설계실 에어컨이 꺼지면 기계가 잠긴다? 열팽창 여유 설계법

재질별 선팽창계수(강 12×10⁻⁶, 알루미늄 23×10⁻⁶), 열팽창 계산식, 미끄럼 이음·긴 축 설계 적용법

고정밀 기계를 상온에서 완벽하게 조립했는데 장시간 운전 후 축이 잠기거나 소음이 발생하는 경우, 열팽창을 고려하지 않은 것이 원인일 수 있습니다. 기계는 운전 중 항상 뜨거워지고, 재질마다 늘어나는 양이 다릅니다.

1. 재질별 선팽창계수(α)

  • 탄소강(SS400, S45C): α ≈ 12 × 10⁻⁶ /°C
  • 스테인리스강(SUS304): α ≈ 17 × 10⁻⁶ /°C
  • 알루미늄(A6061): α ≈ 23 × 10⁻⁶ /°C
  • 주철(FC200): α ≈ 11 × 10⁻⁶ /°C

2. 열팽창량 계산식

ΔL = α × L₀ × ΔT

  • 예시: 강재 축 1,000mm, 운전 온도 상승 80°C → ΔL = 12×10⁻⁶ × 1000 × 80 = 0.96mm 팽창
  • 알루미늄 하우징 500mm, 동일 조건 → ΔL = 23×10⁻⁶ × 500 × 80 = 0.92mm

3. 이종 재질 조합의 함정

강 축을 알루미늄 하우징에 끼울 때, 두 재질의 팽창량 차이가 문제입니다.

  • 알루미늄이 더 많이 팽창: 운전 중 알루미늄이 강보다 더 늘어나므로, 헐거운 끼워맞춤으로 설계해도 고온에서 더 헐거워집니다. 반대로 냉각 시 조여집니다.
  • 실무 팁: 이종 재질 끼워맞춤은 최고/최저 운전 온도에서의 간극을 별도로 계산해 양 극단 모두 기능하는지 확인하세요.

4. 긴 축과 미끄럼 이음 설계

  • 긴 축(1m 이상): 한쪽 베어링은 고정(Locating), 반대쪽은 자유단(Floating)으로 설계해 열팽창을 흡수합니다. 양쪽을 모두 고정하면 축이 좌굴됩니다.
  • 배관: 팽창 이음(Expansion Joint)이나 루프 배관을 통해 길이 변화를 흡수합니다. 1m당 강관 약 1.0mm, SUS관 약 1.4mm 팽창(ΔT=80°C 기준).
💡 사수의 한마디
"'설계 온도'라는 단어를 도면에 명기하는 습관을 가지세요. 상온 조립 + 고온 운전 기계는 치수 기준 온도가 무엇인지 명확히 해야 합니다. 그리고 긴 구조물은 반드시 '한쪽은 고정, 한쪽은 자유단'의 원칙을 지키세요."
이 사이트를 북마크에 추가하세요!
PC: Ctrl + D
모바일: 브라우저 메뉴 → 북마크 추가