Mechanical Design I

(1)

Bong-Kee Lee

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University

Mechanical Design I

0. Course Overview

Mechanical Elements

 기계(machine)의 정의 (B. W. Kennedy)

– 기계란 저항력이 있는 물체가 서로 결합되어 외부에서 공 급받은 에너지로 일정핚 구속운동을 함으로써 유용핚 일 을 하는 것이다.

 기계 요소(mechanical element)

– 기계를 구성하는 각 저항체

(2)

School of Mechanical Systems Engineering Mechanical Design I

Mechanical Elements

 구조물(structure)

– 교량, 철탑 등

– 저항체 상호갂의 운동이 없음.

 기기(instrument)

– 시계, 계측기 등

– 저항체갂의 상대운동이 있으나, 유용핚 일을 하지 않음

Mechanical Elements

 기계의 주요 부분

– 외부에서 에너지를 받아들이는 부분

– 받아들인 에너지를 젂달 또는 변화시키는 부분

– 유용핚 일을 하는 부분(외부로 에너지를 내보내는 부분) – 저항체(기계 요소)들을 고정하는 프레임(frame)

(3)

Mechanical Elements

 기계 요소군으로 구성된 기계의 개략도

Mechanical Elements

 기계 요소와 기능 분류 (I)

– 결합용 요소: 나사(볼드, 너트), 리벳, 용접

– 축계 요소: 축, 축이음(커플링, 클러치), 베이링(미끄럼, 구 름, 자기), 축과 보스의 결합(키, 핀, 코터)

– 젂동 요소: 마찰차, 기어(평, 헬리컬, 베벨, 웜), 벨트(평, V, 이붙이), 로프, 체인

– 운동조정용 요소: 제동 요소(브레이크), 완충 요소(스프링, 관성차)

– 관용 요소: 파이프, 파이프 이음

(4)

Mechanical Elements

 기계 요소와 기능 분류 (II)

기계 요소군 기계 요소 기능

결합용 요소 나사

리벳, 용접 임시적 체결 반영구적 체결 축계 요소

축

축이음(커플링, 클러치) 키, 핀, 코터베어링

회젂 및 동력젂달 축과 축을 연결 축과 보스(회젂체) 연결축 지지

젂동 요소

직접 젂동 – 마찰차, 기 갂접 젂동 – 벨트, 페인, 어, 캠

로프

동력 젂달

운동조정용 요소 제동 요소

완충 요소 속도 조젃

충격 완화

Mechanical Design

 기계 설계

– 기계를 구성하는 여러 요소의 크기와 형상을 결정 – 적합핚 소재를 선정

– 제작공정을 결정

– 완성된 기계장치의 파손 없이 원하는 기능을 수행

(5)

Mechanical Design

 기계 설계 시 고려 사항

– 원활핚 기능 및 작동 원리 – 앆정성

– 역학적 타당성 – 생산성

– 내구성 – 경제성

– 규격화 및 표준화 – 인갂공학

– 미학적 측면 – 재활용 측면

Mechanical Design

 기계 설계에 필요핚 지식

– 기구학: 기계 요소 사이의 운동을 결정

– 고체역학/동역학: 힘에 의해 요소 내부에 생기는 응력과 변형을 계산

– 기계재료학: 사용하는 부품(기계요소)의 재질을 선택 – 기계공작법: 부품들을 적은 비용으로 효율적으로 제작 – 유체역학: 유체기계, 유압장치 등

– 열역학/열젂달: 열기관 등

(6)

Mechanical Design

 기계 요소 설계

– 기계 요소에 발생하는 응력과 변형을 예측하여 기계 요소 가 하중을 앆젂하게 지지하며 에너지를 효과적으로 젂달 시키도록 하는 것이 주목적임

– 고체(재료)역학 이롞의 중요성

– 파손(failure) 이롞 및 앆젂 계수(safety factor) – 각종 기계 요소들의 종류 및 역학적 설계

Mechanical Design

 기계 설계 과정의 예: 자동차 동력젂달장치

– 기구 선정(기구학)

: “직선 운동을 회젂 운동으로 변환”

 Slider-Crank mechanism

(7)

Mechanical Design

– 부하 계산(정역학/고체(재료역학))

: 자유물체도(freebody diagram)를 통핚 힘/모멘트 계산

 Slider: 압축력(compressive force/stress)

 Link: 압축력

 Crank in crank shaft: 굽힘(bending) 모멘트

 Shaft in crank shaft: 비틀림(torsional) 모멘트 + 굽힘 모 멘트

(8)

Mechanical Design

– 재질의 선정(기계재료학)

: 다양핚 실험을 통핚 재료의 물성(강도(strength)) 파악

 허용 응력(allowable stress) 결정 S

s a

 

materials of

strength :

factor safety :

s

S



Mechanical Design

– 형상 및 치수 결정(고체(재료)역학) : 응력 및 변형 계산

a a

d F

d F A F A d



 

 4

, 4

4 ²

2







(9)

Mechanical Design

Design

need Design

specifications Feasibility study with collecting design information

Design

documentation Design

evaluation Design analysis,

optimization Design Analysis

model Design

conceptualization

Process

planning Production

planning Design and procurement of

new tools

Order materials

NC, CNC, DNC programming

Production Quality

control Packaging

Shipping

Marketing

CAD + CAE

CAM Design Process

Manufacturing Process

Textbook

 기계설계: 이롞과 실제 (5판), 홍장표 저, 교보문고

(10)

References

 Shigley’s Mechanical Engineering Design (8th ed.), R.G. Budynas and J.K. Nisbett, McGraw-Hill

 기계설계(Mechanical Engineering Design 7th ed.), 김영짂 외 공역, McGraw-Hill

Lecture Schedule

Week Contents Design Project

1 (3/2) Course overview (3/2) Course overview (continued) (3/7) 1.6-7

2 (3/9) 2.1-2 (3/9) 2.3-4 (3/14) 2.5-6 3 (3/16) 2.7

(3/16) 2.7 (continued) (3/21) 2.8-9

4 (3/23) 2.10 Topic announcement

(3/23) 2.10 (continued)

(3/28) 2.10 (continued) & Topic announcement

5 (3/30) 4.4 Group organization

(3/30) 4.4 (continued) (4/4) Group organization

6 (4/6) 5.1-5 Group design

(4/6) 5.6 (4/11) 5.7

7 (4/13) 5.8 Group design

(4/13) 5.9

Move to (6/8) or (6/13)

8 (Midterm) (4/18) or (4/20) Group design

(11)

Lecture Schedule

Week Contents Design Project

(4/27) 6.6 (4/27) 6.7

(5/4) 7.6 (5/4) 8.5.1

11 (5/9) 8.5.2 Group design

(5/11) 8.5.3 (5/11) 9.1-7

12 (5/16) 9.9 Submission of reports

(5/18) 10.1-5 (5/18) 10.6-7, 9

13 (5/23) 10.10 Evaluation

(5/25) 11.1 (5/25) 11.2

14 (5/30) 12.1-2 (12.3, 5, 6: briefly) Presentation

(6/1) Presentation of design project (6/1) Presentation of design project 15 (6/8) or (6/13) Presentation of design project

(Final exam) (6/15) or (6/20)

Grading Policy

 Midterm: 30%

 Final exam: 30%

 Attendance: 5%

 Design project: 35%

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Assignments

 Reading Assignment

– Chapter 1.4 of the textbook