인천대학교 요소설계(Ⅰ) MACHINE COMPONENT(ELEMENT) DESIGN (Ⅰ) 공과대학 기계시스템공학부 메카트로닉스 전공 2012년 1학기 담당교수 : 박 성완
교재 : 1. 기계설계, 홍장표, 교보문고, 2011 2. 기계설계학,정선모,한동철,장인배,동명사,2010 3. SI기계설계, 정선모, 북스힐, 2011 4. 최신기계설계 3e, Norton. Prentice Hall, (주)피어슨 에듀케이션코리아, 2009 참고도서 : 1. 기계설계, 정남용, 삼성북스, 2011 2. 기계요소설계. Juvinall, John Wiley, 사이텍미디어, 2003 강의시간 : 강의실 : 교수연구실: 306-D/032-835-8686 sopark@incheon.ac.kr 교과목 개요 : 요소설계는 기계공학의 여러 과목의 확고한 지식과 많은 기술적 경험을 토대로 공학문제를 다루는 방법을 배우도록 지도하며 주어진 시간 내에 적절한 해를 얻도록 여려가지 방법론을 제공한다. 여러 종류의 전문적인 공학문제의 취급으로 공학의 다양한 측면을 최대한 활용하여 이해력을 증진 시키고 문제를 시각화하여 설계를 어떻게 하면 향상시킬 수 있는지를 구체화 한다. 수업목표 : 각 요소의 기본 설계식을 중심으로 그 기계요소의 설계원리와 실제 적용시 에 알아두어야 할 유익한 내용을 설명하여, 설계의 구체적인 해석절차뿐 아니라 기계부품의 설계를 결정하는 초기과정과 그것이 전체 기계설계에 미치는 영향을 파악 할 수 있는 능력을 배양시켜 실질적인 공학문제를 해 결하도록 한다.
강의 계획서 강의 내용 과제 및 퀴즈 시험 1주 기계요소설계의 개념 2주 기계요소설계의 입문 : 설계의 특성, 설계의 종류, 파손의 법칙 3주 체결용기계요소 : 나사 나선의 원리,나사의 종류,나사역학 추천 문제중 2문 이상 자유 선택 4주 체결용기계요소 : 나사 나사부품,나사강도 5주 체결용기계요소 : 나사 나사설계 6주 체결용기계요소 : 리벳이음 리벳팅,리벳이음의 강도,구조용 리뱃이음 7주 체결용기계요소 : 용접이음 용접부의 형식,용접이음의 강도 8주 중간고사 중간고사 9주 체결용기계요소 : 키이,코터,핀 키이의 종류,키이의 강도,스플라인 추천 문제중 2문 이상 자유 선택 10주 체결용기계요소 : 키이,코터,핀 코터이음의 역학,코터이음의 강도,핀 11주 전동용기계요소 : 축 축의 강도설계,축의 강성설계 12주 전동용기계요소 : 축 축의 위험속도 13주 전동용기계요소 : 축이음 커플링 14주 세미나 15주 세미나 16주 기말고사 기말 시험
기계요소 설계의 기초 1. 기계의 정의 (B.W Kennedy의 정의) 기계라면 몇 개의 저항물체로써 각 물체는 각각 일정한 구속운동을 하고 있으며 그 일단에 동력을 주면 타단에서는 인간에게 유익한 일을 하는 것이다. 오늘날의 기계의 정의 기계란 물리량을 변형시키거나 전달하게 하여 인간에게 유용한 것 기계에 대한 몇몇 학자들의 정의를 제시하면 다음과 같다. (1) 비틀비우스설(Marcus Viturvius Pollio) 로마의 아우구스투스 황제 무렵에 건축가로 그는 저서 건축십서 중에서 기계란, 무거운 것을 이동시킬 때에 대단히 큰 이익을 가져오는 1 개의 본질적 장치이다. 라고 정의하고 있다. 이것이 기록에 남아있는 기계의 정의 중에서 가 장 오래된 것이다. (2) 짜이징설(Zeising) 17 세기 초, 짜이징은 기계란 하중의 이동에 대하여 특히 뛰어난 본질을 갖는 1 조의 목제장치이다. 라고 정의하였다. (3) 레이폴트설(Jacob Leupold) 독일의 기계제작자 레이폴트는 기계 혹은 기구는 인공적 제작물로, 그 도움을 빌어 운동을 일으키는 것이 가능하며 또한 시간이나 힘이 절약 가능한 것이다. 라고 정의하고 있다. (4) 루우레우(F. Reuleux) 기계는 저항력 있는 물체의 조합체(combination of resistant bodies)로서 이들 각 부분은 특정의 한정운동을 하며 외부에서 주어진(자연의) 에너지를 유효한(필요한) 일로 변환시키는 것이다. (5) 마틴(G H. Martin) 기계는 에너지를 변환시키거나 전달하기 위한 장치로서, 동력원을 해야 할 일로 변 환시키기 위하여 상호작용이 필요한 여러 개의 고정체(fixed bodies)와 운동체 (moving bodies)의 조합체로 이루어진다.
(6) 쉬그리(Shigley) 기계는 일을 하기 위한 부분품의 배열(arrangement of parts for doing work)로 그 일을 할수 있도록 힘을 가하거나 방향을 변환하는 장치로서 기구와 기계는 목적상 차이를 갖는다. (7) 국제기계 및 기구이론연합 (IFToMM : International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms) 기계적 운동이나 힘을 원천부재로부터 출력부재로 전달하는 장치로서 기계와 기구 와의 개념은 명확히 구분되지 않는다. (8) 랜덤 하우스 사전(Random House Dictionary) 기계는 상호관련된 요소로 이루어진 장치로 힘과 운동을 수정하여 유용한 일을 하 는 것을 말한다.
설계(design) 1 어원적 의미: Latin어의표시하다,생각하다(to mark out)라는 뜻의 designare에서 유래 2 사전적 의미: (webster 사전) 작업이나 활동을 위하여 윤곽을 잡거 나 계획하는 것, 상상하거나 고안하는 것 3 공학적 의미: 과학적 원리와 공학도구, 수학, 컴퓨터그래픽스를 사용하여 계획을 세우고 수행된 계획이 인간의 욕구를 충족시킬 때, 그러한 계획을 세우는 과정을 말하며 system engineering 또는 결정이론 (applied decision theory) 이라 한다. 2. 설계 과학적 원리와 공학도구, 수학, 컴퓨터그래픽 등을 사용하여 계획을 세우고 수행된 계획이 인간의 욕구를 충족시킬 때 그러한 계획을 세우는 과정을 설계라 하며 시스 템 엔지니어링(system engineering) 또는 결정이론(applied decision theory)이라 한다. 기계설계(machine design) 기계설계란 기계상품, 구조물, 장치 및 기구 등 기계적 성질을 가진 물건이나 시 스템을 설계하는 것을 의미한다. 설계의 특성 1 Problem definition(문제의 정의):사용자의 요구사항 Fuzzy 하다 명확하게 공학적 요구사항으로 정의 2 Creative process (창의적인 절차) 3 Analytical process (해석적인 절차) 4 Ultimate cheek (목표를 실제구현) 설계의 종류 1 Scaled design(치수설계) : 규격, 기능의 추가(현장에서 2/3이상) 2 Evolutionary design (개선 설계) : 획기적 기능 추가 3 Revolutionary design (개혁 설계) : 새로운 차원 3. 기계설계의 순서 가장 유효하게 작용하는 기구를 선정하고 다음에 각 기계요소들에 대한 외부에서 작용하는 힘, 자기의 관성에 의한 힘 및 진동 등을 고려하여 그 내부에 생기는 응 력과 변형률의 크기를 계산하고 이에 적합한 재료를 선정하여 기계가 안전하고 확 실하게 작용을 계속할 수 있도록 형상과 치수를 결정하는 것이다.
4. 파손의 법칙 기계부품에 단순응력이 작용할 때에는 실험에서 얻어지는 선도로부터 탄성 한도, 항복점, 극한강도 등을 알 수 있으므로 그 설계는 쉽게 이루어진다. 일반 적으로 기계부품은 조합응력의 상태로 사용되는 수가 많다. 이때의 파손의 조건 으로, 응력, 변형률 또는 에너지의 조건식으로 표시된다. 정하중, 응력분포가 균일한 경우에 대하여 많은 학설이 제안되어 있으며 설계에 흔히 사용되는 주요 학설은 다음과 같다. (1) 최대 주응력설(maximum principal stress theory : Rankine의 설) 최대 주응력 이 인장 또는 압축의 한계응력에 이르렀을 때 파손된다. (1-1) 여기서 : 한계응력, : 탄성한도, : 항복점, : 극한강도 이 학설은 취성재료의 분리파손에 적용된다. 취성재료로 만든 축이 굽힘 모멘트 과 비틀림 모멘트 를 동시에 받을 때에는 Rankine의 식 (1-2) 에 의하여 상당 굽힘 모멘트 를 구하고, 이 로부터 을 산출하면 된다. (2) 최대 주변형률설(maximum principal strain theory : St. Venant의 설) 최대 주변형률 이 단순인장 또는 단순압축일 때의 항복점에 있어서의 변형 률 에 이르렀을 때 탄성파손이 일어난다. (1-3) (3) 최대 전단응력설(maximum shearing stress theory : Coulomb, Guest의 설) 최대 전단응력 이 항복전단응력 에 이르렀을 때 파손된다. (1-4) 이 학설은 연성재료의 미끄럼파손에 적용되는 것이므로 기계요소의 강도설계에 가장 많이 사용된다. 연성재료로 만든 축이 굽힘 모멘트 과 비틀림 모멘트 를 동시에 받을 때에 는 Guest의 식 e (1-5)
에 의하여 상당 비틀림 모멘트 를 구하고, 이 로부터 을 산출하면 된다. (4) 전단변형 에너지설(maximum distorsion energy theory : Huber, Mises, Nάdάi의 설) 변형 에너지는 체적의 변형 에너지와 전단의 변형 에너지와의 합이다. 이 전 단의 변형 에너지가 재료에 고유한 일정한 값, 즉 단순인장의 항복점에 있어서 의 전단변형 에너지에 이르렀을 때 파손된다. (1-6) 여기서 또는 일 때에는 가 되고, max 가 되므로 최대 전단응력설과 일치한다. 이 설은 연성재료의 미끄럼파손에 가장 가깝게 일치한다. 실제로는 식이 약간 복잡하므로 이 설에 가까운 최대 전단응 력설이 사용되며, 양 학설의 차는 최대 15 % 정도이다. 이상의 학설 이외에 Mohr의 설, 전변형 에너지설, 내부 마찰설 등의 이론이 제안되고 있다. 5.조합응력 텐서(tensor) : 어떤 좌표계에서 정의된 양( 量 )이 변환된 다른 좌표계에서도 그 형태를 바꾸지 않는 양 텐서(tensor)의 특징 :1수식을 쉽고 간결하게 표시 가능 2물리적 현상의 해석이 편리 3좌표 취급방법이 변해도 식의 형태불변 4좌표계의 변환이 용이 5행렬( 行 列 matrix)로서 표시 가능 6변환행렬만 알면 좌표계의 변환이 가능 텐서의 차수 : 방향수의 표시 Scalar : 0th order tensor Vector : 1st order tensor Stress,strain : 2nd order tensor
stress tensor : 3행 3열 행렬로 표시 (수직응력), 방향 면 (전단응력)
디자인의 개념 1. 모든일을 효과적으로 계획하고 성공적으로 수행하기 위한 전략과 기획 2. 아름다움,기능,편리함,경제성,짜임세,최적화,인간적 어울림,잘 배열된 콘텐츠,계획,설계등을 의미를 갖는 매우 다의적인 뜻을 내포한다. Design or Decline Resign(디자인 하지 않으려면 사퇴하라.) 1979, 영국의 수상 M,Thatcher Design or Die(디자인 하지 않으면 죽는다.) 뉴질랜드 정부산하 디자인 진흥기관 Design, then Prosper(디자인을 하면, 번영하리라.) 대한민국 디자인은 모든 것을 정복하고 있다. 바디샵 창업자, 아니타 로딕 디자인은 서비스로 혹은 제품으로 완성되기 까지 겹겹이 스며들어 있는 인간 창조물의 기본정신이다. 2010, Steve Jobs 가장 많이 아는 자가 가장 창의적이 된다.