개념 한 쪽
축은 회전으로 동력을 전달하는 주요 기계요소이고, 받는 하중 형태에 따라 명칭이 달라진다. 축 이음은 두 축을 연결하여 토크를 전달하는 장치이며, 키의 전단응력과 베어링의 마찰 손실 등으로 전달 가능한 동력이 제한된다.
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출제기준 단원 「축 및 축이음」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 축의 명칭 판단 | 1 | 받는 하중과 용도로 축의 명칭을 고르기 |
| 토크→동력 계산 | 1 | 비틀림 모멘트와 회전수로 전달 동력을 계산하기 |
| 동력→토크 변환 | 1 | 동력과 회전수로 축에 작용하는 토크를 구하기 |
축의 명칭은 주로 축이 받는 하중의 종류나 구조적 특징에 따라 결정된다. 동력을 전달하는 축은 비틀림 모멘트와 함께 축에 굽힘이 동시에 작용하는 경우가 많으므로 전동축(Transmission shaft)으로 분류한다. 크랭크축은 운동 변환용, 중공축은 구조적 경량화용, 플랙시블 축은 유연한 연결용으로 쓰인다는 특징을 가진다.
축에 토크와 회전수가 주어지면 전달 동력은 비틀림 모멘트와 각속도의 곱으로 구한다. 이를 위해 단위를 통일하는 과정이 중요하며, N·m과 rad/s 단위를 사용한 물리식 P = T·ω 또는 회전수 기반 근사식을 활용할 수 있다. 자료에 제시된 식들로는 P(kW)=T(kgf·m)×N(rpm)×0.000165 또는 물리식 P=2πNT/60 등이 있으므로 문제의 단위와 상수를 확인하여 계산한다.
축 이음 장치 중 올덤(Oldham) 커플링은 두 축이 평행하지만 중심선이 어긋난 경우에 평행 어긋남을 보정하면서 등속으로 토크를 전달하는 용도로 사용한다. 유니버설 조인트는 각도가 있는 축의 연결용, 플렉시블 커플링은 진동 흡수용이며 머프 커플링은 정렬용이라는 차이를 기억한다.
키(key)는 축과 허브를 연결하여 회전력을 전달하며, 설치 방식에 따라 축에 홈을 가공하지 않는 안장 키와 축·허브에 홈을 가공하는 평 키 등이 있다. 키의 전단응력 한계로부터 키가 견딜 수 있는 최대 힘을 구하고, 이를 축 반경으로 곱해 토크를 얻은 다음 회전수로 동력을 계산하는 절차를 따른다.
1) 회전수 1000 rpm에 2000 kgf·cm 크기의 비틀림모멘트가 걸린 축의 전달 동력을 구하는 예를 보인다. 먼저 2000 kgf·cm는 20 kgf·m이며, 이를 N·m로 환산하면 약 196.2 N·m가 된다. 각속도는 ω = 1000×2π/60 ≒ 104.7 rad/s이므로 물리식 P = T·ω를 적용하면 P ≒ 196.2 × 104.7 ≒ 20,530 W 즉 약 20.53 kW가 된다.
2) 회전수 200 rpm에서 축이 10 PS의 동력을 전달할 때 작용하는 토크를 구하는 예를 제시한다. 키에 제시된 경험식 T = 71620 × PS ÷ n을 사용하면 T = 71620 × 10 ÷ 200 = 3581 kgf·cm가 된다. 이 공식은 PS와 rpm 관계에서 토크를 직접 구하는 형태이므로 주어진 상수를 정확히 대입하는 것이 중요하다.
다음 중 굽힘과 비틀림을 동시에 받는 축으로 동력 전달용으로 사용되는 축의 명칭으로 가장 적합한 것은?
정답 ③ · 전동축(Transmission Shaft)은 동력을 전달하기 위해 사용되는 축으로, 회전에 의한 비틀림 모멘트뿐만 아니라 자중 및 체인, 벨트 등의 장력에 의해 발생하는 굽힘 모멘트를 동시에 받는 부재입니다. 따라서 굽힘과 비틀림을 동시에 받으며 동력 전달용으로 가장 적합한 축은 전동축입니다.
동력 전달용 축은 비틀림과 자중 등에 의한 굽힘을 동시에 받으므로 전동축이 적합하다.
1000rpm으로 2000 kgf-cm의 비틀림 모멘트를 전달하는 축의 전달 동력은 몇 kW 인가?
정답 ② · 문제는 주어진 비틀림모멘트와 회전수로 전달동력을 계산하는 것이다. 먼저 단위 변환: 2000 kgf·cm = 20 kgf·m이고 이를 N·m으로 바꾸면 20×9.81≈196.2 N·m이다.
동력(kW)=비틀림모멘트(kgf·m)×회전수(rpm)×0.000165 공식을 사용해 계산한다.
200 rpm으로 10 PS를 전달하는 축에 작용하는 토크는 몇㎏f-cm 인가?
정답 ③ · 문제는 주어진 동력(PS)과 회전수(rpm)로 축에 작용하는 토크를 구하는 것이다. 토크 계산식 T(kgf·cm)=71620×PS/n을 사용하면 T = 71620 × 10(PS) / 200(rpm) = 716200 / 200 = 3581 kgf·cm가 된다.
토크 T=71620×PS/n 공식을 적용하면 약 3581 kgf-cm가 나온다.
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