인하대 기계요소설계 Term project 프로펠러 샤프트 설계

문서 내 토픽

1. 차량 선정

BMW-320i Front Engine Rear Wheel Drive 차량을 선정하여 프로펠러 샤프트 설계를 진행하였다.
2. 재료 선정

AISI 1045 Carbon Steel을 프로펠러 샤프트의 재료로 선정하였다. 높은 강도와 경도, 내마멸성을 지닌 중탄소강 AISI1045는 다양한 산업 분야에 이용되고 있으며 특히 고속 작업 환경에서 높은 내마모성을 갖기 때문에 본 설계의 재료로 적합하다.
3. 공학적 설계 및 가정

프로펠러 샤프트를 단일 축으로 가정하고, 휠 베이스를 고려하여 축의 길이를 1.5m로 설정하였다. 엔진에서 발생하는 토크와 자중으로 인한 모멘트를 견딜 수 있도록 설계하였으며, 최대 비틀림 각도를 5°로 제한하였다. 중공축과 중실축 두 가지 형태를 고려하였고, 안전율을 3으로 가정하였다.
4. 조건에 맞는 샤프트 지름 설정

최대 전단응력 이론, 피로파손 설계, 비틀림 각, 좌굴 등 다양한 설계 기준을 적용하여 중공축의 경우 직경 83.23mm, 중실축의 경우 직경 58.75mm로 설계하였다.
5. FE 모델링

설계한 중공축과 중실축 모델을 유한요소 해석 프로그램을 통해 모델링하고 응력, 비틀림각 등을 분석하였다. 해석 결과는 이론적 예측값과 1~3% 오차 범위 내에서 일치하여 설계가 안전하게 이루어졌음을 확인하였다.
6. 추가 설계

탄소강 외에 스테인리스강 304와 CFRP(탄소섬유강화플라스틱)에 대해서도 추가로 설계를 진행하였다. CFRP의 경우 매우 낮은 밀도와 높은 강도로 인해 가장 경량화된 설계가 가능하였지만, 대량 생산이 어려운 단점이 있다.
7. 최종 결과 및 고찰

본 프로젝트를 통해 다양한 설계 기준을 적용하여 프로펠러 샤프트를 안전하게 설계할 수 있었다. 중공축 설계가 중실축에 비해 약 2.62배 가벼워 자동차 경량화에 유리하다는 것을 확인하였다. 또한 CFRP와 같은 신소재 적용 가능성을 검토하였지만 대량 생산의 어려움이 있음을 알 수 있었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 차량 선정

차량 선정은 프로젝트의 성공을 위해 매우 중요한 단계입니다. 차량의 크기, 중량, 성능 등을 고려하여 프로젝트 목적에 가장 적합한 차량을 선정해야 합니다. 이때 차량의 안전성, 내구성, 경제성 등도 함께 고려해야 합니다. 또한 차량 선정 시 향후 설계 및 제작 과정에 미칠 영향을 충분히 검토해야 합니다. 차량 선정은 프로젝트의 기반이 되므로 신중하게 결정해야 할 것입니다.
2. 재료 선정

재료 선정 또한 프로젝트의 성공을 좌우하는 중요한 요소입니다. 차량의 용도, 환경, 하중 조건 등을 고려하여 적절한 재료를 선정해야 합니다. 재료의 강도, 내구성, 가공성, 경제성 등을 종합적으로 평가하여 최적의 재료를 선택해야 합니다. 또한 재료 선정 시 제작 공정과의 호환성도 고려해야 합니다. 재료 선정이 잘못되면 차량의 성능과 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 신중한 검토가 필요합니다.
3. 공학적 설계 및 가정

공학적 설계 및 가정 단계는 차량 설계의 기반이 되는 매우 중요한 단계입니다. 이 단계에서는 차량의 구조, 하중, 응력, 변형 등을 분석하고 예측하는 작업이 이루어집니다. 이를 위해 적절한 공학적 모델링과 가정이 필요합니다. 모델링과 가정의 정확성과 타당성은 설계 결과의 신뢰성에 직접적인 영향을 미치므로, 이 단계에서 충분한 검토와 검증이 이루어져야 합니다. 또한 설계 과정에서 발생할 수 있는 불확실성과 오차를 최소화하기 위한 노력도 필요합니다.
4. 조건에 맞는 샤프트 지름 설정

샤프트 지름 설정은 차량의 안전성과 성능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 설계 요소입니다. 샤프트에 작용하는 하중, 응력, 변형 등을 고려하여 적절한 지름을 선정해야 합니다. 이때 차량의 용도, 운전 조건, 재료 특성 등을 종합적으로 검토해야 합니다. 또한 샤프트 지름 설정 시 제작성, 경제성 등도 함께 고려해야 합니다. 잘못된 샤프트 지름 설정은 차량의 안전성과 수명에 심각한 문제를 초래할 수 있으므로, 이 단계에서 충분한 공학적 검토와 검증이 필요합니다.
5. FE 모델링

FE(유한요소) 모델링은 차량 설계의 핵심 단계 중 하나입니다. FE 모델링을 통해 차량 구조물의 응력, 변형, 진동 등을 정확하게 예측할 수 있습니다. 이를 통해 설계 과정에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 파악하고 해결할 수 있습니다. FE 모델링의 정확성은 모델링 기법, 경계 조건, 물성치 등 다양한 요소에 의해 결정됩니다. 따라서 FE 모델링 시 이러한 요소들을 면밀히 검토하고 실험 데이터 등을 활용하여 모델의 신뢰성을 확보해야 합니다. 정확한 FE 모델링은 최종 설계의 품질을 높이는 데 필수적입니다.
6. 추가 설계

추가 설계 단계는 차량 설계의 완성도를 높이기 위한 중요한 과정입니다. 이 단계에서는 앞서 수행한 설계 결과를 바탕으로 차량의 성능, 안전성, 제작성 등을 종합적으로 검토하고 개선할 수 있는 방안을 모색합니다. 추가 설계에는 부품 설계, 조립성 검토, 내구성 평가, 제작성 분석 등이 포함될 수 있습니다. 이를 통해 차량의 전반적인 품질을 향상시킬 수 있습니다. 추가 설계 과정에서는 다양한 관점에서의 검토와 분석이 필요하며, 설계 변경 및 최적화 작업이 이루어져야 합니다.
7. 최종 결과 및 고찰

최종 결과 및 고찰 단계는 프로젝트 전체를 종합적으로 평가하고 향후 개선 방향을 모색하는 중요한 단계입니다. 이 단계에서는 설계 목표 달성 여부, 설계 과정의 적절성, 제작 및 시험 결과 등을 면밀히 검토하고 분석해야 합니다. 또한 프로젝트 수행 과정에서 발생한 문제점과 한계를 파악하고 이에 대한 개선 방안을 도출해야 합니다. 이를 통해 향후 유사한 프로젝트를 수행할 때 발생할 수 있는 문제를 사전에 예방하고 설계 및 제작 과정의 효율성을 높일 수 있습니다. 최종 결과 및 고찰 단계는 프로젝트의 성공적인 완수와 향후 발전을 위해 매우 중요한 과정이라고 할 수 있습니다.