개념 한 쪽
기계요소의 결합은 회전력과 하중을 전달하는 핵심 수단이다. 키와 리벳, 나사, 마찰 전송 장치 등은 각기 용도와 장단점이 달라 상황에 맞는 요소를 선택해야 한다는 점을 이해한다.
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출제기준 단원 「결합용 기계요소」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 키의 기능 판별 | 1 | 축방향 이동 여부로 적합한 키 종류를 고르기 |
| 나사 형상 용도 판단 | 1 | 나사 단면 형상에 따른 용도 또는 특성을 가리기 |
| 키 전단응력 동력 계산 | 1 | 허용전단응력 기반으로 키가 전달할 수 있는 동력을 계산하기 |
키는 축과 허브를 결합하여 회전력을 전달하는 부품으로, 형상에 따라 축방향 고정용과 축방향 이동용으로 구분한다. 평키나 반달키는 허브를 축에 고정하여 축방향 이동을 방지하는 반면, 페더키는 허브가 축을 따라 슬라이드해야 할 때 사용하여 토크를 전달하면서도 위치 조정이 가능하다.
리벳 이음은 부재를 영구적으로 결합하는 방식이다. 리벳을 박으면 분해가 곤란하여 분해 시에는 리벳을 파괴하여 제거해야 한다. 리벳 이음은 용접에 비해 현장 조립이 용이하고 열변형이 적어 특정 재료의 결합에 유리하나, 탈착과 재조립이 어려운 단점이 있다.
나사는 단면형상에 따라 용도가 달라진다. 삼각 나사는 마찰계수가 커 자립성이 강하므로 체결용으로 적합하다. 사각 나사는 마찰이 적고 전달 효율이 높아 축 방향 하중을 전달하면서 운동을 전달하는 용도에 적합하다. 4각 나사 등은 동력 전달용으로서 마찰이 작아 이송 효율이 좋은 편이다.
마찰을 이용한 동력 전달 장치(예: 원통 마찰차, 클러치, 커플링)는 접촉면의 압력, 마찰계수, 접촉 반지름 등으로 전달 가능한 힘과 토크가 결정된다. 마찰력은 허용압력과 접촉 너비나 면적으로부터 산출하고, 토크는 그 마찰력에 유효 반지름을 곱하여 구한다. 동력은 토크와 회전수 관계식을 통해 계산한다.
실전 지문 유형은 다음과 같다. 축방향 이동이 필요한 결합에서는 페더키를 선택하고, 영구 결합과 분해 불가능성은 리벳의 특징으로 판단한다. 나사 형상별 용도(삼각=체결, 사각=운동 전달)를 대비해 기억한다.
축의 토크를 전달시키면서 보스를 축방향으로 이동시킬 필요가 있을 때 사용하는 키는?
정답 ① · 문제는 축의 토크 전달과 함께 보스를 축방향으로 이동시킬 필요가 있을 때 사용할 키를 묻고 있다. 축방향 이동을 허용하면서 토크 전달이 가능한 키는 페더키이며 슬리브나 허브를 축방향으로 미세하게 이동시키는 용도에 적합하다.
축방향 이동이 가능한 페더키를 선택하고, 고정용 평키나 반달키, 삽입식 묻힘키를 배제한다.
4각 나사와 비교한 3각 나사의 일반적인 특징으로 옳지 않은 것은?
정답 ① · 3각 나사는 나사산의 각도가 60도로 4각 나사에 비해 마찰계수가 크고, 이에 따라 마찰로 인한 마모가 적으며 나사의 풀림을 방지하는 자립(self-locking) 작용이 강하여 체결 및 고정용으로 널리 사용됩니다. 반대로 마찰계수가 작아 동력 전달과 운동 전달용으로 이송효율이 좋은 것은 4각 나사입니다.
3각 나사는 마찰계수가 커서 자립작용이 강해 체결용이나, 마찰계수가 작다고 한 것은 오답이다.
지름 110㎜, 회전수 500rpm인 축에 묻힘키를 폭 28㎜, 높이 18㎜, 길이 300㎜로 설계하려고 한다면 키의 전단응력에 의한 전달동력은 약 몇 PS인가? (단, 키의 허용전단응력(ϒn)은 3.2kgf/mm²이다.)
정답 ③ · 키의 전단응력에 의한 전달동력을 구하는 공식은 P = (τ * b * L * r * 2π * N) / (60 * 75) [PS] 입니다. 여기서 허용전단응력 τ = 3.2 kgf/mm², 폭 b = 28 mm, 길이 L = 300 mm, 축의 반지름 r = 110 / 2 = 55 mm, 회전수 N = 500 rpm을 대입합니다.
키의 전단응력 기반 동력 전달 공식 P=(τ·b·L·r·2π·N)/(60·75)에 값을 대입하면 약 1032PS가 된다.
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