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기계요소설계
임노빈 교수
KAIST 대학원 생산공학과 석사과정
KAIST 대학원 기계공학과 박사졸업
KAIST 대학원 생산공학과 석사과정
KAIST 대학원 기계공학과 박사졸업
한성대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 6개 챕터, 40강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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[1강] 기계요소설계 오리엔테이션
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기계 요소 설계의 개념과 설계 일반 원리
• 기계·기계요소·기계요소설계: 한정된 상대운동으로 기계적 일을 하는 장치(기계)와 규격화된 반복 부품(기계요소)을 대상으로, 단위 요소의 강도·형상·구조를 기능·제조 관점에서 선정·계산·검토하는 설계 활동 및 NCS 능력단위(공차·재질·체결·동력전달·검증 등)를 체계적으로 학습하는 영역 • 설계 요구조건·제약·최적설계: 기능성·안전성(PL법)·신뢰성·경쟁성·사용성·제작성·시장성을 충족하도록, 크기·동력·운동범위·시간·비용·설계자 지식 등의 제약 하에서 해석·실험·예측을 통해 최적안을 선택하고, 요소·연결·형상·공정·열·기계처리·공차를 결정해 도면으로 구체화하는 의사결정 과정 • 설계 과정·시작품·시제품·설계자 역할: 필요성 인식→요구 정의→문제 정의→분석→해석→최적화→결정→평가·발표의 반복 과정에서 시작품으로 기능·요구조건을 검증하고 시제품으로 양산성·공정·코스트를 검증하며, 설계자는 창의성·공학지식·수학·통계·컴퓨터·그래픽·언어 능력과 팀 기반 의사소통 역량을 통해 최선의 설계안을 도출함 |
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| 1장. 기계설계 기초 | ||
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[2강] 기계의 정의, 설계시 고려사항
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기계요소설계 기본사항: 기계 정의·CAD/CAM·설계 고려
• 기계 개념 확장: 전통적 구속된 상대운동·유용한 일 수행 장치에서 에너지·물질 변환·인간 활동 지원까지 포함하는 시스템 정의 정리 • 컴퓨터 활용 설계·생산 체계: CAD/CAE/CAM/CAT/CIM을 통한 설계·해석·가공·시험·공장 통합관리 구조 및 공학설계 6단계 절차 개관 • 설계 핵심 고려요소: 기능·내구성·안전·경제성·재활용성, 기술기준과 표준화, 인간공학·기능설계·생산설계의 역할 및 상호 관계 요약 |
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[3강] 기계 요소의 분류, 단위계, 효율과 손실, 철강의 호칭법
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기계요소 분류, SI단위계·효율·철강 호칭법 정리
• 기계요소 분류·역할: 결합 요소·동력 전달 요소·동력 제어 요소·배관 요소의 기능 구분 및 대표 요소 체계 정리 • SI 단위·동력 관계: SI 기본·조립단위, 힘·압력·일·동력 단위 정의와 각속도·원주속도·동력(P=Fv, P=Tω, ω=2πN/60) 관계식 정리 • 효율·손실·철강 호칭: 효율과 손실동력 계산식(입력·출력 기준, 마력 환산) 및 철강 호칭기호로 재질·용도·강도·제조법·형상 해석 체계 정리 |
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[4강] 응력과 변형률 (1)
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응력과 변형률, 하중·응력 합성·응력집중·크리프 핵심 정리
• 하중·응력·변형률 개념: 인장·압축·전단·비틀림·굽힘 하중 분류와 정·동하중, 분포하중·표면력·물체력 정의, 공칭·진응력과 응력–변형률 곡선, 후크의 법칙·탄성계수·포아송비를 통한 재료 거동 규정 • 응력 합성·상당 모멘트: 응력텐서와 평면응력, 모어의 원을 이용한 주응력·최대전단응력 해석, 굽힘·비틀림 동시 작용 시 상당 굽힘모멘트·비틀림모멘트로 등가 단일 하중 변환하여 축·부재 설계에 적용 • 응력집중·크리프·응력이완: 노치·구멍·계단축 등 단면 급변부의 응력집중계수와 형상·보강·표면처리에 의한 저감, 고온 정하중에서의 크리프 3단계와 크리프파단, 변형률 고정 조건에서의 응력이완을 통한 파손·수명 예측 기준 정리 |
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[5강] 응력과 변형률 (2)
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재료 파손예측이론, 안전계수, 피로파손 및 예제 정리
• 재료 파손예측이론·기준강도·안전계수: 최대 주응력설·최대 전단응력설·Von Mises 전단변형에너지설을 이용한 파손 판단과 정·교번하중, 재료 연성/취성, 온도·좌굴 조건에 따른 기준강도 선정 및 허용응력·안전계수 정의 • 피로파손·S-N곡선·잔류응력: 반복하중에 의한 피로파괴, S-N곡선과 피로한도·저주기·고주기 피로 및 피로강도 저하/향상 인자, 잔류응력의 발생·제거·압축잔류응력 활용을 통한 피로수명 설계 • 응력·변형률·설계 예제: 진변형률과 공학적 변형률, 응력·변형률·0.2% offset 항복 계산, 축력·전단응력 해석, 기준강도·안전계수 선정 관련 개념·계산 예제 정리 |
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[6강] 산업표준, 공차의 필요성, 치수공차와 끼워맞춤
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공차와 치수공차·끼워맞춤 핵심 개념 정리
• 산업표준·표준수·정규분포 기반 치수정밀도: KS·ISO 규격과 표준수 계열(R5·R10·R20·R40), 정규분포·평균·표준편차를 이용한 가공 치수 분포·정확도·정밀도 평가 체계 • 치수·공차·공차역 체계: 실치수·허용한계치수·기준치수, 위치수허용차(ES, es)·아래치수허용차(EI, ei)·치수공차, IT 공차등급과 구멍·축 공차역 기호(H, h, JS, js 등)에 의한 공차역 위치·크기 지정 및 치수·공차 표기법(허용차·한계치수·기호 표기) • 끼워맞춤 및 구멍기준 설계: 헐거운·억지·중간 끼워맞춤 정의와 최소·최대 틈새/죔새 계산, 구멍·축 공차역 조합에 따른 맞춤 상태 판정, 구멍기준 끼워맞춤(H7/g6 등)의 경제성·적용 기준 및 JS/js 대칭 공차 활용 원리 |
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[7강] 기하공차, 표면거칠기
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기하공차와 표면거칠기
• 기하공차 체계(KS B 0608) : 모양(형상)·자세·위치·흔들림 공차로 분류하여 치수공차가 규제하지 못하는 형상 편차를 공차기호·데이텀·공차역 개념으로 체계적으로 규정 • 형상·자세·위치·흔들림 공차 정의 : 진직도·평면도·진원도·원통도·윤곽도, 평행도·직각도·경사도, 위치도·동축도·대칭도, 원주·온 흔들림 등 각 엔티티의 이상 형상·자세·위치·회전 변위 허용범위를 데이텀 기준으로 설정 • 표면형상·거칠기 특성 : 표면 형상을 파상도와 거칠기로 분리하고, 표면거칠기를 Ra·Rz 등 수학적 지표와 도면 표시기호·등급으로 표현하며, 절삭 조건(S, R)에 따른 이론 조도식 H = S²/(8R)으로 가공 표면 품질을 정량 설계·평가 |
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| 2장. 결합용 요소 | ||
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[8강] 나사 (1)
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나사의 분류와 구조, 표시, 종류, 역학 요약
• 나사 기하·표시 체계: 결합용·운동용 기능, 수·암나사·오른·왼나사 구분, 피치·리드·리드각·유효지름 정의와 KS/ISO/UN 규격에 따른 호칭·표시·정밀도 등급(미터·유니파이·관용 나사) 체계 정리 • 나사 형상과 용도: 삼각·사각·사다리꼴·톱니·둥근·볼나사 등 단면 형상별 구조·나사산각·강도·가공성·자립성 비교와 결합용(미터, 유니파이, 관용)·운동용(잭, 프레스, 이송나사 등) 적용 기준 정리 • 나사 역학 해석: 사각·삼각나사에 대한 상당 마찰계수·마찰각·리드각을 이용한 회전력·토크·효율·자립조건(ρ > α) 수식 전개 및 설계·계산 예제(피치·리드 계산, 잭·스패너 하중·동력 산정, 효율 최대·자립 상태 효율) 정리 |
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[9강] 나사 (2)
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나사의 설계, 볼트·너트 강도 및 종류 정리
• 나사·볼트 강도 설계: 축방향 인장·전단·충격·반복하중에 대한 인장응력·전단응력·충격에너지 계산식과 파괴이론(최대 주응력·최대 전단응력)을 이용한 골지름·바깥지름 및 스프링 상수 기반 설계 절차 정리 • 체결 볼트·너트 설계: 죄어진 볼트–중간재를 선형 스프링 시스템으로 모델링하여 정적·반복 외력 시 하중 분담, 기밀 유지 조건, 허용 면압을 고려한 너트 높이·나사산수·재료 조합 결정식 정리 • 체결 요소 및 풀림 방지: 일반·특수 볼트·너트, 작은 나사·멈춤나사·나사못·태핑나사, 각종 와셔·스패너의 기능과 분류, 스프링 와셔·록너트·특수 너트·접착제 등을 이용한 나사 풀림 방지 방법 체계적 정리 |
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[10강] 리벳 (1)
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리벳 작업과 리벳 이음의 강도 및 효율 개념 정리
• 리벳 및 리벳작업 개념·공정: 리벳 구조와 자루길이 결정, 구멍가공·때림·코킹·플러링 절차와 기밀·강도 확보 기능 정리 • 리벳 이음 구조·설계요소: 이음 방식(겹치기·맞대기, 단일·복전단, 줄수·배열), 리벳·판 두께·피치·마진 정의와 설계식 및 파괴형태(전단·인장·끝 갈라짐·압축) 조건 정리 • 리벳이음 강도·효율 평가: 리벳 전단강도·판 인장·압축강도 평형식, 피치·리벳지름·마진 설계식과 판효율·리벳효율·조합효율 정의를 통한 이음부 강도·효율 최적화 기준 정리 |
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[11강] 리벳 (2)
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편심하중을 받는 구조용 리벳 이음의 설계와 계산 정리
• 구조용 리벳이음 기하·비례치수: 리벳지름·판두께·피치·뒷피치·마진·G거리 등 표준 비례치수와 형강·판재 이음 규격을 통해 강도·가공성·시공성을 동시에 만족하는 리벳 배치 기준 정립 • 편심하중 리벳군 하중 분배 이론: 리벳군 중심과 편심거리로 인한 모멘트, 직접전단력 F_D=P/n, 모멘트 전단력 F_M(i)=Pe·r_i/∑r_j², 합성전단력 R_i와 전단응력 τ_i 계산으로 각 리벳의 하중 분담과 안전성 평가 • 리벳 설계·효율 계산 절차: 허용전단응력 기반 리벳수·지름·피치 결정, 단일전단·복전단(계수 1.8) 이음 비교, 판재 효율·리벳 효율을 일치시키는 균형 설계와 편심하중 조건에서의 허용하중 산정 방법 정리 |
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[12강] 용접이음 (1)
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용접이음 종류·구성·효율 및 강도설계 핵심 정리
• 용접법 및 용접부 구성: 융접·압접·납땜의 접합원리와 모재·용착부·열영향부(HAZ)·용착금속·용접부 정의 및 잔류응력·조직변화 특성 정리 • 용접이음 형식 및 변형·결함: 그루브·필릿·플러그·비드·덧붙이 용접과 맞대기·겹치기·T·모서리·가장자리·덮개판 이음 구조, 용접변형·잔류응력 발생 메커니즘, 주요 용접결함과 비파괴검사(NDT) 방법 체계화 • 용접효율과 허용응력 설계: 이음효율 η = k₁·k₂ 개념, 형상계수·용접계수 결정 요인, 하중·사용환경에 따른 허용응력·안전율 설정 및 용접자세·재료·공정이 강도·신뢰성에 미치는 영향 정리 |
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[13강] 용접이음 (2)
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용접이음 강도설계: 맞대기이음·필릿이음·예제정리
• 목두께(throat thickness) 개념·산정: 용접 유효단면에서 가장 얇은 두께를 목두께로 정의하고, 맞대기·필릿·그루브·원형단면 이음별로 유효목두께와 단면적·단면2차모멘트·극관성모멘트 식을 산정해 강도계산 기준 단면 설정 • 용접이음 형식별 강도 설계: 맞대기이음·측면/전면 필릿이음·원형단면 필릿·그루브 용접에서 인장·전단·굽힘·비틀림 하중 조합을 고려해 일반 강도식(σ = P/A, σ_b = My/I, τ = V/A, τ = Tr/J)을 유효용접길이와 목두께가 반영된 유효단면에 적용하는 설계 절차 정리 • 편심하중·응력 조합 및 설계 예제: 편심 인장·전단·비틀림이 작용하는 필릿·그루브 이음에서 도심 및 모멘트 평형을 이용해 용접길이 배분, 직접응력·굽힘응력·전단응력을 분리 계산 후 합성응력으로 허용응력과 비교하는 강도 설계 예제(6.1~6.4) 풀이 구조 정리 |
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| 3장. 결합용 요소 | ||
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[14강] 축의 분류, 재료, 바깥치수, 설계시 고려사항
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축의 분류와 재료, 치수, 강도 설계 핵심 정리
• 축의 분류·재료 선택: 차축·전동축·스핀들, 직선축·크랭크축·유연성축, 중실축·중공축 등 용도·형상·하중에 따른 축 유형과 저탄소 구조용강·Ni·Cr·Mo 합금강 기반 재료 선정 기준 정리 • 축 치수·공차·설계 기준: KS 표준 축지름·공차(h, js 계열) 체계와 강도·강성·진동·열응력·부식 고려 설계 원칙, 단면 2차 모멘트·극관성모멘트에 기반한 굽힘·비틀림·복합·동하중에서의 등가 모멘트(Te, Me) 및 설계지름 산정식 구조 정리 • 응력집중·형상 효과·중공축 활용: 키홈·단붙이부 노치에 따른 응력집중과 강도 감소계수 β, 곡률반경·단차비 최적화 설계 원리, 동일 토크에서 중공축과 중실축의 지름·중량비 비교를 통한 경량·고강도 축 설계 전략 정리 |
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[15강] 축 설계
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축 설계: 비틀림·굽힘 강성, 진동, 베어링 간격 및 예제 정리
• 축 강성·굽힘 설계: 비틀림각·처짐량·처짐각 제한을 위한 강성 설계 개념, 비틀림식(θ = Tl/GI_p)·굽힘 처짐식(δ = Pl³/48EI)과 허용 기준(δ/l, β) 기반의 축지름·형상 결정 및 강도 설계와의 비교 • 축 진동·위험속도·베어링 간격: 축 고유진동수·위험속도(ω = √(g/δ), N = (30/π)√(g/δ)) 평가, Dunkerley·Rayleigh 방법에 의한 위험속도 근사, 운전속도 이격 기준, Unwin 경험식을 이용한 베어링 간격–축지름 관계 설계 • 종합 설계 절차 및 예제: 허용응력·허용 비틀림각·처짐 한계·동적 계수·등가굽힘·등가비틀림모멘트(M_e, T_e) 활용 축지름 역산, 중실축·중공축 비교와 중량비 분석, 강도 기준 vs 강성 기준 허용토크 비교 및 3차원 하중 하 최대 굽힘모멘트 기반 안전지름 산정 예제 정리 |
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[16강] 미끄럼 베어링 (1)
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미끄럼 베어링의 형태와 페트로프 식, 마찰 및 점성유체 정리
• 베어링 및 윤활 기본 개념: 미끄럼·구름 베어링 구조와 하중 지지 방식, 정압·동압 베어링 적용 조건, 윤활 상태(완전 유막·박막·혼합·경계)와 마찰력·마찰계수 정의 체계 정리 • 점성유체와 점도 특성: 뉴턴의 점성 법칙(전단응력–속도구배 관계), 절대점도·동점도 정의와 단위(포아즈·센티포아즈·스토크·센티스토크), 온도·밀도·SUV와 점도 상관식 정리 • 미끄럼 베어링 형식과 페트로프 식: 원형·타원형·멀티 로브·틸팅 패드 베어링 형상별 하중 용량·동적 안정성 비교, 페트로프 베어링 식을 통한 마찰계수–베어링 정수(ηN/p)–틈새비(r/δ) 관계와 스트리벡 곡선의 윤활 영역 구분 정리 |
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[17강] 미끄럼 베어링 (2)
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레이놀즈 방정식과 저널베어링 설계변수 및 재료 요약
• 레이놀즈 방정식·유막 압력 형성: 뉴턴·비압축성·점성 지배 유동 가정에서 속도분포와 단위 폭당 유량으로 1·2차원 레이놀즈 방정식을 유도하고, 저널베어링 유막에서 편심·유막효과·짜내기 효과에 의해 하중지지용 압력 분포가 형성되는 원리 정리 • 저널베어링 설계변수: 평균 압력 p와 폭경비 l/d, 발열 계수 pV·한계 pV, 베어링 정수·마찰계수·틈새비, Sommerfeld 수와 하중지지 능력, 최소 유막 두께 h_min 기준을 통해 하중, 발열, 진동, 수명, 윤활 상태를 종합 설계하는 절차 정리 • 베어링 재료와 플라스틱 베어링: 주철·구리합금·화이트 메탈·카드뮴·알루미늄 합금·소결합금·플라스틱 등 금속·비금속 재료의 강도·내마모성·내식성·열특성 요구 조건과 용도, 자기윤활·경량·내식성을 활용한 플라스틱 베어링의 적용 분야와 특성 정리 |
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[18강] 미끄럼 베어링 (3)
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미끄럼 베어링 설계 핵심 정리 및 예제 풀이 요약
• 미끄럼 베어링 설계 개념: 레이디얼·스러스트 베어링 구조 구분, 엔드·중간 저널의 굽힘강도와 베어링압력·폭경비(l/d) 설계, 베어링 본체·캡·받침대의 허용응력 기반 치수 결정 • 열·마찰 설계 지표: 미끄럼 속도 v, 마찰력·마찰동력·마찰열 계산, 압력속도계수 pv 정의와 허용 pv를 이용한 저널 길이·칼라 폭·칼라 수 설계, 피봇·칼라 베어링의 유효면적·평균지름 기반 압력·발열계수 산정 • 유막 압력 발생 원리: 쐐기형 유막효과·미끄럼 신축효과·짜내기 효과에 의한 유체압력 형성 메커니즘 정리 및 축하중 지지 조건, 관련 공식 적용 예제(8.1~8.6) 계산 절차 요약 |
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[19강] 구름 베어링 (1)
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구름 베어링 구조·분류·재료·종류 핵심 정리
• 구름베어링 기본 개념·구조: 내륜·외륜·전동체(볼·롤러)·리테이너·씰로 구성된 회전축 지지 기계요소로, 점·선접촉 구름운동으로 마찰 감소·고하중·고속·고정밀 운전 및 레이디얼·스러스트 복합하중 지지를 수행함 • 구름베어링 분류·재료: 전동체 형식(볼·롤러)·하중 방향(레이디얼·스러스트)·열수(단열·복열)·분리 여부·크기·조합 방식에 따라 형식이 구분되며, 궤도륜·전동체에는 고탄소 크롬강·침탄강·스테인리스강 등 고강도 재료와 특수열처리·고청정 강재·적정 윤활·밀봉 구조로 피로수명·내마모성·조심성을 확보함 • 구름베어링 종류·특성: 깊은 홈 볼·앵귤러·조합·복렬·자동조심 볼, 원통·자동조심·테이퍼·니들 롤러, 스러스트 볼·스러스트 자동조심 롤러 등 형식별로 지지 가능한 하중 방향, 허용 속도, 분리 여부, 조심성, 설치공간·강성·대표 용도가 상이하여 정보기기·전동기·자동차 트랜스미션·제지·철강 설비·감속기 등에 적합 형식을 선택 적용함 |
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[20강] 구름 베어링 (2)
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구름베어링 규격·치수, 선정·배열, 정·동정격하중 및 수명 계산 핵심 정리
• 구름베어링 규격 체계: 내·외경·폭과 직경·폭·치수 계열 및 내경 번호, 호칭번호(형식 기호·치수 계열·내경 번호·보조기호)로 형식·치수·클리어런스·접촉각·실드·리테이너 등 사양을 코드화해 선정 기준 제공 • 베어링 선정·배열 설계: 조립 공간, 하중 크기·방향(레이디얼·스러스트), 허용 회전수, 정밀도·클리어런스·윤활·리테이너, 시장성 등을 종합해 형식·배열(고정측·자유측, 분리형/비분리형)을 결정하고, 축 열팽창·강성·음향·조립성을 고려해 최적 구조 설계 • 하중·수명 계산 원리: 기본 정정격하중 C₀와 정등가하중으로 정지 하중의 영구변형 한계 설정, 기본 동정격하중 C와 동등가하중 P(=XF_r+YF_a)를 사용해 L₁₀, L_h 산정하며, 구름 피로수명(플레이킹), 신뢰도·재료·윤활 보정계수 a₁·a₂·a₃를 반영해 요구 수명과 규격을 매칭함 |
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[21강] 구름 베어링 (3)
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구름베어링 윤활·틈새·끼워맞춤·예압 정리
• 구름베어링 윤활·밀봉·허용회전수: 그리스·오일·고체윤활제의 기능과 유욕·적하·비산·순환·분무·오일에어 윤활법, 펠트실·래비린스실·오일실에 의한 누유·이물 방지, 허용회전수와 dmn 값에 따른 고속 운전 한계 정리 • 구름베어링 틈새·끼워맞춤: 내·외륜 간 기본 클리어런스의 역할과 등급(C2~C5) 선정, 하중 성질·크기·온도·구조에 따른 축·하우징 끼워맞춤 조건과 크리프 방지, 유효죔새·하중에 의한 죔새 감소량 계산 구조 정리 • 예압과 베어링 강성: 예압의 목적(틈새 소멸·강성 증대·진동 억제)과 적정 예압 범위, 정위치 예압과 정압 예압의 방식·특징·용도 차이 및 볼·롤러베어링 강성과 피로수명·위치정밀도와의 관계 정리 |
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[22강] 구름 베어링 (4)
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구름베어링 축방향 고정과 수명 계산 핵심 정리 (설치·해체, 열팽창, 하중·수명공식, 배열형태, 예제풀이)
• 베어링 설치·해체·축방향 고정: 유압프레스·나사너트·슬리브·스페이서·풀러·열팽창 끼워맞춤·유도가열로 축방향 고정·예압 구현 및 손상 최소화, 브리넬링 압흔 발생 원인·특징 이해 • 베어링 수명 이론과 계산: 정격수명 L10·시간수명 Lh·수명식 Lh=(C/P)^r·수명지수 r(볼 3, 롤러 10/3)·동등가하중·하중계수·속도계수·수명계수·한계속도지수 dN을 이용한 수명·허용하중·필요 C 계산 • 베어링 배열형태와 복합하중: 고정측·자유측·반고정·자유식 배열에서 축방향 하중 지지 및 열팽창 흡수 구조 파악, X·Y계수·하중계수 적용 복합하중 등가하중 산정과 수명·회전속도 해석 |
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[23강] 커플링
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축이음: 커플링과 클러치의 종류·설계 개요 정리
• 축이음·커플링·클러치 개념: 두 축 연결을 통한 토크 전달 요소로서 영구 연결 커플링과 운전 중 단속 가능한 클러치의 기능·분류 체계 정리 • 커플링·조인트 구조와 설계: 고정·유연성·올덤·유니버설 커플링의 구조·용도·속도비 특성 및 토크·응력·볼트·플랜지 강도계산식 중심의 설계 원리 정리 • 클러치 종류와 설계 조건: 클로·마찰·유체·일방향 클러치의 전달원리·분류와 마찰계수·열·마모·균형·경량화 등 설계 시 고려사항 체계화 |
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[24강] 클러치
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클러치 종류와 설계·토크 계산 핵심 정리 (기계요소설계 10.2장)
• 클러치 분류·기능: 맞물림·마찰(평판·원추·단판·다판)·원심·전자·유체(커플링·토크컨버터) 클러치의 동력 전달·차단 기능과 충격 흡수·제어 특성 비교 정리 • 맞물림·마찰·원추·전자·원심·유체클러치 설계: 턱 형상·굽힘강도·접촉면압·평균지름·마찰계수·원추각·등가마찰계수(μ′)를 이용한 토크·축방향 힘·전달동력 산정식 및 구조·특징 체계화 • 응용 계산 및 설계 예제: 원통·클램프 커플링, 단판·다판·원추 마찰클러치, 유니버설조인트, 유체커플링·토크컨버터의 토크·동력·응력 계산 절차와 시험·설계에 필요한 핵심 공식 정리 |
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[25강] 축과 보스의 결합방법, 키(KEY), 스플라인(Spline)
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키, 핀, 코터와 스플라인의 축-보스 결합 및 강도 설계 요약
• 축-보스 결합 요소: 키·핀·코터·스플라인을 이용해 회전력·동력을 전달하며, 마찰·보조요소·치형결합 방식에 따라 선택하고 축 강도 저하와 접촉부 전단·압축 파괴를 제한하도록 치수·재질을 설계함 • 키와 미끄럼·접선 결합 설계: 안장키·납작키·묻힘키(평행·경사·머리붙이)·접선키·미끄럼키·반달키·둥근키·원뿔키의 구조·용도·토크 범위를 구분하고, 전단응력·측면압축응력·허용면압·마찰조건을 이용해 T–b–h–l–d 비례관계 및 경험식으로 키 치수와 전달 토크, 동력–토크–회전수 관계식으로 축 지름·허용동력을 산정함 • 스플라인 축 설계: 각형·인벌류트·세레이션 스플라인의 잇형·잇수·가공법·용도를 비교하고, 접촉면압 q_a·유효 이수·보스 맞물림 길이·평균지름과 접촉효율 η를 사용한 T = η z (h−2c) q_a l (d_1+d_2)/4 식으로 큰 토크를 균일 분담하도록 치수를 결정함 |
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[26강] 코터(COTTER), 핀
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코터 이음과 핀의 구조 및 강도 계산 핵심 정리
• 코터 이음 및 자립조건: 코터·로드·소켓·칼라로 구성된 축방향 하중 이음에서 때려 박는 힘·빼는 힘 관계와 자립조건(양쪽 기울기 α ≤ ρ, 한쪽 기울기 α ≤ 2ρ)으로 미끄럼 방지 설계 • 코터·로드·칼라 강도 설계: 코터 이음 및 로드·소켓·칼라에 작용하는 압축·인장·전단·굽힘응력과 접촉면압을 이용해 b ≈ (1/3~1/4)d, h ≈ (2/3)d, 칼라 지름·두께 경험식으로 치수 및 허용하중 계산 • 핀(너클핀) 구조 및 강도 계산: 평행핀·테이퍼핀·분할핀·스프링핀의 기능·규격·재료 개념과 너클핀 이음에서 인장·전단·면압·굽힘 파괴조건 및 접촉면압 식으로 핀 지름·아이·포크 두께를 결정하는 설계 절차 정리 |
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| 4장. 동력전달요소Ⅰ - 직접전동 요소 | ||
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[27강] 마찰차의 종류, 원통마찰차, 홈마찰차
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마찰차의 종류와 원통·홈 마찰차의 회전비 및 전달동력
• 마찰차 및 구름접촉 개념: 마찰력에 의한 동력전달 전동요소로서 평마찰차·홈마찰차·원추마찰차·무단변속 마찰차로 구분되며, 구름접촉 조건에서 접촉점 원주속도 일치와 회전비(ω, N, r, D 비례 관계)를 통해 속도비와 중심거리(외접·내접) 결정 • 원통마찰차 설계 관계: 외접·내접에 따른 회전방향과 중심거리식(C = (D_A ± D_B)/2), 회전비 ε = ω_B/ω_A = N_B/N_A = r_A/r_B = D_A/D_B, 아이들 휠 삽입 시 방향만 변화하는 속도비 불변 특성, 마찰계수 μ와 압력 P로부터 최대 전달력 F = μP 및 전달동력 H = μPv/735.5(PS), H' = μPv/1000(kW), 허용면압 q_a로 폭 b = P/q_a 산정 • 홈 마찰차 특성 및 설계식: V형 홈 구조로 유효마찰력 증대와 등가마찰계수 μ' = μ/[sin(α/2)+μcos(α/2)] 정의, 전달력 F' = μ'P 및 전달동력 H = μ'Pv/735.5(PS), 홈 각도 30°~40°, 홈 깊이 h ≤ 0.05D 및 h = 0.28μ'P[N], 전체 접촉길이 l ≈ 2hz, 허용면압 조건 q_a l ≥ Q로부터 홈 수 z ≥ Q/(2hq_a) 산정하여 마찰계수·면압·홈 형상에 따른 설계 기준 확립 |
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[28강] 원추마찰차
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원추마찰차와 기계식 무단변속장치 핵심 정리
• 원추마찰차 및 회전비 관계: 외접·내접 원추마찰차에서 교차각 θ와 원추각 α,β에 따른 회전비 ε(=N_B/N_A) 삼각함수식, 회전방향 차이, 마이터·크라운 휠 등 특수 형상 정의 • 마찰 전달력·동력·폭 설계: 접촉력 P와 마찰계수 μ로 회전력 F=μP, 전달동력 H=Fv/1000, 허용면압 q_a로 폭 b=P/q_a 산정 및 축방향 추력·반력, 원주속도 v, 최대 토크·필요 폭·추력 계산 절차 • 기계식 마찰식 무단변속장치: 원판·원추·에반스·구면 마찰차 및 평행축·직교축용 중간마찰차 구조를 이용해 접촉 위치·각도에 따른 유효반지름 변화로 속도비를 연속 제어하는 원리와 속도비 식 정리 |
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[29강] 평기어 (1)
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평기어
• 평기어 기본 개념·치수 기준: 기어와 마찰차 비교, 피치원·피치점·이끝/이뿌리·이두께·유효 이높이 등 각부 명칭과 원주피치·모듈·지름피치 정의 및 상호 관계, 표준기어·기준 랙·압력각·표준 치수 규격을 통한 기어 설계·호환성 기준 정리 • 기어 운동·구조 설계 원리: 회전비와 중심거리 식(지름·잇수·모듈 기반), 축 상대 위치에 따른 평기어·헬리컬·베벨·웜·하이포이드 등 기어 분류 체계, 치형곡선의 기구학적 조건(공통법선·피치점·각속도비 일정) 및 인벌류트 함수(inv α)를 활용한 기어 운동 해석 구조 정리 • 치형곡선 및 인벌류트 평기어 치형: 사이클로이드(에피·하이포사이클로이드)와 인벌류트 치형 정의·형성 원리·물림 특성 및 장단점 비교, 인벌류트 치형 평기어의 피치원·이끝원·이뿌리원·틈새·치면놀이·필릿 등 세부 치형 요소와 기능 중심 명칭 체계 정리 |
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[30강] 평기어 (2)
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기어 성능, 물림률·미끄럼률·언더컷·전위기어 정리
• 기어 물림기하와 물림률: 작용선·압력각·접촉호·법선피치·물림길이로 물림률을 정의하고(인벌류트 기준 ε = l/pn), 이끝높이·압력각·잇수로 연속 동력전달 조건과 설계 범위(ε > 1, 실용 1.2~2.5) 규정 • 미끄럼률과 마멸 특성: 피치점·접근/퇴거구간에서 미끄럼률 분포를 정의하고(인벌류트·사이클로이드 비교), 작은 기어·이끝·이뿌리에서의 마멸 경향과 효율·소음·수명에 미치는 영향 정리 • 언더컷·한계잇수와 전위기어 설계: 간섭·언더컷 정의와 발생 조건(작은 잇수·작은 압력각·큰 잇수비)을 바탕으로 최소잇수·한계잇수·전위계수 x 조건을 도출하고, 전위기어로 중심거리 조정·강도 증가·언더컷 방지·물림률 개선을 달성하는 설계 원리 정리 |
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[31강] 평기어 (3)
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평기어 설계, 강도 계산, 재료 및 예제 정리
• 평기어 설계 개념: 기어 재료·속도계수 선택, 림·보스·암 치수 경험식 설계, 작용하중·전달동력 계산을 통한 기본 치수·형상 결정 • 평기어 강도 계산: 루이스 식에 의한 이의 굽힘강도, 헤르츠 접촉응력에 의한 치면 면압강도, 스코링 강도 및 속도계수 반영 허용하중 산정 • 평기어 설계·계산 응용: 파손 형태별 설계 기준, 물림률·백래시·피치·기초원·감속비·중심거리 관계식과 예제를 이용한 시험·실무 계산 연습 |
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[32강] 헬리컬기어, 베벨기어, 웜 및 웜기어
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헬리컬기어·베벨기어·웜기어·기어열 구조와 설계식 요약
• 헬리컬 기어·베벨기어·웜기어: 평행축·교차축·꼬인축에서 스퍼기어 한계를 보완하는 기어로, 기하관계(모듈·피치·압력각·피치원추각·리드각)와 상당 평기어·스퍼기어 환산을 통해 강도·면압·추력·효율을 설계·계산하는 요소 • 헬리컬·베벨 기어 설계식: 나선각 β에 따른 모듈·피치·압력각 변환과 상당 평기어 잇수 Z/ cos³β, 베벨기어 피치원추각 δ·축각 θ·잇수 Z 관계 및 상당 스퍼기어 잇수 Z/ cosδ, 하중 분해와 루이스식·AGMA식 기반 강도·하중 계산 체계 • 웜·웜기어·기어열 특성: 리드각 λ·마찰각 ρ에 따른 효율 η = tanλ / tan(λ+ρ)와 자동체결 조건, 웜·웜휠 치수·강도·전달동력 식, 그리고 다단 기어열·유성기어열을 통한 큰 속도비·방향변경·동력분배 구현 원리 정리 |
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[33강] 기어열(gear trains)
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기어열과 기어트레인 회전비·예제 정리(기계설계)
• 기어 트레인 기본 개념: 중심고정·유성(planetary)·차동(differential) 기어 트레인 구조 정의와 회전비 = 잇수비·직경비 곱, 원동기어 잇수 곱 / 종동기어 잇수 곱 및 축 수에 따른 회전방향 관계 정리 • 유성·차동 기어트레인 해석: 태양기어·유성기어·암(arm) 사이 상대회전 개념과 고정·동일회전 가정에 따른 회전수 해석식, 아이들기어의 방향만 변경 기능 및 자동차 디퍼렌셜 응용 구조 정리 • 특수 기어 설계·계산: 헬리컬 기어 상당잇수·피치원지름의 cosβ 보정, 웜기어 감속비·중심거리·피치원지름 관계, 베벨기어 회전비·원주속도·전달마력·허용강도 계산을 포함한 힘·추력·감속비 계산 절차 정리 |
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| 5장. 동력전달요소Ⅱ - 간접전동 요소 | ||
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[34강] 평벨트, V벨트
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평벨트와 V벨트의 구조·특성·설계 및 동력전달 관계 핵심 정리
• 감아걸기 전동장치와 평벨트 전동: 유연 매개체(벨트)를 풀리에 감아 마찰로 동력 전달하는 간접 전동 방식으로, 평벨트 재료·형식·이음·풀리 구조·걸기 방법(바로걸기·엇걸기), 회전비와 벨트 길이·접촉각·속도비 감소 요인(슬립·크리핑·플래핑) 및 장력 정의와 아이텔바인 식을 통해 장력비와 유효장력에 의한 동력 전달 원리 정리 • 평벨트 및 풀리 설계와 변속 풀리: 인장·굽힘을 고려한 벨트 단면 설계(허용응력·이음효율 반영), KS 기준에 따른 평벨트 풀리의 림·보스·암 치수 설계, 크라운·플랜지 적용, 단풀리·원추풀리를 이용한 단계식·연속식 속도비 변환의 구조와 적용 범위, 축간거리·접촉각을 고려한 설계 조건 정리 • V벨트 구조·마찰계수·동력 및 초기장력: 사다리꼴 단면 V벨트와 V홈 풀리의 구조·규격(형식·각도·호칭길이), 쐐기 효과에 의한 상당마찰계수(μ′) 정의와 아이텔바인 식 대체, 장력비와 전달동력식(원심력 고려 여부별) 및 권장 속도·효율, 단·다단 풀리에서 초기장력 산정식과 인장 풀리에 의한 장력·처짐 조정 원리 정리 |
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[35강] 이붙이 벨트
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이붙이(타이밍) 벨트의 구조·특징·설계 및 소음 대책 정리
• 타이밍 벨트 전동 개념: 치형 벨트·타이밍 풀리 맞물림에 의한 무미끄럼 동력전달로 정확한 속도비·위치 제어, 소음·윤활·초기 장력이 작은 경량 전동 방식의 구조·재료·체인과의 비교 및 장단점 정리 • 타이밍 벨트 설계 이론: 규격·치형·피치·PCD·OD·PLD 정의와 선택 기준, 기준동력전달용량 H₀·설계동력 H_d·부하동력 H_n 및 벨트 속도·초기 장력·처짐 계산식을 이용한 벨트·풀리 선정 절차와 치수 계산 정리 • 소음 및 신뢰성 관리: 치형·회전수·장력·풀리 정렬·마모에 따른 소음 발생 원인과 감소 대책, 허용 장력·신장률·교체 주기 관리에 의한 내구성·타이밍 유지 및 설계 예제(기준동력 계산)의 적용 정리 |
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[36강] 체인
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체인 전동의 구조와 설계 원리 요약
• 체인 전동 개념·특징: 체인–스프로킷 맞물림식 동력전달로 미끄럼 없이 일정 속도비 확보, 벨트·기어 중간 영역에서 사용되며 롤러 체인·사일런트 체인 등 다양한 형식과 장단점·적용 범위로 분류 • 체인·스프로킷 기하·거는 법: 피치·피치원·잇수·굴곡각 관계로 스프로킷 치수·속도변동률·허용 속도비 설계, 축간거리·접촉각 조건에 따른 체인 길이·링크수·배치(수평·수직) 및 오프셋 링크 사용 규칙 정리 • 강도·동력·설계 계산: 롤러·사일런트 체인 구조와 파단하중·유효장력·안전율 기준을 이용해 전달동력·체인 선정·속도·스프로킷 지름·체인 길이(링크수) 등을 단계적으로 설계·검토하는 계산 절차 정리 |
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| 6장. 운동제어요소 | ||
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[37강] 블록, 드럼, 원판, 원추 브레이크
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브레이크 종류와 블록·드럼·원판·원추 브레이크 핵심 정리
• 마찰 브레이크 개념·분류: 운동에너지를 마찰 열에너지로 변환해 속도 감소·정지시키는 장치로, 반지름 방향(블록·밴드·내부 확장식)·축 방향(원판·원추) 제동력, 작동력 전달 방식(공기·유압·전자) 및 자동하중 이용 브레이크로 분류함 • 주요 브레이크 형식 구조·원리: 블록 브레이크(단식·복식·V블록), 내부 확장식 드럼 브레이크, 단판·다판 원판 브레이크, 원추 브레이크의 드럼·슈·레버·라이닝 구조와 제동력 방향, self locking 및 상당(등가) 마찰계수 개념으로 제동특성 규정함 • 제동력·제동토크·용량 설계: 공통적으로 f=μP와 모멘트 평형으로 제동력·제동토크 T를 산정하고, 접촉압력 p와 브레이크 용량 지표 μpv(마찰일·발열 한계)를 허용값 이내에서 만족하도록 블록 치수·마찰면적·재료·냉각조건을 설계하며, 레버 힘·유압·허용 압력·마찰면 수(z)를 연계해 계산함 |
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[38강] 밴드 브레이크, 관성차(fly wheel)
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밴드 브레이크와 관성차(flywheel) 핵심 정리
• 밴드 브레이크 기본 관계: 긴장측·이완측 장력비 \(T_t/T_s = e^{\mu\theta}\), 제동력 \(f = T_t - T_s\), 제동토크 \(T = fD/2\)를 사용해 제동력·동력 산정 및 레버 모멘트 평형으로 조작력 \(F\)와 밴드 단면(폭·두께)을 허용인장응력 기준으로 설계함 • 특수 브레이크 및 자동하중 브레이크: 나사·웜·캠·원심·전자석·폴 브레이크 등에서 마찰력·추력·원심력·전자기력·래칫 구조를 이용해 역회전 방지, 속도 제한, 원격 제동, 자동 제동 기능을 구현함 • 관성차(fly wheel) 에너지·강도 해석: 토크·각속도 변동을 완화하기 위해 \(\Delta E = J\omega_m^2\delta\), \(\xi = \Delta E/E\)로 필요한 관성모멘트 \(J\)를 결정하고, 림 관성모멘트(주로 림만 고려) 및 원심응력 \(\sigma \approx \rho v^2\)에 따라 허용응력을 만족하도록 플라이휠 치수·최대 회전속도를 설계함 |
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[39강] 스프링, 원통 코일 스프링, 토션 바(torsion bar)
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스프링의 특성, 재료·형상·용도별 분류와 원통 코일 스프링 및 토션바 정리
• 스프링 기초 특성·상수·에너지: 탄성에 의한 하중–변형·변형에너지 관계, 스프링 상수와 직렬·병렬 합성, 자유높이·종횡비에 따른 강성·안정성 설계 기준 • 스프링 재료·형상·용도 분류: 강·비철·비금속 재료와 요구 특성(탄성·피로·내식·내열), 코일·판·접시·고무·와셔·태엽 등 형상별 구조와 완충·측정·에너지 축적 등 용도별 기능 • 원통 코일 스프링·토션바 설계: 유효·무효 감김수와 스프링 지수, 전단응력·Wahl 계수와 처짐·스프링 상수·변형에너지 식, 특수단면·원추형 코일과 실·중공 토션바의 비틀림·강도·에너지 설계식 정리 |
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[40강] 판, 접시, 고무, 공기 스프링
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판 스프링·접시 스프링·고무/공기 스프링·완충장치 개념 정리
• 판 스프링·겹판 스프링: 외팔보·단순보 이론 기반 처짐·굽힘응력 해석, 판 수·형상수정계수로 등가 단면·스프링 상수 보정, 주판·스프링 아이·캠버 등 구성요소와 마찰에 따른 감쇠 특성 정리 • 접시 스프링·스프링 조합: 접시형 원판 스프링의 형상계수 기반 하중–처짐 관계와 직렬·병렬·혼합 조합에 따른 등가 스프링 상수 계산, 인장·압축 스프링의 직렬·병렬 조합으로 등가 강성·처짐 산정 절차 정리 • 고무·공기 스프링 및 완충장치: 고무·공기 스프링의 비선형성·감쇠·방진 특성과 형식(압축형·전단형·비틀림형·벨로즈형·다이어프램형) 및 기초 계산식, 유압식·마찰식 등 완충장치의 에너지 흡수 원리와 기계 설계 시 강성–감쇠 균형 개념 정리 |
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임노빈 교수님
기계요소설계
