지난 20여 년 동안 우리나라에서는 자동차, 터빈, 공 작기계 등 기계공업의 중요 분야에서 꾸준히 제품의 품 질이 향상되어 왔고, 이제 어느 정도 국제 경쟁력을 갖 추게 되었으며, 관련 부품산업도 동반하여 성장하여 왔 다. 고성능의 고품질 제품을 저가에 생산하기 위하여서 는 내구설계가 필수적이며, 이러한 설계기술을 바탕으 로 부가가치가 높은 원천기술을 확보할 수 있는 것이 다. 제품을 구성하는 기계요소도 내구성을 고려하여 기 능수행에 적합한 설계를 하여야 한다. 기계요소설계 교 육에서도 이러한 점이 고려되어야 한다. 이에 부합하는 교육정책이 필요하다.
설계기술 및 고품질 제품생산을 위한 기계설계
설계기술은 고유 설계, 생산을 고려한 설계 그리고 신뢰성기반 설계로 나뉜다. 고유설계는 고유기능 수행 및 우수한 성능의 제품을 설계하는 것이고, 생산을 고 려한 설계는 생산성을 높여 원가절감을 하기 위한 설계 이며, 신뢰성기반 설계는 기대 수명까지 고장빈도를 줄 이는 설계로서 고장에 취약한 요인을 미리 파악하여 설 계에 반영하는 것이다. 신뢰성기반 설계는 수명기간 내 에 어느 부품에서 얼마나 경과하여서 무슨 고장이 발생 할 것인지를 예측하고, 찾아내 설계에 반영하여 고장 발생률을 줄이는 고부가가치의 원천기술이다. 소모품
의 교체주기를 길게 하는 것, 교체의 용이성, 저렴한 수 리비용등도 이것에 속한다. 고장에 대한 자료 확보, 고 장 평가기준과 평가장비 개발, 고장해석기술 개발이 필 요하다.
초보적인 기계제품은 기능수행에 중점을 두고, 경험 적 안전계수를 적용하여 안전성을 확보한다. 즉, 대략 적인 정적 사용응력을 계산하고, 하중의 불확실성을 고 려하여 경험에 의한 안전계수를 부여하고, 재료의 불확 실성을 고려하여 재료의 허용강도를 추정하여 제품을 설계한다. 이와 같이 경험과 추정에 의존한 설계는 지 나치게 안전하게 설계되기도 하고, 내구성이 부족하여 잦은 고장으로 이어지는 경우도 있었다.
설계목표인 고품질의 제품을 저가로 생산하기 위한 과제는 많다. 고장빈도를 줄이는 설계, 제조원가를 절 감한 설계, 불량률 감소를 위한 제조기술에는 개선사례 또는 경험을 토대로 대응하고 있으며 일반적인 대책은 없다. 그러나 경량화를 통한 고성능화 및 신뢰성을 기 반으로 한 수명예측의 내구설계에는 일반적인 대책이 가능하다. 경량화되어 성능이 우수하고, 내구성도 만족 하는 고품질의 제품에서는 작용응력의 변동범위를 구 하고, 재료의 불확실한 범위를 구하여 파손확률에 따른 통계적 안전계수로서 내구설계(피로설계)를 한다. 이러 한 설계 기술들이 합하여져 부가가치가 높은 원천 설계 기술이 확보된다.
홍 장 표 인제대학교 기계자동차공학부 교수 ㅣ e-mail : mechhjp@inje.ac.kr
이 글에서는 시대적 변화에 따라 기계설계교육에서 변화한 내용들과 기계설계 교육에 영향을 주는 교육환경, 기계설
계능력 평가 제도 등에 대하여 소개하고자 한다.
불완전한 제품을 출시하였을 때에는 제품에 대한 이 미지도 나빠지고, 법적인 의무도 지게 된다. 리콜제도 (recall: 결함사전점검 서비스제)에 의한 막대한 A/S비 용, 제품의 결함으로 발생하는 손해를 배상하여야 하는 PL법(product liability law: 제품책임법) 등이 있다. 자 동차에서는 자동차의 품질평가 항목으로 초기품질조사 (IQS: Initial Quality Study)와 내구품질조사(VDS:
Vehicle Dependability Study)가 있어, 기능수행은 물론 이고 성능 및 내구도가 중요한 설계과제이다.
고장의 분류
고장(failure, trouble, break down)이란 출고된 제품 을 사용하던 중 사용환경(조건) 등에 의하여 열화(劣化, deterioration)되거나 또는 그 고유기능을 상실하여 기 능상의 장애가 발생한 것으로 완성품의 고장률은 부품 의 고장율의 합이다.
고장을 기간별로 분류하면 그림 1에서 보는 바와 같 이 초기파손기간(infant mortality period), 정상작동기 간(intrinsic failure period), 마모손상구간(wearout failure period)으로 구분한다. 초기파손기간에 고장의 원인에는 잠재적 설계 결함 또는 제조상의 결함 등이 있고, 고장률은 시간이 지남에 따라 점차 감소한다. 정 상작동기간에는 고장률이 낮고, 일정한 것이 특징이며,
이 기간의 고장원인으로 과부하, 사용실수 등이 있는 데, 최악의 조건을 고려하여 설계하면 이 기간에서의 고장률을 줄일 수 있다. 마모손상기간에는 고장의 주된 원인은 기계의 노후화에 따라 부식, 산화, 마모, 피로파 손 등에 의해 발생하는 것이지만, 부적절한 정비가 고 장의 원인일 수도 있다. 시간이 지남에 따라 점점 고장 률이 증가하다가 전체적으로 보아 내구성(耐久性, endurance, durability)의 한계에 이르러 폐기된다.
기계요소의 고품질 설계
제품을 구성하는 기계 부품들은 아주 많지만 그중 여 러 기계에서 공통적으로 많이 쓰이는 부품을 기계요소 라고 부르며, 교육의 대상으로 하고 있다. 기계기술이 향상된 현재에는 고품질의 제품을 설계하기 위하여서 는 제품의 일부를 구성하는 기계요소의 내구설계가 필 수적이며, 실용성도 포함되어야 한다. 이러한 내용이 교육에 반영되어야 한다고 생각한다. 물론 교육목표에 따라 다루는 내용 및 난이도 등이 달라질 수 있다.
대학교에서 흔히 기계(요소)설계 I, II 또는 응용기계 설계 등의 명칭으로 2학기 동안 개설된다.
1980년 이후 출간된 영어권 서적에서는 피로설계의 비중이 높아지고, 기계설계에 직접 적용할 수 있는 자 료들을 제시하기 시작하였다. 현재 쉬글리, 노턴 등의 기계설계 서적이 애독되고 있다. 국내 서적으로 2001년 본인의 졸저 기계설계-이론과 설계의 초판을 출간하였 고, 2013년 6판에 이르러 내구설계 및 실용설계에 많은 지면을 할애하였다.
회전축-베어링계의 설계
회전축-베어링계의 설계 및 조립기술은 고 품질의 기 계에서 아주 중요하다.
회전축의 경우 비틀림 모멘트와 굽힘모멘트의 변동 에 대하여 피로해석을 이전의 (구)미국코드(ASA)기준 에 정한 계수로 수정하여왔다. 이러한 고려만으로도 일
그림 1시간경과에 따른 제품의 고장확률
반적으로 축설계에서 충분한 강도나 강성을 만족한다.
회전축-베어링계의 진동해석은 일반적인 형상의 축을 모델링하고, 베어링 자료도 입력하여 전달행렬법이나 유한요소법을 사용하여 정확한 결과를 예측할 수 있다.
그러나 이것은 학부의 학습범위를 벗어나므로 던커레 이 식으로부터 개략적인 고유진동수를 추정함으로써 축의 적절한 운전속도를 파악할 수 있다.
구름 베어링은 이전에는 동등가하중과 작용하중으로 부터 베어링의 수명을 계산하는 데 중점을 두어왔다.
요즘은 베어링 배열, 공차, 끼워맞춤 및 장착방법을 다 루어 실제 설계에 적용할 수 있도록 한다. 회전축 베어 링계의 조립에서 끼워맞춤 요소가 많으며, 치수공차 및 기하공차의 그 의미를 잘 숙지하여야 정밀설계를 할 수 있다.
미끄럼베어링은 기초적인 소개에 그치는 경우가 많 다. 조금 깊게 들어가면 레이놀드 방정식 및 변수들의 적용방법의 이해 등 이론적 배경 지식이 많이 필요하 며, 베어링 종류들도 다양하다.
동력전달용 기계요소의 설계
V벨트의 경우 이전에는 아이텔바인 식을 적용하였을 때 계산되는 벨트의 인장응력이 벨트의 강도보다 큰지 여부를 설계의 기준으로 하여 전달동력을 계산하였다.
이것은 전달가능한 동력을 계산한 것이고, 벨트의 수명 관점에서 설계하지 않았다. 요즘은 V벨트의 피로설계 에서는 풀리에 감김으로 인한 굽힘응력 피로와 긴장측 과 이완측을 지나면서 발생하는 인장응력의 변동을 기 준으로 회전속도를 고려하여 개발한 설계식을 사용한 다.
타이밍 벨트는 자동화 기계 또는 정밀기계에 많이 쓰
인다. 타이밍벨트의 종류 및 용도, 동력전달식 등을 다 룬다.
체인의 경우 이전에는 링크판이 정적인장하중에 의 하여 파단된다고 가정하고 응력을 산정하여 체인을 선 정하였으나 전혀 맞지 않아 정적 응력에 안전계수 100 정도 부여하여 설계하였다. 요즘은 체인의 속도 및 전 달동력에 따라 링크판 파괴, 롤러와 부시의 충격파괴, 핀과 부시 사이의 마모 손상 등 파괴되는 부위가 다르 고, 이에 대한 동력전달식, 체인선정방법, 한계속도를 예측할 수 있도록 개발되어 있다.
기어 설계에서 철강의 강도는 편진하중이 1.0×회 반 복하였을 때 99%의 신뢰도를 갖는 피로강도로 정한다.
일반부재에서 철강의 강도를 양진하중이 회 반복하였 을 때 50%의 신뢰도를 갖는 피로강도로 정하는 것과 다 르다.
이전에는 치형의 성립조건, 간섭을 피하기 위한 잇 수 조건들은 언급하고, 강도설계로서 수정된 루이스식 및 미데키식에 의거한 강도설계를 다루었다. 이 강도에 관한 식들은 주물기어를 기준으로 설정한 식이므로 절 삭기어에 적용하기에는 지나치게 안전하다는 단점이 있어 국가별로 꾸준히 수정 보완하여왔다. 위 루이스식 및 미데키식은 AGMA식, ISO식에 비하여 속도계수에 서 가장 큰 차이를 보이고 있다.
영어권서적에서는 AGMA식을 다루고 있으며, 이 식 은 BS식을 현장의 기술자들이 발전시킨 식인데 실용적 이면서 비교적 정확하다.
우리나라는 독일 DIN규격을 기본으로 개발한 ISO규 격을 번역하여 한국표준(KS)으로 삼고 있다. ISO규격 은 매우 복잡하고, 계산에 기울인 노력에 비하여 잘 맞 는 것은 아니라는 것이 일반적인 견해이다. 일본 JGMA
Lewis식 및 Videky식 AGMA식 (BS식 개조) ISO식 (KS표준)
복잡도 간단 복잡한 편 더 복잡
활용도 보통 보통 적음
실용성 초간편 실용적 전문가용
표 1기어 설계식의 비교
