축 설계

왜 배우는가: 축은 거의 모든 회전 기계의 동력을 전달하고 하중을 지지하는 핵심 요소라, 설계가 잘못되면 피로파손이나 공진으로 설비 전체가 멈춘다. 기계안전기술사 시험에서는 축 설계 고려사항, 축 종류, 안전 측면 고려사항이 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제되므로 개념을 먼저 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제130회 4교시 5번, 제123회 2교시 5번, 제120회 2교시 6번, 제99회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

축은 동력을 전달하거나 회전체를 지지하는 회전 기계요소로, 굽힘·비틀림·축하중을 받으며 강도와 강성, 위험속도를 함께 고려하여 설계한다.

• 핵심 키워드: 동력 전달, 굽힘 모멘트, 비틀림 모멘트, 피로강도, 위험속도, 응력집중, 강성, 진동

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 축은 모터나 엔진의 회전력을 기어, 벨트 풀리, 임펠러 같은 부품으로 옮기고, 그 부품들의 무게를 베어링을 통해 받쳐 주는 봉이다. 회전하면서 여러 하중을 동시에 받기 때문에 한 가지 응력만 계산해서는 안전을 보장할 수 없다.

정식으로는 축을 회전 기계요소로서 일반적으로 원형 단면을 가지며, 한 부분에서 다른 부분으로 동력을 전달하거나 동력을 만드는 기계에서 동력을 흡수하는 기계로 전달하는 부품이라고 정의한다. 축 설계는 이 축이 주어진 하중에서 충분한 강도를 가지고, 필요한 강성을 확보하며, 사용 회전수 범위에서 공진하지 않도록 치수와 재료를 정하는 작업이다.

축 설계에서 기본이 되는 핵심 용어는 다음과 같다.

• 굽힘 모멘트: 기어의 접선력, 벨트의 장력, 자중 등이 축에 굽힘을 일으키는 모멘트다. 축의 굽힘 응력을 만드는 주된 원인이다.
• 비틀림 모멘트: 동력 전달에 필요한 토크다. 축의 전단응력을 만든다. 동력과 회전수로부터 관련 계산식에 따라 비틀림 모멘트를 구한다.
• 피로강도: 회전하는 축은 한 점에서 반복적으로 응력이 반전되므로 정하중 강도보다 낮은 응력에서 파손된다. 설계는 정적 강도가 아니라 피로 기준으로 판단해야 한다.
• 위험속도: 축의 고유진동수와 회전수가 일치하여 공진이 일어나는 회전속도다. 축의 강성, 질량, 지지 조건, 감쇠에 따라 결정된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기의 기계는 축의 강도를 정하중 기준으로만 계산했다. 그러나 회전축은 한 바퀴마다 응력이 한 번씩 반전되기 때문에, 정하중으로 안전해 보이는 축도 장시간 운전 후 피로균열이 생겨 갑자기 끊어지는 사고가 생겼다. 이 문제를 계기로 반복하중 아래의 피로 한도를 고려하는 설계가 필요해졌다.

또 회전 기계가 고속화되면서 축의 공진이 중요한 문제가 되었다. 모든 회전축은 외부 하중이 없어도 회전 중에 처진다. 질량 중심이 회전축과 어긋난 불평형 질량은 특정 회전수에서 공진을 일으키는데, 이 회전수를 위험속도라고 한다. 팬 축처럼 소음과 진동을 피해야 하는 축은 위험속도를 미리 계산해야 한다.

응력집중도 설계 배경의 중요한 이유다. 축의 단이 진 부분, 키홈, 스플라인, 나사부, 기름구멍 같은 기하학적 불연속부는 응력이 주변보다 크게 몰리는 지점이 된다. 가공 자국이나 긁힘 같은 표면 결함도 응력집중의 시작점이 된다. 따라서 축 설계는 단면 치수뿐 아니라 형상과 표면 상태까지 함께 고려해야 한다.

이러한 이유로 현대의 축 설계는 정하중 강도, 피로강도, 강성, 위험속도, 응력집중을 동시에 검토하는 방향으로 발전했다.