키(Key)는 회전하는 부품을 축(shaft)에 고정시키기 위해 사용되는 기계요소이다. 일반적으로 직사각형 또는 사각형 단면을 가지며, 축과 부품(예: 기어, 풀리, 베어링 등)의 키웨이(keyway)라고 불리는 홈에 삽입되어 토크를 전달한다. 키는 회전 부품과 축 사이에 전단(stress)과 압축(bearing) 하중을 동시에 담당함으로써, 두 부품이 회전하면서도 상대적인 위치를 유지하도록 한다.
1. 정의 및 기능
- 정의: 축과 회전 부품 사이에 삽입되어 두 부품을 기계적으로 결합하고 토크를 전달하는 금속 부품.
- 주요 기능
- 토크 전달: 전단 응력에 의해 회전력 전달.
- 축방향 위치 고정: 압축 응력에 의해 부품의 축방향 이동 방지.
- 조립·분해 용이: 비교적 간단한 형태로 조립·분해가 가능.
2. 종류
| 구분 | 형태 | 특징 | 적용 예 |
|---|---|---|---|
| 평키(Parallel key) | 직사각형 단면, 전체 길이가 같은 형태 | 가장 일반적이며, 표준화된 치수 사용 | 기어, 풀리, 베어링 |
| 우드러프 키(Woodruff key) | 원통형 축에 원형 홈을 내고 원통형 키를 삽입 | 축에 원형 홈을 가공하기 쉬워 소형 부품에 적합 | 소형 기어, 모터 샤프트 |
| 경사키(Tapered key) | 단면이 원뿔형(경사) | 삽입 시 축에 자가 고정 효과, 탈착이 쉬움 | 대형 기어, 전동기 샤프트 |
| 스플라인(Spline) | 다수의 작은 평키가 연속된 형태 | 고속·고토크 전달에 유리, 높은 정밀도 | 항공기 엔진, 변속기 |
| 채널키(Channel key) | 슬롯 형태에 삽입되는 평키 | 무거운 부하를 분산시켜 큰 부품에 적합 | 대형 기어, 펌프 샤프트 |
3. 설계·계산
키 설계는 전단 응력(τ)과 압축 응력(σ) 두 가지를 고려한다.
-
전단 응력 계산
$$ \tau = \frac{T}{w , h , L} $$- $T$: 전달 토크 (N·m)
- $w$: 키의 폭 (mm)
- $h$: 키의 높이 (mm)
- $L$: 키의 유효 길이 (mm)
-
압축 응력 계산
$$ \sigma = \frac{T}{0.5 , d , h , L} $$- $d$: 축의 직경 (mm)
-
허용 응력
- 재료별 허용 전단·압축 응력은 일반적으로 재료 강도(σ_y)의 0.4~0.6배를 사용한다(예: 탄소강 250 MPa → 허용 전단 ≈ 100 MPa).
-
키 길이
- 일반적으로 축 직경(d)의 0.5 ~ 1.5배가 권장되며, 키가 축 끝에 너무 가깝지 않도록 여유 길이를 확보한다.
4. 재료·제조
- 재료: 일반 탄소강(예: AISI 1045), 저합금강, 스테인리스강, 고강도 합금강 등. 고속·고열 환경에서는 합금강이 선호된다.
- 열처리: 경도를 높이기 위해 풀림·담금질·오일링 등을 적용한다(예: 45~55 HRC).
- 가공: 절삭(밀링·방전가공), 사출(플라스틱 키), 연삭 등 다양한 방법으로 제작한다.
- 표면처리: 부식 방지를 위해 아연도금, 니켈 도장, 크롬 도금 등을 할 수 있다.
5. 적용 예
- 동력 전달 기어: 기어와 샤프트 사이에 평키 삽입.
- 펌프/모터 풀리: 전동기의 축과 풀리 결합 시 사용.
- 자동차 변속기: 스플라인을 이용해 토크 변환.
- 항공우주 엔진: 고정밀 스플라인으로 고속 회전 부품 연결.
6. 표준·규격
| 국가·기관 | 표준 번호 | 주요 내용 |
|---|---|---|
| ISO | ISO 7738 | 평키와 키웨이 치수 표준 |
| DIN | DIN 6885 | 평키 치수 규정 |
| JIS | JIS B 0806 | 일본 표준 키 치수 |
| KS | KS D 3510 | 한국산업표준 키 및 키웨이 규격 |
| ASME | ASME B18.21 | 키와 스플라인 표준 |
7. 관련 용어
- 키웨이(Keyway): 축·부품에 가공된 홈. 키가 삽입되는 부분.
- 스플라인(Spline): 다수의 작은 키가 연속된 형태.
- 스페이더(Spacer): 축과 부품 사이 거리 유지용 부품(키와는 기능이 다름).
- 키 고정 나사(Key locking screw): 키가 회전하거나 이탈하는 것을 방지하기 위한 보조 장치.
8. 참고문헌·외부 링크
- Machinery's Handbook, 31st ed., McGraw‑Hill, 2023. – 키 설계 및 표준 실무.
- ISO 7738:2022, “Mechanical elements – Keys – General dimensions and tolerances”.
- 김태형, “기계요소 설계”, 한국공학출판사, 2021. – 한국산업표준(KS) 적용 사례.
- J. J. Shigley, Mechanical Engineering Design, 11th ed., McGraw‑Hill, 2022. – 전단·압축 응력 계산 절차.
이와 같이 키(공학)는 회전 부품과 축을 연결해 토크를 전달하는 핵심적인 기계요소이며, 설계·재료·가공·표준에 따라 다양한 형태와 적용 분야가 존재한다.