기계나 부품을 설계할 때는 부품의 강도를 고려해야 합니다. 강도라고 하면 왠지 「강도」라고 하는 이미지입니다만, 설계에 있어서는 명확한 정의가 있습니다. 이번은 설계에 있어서의 「강도」에 대해 해설합니다.
목차
강도 설계에 필요한 힘의 종류
강도란 기계나 부품에 가해지는 힘에 대해 얼마나 견딜 수 있는 지를 나타내는 것입니다.
그러나 기계와 부품에는 사용 방법에 따라 다양한 힘이 걸립니다. 사용 중에 깨지지 않는 충분한 강도를 가진 설계를 하기 위해서는 그 힘의 종류를 알고 각각에 대해 견딜 수 있도록 생각해야 합니다.
기계 및 부품 부품에 가해지는 힘은 다음 세 가지로 나뉩니다.
- 인장력
- 압축력
- 전단력
인장력은 엘리베이터를 매달는 와이어나 프레스기로 테이프와 펀치를 연결하고 있는 축 등에 걸립니다.
압축력은 기어의 치아 표면과 구조물의 기둥에 가해지는 힘입니다.
인장력과 압축력은 이미지하기 쉽지만, 전단력은 단어에서 이미지를 알 수 없습니다.
전단이란 반대 방향으로 엇갈리게 하는 힘입니다. 예를 들어 테이블의 가장자리에서 돌출하도록 놓은 눈금자의 돌출하고 있는 부분을 아래로 밀어 내려고 했을 경우, 눈금자는 테이블로부터는 밀어 올리는 힘을, 테이블의 밖에서는 밀어 내리는 힘을 받게 됩니다. 이러한 경우가 전단입니다. 2개의 파트를 연결하는 볼트나 구조물의 보 등에 걸리는 힘입니다.
기계나 부품을 설계할 때에는 각 부위에 어느 힘이 가해지고 있는 지를 생각해 각각에 대하여 견딜 수 있는 형상으로 해야 합니다. 설계된 기계나 부품을 프로토타입이나 양산하기 전에 행해지는 디자인 리뷰에서도, 각 부에 걸리는 힘의 종류와 크기, 안전율 등은 중점적인 화제가 됩니다.
응력, 강성이란?
강도를 생각하는데 있어서 중요한 것이 「응력」입니다. 강도의 계산을 할 때에는 외부로부터 걸리는 힘으로부터 각부의 응력을 구합니다.
응력이란 부재의 내부, 1㎟당 가해지는 힘입니다. 예를 들면 구조물의 기둥이 하중을 견딜 수 없었던 경우, 기둥을 굵게 하면 부서지지 않게 되는 케이스는 상상하기 쉽다고 생각합니다. 이는 기둥의 단면적이 증가함에 따라 1㎟당 가해지는 힘이 감소하기 때문입니다.
따라서 기계나 부품을 설계할 때에는 각부의 응력이 각각의 재료의 허용응력(견딜 수 있는 응력) 이하가 되도록 형상이나 치수를 결정합니다.
강도와 비슷한 단어에 “강성”이 있습니다. 강성이란 「변형하기 어려움」을 나타내는 성질입니다. 예를 들어 와이어 로프는 물건을 낚아채기 위한 강도가 있지만 풀리 사이를 통과하거나 드럼에 감는 등 간단하게 변형시킬 수 있습니다. 즉 강성은 그다지 높지 않습니다.
한편 도기 등은 힘을 가해도 거의 변형되지 않습니다. 그러나 와이어 로프 등에 비하면 비교적 약하고 깨지기 쉬운 소재입니다. 즉 강성은 높지만 강도는 그다지 높지 않은 소재입니다.
안전율이란?
기계나 부품을 설계할 때 ‘딱 아슬아슬하게 견딜 수 있는’ 설계는 위험합니다. 예를 들어 사용 중에 옆에서 밀리는 등 예상치 못한 작은 요인으로 고장이 나기 때문입니다. 그래서 안전률을 생각해야 합니다.
안전율은 허용 가능한 힘의 몇 배까지 견딜 수 있는 지를 나타내는 수치입니다. 예를 들어 최대 하중 100kg으로 운용하는 대의 경우, 안전율 3으로 생각하면, 300kg까지 견딜 수 있는 설계로 합니다.
안전율의 기준은, 기계나 부품의 사용 방법이나 재질에 의해 JIS등의 기준이 정해져 있습니다. 예를 들어 천장 크레인의 와이어 로프는 3.35~5, 교체의 격렬한 하중을 견뎌야 하는 기계의 안전율은 12가 기준으로 되어 있습니다.
튼튼한 기계나 부품이 좋기 때문에 안전율을 너무 올려 버리면 비용이 올라 버립니다. 기준을 참고로 적절한 안전율로 설계가 필요합니다.
요약
강도란 기계나 부품이 견딜 수 있는 힘을 숫자로 나타내는 것으로 인장력, 압축력, 전단력의 3종류가 있습니다. 응력, 강성, 안전율을 계산하여 설계합니다. 재료나 제품의 용도를 고려하여 비용을 낭비하지 않고 사용에 견디는 설계를 합시다.
