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내가 이해한 기계공학 (WIU of Mech) http://cafe.naver.com/wiuofmech
(c) 이상욱 교수 (순천향대학교 기계공학과)
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전동축 설계 (Design of Transmission Shafts)
전동축 설계 (Design of Transmission Shafts). • 전동축의 설계에서 필요한 주요. 명세사항: – 동력. – 축의 회전속도. • 토크 T를 받으면 의 각속도 ω로.
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축이란? 축의 종류와 특징/축 설계시 주의사항/스핀들 … – 고컴고캣
전동축(transmission shaft)은 주로 회전에 의해 동력을 전달하는 축으로써 굽힘과 비틀림 모멘트를 동시에 받으며 프로펠러 축이나 일반 공장용으로 …
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05장 비틀림 Part 2 (전동축의 설계) : 고체역학 , 재료역학
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축(軸)의 설계(設計)시 주로 사용하는 축의 재료 및 주요 용도
축은 하중이 작용하는 방향에 따라 크게 전동축, 기계축, 차축의 3종류로 분류한다. 전동축은 회전에 의해 동력을 전달하는 축으로 이런 축은 주로 …
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주제에 대한 기사 평가 전 동축 설계
- Author: 내가 이해한 기계공학 (WIU of Mech)
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- Date Published: 2017. 11. 4.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=3G6ETv8_IWc
전동축의 설계 /동력,각속도
지금까지 축에서 토크가 작용하였을때 비틀림각과 전단응력 등에 대해 알아보았다.
비틀림 힘이 들어가는 전동축을 설계할때에는 동력과 회전 속도를 생각해 보아야하는데
이는 전동축을 설계할때 축이 특정한 속도에서 필요한 동력을 줄때 재료가 얼마만큼의
전단응력을 견딜 수 있는지 계산 해야 하기 때문이다. 또한 그에따라 재료와 축의 단면의 치수도
맞춰 주어야 할 것이다.
축에 토크 T를 받고 각속도 ω로 회전하는 재료를 생각해보자.
이때 동력P 는 Tω가 된다.
P=Tω
ω=2πf (f=회전주파수=회전수/초) =단위:s^-1=Hz(헤르츠)
cf) rpm = 분당 회전수 rpm/60 = Hz
이므로 P=2πfT가 된다. 이때 동력 P 의 단위는 N*m/s = W(와트)
따라서 T=P/2πf
이때 허용가능한 전단응력을 알아보기 위해
\(\tau_{max}\)=Tc/J 식을 사용한다.
결과적으로 \(\tau_{max}\) 값을 알 수 있게 된다.
원형축에서는 단면의 치수가 바뀌는 부분에 응력의 집중이 일어난다.
불연속점 에서 최대응력이 발생한다고 볼 수 있다.
이때 최대 전단응력값 \(\tau_{max}\)는
\(\tau_{max}\)=K*\(\frac{Tc}{J}\) 로 나타낼 수 있다.
여기서 K는 응력집중계수 이고, 그 계수는 불연속점의 원형 단면 치수 차이로 실험치가 있다.
SHAFT : 축설계 2 ( 굽힘, 비틀림 모멘트 )
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# 축설계 2
– 굽힘 모멘트 와 비틀림 모멘트가 동시에 받는 축의 지름 계산
– 굽힘 과 비틀림이 동시에 발생하여 전달하는 축은 전동축이라고 합니다.
아래 예시를 통해 계산해 보겠습니다.
위 사진에 하중 및 길이 , 모터의 파워와 속도가 나와 있습니다.
위 계산식을 통해 전동 축의 지름 선정을 완료했습니다.
추가로 아래 마지막 허용 전단 응력과 허용 굽힘 응력은 제가 며칠 전에 포스팅한 허용응력표를 참고하시어 값을 넣어 주면 되겠습니다.
★ 허용응력표 바로가기
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축이란? 축의 종류와 특징
축이란? / 축(Shaft)
축 / Shaft
축은 긴 막대모양의 부품으로 동력장치에서 발생한 회전운동이나 왕복운동의 동력을 직접, 간접적으로 전달하는 기계요소입니다. 축은 베어링에 의해서 지지되고 하중을 받으면서 동력을 전달합니다. 일반적으로 축은 보스(풀리, 기어, 플라이휠, 바퀴 등)에 키(Key)로 고정시켜서 사용합니다.
작용하중에 의한 분류
▶ 차축(axle)은 바퀴는 회전하지만 축은 고정되어 있어, 주로 휨 하중만을 받는 자동차의 앞 또는 뒷바퀴, 철도 차량 및 자전거 허브 축 등에 사용되는 축 형태입니다.
▶ 전동축(transmission shaft)은 주로 회전에 의해 동력을 전달하는 축으로써 굽힘과 비틀림 모멘트를 동시에 받으며 프로펠러 축이나 일반 공장용으로 많이 사용되는 축입니다.
▶ 스핀들(spindle)은 축의 길이가 지름에 비해 짧고 정밀하며 주로 비틀림 하중을 받는 축입니다. 주로 공작 기계의 주축으로 사용되는 축 형태입니다.
형상에 의한 분류
▶ 직선축(straight shaft)은 일반적으로 많이 사용되는 곧은 축을 말합니다.
▶ 크랭크축(crank shaft)은 직선,왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 축입니다. 피스톤형 내연기관에서 볼 수 있는 축입니다.
▶ 플렉시블 축(flexible shaft)은 전동축에 휨성을 부여해 축의 방향을 자유롭게 바꾸거나 충격을 완화시키기 위한 축으로 유연성축이라고도 부릅니다. 비틀림 강도는 매우 크지만 굽힘 강도는 매우 작은 것이 특징입니다.
축 설계 시 고려 사항
㉮ 강도(strength)는 물체의 강한 정도로써 재료가 파괴되기까지의 변형 저항을 말하며 정하중, 반복하중, 충격하중 등에 충분히 견딜 수 있어야 합니다.
㉯ 강성(stiffness)은 외부에서 변형을 가할 때의 변형 저항을 마랍니다. 굽힘 변형량과 비틀림 변형량이 일정한 한도이내에서 이뤄지도록 제한해 설계합니다.
㉰ 진동(vibration)은 설계 시 공진할 때의 위험 속도를 고려할 필요가 있습니다.
㉱ 부식(corrosion)은 재료선택 및 표면처리를 고려해 방부대책을 강구해야 합니다.
㉲ 열팽창(thermal expansion)은 고온에서 운전되는 제트 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈 등은 축의 열응력과 열 변형을 고려하여 설계해야 합니다.
축의 설계와 축의 재질 / 재료
▶ 축의 강도에 의한 설계
– 축의 재질은 일반적으로 C 0.2 ~ 0.4%인 탄소강을 사용합니다. 하지만 피로 한도의 영향을 크게 받는 고속, 고응력의 축에는 Ni강, Ni-Cr강 등이 사용됩니다.
▶ 축의 재료
– 열처리 효과가 큰 기계 구조용 탄소강재(SM10C ~ SM58C)를 사용합니다.
– 저하중용에는 연강(C0.3~0.4%)이나 경강(C0.4~0.5%)을 사용합니다.
– 고속 및 고하중용에는 Ni강, Ni-Cr강, Cr-Mo강 등을 사용합니다.
– 공장용 전동축이나 저속 회전용 전동축은 탄소강을 필요에 따라 표면 경화해 사용합니다.
– 베어링으로 지지되는 저널부는 내마모성을 필요로 할 때는 고주파 경화 혹은 침탄 처리한 표면 경화강을 사용합니다.
축의 지름 / 회전 축의 지름
▶ 축의 지름
▶ 회전축의 지름
강성에 의한 설계 / 위험속도
▶ 강성에 의한 설계
-축이 동력을 전달할 때 비틀림각이 매우 크면 전동 기구를 작동시킬 때 진동의 원인이 됩니다.
-따라서 축의 파괴 강도와는 관계없이 비틀림각에 제한을 두어야 하며, 바하(Bach)에 의하면 축 1 m에 대해 1/4° 이하
-중실축에 대한 바깥 지름
▶ 위험속도
– 축의 회전 속도는 축의 고유 진동수 부근에서 진폭이 커져서 베어링이나 축이 파손될 우려가 있기 때문에 축의 상용 회전수는 위험 속도로부터 25% 이상 벗어나도록 합니다.
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축(軸)의 설계(設計)시 주로 사용하는 축의 재료 및 주요 용도
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축(軸)의 설계(設計)시 주로 사용하는 축의 재료 및 주요 용도
대부분의 기계는 회전운동을 이용하고 있는데 동력이나 에너지의 손실이 없이 원활한 회전운동을 실현하는데에는 축과 베어링의 설계기술이 무엇보다도 중요하다고 할 수 있다. 축(shaft)이나 베어링(bearing)을 이용하는 경우 축의 종류와 용도, 축의 강도계산 등은 설계자가 필수적으로 이해하고 적용해야만 한다.
축은 하중이 작용하는 방향에 따라 크게 전동축, 기계축, 차축의 3종류로 분류한다. 전동축은 회전에 의해 동력을 전달하는 축으로 이런 축은 주로 비틀림하중(토크, Torque)를 받으므로 설계시에는 강도에 주의할 필요가 있다. 기계축은 선반이나 밀링머신의 주축(스핀들, spindle) 등의 축을 보통 기계축이라고 한다. 주축은 높은 회전정밀도(흔들림이 최소)가 요구된다. 차축은 철도차량의 축 등 주로 차바퀴가 달리는 차축을 말한다. 차축은 큰 굽힘하중을 받으므로 베어링 등에 의한 안정적인 지지가 아주 중요하다.
축은 일반적으로 베어링과 세트로 사용되는 경우가 많은데 축에는 기어, 스프로킷, 벨트풀리 등의 동력전달용 회전체 요소가 연결된다. 또한 축과 회전체의 고정이나 연결은 키, 파워록, 카플링 등과 같은 다양한 기계요소가 연결된다.
● 축의 재료 및 주요 용도
축의 재료 주 요 용 도 KS 규격 일반구조용 압연강재
(SS 계열 ) 강도를 필요로 하지 않거나 축과 하우징을 용접하는 경우
종류 및 기호 : SS330, SS400, SS490, SS540, SS590 KS D 3503 기계구조용 탄소강재
(SM10C~SM25C) 열처리하지 않은 채 그대로 시용하는 경우
인장강도 [32~45kgf/mm²] KS D 3752 기계구조용 탄소강재
(SM30C~SM40C) 약간의 강도를 필요로 하는 소형 축
인장강도 [52~62kgf/mm²] 기계구조용 탄소강재
(SM45C~SM55C) 열처리 효과가 크며 조질처리해서 용도에 맞추어 사용
인장강도 [58~70kgf/mm²] 크롬강 강재
(Scr 계열 ) 기계구조용 탄소강재보다 좀 비싸지만 구조용 합금강 중에서 가장 싸다 .
탄소강에 비해 담금질성과 인성이 양호하며 , 자경성이 있고 , 열처리로 인한 경화 균열이 적어 비교적 굵은 축에 사용한다 .
인장강도 [75~110kgf/mm²] KS D 3707 니켈크롬강 강재
(SNC 계열 ) 값이 비싸지만 담금질이 용이하고 강인하다 .
SNC236 은 소형축에 SNC631 은 크랭크 축 , 프로펠러 축 등에 사용
인장강도 [75~95kgf/mm²] KS D 3708 니켈크롬몰리브덴 강재
(SNCM 계열 ) 구조용 합금강 중 강인성과 담금질성이 가장 우수하다 .
SNCM431 은 크랭크 축 , SNCM625 는 대형 축 , SNCM630 은 강도와 정밀도를 필요로 하는 긴 축 , SNCM240, 439, 447 은 주로 중소형 축에 사용
인장강도 [85~110kgf/mm²] KS D 3709 크롬몰리브덴 강재
(SCM 계열 ) 인성이 높고 니켈크롬강에 가까운 성질을 갖으며 가격은 니켈크롬강에 비해 싸서 널리 사용된다 .
SCM435, 440 은 SM45C 보다 큰 인장강도 및 충격값을 필요로 하는 경우나 조직 내부까지 완전한 담금질조직을 얻고자 하는 경우에 사용한다 .
SCM415 는 침탄 담금질이 필요하고 SM15CK 보다 강한 재료를 사용하고자 하는 경우 적용하며 SCM420 은 SCM415 보다 높은 인장강도 , 인성 , 열처리 효과를 얻고자 할 때 사용한다 .
인장강도 [85~105kgf/mm²] KS D 3711
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