1. 개요*Flange coupling(플랜지 고정 커플링)의 설계:전동축(Φ25)과 그에 적합한 Flange coupling을 설계한다. 전동축은 비틀림 모멘트와 굽힘 모멘트를 받으며 기계구조용 탄소강재이고, 키와 coupling 또한 기계구조용 탄소강재를 사용한다. Flange coupling에 사용하는 볼트와 너트는 SS41(steel strength 41, SS400)을 사용한다.*서브모터에 적용:설계한 축과 Flange coupling을 아래의 표에서 한 가지 서브모터 제품에 적용한다고 가정하기로 한다.*설계 순서:1. Transmission shaft, Flange coupling body, key, bolt와 nut의 재료 선정2. Shaft의 지름 결정(Φ25)과 안전계수 적용3. Key의 설계4. Key-home이 있는 축의 강도 계산5. Key의 재설계6. Bolt의 결정과 응력 계산7. Coupling의 설계8. 설계의 수정과 검토2. 재료의 선정(1). 축회전축의 재료는 동력전달에 의한 비틀림이나 휨에 대한 충분한 강도가 있어야 한다. 진동에 의한 반복하중에 대비한 내피로성, 저널 등에 의한 마모에 대비한 내마모성, 충격 등에 대비한 인성을 고려 하여야 한다. 재료의 성질이 열처리 및 표면 경화를 쉽고 충분한 경도를 낼 수 있어야 한다. 이에 ‘기계구조용 탄소강재중 SM45C’를 선택하였고 열처리 결과를 노멀라이징(공냉) 기법으로 한다고 가정하였다.SM43C~SM45C 노멀라이징의 경우:항복점: 35 kg/mm² 이상인장강도: 58 kgf/mm² 이상연신율: 20% 이상경도(HB): 167~229 * 열간 압연 선재의 치수 허용차지름허용차편지름차15 이하±0.3mm0.4mm 이하15~25 이하±0.4mm0.5mm 이하25~32 이하±0.5mm0.6mm 이하32~50 이하±0.6mm0.7mm 이하(2). 키축과 보스를 결합하는 기계요소로, 주로 SM45C가 사용된다. 사용될 키 방식은 묻힘키 방식이고 표준적으로 쓰이며 전달토크가 크고 정밀도커플링 바깥둘레는 조립위치 표시하는 맞춤 표시를 각인한다.* 커플링의 균형은 양호하고 흔들림의 원인이 되어서는 안된다.* 커플링 재료의 선정Coupling bodyKSD4301(GC200), KSD4101(SC410),KSD3710(SF440A), KSD3752(SM25C)BoltKSD3503(SS400(SS41))NutSpring washerKSD3559(HSWR62)재료의 품질이 표기한 것 또는 동등 이상인 것으로 한다.Coupling body의 재료SM25C 노멀라이징항복점: 27 kgf/mm² 이상인장강도: 45 kgf/mm² 이상연신율: 27% 이상경도(HB): 123~183 Bolt, Nut의 재료SS400 (SS41): steel strength 41일반 구조용 압연 강, 인장강도: 41~52 kgf/mm²Washer의 재료HSWR62: high carbon steel wire rods, 62-탄소 함유량경강선재, 스프링 강재, 정하중을 받는 스프링에 주로 사용된다.외형상 편차요인(기계적 특성치, 표면상태)이 적어야 한다.3. 축 설계SM45C의 표에서 σ = 58 kgf/mm²τ = 33.4863 kgf/mm²(τ는 the maximum distortion energy theory에 의해 계산τ = σ/3^0.5)*언윈의 안전계수재료정하중동하중충격하중경험값편진양진강연철33~55810~12주철43.5~861015목재77~10101520벽돌석재2015~2430--축 안전계수 S = 3 적용 – 정하중 상태의 강이므로σa = σs / s = 58/3 = 19.33 kgf/mm²τa = τs / S = 33.4863/3 = 11.1621 kgf/mm²4. Key의 설계@ 축에서 전달 되는 토크(T)τa = T*r/Ip (Ip = Π*d/32, r = d/2) 이 식에서 토크를 구할 수 있다.T= 34244.89 kgf*mm@ Key에 작용하는 압축 응력과 전단 응력σc = P/Ac = P/(h/2*l)τk = P/As = P/bl여기서 σc = 2τk *36 (mm)5. Key-Home이 있는 축 설계β= (키-홈이 있는 축의 강도)/(키-홈이 없는 축의 강도)= 1.0-0.2*b/do-1.1*t/dob: 키-홈의 폭 7mmt1: 키-홈의 깊이 3.5mm (h/2)이지만 축의 홈 깊이와 보스부의 홈 깊이의 합이 키의 높이 보다 커야 하므로 (t1+t2>>h),열간 압연 선재의 치수 허용 차에서 허용 차가 0.4mm 이므로 t1 = 4 mm로 둔다.보스 부에서 키-홈의 깊이는 3.5mm가 된다.β= 0.7238이 값을 T = d³* β* τa* Π/16에 대입하면 전달토크의 값을 구할 수 있다.∴ T = 24786.454 kgf*mm6. Key의 재설계τk = 2*T/(bldo)의 식에서 b 값을 다시 결정한다.∴ b = 5.874 ≒ 6 mm∴ h = 6 mmτk*bl = τs*Π*d²/8 의 식에서 l 값을 다시 결정하면,∴ l = 40.906 ≒ 41 m키의 길이를 보스부의 길이와 같아야 하고 제작의 가변성을 위하여 적당한 값으로 치수를 변경한다.∴ l = 40.906 ≒ 45 m보스의 길이는 Lb ≥ 1.5*d = 37.5 mm이 되어야 하므로 보스의 길이는 Lb = 45 mm로 조건을 만족한다.* Key의 안전성 검사축의 허용압축응력 σa = σs / s = 58/3 = 19.33 kgf/mm²키의 허용압축응력 σc = 4*T / (h*d*l) = 4*24786.454/(6*25*45) = 14.6883 kgf/mm²@ Key의 허용압축응력이 축의 허용압축응력 보다 더 크므로 임의의 충격이 가해졌을 때 축이 먼저 부러지지 않고 키가 먼저 부러 짐으로 축을 보호 할 수 있다.* 키-홈 치수 표(KS B 1311)에서 키의 챔퍼 값과 필렛 값 결정키의 호칭 치수 기준으로 C = 0.25 mm, r= 0.2 mm (0.16~0.25 mm)# 지금까지 결정된 값∴ 축 토크: T = T = 24786.454 kgf*mm∴ 축에서의 키-홈 치수: b = 6 mm, t1 = 3.5 mm∴ 키의 치수: b*h*l = 41 kgf/mm²τ = σ/3^0.5 = 23.6714 kgf/mm²S = 5 (강의 편진 운동)σa = σs / S= 41 /5 = 8.2 kgf/mm²τa = τs / S = 23.6714/5 = 4.734 kgf/mm²* 볼트의 개수 선정Z = 0.075*d+2.5 = 4.375볼트의 수는 계산 값에서 가까운 짝수 이므로 Z = 4 ea* 플랜지의 Db를 결정하고 볼트의 지름 구하는 것을 반복해 볼트 지름 결정‘δ = 0.5√[d³/{Z*(Db/2)}]+10’을 사용Db1 = 80 mmδ1 = 14.9 mm ≒ 16.376 mm, M18 (표 미터 보통나사 이용)Db2 = 90 mmδ1 = 14.65 mm ≒ 14.701 mm M16* 볼트는 M16 6H 재료 SS41을 사용한다.* 플랜지의 Db = 90 mm* 볼트에 작용하는 전단응력T = T1+T2T1 = (Π*δ²/4)*τb*Z*(Db/2)커플링에서 전단저항을 받는 Z개의 볼트가 전달 할 수 있는 토크T2 = Z*μ*F*Db/2커플링에서 마찰저항에 의하여 전달 할 수 있는 토크F: 볼트 한 개에 작용하는 인장력여기서 T2는 무시 할 수 있을 정도의 크기이므로 생략한다.T1을 이용하여 작용 전단응력 계산한다.축에 작용하는 토크와 볼트 Z개가 전달 할 수 있는 토크가 같다고 하면,T = (Π*δ²/4)*τb*Z*(Db/2)τb = 8*T/(Π*δ²*Z*Db) = 0.8112 kgf/mm²8. 커플링의 설계* 플랜지 커플링의 제조 방법 선택커플링의 제조 방법에는 크게 주조 방법과 기계가공 방법이 있다. 플랜지 바디 재료로는 SM25C가 선택되었고, 이 재료는 주조 가공 방법보다는 기계 가공이 수월하다. 대량 생산 적인 면에서는 주조 가공이 우수 하지만 주조 중 이물질, 홈, 슬러지 등으로 인하여 강도가 떨어질 수 있는 위험이 있다. 또한 주조 가공은 정밀도가 불량해 편심을 가질 수도 있으므로 기계 가공 방법을 선택한다. 기계 가공법을 사용 함으로 강도와 정밀도에서 이익을 얻을 수 있기 때문이다. 에 필렛 값(R=3)을 주게되면Df = 58 mm* 플랜지의 뿌리부 치수 결정 (t)t = 18 mm로 정하였다. T“ = τf*(Π*Df*t)*Df/2를 사용하여 τf 를 구한다.축 토크와 플랜지 뿌리부에 작용하는 토크를 같다고 하면,τf = 2*T/(Π*Df²*t) = 0.2606 kgf/mm²플랜지 뿌리부에는 0.2606 kgf/mm²의 전단응력이 작용한다.* 플렌지 커플링의 안전성 검사τb = 8*T/(Π*δ²*Z*Db) = 0.8112 kgf/mm²τf = 2*T/(Π*Df²*t) = 0.2606 kgf/mm²τb>>τf의 결과를 가진다.토크에 의한 플랜지 커플링 뿌리부에 작용하는 전단응력보다 볼트에 작용하는 전단응력이 커서 임의의 충격을 받게 되면 플랜지의 뿌리 부분 보다 볼트에 더 많은 응력이 작용하게 됨으로 플랜지 커플링을 보호 할 수 있다.* 플랜자 커플링의 총 지름 결정d(축지름), 보스부의 두께(Df-d), Db의 크기, 볼트의 지름, 마진 부분까지 고려Db = 90 mm, 볼트지름=16 mm이므로D = 90+16(볼트 크기)+10*2(마진 부분) = 126 mm9. 설계의 검토 및 고찰* 각 부품별 치수1. 축지름: 25mm, b: 6mm, t1: 3.5mm2. 키b*h*l = 6*6*45 (mm)3. 볼트M16 볼트, 길이: 55 mm (플랜지의 두께*2+너트의 높이+볼트의 여유부)4. 플랜지 커플링b = 6 mm, t2 = 3mmD(총지름) = 142 mm, Db = 90 mm, Df = 45 mmL = 45 mm (플랜지 커플링의 길이)M16 볼트 구멍 4개t = 18 mm* 축과 플랜지를 임의의 충격으로 보호하기 위하여 응력 계산을 하였다.축과 키 부분에서의 설계에서는 축을 보호하기 위하여 축의 허용응력이 더 크게 설계를 하였고, 플랜지 커플링과 볼트의 부분에서는 작용 토크에 의한 작용전단응력이 볼트를 더 크게 하여서 커플링을 보호 할 수 있게 하였다.* 플랜지 커플링의 설계 부분에서 마차력에 의한 토크 전달 부분의 계산하지 못한
1. 플랜지 커플링의 개요축과 축을 연결할 때 사용되는 Flange Coupling은 간단하고 쉬운 분해조립, 저렴한 가격등 필요한 여러가지 조건을 갖고 있다.1) 동력을 원활하게 전달한다.2) 육안점검이 가능하여 보수시기를 예측할 수 있다.3) 구조가 간단하다.4) 장착 및 분해 등 정비가 간단하고 쉽다.2. 설계- 축 설계 선정플랜지 커플링은 일반적으로 지름이 큰 회전축이나 고속 회전축에 사용된다.축을 선택하는 기준에는 여러 가지가 있지만 안전성과 경제성을 생각해서 축의 재료를 강재로 선정했다. 가장 널리 사용되는 SM 45 C를 선정하였다.- SM 45 C 축 설계시 고려해야 할 사항SM 45 C는 풀림 열처리하지 않고 사용하면 금속내부 응력이 그대로 남아있어 충격이나 진동을 반복적으로 장시간 전달되면 쉽게 부러지는 성질이 있다. 또한 SS400(구 규격명 : SS41)보다 경도가 높아 쉽게 충격에 잘 부러진다. 그래서 대개 SM 45 C는 풀림 열처리를 하여 사용한다. 풀림 열처리를 하면 내부 응력이 풀려 조밀하고 안정적인 금속조직으로 바뀐다.- 인장강도(교재p.161)58~ 70전단강도()()안전계수(S)축이 파괴되면 경제적으로나 수리하기 어렵기 때문에 (교재p29)안전계수를 넉넉하게 주었다. 정하중을 받을 때 S=5허용인장응력()()허용전단응력()()-전달도크(T)-키재료(기계설계제도-원광출판사p.221) : SM 20 C (축의 파괴를 방지하기위해 축보다약한 강도를 사용)인장강도(기계설계제도-원광출판사p.175)이상전단강도()()안전계수(S)안전계수가 너무 높으면 부피도 커지고 경제적으로도 부담 됨.S=3.5허용인장응력()()허용전단응력()()- 기계설계제도 p.222 표7.32 (KS B 1311, KS B 1313)지름:90mm일 때,의 성크키-평행키를 선정 하였다.(로를 이용하여 b와 t를 구했을 때가 구해졌다. 하지만 키홈이 깊으면 전달토크가 많이 줄어들기 때문에 치수표를 보고 정했다.)다시 토크를 구하면압축응력으로 했을 때 191.23mm 선택해야 한다.만약 허용 토크나 허용 응력을 넘었을 때 축의 파괴를 막기 위해 축보다 먼저 파괴 되어야 한다. 그러므로 키는이 길면 잘 파괴가 되지 않는다. 그러므로은 조금 작은 185mm로 정하였다.- 플랜지 재료선정(기계설계제도p.176)플랜지 커플링은 형상을 만들기 쉬운 주물로 하기로 결정하였다. 따라서 일반적인 주물재료로 값이 싸고 인장응력이 좋은 회주철품(GC20)를 선정했다.이상전단강도()()안전계수(S)안전계수가 너무 높으면 부피도 커지고 경제적으로도 부담 됨.S=3.5허용인장응력()()허용전단응력()()z=0.075d+2.5=9.25 가까운 짝수 10 볼트 수가 많으면 플랜지 본체에 구멍이 많이 생겨그만큼 강도가 떨어지므로 볼트 수는 6으로 정했다.-볼트 재료(기계도면 보는 법 -기전연구사)p.190 일반구조용 압연강재 SS4축의 파괴를 방지하기 위해서 키보다 볼트가 먼저 파괴 되도록 설계 하여야한다.키를 교체하는 것보다 간편하게 볼트를 교체 할 수 있기 때문이다.41~51전단강도()()안전계수(S)안전계수가 너무 높으면 부피도 커지고 경제적으로도 부담 됨.S=3.5허용인장응력()()허용전단응력()()와 플랜지의 두께 t등 임의로 정해야 되는 길이는 기계설계제도 p.325 보고 참고함.볼트가 제일 먼저 파괴 되어야 하므로 지름 20mm인 M20 나사로 결정 하였다.하지만 응력집중을 고려하여 10mm를 더하기 때문에, 실제 계산하면 훨씬 많은 토크를전달 할 수 있는데, 응력집중을 고려하여 계산 하면 적게 나올 것이다.-플랜지 뿌리부의 길이축 지름 90mm 보다 더 적은 값이다. 그래서 기계설계제도 p.325 를 보고=160으로 정하였다.- 일반적인 플랜지 커플링이 아닌 림부분이 있는 플랜지 커플링을 설계하였다.회전체에서 볼트가 회전할 경우 미관상으로 작업자들에게 위험을 느낄 수 있게 한다. 또한 회전하는 볼트로 인해서 볼트에 무엇인가 걸려서 사고가 날수도 있기 때문에 작업자를 보호하기 위해서 볼트 주변을 감싸는 플랜지 커플링모양을 채택했다.나머지 플랜지 커플링 규격은 기계설계제도 p.325 에 나와 있는 KS규격을 참고로 설계를 하였다. 기계설계제도 - 원광출판사(김정기, 정영석, 신관수, 운재형 편저)
