축 키(Key) 완벽 가이드: 유형, 크기, 재료, 설계 공식 및 계산

키 연결은 축과 허브에 키웨이를 가공하고 '키'라는 부품을 삽입해 실현합니다. 크기는 작지만 축 키는 기계 동력 전달에서 중요한 역할을 합니다. 키는 회전축과 기어를 고정하는 기계 요소로, 주로 축주 방향으로 부품을 고정해 토크를 전달합니다. 일부 키는 축방향 고정이나 축방향 이동을 허용하기도 합니다(예: 감속기 내 기어-축 연결). 눈에 띄지 않는 부품이지만 동력 전달에서 필수적입니다. 오늘은 축 키의 유형, 크기, 재료, 설계를 자세히 살펴보겠습니다.

축 키(Shaft Key)란?

축 키는 모터 키라고도 하며, 두 회전 부품(보통 축과 허브)을 연결하는 짧은 막대입니다. 고강도 재료로 만들어 토크를 전달합니다. 기능은 두 부품을 미끄러짐이나 정렬 불량 없이 단일 회전체로 결합하면서 축 방향 회전을 허용해 전달 정밀도와 신뢰성을 확보하는 것입니다. 자동차, 오토바이, 농기계, 건설 장비 등 기계 시스템에 널리 쓰입니다.

축 키 유형 (도면, 특징 및 용도)

다양한 기계 전달에서 여러 키 유형이 기계 설계와 적용에 중요한 역할을 합니다. 키 연결의 기본 개념에는 평행키, 우드러프 키, 테이퍼 키, 탄젠트 키가 있으며 각각 고유한 특징과 적용 범위가 있습니다. 아래에서 각 축 키 유형의 도면, 특징, 적용을 자세히 탐구합니다.

1. 평행키 (Parallel Sunk Key)

표준 평행키(평행 키)는 매몰 키의 일종으로 고정 연결에 사용되며 축과 허브 간 상대적 축방향 이동이 없습니다. 양 측면이 작업면이고, 윗면과 허브 키웨이 바닥 사이에는 간극이 있습니다. 작동 중 축 키웨이, 키, 허브 키웨이 측면 압축으로 토크를 전달합니다. 테이퍼가 없는 직사각형 또는 정사각형 키로, 허브가 축을 따라 슬라이드해야 할 때 사용합니다. 평행 축 키는 제조가 쉽고 조립·분해가 편리하며 축과 축 장착 부품 간 정렬이 좋지만, 축 장착 부품의 축방향 이동을 고정할 수는 없습니다.

표준 평행키는 매몰 깊이에 따라 세 유형으로 나뉩니다: 양단 라운드(A), 양단 각진(B), 직사각형 단면, 편단 라운드(C).

직사각형 평행 매몰 키
정사각형 매몰 키
라운드 매몰 키(양단 라운드 또는 편단 라운드)

2. 우드러프 키 (Woodruff Key / Half Moon Sunk Key)

우드러프 키는 반달 모양으로 허브의 어떤 테이퍼에도 적응합니다. 축 내 깊은 깊이가 키웨이 내 전복을 방지하지만, 키웨이 깊이가 축 강도를 약화시킵니다. 보통 테이퍼 축 저널과 함께 토크를 전달하는 데 쓰입니다. 키 슬롯은 반달 키와 같은 모양의 밀링 커터로 가공돼 키가 슬롯 내 기하학적 중심을 중심으로 흔들릴 수 있습니다. 키 측면이 작업면으로 측면 압축으로 토크를 전달합니다. 키웨이는 디스크 커터로 가공되며 키 자체는 반원형입니다. 반원형 키는 제조성과 조립성이 좋고 특히 테이퍼 축 단부 연결에 적합합니다. 하지만 축 슬롯이 축 강도를 크게 저하시키므로 경부하 연결에만 적합합니다.

3. 새들 키 (Saddle Keys / Taper Key)

테이퍼 키의 작업면은 상하면입니다. 윗면에 1:100 테이퍼가 있고 허브 키웨이 바닥도 이 테이퍼로 설계됩니다. 테이퍼 키를 축과 허브 키웨이에 삽입하면 면에 큰 예압력이 생깁니다. 작동 중 테이퍼 키는 주로 마찰로 토크를 전달하며 단방향 축력을 견딜 수 있습니다. 하지만 축과 허브 간 편심을 유발할 수 있어 센터링 정밀도가 중요하지 않고 하중이 안정적이며 저속인 연결에 더 적합합니다.

테이퍼 키는 표준 테이퍼 키, 중공 새들 키, 깁헤드 테이퍼 키로 더 세분화됩니다.

플랫 새들 키 – 축 위에 평평하게 놓임
할로우 새들 키 – 키 바닥이 축 곡면에 맞음
깁헤드 새들 키 – 쉬운 탈거를 위한 후크 형상

4. 깁헤드 키 (Gib-Head Key / Sunk Key)

깁헤드 테이퍼 키는 특수 테이퍼 키로, 축과 허브 키웨이에 더 효과적으로 고정하기 위해 후크 모양 헤드를 가집니다. 깁헤드는 키 탈거를 쉽게 합니다. 이 설계는 연결 안정성을 높일 뿐 아니라 축-허브 간 편심을 어느 정도 줄여 연결 정밀도를 향상시킵니다. 따라서 깁헤드 테이퍼 키는 고속 회전 및 중부하 조건의 기계 조립처럼 높은 센터링 정밀도와 안전한 연결이 필요한 용도에 특히 적합합니다.

5. 페더 키 (Feather Key / Sunk Key)

페더 키는 축 또는 허브 중 한쪽에 고정되며 축방향 이동을 허용합니다. 키 측면이 작업면으로 측면력을 전달하고 정렬이 좋으며 조립·분해가 쉽습니다. 축방향 고정은 제공하지 않습니다. 키는 볼트로 축에 고정되며 중앙 나사 구멍으로 키를 뺍니다. 기어박스의 슬라이딩 기어처럼 축 부품이 축을 따라 약간 이동하는 상황에 쓰입니다.

6. 다월 키 (Dowel Key / Round Shaft Key)

원통형 몸체를 가진 다월 키는 허브와 축에 뚫린 구멍에 끼워지며 저출력 구동에 가장 적합합니다. 원통형 키는 일반적인 모터 축 키 형태입니다. 모터 축과 전달 부품의 홈과 매치됩니다. 설치가 쉽고 상당한 토크를 견딥니다. 다월 키는 직선 핀이나 테이퍼 핀으로도 설계돼 다양한 요구를 충족합니다.

스트레이트 핀 다월 키

테이퍼 핀 다월 키

7. 탄젠트 키 (Tangent Key)

탄젠트 축 키는 허브와 축의 키웨이에 맞으며, 직각으로 한 쌍을 이뤄 사용합니다. 각 키는 한 방향 토크만 견디며 대형 중부하 축에 쓰입니다. 1:100 테이퍼를 가진 두 쐐기 키로 구성되며 상하면이 함께 작업면을 이뤄 큰 토크를 전달합니다. 한 쌍의 탄젠트 키는 단방향 토크만 전달 가능하며, 양방향 토크에는 120°~135° 간격으로 두 쌍을 배치합니다. 센터링이 중요하지 않은 고부하 용도에 쓰입니다. 탄젠트 키는 접선 압력으로 토크를 발생시키며 작은 단방향 축력도 견딥니다.

주로 단방향 토크 전달이 필요하거나, 양방향일 경우 두 쌍의 탄젠트 키를 일정 간격으로 배치하는 상황에 쓰입니다. 큰 토크 전달 능력 덕분에 중장비에 흔히 사용됩니다.

8. 스플라인 키 (Spline Keys)

축 + 통합 키 = 스플라인 축으로, 축방향 이동을 허용합니다(슬라이딩 기어 전달에 흔히 사용). 스플라인 연결은 축과 허브 구멍 둘레에 여러 개의 균등 분포 키 치아로 구성되며 치아 측면이 작업면입니다. 이 연결은 높은 하중 용량, 좋은 센터링 및 가이드 성능을 가지며 축과 허브 강도 약화를 최소화합니다. 고부하, 고정밀 센터링, 빈번한 슬라이딩이 필요한 연결(예: 변속기 슬라이딩 기어)에 특히 적합합니다. 스플라인은 치형에 따라 직사각형 스플라인, 삼각형 스플라인, 인벌류트 스플라인으로 분류됩니다.

직사각형 스플라인: 밀링, 호빙, 브로칭, 셰이핑으로 제조 용이. 연마 후 고정밀 달성 가능. 표준은 경부하(저부하용)와 중부하(중간 부하용) 두 시리즈 정의. 항공, 자동차, 트랙터, 공작기계, 농기계, 일반 기계 전달 장치에 널리 사용.
인벌류트 스플라인: 인벌류트 치형. 하중 시 반경 방향 힘이 셀프 센터링을 제공해 치아 응력 균일, 고강도, 긴 수명. 기어와 같은 제조법으로 고정밀·호환성 확보. 표준 압력각 αD는 30°, 37.5°, 45°로 고부하, 고정밀 센터링, 대형 연결에 사용.

축 키 및 키웨이 크기 차트 (치수, 공차)

축 키와 다른 부품 간 밀착을 위해 표준 치수를 충족해야 합니다:

직경: 해당 구멍 직경과 같거나 약간 작음(보통 0.01~0.05mm 작음)
길이: 연결 부품 간 거리보다 약간 김. 일반적으로 키 길이 = 연결 부품 두께 + 1~2mm
필렛 반경: 날카로운 모서리로 인한 손상·균열 방지를 위해 양단에 0.5~1mm 반경 적용
공차: 밀착을 위해 제조 공차는 h6, h7, h8 등급 내에서 관리

축 키 치수를 더 잘 이해하고 일반적인 사양을 빠르게 얻도록 주요 축 키 유형의 치수표를 아래에 정리했습니다.

평행키 크기 차트 (평행 축 키 및 키웨이 치수)

축 직경 d	공칭 키 크기	축 슬롯 깊이 t₁	키 슬롯 깊이 t₂	코너 반경	b (h9)	h (h11)	c 또는 r	L (h14)	공칭
6–8	2	2	0.16–0.25	6–20	1.2	+1.0	+0.1	0.08	0.16
>8–10	3	3	6–36	1.8	1.4
>10–12	4	4	6–36	2.0	1.8
>12–17	5	5	0.25–0.4	14–56	2.8	2.3	0.16	0.25
>17–22	6	6	14–70	3.5	2.8
>22–30	8	7	18–90	4.0	+3.3	+0.2
>30–38	10	8	0.4–0.6	22–100	5.0	0.2	3.9	0.25	0.4
>38–44	12	8	28–140	5.0	3.3
>44–50	14	9	36–160	5.5	3.8
>50–58	16	10	45–180	6.3	4.3
>58–65	18	11	50–200	7.0	4.4
>65–75	20	12	0.6–0.8	56–250	7.5	5.4	0.4	0.6
>75–85	22	14	63–250	9.0	5.4
>85–95	25	14	70–280	9.0	5.4
>95–110	28	16	80–320	10.0	6.4
>110–130	32	18	90–360	11.0	7.4
>130–150	36	20	1.0–1.2	100–400	12.0	+8.4	+0.3	0.7	1.0
>150–170	40	22	100–400	13.0	0.3	9.4
>170–200	45	25	110–450	15.0	10.4
>200–230	50	28	125–500	17.0	11.4
>230–260	56	28	1.6–2.0	140–500	20.0	12.4	1.2	1.6
>260–290	63	32	160–500	20.0	12.4
>290–330	70	36	180–500	22.0	14.4
>330–380	80	40	2.5–3.0	200–500	25.0	15.4	2.0	2.5
>380–440	90	45	220–500	28.0	17.4
>440–500	100	50	250–500	31.0	19.5

L 시리즈: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500

우드러프 키 크기 차트 (반달 축 키 및 키웨이 치수)

키 크기 (b×h×D)	폭 b	높이 h	직경 D	면취 또는 반경 s	공칭	공차	공칭	h12
1×1.4×4	1	—	1.4	4	−0.12	0	—	—
1.5×2.6×7	1.5	—	2.6	7	−0.10	0	—	—
2×2.6×7	2	—	2.6	7	0	—	—
2×3.7×10	2	—	3.7	10	−0.15	0	—	—
2.5×3.7×10	2.5	—	3.7	10	−0.12	0	—	—
3×5×13	3	—	5	13	0	—	—
3×6.5×16	3	—	6.5	16	−0.18	0	—	—
4×6.5×16	4	0	6.5	16	0	0.16	0.25
4×7.5×19	4	−0.025	7.5	19	−0.21	0	0.25	0.40
5×6.5×16	5	—	6.5	16	0	0.25	0.40
5×7.5×19	5	—	7.5	19	−0.15	0	0.25	0.40
5×9×22	5	—	9	22	0	0.25	0.40
6×9×22	6	—	9	22	0	0.25	0.40
6×10×25	6	—	10	25	−0.21	0	0.40	0.60
8×11×28	8	—	11	28	0	0.40	0.60
10×13×32	10	—	13	32	−0.18	0	0.60	0.90

새들 키 크기 차트 (표준 플랫 테이퍼 축 키 및 키웨이 치수)

폭 b	높이 h	h 공차 (h11)	기본 크기	상한
2	−0.014	2	−0.090	0.16–0.25
3	−0.014	3	−0.090
4	−0.018	4	−0.090
5	−0.018	5	−0.090	0.25–0.40
6	−0.022	6	−0.090
8	−0.027	7	−0.090
10	−0.027	8	−0.090
12	−0.033	9	−0.090
14	−0.033	10	−0.090
15	−0.033	10	−0.090	0.40–0.60
16	−0.033	10	−0.110
18	−0.033	12	−0.110
20	−0.033	14	−0.110
22	−0.033	14	−0.110	0.60–0.80
25	−0.040	16	−0.130
28	−0.040	16	−0.130	1.60–2.00
30	−0.046	18	−0.130
32	−0.046	20	−0.130
36	−0.046	22	−0.130
40	−0.054	25	−0.160
45	−0.054	28	−0.160
50	−0.054	32	−0.160	2.50–3.00

길이 L (공차 h14):
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500

깁헤드 키 크기 차트 (깁헤드 테이퍼 축 키 및 키웨이 치수)

폭 b	공차 (h8)	높이 h	공차 (h11)	면취 또는 반경 c 또는 r	기본	한계
4	4	−0.018	4	−0.075	10	0.16–0.25
5	5	−0.018	5	−0.075	12
6	6	−0.022	6	−0.090	14
8	8	−0.022	7	−0.090	16	0.25–0.40
10	10	−0.027	8	−0.090	18
12	12	−0.027	9	−0.090	20
14	14	−0.027	10	−0.090	22	0.40–0.60
16	16	−0.033	10	−0.110	25
18	18	−0.033	12	−0.110	28
20	20	−0.033	14	−0.110	32	0.60–0.80
22	22	−0.033	14	−0.110	36
25	25	−0.040	16	−0.130	40	1.60–2.00
28	28	−0.040	16	−0.130	45
30	30	−0.046	18	−0.130	50
32	32	−0.046	20	−0.130	56
36	36	−0.046	22	−0.130	63
40	40	−0.054	25	−0.160	70	2.50–3.00
45	45	−0.054	28	−0.160	80

표준 길이 L (h14):
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500

탄젠트 키 크기 차트 (표준 탄젠트 축 키 및 키웨이 치수)

축 직경 d	키	키웨이 폭	면취 C	반경 r	두께 h	폭 b (±h11)	축 t1	허브 t2	축 b1	허브 b2
60	18	−0.090	7.0	7.3	19.3	19.6	0.6	0.8	—	—
65	20	−0.090	8.0	8.3	20.1	20.4	0.6	0.8	—	—
70	22	−0.110	8.0	8.3	21.0	21.3	0.6	0.8	—	—
75	25	−0.110	9.0	9.3	23.2	23.5	0.6	0.8	—	—
80	28	−0.090	10.0	10.3	24.0	24.4	0.8	1.0	—	—
85	28	−0.090	10.0	10.3	24.8	25.2	0.8	1.0	—	—
90	30	−0.090	10.0	10.3	26.7	27.0	0.8	1.0	—	—
100	32	−0.110	11.0	11.4	28.0	28.4	1.0	1.2	—	—
110	36	−0.110	12.0	12.4	31.0	31.4	1.0	1.2	—	—
120	40	14.0	14.4	34.6	35.1	1.6	2.0	1.0	1.2
140	45	16.0	16.4	37.7	38.3	1.6	2.0	1.0	1.2
160	50	18.0	18.4	42.0	42.8	1.6	2.0	1.0	1.2
200	56	20.0	20.4	49.6	50.3	2.0	2.5	1.6	2.0
250	63	−0.130	22.0	22.4	59.9	60.6	2.5	3.0	2.0	2.5
315	70	28.0	28.4	72.1	72.8	3.0	4.0	—	—
400	80	−0.160	36.0	36.4	93.2	94.0	3.0	4.0	3.0	4.0
500	100	−0.220	50.0	50.5	125.9	126.6	5.0	7.0	—	—
630	140	−0.190	63.0	63.5	189.0	189.7	5.0	7.0	3.0	4.0
800	180	80.0	80.5	240.0	240.7	7.0	9.0	—	—
1000	200	−0.220	100.0	100.5	300.0	300.7	7.0	9.0	—	—

스플라인 키 크기 차트 (직사각형 스플라인 키 및 키웨이 치수)

축 직경 d	경량 시리즈	중량 시리즈	사양 N×d×D×B	면취 c	반경 r	d₁min	αmin	사양 N×d×D×B	면취 c	반경 r	d₁min	αmin
11	6×11×14×3	0.2	0.1	—	—	13	6×13×16×3.5	14.4	1.0	16	6×16×20×4	16.6	1.0
18	6×18×22×5	0.3	0.2	19.5	2.0	21	6×21×25×5	21.2	2.0
23	6×23×26×6	0.2	0.1	23.5	—	23	6×23×28×6	21.2	1.2
26	6×26×30×6	24.5	3.8	26	6×26×32×6	23.6	1.2
28	6×28×32×7	26.6	4.0	28	6×28×34×7	25.8	1.4
32	6×32×36×6	0.3	0.2	30.2	2.7	32	8×32×38×6	29.4	1.0
36	8×36×40×7	34.4	3.5	36	8×36×42×7	0.4	0.3	33.4	1.0
42	8×42×46×8	40.5	5.0	42	8×42×48×8	39.4	2.5
46	8×46×50×9	44.6	5.7	46	8×46×54×9	42.6	1.4
52	8×52×58×10	49.6	4.8	52	8×52×60×10	48.6	2.5
56	8×56×62×10	0.4	0.3	53.6	6.5	56	8×56×65×10	52.0	2.5
62	8×62×68×12	59.7	7.3	62	8×62×72×12	0.5	0.4	57.7	2.4
72	10×72×78×12	69.6	7.3	72	10×72×82×12	67.7	1.0
82	10×82×88×12	79.3	8.5	82	10×82×92×12	77.0	2.9
92	10×92×98×11	0.5	0.4	99.6	9.9	92	10×92×102×14	87.3	4.5
102	10×102×108×16	99.6	11.3	102	10×102×112×16	0.6	0.5	97.7	6.2
112	10×112×120×16	108.8	10.5	112	10×112×125×18	106.2	4.1

축 키 재료

기계 전달의 중요 부품인 축 키의 재료 선택은 기계 시스템의 성능과 신뢰성에 직결됩니다. 일반적인 축 키 재료는 다음과 같습니다.

1. 탄소강 키

탄소강은 가장 흔한 축 키 재료 중 하나입니다. 높은 강도와 내마모성을 가지며 큰 하중과 충격력을 견딥니다. 중장비와 고부하 시나리오에서 탄소강 키가 첫 선택입니다. 또한 비용이 상대적으로 저렴해 경제적 이점도 있습니다.

2. 스테인리스강 키

스테인리스강 키는 습하거나 부식성 환경에서 우수한 성능을 보입니다. 뛰어난 내식성으로 가혹한 조건에서 장기간 안정적인 성능을 유지합니다. 탄소강 키보다 비용은 높지만 장기적 안정성과 내식성이 요구되는 용도에 더 적합합니다.

3. 비철금속 키

구리 키, 알루미늄 키 등 비철금속 키는 특정 용도에서 장점이 있습니다. 예: 전도성이 필요할 때 구리 키, 경량 설계 추구 시 알루미늄 키가 낮은 밀도와 무게로 선호됩니다.

축 키 재료 등급

45# 강: 흔한 축 키 재료로 높은 강도, 내마모성, 높은 가성비.
40Cr 강: 높은 강도와 경도, 고강도 토크와 마찰에 적합.
42CrMo 강: 높은 강도와 인성, 고강도 하중에서도 좋은 기계적 성질 유지.
스테인리스강: 내식성·내녹성, 습하거나 부식성 환경에서 작동하는 축 키에 적합.
고무, 폴리우레탄 등: 밀봉이나 충격 흡수가 필요한 축 키에 사용.

축 키 재료 선택 원칙

축 키 재료 선택은 전달 동력, 속도, 토크, 작업 환경, 수명 등을 근거로 해야 합니다.

1. 고강도 요구: 축 키는 보통 큰 토크를 견뎌야 하므로 45# 강, 40Cr, 42CrMo 등 고강도 재료 사용.
2. 고내마모 요구: 고속 회전 중 마찰과 마모를 견뎌야 하므로 재료 경도와 강도 높아야 함(예: 40Cr).
3. 고내식 요구: 습하거나 부식성 환경의 축 키는 내식성 필요, 주로 스테인리스강 사용.
4. 고밀봉 요구: 회전 중 밀봉 역할이 필요한 축 키는 고무, 폴리우레탄 등 사용.

축 키 설계 (핵심 요소, 공식 및 계산)

축 키 설계는 다양한 요소를 종합적으로 고려하고 특정 공식을 사용해 계산해 작동 중 좋은 상태와 수명을 보장해야 합니다. 축 키 설계는 주로 치수 설계와 형상 설계 두 측면으로 나뉩니다. 치수 설계는 축과 키웨이 크기에 의해 결정되며, 형상 설계는 작업 조건, 환경, 하중을 고려해야 합니다. 아래에서 이론 공식, 계산 단계, 설계 요점, 주의사항을 자세히 설명해 축 키 설계를 완전히 이해하도록 돕습니다.

축 키 설계 시 고려할 핵심 요소

키 구조 설계

하중 분석: 키가 견딜 하중 유형(축방향 하중, 토크 하중) 분석해 설계 하중 결정.
재료 선택: 설계 하중, 작업 조건, 비용 기반으로 적정 재료 선택. 일반적인 재료: 강, 알루미늄, 구리.
치수 설계: 선택한 재료와 설계 하중 기반으로 키 기하 치수(폭, 높이, 길이) 결정.
키웨이 설계: 키와 맞물림 부품 간 끼워맞춤 고려, 키웨이 형상, 치수, 간극 설계.

강도 계산

키에 작용하는 하중 분석: 하중과 구조 설계 기반으로 키에 작용하는 힘(축방향 힘, 전단력) 분석.
응력 분석: 키의 응력 분포 계산, 정적·동적 하중 고려.
변형 분석: 하중 하 키 변형 계산(축방향 변형, 굽힘 변형).

강도 검증

강도 평가: 계산된 응력과 변형이 설계 요구와 안전 계수 충족하는지 평가.
피로 수명 평가: 순환 하중 하 키 피로 수명 평가, 피로 균열 개시 및 전파 고려.
검증 및 최적화: 강도와 피로 평가 기반으로 구조 검증 및 최적화해 사용 중 안전성과 신뢰성 확보.

축 키 치수 계산 공식

a. 키 폭(b)을 알 때:

깊이(h), 높이(t), 상단 폭(b)은 다음 공식으로 계산:

h = d / 2
t = d / 2
b = S × d

여기서:

d = 축 직경
S = 키 폭과 축 직경 비율, 보통 0.1~0.3 사이

b. 키 높이(h)를 알 때:

폭, 깊이, 상단 폭 계산:

b = S × d
h = 2 × t
B = S × d + k

여기서:

k = 안전 계수, 보통 0.1 정도

축 키 강도 공식 및 계산

키 연결은 기계 시스템에서 토크 전달의 중요한 방식입니다. 설계 시 두 핵심 강도 측면인 전단 강도와 굽힘 강도를 고려해야 합니다.

굽힘 강도 공식

축 작동 시 키는 굽힘 하중을 받으므로 키의 굽힘 강도를 고려해야 합니다.

굽힘 모멘트:
M = F × b / 2 여기서:
- F = 키에 작용하는 힘
- b = 키 폭
굽힘 응력:
σ_b = 4M / (π × d³) 여기서:
- d = 축 직경
- π = 3.1416

전단 강도 공식

키의 전단 강도는 작업 조건 요구를 충족해야 합니다:

τ = F / (b × h)

여기서:

F = 키에 작용하는 힘
b = 키 폭
h = 키 높이

강도 검증 핵심 공식

전단 강도 체크

τ = F / A ≤ [τ]

여기서:

τ = 실제 전단 응력 (MPa)
F = 전단력 = 2 × M / d
A = 전단 면적 = b × l
[τ] = 허용 전단 응력 (MPa)

압축 강도 체크

σ_jy = F / A_jy ≤ [σ_jy]

여기서:

σ_jy = 실제 압축 응력 (MPa)
A_jy = 압축 면적 = l × (h / 2)
[σ_jy] = 허용 압축 응력 (MPa)

계산 단계 및 사례 분석

사례 1: 기존 키 강도 검증

주어진 조건:

축 직경 d = 70 mm
토크 M = 600 N·m
키 치수: b = 16 mm, h = 10 mm, l = 50 mm
허용 응력: [τ] = 60 MPa, [σ_jy] = 100 MPa

1단계: 전단력(F) 계산
F = 2 × M / d = 2 × 600 × 1000 / 70 = 17142.86 N

2단계: 전단 응력(τ)
τ = 17142.86 / (16 × 50) = 21.43 MPa < 60 MPa → 합격

3단계: 압축 응력(σ_jy)
σ_jy = 17142.86 / (50 × 5) = 68.57 MPa < 100 MPa → 합격

사례 2: 최소 키 길이 설계

주어진 조건:

축 직경 d = 50 mm
토크 M = 1600 N·m
허용 응력: [τ] = 80 MPa, [σ_jy] = 240 MPa

1단계: 전단력(F)
F = 2 × 1600 × 1000 / 50 = 64000 N

2단계: 전단 조건에 따른 키 길이
l ≥ 64000 / (16 × 80) = 50 mm

3단계: 압축 조건에 따른 키 길이
l ≥ 64000 / (5 × 240) ≈ 53.3 mm

최종 선택: 표준 시리즈 기준 l = 56 mm 선택

설계 가이드라인 및 고려사항

키 유형 선택

유동 맞춤 키(예: 평행키, 우드러프 키):
측면으로 토크 전달; 고정밀, 무축방향력 용도에 적합.
간섭 맞춤 키(예: 테이퍼 키, 탄젠트 키):
상하면 마찰로 토크 전달; 정밀도 요구 낮고 중부하 용도에 적합.

키 길이와 허브 길이 관계

키 길이는 보통 허브 길이보다 5~10mm 짧게 해 조립 간섭 방지.
표준 키 길이는 기계설계 핸드북 값 준수(예: 50, 56, 63, 70 mm 등).

공식 적용 범위와 논쟁

테이퍼 키 같은 간섭 맞춤 키의 경우, 각 핸드북마다 마찰 계수(μ) 처리 방식이 다를 수 있습니다.
일부 공식은 6μd를 사용하고, 다른 공식은 bμd를 사용합니다.
권위 있는 출처(예: Cheng Dashian 또는 Qin Datong 판본)의 공식을 따르고 차원 분석(단위 분석)으로 검증할 것을 권장합니다.

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