샤프트축은 기계 시스템에서 매우 중요한 구성 요소로, 모든 동력 전달 요소를 지지하는 동시에 토크를 전달하고 굽힘 모멘트를 지탱하는 핵심적인 역할을 합니다. 축 설계 시에는 개별적인 특성뿐만 아니라 전체 축 시스템 구조와의 통합 또한 고려해야 합니다. 운동 및 동력 전달 과정에서 발생하는 하중 유형에 따라 축은 스핀들, 구동축, 회전축으로 분류할 수 있습니다. 또한 축의 형상에 따라 직선축, 편심축, 크랭크축, 플렉시블축으로 분류할 수도 있습니다.
스핀들
1. 고정 스핀들
이러한 유형의 스핀들은 정지 상태에서 굽힘 모멘트만 받습니다. 간단한 구조와 뛰어난 강성 덕분에 자전거 차축과 같은 용도에 이상적입니다.
2. 회전축
고정된 축과 달리 회전하는 축은 움직이는 동안 굽힘 모멘트를 받습니다. 이러한 축은 기차 바퀴 차축에서 흔히 볼 수 있습니다.
구동축
구동축은 토크를 전달하도록 설계되었으며, 높은 회전 속도 때문에 일반적으로 길이가 깁니다. 원심력으로 인한 심한 진동을 방지하기 위해 구동축의 질량은 원주를 따라 고르게 분포됩니다. 최신 구동축은 종종 중공 구조를 채택하는데, 이는 속이 꽉 찬 축에 비해 더 높은 임계 속도를 제공하여 안전성을 높이고 재료 효율성을 향상시킵니다. 예를 들어, 자동차 구동축은 일반적으로 균일한 두께의 강판으로 제작되는 반면, 대형 차량에는 이음매 없는 강관이 사용되는 경우가 많습니다.
회전축
회전축은 굽힘 모멘트와 비틀림 모멘트를 모두 견뎌야 한다는 점에서 독특하며, 이러한 특성 때문에 기계 장비에서 가장 흔하게 사용되는 부품 중 하나입니다.
직선형 샤프트
직선형 샤프트는 축이 직선으로 뻗어 있으며, 광학형 샤프트와 계단형 샤프트로 분류할 수 있습니다. 직선형 샤프트는 일반적으로 속이 비어 있지만, 강성과 비틀림 안정성을 유지하면서 무게를 줄이기 위해 속이 비어 있는 형태로 설계할 수도 있습니다.
1. 광학 샤프트
모양이 단순하고 제조가 용이한 이 축은 주로 동력 전달에 사용됩니다.
2. 계단형 샤프트
세로 단면이 계단식으로 된 축을 계단형 축이라고 합니다. 이러한 설계는 부품의 설치 및 위치 조정을 용이하게 하여 하중 분산 효율을 높입니다. 계단형 축은 균일한 강도를 가진 보와 유사한 형태를 가지고 있지만, 응력 집중점이 여러 곳에 존재합니다. 이러한 특성 때문에 계단형 축은 다양한 동력 전달 장치에 널리 사용됩니다.
3.캠축
캠축은 피스톤 엔진에서 매우 중요한 부품입니다. 4행정 엔진에서 캠축은 일반적으로 크랭크축 회전 속도의 절반으로 작동하지만, 여전히 높은 회전 속도를 유지해야 하며 상당한 토크를 견뎌야 합니다. 따라서 캠축 설계는 강도와 지지력에 있어 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.
캠축은 일반적으로 특수 주철로 만들어지지만, 내구성을 높이기 위해 단조 재료로 제작되는 경우도 있습니다. 캠축의 설계는 엔진 전체 구조에서 매우 중요한 역할을 합니다.
4. 스플라인 샤프트
스플라인 샤프트는 표면에 세로 방향으로 홈이 파여 있는 독특한 모양 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 이 홈을 통해 샤프트에 장착된 회전 부품들이 동기화된 회전을 유지할 수 있습니다. 스플라인 샤프트는 회전 기능 외에도 축 방향 움직임도 가능하게 하며, 일부 설계에서는 제동 및 조향 시스템에 사용되는 안정적인 잠금 메커니즘을 통합하기도 합니다.
또 다른 변형으로는 내관과 외관으로 구성된 텔레스코픽 샤프트가 있습니다. 외관에는 내부 톱니가 있고, 내관에는 외부 톱니가 있어 두 튜브가 매끄럽게 결합됩니다. 이러한 설계는 회전 토크를 전달할 뿐만 아니라 길이를 늘리고 줄일 수 있어 변속기 기어 변속 메커니즘에 사용하기에 이상적입니다.
5. 기어 샤프트
기어의 디덴덤 원에서 키홈 바닥까지의 거리가 최소화될 때, 기어와 축은 기어 샤프트라고 하는 단일 장치로 통합됩니다. 이 기계 부품은 회전 부품을 지지하고 회전 부품과 함께 작동하여 운동, 토크 또는 굽힘 모멘트를 전달합니다.
6.웜 샤프트
웜 샤프트는 일반적으로 웜과 샤프트가 통합된 단일 장치로 구성됩니다.
7. 속이 빈 샤프트
중심부가 비어 있는 형태로 설계된 축을 중공축이라고 합니다. 토크를 전달할 때 중공축의 바깥쪽 층은 가장 높은 전단 응력을 받게 되므로 재료를 더욱 효율적으로 사용할 수 있습니다. 중공축과 속이 찬 축의 굽힘 모멘트가 동일한 조건에서 중공축은 성능 저하 없이 무게를 크게 줄일 수 있습니다.
크랭크 샤프트
크랭크축은 엔진의 핵심 부품으로, 일반적으로 탄소 구조용강이나 연성 주철로 만들어집니다. 크랭크축은 크게 메인 저널과 커넥팅 로드 저널 두 부분으로 구성됩니다. 메인 저널은 엔진 블록에 장착되고, 커넥팅 로드 저널은 커넥팅 로드의 큰 쪽 끝에 연결됩니다. 커넥팅 로드의 작은 쪽 끝은 실린더 내부의 피스톤에 연결되어 전형적인 크랭크-슬라이더 메커니즘을 형성합니다.
편심축
편심축은 축이 중심과 일치하지 않는 축으로 정의됩니다. 주로 부품의 회전을 전달하는 일반적인 축과는 달리, 편심축은 회전과 공전을 모두 전달할 수 있습니다. 축 사이의 중심 거리를 조정하기 위해 편심축은 V벨트 구동 시스템과 같은 평면 링크 메커니즘에 일반적으로 사용됩니다.
유연 샤프트
플렉시블 샤프트는 주로 토크와 운동을 전달하도록 설계되었습니다. 굽힘 강성이 비틀림 강성에 비해 현저히 낮기 때문에 플렉시블 샤프트는 다양한 장애물을 쉽게 우회할 수 있어 주 동력원과 작업 기계 사이의 장거리 동력 전달을 가능하게 합니다.
이러한 축은 추가적인 중간 전달 장치 없이 상대적인 움직임을 갖는 두 축 사이의 동력 전달을 용이하게 하여 장거리 응용 분야에 이상적입니다. 간단한 설계와 저렴한 비용 덕분에 다양한 기계 시스템에서 널리 사용됩니다. 또한, 유연한 축은 충격과 진동을 흡수하여 전반적인 성능을 향상시킵니다.
일반적인 응용 분야로는 휴대용 전동 공구, 공작 기계의 특정 변속 시스템, 주행 거리계 및 원격 제어 장치가 있습니다.
1. 파워 타입 플렉시블 샤프트
동력 전달용 플렉시블 샤프트는 연질 샤프트 조인트 끝단에 고정 연결부가 있고, 호스 조인트 내부에 슬라이딩 슬리브가 장착되어 있습니다. 이러한 샤프트는 주로 토크 전달을 위해 설계되었습니다. 동력 전달용 플렉시블 샤프트의 필수 요건은 충분한 비틀림 강성입니다. 일반적으로 이러한 샤프트에는 단방향 전달을 보장하기 위한 역회전 방지 장치가 포함되어 있습니다. 외피는 직경이 더 큰 강선으로 제작되며, 일부 설계에서는 코어 로드가 없어 내마모성과 유연성이 향상됩니다.
2. 제어형 플렉시블 샤프트
제어형 플렉시블 샤프트는 주로 동작 전달을 위해 설계되었습니다. 이러한 샤프트가 전달하는 토크는 주로 와이어 플렉시블 샤프트와 호스 사이에서 발생하는 마찰 토크를 극복하는 데 사용됩니다. 따라서 제어형 플렉시블 샤프트는 낮은 굽힘 강성뿐만 아니라 충분한 비틀림 강성도 갖춰야 합니다. 동력형 플렉시블 샤프트와 비교했을 때, 제어형 플렉시블 샤프트는 코어 로드의 존재, 더 많은 권선층 수, 그리고 더 작은 와이어 직경과 같은 구조적 특징을 가지고 있습니다.
유연축의 구조
일반적으로 플렉시블 샤프트는 와이어 플렉시블 샤프트, 플렉시블 샤프트 조인트, 호스 및 호스 조인트와 같은 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다.
1. 와이어 플렉시블 샤프트
와이어 플렉시블 샤프트는 여러 겹의 강선을 감아 원형 단면을 이루도록 제작됩니다. 각 층은 여러 가닥의 강선이 동시에 감겨 있어 다중 가닥 스프링과 유사한 구조를 갖습니다. 가장 안쪽 층의 강선은 코어 로드를 중심으로 감겨 있으며, 인접한 층들은 서로 반대 방향으로 감겨 있습니다. 이러한 구조는 농기계에 흔히 사용됩니다.
2. 플렉시블 샤프트 조인트
플렉시블 샤프트 조인트는 동력 출력 샤프트와 작동 부품을 연결하도록 설계되었습니다. 연결 방식에는 고정식과 슬라이딩식 두 가지가 있습니다. 고정식은 일반적으로 플렉시블 샤프트의 길이가 짧거나 굽힘 반경이 비교적 일정하게 유지되는 용도에 사용됩니다. 반면, 슬라이딩식은 작동 중 굽힘 반경이 크게 변하는 경우에 사용되며, 호스가 구부러짐에 따라 길이 변화에 대응할 수 있도록 호스 내부의 움직임을 크게 허용합니다.
3. 호스 및 호스 연결부
호스는 보호 덮개라고도 하며, 와이어 플렉시블 샤프트가 외부 부품과 접촉하는 것을 방지하여 작업자의 안전을 확보합니다. 또한 윤활유를 저장하고 먼지 유입을 막는 역할도 합니다. 작동 중에는 호스가 플렉시블 샤프트를 지지하여 조작을 용이하게 합니다. 특히, 동력 전달 시 호스는 플렉시블 샤프트와 함께 회전하지 않으므로 부드럽고 효율적인 작동이 가능합니다.
다양한 종류와 기능을 갖춘 축의 작동 원리를 이해하는 것은 기계 시스템의 최적 성능과 신뢰성을 확보하는 데 매우 중요합니다. 특정 용도에 적합한 축을 선택함으로써 기계의 효율성과 수명을 향상시킬 수 있습니다. 기계 부품 및 그 응용 분야에 대한 더 자세한 정보는 최신 업데이트를 통해 확인하세요!
게시 시간: 2024년 10월 15일
