기계 제품은 모든 계층에서 사용되며 구조 설계의 내용과 요구 사항은 매우 다양합니다. 그러나 다양한 산업 분야의 기계 구조 설계에는 여전히 동일한 공통 부분이 있습니다.
기계설계의 최종 결과물은 일정한 구조적 형태로 표현되며, 설계된 구조에 따라 가공, 조립되어 최종 제품으로 제작됩니다.
따라서 기계 구조 설계는 제품의 다양한 요구 사항을 충족해야 합니다. 기본 요구 사항에는 기능, 신뢰성, 장인 정신, 경제성 및 외관이 포함됩니다.
또한 부품의 응력을 개선하여 강도, 강성, 정확성 및 수명을 높여야 합니다.
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따라서 기계구조 설계는 종합적인 기술작업이다.
구조 설계가 잘못되거나 불합리한 경우 부품 및 부품의 과도한 고장이 발생하여 기계가 설계 정확도 요구 사항을 충족하지 못하여 조립 및 유지 관리에 큰 불편을 초래할 수 있습니다.
기계 구조 설계 과정에서는 다음과 같은 8가지 구조 설계 기준을 고려해야 합니다.
01기대되는 기능을 달성하기 위한 설계 지침
제품 설계의 주요 목적은 미리 결정된 기능적 요구 사항을 달성하는 것이므로 구조 설계에서는 기대되는 기능을 달성하기 위한 설계 기준이 가장 먼저 고려됩니다.
기능적 요구 사항을 충족하려면 다음을 수행해야 합니다.
(1) 기능을 명확히 합니다. 구조 설계는 기계 내 기능과 다른 부품과의 연결 관계를 기반으로 매개변수 크기와 구조 형태를 결정하는 것입니다.
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부품의 주요 기능은 하중을 견디고, 동작과 힘을 전달하고, 관련 부품 또는 구성 요소 간의 상대적인 위치나 이동 궤적을 보장하거나 유지하는 것입니다.
설계된 구조는 기계의 기능적 요구 사항을 전체적으로 충족할 수 있어야 합니다.
(2) 기능의 합리적인 할당: 특정 상황에 따라 제품을 설계할 때 일반적으로 작업을 합리적으로 할당하는 것, 즉 기능을 여러 하위 기능으로 분해하는 것이 필요합니다.
각 하위 기능에는 특정한 구조적 책임이 있어야 하며, 전체 기능의 실현을 달성하려면 구조의 다양한 부분 간에 합리적이고 조화로운 연결이 있어야 합니다.
동일한 기능을 수행하는 여러 구조 부품은 부품에 대한 부담을 줄이고 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.
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V 벨트 섹션의 구조는 작업의 합리적인 분배의 예입니다.
섬유 로프는 인장력을 견디는 데 사용됩니다. 고무 충진층은 벨트가 구부러질 때 장력과 압축을 견뎌냅니다. 천 레이어는 풀리 홈과 상호 작용하여 전달에 필요한 마찰을 생성합니다.
예를 들어, 볼트 초기 장력에 의해 생성된 마찰에만 의존하여 측면 하중을 견디는 경우 볼트 크기가 너무 커집니다. 이 문제를 해결하기 위해 핀, 슬리브, 키와 같은 전단 저항 요소를 추가하여 측면 하중을 공유할 수 있습니다. .
(3) 기능 집중: 기계 제품의 구조를 단순화하고 가공 비용을 절감하며 설치를 용이하게 하기 위해 경우에 따라 하나의 부품 또는 구성 요소가 여러 기능을 수행할 수 있습니다.
기능의 집중은 부품의 모양을 더욱 복잡하게 만들지만 적당히 이루어져야 합니다. 그렇지 않으면 가공 기술에 영향을 미치고 가공 비용이 증가합니다. 디자인은 특정 상황을 기반으로 해야 합니다.
02강도요건 충족을 위한 설계기준
(1) 동일 강도 기준: 부품의 단면 치수 변화는 내부 응력의 변화에 맞춰 조정되어 각 단면의 강도가 동일해야 합니다.
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동일강도 원리에 따라 설계된 구조로 소재를 최대한 활용하여 무게와 비용을 절감할 수 있습니다. 캔틸레버 브래킷 및 계단형 샤프트 등의 설계 등
(2) 합리적인 힘의 흐름 구조: 기계 부품에서 힘이 전달되는 상태를 직관적으로 표현하기 위해 힘을 부품 내부에 물이 흐르는 것처럼 간주하고 이러한 힘선이 힘의 흐름으로 수렴됩니다.
이 힘의 흐름을 표현하는 것은 구조 설계 조사에서 중요한 역할을 합니다.
부품 내에서 힘의 흐름이 중단되지 않으며, 힘의 선이 갑자기 사라지지 않습니다. 한 곳에서 다른 곳으로 전달되어야 합니다.
힘 흐름의 또 다른 특징은 최단 경로를 따라 전달되는 경향이 있어 최단 경로 근처에서 힘 흐름이 밀집되어 높은 응력 영역을 형성한다는 것입니다.
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다른 부분의 힘 흐름은 드물거나 심지어 존재하지도 않습니다. 응력 관점에서 보면 재료가 완전히 활용되지 않습니다.
따라서 부품의 강성을 향상시키기 위해서는 부품의 형상을 가능한 한 힘이 흐르는 최단 경로에 따라 설계하여 하중 지지 면적을 줄여 누적 변형이 작아지고 강성이 높아지도록 설계해야 합니다. 전체 구성 요소가 개선되고 재료가 최대한 활용됩니다.
(3) 응력 집중 감소 구조: 힘 흐름의 방향이 급격하게 바뀌면 전환점에서 힘 흐름이 너무 조밀해 응력 집중이 발생합니다. 설계에서는 힘의 흐름이 원활하게 회전할 수 있도록 구조적 조치를 취해야 합니다.
응력 집중은 부품의 피로 강도에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
구조설계시 응력집중은 최대한 피하거나 줄여야 합니다.
과잉 필렛 증가, 언로딩 구조 채택 등의 방법은 해당 장에서 소개됩니다.
(4) 부하 구조의 균형 유지: 기계가 작동할 때 관성력, 헬리컬 기어 축력 등과 같은 일부 쓸모없는 힘이 종종 생성됩니다. 이러한 힘은 샤프트 및 부싱과 같은 부품의 부하를 증가시킬 뿐만 아니라 정확도와 수명이 단축됩니다. , 또한 기계의 전송 효율을 감소시킵니다.
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소위 부하 균형이란 부작용을 줄이거나 제거하기 위해 힘을 가하지 않고 부하를 부분적으로 또는 완전히 균형을 맞추는 구조적 조치를 취하는 것을 의미합니다.
이러한 구조적 조치는 주로 균형 잡힌 요소, 대칭 배열 등을 채택합니다.
03구조적 강성에 대한 설계기준 충족
부품이 수명 기간 동안 제대로 기능을 수행할 수 있도록 하려면 충분한 강성을 가져야 합니다.
04가공기술 설계기준 고려
기계 부품의 구조 설계의 주요 목적은 기능 구현을 보장하고 제품이 필요한 성능을 달성할 수 있도록 하는 것입니다.
그러나 구조설계 결과는 제품 부품의 생산원가와 품질에 과소평가할 수 없는 영향을 미친다.
따라서 구조설계에 있어서 제품의 가공기술이 우수하도록 노력해야 한다.
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소위 좋은 가공 기술이란 부품의 구조가 가공 및 제조가 쉽다는 것을 의미합니다. 어떤 가공 방법으로도 특정 구조의 부품을 제조할 수 없거나 생산 비용이 높거나 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 설계자는 구조물을 설계할 때 장점을 극대화하고 단점을 보완하기 위해 가공방법의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다.
실제로 부품의 구조적 제조 가능성은 여러 요인에 의해 제한됩니다. 예를 들어 생산 배치의 크기는 공백 생성 방법에 영향을 미칩니다. 생산 장비의 조건으로 인해 공작물의 크기가 제한될 수 있습니다. 또한 모양, 정확성, 열처리 및 비용과 같은 측면도 모두 영향을 받습니다. 이는 구성 요소 구조의 장인 정신에 제한적인 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 구조설계에서는 위의 요소들이 가공성에 미치는 영향을 충분히 고려하여야 한다.
05조립 설계 지침 고려
조립은 제품 제조 과정에서 중요한 공정입니다. 부품의 구조는 조립 품질과 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.
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조립을 위한 구조 설계 지침은 아래에 간략하게 요약되어 있습니다.
(1) 조립 단위의 합리적인 분할: 전체 기계는 병렬적이고 전문적인 조립 작업을 달성하고 조립 주기를 단축하며 레벨별 조립을 용이하게 하기 위해 개별적으로 조립할 수 있는 여러 단위(구성 요소 또는 어셈블리)로 분해될 수 있어야 합니다. 수준의 기술 검사 및 유지 관리.
(2) 부품이 올바르게 설치되었는지 확인하십시오. 부품의 정확한 위치 지정을 보장하고 이중 조정을 방지하며 조립 오류를 방지합니다.
(3) 부품의 조립 및 분해가 용이하도록 한다. 구조설계에서는 렌치공간 등 충분한 조립공간이 확보되어야 한다. 조립 난이도가 증가하고 일부 계단식 샤프트 설계와 같이 결합 표면에 긁힘이 발생하는 것을 방지하기 위해 과도하게 긴 끼워맞춤을 피하십시오. 부품의 분해를 용이하게 하기 위해 베어링 분해 등 분해 도구의 위치를 제공해야 합니다.
06유지보수를 위한 설계기준 고려
(1) 제품의 구성은 고장률, 유지보수의 용이성, 크기 및 품질, 설치특성에 따라 배열되어야 한다. 수리가 필요한 모든 부품과 구성품은 접근성이 좋아야 합니다. 고장률 빈번한 유지보수가 필요한 가장 높은 부품과 비상 스위치는 최적의 접근성을 제공해야 합니다.
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(2) 제품의 분해 및 조립, 특히 마모부품, 자주 분해되는 부품 및 부가장치는 간단하여야 한다. 분해 및 조립 시 부품의 출입 경로는 직선 또는 완만한 곡선이어야 합니다.
(3) 제품 검사 지점, 테스트 지점 및 기타 시스템 유지 관리 지점은 쉽게 접근할 수 있는 위치에 배치되어야 합니다.
(4) 유지보수 및 분해가 필요한 제품은 주변에 충분한 작동 공간이 있어야 합니다.
(5) 내부 작업은 일반적으로 유지보수 중에 눈에 보여야 합니다. 유지보수 담당자의 손이나 팔을 수용할 수 있는 것 외에도 통로에는 관찰을 위한 적절한 간격이 있어야 합니다.
07스타일링 디자인 가이드라인 고려
제품의 디자인은 기능적 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 제품 형태의 미적 가치도 고려하여 사람들에게 매력적으로 다가와야 합니다.
심리학적인 관점에서 볼 때, 사람들의 결정의 60%는 첫인상에 달려 있습니다.
기술 제품의 사회적 속성은 상품입니다. 구매자 중심 시장 시대에 고객을 유인할 수 있는 제품의 외관을 디자인하는 것은 중요한 디자인 요구 사항입니다. 동시에, 아름다운 외관의 제품은 작업자의 피로로 인한 오작동을 줄일 수 있습니다.
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외관 디자인에는 모양, 색상 및 표면 처리의 세 가지 측면이 포함됩니다.
스타일링을 고려할 때 조화로운 크기 비율, 단순하고 통일된 모양, 색상과 패턴의 지원 및 장식에 주의를 기울여야 합니다.
단색은 작은 위젯에만 사용됩니다.
특히 움직이는 대형 구성 요소는 한 가지 색상만 사용하는 경우 단조롭고 레이어가 없는 것처럼 보입니다. 작은 추가 색상 블록이 전체 톤을 활기차게 만듭니다.
여러 색상이 공존하는 경우에는 지배적인 배경색이 있어야 하며, 배경색에 해당하는 색상을 대비색이라고 합니다.
하지만 제품에 따라 톤의 개수가 너무 많으면 안 됩니다. 색상이 너무 많으면 화려한 느낌을 줄 수 있습니다.
편안한 색상은 밝은 노란색, 녹황색, 갈색까지 다양합니다.
이러한 추세는 점점 따뜻해지고 있으며 노란색과 녹색은 종종 불편해 보입니다. 강한 회색 톤은 우울해 보입니다.
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추운 환경에서는 노란색, 주황색, 빨간색과 같은 따뜻한 색상을 사용하십시오.
더운 환경에서는 연한 파란색과 같은 차가운 색상을 사용하십시오.
모든 색상은 톤다운되어야 합니다.
또한 특정 색상 구성은 제품을 안전하고 안정적으로 보이게 할 수 있습니다. 모양 변화가 적고 면적이 큰 평면은 밝은 색상으로 배열해야 하며, 움직이고 활성 윤곽이 있는 구성요소는 어두운 색상으로 배열해야 합니다. 어두운 색상은 기계 하부에, 밝은 색상은 상부에 배치하는 것이 좋습니다.
08비용을 고려한 디자인 가이드라인
설계 과정에서 제품 및 유지 관리 작업이 단순화되어야 합니다.
(1) 제품 기능을 설계, 분석 및 계량할 때 동일하거나 유사한 기능을 병합하고 불필요한 기능을 제거하여 제품 및 유지 관리 작업을 단순화합니다.
(2) 설계 시 구조는 단순해야 하며, 제품 단수와 구성요소 단위 수는 최대한 줄여야 하며, 부품의 형상은 규정된 기능적 요구사항을 만족시키면서 단순화시켜야 한다.
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(3) 제품은 마모나 드리프트로 인해 발생하는 일반적인 결함을 최대한 제거하기 위해 간단하고 신뢰할 수 있는 조정 메커니즘으로 설계되어야 합니다.
국부적으로 마모되기 쉬운 귀중한 부품은 국부적으로 교체 또는 수리가 용이하도록 조정 가능하거나 분리 가능한 어셈블리로 설계되어야 합니다. 서로 관련된 반복적인 조정을 피하거나 줄이십시오.
(4) 각 구성요소의 위치를 합리적으로 배치하고, 연결부품과 고정부품의 수를 줄이고, 부품의 점검, 교체 등 유지보수 작업을 간단하고 편리하게 한다. 부품을 수리할 때 분해나 움직임이 없거나 분해가 덜 되는지 확인하고, 유지 보수 인력의 기술 수준 요구 사항과 작업량을 줄이기 위해 다른 부품의 이동을 줄이십시오.
