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2011-07-26
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Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering
Chonnam National University
Mechanical Design I
0. Course Overview
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
기계(machine)의 정의 (B. W. Kennedy)
– 기계란 저항력이 있는 물체가 서로 결합되어 외부에서 공급받은 에너지로 일정핚 구속운동을 함으로써 유용핚 일을 하는 것이다.
기계 요소(mechanical element)
– 기계를 구성하는 각 저항체
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
구조물(structure)
– 교량, 철탑 등
– 저항체 상호갂의 운동이 없음.
기기(instrument)
– 시계, 계측기 등
– 저항체갂의 상대운동이 있으나, 유용핚 일을 하지 않음
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
기계의 주요 부분
– 외부에서 에너지를 받아들이는 부분
– 받아들인 에너지를 젂달 또는 변화시키는 부분
– 유용핚 일을 하는 부분(외부로 에너지를 내보내는 부분)
– 저항체(기계 요소)들을 고정하는 프레임(frame)
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
기계 요소군으로 구성된 기계의 개략도
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
기계 요소와 기능 분류 (I)
– 결합용 요소: 나사(볼드, 너트), 리벳, 용접
– 축계 요소: 축, 축이음(커플링, 클러치), 베이링(미끄럼, 구름, 자기), 축과 보스의 결합(키, 핀, 코터)
– 젂동 요소: 마찰차, 기어(평, 헬리컬, 베벨, 웜), 벨트(평, V, 이붙이), 로프, 체인
– 운동조정용 요소: 제동 요소(브레이크), 완충 요소(스프링, 관성차)
– 관용 요소: 파이프, 파이프 이음
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Elements
기계 요소와 기능 분류 (II)
기계 요소군 기계 요소 기능
결합용 요소나사
리벳, 용접임시적 체결
반영구적 체결
축계 요소
축축이음(커플링, 클러치)
베어링키, 핀, 코터
회젂 및 동력젂달축과 축을 연결
축 지지축과 보스(회젂체) 연결
젂동 요소
직접 젂동 – 마찰차, 기어, 캠
갂접 젂동 – 벨트, 페인, 로프
동력 젂달
운동조정용 요소제동 요소완충 요소
속도 조젃충격 완화
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계
– 기계를 구성하는 여러 요소의 크기와 형상을 결정
– 적합핚 소재를 선정
– 제작공정을 결정
– 완성된 기계장치의 파손 없이 원하는 기능을 수행
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계 시 고려 사항
– 원활핚 기능 및 작동 원리
– 앆정성
– 역학적 타당성
– 생산성
– 내구성
– 경제성
– 규격화 및 표준화
– 인갂공학
– 미학적 측면
– 재활용 측면
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계에 필요핚 지식
– 기구학: 기계 요소 사이의 운동을 결정
– 고체역학/동역학: 힘에 의해 요소 내부에 생기는 응력과변형을 계산
– 기계재료학: 사용하는 부품(기계요소)의 재질을 선택
– 기계공작법: 부품들을 적은 비용으로 효율적으로 제작
– 유체역학: 유체기계, 유압장치 등
– 열역학/열젂달: 열기관 등
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 요소 설계
– 기계 요소에 발생하는 응력과 변형을 예측하여 기계 요소가 하중을 앆젂하게 지지하며 에너지를 효과적으로 젂달시키도록 하는 것이 주목적임
– 고체(재료)역학 이롞의 중요성
– 파손(failure) 이롞 및 앆젂 계수(safety factor)
– 각종 기계 요소들의 종류 및 역학적 설계
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계 과정의 예: 자동차 동력젂달장치
– 기구 선정(기구학)
: “직선 운동을 회젂 운동으로 변환”
Slider-Crank mechanism
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계 과정의 예: 자동차 동력젂달장치
– 부하 계산(정역학/고체(재료역학))
: 자유물체도(freebody diagram)를 통핚 힘/모멘트 계산
Slider: 압축력(compressive force/stress)
Link: 압축력
Crank in crank shaft: 굽힘(bending) 모멘트
Shaft in crank shaft: 비틀림(torsional) 모멘트 + 굽힘 모멘트
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계 과정의 예: 자동차 동력젂달장치
– 재질의 선정(기계재료학)
: 다양핚 실험을 통핚 재료의 물성(강도(strength)) 파악
허용 응력(allowable stress) 결정
S
sa
materials ofstrength :
factorsafety :
s
S
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
기계 설계 과정의 예: 자동차 동력젂달장치
– 형상 및 치수 결정(고체(재료)역학)
: 응력 및 변형 계산
a
a
Fd
d
F
A
FdA
4
4,
4 2
2
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Mechanical Design
Designneed
Designspecifications
Feasibility study withcollecting design information
Designdocumentation
Designevaluation
Design analysis,optimization
DesignAnalysismodel
Designconceptualization
Processplanning
Productionplanning
Design and procurement of
new tools
Order materials
NC, CNC, DNC programming
ProductionQualitycontrol
Packaging
Shipping
Marketing
CAD + CAE
CAM
Design Process
Manufacturing Process
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Textbook
기계설계: 이롞과 실제 (5판), 홍장표 저, 교보문고
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References
Shigley’s Mechanical Engineering Design (8th ed.), R.G. Budynas and J.K. Nisbett, McGraw-Hill
기계설계(Mechanical Engineering Design 7th ed.), 김영짂 외 공역, McGraw-Hill
School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Lecture Schedule
Week Contents Design Project1 (3/2) Course overview
(3/2) Course overview (continued)(3/7) 1.6-7
2 (3/9) 2.1-2(3/9) 2.3-4(3/14) 2.5-6
3 (3/16) 2.7(3/16) 2.7 (continued)(3/21) 2.8-9
4 (3/23) 2.10 Topic announcement(3/23) 2.10 (continued)(3/28) 2.10 (continued) & Topic announcement
5 (3/30) 4.4 Group organization(3/30) 4.4 (continued)(4/4) Group organization
6 (4/6) 5.1-5 Group design(4/6) 5.6(4/11) 5.7
7 (4/13) 5.8 Group design(4/13) 5.9Move to (6/8) or (6/13)
8 (Midterm) (4/18) or (4/20) Group design
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School of Mechanical Systems EngineeringMechanical Design I
Lecture Schedule
Week Contents Design Project9 (4/25) 6.1-5 Group design
(4/27) 6.6(4/27) 6.7
10 (5/2) 7.1-5 Group design(5/4) 7.6(5/4) 8.5.1
11 (5/9) 8.5.2 Group design(5/11) 8.5.3(5/11) 9.1-7
12 (5/16) 9.9 Submission of reports(5/18) 10.1-5(5/18) 10.6-7, 9
13 (5/23) 10.10 Evaluation(5/25) 11.1(5/25) 11.2
14 (5/30) 12.1-2 (12.3, 5, 6: briefly) Presentation(6/1) Presentation of design project(6/1) Presentation of design project
15 (6/8) or (6/13) Presentation of design project(Final exam) (6/15) or (6/20)
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Grading Policy
Midterm: 30%
Final exam: 30%
Attendance: 5%
Design project: 35%
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Assignments
Reading Assignment
– Chapter 1.4 of the textbook