비틀림(Torsion)의 원리와 축(shaft)에 생기는 응력

회전력을 받는 순간 축 내부에서는 ‘비틀림 저항’이 시작된다

축은 회전을 전달하는 부재로, 기계공학에서 가장 전형적인 하중 형태인 토크를 받는다. 토크가 작용하면 축은 단순히 회전하는 것처럼 보이지만, 내부에서는 단면들이 서로 상대적으로 회전하려는 경향이 생긴다. 이때 축이 하나로 유지되기 위해 내부에 발생하는 저항이 바로 비틀림이다. 비틀림은 축을 비틀어 끊으려는 힘이 아니라, 단면들이 서로 어긋나 회전하지 못하도록 묶어 두는 내부 작용력의 총합이라고 이해하는 것이 정확하다.

 

 

 

비틀림에서 발생하는 응력은 ‘전단 응력’이다

비틀림 하중을 받는 축 내부에서는 인장이나 압축이 아니라 전단 응력이 지배적으로 발생한다. 단면을 기준으로 보면 중심에서는 거의 응력이 없고, 반지름 방향으로 바깥으로 갈수록 전단 응력이 점점 커진다. 이는 회전 변형이 중심에서 가장 작고 외곽에서 가장 크기 때문이다. 따라서 비틀림에 의한 파괴는 항상 축의 표면에서 먼저 시작되며, 이는 실제 파손 형상이 비스듬히 갈라지는 형태로 나타나는 이유이기도 하다. 비틀림 문제에서 최대 응력은 언제나 축 외곽에서 평가된다.

 

축은 ‘비틀림 강성’으로 회전을 버틴다

같은 토크가 작용해도 모든 축이 동일하게 비틀어지지는 않는다. 어떤 축은 거의 변형이 없고, 어떤 축은 눈에 띄게 꼬인다. 이 차이를 결정하는 것이 비틀림 강성이다. 비틀림 강성은 재료의 전단 탄성 특성과 단면 형상에 의해 결정되며, 축이 얼마나 회전에 저항하는지를 나타낸다. 축이 길수록 더 많이 꼬이고, 단면이 클수록 덜 꼬이는 이유도 이 강성 개념으로 설명된다. 비틀림은 단순히 응력의 문제가 아니라, 회전 정확도와 진동 안정성까지 좌우하는 변형 문제이기도 하다.

 

중실축보다 중공축이 효율적인 이유

비틀림에서도 단면 형상의 효과는 매우 크다. 중실축과 중공축을 비교하면, 같은 재료량을 사용할 경우 중공축이 훨씬 유리하다. 이는 비틀림 저항이 단면 중심보다 외곽 재료에 의해 대부분 결정되기 때문이다. 중심부 재료는 비틀림 저항에 거의 기여하지 않으면서 무게만 증가시키는 역할을 하게 된다. 그래서 실제 기계 설계에서는 무게를 줄이면서도 충분한 비틀림 강성을 확보하기 위해 중공축이 널리 사용된다. 이는 단면 형상이 응력 분포와 직결된다는 재료역학의 중요한 특징을 잘 보여주는 사례다.

 

비틀림을 이해하면 회전 부품의 신뢰성이 보인다

비틀림을 제대로 이해하지 못하면 축 설계는 단순히 부러지지 않게 만드는 수준에 머무르게 된다. 하지만 실제 기계에서는 파괴 이전에 과도한 비틀림 변형이 먼저 문제를 일으킨다. 기어 맞물림 오차, 소음 증가, 진동 확대 같은 현상은 모두 비틀림 변형과 깊이 연결되어 있다. 따라서 비틀림은 강도 계산만의 문제가 아니라, 회전 시스템 전체의 성능과 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소다. 결국 비틀림이란 축이 회전력을 전달하면서 내부에서 만들어내는 ‘꼬임의 언어’이며, 이를 이해하는 것이 기계공학에서 회전 시스템을 설계하는 출발점이라고 할 수 있다.