챕터 6. 축

챕터 6. 축

1. 축의 일반적인 사항

 (1) 축의 종류

     축은 회전운동에 의해 동력을 전달시키는 기계요소이며 일반적으로 베어링으로 지지되고 있다.

  1) 축의 사용목적에 의한 분류

     1. 차축

      주로 굽힘모멘트만을 받는 축으로 동력을 전달시키지 않는다.

      ㄱ. 정지차축 : 축 자체가 정지하고 있는 차축으로 자동차앞 차축에서는 차 바퀴는 회전하고 축은 회전하지 않는다.

      ㄴ. 회전차축 : 축 그자체가 회전하는 것으로 철도 차량용 차축은 차축이 차륜에 고정 되어 있어 차륜과 차축이 함께 회전한다.

     2. 전동축

      주로 비틀림과 굽힘모멘트를 동시에 받으며 회전에 의해 동력을 전달하는 축이다. 동력발생장치에서 발생한 동력을

     전달시키는 것을  주목적으로 하는 회전축이다. 

      ㄱ. 주축 : 전동기에서 직접동력을 받는 축

      ㄴ. 선축 : 주축에서 동력을 전달받아 각 공장으로 분배역할을 하는 축

      ㄷ. 중간축 : 선축에 동력을 전달받아 각 기계가 필요로 하는 회전속도로 조정하여 동력을 전달시키는 축이다.

     3. 스핀들축

      주로 비틀림 작용을 받고 형상치수가 정확, 정밀하고 변형량이 극히 작은 짧은 회전축으로 선반, 밀링머신 등의

     공작기계의 주축으로 사용

  2) 축의 모양에 의한 분류

     1. 직선축

       축선이 일직선인 축으로 가장 일반적인 동력전달용으로 쓰임

     2. 크랭크축

      직선운동을 회전운동으로 변환시키거나 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 곡선으로 형성된 축

     3. 플렉시블축

      축이 자유롭게 휠 수 있도록 강선을 2중, 3중으로 감은 나사모양의 축으로 공간상의 제한으로 일직선 형태의

     축을 사용할 수 없을 때 이용

  3) 축의 단면모양에 의한 분류

     둥근축, 사각축, 육각축 등이 있으나 일반적으로 가장 많이 사용되는 것은 둥근축이다. 둥근축은 중공축과 중실축으로 나뉘며,

    중공축은 길이방향으로 구멍을 가공하여 중량경감을 목적으로 사용하지만 가공비가 많이 든다.

 (2) 축의 재료

     축의 재료는 비틀림이나 굽힘에 대한 충분한 강도가 있어야 하며, 일반적으로 일반 구조용 탄소강 강재를 가장 널리 사용한다.

     1. 저하중용

      연강, 경강

     2. 고속 고하중용

     단강, Cr-Mo강, Ni강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강

     특히, 베어링에 접촉되어 내마모성이 요구되는 경우에는 표면경화강을 사용한다.

 (3) 축의 설계에 있어서 고려할 사항

     축을 설계할 때에는 충분한 강도와 강성을 갖도록 하여야 하며, 위험속도로부터 25%이상 떨어진 상태에서 사용할 수 있도록

    하여야 한다. 먼저 강성의 조건하에서 설계한 후 강도를 검토하도록 하여하 한다.

     1. 강성

      ㄱ. 굽힘 변형 : 굽힘하중을 받는 축에서는 강도가 충분하더라도 첮빔이 어느 한도를 넘으면 베어링 압력의 불균일,

         베어링 틈새의 불균일, 기어 물림상태의 이상이 일어난다. 스핀들의 경우 가공물의 다듬질 정밀도를 저하시킨다.

      ㄴ. 비틀림 변형 : 주기적 또는 확실한 전동을 요하는 축은 비틀림각에 어느 제한을 받게 된다. 축의 비틀림각이 크면 기계적

         불균형이 생기므로 확실한 전동을 요하는 축에 있어서 축의 비틀림 각을 제한하여 설계 해야 한다.

     2. 강도

      하중의 종류에 따라 충분한 강도를 갖도록 설계해야한다. 응력집중이 일어나는 부분은 완화하기 위햐여 충분한 둥글기를 붙여야 함.

     3. 진동

     축은 굽힘이나 비틀림 등의 진동이 축의 고유진동과 공진할 때에 축이 파괴되고 우전의 안전을 잃는 경우가 있으므로 고속회전의

    회전체에 있어서는 공질할 때의 위험속도를 고려하여 축이 파괴되지 않도록 설계해야한다.

     4. 부식

     5. 열팽창

      축은 온도상승으로 인하여 축의 길이가 변화하고 베어링 하중도 증가하므로 축의 설계에 있어서는 열팽창에 따른 열응력을

     고려해야한다. 

     6. 응력집중

      축에 키홈이나 코터구멍, 노치, 단붙임 등이 있는 부분은 단면적이 감소하고, 변화가 급격하므로 응력이 집중하여 축의 강도를

     감소시킨다. 이 부분은 보강을 통하여 응력집중을 피한다.

     7. 열응력

      고온상태에서 사용되는 축에 있어서는 열응력, 열팽창 등을 충분히 고려하여 설계해야한다. 

2. 축의 강도에 의한 설계

 (1) 정하중을 받는 경우

  1) 굽힘모멘트만 받는 축

     차축과 같이 주로 굽힘만이 작용하는 축은 굽힘모멘트의 크기가 축의 지지방법과 하중종류에 따라 변한다.

     1. 중실축의 경우

      단면계수

 

이므로

 

     2. 중공축의 경우

  2) 비틀림모멘트만 받는 축

     1. 중실축의 경우

     2. 중공축의 경우

  3) 굽힘모멘트와 비틀림모멘트를 동시에 받는 축

      - 상당(=등가)굽힘모멘트

      - 상당(=등가)비틀림모멘트

     1. 연성재료의 경우

      연강과 같은 연성재료의 파손은 최대전단응력설에 의하여 발생되므로 축지름은 다음과 같이 설계한다.

     2. 취성재료의 경우

 (2) 동하중을 받는 경우

     굽힘모멘트에 굽힘에 의한 동적효과계수 km을 곱하고, 비틀림모멘트에는 비틀림에 의한 동적효과계수 kt를 곱하여 계산한다.

3. 축의 강성설계

 (1) 비틀림강성

     [바하의 축공식]

     바하는 축의길이 1m에 대하여 1/4°이내에 있도록 설계해야한다고 주장하였다. 축재료가 연강인 경우       

     G=8300kg/mm^2의값을 비틀림각에 대입하여 축지름을 구하면 다음과 같다.

     - 중실원축

     - 중공원축

 (2) 굽힘강성

     축의 길이 1m에 대하여 0.33mm이하로 제한하고 있다.

4. 축의 위험속도

     공진진동수에 일치하는 축의 회전속도를 위험속도라 하며, 이 속도에서 진동이 가장심하게 일어난다.

    축의 사용회전속도를 그 축의 고유진동수로부터 25% 이상 떨어지도록 하여야한다.

     - 1개의 회전체를 가진 축