크 상태: 수평(레이아웃에 따라 90° 또는 180°로 열림).
• 계산:$$T_{req} = 4.415 N \times 0.10 m = 0.4415 N\cdot m$$
• 설계 목표(SF = 1.3):$$T_{design} = 0.4415 \times 1.3 = 0.574 N\cdot m$$
• 선택: 하중을 공유하는 두 개의 경첩 $\우측arrow$ 힌지당 ~0.29N-m.

산업 서비스 커버(헤비 듀티)

• 조건: 스틸 커버 질량 3.0kg($W = 29.43 N$), COG 거리 $L = 0.18 m$.
• 계산:$$T_{req} = 29.43 N \times 0.18 m = 5.30 N\cdot m$$
• 설계 목표(SF = 1.3):$$T_{design} = 5.30 \times 1.3 = \mathbf{6.89 N\cdot m}$$
• 선택: 경첩 2개 $\우측경첩$ 힌지당 ~3.45N-m.
• 참고: 진동하는 환경(발전기, 압축기)의 경우 SF를 1.5 또는 2.0으로 높여 "크리프"를 방지합니다.

의료용 디스플레이 암(멀티 조인트)

• 접근합니다: 각 조인트를 독립적으로 모델링합니다.
  • 조인트 A(베이스): 전체 팔 + 디스플레이 무게를 지탱합니다.
  • 조인트 B(끝): 디스플레이만 전달합니다.
• 요구 사항: 의료 환경은 종종 특정 재료 호환성(세정제)과 입자 배출 제어(ISO 클래스 클린룸)를 필요로 합니다.

소재 및 환경 내구성

재료	장점	위험 및 참고 사항	관련 표준
스테인리스 스틸(SUS304/316)	고강도 + 내식성.	마모 위험, 비용 증가.	ISO 9227 (소금 스프레이); ISO 3506 (패스너)
알루미늄 합금(6061/6063)	가볍고 압출 가능합니다.	낮은 표면 경도, 아노다이징이 필요합니다.	ISO 7599 (아노다이징); ISO 2081 (아연 도금)
엔지니어링 플라스틱(POM/PA+GF)	마찰이 적고 조용한 작동, 저렴한 비용.	열 드리프트(열에 의한 토크 강하), 크리프.	UL 94 (인화성)

부식 참고 사항: 실외 또는 화학적 환경의 경우 316L 스테인리스 스틸 또는 경질 양극 산화 코팅을 우선적으로 고려하세요. 주기적인 습열 테스트를 통해 성능을 확인합니다(IEC 60068-2-30).

선택 워크플로(체크리스트)

1. 오리엔테이션을 정의합니다: 회전 범위와 '피크 각도'(중력이 가장 강하게 작용하는 지점)를 결정합니다.
2. 피크 토크를 계산합니다: $T_{req} = W \times L_{COG}$.
3. 안전 계수를 적용합니다: 1.2-1.5를 곱하면 $T_{design}$가 됩니다.
4. 로드 공유를 결정합니다: 힌지 수로 나눕니다($n$).
5. 5. 모델 선택: 토크 범위와 커브 유형(단방향/양방향)을 일치시킵니다.
6. 프로토타입 검증: '촉감', 백래시, 온도 드리프트(-20°C ~ +60°C)를 테스트합니다.

문제 해결 가이드

이슈	잠재적 원인	솔루션
조작이 너무 무겁게 느껴짐	예압이 너무 높음; 정적 토크 $\gg$ 동적 토크.	각도 종속 커브를 선택하고 어시스트 스프링을 추가합니다.
커버가 처지거나 고정되지 않음	선택한 토크는 무게가 아닌 질량을 기준으로 했으며, SF가 너무 낮았습니다.	토크 등급을 높이고 COG를 최적화합니다.
온도에 따른 느낌의 변화	그리스 점도 변화 또는 플라스틱 팽창.	저온-드리프트 마찰 쌍을 사용하고 IEC 60068-2-14.
삐걱거리는 소리 / 소음	스틱 슬립 현상, 이물질 유입.	표면 거칠기 확인($Ra$), 씰링/윤활 개선.

토크 단위 환산 표

단위	N-m으로 변환	참고
1 kgf-cm	0.09807 N-m	아시아 시장에서 공통
1 kgf-m	9.80665 N-m	이전 메트릭 표준
1 lbf-in	0.11298 N-m	북미 항공우주/전자 업계에서 흔히 볼 수 있습니다.
1 lbf-ft	1.3558 N-m	미국의 중공업 산업에서 흔히 볼 수 있습니다.

일반적인 토크 레퍼런스 범위

• 소형 전자제품(휴대폰/태블릿): 0.1 - 0.6 N-m
• 노트북: 0.4 - 0.8 N-m(힌지당)
• 의료/POS 디스플레이: 1.5 - 5.0 N-m
• 산업용 캐비닛: 5.0 - 15.0 N-m
• 중장비 해치: 20.0+ N-m(일반적으로 카운터밸런스 힌지 또는 가스 스트럿 필요)

자주 묻는 질문

Q1: 선택 시 질량 또는 무게를 사용해야 하나요?

항상 무게(N)를 사용합니다. 질량($kg$)이 있는 경우 $W = kg \times 9.81$로 계산합니다.

Q2: 최대 토크가 보통 수평에서 발생하는 이유는 무엇인가요?

90°(수평)에서 힌지 축에 대한 레버 암의 중력 방향이 최대 길이가 되어 중력 모멘트가 가장 커지기 때문입니다.

Q3: 두 개의 경첩이 완벽하게 균등하게 하중을 공유하나요?

완벽하지는 않습니다. 조립 편향과 마찰 차이는 불균등한 공유로 이어집니다. 그렇기 때문에 최소 20%의 안전 계수를 적용합니다.

Q4: '가벼운 느낌'과 '강한 유지력'의 균형을 맞추는 방법은 무엇인가요?

각도 의존 토크 곡선(유지 각도에서만 토크가 높은 경우) 또는 복합 방식(마찰 힌지 + 가스 스트럿)을 사용하여 리프트 지원을 제공합니다.