기계나 부품을 설계할 때 부품의 강도를 생각해야 합니다. 강도라고 하면 왠지 「세기」와 같은 것을 떠올리게 되지만 설계에서는 명확한 다른 정의가 있습니다. 이번에는 설계에서의 「강도」에 대해 알아보겠습니다. 
목차
강도 설계에 필요한 힘의 종류
강도란 기계나 부품에 가해지는 힘에 대하여 어느 정도까지 견딜 수 있는가를 나타낸 것입니다. 그러나 기계나 부품에는 사용되는 방법에 따라 다양한 힘이 가해집니다. 사용 중에 망가지지 않고 충분한 강도를 갖춘 설계를 하기 위해서는 이러한 힘의 종류를 알고 각각에 대해 견딜 수 있도록 고안해야 합니다. 기계나 부품 하나하나에 가해지는 힘은 다음과 같이 3개로 나뉩니다.
- 인장력
- 압축력
- 전단력
인장력은 엘리베이터를 인양하는 와이어나 프레스기에서 테이블과 펀치를 연결하는 축 등에 가해집니다. 압축력은 기어의 톱니 표면이나 구조물의 기둥에 가해지는 힘입니다. 인장력과 압축력은 쉽게 상상이 가지만 전단력은 말만 들으면 쉽게 상상하기 어려울지도 모르겠습니다. 전단이란 반대 방향으로 엇갈리듯이 가해지는 힘입니다. 가령 테이블 끝에 튀어 나오게 설치한 자가 있다고 예를 들어 봅시다. 자의 튀어 나온 부분을 아래로 누르려고 할 때, 자는 테이블에서 밀어 올리는 힘을, 그리고 테이블 밖에서는 밀어 내리는 힘을 받게 됩니다. 이러한 경우가 전단입니다. 2개의 부품을 연결하는 볼트나 구조물의 대들보 등에 가해지는 힘입니다. 기계나 부품을 설계할 때에는 각 부위에 어떤 힘이 가해지는지 생각해 각각에 대해 견딜 수 있는 형상으로 설계해야 합니다. 설계된 기계나 부품을 시제작품이나 양산품으로 만들기 전에 실시하는 디자인 리뷰에서도 각 부에 가해지는 힘의 종류와 크기, 안전율 등은 중요한 논점이 됩니다.
응력, 강성이란
강도를 생각할 때 중요한 것이 바로 「응력」입니다. 강도를 계산할 때에는 외부에서 가해지는 힘에서 각 부분의 응력을 구합니다. 응력이란 부품 재료의 내부, 1㎟당 가해지는 힘입니다. 예를 들어 구조물의 기둥이 하중에 견디지 못할 경우, 기둥을 두껍게 하면 망가지지 않는 경우는 쉽게 상상할 수 있을 겁니다. 이는 기둥의 단면적이 증가해 1㎟당 가해지는 힘이 감소하기 때문입니다. 따라서 기계나 부품을 설계할 때, 각 부분의 응력이 각각의 재료의 허용 응력(견딜 수 있는 응력) 이하가 되도록 형상이나 치수를 결정합니다. 강도와 비슷한 말로「강성」이 있습니다. 강성이란「쉽게 변형되지 않음」을 나타내는 성질입니다. 가령 와이어 로프는 물건을 매달기 위한 강도는 있지만 풀리 사이를 통과하거나 드럼에 감는 등 간단히 변형 시킬 수 있습니다. 즉, 강성은 그다지 높지 않습니다. 한편 도자기 등은 힘을 가해도 거의 변형되지 않습니다. 그러나 와이어 로프 등에 비해 비교적 약해 쉽게 부서지는 소재입니다. 즉, 강성은 높지만 강도는 그다지 높지 않은 소재입니다.
안전율이란
기계나 부품을 설계할 때,「거의 간당간당하게 견딜 수 있는」설계는 위험합니다. 예를 들어 사용 중에 옆에서 밀리는 등 예상한 것 외의 사소한 요인으로 망가질 수 있기 때문입니다. 따라서 안전율을 생각해야 합니다. 안전율이란 허용할 수 있는 힘의 몇 배까지 견딜 수 있는가를 나타내는 수치입니다. 가령 최대 하중 100kg으로 운용하는 받침대의 경우, 안전율 3으로 생각하면 300kg까지 견딜 수 있는 설계로 합니다. 안전율의 기준은 기계나 부품이 사용되는 방법이나 재질에 따라 규정되어 있습니다. 견고한 기계나 부품이 좋다는 이유로 안전율을 너무 높이면 비용이 상승합니다. 기준을 참고로 적절한 안전율로 설계해야 합니다.
정리
강도란 기계나 부품이 견딜 수 있는 힘을 숫자로 나타낸 것으로 인장력, 압축력, 전단력 등 3종류가 있습니다. 응력이나 강성, 안전율을 계산하여 설계합니다. 재료나 제품의 용도를 고려하여 불필요한 비용을 없애고 사용에 견딜 수 있도록 설계해야 합니다.
