키와 키웨이는 키 조인트(Keyed joint)를 구성하여 허브(Hub)와 축(Shaft)을 고정함으로써 동력 전달 축과 부착된 부품 간의 상대적 이동을 방지합니다. 예를 들어, 기어 드라이브, 풀리, 스프로킷은 키를 사용하여 동력 전달 축에 단단히 연결됩니다(그림 1). 키 조인트는 기계적 동력 전달 요소인 축과 커플링의 중요한 부분으로, 하중, 동력, 회전이 미끄러짐 없이 설계 정확도 요구사항 내에서 전달되도록 보장합니다.
키(Key)는 일반적으로 강철로 만들어지며 축과 부품의 허브 사이에 축 방향으로 삽입 또는 장착되어 상대적 이동을 방지합니다. 키시트(Keyseat)는 축의 홈이고, 키웨이(Keyway)는 키를 수용하는 허브의 홈으로 부품을 단단히 고정합니다. 일반적으로 업계에서는 키시트라는 용어보다 키웨이를 축과 허브 양쪽의 홈 모두를 지칭하는 용어로 사용합니다(그림 2).
축과 허브의 키웨이는 주로 키시팅 머신으로 가공하지만, 브로칭, 밀링, 쉐이핑, 슬로팅, EDM(방전가공)으로도 제작할 수 있습니다.
스플라인, 플렉시블 커플링, 테이퍼 조인트 등 유지 요소도 사용됩니다. 매우 낮은 동력 전달의 경우 셋 스크류와 핀도 사용할 수 있습니다. 셋 스크류나 키 조인트를 사용하는 경우, 스냅링이나 리테이닝 링과 같은 축 방향 구속 방법이 있어야 합니다.
축 키 사용에는 다양한 장단점이 있으므로 전체 설계의 세부 사항을 면밀히 고려하여 키 조인트의 적합성을 평가해야 합니다.
축 키는 다양한 유형과 모양으로 제공되며, 다음과 네 가지 주요 범주와 하위 범주로 나눌 수 있습니다(그림 3).
위 유형 중 평행 정사각형 키와 우드러프 키가 사용 편의성과 비용 때문에 가장 널리 사용됩니다.
이중 키(Double key) – 제조 공차와 이중 끼워맞춤을 피하기 위해 보통 하나의 평행 키만 사용하지만, 이중 키는 매우 높은 간헐적 하중의 경우 가끔 사용됩니다. 이는 연성 재료에서만 고려해야 하며, 계산은 1.5개의 평행 키를 기준으로 해야 합니다.
매입 키는 키의 측면에서 측정한 두께의 절반만큼 축에 매입됩니다. 축 중심선을 따라 측정한 것이 아닙니다(그림 4, 5).
직사각형 키는 높이보다 넓으며 때로는 플랫 키라고도 불립니다. 직경 약 500mm(20인치) 이하의 축에 사용됩니다. 키 폭이 넓어 깊이 증가 없이 더 큰 토크를 전달할 수 있습니다. 깊이 증가는 유효 축 단면적을 감소시켜 축을 약화시킵니다.
정사각형 키는 이름 그대로 정사각형 단면 키로 일반적으로 직경 25mm(1인치) 이하의 축에 지정됩니다. 직사각형 키보다 더 깊은 키 깊이가 바람직한 경우 더 큰 축에도 사용할 수 있습니다. 깊이 증가는 유효 축 단면적 감소로 인해 축을 약화시킵니다.
정사각형 및 직사각형 키는 그림 6과 같이 키 길이를 따라 1:100의 테이퍼를 가질 수 있습니다.
평행 매입 키는 직사각형 또는 정사각형 단면이지만 테이퍼가 없습니다. 이 키들은 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 설치가 가장 쉽습니다. 하지만 이상적으로는 허브의 셋 스크류로 고정해야 합니다. 진동이나 회전 방향 반전으로 인해 키가 밀려나올 수 있기 때문입니다.
이 키들은 일반적으로 축 키웨이 바닥과 키 조인트 측면에 꽉 끼워 맞추고, 허브 키웨이 상단에는 클리어런스를 둡니다.
매입 키에 기브 헤드를 추가하여 분해를 용이하게 합니다. 그림 8과 같이 기브 헤드 매입 키는 일반적으로 상단 면에 테이퍼가 있는 직사각형 또는 정사각형 키로 꽉 끼워 맞춤을 보장합니다.
페더 키는 축 또는 허브 중 하나에 고정되어 상대적 축 방향 이동을 허용합니다. 그림과 같이 세 가지 주요 페더 키가 있습니다: 이중 헤드(Double-headed), 페그 페더(Peg feather), 페더 키(Feather key). 이는 평행한 반대 면을 통해 축과 허브 간 동력을 전달하면서 슬라이딩을 허용합니다.
우드러프 키는 반원형 디스크로, 우드러프 키웨이 커터로 가공된 축의 원형 홈에 들어맞습니다. 이 키들은 주로 공작기계와 자동차 축(직경 ¼인치~2½인치, 6mm~60mm)에 사용됩니다. 우드러프 키는 긴 평행 키만큼의 하중을 전달할 수는 없습니다.
우드러프 키의 장점은 허브 키웨이의 모든 테이퍼를 수용할 수 있고, 포획형이며 깊이가 있어 키가 뒤집히는 것을 방지합니다.
우드러프 키의 단점은 키웨이 깊이가 축을 약화시키고, 페더 키로 사용할 수 없으며, 설치가 어렵고, 짧아서 많은 하중을 전달할 수 없다는 것입니다.
매입 키와 달리 안장 키는 축과 허브 양쪽에 매입되지 않고 허브에만 매입됩니다. 축의 평면 또는 원주면에 얹혀지며, 축과 키 사이의 마찰로 동력을 전달합니다. 아래 그림과 같이 안장 키는 평면 안장 키(Flat saddle)와 중공 안장 키(Hollow saddle keys)로 세분화되며, 미끄러짐을 피하기 위해 가벼운 하중에만 적합합니다.
평면 안장 키는 상단이 테이퍼지고 하단이 평평합니다(그림 13). 키는 테이퍼진 허브 키웨이에 들어가 축의 평평한 면을 누릅니다.
중공 안장 키는 상단이 테이퍼지고 하단이 곡면입니다(그림 14). 키는 테이퍼진 허브 키웨이에 들어가 축의 곡면 원주면을 누릅니다.
접선 키 또는 탄젠셜 키는 그림 15와 같이 직각으로 한 쌍을 이뤄 장착되며, 각 키는 한 방향의 비틀림만 견딥니다. 대형 중부하 축에 사용됩니다.
원형 키는 원형 단면으로 축과 허브에 부분적으로 뚫린 구멍에 들어맞습니다. 키웨이가 결합 부품 조립 후 드릴링과 리밍으로 가공될 수 있어 제조가 쉽다는 장점이 있습니다. 원형 키는 일반적으로 저동력 구동에 가장 적합한 것으로 간주됩니다.
축 키 선정은 키 조인트의 조기 고장을 방지하는 데 매우 중요합니다. “축 키 선정 및 축 키웨이 설계 가이드”를 읽고 축 키의 전단 응력과 압축 응력 계산 방법, 키 재료, 하중 유형, 올바른 끼워맞춤 등 구체화 설계 단계에서 고려해야 할 중요한 요소들을 이해하십시오.
BS 4235-1:1972에 따른 평행 키와 우드러프 키의 메트릭 키웨이 치수 및 공차를 참조하십시오. 키웨이 크기 공차와 깊이 치수 외에도, 일부 규격은 축 직경에 따른 권장 키 크기, 키웨이 깊이를 제공합니다.
제조공정
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