Bong-Kee Lee
School of Mechanical Engineering Chonnam National University
8. Shaft (Chap. 8.5-3)
Vibration of Shafts
축 진동
– 축의 위험 속도(critical speed)
• 축의 고유 진동수에 일치하는 회전 속도
• 위험 속도에서부터 25% 이상 떨어져 있어야 안전
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
– 단질점 회전축의 경우
위험속도 고유진동수
차
공진주파수 ,1 ,
: if
/ sin
&
0
sin
2 2 2
2
m k m X k
m k
m X Me
t X x c
t Me
kx x c x m
Vibration of Shafts
축 진동
– 베어링 수에 따른 경계 조건
• 간단한 해석의 경우: 축을 지지하는 베어링의 특성 → 스프링 계수(k) 및 댐핑 계수(c)로 대체
• 베어링에 따른 경계 조건 설정
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
축의 위험 속도
– 1개의 집중 질량으로 구성된 회전체를 가지는 축
• 집중 질량이 작용하는 지점에서의 처짐 기준
• 축 자체의 질량 무시
[rpm]
30
[rad/s]
1
1 1
1 1 1
1
N g
g mg m m k
mg x k F kx F
Vibration of Shafts
축의 위험 속도
– 1개의 집중 질량으로 구성된 회전체를 가지는 축
• 집중 하중이 작용하는 시스템에서의 처짐
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
– 축 자체의 질량이 분포 하중으로 작용하는 축
• 축에 부착된 회전체를 제외
• 축이 균일한 분포 하중을 받는 경우
– 진동식의 해석으로 얻은 δ0 사용
– 최대 처짐량(δmax) 또는 최대 처짐량/1.28 사용 [rpm]
30 [rad/s]
0 0
0 0
N g
g
Vibration of Shafts
축의 위험 속도
– 축 자체의 질량이 분포 하중으로 작용하는 축
0
0 4 2 1
0
g
EI Al l
g
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
축의 위험 속도
– 여러 개의 회전체로 구성된 축
• 풀리, 기어, 관성차, 팬 등의 여러 회전체가 축에 부착 되어 있는 경우
• 각 회전체의 특성을 고려하여 고유 진동수를 추정
• 1차 고유 진동수를 간단하게 추정하는 방법
– 레이레이(Rayleigh) 방법 – 던커레이(Dunkerly) 공식
Vibration of Shafts
축의 위험 속도
– 여러 개의 회전체로 구성된 축
• 던커레이(Dunkerly) 공식
– 축의 질량을 고려하여 시스템 전체의 1차 고유 진동수를 근사 적으로 계산
– 1차 고유 진동수의 하한 값(lower bound)
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
– 여러 개의 회전체로 구성된 축
• 레이레이(Rayleigh) 방법
– (가정) 운동에너지의 최대값 = 위치에너지의 최대값 – (가정) 축의 진폭이 1차 고유 진동수에 미치는 영향이 작음 – 1차 고유 진동수의 상한 값(upper bound)
→ 정확한 고유 진동수보다 높은 값을 제시
n
i i i
n
i i i
n
i i i
n
i i i
m m g W
W g
1 2 1
1 2 1
1
Vibration of Shafts
축의 위험 속도
– 여러 개의 회전체로 구성된 축
• 레이레이(Rayleigh) 방법
2 3 2 2 2 2 2 1 1
3 3 2 2 1 1
2 3 2 2 2 2 2 1 1 2
2 3 3 2 2 2 2 1 1
3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 1
2
2 1 2
1 2
1
2 1 2 1 2 1 2 1
W W W
W W g W E E
W W g W
g W g
W g
E W
W W W W
W W E
k p k p
School of Mechanical Engineering Mechanical Design I
Example 8-15
• d=60[mm], E=2.1104[kgf/mm2], γ=0.0078[kgf/mm2]
2 2 2 1 2 0 2
2 2
2 2 2 1 2
1 1
2 2 2 1 1
0 0
4 2
4 0
4 0 4
1 1 1 1
30 rpm 3
30 rpm 3
30 rpm
64
&
4 384 or 5 1
N N N N
N g l EI
l l W
N g l EI
l l W N g
d I d l A
l A l q W
EI ql EI
ql
cr