벨트풀리 축의 기계요소설계 및 베어링 선정

본 내용은 " 기계요소설계 ) 그림과 같이 수평방향으로 장력이 작용하는 벨트풀리가 설치된 축이 있다. 풀리의 무게가 1000N 이고 벨트의 중앙에 위치한다. 축재료의 허용전단응력이 50Nmm2 이고, 허용굽힘응력이100Nmm2 일 때 다음의 내 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.30

문서 내 토픽

• 1. 축의 굽힘모멘트 및 비틀림모멘트

  벨트풀리가 설치된 축에서 풀리의 무게 1000N이 작용할 때 최대 굽힘모멘트는 500Nm이며, 비틀림모멘트는 600Nm으로 설정된다. 축의 한쪽 끝에만 토크가 걸리고 나머지는 베어링으로 지지되며, 축의 무게는 무시한다. 이러한 모멘트들은 축의 응력 계산과 지름 설계의 기초가 된다.

• 2. 상당모멘트 및 축의 응력 설계

  상당 굽힘모멘트는 계수 1.5를 적용하여 750Nm, 상당 비틀림모멘트는 계수 1.2를 적용하여 720Nm으로 계산된다. 축재료의 허용전단응력 50N/mm²과 허용굽힘응력 100N/mm²을 기준으로 축의 지름을 설계하며, 굽힘응력과 전단응력 공식을 이용하여 약 32mm의 축 지름이 도출된다.

• 3. 베어링의 선정 및 특성

  32mm 직경의 깊은 홈 볼 베어링이 선정되며, 이는 내륜, 외륜, 볼, 케이지로 구성된다. 홈 볼 베어링은 중간 회전 속도와 중간 정도의 하중을 수용하는 데 적합하며, 자동차, 전기 모터, 가전제품 등에 광범위하게 사용된다. 높은 회전 정밀도, 낮은 마찰 특성, 설치 용이성, 경제성을 갖춘다.

• 4. 축 설계의 응력 계산 방법

  축의 굽힘응력은 σ = 32×M_equiv-bend/(π×d³), 전단응력은 τ = 16×M_equiv-torque/(π×d³) 공식으로 계산된다. 계산된 응력이 허용응력 이하가 되도록 축의 지름을 결정하며, 이는 기계요소설계의 핵심적인 설계 절차이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 주제1 축의 굽힘모멘트 및 비틀림모멘트

  축의 굽힘모멘트와 비틀림모멘트는 기계설계에서 가장 기본적이면서도 중요한 개념입니다. 축에 작용하는 하중으로 인한 굽힘모멘트와 회전력으로 인한 비틀림모멘트를 정확히 계산하는 것은 축의 안전성과 수명을 결정하는 핵심 요소입니다. 실제 설계에서는 이 두 모멘트가 동시에 작용하는 경우가 대부분이므로, 각각을 독립적으로 분석한 후 결합하여 평가해야 합니다. 특히 회전축의 경우 동적 하중이 작용하므로 피로강도를 고려한 설계가 필수적입니다. 이러한 기초 개념의 정확한 이해는 이후의 모든 축 설계 과정의 토대가 됩니다.

• 2. 주제2 상당모멘트 및 축의 응력 설계

  상당모멘트는 굽힘모멘트와 비틀림모멘트의 복합 응력 상태를 단일 값으로 표현하는 매우 실용적인 개념입니다. 다양한 이론(von Mises, Tresca 등)이 있으며, 재료의 특성과 하중 조건에 따라 적절한 이론을 선택해야 합니다. 축의 응력 설계에서는 상당모멘트를 이용하여 필요한 축의 직경을 결정하게 되는데, 이는 경제성과 안전성의 균형을 맞추는 중요한 단계입니다. 안전계수의 적절한 선택도 중요하며, 과도한 설계는 비용 증가로, 부족한 설계는 파손 위험으로 이어질 수 있습니다. 따라서 표준과 경험을 바탕으로 한 합리적인 설계가 필요합니다.

• 3. 주제3 베어링의 선정 및 특성

  베어링은 축을 지지하고 회전을 가능하게 하는 핵심 부품으로, 축 설계에서 매우 중요한 역할을 합니다. 베어링의 종류(볼 베어링, 롤러 베어링 등)와 특성을 이해하고 작용하는 하중 조건에 맞는 베어링을 선정하는 것이 필수적입니다. 베어링의 수명은 동적 하중 용량과 실제 작용 하중의 관계로 결정되며, 정확한 하중 계산이 선정의 기초가 됩니다. 또한 베어링의 설치 방식, 윤활, 밀봉 등도 베어링의 성능과 수명에 큰 영향을 미칩니다. 경제성과 신뢰성을 동시에 고려한 베어링 선정은 전체 기계 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 결정입니다.

• 4. 주제4 축 설계의 응력 계산 방법

  축 설계의 응력 계산은 정적 응력과 동적 응력을 모두 고려해야 하는 복잡한 과정입니다. 정적 응력은 상당모멘트를 이용한 기본 계산으로 시작되며, 동적 응력은 피로강도와 응력 집중 계수를 고려하여 평가됩니다. 축의 형상 변화, 키홈, 단부 등에서 발생하는 응력 집중은 실제 파손의 주요 원인이 되므로 반드시 고려해야 합니다. 현대에는 유한요소해석(FEA) 등의 수치해석 기법을 활용하여 더욱 정확한 응력 분포를 파악할 수 있습니다. 그러나 기본적인 계산 방법의 이해는 여전히 중요하며, 수치해석 결과의 타당성을 검증하는 데 필수적입니다. 따라서 이론적 기초와 실무적 경험의 조화가 효과적인 축 설계를 가능하게 합니다.