기계공학에서 키이음(keyed joint)은 키(key)와 키웨이(keyway)로 구성됩니다. 키는 필요한 키이음 종류에 따라 다양한 형상으로 가공됩니다. 키웨이는 축에 키 치수대로 가공된 홈입니다. 이들은 함께 고정되어 부품 분리를 방지하고 축과 부품 사이의 상대 운동을 막습니다.
이 글에서는 키와 키웨이의 정의, 기능, 응용, 구성 요소, 다이어그램, 종류, 작동 원리, 장단점까지 종합적으로 다루겠습니다.
키는 회전 기계 요소를 축에 결합하는 기계 부품입니다. 키가 작동하려면 축에 키웨이(keyway)가, 회전 기계 요소에 키시트(keyseat)가 있어야 합니다. 키는 키웨이와 키시트 사이에 단단히 끼워지며, 이 메커니즘을 '키이음(keyed joint)'이라 합니다.
키와 키웨이의 주기능은 키이음을 구성해 허브와 축을 고정함으로써, 동력전달 축과 부착 부품 사이에 상대 운동이 발생하지 않게 하는 것입니다. 키이음은 부품 간 상대적 축방향 이동을 허용하는 경우가 많습니다. 이 키는 두 부품 간 상대 회전을 방지하고 토크 전달을 가능하게 합니다.
키이음은 기계적 동력전달 요소인 축과 커플링의 중요한 부분으로, 하중, 동력, 회전이 미끄러짐 없이 효율적으로 전달되게 합니다. 키와 키웨이 응용의 좋은 예는 기어 드라이브, 풀리, 스프로킷이 키로 동력전달 축에 단단히 연결된 경우입니다.
기계 분야 전반에서 키이음은 축과 스프로킷 간 안전한 연결을 만드는 편리한 수단입니다. 하중을 당기거나 미는 다른 축 응용에서도 대안으로 쓰이며, 농업 기계, 공작기계, 산업 장비 등에서 흔히 볼 수 있습니다.
밀링머신, 슬로터, 셰이퍼가 키웨이와 키시트 가공에 쓰이는 대표적인 공작기계입니다. 키시트 전용 특수 기계도 있습니다.
키이음 종류에 따라 구성 요소가 달라질 수 있으나, 주요 구성 요소는 키(key), 키시트(keyseat), 키웨이(keyway)입니다.
키이음에 쓰이는 주요 축 키 종류는 다음과 같습니다:
키 두께의 절반은 축에, 나머지 절반은 키시트에 매입되도록 설계된 키입니다. 이 키이음을 구현하려면 정밀도가 매우 중요합니다. 예: 키가 8mm라면 축 키웨이 깊이 4.1mm, 키시트 깊이도 4.1mm로 가공합니다. 매입 키에는 다음과 같은 종류가 있습니다:
이 키들은 높이보다 너비가 넓어 '플랫 키(flat key)'라고도 부릅니다. 지름 500mm(약 20인치) 축에 주로 쓰입니다. 키 너비를 늘려 깊이를 깊게 하지 않고도 더 큰 토크 전달이 가능합니다. 깊이를 늘리면 유효 단면적이 줄어들어 축이 약해지기 때문입니다.
정사각형 단면을 가지며 지름 25mm(약 1인치) 축에 쓰입니다. 직사각형 키보다 더 깊은 키 깊이가 필요할 때 큰 축에 사용합니다. 다만 깊이 증가는 유효 단면적 감소로 축을 약화시킵니다. 정사각형이나 직사각형 키는 길이 방향으로 1:100의 테이퍼를 가질 수 있습니다(아래 그림 참조).
직사각형 또는 정사각형 단면이나 테이퍼가 없습니다. 저렴하고 구하기 쉽고 설치가 가장 쉽습니다. 다만 진동이나 회전 방향 반전 시 키가 밀려나올 수 있어 세트스크류로 허브에 고정해야 합니다.
키는 보통 축 키웨이 바닥과 키이음 양옆에 밀착되게 끼워지며, 허브 키웨이 위쪽에는 클리어런스를 둡니다.
직사각형 또는 정사각형에 위쪽 면 테이퍼가 있어 밀착도가 높습니다. 분해가 쉽도록 고안되었습니다.
페더 키는 양두형, 페그 페더, 페더 키 세 가지 유형이 있습니다. 축 또는 허브 중 한쪽에 고정돼 상대적 축방향 이동을 가능하게 합니다. 평행한 양면으로 축과 허브 간 동력전달을 하면서 슬라이드 운동을 허용합니다.
반원형 디스크 키로, 축의 원형 홈에 들어갑니다. 우드러프 키웨이 커터로만 가공 가능합니다. 공작기계와 일부 자동차 축(직경 ¼"~2½", 약 6~60mm)에 주로 쓰입니다. 우드러프 키의 강도는 긴 평행 키와 크게 달라 같은 하중을 감당할 수 없습니다.
매입 키와 달리 축에 매입되지 않고 허브에만 매입됩니다. 축의 평면이나 원주면에 얹혀 마찰력으로 동력을 전달합니다. 평행 새들 키와 중공 새들 키로 나뉘며, 미끄러짐을 피하기 위해 가벼운 하중에만 씁니다.
위쪽은 테이퍼, 아래쪽은 평평해 축의 평면에 밀착되며 테이퍼진 허브 키웨이에 들어갑니다.
위쪽은 테이퍼, 아래쪽은 곡면으로 축의 원주 곡면에 밀착되며 테이퍼진 허브 키웨이에 들어갑니다.
접선 키라고도 합니다. 직각으로 한 쌍을 이루며 각 키는 한 방향의 비틀림만 견딥니다. 대형 중부하 축에 주로 쓰입니다.
원형 단면으로, 축과 허브에 부분적으로 뚫린 구멍에 삽입됩니다. 결합 부품 조립 후 키웨이를 드릴링이나 리밍으로 가공할 수 있어 제작이 쉽습니다. 저동력 전달용에 적합합니다.
키와 키웨이의 작동 원리는 복잡하지 않아 쉽게 이해할 수 있습니다. 키와 키웨이 세팅 종류가 다양하므로 일부 유형은 작동 방식이 완전히 다를 수 있습니다. 아래 영상에서 일반적인 키이음 메커니즘 작동 방식을 확인하세요.
축 키이음의 주요 장점은 다음과 같습니다:
장점에도 불구하고 다음과 같은 한계가 있습니다:
키이음은 동력을 전달하는 훌륭한 기계적 수단 중 하나입니다. 주로 모터 축에서 그 목적을 달성합니다. 이 글에서 키와 키웨이로 구성된 키이음의 정의, 기능, 응용, 구성 요소, 종류, 작동 원리, 장단점을 다루었습니다.
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