본문내용
1. 차축 설계
1.1. 차축의 분류
차축은 크게 중실축(Soild shaft)과 중공축(Hollow shaft)으로 분류된다. 중실축은 단면이 실체로 되어 있는 축을 말하며, 중공축은 중심부가 비어있는 축을 말한다. 중실축은 단순한 구조로 제작이 용이하지만 축의 중량이 크고 관성모멘트가 크다는 단점이 있다. 반면 중공축은 중심부가 비어있어 축의 중량이 중실축에 비해 가볍고 관성모멘트가 작다는 장점이 있지만 제작이 어렵다는 단점이 있다.
또한 차축은 축선의 형상에 따라 직선축(straight shaft), 크랭크축(crank shaft), 플랙시블 축(flexible shaft)으로 분류된다. 직선축은 축선이 직선형태인 축을 말하며, 크랭크축은 축선이 계단식으로 꺾여진 축을 말한다. 플랙시블 축은 축선이 어느 정도 굽어진 상태에서 운전이 가능한 축을 말한다.
기능상의 분류로는 비틀림 모멘트를 받으면서 회전하며 동력을 전달하는 전동축(transmission shaft)과 굽힘 모멘트를 받는 차축(axle)으로 나눌 수 있다. 대부분의 전동축은 양단이 베어링에 의해 지지되어 축의 자중, 회전체의 중량이 작용하기 때문에 비틀림과 굽힘을 동시에 받는다. 이외에도 프로펠러 축(propeller shaft)과 같이 비틀림, 굽힘, 인장 및 압축을 동시에 받는 축도 있다.
1.2. 재료 선정
차축의 재료는 일반적으로 인장강도가 비교적 낮고 연성이 풍부한 0.1~0.4%C 정도의 탄소강이나 저합금강을 사용한다. 그러나 고하중 및 고회전수의 축에는 Ni강, Ni-Cr강, Cr-Mo강 등의 특수강이 사용된다. 또한 보통 크기의 축은 인발강이나 열간압연강이 사용되지만, 지름이 100mm 이상이면 단조에 의해 소재를 만든다. 공장용 전동축이나 저속 회전용은 탄소강의 냉간인발봉을 필요에 따라 표면 경화시켜 사용하며, 베어링으로 지지되는 저널부는 내마모성을 필요로 할 때는 고주파 경화 또는 침탄처리한 표면 경화강을 사용하기도 한다. 차축에 적합한 재료는 기계구조용 탄소강과 크롬몰리브덴강이 있으며, 크롬몰리브덴강은 크롬강에 소량의 몰리브덴을 가한 것으로 기계구조용 탄소강보다 인장강도가 높다. 하지만 인장강도가 높아지는 대신 가격도 상승하여 일반 승용차라면 합리적인 재료인 기계구조용 탄소강을 선택하는 것이 좀 더 경제적이다.
1.3. 강도 설계
1.3.1. 굽힘 모멘트 계산
차축의 자중(W1)은 1kN으로 가정하였다. 자동차의 무게(Wc)와 차축의 무게(W1)로 인한 하중은 Wt = 12kN/4 + 1kN/2 = 3.5kN이다. 이러한 하중으로 인해 축에 작용하는 굽힘 모멘트는 M= Wt × a = 3.5 × 200= 700 N*m이 된다. 따라서 축에 작용하는 굽힘 모멘트 M은 700 N*m로 계산되었다.
1.3.2. 비틀림 모멘트 계산
차축에 작용하는 비틀림 모멘트의 계산은 다음과 같다.
차축은 엔진의 회전으로 인한 비틀림 모멘트가 작용하므로 전달동력을 구하는 식은 다음과 같다. H = 2πNT / 60 여기서 H는 동력(kW), N은 회전수(rpm), T는 비틀림 모멘트(N·m)이다. 이 식을 비틀림 모멘트 T에 대하여 정리하면 다음과 같다. T = 9549 * (H/N)
주어진 값 H=12kW, N=1200rpm을 대입하면 T = 95.49 N·m 이다.
따라서 차축에 작용하는 비틀림 모멘트 T는 95.49 N·m 이다.
1.3.3. 등가 굽힘 모멘트 계산
일반 축은 작용 하중에 의한 굽힘 모멘트와 동력전달에 의한 토크를 동시에 받는 경우가 많다. 이와 같이 축에 굽힘 모멘트 및 비틀림 모멘트가 동시에 작용하면, 미소 단면에는 굽힘 응력 σb와 비틀림에 의한 전단응력 τ가 발생한다. 이것을 모어의 응력 원으로 나타내면 원형 모어의 응력 원과 같이 된다.
중실축에 이러한 조합응력 상태에서 모어의 응력원에 의한 최대주응력 σmax 및 최대 전단응력 τmax는 다음 식과 같다.
σmax = {(σb) ^{2} + 4(τ) ^{2}} ^{1/2} over 2
τmax = {(σb) ^{2} + 4(τ) ^{2}} ^{1/2} over 2
따라서 등가 굽힘 모멘트 Me는 다음과 같이 계산할 수 있다.
Me = {(KmM) ^{2} + (KtT) ^{2}} ^{1/2}
위 식은 굽힘에 의해 생기는 모멘트에 의한 정하중을 반영한 것이지만 실제 축은 동하중을 받는다. 회전 기계의 축에 작용하는 하중은 일정하지 않고 변동하중, 반복하중 또는 충격하중이 복잡하게 조합되어 동적으로 작용한다. 이와 같이 동하중이 작용할 축을 설계하기 위해서는 정하중이 작용할 때의 굽힘 모멘트 보다 큰 값을 고려해야 한다.
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