Chapter 05 축 Chapter 05 축

5-1 ≫ 축과 그 종류 1. 축의 용도에 의한 분류 (1) 차축(axle shaft) ▪ 축(軸, shaft)  베어링(bearing)으로 지지, 하중을 받으면서 회전에 의해 동력 전달이 목적인 기계요소 1. 축의 용도에 의한 분류 (1) 차축(axle shaft) ▪ 정지차축(stationary shaft) : 바퀴는 회전, 축은 고정되어 회전체를 지지하며 축은 회전하지 않는 축  차량용 차축 ▪ 회전차축(rotating shaft) : 차륜과 함께 차축도 회전하는 축  철도차량용 차축 Chapter 05 축

(2) 전동축(transmission shaft) ▪ 축의 회전에 의해 동력을 전달하는 축  비틀림 모멘트가 작용 ▪ 일반 공장용 축, 프로펠러축(propeller shaft) (3) 스핀들(spindle) ▪ 전동축의 특수한 것으로서 축의 지름에 비해 길이가 짧은 축 ▪ 형상과 치수가 정밀하고 변형량이 극히 작아야 한다. ▪ 비틀림과 굽힘을 동시에 받는다. ▪ 공작기계의 주축 및 터빈 축 등이 있다. Chapter 05 축

<그림 5-1> 축의 종류 Chapter 05 축

2. 축의 형상에 의한 분류 (1) 직선축(straight shaft) (2) 크랭크축(crank shaft) ▪ 왕복운동과 회전운동의 상호변환에 사용하는 축 ▪ 피스톤형 내연기관, 왕복압축기의 축 Chapter 05 축

(3) 유연성축(flexible shaft) ▪ 전동축에 큰 휨(deflection)을 주어서 축의 방향을 자유롭게 바꾸거나 충격을 완화시키기 위한 축 ▪ 비틀림 강도가 매우 크고, 굽힘 강도가 극히 작은 축으로서 축의 방향이 변하더라도 작은 회전 토크의 전달 가능 ▪ 철사를 4~10겹으로 꼬아서, 그 자신이 자유롭게 휘어질 수 있는 코일형과 소형의 커플링, 또는 단축원통을 수많이 연결하여 축 전체가 자유로이 휘어질 수 있도록 한 만능 이음형 ▪ 회전계의 구동축, 그라인더의 숫돌을 임의의 장소에서 구동하는 경우와 같이 전동축에 유연성을 준 것 Chapter 05 축

3. 작용하중에 의한 분류 ▪ 축에 작용하는 하중 : 굽힘을 받는 축, 비틀림을 받는 축, 굽힘, <그림 5-2> 코일형 유연성축 3. 작용하중에 의한 분류 ▪ 축에 작용하는 하중 : 굽힘을 받는 축, 비틀림을 받는 축, 굽힘, 비틀림, 인장, 압축 등의 하중을 동시에 2종류 이상 받는 축 ▪ 중실축(中實軸, solid shaft), 중공축(中空軸, hollow shaft), 균일 단면축, 테이퍼축(taper shaft), 단붙이축(段軸, stepped shaft) 등 Chapter 05 축

5-2 ≫ 축의 재료 ▪ 인장강도가 낮고, 연성 풍부한 0.1~0.4%C 탄소강, 저합금강 ▪ 고하중 및 고회전수의 축에는 Ni강, Ni-Cr강, Cr-Mo강 등 ▪ 보통 크기의 축은 인발강이나 열간압연강이 사용 ▪ 지름이 100[mm] 이상이면 단조에 의해 소재 제작 ▪ 공장용 전동축, 저속 회전용  탄소강의 냉간 인발봉을 필요에 따라 표면경화시켜 사용한다. ▪ 베어링 지지의 저널(journal)부 내마모성 필요  고주파 경화, 또는 침탄처리한 표면 경화강 사용 Chapter 05 축

<표 5-1> 축 재료의 성질 및 용도 Chapter 05 축

5-3 ≫ 축 설계의 고려사항 1. 강 도(strength) 2. 강 성(rigidity, stiffness) (1) 굽힘 변형 (2) 비틀림 변형 3. 진 동(vibration) 4. 열응력(thermal stress) 5. 부 식(corrosion) Chapter 05 축

5-4 ≫ 축의 강도 설계 1. 정하중을 받는 축 (1) 굽힘만 작용하는 축 ① 중실축의 경우 Chapter 05 축

② 중공축의 경우 Chapter 05 축

<그림 5-3> 원형축의 지름 Chapter 05 축

(2) 비틀림만을 받는 축 ① 중실축의 경우 Chapter 05 축

② 중공축의 경우 Chapter 05 축

③ 중실축과 중공축의 비교 Chapter 05 축

<그림 5-4> 전달토크 및 축 중량의 비율 Chapter 05 축

(3) 굽힘과 비틀림을 동시에 받는 축 Chapter 05 축

<그림 5-5> 굽힘 및 비틀림을 동시에 받는 축 <그림 5-6> 모어의 응력원 Chapter 05 축

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① 취성재료의 경우 ② 연성재료의 경우 Chapter 05 축

(4) 동력전달축의 모멘트 ▪ 전동축은 회전  주로 비틀림 모멘트 T가 작용 ▪ 축의 자중, 풀리 및 기어의 중량, 벨트의 장력, 축의 처짐, 커플링 및 클러치 등의 편심  굽힘 모멘트 M도 작용 ▪ 등가굽힘 모멘트 Me와 등가비틀림 모멘트 Te의 정확한 계산이 복잡, 곤란하다. Chapter 05 축

<그림 5-7> 전동축 Chapter 05 축

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① 중실축의 지름 Chapter 05 축

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② 중공축의 지름 Chapter 05 축

(5) 굽힘, 비틀림 및 축하중이 동시에 작용하는 축 Chapter 05 축

2. 동하중을 받는 축 ▪ 회전 기계의 축에 작용하는 하중은 불균일 변동하중, 반복하중 또는 충격하중이 복잡하게 조합된 동적하중 ▪ 동하중이 작용하는 축의 설계  정하중이 작용할 때의 굽힘 모멘트 및 비틀림 모멘트보다 큰 값을 고려 ▪ kmM과 ktT로 하여 축의 지름을 구한다. Chapter 05 축

(1) 취성재료인 경우 ▪ 등가비틀림 모멘트를 계산한 후 중공축의 지름을 구하면 (2) 연성재료인 경우 Chapter 05 축

3. 노치의 영향 (1) 키홈이 있는 축 Chapter 05 축

<그림 5-8> 키홈이 있는 축 Chapter 05 축

(2) 응력집중을 고려한 축 ① 키홈이 있는 축의 비틀림 Chapter 05 축

<그림 5-9> 키홈 축의 응력집중계수 Chapter 05 축

② 반원형 홈붙이축의 굽힘 ③ 단붙이축의 굽힘 Chapter 05 축

<표 5-4> 회전축의 지름(KS B 0406) ④ 단붙이축의 비틀림 <표 5-4> 회전축의 지름(KS B 0406) Chapter 05 축

5-5 ≫ 축의 강성 설계 1. 축의 비틀림 강성 ▪ 축의 강성(剛性, stiffness) 설계 - 비틀림 변형에 의한 비틀림각 - 굽힘 변형에 의한 처짐량과 처짐각 1. 축의 비틀림 강성 Chapter 05 축

<그림 5-16> 축의 비틀림 Chapter 05 축

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<그림 5-17> 축지름의 비교 Chapter 05 축

<그림 5-18> 축의 처짐각 및 처짐량 2. 축의 굽힘강성 ▪ 베어링 간격(bearing span)이 클 때  축의 자중(自重), 기어, 풀리, 벨트의 장력 등에 의하여 축이 기울어져 처짐이 발생 ▪ 축의 처짐은 축의 원활한 회전이 불가능, 베어링에 무리한 부담  과열 및 수명 감소 <그림 5-18> 축의 처짐각 및 처짐량 Chapter 05 축

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5-6 ≫ 회전축의 위험속도 ▪ 공진(共振, resonance) : 외력의 변화에 의한 주기(週期)가 축 자체의 고유진동수(固有振動數, natural frequency)와 일치하였을 때 진폭이 점점 커지는 현상 ▪ 위험속도(critical speed) : 축의 굽힘 또는 비틀림 진동에 의해 축의 고유진동수와 같아지는 축의 회전수 ▪ 위험속도에서 축의 회전  공진(共振, resonance) 현상 발생 - 운전의 안정이 깨진다. - 축의 파괴 현상 발생 - 고속 회전체  진동 방지 대책 필요 ▪ 공진진동수  다차항 - 1차항이 가장 위험 - 1차항을 대상으로 위험속도 결정 Chapter 05 축

- 신축의 세로진동(longitudinal vibration) : 위험성 적다. ▪ 축의 진동  신축, 굽힘, 비틀림 등의 진동 고려 - 신축의 세로진동(longitudinal vibration) : 위험성 적다. - 주로 굽힘에 의한 가로진동(transverse vibration)과 비틀림 진동(torsional vibration)을 고려 ▪ 자동차의 크랭크축과 같이 짧은 축이 베어링으로 지지될 때  굽힘 진동이 억제, 비틀림 진동만 고려 ▪ 터빈, 펌프, 송풍기, 압축기 등과 같이 베어링 간격이 큰 축  처짐이 크므로 굽힘 진동도 고려 ▪ 재료의 불균질, 가공 및 조립 정밀도 불량 등에 의한 불균형  원심력(遠心力)도 진동의 원인 ▪ 축의 회전속도가 축의 고유진동수 부근일 때  진폭이 커져서 베어링, 또는 축의 파손 우려, 축의 상용(常用) 운전속도를 그 축의 고유진동수 로부터 25% 이상 떨어지도록 한다. Chapter 05 축

1. 축의 굽힘 진동 (1) 1개의 회전체를 가진 축 ▪ 베어링 사이의 거리가 길고 축지름이 작은 축  처짐이 커지므로 굽힘에 의한 위험속도 고려 ▪ 재료의 불균질, 가공 및 조립의 정밀도 불량 등에 의한 축중심과 중심(重心)의 불일치  원심력도 진동의 중요한 원인 Chapter 05 축

<그림 5-19> 회전축의 진동해석 모델 Chapter 05 축

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① 축의 양끝이 베어링으로 자유로이 지지된 경우(자중 무시) <그림 5-20> 축의 위험속도 Chapter 05 축

② 축의 양끝이 스러스트(thrust) 베어링으로 지지된 경우 (자중 무시) Chapter 05 축

③ 균일 지름의 축이 양끝에서 레이디얼 베어링으로 지지된 경우(자중만을 고려) Chapter 05 축

④ 균일 지름의 축이 양끝에서 스러스트 베어링으로 지지된 경우(자중만을 고려) Chapter 05 축

(2) 여러 개의 회전체를 가진 축 ▪ 던커레이(Dunkerley)의 실험식 : Chapter 05 축

(3) 단면이 불균일한 축 <그림 5-21> 단면이 불균일한 축 Chapter 05 축

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2. 비틀림 진동 Chapter 05 축

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<그림 5-22> 비틀림 진동계 Chapter 05 축

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5-7 ≫ 베어링 간격 1. 굽힘 강성에 의한 베어링 간격 Chapter 05 축

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2. 굽힘 강도에 의한 베어링 간격 ▪ 축이 여러 개의 베어링으로 지지된 경우<그림 5-23>  연속보에 균일분포하중 w가 작용하는 것으로 가정, 처짐의 제한을 고려하여 허용굽힘응력을 더욱 작게 선택하여 베어링 간격 계산 ▪ 축의 양끝 부분에 해당되는 ℓ1의 보  일단이 지지되고 타단이 고정된 보 ▪ 중간부분에 있는 ℓ2의 보  양단 고정보 Chapter 05 축

<그림 5-23> 연속보로 간주하는 축 Chapter 05 축

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