축 샤프트 (Shaft)
축은 기계의 동력 장치에서 발생한 회전 운동이나 왕복 운동을 직접 또는 간접적으로 전달하는 긴 막대 모양의 기계 요소입니다. 축은 베어링에 의해 지지되며, 하중을 받으면서 동력을 전달하는 역할을 합니다. 일반적으로 축은 보스(풀리, 기어, 플라이휠, 바퀴 등)에 키(Key)를 이용해 고정하여 사용됩니다.
축의 형상에 의한 분류
▶ 직선축(straight shaft)은 일반적으로 가장 많이 사용되는 곧은 축을 의미합니다.
▶ 크랭크축(crank shaft)은 직선 운동이나 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키는 축으로, 주로 피스톤형 내연기관에서 사용됩니다.
▶ 플렉시블 축(flexible shaft)은 전동축에 휨성을 부여해 축의 방향을 자유롭게 바꾸거나 충격을 완화하기 위한 축으로, 유연성 축이라고도 불립니다. 비틀림 강도는 크지만 굽힘 강도는 작은 것이 특징입니다.
축의 작용하중에 의한 분류
▶ 차축(axle)은 바퀴는 회전하지만 축은 고정된 상태로 주로 휨 하중을 받으며, 자동차의 앞 또는 뒷바퀴, 철도 차량, 자전거 허브 축 등에 사용되는 축의 한 형태입니다.
▶ 전동축(transmission shaft)은 회전을 통해 동력을 전달하는 축으로, 굽힘과 비틀림 모멘트를 동시에 받습니다. 프로펠러 축이나 일반 공장용으로 많이 사용됩니다.
▶ 스핀들(spindle)은 길이가 짧고 정밀하며, 주로 비틀림 하중을 받는 축입니다. 주로 공작 기계의 주축으로 사용되는 축의 형태입니다.
축 설계 시 고려 사항
㉮ 강도(strength)는 물체가 파괴되기 전까지 변형에 저항하는 정도를 의미하며, 재료는 정하중, 반복하중, 충격하중 등에 충분히 견딜 수 있어야 합니다.
㉯ 강성(stiffness)은 외부 힘에 의해 발생하는 변형에 대한 저항을 뜻하며, 굽힘 변형량과 비틀림 변형량이 일정 범위 내에서 제한되도록 설계되어야 합니다.
㉰ 진동(vibration)은 설계 시 공진이 발생하는 위험 속도를 고려해야 합니다.
㉱ 부식(corrosion)은 재료 선택 및 표면 처리 시 방부 대책을 강구해 부식으로부터 보호해야 합니다.
㉲ 열팽창(thermal expansion)은 고온에서 작동하는 제트 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등에서 축의 열응력과 열 변형을 고려해 설계해야 합니다.
축의 설계와 축의 재질
축의 강도에 의한 설계
- 축의 재질은 주로 탄소 함량이 0.2% ~ 0.4%인 탄소강이 사용됩니다. 그러나 피로 한도의 영향을 크게 받는 고속, 고응력 환경에서는 Ni강, Ni-Cr강과 같은 재료가 사용됩니다.
축의 재료
- 열처리 효과가 뛰어난 기계 구조용 탄소강재(SM10C ~ SM58C)가 주로 사용됩니다.
- 저하중용 축에는 연강(C 0.3~0.4%) 또는 경강(C 0.4~0.5%)이 사용됩니다.
- 고속 및 고하중용 축에는 Ni강, Ni-Cr강, Cr-Mo강 등 고성능 합금강이 사용됩니다.
- 공장용 전동축이나 저속 회전용 전동축은 필요에 따라 표면 경화한 탄소강을 사용합니다.
- 베어링으로 지지되는 저널부는 내마모성을 요구할 경우, 고주파 경화나 침탄 처리한 표면 경화강이 사용됩니다.
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