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Chapter 01 기계설계의 기초 1-1

Chapter 01 기계설계의 기초

자료제공: 학진북스-김남용저


1-1 ≫ 기계와 기계설계

1. 기계의 정의

(1) 운동하는 구조물(member)조합으로 구성

(2) 구조물 상호간에는 저항력이 존재

(3) 각 구조물의 운동은 제한

(4) 에너지 공급 기계적 일


2. 기계설계

▪ 공학설계(engineering design)

① 필요·요구의 인식(recognition of need)

② 창의적 설계(creative design)

③ 모델 준비(model preparing)

④ 모델의 시험·평가(test & evaluation of model)

⑤ 설계의 개선(improvement of design)

⑥ 설계의 의사전달(communication of design)


▪ 기계설계시 유의 사항

① 사용 목적에 적합한 메커니즘

② 안전성 및 경제성의 고려

③ 창의적인 전체의 형상 및 색상의 조화

④ 취급의 용이성 및 인간공학적 설계

⑤ 제작, 조립, 운반, 유지 보수가 용이한 구조

⑥ 부품의 표준화와 생산비용의 절감

⑦ 재활용성의 고려


3. 기계설계의 분류

(1) 기능설계

① 설계방향 결정 : 시방서, 견적서, 기본계획도 등

② 구조설계 : 강도설계(强度設計), 강성설계(剛性設計)

(2) 생산설계

① 생산량 및 공장의 설비 등의 경제적 활용을 위한 생산방법 결정

② 생산성을 고려한 제품의 설계를 구체화한 제작도면 작성

③ 사용 재료, 부품 등의 표준시방서 작성

④ 부품 가공, 조립순서, 작업방법 등을 지정하는 계통적인 지침서

작성

⑤ 공장설비의 운전 및 보수 관리에 중점을 둔 보수(保守)설계


(3) 인간공학적 설계

① 시각(視覺)

② 미감(美感)

③ 환경(環境)

4. 기계요소(機械要素)

① 결합 요소 : 나사, 볼트 및 너트, 리벳이음, 용접이음,

접착이음, 키, 핀, 코터 등

② 동력 전달 요소 : 축, 축이음, 커플링, 베어링, 마찰차,

캠, 기어, 벨트, 체인, 로프 등

③ 동력 제어 요소 : 클러치, 브레이크, 스프링 등

④ 배관 요소 : 파이프, 파이프 이음, 밸브 등


1-2 ≫ 기계요소의 표준화

공업제품의 품질, 형상, 크기 및 검사에 대한 일정한 표준을 정함

① 호환성을 향상

② 생산성을 향상

③ 생산의 합리화 추구

1. 표준화


(1) 장 점

① 규격제품의 품질 보증, 호환성 양호, 가격 저렴

② 시장 조사에 의한 예측 생산 및 생산량의 조절 가능

③ 생산, 설계, 품질, 시험 방법 등의 규격화로 작업 능률성

④ 설비 및 생산공정의 자동화로 경제적인 양산생산 가능

⑤ 공정 계획화와 흐름작업의 단순화, 기능의 숙련도 향상

⑥ 검사의 표준화·자동화로 품질의 향상 용이

⑦ 재고율의 계획성에 의한 효과적인 창고 물류관리 가능

⑧ 건설비, 재료비, 가공비 및 인건비 등의 절약


(2) 단 점

① 규격 이외의 제품은 특별 주문에 의한 생산으로 고가

② 회사 상호간의 복잡한 이해관계의 발생

③ 규격 제정에는 풍부한 지식과 막대한 경비, 시간 소요

④ 규격의 개정 및 갱신으로 신·구 규격품의 혼용에 의한

불편과 혼란 초래


2. 공업규격

▪ KS : 한국산업규격(Korean industrial standard)

<표 1-1> KS의 각 부문별 분류 기호


<표 1-2> 각국의 공업 규격


3. 기계부품의 치수정밀도

<그림 1-1> 정규분포 곡선과 정밀도


(1) 공차역(tolerance zone)

<표 1-3> 구멍 및 축의 공차역의 특징(KS B 0401, KS B ISO 286－1)

4. 공차


<그림 1-2> 축과 구멍의 끼워맞춤 공차역 (KS B 0401, KS B ISO 286-1)


(2) 치수 및 공차 표기법

<표 1-4> 구멍 및 축의 공차역(KS B 0401, KS B ISO 286-1)


(3) 끼워맞춤

① 틈새와 죔새

▪ 틈새(clearance) : 구멍이 축보다 크므로 헐거운

끼워 맞춤일 때 그 치수차

▪ 죔새(clearance) : 구멍이 축보다 작으므로 억지

끼워 맞춤일 때 그 치수차

<그림 1-3> 틈새와 죔새(KS B 0401, KS B ISO 286-1)


② 끼워맞춤 종류

(a) 헐거운 끼워 맞춤(clearance fit)

▪ 항상 틈새가 있는 끼워맞춤

⇒ 구멍의 최소치수 > 축의 최대치수

▪ 최소틈새 : 구멍의 최소치수 - 축의 최대치수

▪ 최대틈새 : 구멍의 최대치수 - 축의 최소치수

(b) 억지 끼워맞춤(interference fit)

▪ 항상 죔새가 있는 끼워맞춤

⇒ 축의 최소치수 > 구멍의 최대치수

▪ 최대죔새 : 축의 최대치수 - 구멍의 최소치수

▪ 최소죔새 : 축의 최소치수 - 구멍의 최대치수

(c) 중간 끼워맞춤(slide fit)

▪ 틈새, 또는 죔새가 생기기도 하는 끼워맞춤


<그림 1-4> 끼워맞춤의 종류(KS B 0401, KS B ISO 286-1)


③ 끼워맞춤 방식

<표 1-5> 끼워맞춤 방식의 특징 및 선택 방법(KS B ISO 286-1)


(c) 끼워맞춤 방식의 선택

▪ 구멍의 안쪽보다 축의 바깥면을 가공하기 쉽고, 가공면의 측정도

쉽다.

▪ 구멍의 공차 일정하게, 축의 공차를 조절하는 것이 경제적

⇒ 구멍기준 방식이 채택

④ 끼워맞춤 제품의 치수기입


<표 1-6> 일반적인 끼워맞춤 방식 – (1)


<표 1-6> 일반적인 끼워맞춤 방식 – (2)


5. 표면거칠기

<그림 1－5> 표면성상


<표 1-7> 다듬질 기호에 대한 표면거칠기의 표준수열

(1 · 3)

(1 · 4)


1-3 ≫ 단 위

① 힘(force)


② 응력 및 압력

③ 일 및 모멘트

④ 각속도 및 원주속도

(1 · 5)


⑤ 일률(공률) 및 동력

(1 · 6)


1-4 ≫ 재료의 강도

KOCW 재료역학 동영상 강의 참조

- www.kocw.net

- 검색 키워드: 충북대학교 재료역학

http://www.kocw.net/


1. 응력집중계수

▪ 응력집중(應力集中, stress concentration) : 구멍(hole),

홈(groove), 노치(notch) 및 단붙이 축의 필릿(fillet)

부위에서는 국부적인 큰 응력이 발생하는 현상

▪ 응력집중계수(應力集中係數, stress concentration factor)

또는 형상계수(形狀係數, shape factor) :

(1 · 7)


(1) 판재에 대한 응력집중계수

▪ 원공(圓孔, circular hole) 단면의 경우<그림 1－29(b)>

(1 · 8)


<그림 1－6> 판재의 응력집중


<그림 1－7> 원공의 크기에 대한 응력집중계수


▪ 타원 구멍이 존재하는 경우

▪ 단붙이축 및 홈붙이축의 응력집중계수

① 인장의 경우(단붙이축)

② 굽힘의 경우

③ 비틀림의 경우

④ 인장의 경우(홈붙이축)

(1 · 9)


<그림 1－8> 단붙이축의 응력집중


<그림 1－9> 단붙이축의 응력집중계수


▪ 응력집중계수의 해석 :

① 이론적 방법(엄밀해) : 탄성이론(theory of elasticity)

② 수치해석적 방법(근사해) :

- 유한요소법(有限要素法: finite element method ; FEM)

- 경계요소법(境界要素法: boundary element method ; BEM)

③ 실험적 방법 : 광탄성 실험법(photoelastic experiment)


(2) 응력집중의 완화 대책

① 반원 홈 부착, 라운딩을 주고, 곡률 반지름 증가, 테이퍼 등

② 몇 개의 단면 변화에 의한 완만한 응력 흐름

③ 단면 변화 부분에는 보강재 부착

④ 숏피닝(shot peening), 압연처리, 열처리

⇒ 강도 증가, 표면거칠기 향상

<그림 1－10> 응력집중의 완화 대책


1-5 ≫ 재료의 파손

1. 파손과 파괴

▪ 파손(破損 ; failure) : 연성재료의 변형률이 급격한 증가로

항복된 상태

▪ 파괴(破壞 ; fracture) : 취성재료는 변형이 작으므로 균열(crack)

발생 · 진전 ⇒ 파단 현상

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