개념 한 쪽
키와 와셔, 나사 등 결합용 기계요소는 축과 부품 사이의 힘 전달과 체결 유지 역할을 수행한다. 각 요소는 작동 원리와 한계가 명확하므로 용도에 따라 적절히 선택하고 강도 계산을 통해 치수를 정해야 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「키, 핀, 코터」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 나사 특성 식 유도 | 1 | 나사의 입력·출력 일률 관계에서 효율 식을 유도하는 법칙을 묻는다 |
| 키 길이 계산 | 1 | 주어진 토크와 허용 전단응력으로 키의 길이를 계산하는 절차를 묻는다 |
| 나사형 비교 특징 판단 | 1 | 3각 나사와 4각 나사의 마찰 특성과 용도를 구분하는 능력을 묻는다 |
와셔(washer)는 볼트나 너트 아래에 끼워 사용하며 지지면적을 넓혀 국부 압축을 분산시키고, 지지재료가 약할 때 파손을 방지하며, 진동이나 회전으로 인한 너트의 풀림을 방지하는 목적을 가진다. 다만 와셔는 볼트가 받는 전단응력을 줄이는 기능을 제공하지 못하므로 전단강도 문제는 별도로 검토해야 한다.
키(Key)는 축과 보스(기어 등)를 연결하여 회전력을 전달하는 부재로, 가공 방식과 결합 형태에 따라 전달능력이 달라진다. 안장 키는 축에 홈을 내지 않고 보스에만 홈을 파 마찰로 전달하므로 축 손상은 적지만 마찰력 의존으로 큰 토크 전달에는 부적합하다. 평키 등은 축과 보스 모두에 키홈을 가공하여 기계적으로 맞물리므로 큰 힘 전달에 적합하다.
나사의 효율은 입력 일률 대비 출력 일률의 비로 정의한다. 회전력이 유효지름의 원주를 한 바퀴 돌릴 때 하는 입력 일률이고, 축하중이 피치만큼 들어 올리는 일이 출력 일률이다. 마찰이 없는 이상적인 경우 입력과 출력의 일률 관계로 식을 세울 수 있다.
결합요소의 설계 문제는 목적(체결, 이송, 정밀 이송)과 물리적 한계(마찰, 전단응력, 허용압력 등)를 구분하여 접근해야 한다. 용도에 맞는 요소 선택과 강도·길이·효율 계산을 통해 안전하고 적절한 설계를 수행해야 한다.
대표 계산 1 — 키의 필요 길이 계산 예시: 문제 재료: 토크 96 kgf·m, 축 지름 50 mm(반지름 25 mm), 키 폭 12 mm, 허용 전단응력 800 kgf/cm²로 가정한다. 1) 토크 T를 cm 단위로 변환하면 T = 96 kgf·m = 9600 kgf·cm이다. 2) 축 반지름 r = 25 mm = 2.5 cm 이므로 축에서 생기는 전단력 F = T / r = 9600 / 2.5 = 3840 kgf이다. 3) 키의 전단 면적 A는 폭 b(12 mm = 1.2 cm) × 길이 l 이므로 l = F / (τ_allow × b) = 3840 / (800 × 1.2) = 4 cm = 40 mm가 된다. 따라서 필요 키 길이는 약 40 mm가 되어 보기에 해당 값을 선택해야 한다.
대표 계산 2 — 나사 효율의 관계식 유도 예시: 나사의 입력 일률은 회전력 P0에 의한 일률로, 한 바퀴 돌릴 때 입력 일은 P0 × 원주 = P0 × 2πd2이다. 출력 일률은 축하중 Q가 피치 p만큼 이동할 때의 일률 Q × p이다. 마찰이 없고 효율 100%라면 입력과 출력이 같으므로 2πd2P0 = Qp 관계가 성립한다. 효율을 일반적으로 정의하면 효율 = 출력/입력 = Qp / (2πd2P0)가 된다.
4각 나사와 비교한 3각 나사의 일반적인 특징으로 틀린것은?
정답 ③ · 3각 나사(삼각나사)는 4각 나사(사각나사)에 비해 나사산의 마찰면적이 넓어 마찰계수가 큽니다. 마찰계수가 크기 때문에 자립(Self-lock) 작용이 확실하여 체결용(볼트, 너트 등)으로 매우 적합합니다.
3각 나사는 마찰면적이 넓어 마찰계수가 크므로, 마찰계수가 작다는 설명이 틀렸다.
96㎏f-m 의 토크를 전달하는 지름 50 ㎜ 인 축에 사용할 묻힘 키의 폭과 높이가 12 ㎜ x 8 ㎜ 일 때 다음 중 키의 길이로 가장 적합한 것은? (단, 키의 전단응력 만으로 계산하고 키의 허용 전단응력은 800㎏f/cm² 이다.)
정답 ② · 문제는 주어진 토크를 전달하기 위한 키의 길이를 키의 전단응력 한 가지만으로 계산하라는 것이다. 토크 T를 축 반지름 r로 나누어 전단력 F=T/r을 구하고, 키의 전단면적 A(폭×길이)에 허용 전단응력 τ_allow를 곱해 견딜 수 있는 전단력을 계산하면 길이를 구할 수 있다.
토크를 전단력으로 변환한 후, 키의 전단 면적(폭×길이)과 허용 전단응력을 이용해 필요한 키의 길이를 계산해야 한다.
나사면에 마찰이 전혀 없다고 가정하여 나사의 효율을 구하는 식으로 맞는 것은? (단, d1은 골지름, d2 는 유효지름, Q 는 축하중, p 는 피치, P0 는 회전력)
정답 ① · 문제는 마찰이 없을 때 나사의 효율 관계식을 묻고 있다. 에너지 관점에서 입력 일률은 회전력에 의한 일률로 2πd2P0(회전력 P0가 반지름 d2/2에서 한 바퀴 도는 동안 하는 일), 출력 일률은 축하중 Q가 피치 p만큼 이동할 때의 일률 Qp가 된다.
나사 효율은 일률(힘×속도)의 비로, 입력 일률 2πd2P0와 출력 일률 Qp의 비율이다.
승강기기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.