본문내용
1. 서론
1.1. 설계 과제
가상의 모터가 축이음을 통해 동력을 전달한다. 축은 경제성을 고려해 중실축을 사용한다.
모터의 출력동력은 약 10HP(7.3kW)이므로 감속비 1/20인 감속기를 선정하였고, 모터의 정격회전속도인 2000[rpm]을 100[rpm]으로 낮추었다. 설계 시 안전성을 고려하여 안전율을 1로 정의하였다. 파괴가 일어나는 순서는 [볼트 -> 키 -> 커플링 -> 베어링 -> 축 -> 모터]로 설정하였다. 설계에는 전단변형에너지설(Von Mises설)을 이용하여 최대전단응력을 구하였다.
축 설계 시 강도, 강성, 진동을 고려하였으며, 열응력 및 열팽창, 부식은 고려대상에서 제외하였다. 직선 전동축의 재료로 기계구조용 탄소강 SM45C를 선정하였고, 비틀림모멘트만 작용한다고 가정하고 축의 지름을 선정하였다. 그 후 복합하중을 고려하여 키 홈의 영향을 반영하여 축의 지름을 재선정하였다.
베어링은 구름 베어링의 일종인 깊은 홈 볼 베어링[6819]을 사용하기로 하였다. 베어링의 간격은 2008mm 이내가 되도록 4개를 배치하였고, 진동 해석 결과 축이 매우 안전한 것으로 나타났다. 베어링의 수명은 900,000시간 이상으로 계산되었다.
키는 평행키(보통형)를 사용하며, 재료는 SM20C이다. 키의 치수는 [bxhxl]=[14x7x6]mm으로 선정하였고, 키의 최대전달토크는 89,208[kgf·mm]이다.
플랜지 커플링의 재료는 SM30C를 사용하였다. 볼트는 리머볼트(reamer bolt)를 사용하며, 재료는 SS400을 선정하였다. 볼트의 개수는 10개이고, 축 중심으로부터 볼트 중심까지의 거리(D_B/2)는 75mm이다. 플랜지 뿌리부 전달토크(T_f)와 커플링 뿌리부 지름(D_f)은 각각 108,640[kgf·mm], 150mm로 설계하였다.
이상의 설계 결과를 종합하면, 축의 지름은 90mm, 전달토크는 최대 103,677[kgf·mm]이다. 베어링과 키, 커플링 등 모든 부품의 설계가 완료되었다. 최종적으로 도면 작성 및 공차 기입 작업이 필요하다.
1.2. 모터 선정
모터의 출력동력은 7.3kW이며, 정격 회전속도는 2000RPM이다. 감속기 선정을 위해 약 10HP에 해당하는 모터를 선정하였고, 2000RPM의 정격 회전속도를 100RPM으로 감속하였다. 모터의 출력동력과 정격 회전속도를 고려하여 감속비 1/20의 감속기를 선정하였다.
1.3. 감속기 선정
모터의 출력동력은 약 10HP이므로 사양을 맞추어 감속비 1/20인 감속기를 선정했다. 이를 통해 모터의 정격회전속도 2000[rpm]을 100[rpm]으로 낮출 수 있다.
감속기 선정의 이유는 다음과 같다. 첫째, 모터의 출력동력은 7.3kW로 약 10HP에 해당한다. 둘째, 모터의 정격회전속도 2000[rpm]을 감속시켜 100[rpm]으로 낮추기 위해서이다. 감속기의 감속비를 1/20으로 선정함으로써 모터의 고속 회전속도를 적절한 저속 회전속도로 변환할 수 있다.
2. 안전 계수 및 파괴 순서 설정
2.1. 안전 계수
기계 설계에서 안전성을 고려하는 것은 필수적이다. 안전 계수를 높게 잡고 설계하면 기계가 안전하지만 비용이 높아지는 문제가 있기 때문에 최적의 안전율을 설정하여 최적설계를 하는 것이 중요하다. 안전율은 재료의 기준강도를 허용응력으로 나눈 것으로, 재료의 기준강도는 하중의 형태와 사용환경에 따라 다양하게 정의될 수 있다. 또한 변형이나 마모가 설계의 기준인 경우에는 한계변형이나 마모한계를 일으키는 응력을 기준강도로 정한다. 설계조건에 안전율에 관한 조건이 없으므로 우선 1로 정의한다.
2.2. 파괴 순서 설정
파괴를 고려할 부품으로는 모터, 축, 커플링, 베어링이 있고 그중 커플링은 플랜지, 볼트, 키의 3가지의 부품들로 구성되어 있다. 이 중에서 파괴의 순서를 설정하였다. 여기서 파괴의 순서는 경제성과 부품의 정비의 용이성를 고려하여 [볼트 -> 키 -> 커플링 -> 베어링 -> 축 -> 모터]를 파괴 순서로 설정하였다. 이에 따라 요소 재료의 최대 허용전단응력을 다르게 설정하여 먼저 부서질 부분을 설정하였다. 볼트, 키, 커플링, 베어링, 축, 모터의 순서로 파괴가 일어나도록 설계하였다. 이러한 파괴 순서 설정은 경제성과 정비의 용이성을 고려하여 이루어졌으며, 각 요소의 재료 선정 시 허용전단응력을 달리 하여 이 순서대로 파괴가 일어나도록 하였다.
2.3. 설계에 사용한 이론
재료의 파손 예측 이론은 크게 3가지가 있다.
첫째, 최대 주응력설(Rankine설)은 최대 인장응력의 크기가 인장 항복강도보다 클 경우 또는 최대 압축응력의 크기가 압축 항복강도보다 클 경우 재료의 파손이 일어난다는 이론이다.
둘째, 최대 전단응력설(Tresca-Guest설)은 최대 전단응력이 그 재료의 항복 전단응력에 도달하면 재료의 파손이 일어난다는 이론이다. 이 이론에 따르면 단순인장이나 압축응력에 의한 파괴는 항복 전단응력의 2배에 도달하면 파괴된다.
셋째, 전단변형에너지설(Von Mises설)은 변형에너지는 전단변형에너지와 체적변형에너지로 구성되어 있는데, 전단변형에너지가 인장시의 항복점에서의 변형에너지에 도달하였을 때 파손된다는 이론이다.
설계할 기계장치는 항복이 일어나면 기능을 상실하므로, 비틀림 모멘트가 작용하는 강재 계산에는 전단변형에너지설(Von Mises설)을 이용하여 최대전단응력을 구하였다.
3. 축의 설계
3.1. 축 설계 시 고려사항
축 설계 시 고려사항은 다음과 같다.
첫째, 강도(strength)이다. 작용하는 하중에 의하여 축이 파괴되지 않도록 충분한 강도를 가져야 한다. 둘째, 강성(rigidity)이다. 축에 작용하는 하중에 의한 변형도가 일정 한계치를 초과하지 않도록 한다. 굽힘 모멘트를 받는 축은 축처짐으로, 비틀림 모멘트를 받는 축은 비틀림각으로 제한한다. 셋째, 진동(vibration)이다. 축이 고유진동에 따른 위험속도를 충분히 벗어난 속도에서 운전하도록 설계하여야 한다. 진폭을 낮추고자 하면 평형잡이(balancing)을 하여야 한다. 따라서 축 설계 시에는 강도, 강성, 진동을 고려하여야 하며, 설계할 축이 액체에 접촉하지 않고 상온에서 사용할 것이므로 열응력 및 열팽창, 부식은 고려하지 않는다.
3.2. 용도 및 모양에 따른 축 선정
축은 용도에 의해 차축, 전동축, 스핀들로 분류할 수 있다...
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