축이란? 축의 종류와 특징/축 설계시 주의사항/스핀들, 크랭크축,차축
- 판금기계설계/축,축이음,키,핀
- 2020. 3. 6. 15:01
축이란? / 축(Shaft)
축은 긴 막대모양의 부품으로 동력장치에서 발생한 회전운동이나 왕복운동의 동력을 직접, 간접적으로 전달하는 기계요소입니다. 축은 베어링에 의해서 지지되고 하중을 받으면서 동력을 전달합니다. 일반적으로 축은 보스(풀리, 기어, 플라이휠, 바퀴 등)에 키(Key)로 고정시켜서 사용합니다.
작용하중에 의한 분류
▶ 차축(axle)은 바퀴는 회전하지만 축은 고정되어 있어, 주로 휨 하중만을 받는 자동차의 앞 또는 뒷바퀴, 철도 차량 및 자전거 허브 축 등에 사용되는 축 형태입니다.
▶ 전동축(transmission shaft)은 주로 회전에 의해 동력을 전달하는 축으로써 굽힘과 비틀림 모멘트를 동시에 받으며 프로펠러 축이나 일반 공장용으로 많이 사용되는 축입니다.
▶ 스핀들(spindle)은 축의 길이가 지름에 비해 짧고 정밀하며 주로 비틀림 하중을 받는 축입니다. 주로 공작 기계의 주축으로 사용되는 축 형태입니다.
형상에 의한 분류
▶ 직선축(straight shaft)은 일반적으로 많이 사용되는 곧은 축을 말합니다.
▶ 크랭크축(crank shaft)은 직선,왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 축입니다. 피스톤형 내연기관에서 볼 수 있는 축입니다.
▶ 플렉시블 축(flexible shaft)은 전동축에 휨성을 부여해 축의 방향을 자유롭게 바꾸거나 충격을 완화시키기 위한 축으로 유연성축이라고도 부릅니다. 비틀림 강도는 매우 크지만 굽힘 강도는 매우 작은 것이 특징입니다.
축 설계 시 고려 사항
㉮ 강도(strength)는 물체의 강한 정도로써 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 말하며 정하중, 반복하중, 충격하중 등에 충분히 견딜 수 있어야 합니다.
㉯ 강성(stiffness)은 외부에서 변형을 가할 때의 변형 저항을 마랍니다. 굽힘 변형량과 비틀림 변형량이 일정한 한도이내에서 이뤄지도록 제한해 설계합니다.
㉰ 진동(vibration)은 설계 시 공진할 때의 위험 속도를 고려할 필요가 있습니다.
㉱ 부식(corrosion)은 재료선택 및 표면처리를 고려해 방부대책을 강구해야 합니다.
㉲ 열팽창(thermal expansion)은 고온에서 운전되는 제트 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등은 축의 열응력과 열 변형을 고려하여 설계해야 합니다.
축의 설계와 축의 재질 / 재료
▶ 축의 강도에 의한 설계
- 축의 재질은 일반적으로 C 0.2 ~ 0.4%인 탄소강을 사용합니다. 하지만 피로 한도의 영향을 크게 받는 고속, 고응력의 축에는 Ni강, Ni-Cr강 등이 사용됩니다.
▶ 축의 재료
- 열처리 효과가 큰 기계 구조용 탄소강재(SM10C ~ SM58C)를 사용합니다.
- 저하중용에는 연강(C0.3~0.4%)이나 경강(C0.4~0.5%)을 사용합니다.
- 고속 및 고하중용에는 Ni강, Ni-Cr강, Cr-Mo강 등을 사용합니다.
- 공장용 전동축이나 저속 회전용 전동축은 탄소강을 필요에 따라 표면 경화해 사용합니다.
- 베어링으로 지지되는 저널부는 내마모성을 필요로 할 때는 고주파 경화 혹은 침탄 처리한 표면 경화강을 사용합니다.
축의 지름 / 회전 축의 지름
▶ 축의 지름
▶ 회전축의 지름
강성에 의한 설계 / 위험속도
▶ 강성에 의한 설계
-축이 동력을 전달할 때 비틀림각이 매우 크면 전동 기구를 작동시킬 때 진동의 원인이 됩니다.
-따라서 축의 파괴 강도와는 관계없이 비틀림각에 제한을 두어야 하며, 바하(Bach)에 의하면 축 1 m에 대해 1/4° 이하
-중실축에 대한 바깥 지름
▶ 위험속도
- 축의 회전 속도는 축의 고유 진동수 부근에서 진폭이 커져서 베어링이나 축이 파손될 우려가 있기 때문에 축의 상용 회전수는 위험 속도로부터 25% 이상 벗어나도록 합니다.
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