기계 구조 설계를 위한 궁극의 가이드

기계 구조 설계의 목표는 전체 설계 개념을 바탕으로 초기 설계 원리를 필요한 기능을 충족하는 세부 설계도로 구체화하는 것입니다.

설계 프로세스는 추상적인 작동 원리를 구체적인 구성 요소 또는 부품으로 변환하는 과정으로, 구조 부재의 재료, 모양, 크기, 공차, 열처리 방법, 표면 처리 등을 결정합니다.

또한 제조 공정, 강도, 강성, 정밀도, 다른 구성 요소와의 상호 관계를 고려하는 것이 중요합니다. 구조 설계의 직접적인 결과물은 기술 도면이지만, 이 작업은 기계 제도만큼 간단하지 않습니다.

청사진은 설계 체계를 엔지니어링 언어로 표현한 것일 뿐이며, 메커니즘 설계에 다양한 기법을 적용하여 설계 개념을 구체화하는 것이 구조 설계의 기본 내용입니다.

1. 기계 부품의 구조 요소 및 설계 방법

1.1 컴포넌트의 기하학적 요소

기계 구조의 기능은 주로 구성 요소의 기하학적 모양과 구성 요소 간의 상대적 위치 관계를 통해 이루어집니다. 구성 요소의 기하학적 모양은 표면으로 구성됩니다.

일반적으로 컴포넌트는 여러 개의 표면으로 구성되며, 그 중 일부는 다른 컴포넌트의 표면과 직접 접촉합니다. 이러한 접촉하는 표면을 기능적 표면이라고 합니다. 이러한 기능적 표면을 연결하는 영역을 연결 표면이라고 합니다.

부품의 기능적 표면은 부품의 기계적 기능을 결정하는 데 매우 중요합니다. 이러한 기능적 표면의 설계는 부품 구조 설계의 핵심입니다.

기능적 표면을 설명하는 데 사용되는 주요 기하학적 파라미터에는 기하학적 모양, 크기, 표면 수, 위치, 순서 등이 포함됩니다. 기능적 표면의 다양한 디자인을 통해 동일한 기술적 기능을 구현하기 위한 다양한 구조적 솔루션을 얻을 수 있습니다.

1.2 구성 요소 간의 상호 관계

모든 기계나 기계 시스템에서 고립된 구성 요소는 존재하지 않습니다.

따라서 구조 설계 시 각 구성 요소의 기능 및 관련 특성을 연구하는 것 외에도 구성 요소 간의 상호 관계를 탐색해야 합니다.

구성 요소 간의 상호 관계는 직접 관계와 간접 관계의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

직접 조립 관계가 있는 두 부품은 직접 관련성이 있는 것으로 간주하고, 그렇지 않은 부품은 간접 관련성이 있는 것으로 간주합니다. 간접 관계는 다시 위치 및 모션 관련 클래스로 나눌 수 있습니다.

위치 관계란 두 구성 요소가 특정 공간 배열을 유지하기 위해 필요한 요건을 말합니다.

예를 들어 감속기의 경우, 감속기에서 중심 거리 인접한 두 변속기 샤프트 사이의 간격은 특정 정밀도를 유지해야 하며, 두 샤프트 축은 기어의 정상적인 맞물림을 보장하기 위해 평행해야 합니다.

모션 관련 관계는 한 구성 요소가 다른 구성 요소와 연관된 이동 궤적을 나타냅니다. 예를 들어 선반 공구 캐리어의 이동 궤적은 스핀들의 중심선과 평행해야 하며, 이는 베드 레일과 스핀들 축 사이의 평행성에 의해 보장됩니다.

따라서 스핀들과 레일은 위치적으로 관련이 있는 반면, 공구 캐리어와 스핀들은 동작과 관련이 있습니다.

대부분의 컴포넌트에는 두 개 이상의 직접적으로 관련된 컴포넌트가 있습니다. 따라서 각 부품은 일반적으로 다른 부품과 구조적으로 관련된 두 개 이상의 위치를 갖습니다.

구조 설계 시에는 직접적으로 관련된 부품의 구조를 동시에 고려하여 열처리 방법, 모양, 크기, 정밀도 및 재료의 표면을 합리적으로 선택해야 합니다.

또한 차원 체인 및 정밀도 계산과 같은 간접 관계에 대한 요구 사항도 고려해야 합니다.

일반적으로 부품에 직접적으로 관련된 부품이 많을수록 구조가 복잡해집니다. 반대로 간접적으로 관련된 부품의 수가 많을수록 더 높은 정밀도가 요구됩니다.

1.3 구조 설계에서의 머티리얼 선택

부품 설계 시 각각 고유한 특성을 가진 다양한 소재를 선택할 수 있습니다. 재료에 따라 제조 공정도 달라집니다.

설계 프로세스에서는 기능적 요구 사항에 따라 적절한 소재를 선택할 뿐만 아니라 소재 유형에 따라 적절한 제조 공정을 결정해야 합니다.

또한 제조 공정의 요구 사항에 따라 구조를 결정해야 합니다.

적절한 구조 설계를 통해서만 선택한 소재를 최대한 활용할 수 있습니다.

설계자가 부품용 소재를 올바르게 선택하려면 관련 소재의 기계적 특성, 기계 가공성, 비용 효율성을 충분히 이해해야 합니다.

구조 설계에서는 선택한 재료의 특성과 해당 제조 공정에 따라 다양한 설계 원칙을 준수해야 합니다.

2. 기계 구조 설계를 위한 기본 요구 사항

기계 제품은 다양한 산업 분야에서 활용되며, 구조 설계의 세부 사항과 요구 사항은 매우 다양합니다.

그러나 구조 설계의 기본 요건은 보편적입니다. 다음은 기계 구조 설계에 대한 요구 사항을 세 가지 수준으로 간략하게 설명합니다.

2.1 기능적 디자인

주요 기계적 요구 사항을 충족하기 위해 기술적 측면을 구체화하는 데 노력을 기울입니다.

작업 원칙의 구현, 작동의 신뢰성, 프로세스, 재료 및 조립과 같은 요소가 다뤄집니다.

2.2 품질 디자인

제품 품질과 비용 효율성을 향상시키기 위해 다양한 요구 사항과 제약 조건의 균형을 맞추는 것은 현대 엔지니어링 설계의 모범입니다.

구체적인 영역으로는 조작성, 심미성, 안전성, 비용, 환경 보존 등이 있습니다. 현대 디자인에서 품질 디자인은 매우 중요하며 종종 경쟁력을 좌우하기도 합니다.

주요 기술적 기능을 충족하는 데에만 초점을 맞춘 디자인 접근 방식은 이제 시대에 뒤떨어졌습니다.

현대 기계 설계의 핵심은 제품 품질 향상을 위해 주요 기능을 충족한다는 전제 하에 다양한 요구 사항을 조화시키고 균형을 맞추며 적절한 절충점을 찾는 데 있습니다.

2.3 최적화된 설계와 혁신적인 디자인

구조적 디자인 변수를 체계적으로 사용하여 최적화된 디자인 공간을 구성합니다. 선택과 혁신을 위해 창의적 디자인 사고 방법과 기타 과학적 방법을 사용합니다.

3. 기계 구조의 기본 설계 원칙 3.

기계 설계의 최종 결과는 결정된 구조 형태를 도면으로 표현하는 것입니다. 최종 제품은 이러한 설계에 따라 기계 가공 및 조립 공정을 거쳐 제조됩니다.

따라서 기계 구조물의 설계는 기능성, 신뢰성, 가공성, 경제성, 미적 형태 등 제품으로서의 다양한 요구 사항을 충족해야 합니다.

또한 부품의 힘을 견디는 능력을 향상시켜 강도, 강성, 정밀도 및 수명을 향상시켜야 합니다.

따라서 기계 구조 설계는 포괄적인 기술 작업입니다. 불합리하거나 잘못된 구조 설계는 예기치 않은 부품 고장으로 이어지고, 기계가 필요한 정밀도를 달성하지 못하며, 조립 및 유지보수 과정에서 상당한 불편을 초래할 수 있습니다.

기계 구조 설계 과정에서 다음과 같은 구조 설계 원칙을 고려해야 합니다.

3.1 기대 기능 달성을 위한 설계 원칙

제품 설계의 주된 목적은 미리 정해진 기능적 요구 사항을 충족하는 것입니다.

따라서 예상되는 기능을 달성하는 설계 원칙은 구조 설계에서 가장 먼저 고려해야 할 사항입니다. 이러한 기능적 요구 사항을 충족하려면 다음 사항을 준수해야 합니다:

(1) 명시적 기능:

구조 설계는 기계 내에서의 기능과 다른 구성 요소와의 상호 연결에 따라 구조의 매개 변수, 치수 및 모양을 결정해야 합니다.

구성 요소의 주요 기능에는 하중을 견디고, 동작과 동력을 전달하며, 관련 부품 또는 구성 요소 간의 상대적 위치 또는 동작 궤적을 보장하거나 유지하는 것이 포함됩니다. 설계된 구조는 전체 기계 관점에서 고려한 기능적 요구 사항을 충족해야 합니다.

(2) 기능 할당:

제품 설계 중에는 특정 상황에 따라 하나의 기능을 여러 개의 하위 기능으로 분해하는 등 작업을 합리적으로 위임해야 하는 경우가 많습니다.

각 하위 기능은 정의된 구조에 의해 지원되어야 하며, 전체 기능을 달성하기 위해 서로 다른 구조 부분 간에 합리적이고 조정된 연결이 있어야 합니다.

하나의 기능을 공유하는 여러 구조 부품이 개별 부품의 부담을 덜어주어 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.

예를 들어, V벨트 단면의 구조는 작업 분배의 한 예입니다.

섬유 코드는 장력을 견디는 데 사용되며, 고무 필러 층은 벨트가 구부러지는 동안 늘어나고 압축되는 것을 흡수하고, 직물 층은 풀리 홈과 상호작용하여 전송에 필요한 마찰을 발생시킵니다.

또 다른 예는 볼트 사전 조임으로 인해 발생하는 마찰만으로 측면 하중을 견디는 경우로, 이로 인해 볼트가 과도하게 커질 수 있습니다. 이 문제는 핀, 슬리브, 키와 같은 전단 저항성 부품을 추가하여 측면 하중을 공유함으로써 해결할 수 있습니다.

(3) 기능 집중: 기계 제품의 구조를 단순화하고 제조 비용을 절감하며 설치를 용이하게 하기 위해 경우에 따라 단일 부품 또는 구성 요소에 여러 기능을 할당할 수 있습니다.

기능 집중은 부품의 모양을 더 복잡하게 만들 수 있지만, 가공 난이도를 높이고 의도치 않게 제조 비용을 증가시키지 않도록 조절해야 합니다. 구체적인 상황에 따라 디자인을 결정해야 합니다.

3.2 강도 요구 사항을 충족하기 위한 설계 기준

(1) 동등한 강도 기준:

부품의 단면 치수 변경은 다음 사항의 변경에 맞게 조정되어야 합니다. 내부 스트레스를 사용하여 각 섹션의 강도가 동일하도록 합니다.

동일 강도 원칙에 따라 설계된 구조로 재료를 최대한 활용할 수 있어 무게와 비용을 줄일 수 있습니다. 캔틸레버 브래킷, 계단식 샤프트 등의 설계.

(2) 합리적인 힘의 흐름 구조:

기계 부품에서 힘이 전달되는 상태를 시각적으로 보여주기 위해 힘을 부품에 물처럼 흐르는 것으로 간주하고 이러한 힘의 선이 모여 힘의 흐름으로 수렴합니다.

이 힘의 흐름은 구조 설계 고려 사항에서 중요한 역할을 합니다. 구성 요소의 힘의 흐름은 중단되지 않으며, 힘의 선이 갑자기 사라지지 않습니다. 한 곳에서 다른 곳으로 전달되어야 합니다.

힘 흐름의 또 다른 특징은 최단 경로를 따라 전파되는 경향이 있어 최단 경로 근처에서 힘 흐름이 밀집되어 높은 응력 영역을 형성한다는 점입니다.

다른 부분의 힘 흐름은 드물고 심지어 힘의 흐름이 통과하지도 않습니다. 응력의 관점에서 보면 소재가 완전히 활용되지 않습니다.

따라서 부품의 강성을 향상시키기 위해 최대한 최단 힘의 흐름 경로에 따라 부품의 형상을 설계하여 하중을 받는 면적을 줄여 누적된 변형을 줄이고 전체 부품의 강성을 높이며 소재를 최대한 활용합니다.

(3) 구조물의 응력 집중을 최소화합니다:

힘의 흐름 방향이 갑자기 바뀌면 회전 시 힘이 과도하게 집중되어 응력 집중으로 이어집니다.

힘의 방향이 점진적으로 변화하도록 설계에 조치를 취해야 합니다. 스트레스 농도는 다음과 같은 중요한 요소에 영향을 미칩니다. 피로 강도 구성 요소의 수입니다.

구조 설계 시 전이 반경을 늘리거나 응력 완화 구조를 채택하는 등 응력 집중을 피하거나 최소화하기 위한 노력을 기울여야 합니다.

(4) 부하 분산 구조를 설정합니다:

동안 기계 작동를 사용하면 관성력 및 헬리컬 기어 축 방향 힘과 같은 불필요한 힘이 발생하는 경우가 많습니다.

이러한 힘은 샤프트와 베어링과 같은 부품에 가해지는 하중을 증가시켜 정밀도와 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 기계의 전송 효율도 떨어뜨립니다. 로드 밸런싱은 이러한 불필요한 힘의 균형을 부분적으로 또는 전체적으로 조정하여 악영향을 완화하거나 제거하는 구조적 조치를 말합니다.

이러한 구조적 조치에는 주로 균형 잡힌 구성 요소와 대칭적인 배열을 사용하는 것이 포함됩니다.

3.3 구조적 강성 달성을 위한 설계 가이드라인

구성 요소가 수명 주기 동안 정상적으로 작동하려면 충분한 강성을 제공하는 것이 필수적입니다.

3.4 제조 공정을 고려한 설계 가이드라인

기계 부품 구조 설계의 주요 목적은 제품이 필요한 성능을 충족할 수 있도록 기능을 보장하는 것입니다. 그러나 설계의 합리성은 부품의 생산 비용과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

따라서 구조 설계에서는 구성 요소 메커니즘의 우수한 제조 가능성을 위해 노력하는 것이 중요합니다. 제조 가능성이 좋다는 것은 구성 요소의 구조가 제조하기 쉽다는 것을 의미합니다.

모든 제조 방법에는 한계가 있으며, 이로 인해 생산 비용이 높아지거나 품질이 저하될 수 있습니다.

따라서 디자이너는 다양한 제조 방법의 특성을 숙지하여 설계 시 장점을 극대화하고 단점을 최소화하는 것이 중요합니다.

실제 생산에서 부품 구조의 제조 가능성은 여러 가지 요인에 의해 제약을 받습니다. 예를 들어, 생산 배치의 크기는 공작물 블랭크를 만드는 방법에 영향을 미칠 수 있으며, 생산 장비의 조건은 공작물의 크기를 제한할 수 있습니다.

또한 성형, 정밀도, 열처리, 비용 등과 같은 요인으로 인해 부품 구조의 제조 가능성이 제한될 수 있습니다.

따라서 이러한 요소는 제조 가능성에 미치는 영향을 고려하여 구조 설계에서 철저히 고려해야 합니다.

3.5 조립을 위한 설계 지침

조립은 제품 제조 공정에서 중요한 단계이며, 부품의 구조는 조립의 품질과 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 조립을 위한 구조 설계 지침은 다음과 같이 간략하게 설명되어 있습니다:

(1) 조립 단위의 합리적 분할:

전체 기계를 독립적으로 조립된 여러 단위(부품 또는 구성 요소)로 분해하여 병렬적이고 전문화된 조립 작업을 수행하고 조립 주기를 단축하며 단계별 기술 검사 및 수리를 용이하게 해야 합니다.

(2) 구성 요소를 올바르게 설치했는지 확인합니다:

여기에는 부품의 정확한 위치 지정, 이중 결합 방지, 조립 오류 방지 등이 포함됩니다.

(3) 구성 요소의 조립 및 분해를 용이하게 합니다:

구조 설계는 렌치 공간 등 충분한 조립 공간을 확보하고, 일부 계단식 샤프트 설계에서 볼 수 있는 것처럼 조립 난이도 증가와 결합 표면의 잠재적 손상을 방지하기 위해 지나치게 긴 결합을 피하고, 부품 분해를 용이하게 하기 위해 베어링 제거의 경우처럼 분해 도구를 배치할 수 있는 위치를 제공해야 합니다.

3.6 유지보수 및 수리를 위한 설계 지침

(1) 제품의 구성은 고장률, 수리의 복잡성, 크기, 무게, 설치 특성 등의 요소를 고려하여 배치해야 합니다.

유지보수가 필요한 모든 부품은 쉽게 접근할 수 있어야 합니다. 고장률이 높은 부품과 잦은 유지보수가 필요한 비상 스위치는 최적의 접근성을 제공해야 합니다.

(2) 제품, 특히 소모품, 자주 분해되는 부품, 추가 장비는 조립과 분해가 쉬워야 합니다.

분해 및 조립 시 부품이 들어오고 나가는 경로는 직선 또는 완만한 곡선이어야 합니다.

(3) 검사 지점 및 테스트 지점 등 제품의 유지보수 지점은 접근하기 쉬운 위치에 위치해야 합니다.

(4) 유지보수 및 분해가 필요한 제품은 주변에 충분한 작업 공간을 확보해야 합니다.

(5) 유지보수 중에는 일반적으로 운영자가 내부 작동 상황을 볼 수 있어야 합니다. 통로는 유지보수 담당자의 손이나 팔을 수용하는 것 외에도 관찰을 위해 적절한 간격을 남겨야 합니다.

3.7 미적 디자인을 위한 가이드라인

제품의 디자인은 기능적 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 미적 가치도 고려하여 사용자의 마음을 사로잡을 수 있어야 합니다. 간단히 말해, 제품은 유용하면서도 매력적이어야 합니다. 심리학적으로 사람이 내리는 결정의 60%는 첫인상에 의해 좌우됩니다.

기술 제품은 구매 시장에서 상품이라는 점을 고려할 때 매력적인 외관을 디자인하는 것은 매우 중요한 디자인 요건입니다. 또한 미적으로 보기 좋은 제품은 작업자의 피로로 인한 오류를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

디자인 미학은 형태, 색상, 세 가지 측면을 포괄합니다. 표면 처리.

형태를 고려할 때는 조화로운 크기 비율, 단순하고 통일된 모양, 색상과 패턴이 제공하는 향상과 장식에 주의를 기울여야 합니다.

단색은 작은 부품에만 적합합니다. 특히 움직이는 대형 부품은 한 가지 색상만 사용하면 단조롭고 밋밋해 보일 수 있습니다. 대비되는 색상을 약간 추가하면 전체적인 색 구성표에 활기를 불어넣을 수 있습니다.

여러 색상이 있는 상황에서는 지배적인 기본 색상이 있어야 하며, 해당 색상을 대비 색이라고 합니다.

그러나 너무 많은 색상은 피상적인 인상을 줄 수 있으므로 하나의 제품에 다양한 색상을 사용하는 것은 과도하지 않아야 합니다.

편안한 색상은 일반적으로 밝은 노란색과 황록색에서 갈색에 이르는 범위입니다. 밝은 노란색과 녹색은 종종 불편해 보이고 강한 회색 톤은 위압적으로 보일 수 있는 등 따뜻한 색상을 선호하는 추세입니다.

추운 환경에서는 노란색, 주황색, 빨간색과 같은 따뜻한 색상을 사용하고 더운 환경에서는 하늘색과 같은 시원한 색상을 사용해야 합니다.

모든 색상은 음소거해야 합니다. 또한 특정 색상 구성은 제품이 안전하고 견고하게 보이도록 만들 수 있습니다.

모양 변화가 적고 표면이 넓은 영역은 밝은 색상으로 구성하고, 움직이는 활성 윤곽선이 있는 구성 요소는 어두운 색상으로 구성해야 합니다. 어두운 색상은 기계의 아래쪽에, 밝은 색상은 위쪽에 배치해야 합니다.

3.8 비용을 고려한 설계 가이드라인

디자인은 제품과 유지 관리 작업을 모두 단순화해야 합니다:

(1) 설계 시 제품 기능에 대한 비용 편익 분석을 수행해야 합니다.

유사하거나 동일한 기능을 병합하고 불필요한 기능을 제거하여 제품과 유지 관리 작업을 모두 간소화하세요.

(2) 설계는 지정된 기능 요구 사항을 충족하면서 구조의 단순성을 목표로 해야 합니다.

계층적 레이어와 구성 요소의 수를 최소화하고 부품의 모양을 최대한 단순화해야 합니다.

(3) 제품은 마모나 드리프트로 인한 일반적인 문제를 해결하기 위해 사용하기 쉬우면서도 안정적인 조정 메커니즘으로 설계되어야 합니다.

고가이고 국부적으로 마모되기 쉬운 부품의 경우 부분 교체 또는 수리가 쉽도록 조정 가능 또는 탈착식 어셈블리로 설계하세요. 상호 연결된 부품으로 인해 반복적인 조정이 필요하지 않도록 하거나 최소화하세요.

(4) 커넥터와 고정 장치의 수를 줄이기 위해 구성 요소를 논리적으로 배열하여 검사, 부품 교체 및 기타 유지 관리 작업을 더 간단하고 편리하게 만들어야 합니다.

가능한 한 다른 부품을 분해하거나 이동하거나 최소한으로 분해하거나 이동하지 않고도 모든 부품을 수리할 수 있도록 설계해야 합니다. 이러한 접근 방식은 유지보수 담당자에게 필요한 기술 수준과 업무량을 줄여줍니다.