키 및 키홈 설계 (Key and Keyway Design)
쉽게 풀면
축에 기어나 풀리를 끼우기만 하면 헛돌 수 있기 때문에, 축과 부품 사이에 작은 쐐기 모양의 부품인 키를 끼워 넣어 함께 돌도록 고정합니다. 이때 키가 들어갈 홈을 축과 부품 양쪽에 정확한 크기로 파야 하는데, 이 홈이 바로 키홈입니다. 키 및 키홈 설계는 이 키와 홈의 크기, 길이, 형상을 회전력에 맞게 정하는 작업으로, 너무 작으면 키가 부러지고 너무 크면 축이 약해집니다.
왜 중요한가
키와 키홈은 동력전달계에서 축과 회전체를 연결하는 가장 흔한 방식이지만, 동시에 응력이 집중되는 대표적인 취약 부위이기도 합니다. 기계설계 논문에서는 키홈 형상 변화에 따른 응력집중과 피로수명의 관계를 분석하는 주제로 자주 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
전달해야 할 토크로부터 필요한 키의 크기를 검증하는 절차를 설명하는 문장입니다.
키홈 형상의 세부 설계가 피로강도에 미치는 영향을 다루는 연구를 나타내는 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
키는 형태에 따라 평행키, 반달키, 스플라인 등으로 구분되며, 각각 전달 가능한 토크와 조립 특성이 다릅니다. 키홈은 응력집중이 발생하기 쉬운 부위이므로, 모서리 라운드 처리나 홈 위치 선정을 통해 응력집중계수를 낮추는 설계가 일반적으로 권장됩니다. 동일한 축 지름이라도 토크가 매우 큰 경우에는 하나의 평행키 대신 두 개의 키를 서로 다른 위치에 배치하거나 스플라인 결합으로 전환해 접촉면적을 늘리는 방식이 사용되며, 스플라인은 다수의 이가 균등하게 하중을 분담해 단일 키보다 큰 토크를 전달할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 평행키 가운데 보스가 축 방향으로 미끄러지도록 틈새를 준 미끄럼키(페더키)는 슬라이딩 기어처럼 축 방향 이동이 필요한 경우에 사용되는 반면, 반달키는 키홈 안에서 기울어 보스 홈에 자동으로 맞춰져 테이퍼축 조립이 간편하지만 키홈이 깊어 축 강도를 떨어뜨리므로 큰 토크를 전달하기에는 상대적으로 불리한 것으로 알려져 있습니다.
주의할 점
표준 규격에 맞지 않는 임의의 키홈 치수는 부품 호환성과 안전성 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한 키홈 부위는 축의 강도 계산에서 반드시 별도로 검토해야 하는 취약 단면입니다.