축 키 선정(Shaft key selection)은 키 조인트(Keyed joints)의 조기 고장을 방지하는 데 매우 중요합니다. 축 키웨이와 키는 기어, 풀리 등 기계 전달 요소에 축에서 토크를 전달하는 키 조인트에 사용됩니다. 표준 재료(키 스톡)나 맞춤 가공으로 제작할 수 있습니다.
일반적으로 공칭 축 직경을 기준으로 BS4235 등 다양한 표준에 따라 키 크기를 지정하며, 널리 사용되는 직사각형 키가 대부분의 응용에 쓰입니다. 이렇게 하면 키 조인트가 과대 설계되어 모든 하중을 견디지만, 표준은 키 재료나 조인트 한계를 명시하지 않습니다. 그러나 예상치 못한 계산 실수로 최대 키도 고장날 수 있으며, 더 길거나 큰 키도 축을 약화시킵니다.
축 크기와 요소가 토크와 굽힘 강도에 맞게 설계되었다고 가정하면, 선정된 키가 그 사양에 부합하는지 확인하는 것이 안전한 기계 전달을 위해 필수적입니다. 때로는 키가 한계에서 고장나도록 선정하여 축, 기어 등 고가 요소를 보호하는 퓨즈 역할을 하게 하기도 합니다.
키 조인트 선택 시 고려해야 할 중요한 선정 기준을 살펴보겠습니다. 다음 8가지 핵심 요소를 구체화 설계 단계에서 반드시 고려해야 합니다.
키 유형이나 조인트 유형은 일반적으로 제품 설계의 후기 개념 단계나 초기 구체화 설계 단계에서 선택됩니다. 하지만 제품 설계의 설계 구성 또는 상세 설계 단계에서 키 조인트는 전단 및 압축 응력 고장에 대해 평가되어야 합니다.
네 가지 주요 축 키 그룹이 있습니다: 매입 키(Sunk key), 안장 키(Saddle key), 접선 키(Tangent key), 원형 키(Round keys). 각각 다른 특성과 하중 지지 능력을 가지므로, 특성과 이점에 따라 용도에 맞는 올바른 축 키를 선정해야 합니다.
| 키 유형 | 축 키 용도 | |
|---|---|---|
| 매입 키(Sunk keys) | 직사각형 키 | 직사각형 키는 일반적으로 축 직경 1인치(25mm)~20인치(500mm) 사이에 사용 |
| 얕은 키웨이 깊이로 인해 축에 미치는 영향이 일반적으로 적음 | ||
| 정사각형 키 | 토크 전달을 위해 더 깊은 키 깊이가 필요할 때 정사각형 키 사용. 하지만 약화된 축이 하중을 견딜 수 있는지 확인해야 함 | |
| 정사각형 키는 축 직경 1인치(25mm) 이하에 사용 | ||
| 평행 매입 키 | 평행 매입 키는 널리 구할 수 있고 설치가 가장 쉬움 | |
| 가능하면 허브의 셋 스크류로 고정하여 작동 중 밀려나오지 않게 함 | ||
| 기브 헤드 매입 키 | 직사각형/평행 키와 매우 유사하지만 헤드 덕분에 분해가 쉬움 | |
| 페더 키 | 페더 키는 회전 토크를 전달하면서 허브의 축 방향 이동 허용 | |
| 우드러프 키 | 낮은 하중에 사용하며 테이퍼진 축/허브 연결에도 대응 가능 | |
| 안장 키(Saddle keys) | 단방향 매우 가벼운 하중에만 사용 | |
| 접선 키(Tangent keys) | 저속 양방향 고토크 응용에 사용 가능 | |
| 고주파 방향 변경에는 권장하지 않음 | ||
| 원형/환형 키(Round/Circular Keys) | 매우 낮은 토크와 속도에만 사용 | |
| 축과 허브 조립체를 함께 드릴링 및 리밍하여 장착 가능 | ||
| 키 직경은 축 직경의 약 1/6 정도 | ||
#제품설계팁
일반적으로 축 키는 중탄소강 또는 스테인리스강으로 만듭니다. 하지만 알루미늄 합금, 청동, 구리, 황동 등 다양한 재료로도 제작하여 다양한 응용 환경에 맞출 수 있습니다. 예: 선박 프로펠러 축용 황동/청동 키, 식품 서비스 장비용 스테인리스강.
일반적으로 키 강재는 BS46과 BS4235에 따라 공급되며, 인장 강도가 적당한 비합금 중탄소강입니다. 탄소 함량 0.25%~0.60%의 비합금 중탄소강은 강도, 인성, 우수한 가공 특성의 이상적 조합으로 사용됩니다. 다음 표는 일반적인 축 키 재료와 인장 강도(UTS) 목록입니다.
| 재료 | 브리넬 경도 | 극한 인장 강도 (MPa) | 비고 |
|---|---|---|---|
| 탄소강 | 225-275 | 500 | 우수한 강도 제공, 열처리로 더 높은 강도나 내마모성 확보 가능 |
| 고탄소강 | |||
| 합금강 | 300-350 | 600 | |
| 경화강 | 650 | 650 | |
| 마르텐사이트계 스테인리스강 | 197 | 655 | 약한 부식 환경에서 더 높은 재료 강도 필요 시 사용 |
| 오스테나이트계 스테인리스강 | 212 | 240-250 | 강한 부식 환경 응용에 사용 |
| 알루미늄 합금 | 30 | 120-130 | |
| 황동 (C36000) | 60-80 | 280-320 | |
| 구리 | 80-110 | 200-360 | |
일반적으로 계산 시 허용 압축 및 전단 강도는 적절한 안전율과 최대 전단 응력 이론 등 고장 이론을 사용하여 UTS에서 계산합니다.
#제품설계팁
최대 전달 토크에 대해 키가 과대 설계되었음에도 조기 고장이 발생하는 경우가 있습니다. 이는 충격, 충격, 양방향 회전으로 인한 힘 등 예상치 못한 하중 유형 때문입니다. 가변 속도 모터도 가속/감속 단계에서 하중 변동이 있어 키에 가해지는 힘이 변합니다.
대부분의 키는 교대 방향 하중(회전 방향이 CW에서 CCW로 또는 그 반대로 변경)에 적합하지 않지만, 키웨이는 여전히 그런 응용에 사용됩니다. 방향 변경이 빈번하지 않으면 키웨이를 안전하게 사용할 수 있지만, 피로 하중과 가속 토크를 신중히 고려해야 합니다.
\(T_m = (T_L + T_a)\)
\(T_a = JA\)
연결되는 요소에 축 방향 또는 반경 방향 충격 하중이 있으면 외부 축 방향 및 반경 방향 충격 하중을 지지하도록 주의해야 합니다. 이는 키가 회전 방향의 토크만 전달하도록 보장하기 위함입니다.
#제품설계팁
축 키웨이, 키, 허브 키웨이 간의 올바른 끼워맞춤은 매우 중요합니다. BS 46, ANSI B17.1-1967, JIS B 1301-1996 등 표준은 키와 키웨이의 크기와 공차를 지정합니다.
일반적으로 매입 키(주로 평행 키)에는 두 등급의 표준 재료가 있습니다. 모든 표준은 이를 인정하여 키웨이 공차를 지정하므로 2~4등급의 끼워맞춤이 가능합니다.
이 표준에서 다루는 네 가지 끼워맞춤 등급은 다양한 요구사항을 충족하기 위한 것입니다:
클리어런스/자유 끼워맞춤(Clearance/Free fit) – 허브가 사용 중 키 위로 슬라이드해야 하는 비교적 자유로운 끼워맞춤. 평행 키에만 적용 (봉재 키 및 키시트 공차 사용)
일반/측면 끼워맞춤(Normal/Side fit) – 키를 최소한의 피팅으로 키웨이에 삽입하는 비교적 단단한 끼워맞춤. 양산 조립에 필요
밀착 끼워맞춤(Close fit) – 키의 정확한 끼워맞춤이 필요한 경우. 최대 재료 조건에서 피팅이 필요하며, 이 조건을 얻기 위해 부품 선별이 필요할 수 있음
간섭 끼워맞춤(Interference fit) – 키와 축/허브 키웨이 사이에 유격이 전혀 없는 끼워맞춤. 이 등급에서는 수작업 피팅 필요
기계 계산에서와 마찬가지로 안전율은 기계 동력 전달에서 키 조인트 계산, 지정, 설계의 핵심 요소입니다. AISC 코드에 따른 허용 응력과 최소 항복 강도의 관계:
인장 – \(0.45S_y < S_a < 0.6S_y\)
전단 응력 – \(\tau_s = 0.4S_y\)
베어링/압축 – \(S_a = 0.9S_y\)
굽힘 – \(0.6S_y < S_a < 0.75S_y\)
키웨이는 키웨이 코너의 응력 집중과 축 단면적 감소로 인해 축의 비틀림 강도를 저하시킵니다. 중실 축 강도가 75% 감소한다고 가정하지만, 이론적으로 H.F. Moore의 축 강도 계수 식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 키웨이가 있는 축과 없는 축의 강도 비율입니다.
\(e = 1 - 0.2(w/d) - 1.1(h/d)\)
\(e\) – 축 강도 계수, \(w\) – 키웨이 폭, \(d\) – 축 직경, \(h\) – 키웨이 깊이 (= 키 두께(t)/2)
일반적인 키웨이 유형인 슬레드 러너(a)와 프로파일 키웨이/엔드 밀드(b)의 피로 응력 집중 계수 \(K_{ft}\)는 아래 그림과 같습니다.
키 조인트의 잠재적 고장 모드에는 항복, 연성 파열, 피로, 키 또는 축 키웨이의 프리팅 피로가 있습니다. 토크 과부하 시 키 조인트가 연성 파열로 전단되어 스스로 희생되도록 크기를 정하는 것이 유리한 경우가 많습니다. 키를 저렴한 퓨즈로 사용하여 고가의 기계 요소를 보호합니다.
설치와 동력 전달로 인해 키에 작용하는 두 가지 유형의 힘이 있습니다. 키의 타이트한 끼워맞춤으로 인한 압축력(f1)은 결정하기 매우 어렵지만, 표준에 따라 올바른 공차를 사용하면 상대적으로 작습니다.
그림과 같이 토크 전달로 인해 키 측면에 힘 F가 유도되어 전단 및 압축 응력을 생성합니다. 결과적으로 두 가지 고장 메커니즘이 발생합니다.
접촉면의 압축 베어링 응력
\(S_c = 4T/dhl\)
전단면의 평균 전단 응력
\(\tau_s = 2T/dwl\)
여기서
필요한 키 길이는 최대 전단 응력 이론을 사용하거나 평균 응력을 허용 전단 응력과 같게 설정하여 구할 수 있습니다.
설계 허용 토크는 위 식에서 계산할 수 있습니다.
\(T_k = \tau_s dwl/2\)
여기서 \(\tau_s\)는 적용 가능한 고장 모드의 설계 허용 전단 응력입니다. 축 설계에서 설계 허용 토크는 다음 식으로 구할 수 있습니다.
\(T_s = \pi d^3 \tau_d / 16 K_f\)
키가 축과 같은 설계 허용 응력을 가지도록 선정하면 키 길이는 다음 식에서 구할 수 있습니다.
\(T_k = T_s\)
\(L_e = \pi d^2 / 8wK_f\)
여기서
제조공정
부품을 만들 때 설계 엔지니어가 직면해야 할 가장 중요한 결정 중 하나는 어떤 소재를 사용할지입니다. 소재 선택은 주어진 부품의 기능과 외관, 그리고 시간이 지남에 따라 어떻게 유지될지 결정합니다. 플라스틱은 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 가볍고, 가공하기 쉽고, 일반적으로 유사한 금속 제품보다 저렴합니다. 가공용 플라스틱에는 많은 종류가 있으며, 각각 장단점이 있습니다. 고정밀 플라스틱 부품을 생산하는 방법은 많습니다. 현대 산업용 플라스틱은 주조, 사출 성형, 프린팅 또는 가공됩니다. 처음 세 가지 옵션은 양호한 표면 마감으로
생활 수준 향상으로 금속 질감 제품을 선호하는 경향이 강해지면서 알루미늄 제품이 많은 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 강철과 초합금에 비해 부드러운 금속이며 HRC 경도는 높지 않지만 더 질깁니다. 따라서 공구에 대한 상대적 요구사항이 더 높습니다. 부드러운 금속을 고경도 텅스텐강 밀링 커터로 절삭하면 절삭날이 부러지고 공구 수명이 매우 짧아집니다. 낮은 경도와 비점착성 고품질 공구로 가공을 완료해야 하며, 이것이 기계의 속도와 효율을 높이는 유일한 방법입니다. CNC 알루미늄 부품 가공용 인서트 선택 방법 알루미늄
