반달키 Woodruff Key 키 홈 KS B 1311 기계요소 키 결합 축 설계 기계설계

축과 보스(허브)를 연결하여 토크를 전달하는 기계요소 중에서 반달키(Woodruff Key)는 독특한 반원형 형상 덕분에 특정 조건에서 평행키보다 훨씬 유리하다. 테이퍼 축, 소형·저토크 부품, 짧은 보스 결합 등 반달키가 제 역할을 발휘하는 조건은 분명히 있다. 반달키의 형상·규격·끼워맞춤·가공 방법을 KS B 1311 기준으로 정리한다.

반달키란 무엇인가

반달키(Woodruff Key)는 반원(半圓) 모양으로 가공된 키(Key)다. 축의 끝면이나 중간부에 원호형 홈(키 시트)을 파고, 그 안에 반달 모양의 키를 끼워 보스(허브)의 직선형 키 홈과 결합시킨다. 이 구조로 회전 토크 전달축 방향 위치 결정 기능을 동시에 수행한다.

“Woodruff Key”라는 이름은 1888년 미국 코네티컷 주의 Woodruff Manufacturing Company가 이 키를 표준화하면서 붙여진 것이다. 이후 DIN, ISO를 거쳐 KS로 동등 채택되어 현재 KS B 1311이 적용된다.

반달키 키홈의 치수 — b, d₀, t₁, t₂ 각부 명칭
반달키 각부 치수 명칭: b(폭), d₀(호칭 직경), t₁(축 홈 깊이), t₂(보스 홈 깊이)
💡 반달키 치수 호칭 방법

반달키의 호칭은 b × d₀ 형식으로 표기한다. b는 키의 폭(너비), d₀는 키가 잘려 나온 원의 직경이다. 예를 들어 반달 키 4×16 KS B 1311은 폭 4mm, 원 직경 16mm의 반달키를 의미한다.

반달키의 축 홈은 전용 원형 커터(Woodruff Key Seat Cutter)로 가공하므로 홈의 형상이 키의 원호 단면과 정확히 일치한다. 키는 이 원호형 홈 안에 완전히 안착되어 축 방향으로 빠지지 않는다. 보스 쪽의 홈은 일반 엔드밀로 가공하는 직선형 홈이다.

반달키 조립 상태 — 원호형 축 홈에 반달키가 안착된 모습
반달키 조립 상태: 원호형 홈에 키가 완전히 안착되어 보스 홈과 결합된다.

반달키의 특징 — 장점과 한계

장점

① 테이퍼 축에 자동 밀착
반달키는 원호형 홈 안에서 미세하게 틸팅(기울기 조정)이 가능하다. 테이퍼 축에 보스를 끼울 때 보스 홈의 경사에 맞추어 키가 자동으로 각도를 맞추므로 별도의 각도 수정 없이 밀착 접촉이 이루어진다. 테이퍼 끼워맞춤 부품에서 반달키를 사용하는 가장 큰 이유다.

② 키 홈 가공 정밀도와 재현성
전용 원형 커터로 가공하므로 홈의 형상 오차가 작고, 축 반경 방향으로 일정 깊이만큼 절입하면 정확한 반원형 홈이 형성된다. 홈의 위치 정밀도도 높아 여러 개를 연속 가공하더라도 재현성이 좋다.

③ 조립 편의성
키가 홈 안에 자리를 잡으므로 조립 중 키가 이탈하지 않는다. 홈에 올려놓은 상태에서 보스를 끼우면 되므로 작업이 간단하다.

④ 진동 환경에서의 안정성
키가 원호 홈 안에 완전히 감싸여 있어 진동에 의한 이탈 위험이 평행키에 비해 낮다.

한계

① 축 단면 약화
원호형 홈을 파기 때문에 홈이 깊다. 같은 토크 전달 용량의 평행키보다 축 단면을 더 많이 깎으므로 굽힘·비틀림 강도가 떨어진다. 즉, 축 지름이 작은데 하중까지 큰 조건이 겹치면 부적합하다는 의미다. 소형 부품이라도 토크가 작으면(자동차 조향축, 공작기계 핸들 등) 반달키가 충분히 유효하다.

② 토크 전달 한계
키의 유효 접촉 면적이 평행키보다 작으므로 대 토크 전달에는 부적합하다. KS 규격의 계열 분류도 이를 반영하여 토크 전달 계열(계열 1)과 위치결정 계열(계열 2)을 별도로 구분하고 있다.

③ 긴 보스에 불리
반달키는 키 길이가 짧기 때문에 보스가 길면 접촉 길이 부족으로 키 면압이 높아진다. 보스 길이가 긴 부품에는 평행키가 유리하다.

반달키와 평행키의 축 홈 단면 비교 — 홈 깊이 차이
단면 비교: 반달키는 원호형 홈으로 더 깊이 파이므로 축 단면이 더 많이 약화된다.

평행키와의 비교

반달키(왼쪽)와 평행키(오른쪽) 조립 상태 비교
반달키(좌)와 평행키(우): 키 형상과 홈 구조의 외관 차이를 한눈에 확인할 수 있다.
항목 반달키 (Woodruff Key) 평행키 (Parallel Key)
형상 반원형 — 원호형 홈에 안착 직사각형 — 직선 홈에 안착
축 홈 가공 전용 원형 커터(Woodruff Key Seat Cutter) 전용 엔드밀, 키 홈 밀링 커터
테이퍼 축 적합성 ✅ 자동 각도 밀착 — 최적 ❌ 별도 각도 조정 필요 또는 부적합
토크 전달 용량 낮음 (단면적 제한) 높음 (키 길이 조정 가능)
축 단면 약화 큼 (홈이 깊음) 작음 (홈이 얕음)
보스 길이 의존성 짧은 보스에 적합 보스 길이에 무관하게 적용 가능
조립 난이도 쉬움 (키가 홈에서 이탈 안 됨) 보통 (조립 중 키 이탈 주의)
주요 적용처 자동차 조향축, 농기계 테이퍼 부품, 공작기계 핸들축 감속기 출력축, 전동축, 스프로킷 허브
평행키 키홈 규격 치수 도면
평행키 키홈 규격: 홈 깊이(t₁, t₂)가 얕고 직선형이어서 반달키에 비해 축 단면 약화가 적다.

KS B 1311 규격 치수표

반달키의 호칭 치수는 b × d₀로 표기한다. 표에서 괄호( )로 표시된 호칭은 가능하면 사용하지 않는다. 치수 기호는 다음과 같다.

  • b — 키의 폭 (축 홈 폭 = 보스 홈 폭의 기준 치수)
  • d₀ — 키의 호칭 직경 (키를 잘라낸 원의 직경)
  • t₁ — 축 홈 깊이 (축 표면에서 홈 바닥까지)
  • t₂ — 보스 홈 깊이 (보어 표면에서 홈 바닥까지)
  • r₁, r₂ — 홈 모서리 라운드 반경
  • d₁ — 키의 직경 실측 치수 (공차 적용 기준)
반달키 키홈 규격 치수 도면 — b, t₁, t₂, d₁ 표기
반달키 키홈 규격 도면: b(폭), t₁(축 홈 깊이), t₂(보스 홈 깊이), d₁(실측 직경)의 위치를 확인한다.
호칭
b × d₀
b
(mm)
축 홈 깊이 t₁ (mm) 보스 홈 깊이 t₂ (mm) r₁, r₂
(mm)
d₁
(mm)
기준 허용차 기준 허용차
1×411.0+0.1/00.6+0.1/00.08~0.164
1.5×71.52.00.87
2×721.81.07
2×1022.91.010
2.5×102.52.71.210
(3×10)32.51.410
3×1333.8+0.2/01.4+0.1/00.08~0.1613
3×1635.31.816
(4×13)43.5+0.1/01.7+0.1/013
4×1645.01.816
4×1946.0+0.2/02.019
5×1654.5+0.2/02.316
5×1955.52.319
5×2257.02.522
6×2266.5+0.2/02.8+0.1/00.16~0.2522
6×2567.52.825
(6×28)68.6+0.1/02.628
(6×32)610.62.632
(7×22)76.4+0.1/02.8+0.1/022
(7×25)77.42.825
(7×28)78.42.828
(7×32)710.42.832
(7×38)712.42.838
(7×45)713.42.845
(8×25)87.2+0.3/03.0+0.2/00.25~0.4025
8×2888.03.30.25~0.4028
(8×32)810.2+0.1/03.0+0.1/00.16~0.2532
(8×38)812.23.00.16~0.2538
10×321010.0+0.3/03.3+0.2/00.25~0.4032
(10×45)1012.83.40.25~0.4045
(10×55)1013.8+0.1/03.4+0.1/00.16~0.2555
(10×65)1015.83.465
(12×65)1215.2+0.3/04.0+0.2/00.16~0.2565
(12×80)1220.24.080

※ 괄호( ) 표시 호칭은 가능한 한 사용하지 않는다. 단위: mm · 출처: KS B 1311

키 홈 끼워맞춤 공차

반달키의 폭 b에 대한 공차는 용도에 따라 보통형조립형으로 구분된다. 축 홈 폭 b₁과 보스 홈 폭 b₂의 공차 등급이 다르게 지정된다.

구분 축 홈 폭 b₁ 보스 홈 폭 b₂ 특징 및 용도
보통형 N9 JS9 일반적인 토크 전달, 위치 결정 용도. 키가 축 홈에는 약간 억지 끼워맞춤, 보스 홈에는 헐거운 끼워맞춤.
조립형 P9 P9 키를 축·보스 양쪽 홈에 모두 억지로 압입. 충격·반복 하중 환경의 확실한 체결에 사용.

b 크기별 공차 수치 (KS B 1311)

b 기준 치수 (mm) 보통형 b₁ [N9] 보통형 b₂ [JS9] 조립형 b₁, b₂ [P9]
1−0.004 ~ −0.029±0.012−0.006 ~ −0.031
40 ~ −0.030±0.015−0.012 ~ −0.042
70 ~ −0.036±0.018−0.015 ~ −0.051
120 ~ −0.043±0.022−0.018 ~ −0.061

※ 표에 나타나지 않은 b 치수(2, 2.5, 3, 5, 6, 8, 10)는 해당 범위의 공차 그룹에 따른다. 정확한 수치는 KS B 1311 원본 표를 확인한다.

💡 공차 등급 해석

N9는 음의 편차로 키가 축 홈에 가볍게 압입되는 끼워맞춤이다. JS9는 양·음 편차가 거의 대칭인 중간 끼워맞춤(전환 끼워맞춤)으로, 보스 홈에 키가 약간의 유격을 가지며 조립된다. P9는 N9보다 더 음의 편차로 확실한 억지 끼워맞춤을 만든다. 조립형에서 P9를 축·보스 양쪽에 적용하면 키는 양쪽 홈에 모두 압입되어 헐거워질 우려가 없다.

적용 축 지름 (계열 1·2·3)

KS B 1311은 각 반달키 호칭에 대해 적용하는 축 지름 범위를 계열 1, 계열 2, 계열 3으로 구분하여 규정한다.

  • 계열 1 — 키에 의해 토크를 전달하는 결합에 사용하는 축 지름 범위
  • 계열 2 — 키에 의해 위치 결정을 하는 경우에 사용하는 축 지름 범위
  • 계열 3 — 키의 전단강도에 대응하는 전단 단면적 기준의 축 지름 범위
⚠ 계열 선택의 의미

계열 1은 토크 전달 목적으로 키를 쓸 때의 최소 축 지름 기준이다. 계열 2는 위치 결정(angular/axial positioning)만 하고 토크는 다른 방법으로 전달할 때 적용한다. 계열 3은 키 자체의 전단 단면적을 기준으로 키가 전단 파단되지 않는 축 지름 범위를 나타낸다. 설계 목적에 맞는 계열을 선택해야 한다.

호칭 b×d₀ 계열 1 (토크 전달)
축 지름 (mm)
계열 2 (위치 결정)
축 지름 (mm)
계열 3 (전단강도 기준)
축 지름 (mm)
전단 단면적
(mm²)
1×43~43~4
1.5×74~54~6
2×75~66~8
2×106~78~10
2.5×107~810~127~1221
(3×10)8~1426
3×138~1012~159~1635
3×1610~1215~1811~1845
(4×13)11~1846
4×1612~1418~2012~2057
4×1914~1620~2214~2270
5×1616~1822~2514~2272
5×1918~2025~2815~2486
5×2220~2228~3217~26102
6×2222~2532~3619~28121
6×2525~2836~4020~30141
(6×28)22~32155
(6×32)24~34180
(7×22)20~29139
(7×25)22~32159
(7×28)24~34179
(7×32)26~37209
(7×38)29~41249
(7×45)31~45288
(8×25)24~34181
8×2828~3240~26~37203
(8×32)28~40239
(8×38)30~44283
10×3232~3831~46295
(10×45)38~54406
(10×55)42~60477
(10×65)46~65558
(12×65)50~73660
(12×80)58~82834

※ 괄호( ) 표시는 비권장 호칭. 8×28 계열 2의 상한은 KS 원본 표 기준. 출처: KS B 1311

반달키 선택 기준

반달키를 선택해야 하는 경우

상황 이유
테이퍼 축 + 보스 결합 키가 홈 안에서 틸팅되어 보스 홈 경사에 자동 밀착. 별도 각도 맞춤 작업 불필요
소형 부품·소형 토크 자동차 조향 컬럼, 농기계 출력축, 공구류 핸들 등 소형 부품에 최적화
키 이탈을 방지해야 하는 조립 환경 키가 원호형 홈에 감싸여 있어 진동 환경에서도 이탈 위험 낮음
키 홈 가공 정밀도가 중요한 경우 전용 커터로 형상 오차가 작고 재현성이 높은 원호 홈 가공 가능
짧은 보스 길이 보스 길이가 짧아 평행키의 유효 접촉 길이 확보가 어려운 경우

테이퍼 축에서의 기준 지름 적용

테이퍼 축은 위치마다 직경이 다르기 때문에, 반달키 규격표의 “축 지름(d)” 기준을 그대로 적용하려면 어느 단면의 직경을 쓸 것인지를 먼저 결정해야 한다.

💡 기준 지름 — 키 홈이 가공된 위치의 직경

원칙적으로는 키 홈 중심 단면의 직경을 기준으로 규격표를 조회한다. 실무에서는 테이퍼 각도가 작을 경우 대경부(큰 쪽) 지름으로 선정하는 관행이 있으나, 이는 명문화된 표준 규칙이 아닌 보수적 선정 관행이다. 대경부 기준으로 선정하면 키가 과대 선정될 수 있으므로, 키 홈 위치의 실제 직경을 측정하여 규격표와 대조하는 것이 더 정확하다.

ISO 3912 주석에는 원추형(Conical) 축 끝단의 지름과 키 단면 간의 관계를 별도 표준에서 다루도록 명시되어 있어, 테이퍼 축에 대한 전용 규정이 존재함을 시사하지만 이를 단정적으로 대경부 기준이라 해석하기는 어렵다.

키 홈 깊이(t₁, t₂)를 이용한 역확인

반달키는 원호 형상 때문에 직접 측정이 어려운 경우가 있다. 특히 기존 부품을 식별하거나 수리·유지보수 상황에서는 다음 순서로 역추적한다.

  1. 키 홈이 있는 위치의 축 지름(d) 측정
  2. 축 홈 깊이(t₁) 측정
  3. 보스 홈 깊이(t₂) 측정
  4. 세 값을 KS B 1311 치수표와 대조하여 호칭 확정

※ 이 역확인 방법은 기존 부품 식별·교체 상황에 주로 쓰인다. 신규 설계 시에는 축 지름과 전달 토크를 먼저 결정한 뒤 규격표에서 호칭을 선정하는 순서가 기본이다.

반달키를 피해야 하는 경우

상황 이유
대 토크 전달 접촉 면적 한계로 키 또는 홈이 소성 변형(압궤). 평행키 또는 스플라인으로 대체
축 지름이 작고 하중이 큰 경우 깊은 원호 홈이 축 단면을 과도하게 약화시켜 피로 파단 위험 증가
긴 보스와의 결합 키 길이가 보스 길이보다 짧아 면압 과다 → 평행키 사용
충격·반전 하중이 심한 결합 키 측면과 홈 측면의 충격 반복 → 소성 변형, 키 요동(fretting) 발생 위험
고속 회전 외경 노출부 키가 원심력으로 이탈될 수 있는 구조(홈이 보스 끝단 근처인 경우)는 안전 확인 필요

키 홈 가공 방법

반달키의 축 홈은 Woodruff Key Seat Cutter(반달키 시트 커터)라는 전용 원형 커터로 가공한다. 이 커터는 원판 형상의 슬로팅 커터로, 축의 반경 방향으로 수직 절입하면 정확한 반원형 홈이 형성된다.

가공 순서

  1. 축 가공 완료 — 외경 정삭, 테이퍼 가공 등 주요 형상 가공을 먼저 완료한다.
  2. 키 홈 위치 결정 — 축 중심선과 키 홈 위치를 도면에 따라 정확히 세팅한다.
  3. Woodruff Key Seat Cutter 선택 — 가공할 반달키 호칭(b × d₀)에 맞는 커터를 선택한다. 커터 직경은 d₁ 치수에 맞는 것을 사용한다.
  4. 반경 방향 절입 — 커터를 축 측면에서 수직으로 t₁ 깊이까지 절입한다. 단일 경로로 정확한 홈이 완성된다.
  5. 보스 홈 가공 — 보스의 직선형 키 홈은 엔드밀 또는 키 홈 밀링 커터로 t₂ 깊이로 가공한다.
💡 축 홈 가공의 장점

평행키의 축 홈 가공은 엔드밀로 홈을 따라 이동해야 하므로 홈 길이 방향 오차가 생길 수 있다. 반달키 홈은 커터를 수직으로 절입하는 단일 동작으로 완성되므로 홈 형상 재현성이 높고, 홈 바닥이 정확한 원호를 이룬다. 키와 홈 바닥의 면 접촉도 완벽하다.

⚠ 커터 직경과 키 직경 확인

Woodruff Key Seat Cutter의 직경은 가공할 반달키의 d₁ 치수와 정확히 일치해야 한다. 커터 직경이 다르면 키가 홈에 헐겁게 안착되거나 전혀 들어가지 않는다. 구입 전 반드시 키 호칭과 커터 규격을 대조하여 확인한다.

도면 표기 방법

반달키는 도면에서 호칭과 규격을 함께 기입한다. 표기 형식은 다음과 같다.

키의 호칭 표기

반달 키 b × d₀ KS B 1311

  • 예: 반달 키 4×16 KS B 1311 — 폭 4mm, 직경 16mm 반달키
  • 예: 반달 키 6×22 KS B 1311 — 폭 6mm, 직경 22mm 반달키

키 홈의 도면 기입

축 홈과 보스 홈의 치수는 각각 t₁, t₂로 기입한다. 키 홈 폭 b에 대한 공차(N9, JS9 또는 P9)를 함께 표기한다.

💡 자격증 시험 포인트

기계설계산업기사·일반기계기사 실기에서 키 결합 도면 문제가 출제될 때, 반달키와 평행키를 구별하는 핵심 포인트는 축 홈의 형상이다. 반달키 축 홈은 원호형(반원형 바닥)이고, 평행키 축 홈은 직선 바닥이다. 도면에서 축 홈 단면 형상만 봐도 어떤 키가 사용되는지 판단할 수 있어야 한다. 키 홈 공차(N9/JS9 = 보통형, P9/P9 = 조립형)도 숙지해야 한다.

현장 주의사항

키 홈 깊이 부족 — 키가 홈 밖으로 튀어나옴
원인: Woodruff Key Seat Cutter의 절입 깊이(t₁)가 규정보다 얕게 가공됨. 또는 커터 마모로 실제 절입 깊이가 목표치에 미달.
대책: 가공 후 반드시 깊이를 측정한다. 키를 홈에 끼웠을 때 키 윗면이 축 표면보다 돌출되는 양이 t₂ 기준 치수와 일치하는지 확인한다. 커터 마모 상태를 주기적으로 점검한다.
키 헐거움 — 조립 후 토크 전달 불량·소음
원인: 보스 홈 폭이 규정 공차보다 넓게 가공되었거나, 키 자체의 폭 치수가 하한에 치우침. 또는 키 홈 측면이 마모되어 결합 후 유격 발생.
대책: 보스 홈 가공 시 JS9 공차 상한을 초과하지 않도록 엔드밀 마모를 관리한다. 반복 조립·분해로 홈 측면이 마모된 경우 키 교체 또는 보스 교체가 필요하다. 토크 전달이 중요한 부위는 조립형(P9/P9) 공차를 적용한다.
키 홈 위치 편심 — 보스 내경과 키 홈이 일치하지 않음
원인: 밀링 세팅 시 축 중심과 커터 중심이 정렬되지 않은 상태로 가공. 또는 축 직경 기준 측정 없이 절입 깊이만 맞춘 경우.
대책: 가공 전 다이얼 인디케이터로 축 중심과 커터 중심 정렬을 확인한다. 홈 위치는 축 중심을 기준으로 지정되므로, 축 표면 기준이 아닌 축 중심선 기준으로 세팅한다.
테이퍼 축 조립 시 키가 보스 홈에 걸림
원인: 반달키가 홈 안에서 자유롭게 틸팅되어야 하는데, 키가 홈에 과도하게 타이트하게 끼워져 틸팅이 구속됨. 조립형(P9) 공차를 적용한 경우 발생 가능.
대책: 테이퍼 축 결합에는 원칙적으로 보통형(N9/JS9)을 사용한다. 조립형은 스트레이트 축에 한정하거나, 키가 홈에서 약간의 각도 자유도를 가질 수 있는 범위 내에서만 적용한다.

설계 체크리스트

  • 결합부가 테이퍼 축인지 스트레이트 축인지 확인했는가? (테이퍼 축 → 반달키 우선 검토)
  • 전달 토크와 축 지름을 확인하여 반달키 호칭(b × d₀)을 적절히 선정했는가?
  • KS B 1311 계열 1·2·3 중 설계 목적에 맞는 계열로 축 지름 범위를 검증했는가?
  • 축 홈 깊이 t₁이 규정 치수에 맞도록 도면에 지정되었는가?
  • 보스 홈 깊이 t₂가 규정 치수에 맞도록 도면에 지정되었는가?
  • 공차 등급이 보통형(N9/JS9)인지 조립형(P9/P9)인지 용도에 맞게 선택되었는가?
  • 전용 Woodruff Key Seat Cutter의 직경이 d₁ 치수와 일치하는 것이 준비되어 있는가?
  • 반달키 호칭과 KS 번호가 도면 부품표 또는 지시선에 정확히 기입되었는가?
  • 대 토크·충격·고속 회전 조건이라면 평행키나 스플라인으로 변경을 검토했는가?
  • 보스 길이가 반달키 키 폭(b)에 비해 과도하게 길지 않은지 확인했는가?

💡 요약

  • 형상: 반원형 키 — 원호형 축 홈 + 직선형 보스 홈의 조합. 규격: KS B 1311
  • 호칭: b × d₀ (폭 × 직경). 예: 반달 키 4×16 KS B 1311
  • 최대 장점: 테이퍼 축에서 키가 자동으로 각도를 맞춤 → 테이퍼 결합의 기본 키
  • 최대 한계: 홈이 깊어 축 단면 약화 + 토크 전달 용량 제한 → 대 토크에는 부적합
  • 공차: 보통형(N9/JS9) — 일반 용도. 조립형(P9/P9) — 억지 압입, 충격 하중
  • 계열 선택: 계열 1(토크 전달) / 계열 2(위치 결정) / 계열 3(전단강도 기준)으로 축 지름 결정
  • 가공: Woodruff Key Seat Cutter로 반경 방향 절입 — 단일 동작으로 정확한 원호 홈 완성