축(Shaft) 설계의 3가지 함정 — 단차, 키홈, 응력 집중
단차 비율과 필렛 반경, 키홈 위치와 응력 집중, 베어링 어깨 높이, 재료 선택
축은 기계의 척추입니다. 하지만 CAD에서 뚝딱뚝딱 단을 만들고 키홈을 파다 보면, 응력 집중이 생기는 최악의 설계가 될 수 있습니다. 실제 피로 파손의 상당수가 단차부와 키홈에서 발생합니다.
1. 단차(Step)에서의 응력 집중
- 단차비(D/d): 큰 직경과 작은 직경의 비율. 이 값이 클수록 응력 집중이 심해집니다. 가급적 D/d ≤ 1.5를 유지하세요.
- 필렛 반경(r): 단차부에 반드시 라운드(R)를 주어야 합니다. r/d ≥ 0.1 이 기준. M8 구간(d=30mm)이라면 R3 이상.
- 언더컷(Undercut) 금지: 연삭 여유를 위해 언더컷을 파는 경우 응력 집중이 극심해집니다. 불가피하다면 아크 언더컷(R≥1mm)을 사용하세요.
2. 키홈의 응력 집중
- 키홈은 단면을 약화시키고 응력 집중 계수(Kt)를 1.6~3.0까지 올립니다.
- 위치: 가능하면 베어링 지지부나 단차부에서 멀리 배치하세요. 최소한 축 지름 만큼 떨어진 위치에 둡니다.
- 끝단 처리: 키홈 끝에 반드시 엔드밀 가공 R이 생깁니다. 이 R을 크게 설계(키홈 폭의 0.5배 이상)할수록 응력 집중이 줄어듭니다.
- 대안: 고하중·반복 하중에는 키홈 대신 스플라인이나 세레이션을 고려하세요.
3. 베어링 어깨(Shoulder) 설계
- 베어링을 축에 위치시키기 위한 어깨 높이는 베어링 내경의 3~5%가 적정합니다.
- 너무 높으면: 베어링 교체 시 인발력이 커지고, 필렛 R이 작아져 응력 집중 증가.
- 너무 낮으면: 베어링이 축하중을 받을 때 어깨가 쉽게 눌립니다.
- 실무 팁: 어깨 높이(h) = 베어링 모깎기(r₁) + 여유 1mm 이상. 즉 축 어깨의 R은 베어링 내경 챔퍼 크기보다 반드시 작아야 합니다.
4. 재료 선택
- 일반 동력전달 축: S45C (열처리 후 HRC 28~32)
- 고정밀·고강도: SCM435, SCM440 (침탄/질화 가능)
- 내식 필요: SUS420J2 (마르텐사이트계), SUS316 (비자성)
💡 사수의 한마디
"축이 부러지는 곳은 99%가 키홈 끝이나 단차부입니다. 도면 검토 때 이 두 곳에 R이 제대로 표시됐는지 반드시 확인하세요. 'Sharp'라고 적힌 단차부가 있다면 즉시 빨간 줄 긋고 수정 요청하세요."
"축이 부러지는 곳은 99%가 키홈 끝이나 단차부입니다. 도면 검토 때 이 두 곳에 R이 제대로 표시됐는지 반드시 확인하세요. 'Sharp'라고 적힌 단차부가 있다면 즉시 빨간 줄 긋고 수정 요청하세요."