[기계안전기술사] 문제풀이 2021년 123-2-5 축의 종류 및 설계시 고려사항

문제
5. 축의 종류를
    1) 작용 하중 및 모양에 따라 3가지로 분류하여 설명하고,
   2) 축 설계 시 고려할 사항 5가지를 설명하시오.

정답
1. 개요
기계부품에 사용되는 중요한 기계요소로서 회전부품(주로 베어링)에 의해 지지되거나 또는 이와 연결된 다른 부재에 동력을 전달하는 역할을 수행한다

주로 단면이 원형이며, 베어링에 의해 지지되며 주로 회전력을 전달하는 기계요소
회전운동 또는 직선왕복운동에 의해 한 부품에서 다른 부품으로 동력을 전달하는 막 대 모양의 기계부품

2. 축의 종류
작용하중에 의한 분류 (작용하중 : 굽힘모멘트, 비틀림모멘트)
1) 차축 (Axle)
     차축은 주로 굽힘 모멘트를 받으며, 토크를 전하는 회전축과 전하지 않는 정지축이 있 다.
2) 전동축 (Transmission Shaft)
     축의 회전에 의하여 동력을 전달하는 축으로 주로 비틀림 모멘트를 받는다.
3) 스핀들 (Spindle)
     강도와 함께 변형량이 적은 것을 요구하는 축이며, 굽힘과 비틀림 모멘트를 동시에 받는
다

3. 축 설계시 고려사항 5가지

1) 강도(Strength)
물체의 강한 정도로써 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 말하며 정하중, 반복하중, 충 격하중 등에 충분히 견딜 수 있어야 한다. 특히 키 홈, 원주 홈, 단이 있는 축의 응력집중 등을 고려하여 설계해야 한다.

2) 강성 (Stiffness)
외부에서 변형을 가할 때의 변형에 저항하는 정도를 말한다.
굽힘 변형량과 비틀림 변형 량이 일정한 한도 이내에서 이뤄지도록 제한해 설계해야 한다.

3) 진동 (Vibration)
축은 굽힘 또는 비틀림 진동, 특히 공진(Resonance) 현상에 의하여 파괴되고, 운전의
안전성을 잃는 경우가 종종 발생하므로, 고속 회전 회전체에 대해서는 진동에 주의하고
진동 방지 대책을 강구해야 한다

4) 부식 (Corrosion)
축은 전기적, 화학적 작용으로 부식하고 타격적 접촉압력(예 : 캐비테이션 등)이 작용하 는 측면은 침식하여 소모되므로 축 설계 시 미리 주의해야 하며, 재료선택 및 표면처리 를 고려해 방식, 방청 대책을 강구해야 한다.

5) 열팽창 (Thermal Expansion) = 열응력
고온에서 운전되는 제트 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등은 축의 열응력과 열 변형을 고려 하여 설계해야 한다. 축의 길이가 변화하려고 하더라도 그 변화가 구속되어 있으면 축 에 열응력이 생기고 베어링 하중이 증가하며, 축의 길이가 변화하면 기어 등이 있는 경 우에는 그 물림 상태가 나쁘게 된다.