기계 설계의 기본. 부품의 강도 및 힘의 종류 해설

기계 설계의 기본. 부품의 강도 및 힘의 종류 해설

기계 부품을 설계할 때에는 부품의 강도를 생각하지 않으면 안 됩니다.

강도는 어쩐지 "힘"이라는 이미지입니다만, 설계는 명확한 정의가 있습니다.

 

이번에는 설계에서의 "강도"에 대해서 해설합니다.

 

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강도 설계에 필요한 힘의 종류

강도는 기계 부품에 걸리는 힘에 대한 얼마나 버틸지를 나타냅니다.

그러나 기계 부품에는 사용 방법에 의해서 다양한 힘이 걸립니다.

사용 중에 깨지지 않는 충분한 강도를 가진 설계를 하려면 그 힘의 종류를 알고 

각각에 대해서 견딜 수 있도록 생각하지 않으면 안 됩니다.

기계 부품의 부품에 걸리는 힘은 다음의 3가지로 나뉘어 있습니다.

당기는 힘
압축력
전단력

끄는 힘은 엘리베이터를 매달게 하며, 

와이어나 프레스기로 장 풀과 펀치를 잇고 있는 축 등에 걸립니다.

압축력은 톱니 바퀴의 톱니의 표면과 구조물의 기둥에 걸리는 힘입니다.

끄는 힘과 압축력은 상상하기 쉽지만,

전단력은 말에서 이미지가 떠오르지 않을지도 모릅니다.

전단은 반대 방향으로 엇갈리게 걸리는 힘입니다.

예를 들어 테이블의 가장자리에서 내밀도록 둔 자, 

돌출되어 있는 부분을 아래로 낮춘다고 했을 경우, 

잣대는 테이블에서 끌어올리는 힘을 테이블 밖에서 끌어내리는 힘을 받게 됩니다.

 

이런 경우가 전단입니다.

 

2개의 파트를 연결하는 볼트와 구조물의 양(침)등에 걸리는 힘입니다.

기계 부품을 설계할 때는 각 부위에 어떤 힘이 달렸는지를 생각하고 

각각에 대해서 견딜 수 있는 형상해야 합니다.

 

설계된 기계 부품을 시작이나 양산하기 전에 시행되는 디자인 리뷰도

 각부에 걸리는 힘의 종류와 크기, 안전률 등이 중점적인 화제가 됩니다.

응력, 강성이란?

강도를 생각하는데 중요한 것이 "응력"입니다.

강도 계산할 때에는 외부에서 걸리는 힘에서 각부의 응력을 요구합니다.

응력은 부재의 내부, 1㎟에 걸리는 힘입니다.

예를 들면 구조물의 기둥이 하중을 견디지 못할 경우 

기둥을 굵게 하면 깨지지 않는 경우는 상상하기 쉬울 겁니다.

 

이는 기둥의 단면적이 늘어남에 1㎟에 걸리는 힘이 감소하기 때문입니다.

그러므로 기계 부품을 설계할 때는 각부의 응력이 

각각의 재료의 허용 응력(견딜 수 있는 응력)이하가 되도록 모양과 치수를 결정합니다.

강도와 비슷한 말에 "강성"이 있습니다.

강성은 "변형하기 어려움"을 나타내는 성질입니다.

 

예를 들어 쇠줄 절단기는 물건을 매달기 위한 강도는 있지만 

도르래 사이를 통하거나 드럼에 감아서 간단하게 변형시킬 수 있습니다.

한편 도기 등은 힘을 들여도 거의 변형하지 않습니다.

하지만 와이어 로프 등에 비하면 비교적 약하고 부서지기 쉬운 소재입니다.

즉 강성은 비싸지만 강도는 별로 높지 않은 소재입니다.

 

안전률이란?

 

기계 부품을 설계할 때 "간신히 견딘다"설계는 위험합니다.

예를 들어 사용 중에 옆에서 누르는 등 예상 밖의 사소한 요인으로 깨지기 때문입니다.

 

거기서 안전률을 생각합니다.

안전률은 허용할 수 있는 힘의 몇배까지 견딜 수 있는지를 나타낸 수치입니다.

예를 들어 최대 하중 100kg으로 운용하는 다이의 경우 

안전률 3에서는 300kg까지 견딜 수 있도록 설계합니다.

안전율의 기준은 기계 부품의 쓰임새나 재질로 JIS등으로 규정하고 있습니다.

예를 들어 천장 기중기의 와이어 로프는 3.35~5, 

반복한 하중에 견뎌야 하는 기계의 안전률은 12이 기준이 되어 있습니다.

튼튼한 기계나 부품이 좋다고 안전률을 너무 올리면 비용이 올라갑니다.

기준을 참고에 적절한 안전률에서 설계가 필요합니다.

정리

강도는 기계나 부품이 견딜 힘을 숫자로 끌어안고 당기는 힘, 

압축력, 전단력의 3종류가 있습니다.

 

응력과 강성, 안전률을 계산하고 설계합니다.

재료 및 제품의 용도를 고려할 비용을 낭비에 없고 사용을 설계합시다.

 

 

 

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