키(Key), 핀(Pin), 코터(Cotter) 및 스플라인(Spline)의 종류와 역학
키, 핀, 코터는 기계 요소 중 하나로, 회전체와 축을 연결하거나 상대 운동을 방지하는 역할을 합니다.
스플라인(Spline) 보스는 축과 보스에 절삭하는 키(key) 홈입니다.
키(Key)
키는 축에 기어, 풀리, 플라이휠 등의 회전체를 고정시켜 상대적인 운동을 방지하고 회전력을 전달하는 결합용 기계요소입니다.
축 재료보다 단단한 재료를 사용하며, 축과 키 사이에 압입 또는 밀착 결합으로 연결됩니다.
키의 종류
키(Key)란? 키의 종류 10가지, 테이퍼 값과 회전력의 크기 순서 알아보기
키에 발생하는 압축응력
키에 발생하는 전단응력
축과 키의 재료와 작용하는 전달토크의 크기가 같다면?
키의 폭과 축 지름의 관계
보통 보스의 길이 l은 1.5d 이상으로 결정하므로, 키의 폭 b는 아래와 같다.
키 토크 공식
- 동력 토크: T = 9549 * P / n [N·m]
(P: 동력(kW), n: 회전수(rpm)) - 전단응력 토크: T = (π/16) * τ * d^3 [N·m]
(τ: 전단응력(N/mm^2), d: 축직경(mm)) - 회전력 토크: T = W * r [N·m]
(W: 회전력(N), r: 반지름(m))
키 응력 공식
- 압축응력: σc = F / A [N/mm^2]
(F: 축방향 하중(N), A: 투영면적(mm^2)) - 전단응력: τ = T * 10^3 / (0.5 * d * b * l) [N/mm^2]
(T: 토크(N·m), d: 축직경(mm), b: 키폭(mm), l: 키길이(mm)) - 접촉면압력: p = F / (l * d) [N/mm^2]
(F: 하중(N), l: 접촉길이(mm), d: 접촉직경(mm))
핀(Pin)
핀은 두 개 이상의 부품을 연결하거나 회전 운동을 제한하는 역할을 합니다.
핀은 키의 역할을 하기도 하고, 코터가 빠져나오지 못하도록 고정하거나 부품의 위치를 결정하기도 합니다.
핀은 전단력과 압축력을 받으므로 전단 및 압축 응력에 대한 강도 계산이 필요합니다.
핀의 종류
- 평행핀
끝 모양이 45º 모따기인 A형과 B형이 있으며, 위치결정이나 막대의 연결용으로 사용한다. - 테이퍼핀
보통 1/50의 테이퍼를 가지며, 끝이 갈라진 것과 갈라지지 않은 것이 있다. - 분할핀
한쪽 끝이 두 가닥으로 나뉘어서 나사 및 너트의 이완 방지나, 축에 끼워진 부품이 빠지는 것을 막는다. - 스프링핀
종방향으로 갈라져서 외경보다 작은 구멍에 삽입되며, 스프링의 역할을 한다.
핀의 접촉면압
축하중 Q는 접촉면압 q에 투영면적을 곱한 값이며, 투영면적은 핀의 지름 d1에 핀과 구멍의 접촉 길이 a를 곱한 값이다.
접촉면압력: p = F / (l * d) [N/mm^2]
핀의 전단강도
축하중 Q는 핀의 두 면에서 발생하는 전단력과 평형을 이룬다.
전단응력: τ = F / A [N/mm^2]
(F: 전단력(N), A: 전단면적(mm^2))
핀의 굽힘응력
최대 굽힘모멘트는 핀의 중앙에 발생한다.
굽힘응력: σb = M / Z [N/mm^2]
(M: 굽힘모멘트(N·mm), Z: 단면계수(mm^3))
코터(Cotter)
코터는 핀의 이탈을 방지하기 위해 사용되는 기계요소입니다. 코터는 안쪽 또는 양쪽에 기울기를 갖는 평판형 쐐기로서 두 축을 연결합니다.
코터는 핀 구멍에 끼워져 핀이 빠지지 않도록 고정시키는 역할을 합니다.
코터의 경사각
코터의 자립조건
스플라인
축에 끼워지는 보스를 스플라인이라 합니다. 토크와 노치효과가 다수의 키로 분산되고, 작용하는 측면압력의 크기가 낮습니다.
스플라인의 종류
- 각형 스플라인
이의 단면이 사각형이고 (스플라인의 홈 수 x 작은지름 × 큰지름)으로 표기합니다. 홈 수의 규격은 ‘6, 8, 10’ 3종으로 짝수-등간격이며, 1형은 경하중, 2형은 중하중용입니다. - 인벌류트 스플라인
이의 측면이 인벌류트 곡선으로 이뿌리의 강도가 높고 각형 스플라인보다 정밀도가 좋습니다. 이의 수는 6~40개 이며 작동시 자동동심이 됩니다. - 세레이션
이의 형상이 삼각형이며, 이의 높이가 낮고 그 수가 많습니다. 축지름이 작은 자동차 핸들 등에 주로 사용됩니다.
스플라인의 회전력 P1
스플라인의 전달토크 T
*접촉효율 η: 0.75(일반적)
*dm: 평균지름(d2-d1/2)
마무리
오늘은 키(Key), 핀(Pin), 코터(Cotter)의 역학과 종류 및 스플라인(Spline)에 대해 알아보았습니다.
키(Key), 핀(Pin), 코터(Cotter)는 기계 요소로서, 주로 회전체와 축을 연결하거나 상대 운동을 방지하는 역할을 합니다.
아래는 요약입니다.
- 키(Key): 축에 기어, 풀리 등을 고정시켜 상대적인 운동을 방지하고, 회전력을 전달합니다. 키는 주로 축 재료보다 단단한 재료를 사용하여 압입 또는 밀착 결합으로 연결됩니다. 키의 주요 응력은 압축응력과 전단응력입니다. 키의 토크 전달과 관련된 공식은 동력 토크, 전단응력 토크, 회전력 토크 등이 있습니다.
- 핀(Pin): 두 개 이상의 부품을 연결하거나 회전 운동을 제한하는 역할을 합니다. 핀은 전단력과 압축력을 받으며, 그에 대한 강도 계산이 필요합니다. 핀의 종류로는 평행핀, 테이퍼핀, 분할핀, 스프링핀 등이 있습니다. 핀은 접촉면압, 전단강도, 굽힘응력 등을 고려해야 합니다.
- 코터(Cotter): 핀의 이탈을 방지하기 위해 사용되는 평판형 쐐기입니다. 코터는 핀 구멍에 끼워져 핀이 빠지지 않도록 고정시키는 역할을 합니다.
- 스플라인(Spline): 축에 끼워지는 보스로서, 토크와 노치효과가 여러 키로 분산되며, 작용하는 측면압력이 낮습니다. 스플라인의 종류로는 각형 스플라인, 인벌류트 스플라인, 세레이션 등이 있습니다. 스플라인은 전달토크와 관련된 접촉효율과 평균지름을 고려해야 합니다.
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