모터축이나 감속기 출력축을 살펴보면 축 표면에 길게 홈이 가공되어 있는 경우가 있습니다.
이 홈에 끼워지는 작은 금속 부품이 키(Key)이며, 키를 삽입하는 홈을 키홈(Keyway)이라고 합니다.
키는 크기가 작은 기계요소이지만 모터축과 풀리, 기어, 커플링 사이에서 회전력을 전달하는 중요한 역할을 합니다.
그렇다면 평행키는 어떤 기준으로 선정하고, 축 지름에 따라 키 폭과 높이는 어떻게 결정해야 할까요?
✔ 키 폭과 높이는 기본적으로 축 지름에 따라 선정합니다.
✔ 키 길이는 전달 토크와 허브 길이 등을 고려합니다.
✔ 축 키홈과 허브 키홈의 깊이는 서로 다릅니다.
✔ 키가 있다고 해서 허브의 축방향 이동까지 자동으로 방지되는 것은 아닙니다.
1. 평행키는 왜 사용하는 걸까?
모터축에 풀리나 기어를 끼우기만 하면 축이 회전할 때 허브도 항상 함께 회전할까요?
축과 허브 사이의 마찰력이 충분하지 않으면 부하가 걸렸을 때 서로 미끄러질 수 있습니다.
이때 평행키를 사용하면 축과 허브의 키홈 측면을 통해 회전력을 전달할 수 있습니다.
평행키는 일반적으로 축과 허브 사이의 상대 회전을 방지하고 토크를 전달하는 데 사용됩니다.
다만 키 체결 외에도 클램프 방식, 압입, 스플라인, 테이퍼 부시 등의 방법으로 토크를 전달할 수 있습니다.
2. 평행키의 폭·높이·길이는 무엇을 의미할까?
평행키 규격을 보면 다음과 같이 표기하는 경우가 많습니다.
h : 키 높이(mm)
L : 키 길이(mm)
예시
8 × 7 × 30
폭 8mm, 높이 7mm, 길이 30mm의 평행키를 의미합니다.
키 폭과 높이는 축 지름에 따른 표준 규격을 우선 확인하고, 길이는 허브 길이와 전달 토크, 체결 구조에 맞게 선정합니다.
3. 축 지름별 평행키 규격표
아래 표는 일반적으로 사용되는 DIN 6885-1 계열의 평행키 공칭치수를 정리한 참고표입니다.
축 지름의 경계값은 중요합니다. 예를 들어 축 지름 30mm는 8×7mm 키를 적용하는 구간에 해당합니다.
| 축 지름 d(mm) | 키 폭 b(mm) | 키 높이 h(mm) |
|---|---|---|
| 6 초과 ~ 8 이하 | 2 | 2 |
| 8 초과 ~ 10 이하 | 3 | 3 |
| 10 초과 ~ 12 이하 | 4 | 4 |
| 12 초과 ~ 17 이하 | 5 | 5 |
| 17 초과 ~ 22 이하 | 6 | 6 |
| 22 초과 ~ 30 이하 | 8 | 7 |
| 30 초과 ~ 38 이하 | 10 | 8 |
| 38 초과 ~ 44 이하 | 12 | 8 |
| 44 초과 ~ 50 이하 | 14 | 9 |
| 50 초과 ~ 58 이하 | 16 | 10 |
| 58 초과 ~ 65 이하 | 18 | 11 |
| 65 초과 ~ 75 이하 | 20 | 12 |
※ 위 표는 대표적인 평행키 폭·높이 참고치수입니다. 키홈 깊이, 폭 공차, 키 형상, 모서리 형상, 적용 길이와 세부 공차는 별도 규격 확인이 필요합니다.
4. 축 지름 20mm라면 어떤 키를 사용할까?
실제 설계 예제를 살펴보겠습니다.
축 지름 : Ø20mm
체결 부품 : 풀리
체결 방식 : 평행키 사용
규격표 확인
Ø20mm는 17mm 초과 ~ 22mm 이하 구간입니다.
따라서 기본 키 단면은
여기서 6×6mm는 키의 폭과 높이를 의미합니다.
실제 키 길이는 허브 길이와 전달 토크, 키의 전단 및 면압 조건을 고려해 별도로 선정해야 합니다.
5. 축 키홈과 허브 키홈의 깊이는 왜 다를까?
평행키는 축에만 끼워지는 부품이 아닙니다.
축에 가공된 키홈과 허브 안쪽에 가공된 키홈이 함께 키를 지지합니다.
b : 키 및 키홈의 폭
t1 : 축측 키홈 깊이
t2 : 허브측 키홈 깊이
h : 키 높이
키홈은 키가 정확히 들어가면서 토크를 전달할 수 있도록 규격에 맞게 가공해야 합니다.
축측 키홈 깊이와 허브측 키홈 깊이는 반드시 같은 값으로 설계하는 것이 아닙니다.
또한 조립 후 키의 윗면과 허브 키홈 바닥 사이에는 규격 및 설계 조건에 따른 여유가 필요할 수 있습니다.
키 높이가 6mm라고 해서 축 키홈을 무조건 3mm, 허브 키홈을 무조건 3mm로 가공하는 것은 아닙니다.
축측 t1과 허브측 t2는 적용 규격의 치수표를 확인해야 합니다.
6. 평행키는 어떻게 토크를 전달할까?
평행키는 주로 키의 측면을 통해 축과 허브 사이의 접선방향 힘을 전달합니다.
축에 토크가 발생하면 키 측면에 힘이 작용하고, 이 힘이 허브로 전달되면서 함께 회전하게 됩니다.
기본적인 접선방향 힘은 다음과 같이 근사할 수 있습니다.
T : 전달 토크(N·mm)
d : 축 지름(mm)
예를 들어 축 지름이 20mm이고 전달 토크가 10N·m라면, 토크를 N·mm 단위로 환산해야 합니다.
F = 2 × 10,000 ÷ 20
F = 1,000N
이 값은 키에 작용하는 접선방향 힘을 단순화하여 계산한 결과입니다.
실제 키의 안전성을 판단하려면 키 길이, 유효 접촉 높이, 재질, 하중 조건 등을 고려해 전단응력과 면압을 검토해야 합니다.
7. 평행키 길이는 어떻게 선정할까?
키의 폭과 높이는 축 지름을 기준으로 표준 치수를 선정하지만, 길이는 허브의 길이와 전달 토크 등을 고려해야 합니다.
키 길이가 너무 짧으면 토크 전달에 필요한 접촉 면적이 부족할 수 있습니다.
반대로 키 길이를 무조건 길게 한다고 모든 문제가 해결되는 것도 아닙니다.
✔ 허브의 실제 길이
✔ 전달해야 하는 최대 토크
✔ 키의 전단 강도
✔ 키와 허브의 접촉 면압
✔ 반복하중과 충격하중
✔ 키 끝단 형상과 유효 길이
특히 충격하중이나 반복적인 정·역회전이 발생하는 장비라면 키와 키홈의 마모 및 피로도 함께 검토해야 합니다.
8. 키홈 가공 시 주의해야 할 점
키홈은 축이나 허브에 재료를 제거하여 만드는 구조입니다.
따라서 키홈을 가공하면 해당 부위의 단면이 감소하고 응력집중이 발생할 수 있습니다.
❌ 키홈 깊이를 임의로 결정
❌ 키홈 모서리와 끝단 형상 무시
❌ 축 강도 저하를 검토하지 않음
❌ 키 길이와 허브 길이 불일치
❌ 키 체결만으로 축방향 이탈이 방지된다고 생각함
특히 고속 회전축이나 반복적인 충격이 발생하는 축에서는 키홈의 응력집중과 피로강도를 함께 검토하는 것이 중요합니다.
9. 키가 있으면 풀리가 축에서 빠지지 않을까?
평행키는 기본적으로 축과 허브 사이에서 회전력을 전달하기 위한 부품입니다.
일반적인 평행키 체결만으로 풀리나 기어의 축방향 이동이 완전히 방지되는 것은 아닙니다.
따라서 필요에 따라 별도의 축방향 고정 구조를 적용해야 합니다.
✔ 축용 스냅링
✔ 축 끝단 와셔 및 볼트
✔ 축 어깨부와 고정너트
✔ 적절한 클램프 구조
✔ 별도 축방향 고정장치
세트스크루를 사용하는 구조도 있지만 허브의 축방향 고정 성능은 체결력과 하중 조건에 따라 달라집니다.
10. 평행키 대신 사용할 수 있는 체결 방식
모든 회전축에 반드시 평행키를 사용해야 하는 것은 아닙니다.
기계의 회전수, 토크, 정밀도, 조립성에 따라 다른 체결 방식을 선택할 수 있습니다.
| 체결 방식 | 특징 |
|---|---|
| 평행키 | 키 측면을 통한 토크 전달 |
| 클램프 체결 | 마찰력을 이용한 축 고정 |
| 스플라인 | 여러 치형으로 토크 전달 |
| 압입 체결 | 끼워맞춤 간섭과 접촉압 이용 |
| 테이퍼 부시 | 테이퍼 구조로 체결력 확보 |
특히 서보모터와 정밀 구동장치에서는 백래시와 회전 정밀도, 축 체결 강성 등을 고려해 체결 방식을 선정해야 합니다.
11. 자주 묻는 질문
Q. 축 지름 25mm에는 어떤 평행키를 사용하나요?
일반적인 DIN 6885-1 계열의 평행키 단면 규격을 기준으로 하면 축 지름 25mm에는 폭 8mm, 높이 7mm의 평행키가 해당합니다.
다만 키 길이와 키홈 치수는 별도로 확인해야 합니다.
Q. 축 지름 30mm에는 10×8 키를 사용하나요?
일반적인 규격 구간에서는 축 지름 30mm가 8×7mm 키의 적용 범위에 포함됩니다.
10×8mm 키는 일반적으로 30mm 초과 축 지름 구간에 해당합니다.
Q. 키홈 깊이는 키 높이의 절반인가요?
반드시 그렇지는 않습니다.
축측 키홈 깊이와 허브측 키홈 깊이는 표준 규격에 따라 확인해야 합니다.
Q. 평행키 없이 풀리를 고정할 수 있나요?
가능합니다.
클램프 체결, 테이퍼 부시, 압입 등의 방식으로 축과 허브를 연결할 수 있습니다.
다만 필요한 전달 토크와 축방향 고정 조건을 충족하는지 검토해야 합니다.
Q. 키가 자꾸 헐거워지는 이유는 무엇인가요?
키와 키홈의 폭 공차가 맞지 않거나, 반복적인 충격과 정·역회전으로 인해 접촉면이 마모되었을 가능성이 있습니다.
키홈의 변형과 허브 체결 상태도 함께 확인하는 것이 좋습니다.
Q. 키가 파손되면 키만 교체하면 되나요?
키 파손 원인을 먼저 확인해야 합니다.
과도한 토크나 충격하중, 키 길이 부족, 키홈 마모 등이 원인일 수 있습니다.
축과 허브의 키홈이 손상되었다면 키만 교체해도 문제가 반복될 수 있습니다.
12. 핵심 정리
✔ 키 폭과 높이는 축 지름별 규격 확인
✔ 키 길이는 전달 토크와 허브 길이 고려
✔ 축측·허브측 키홈 깊이 구분
✔ 키홈 공차와 가공 정밀도 확인
✔ 축방향 이탈 방지는 별도 구조 검토
✔ 반복하중과 충격하중에 대한 강도 검토
평행키는 단순한 사각 금속 부품처럼 보이지만 기계의 동력 전달과 직결되는 중요한 부품입니다.
따라서 축 지름에 맞는 키 단면을 선정한 후 전달 토크, 키 길이, 키홈 가공 치수, 축 강도와 허브 고정 구조까지 함께 검토해야 합니다.
특히 제작도면을 작성할 때는 단순히 키의 폭과 높이만 기입하지 말고 적용 규격, 키홈 공차, 축측·허브측 깊이와 체결 조건을 명확하게 지정하는 것이 중요합니다.
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