기계 설계: 공차, 축과 키(1)

도면에 기입된 치수는 설계에 의해 얻은 것으로 기본치수 혹은 호칭치수라고 한다. 그런데, 실제 가공되어 나온 제품의 치수는 가공정밀도에 따라 다르기 때문에 기본치수와 차이가 나게 된다. 이 기본치수와 가공 치수의 차이를 오차라 하며, 제품의 가공에 편리하도록 이 오차의 허용범위를 정하여 그 안에 제품의 치수가 들어가도록 한계치수를 정하여야 한다. 제품에서 한계치수의 최댓값과 최솟값의 차이를 공차라 하며 이는 제품을 기본치수로 다듬질할 때 허용되는 오차이다. 공차의 크기는 요소의 형상과 기능에 따라 적절한 치수 정밀도를 지정함으로써 정해진다. ISO에서는 제품의 정밀도에 따라 치수공차를 01급, 0급, 1~16급까지 18등급으로 나누어 각 치수의 구분에 대한 공차(이를 IT 기본공차라 한다)를 규정하였고, 01~4급까지는 주로 게이지류에, 5~10급까지는 끼워맞춤 부분에, 11~16급까지는 끼워맞춤을 하지 않는 부분의 공차로 적용하도록 하였다. 

일반적으로 조립되는 두 개의 기계 부품을 제작할 때 지정된 방식을 책하면, 개개의 부품을 각각 다른 장소에서 만들어졌다 하더라도 다시 다듬질하지 않고 쉽게 꿰맞출 수 있다. 그런데 두 부품을 꿰맞출 때 두 부품 사기에 치수 차이가 생기게 된다. 예를 들면, 축을 구멍에 끼울 경우에 구멍이 크고 축이 작아서 헐겁게 꿰맞춰지는 치수 차이를 틈새(clearance)라 하고, 구멍이 작고 축이 커서 억지로 꿰맞춰지는 치수 차이를 죈 새(interference)가 한다. 끼워맞춤의 종류에는 다음과 같이 세종류 (헐거운, 억지, 중간)의 끼워맞춤이 있다. 틈새가 있는 끼워맞춤으로 구멍의 최소 치수가 축의 최대 치수보다 크다. 죈 새가 있는 끼워맞춤으로 축의 최소치수가 구멍의 최대치수보다 크다. 틈새와 죈 새가 같이 생기는 끼워맞춤이다. 끼워맞춤의 방식은 꿰맞춰지는 부품을 가공할 경우, 구멍 또는 축 중에서 어느 한쪽의 공차 역과 정밀도를 정하여 가공한 후에 그것을 기준으로 하여 다른 쪽을 원하는 끼워맞춤의 종류에 따라 공차 역과 정밀도를 정하는 것을 말한다. 끼워 맞춤의 기준은 구멍 기준방식과 축 기준방식이 있다. 구멍의 공차 역을 H(H5~H10)로 정하고, 필요한 죔세 또는 틈새에 따라 구멍에 꿰맞출 각종 축의 공차 역을 정한다. 일정한 공차의 구멍에 대하여 축의 공차를 다양하게 주는 것이다. 즉, 구멍의 아래 치수가 허용차가 0인 끼워맞춤 방식이다. 축의 공차 역을 h(h4~h9)로 정하고 죔세 또는 틈새에 따라 축에 꿰맞출 각종 구멍의 공차 역을 정한다. 일정한 공차의 축에 대하여 구멍의 공차를 다양하게 주는 것이다. 즉, 축의 위 치수허용차가 0인 끼워맞춤 방식이다. 일반적으로 같은 등급의 공차를 가진 구멍과 축을 꿰맞추는 경우에 내면보다 축의 외면을 가공하기 쉽고, 가공된 것을 측정하기도 쉽다. 그러므로 구멍의 크기를 일정하게 해 놓고 축의 바깥지름으로 끼워 맞춤 정밀도를 조절하는 것이 경제적이다. 일반적으로 가공하기 어려운 부품의 치수를 기준으로 하고, 가공하기 쉬운 부품의 치수를 조절하여 공차 역 등급을 선택한다. 이런 이유로 부품을 가공하는 기준으로 구멍 기준 방식이 많이 채택된다. 

축은 베어링에 의해 지지가 되어서 회전에 의해 동력을 전달하는 기계요소로 용도에 따라 분류된다. 

차축(axle) : 자동차나 기차에서 회전하지 않고 차체와 승객이나 화물의 중량을 차륜(wheel)에 전하는 축이다. 차체의 중량을 받는 위치와 차륜의 위치가 다르기 때문에 축은 굽힌 모멘트를 받는다. 
전도 축(transmission shaft) : 자동차의 클러치에서 차동기어까지의 중간축과 같이 회전에 의해 동력을 전하는 축으로 주로 회전저항에 의한 비틀림 모멘트를 받지만 비틀림과 굽힘을 동기에 받는 경우도 있다. 일반기계의 전동축은 길기 때문에 비틀림 강도와 진동에 주의해야 한다. 
스핀들(spindle) : 선반, 밀링머신 등의 공작기계의 주축과 같이 비틀림 모멘트와 굽힘 모멘트를 동기에 받는 축으로 높은 정밀도가 요구되므로 강도가 충분하고 변형이 적어야 한다.
프로펠러축(propeller shaft) : 선반의 원동축이나 항공기의 프로펠러축과 같이 주로 비틀림 모멘트와 축 방향의 힘이 서러 시트를 동시에 받는 축의 로스 리스트가 축선과 일치하지 않으면 굽힌 모멘트에 의해 궁둥뼈 현상이 생길 수 있다. 
그 랭크 축(crank shaft) : 자동차 엔진 축과 같이 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 축으로 굽힌 모멘트와 비틀림 모멘트가 동시에 작용하고 거기에다 충격하중이 작용하므로 설계 시 주의를 필요로 한다. 

또한 축의 단면 모양에 따라 원형 축, 사각 축, 육각축, 등이 있으나 일반적으로 사용되는 것은 원형 축이며, 이에는 중 실축과 중공축이 있다. 축은 반복하중과 회전 굽힘하중을 받을 경우가 많기 때문에 인성이 크고 강도가 놓은 재료가 필요하다. 차축이나 일반 축의 재료는 기계구조용 탄소강인 SM35C ~ SM 40C 등을 열처리하여 사용하고 있다. 그러나 큰 하중이나 고속 회전을 하는 크랭크축, 프로펠러축, 터빈 축 등은 SM45C, SM 50C 등의 기계 구조용강이나 Ni, Cr, Mo 등이 들어있는 합금강을 열처리하여 사용하고 있다. 축을 설계할 때 고려할 사항은 다음과 같다. 



강도(strength) : 축에 작용하는 하중에 의하여 파손되지 않도록 충분한 강도를 가지게 해야 한다. 특히 변동하중과 충격하중이 동시에 작용하는 경우도 많고, 축 지름이 변화하는 곳(키 홈, 단이 있는 축 등)에 집중응력이 발생하기 때문에 모서리 부분에는 큰 둥근 새가 있어야 하며 피로 파손에 주의해야 한다. 
강성(rigidity) : 축의 굽힘과 비틀림의 양이 허용범위를 넘어서면 베어링의 이상 마멸과 기어 물림에 무리가 생기므로 변형이 최소화되도록 해야 한다. 
진동(vibration) : 굽힘과 비틀림이 축에 생기면 그 복원력 때문에 진동이 발생한다. 이진 동의 고유진동 주기인 위험속도와 축의 회전속도가 같으면 공진현상이 생겨서 축이 파괴된다. 그러므로 축의 회전속도를 그 위험속도에서 충분히 벗어나도록 해야 한다.
부식(corrosion) : 펌프나 선박의 프로펠러축과 같이 항상 액체 속에 있는 축은 부식되는 경우가 많으므로 축 재료의 선택에 주의하여야 한다.