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샤프트 키 선택 키 조인트의 조기 실패를 방지하는 데 중요합니다. . 샤프트 키홈과 키는 키 조인트를 사용하여 샤프트에서 기어, 풀리 등과 같은 기계적 전달 요소로 토크를 전달하는 데 사용됩니다. 키 스톡과 같은 표준 스톡 재료를 사용하거나 용도에 맞게 맞춤 가공하여 만들 수 있습니다.
일반적으로 공칭 샤프트 직경은 BS4235와 같은 다양한 표준에 따라 키 크기를 지정하는 데 사용되며 널리 사용되는 직사각형 키가 대부분의 응용 프로그램에 사용됩니다. 이 방법으로 키 조인트는 모든 하중을 견딜 수 있도록 크기가 크며 표준은 키 재료 또는 조인트 제한을 지정하지 않습니다. 그러나 때로는 가장 큰 키라도 예상치 못한 오산으로 인해 고장이 나는 경우가 있으며, 더 길거나 더 큰 키가 샤프트를 약화시키는 것은 물론이고 주의해야 합니다.
샤프트 크기와 요소가 토크와 굽힘 강도에 맞게 설계되었다고 가정하고 선택한 키가 해당 사양에 맞는지 확인하는 것은 안전한 기계적 전달에 중요합니다. 때때로 샤프트 키가 샤프트, 기어 및 기타 요소를 보호하는 한계에서 실패하도록 선택됩니다. 이 경우 키 조인트는 무서운 퓨즈처럼 작동합니다.
키 조인트를 선택할 때 고려해야 할 중요한 선택 기준을 살펴보겠습니다. 샤프트 키의 설계 및 선택 시 다음 8가지 중요한 요소를 고려해야 합니다.
키 유형 또는 조인트 유형은 일반적으로 제품 설계의 후기 개념 단계 또는 초기 구현 설계 단계에서 선택됩니다. 그러나 설계 구성 또는 제품 설계의 세부 설계 단계에서 키 조인트는 전단 및 압축 응력 파괴에 대해 평가되어야 합니다.
사용할 수 있는 샤프트 키의 네 가지 주요 그룹, 즉 싱크 키, 새들 키, 접선 키 및 라운드 키가 있습니다. . 각각은 다른 특성과 하중 지지 능력을 가지고 있습니다. 따라서 특성과 이점에 따라 용도에 맞는 올바른 샤프트 키를 선택해야 합니다.
| 키 유형 | 샤프트 키 사용 | |
|---|---|---|
| 매몰 키 | 직사각형 키 | 직사각형 키는 일반적으로 1"(25mm)에서 20"(500mm) 사이의 샤프트 직경에 사용됩니다. |
| 일반적으로 키홈 깊이가 얕기 때문에 샤프트에 미치는 영향이 줄어듭니다. | ||
| 정사각형 키 | 토크를 전달하기 위해 더 깊은 키 깊이가 필요한 경우 정사각형 키가 사용됩니다. 그러나 약한 샤프트가 하중을 지탱할 수 있는지 확인하십시오. | |
| 사각형 키는 1"(25mm) 이하의 샤프트 직경에 사용됩니다. | ||
| 병렬 매몰 키 | 병렬 매몰 키는 널리 사용 가능하며 설치가 가장 쉬운 키 중 하나입니다. | |
| 가능하면 허브에 고정 나사를 사용하여 작동 중에 미끄러지지 않도록 고정합니다. | ||
| 깁 헤드 삭 키 | 직사각형/평행형 키와 매우 유사하지만 헤드 때문에 제거하기가 더 쉽습니다. | |
| 깃털 키 | 깃털 키로 허브가 축 방향으로 이동하면서 회전 토크를 전달합니다. | |
| 우드러프 키 | 낮은 하중에 사용하고 모든 테이퍼 샤프트/허브 연결을 수용할 수 있습니다. | |
| 새들 키 | 매우 가벼운 단방향 부하에만 사용 | |
| 접선 키 | 저속 양방향 대형 토크 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. | |
| 고빈도 방향 변경에는 권장되지 않음 | ||
| 원형/원형 키 | 매우 낮은 토크와 속도에만 사용 | |
| 축과 허브 어셈블리를 함께 드릴링 및 리밍하여 장착할 수 있습니다. | ||
| 키 직경은 샤프트 직경의 약 6분의 1입니다. | ||
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일반적으로 샤프트 키는 중간 탄소강으로 만들어집니다. 또는 스테인리스 스틸 . 그러나 다양한 응용 환경에 맞게 알루미늄 합금, 청동, 구리 및 황동과 같은 다양한 유형의 재료로 만들 수 있습니다. 예를 들어 선박용 프로펠러 샤프트용 황동 또는 청동 키와 식품 서비스 장비용 스테인리스 스틸 등급입니다.
일반적으로 키강은 BS46 및 BS4235에 따라 공급되며 적당한 인장강도를 가진 비합금 중탄소강입니다. 강도, 인성 및 우수한 가공 특성의 이상적인 조합으로 인해 탄소 함량이 0.25% ~ 0.60%인 합금되지 않은 중간 탄소강이 사용됩니다. 다음 표는 UTS(Ultimate Tensile Strength)가 있는 몇 가지 일반적인 샤프트 키 재료 목록을 제공합니다.
| 자료 | 브리넬 경도 | 궁극의 인장 강도(Mpa) | 참고 |
|---|---|---|---|
| 탄소강 | 225 - 275 | 500 | 강도가 우수하고 열처리를 통해 변형되어 더 높은 강도 또는 내마모성을 제공할 수 있습니다. |
| 고탄소강 | |||
| 합금강 | 300-350 | 600 | |
| 강화강 | 650 | 650 | |
| 마르텐사이트 스테인리스강 | 197 | 655 | 약한 부식성 환경에서 더 높은 재료 강도가 필요한 경우 사용 |
| 오스테나이트 스테인리스강 | 212 | 240-250 | 부식성이 높은 환경 애플리케이션에 사용 |
| 알루미늄 합금 | 30 | 120-130 | |
| 황동(C36000) | 60-80 | 280-320 | |
| 구리 | 80-110 | 200 - 360 | |
일반적으로 계산 중 허용 압축 및 전단 강도는 최대 전단 응력 이론과 같은 적절한 안전 계수 및 파괴 이론을 사용하여 UTS에서 계산됩니다.
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때로는 샤프트 키가 최대 전달 토크에 비해 너무 큰 경우에도 조기 고장이 발생합니다. 이는 충격, 충격 또는 양방향 회전으로 인한 힘 유발과 같은 예상치 못한 하중 유형 때문입니다. 가변 속도 모터는 또한 키에 가해지는 힘이 변경되는 가속 및 감속 단계에서 부하 변동을 봅니다.
대부분의 키가 방향 하중을 교대하는 데 적합하지 않지만(회전 방향이 CW에서 CCW로 또는 그 반대로 변경됨) 이러한 응용 분야에서는 여전히 키 홈이 사용됩니다. 방향이 자주 바뀌지 않으면 키홈을 안전하게 사용할 수 있지만 피로하중과 가속토크에 주의해야 합니다.
\(T_m =(T_L + T_a) \)
\(T_a =JA\)
연결된 요소에 축 방향 또는 반경 방향 충격 하중이 있는 경우 외부 축 방향 및 반경 방향 충격 하중을 지지하도록 주의해야 합니다. 이는 키가 회전 방향으로만 토크를 전달하도록 하기 위한 것입니다.
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샤프트 키홈, 키 및 허브 키홈 사이에 올바른 맞춤을 갖는 것이 중요합니다. BS 46, ANSI B17.1-1967 또는 JIS B 1301-1996과 같은 표준은 키와 키홈의 크기와 허용 오차를 지정합니다.
일반적으로 매몰 키에 주로 병렬 키에 사용할 수 있는 두 가지 종류의 스톡이 있습니다. 모든 표준은 이를 인식하고 키홈에 대한 공차를 지정하므로 2~4 등급의 맞춤을 가질 수 있습니다.
이 표준에서 다루는 네 가지 적합 등급은 다음과 같은 다양한 요구 사항을 충족하기 위한 것입니다.
틈새/자유 맞춤 – 허브가 사용 중일 때 키 위로 미끄러져야 하는 상대적으로 자유로운 끼워맞춤이며 평행 키에만 적용됩니다. (바 스톡 키 및 키시트 허용 오차 사용)
일반/측면 맞춤 – 양산 조립에 필요한 최소한의 끼워맞춤으로 키홈에 키를 삽입해야 하는 비교적 빡빡한 끼워맞춤입니다.
밀착형 – 키의 정확한 맞춤이 필요한 경우. 이 클래스에서 피팅은 최대 재료 조건에서 필요하며 이러한 조건을 얻기 위해 필요한 경우 일부 구성 요소 선택이 필요할 수 있습니다.
간섭 맞춤 – 샤프트와 허브에서 키와 키홈 사이에 유격이 없을 가능성이 있는 맞춤이 필요한 경우. 이 클래스에서는 손으로 피팅해야 합니다.
키 및 키홈 사양
맞춤은 키홈의 수명에 영향을 미치며 계산 시 다음 요소를 고려해야 합니다. 회전 굽힘 및/또는 비틀림 진동으로 인한 프레팅 부식은 수많은 내구성 테스트에서 입증되었으며 일반적으로 샤프트-허브 연결 실패로 이어지는 중요한 요소입니다.
다른 기계적 계산과 마찬가지로 안전 계수는 기계적 동력 전달에서 키 조인트를 계산, 지정 및 설계하는 핵심 요소입니다. AISC 코드에 따라 허용 응력과 지정된 최소 항복 강도 사이의 관계는 인장
인장 – \(0.45Sy모든 키홈은 키홈 모서리의 응력 집중과 샤프트 단면적 감소로 인해 샤프트의 비틀림 강도를 감소시킨다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 솔리드 샤프트의 강도가 75% 감소한다고 가정하지만 이론적으로 샤프트 강도 계수에 대한 H. F. 무어의 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 키홈이 있는 경우와 없는 경우의 샤프트 강도 비율입니다.
\(e =1–0.2(w/d)–1.1(h/d)\)
\(e\) - 샤프트 강도 계수\(w\) – 키홈 너비\(d\) – 샤프트 지름\(h\) – 키홈 깊이(=키 두께(t)/2)Sled-runner(a) 및 Profile keyway 또는 end milled(b)의 일반적인 keyway 유형에 대해 아래 그림과 같이 keyway에 대한 피로 응력 집중 계수 \(K_ft\)
잠재적인 키 조인트 파손에는 키 또는 샤프트 키홈의 항복, 연성 파열, 피로 및 프레팅 피로가 포함됩니다. 토크 과부하의 경우 연성 파열로 인해 자체적으로 손상되고 절단되도록 키 조인트의 크기를 지정하는 것이 종종 유리합니다. 키를 값싼 퓨즈로 사용하여 값비싼 기계 요소를 보호합니다.
설치 및 동력 전달로 인해 키에 작용하는 힘에는 두 가지 유형이 있습니다. 키의 꽉 끼움으로 인해 유발되는 압축력(f1)은 결정하기가 매우 어려우며 표준에 따라 올바른 허용 오차를 사용하면 비교적 적습니다.
힘 F는 전달된 토크로 인해 그림과 같이 키 측면에 유도되고 전단 및 압축 응력을 생성합니다. 결과적으로 다음 두 가지 유형의 실패 역학이 발생합니다.
접촉면의 압축 베어링 응력
\(S_c=4T/dhl\)
전단면 전체의 평균 전단 응력이 계산됩니다.
\( τ_s=2T/dwl \)
어디에
필요한 키 길이는 최대 전단 응력 이론을 사용하거나 평균 응력을 허용 전단 응력과 동일하게 설정하여 얻을 수 있습니다.
설계허용토크는 위의 식으로 계산할 수 있습니다.
\( T_k \) =\(τ_sdwl/2\)
여기서 \(τ_s\)는 해당 파괴 모드에 대한 허용 전단 응력으로 설계되었습니다. 샤프트 설계에서 설계 허용 토크는 다음 공식을 사용하여 찾을 수 있습니다.
\(T_s =πd^3 τ_d/16 K_f\)
샤프트와 동일한 설계허용응력을 갖도록 키를 선택한 경우 키의 길이는 다음 공식을 사용하여 구할 수 있습니다.
\( T_k =T_s \)
\( Le =π d^2 / 8wK_f\)
어디에
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부품을 생성할 때 설계 엔지니어가 직면해야 하는 가장 중요한 결정 중 하나는 사용할 재료입니다. 재료의 선택은 주어진 구성 요소의 기능과 모양, 그리고 시간이 지남에 따라 유지 관리 방식을 결정합니다. 플라스틱은 점점 더 대중화되고 있습니다. 그들은 가볍고 가공이 쉽고 일반적으로 유사한 금속 제품보다 저렴합니다. 가공 플라스틱에는 여러 유형이 있으며 각각 장단점이 있습니다. 고정밀 플라스틱 부품을 생산하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 현대 산업 등급 플라스틱은 주조, 사출 성형, 인쇄 또는 기계 가공됩니다. 처음 세 가지 옵
사람들의 생활 수준이 향상됨에 따라 사람들은 금속 질감을 가진 것을 점점 더 좋아하게되어 많은 산업 분야에서 알루미늄 제품을 점점 더 많이 사용하게됩니다. 강철 및 초합금에 비해 연질 금속이며 HRC의 경도는 높지 않지만 더 단단합니다. 따라서 도구의 상대적 요구 사항이 상대적으로 높습니다. 연질 금속을 고경도 텅스텐강 밀링 커터로 절단하면 절삭날이 부러지고 공구 수명이 매우 짧아집니다. 가공을 완료하기 위해서는 경도가 낮고 칼에 달라붙지 않는 고품질 도구가 필요합니다. 칼이 기계의 속도와 효율성을 높일 수 있는 유일한 방법입니다.