November 21, 2025
스플라인 샤프트는 샤프트와 허브(또는 기어) 사이에서 토크를 전달하는 동시에 상대적인 축 방향 이동을 허용하거나 정확한 각도 위치를 보장하는 데 사용되는 기본적인 기계 부품입니다. 이는 키웨이와 키의 진화로, 허브의 해당 내부 스플라인과 결합하는 여러 개의 일체형 가공 키(스플라인)로 인해 훨씬 더 큰 강도, 더 나은 정렬 및 더 균형 잡힌 하중 분배를 제공합니다. 스플라인 샤프트의 다양한 유형, 표준화된 치수 및 적합한 재료를 이해하는 것은 자동차, 중장비, 항공 우주 및 공작 기계와 같은 산업 전반에서 강력하고 효율적인 동력 전달 시스템을 설계하는 데 필수적입니다.
스플라인 프로파일의 기하학적 구조는 부하 지지 능력, 정렬 특성 및 다양한 응용 분야에 대한 적합성을 결정하는 특징입니다. 주요 스플라인 샤프트 프로파일 유형은 다음과 같습니다.
1. 평행 키 스플라인(직선형 스플라인):
이것은 가장 오래되고 단순한 유형입니다. 스플라인은 샤프트 주변에 균등하게 간격을 두고 있으며, 샤프트 축에 평행한 직선 측면을 가지고 있습니다. 키 측면을 통해 토크를 전달합니다.
장점: 제조가 용이하고(밀링 또는 호빙으로 자주) 계측이 비교적 간단합니다. 하중 하에서 축 방향 이동을 허용합니다.
단점: 하중 분배가 종종 불균등하여 모서리에 응력이 집중됩니다. 백래시(느슨함)가 발생할 수 있으며, 정확한 중심 정렬이 필요한 매우 높은 토크 응용 분야에는 적합하지 않습니다.
2. 톱니 스플라인:
톱니는 평행 키 스플라인과 유사하지만 일반적으로 얕고 미세한 치형 피치를 가지며 하중 하에서 축 방향 이동을 위한 것이 아닙니다. 주로 반영구적인 조인트 또는 허브를 샤프트에 단단히 고정해야 하는 경우에 사용됩니다. 종종 많은 수의 치아로 정의됩니다.
장점: 매우 정확한 중심 정렬 효과와 정적 조인트에 대한 뛰어난 강성을 제공합니다.
3. 인벌루트 스플라인:
이것은 기어 이빨에 사용되는 것과 동일한 프로파일인 인벌루트 곡선을 활용하는 가장 일반적이고 강력한 유형의 스플라인입니다. 인벌루트 프로파일은 훨씬 더 나은 하중 분배를 허용하고 자체 중심 정렬 작용을 제공합니다. 토크는 인벌루트 이빨의 측면을 통해 전달됩니다.
장점: 유리한 응력 분배로 인한 높은 강도와 내구성. 방사형 하중과 진동을 최소화하는 뛰어난 중심 정렬 효과를 제공합니다. 제조 공정(호빙, 셰이핑 또는 롤링)은 기어 제조와 유사하기 때문에 매우 표준화되어 있습니다. 슬라이딩(축 방향 이동) 또는 고정 조건에 맞게 제조할 수 있습니다.
단점: 직선형 스플라인보다 제조 및 계측이 더 복잡합니다.
상호 교환 가능성과 일관된 성능을 보장하기 위해 스플라인 샤프트 치수는 여러 주요 국제 및 국가 표준에 의해 관리됩니다. 이러한 표준은 중요한 치수, 공차 및 적합성 요구 사항을 정의합니다.
1. ANSI B92.1(미국 국립 표준 협회):
이것은 인벌루트 스플라인에 대한 북미의 지배적인 표준입니다. 플랫 루트 및 필렛 루트 스플라인(이빨 밑면의 반경)의 기하학적 구조를 모두 다룹니다. 피치 직경, 압력각(일반적으로 $30^{circ}$, $37.5^{circ}$, 또는 $45^{circ}$)과 이빨 수 사이의 관계를 지정합니다. 이 표준은 또한 공차 허용치를 기반으로 하는 4가지 다른 적합성 등급(Class 1, 2, 3 및 4)을 정의하며, 헐거운 슬라이딩에서 압입까지 다양합니다.
2. DIN 5480(Deutsches Institut für Normung):
인벌루트 스플라인에 대한 주요 유럽 표준인 DIN 5480은 매우 포괄적이며 전 세계적으로 널리 사용되며, 상세한 사양과 엄격한 공차로 인해 선호되는 경우가 많습니다. 모듈 시스템(미터법 기어와 유사)을 사용하여 크기를 정의하며, 백래시 및 적합성 품질에 직접적인 영향을 미치는 측면 공차를 정의하는 데 특히 엄격합니다.
3. ISO 4156(국제 표준화 기구):
이 표준은 직선형 및 인벌루트 스플라인에 대한 다양한 국가 표준을 조화시켜 상호 교환 가능성을 위한 전 세계적으로 인정되는 사양 집합을 제공하는 것을 목표로 하며, 특히 인벌루트 스플라인의 원통형 적합성에 중점을 둡니다.
4. SAE J499(자동차 기술자 협회):
이 표준은 단순성과 견고성이 우선시되는 자동차 및 중장비 응용 분야에서 자주 사용되는 치수 및 공차를 정의하여 평행 측면 스플라인에 특별히 중점을 둡니다.
이러한 표준은 올바른 호브 또는 셰이퍼 커터를 선택하는 것부터 Go/No-Go 품질 관리에 사용되는 게이지를 정의하는 것까지 전체 제조 공정의 청사진을 제공합니다. 적합성은 백래시 허용량과 주요 및 부차 직경 적합성에 의해 결정되며, 이는 스플라인 샤프트가 부드럽게 슬라이딩하거나 단단히 고정되어야 하는지 여부에 관계없이 의도한 대로 작동하도록 집합적으로 보장합니다.
스플라인 샤프트에 대한 재료 선택은 강도, 경도, 내마모성 및 때로는 내식성에 대한 응용 분야의 요구 사항에 의해 관리됩니다. 스플라인 샤프트는 토크 전달 장치이므로 높은 비틀림 응력, 굽힘 응력 및 측면 접촉 압력을 받습니다.
1. 저탄소강(예: AISI 1018, 8620):
이것은 가공 후 샤프트가 침탄(침탄 처리)될 때 자주 사용됩니다. 침탄은 강하고 내마모성 표면(높은 표면 경도)을 생성하는 동시에 강하고 충격 흡수 코어(낮은 코어 경도)를 유지합니다. 이것은 대량 생산 자동차 변속기 샤프트에 대한 표준 선택입니다.
2. 중탄소강(예: AISI 4140, 4340):
이 강철은 높은 코어 강도를 제공하며 전반적인 인성이 더 높고 피로 저항성이 높은 샤프트에 적합합니다. 일반적으로 원하는 경도와 연성의 균형을 얻기 위해 담금질 및 템퍼링(열처리)됩니다. 4140은 일반적이고 다용도 선택인 반면, 4340은 우수한 경화성과 강도로 인해 극도로 높은 응력 응용 분야에 사용됩니다.
3. 스테인리스강(예: AISI 300 및 400 시리즈):
해양 또는 식품 가공 장비와 같은 부식성 환경에서 사용됩니다. 400 시리즈(예: 416)는 내식성과 중간 강도가 모두 필요한 경우에 자주 사용되며, 경도를 높이기 위해 열처리할 수 있습니다.
4. 공구강(예: D2, H13):
이것은 샤프트 자체에는 거의 사용되지 않지만, 극심한 내마모성과 치수 안정성이 가장 중요한 특수 기계의 고응력 부품, 종종 냉간 가공 또는 고온 환경에서 선택될 수 있습니다.
제조 시퀀스는 매우 중요합니다. 샤프트 재료는 일반적으로 거의 최종 치수로 가공되고, 스플라인은 절단(호빙, 셰이핑 또는 롤링)된 다음, 구성 요소는 최종 필요한 경도 및 강도 프로파일을 얻기 위해 열처리됩니다. 정밀 연삭은 열처리 후 왜곡을 수정하고 최종적이고 정확한 치수 공차, 특히 적절한 스플라인 기능에 가장 중요한 치수인 피치 직경을 얻기 위해 수행될 수 있습니다. 재료 및 열처리 선택은 궁극적으로 전체 동력 전달 어셈블리의 수명과 신뢰성을 결정합니다.
