기계설계의 목적과 설계 과정에 따른 필수 고려사항

기구설계 또는 기계설계의 목적은 사용자의 요구 성능에 맞추어 명확하고 정확하게 그 기능을 실제로 구현하는 것이며, 이와 같은 목적을 이상적으로 달성하기 위하여 요소 부품의 구성과 구조의 강도, 경제성, 호환성을 고려하여 설계 과정에 반영해야 합니다.

사용자가 요구한 기능과 성능에 대하여 실제로 구현이 기능해야 하며, 각 구성의 요소가 쉽게 형상화되어야 합니다. 또한 제작 시 경제적이어야 하며, 조립이 용이한 구조로 표준화된 규격에 맞추어 호환성이 높은 부품의 설계가 반영되는 것입니다.

- 이상적인 설계 과정 -

기계설계의 목적에 따른 중요 고려사항 4가지

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기구설계 또는 기계설계란? 사용자가 요구하는 장치 또는 장비의 기능과 성능이 구체적인 목적에 따라 규격화된 요소와 조건을 바탕으로 형상화하는 일련의 과정입니다.

이러한 설계 과정에서 중요하게 고려해야 하는 사항으로 요소 부품의 구성과 구조의 강도, 부품의 경제성과 호환성에 대하여 그 내용을 정리하였습니다.

요소 부품의 구성

기계를 구성하고 작동시키기 위한 필수 부품으로 다양한 기능을 수행하는데 그 종류로는 볼트와 너트 같은 체결용, 축과 기어 같은 구동용, 스프링과 댐퍼 같은 제어용 등으로 기계의 종류와 용도에 따라서 구분되어 사용됩니다.

- 요소 부품이란? -

기계 또는 기구의 요소 부품 구성은 운동 구조의 기능과 성능에 따라서 구분되는데 일반적으로 직선 운동과 회전 운동 등과 같이 힘을 전달하고 변형하는 운동 방식에 따른 구성을 최적의 상태로 파악하고 반영해야 합니다.

여기서 요소 부품의 힘이 전달되는 방식과 힘이 가해지는 양 등을 고려하여 문제가 없는 안전한 구성으로 선정합니다.

이와 같이 요소 부품의 기능에 따라 운동 상태를 파악하여 계산하고 분석해야 하며, 그의 성능이 충분하게 발휘될 수 있는 최적의 구성과 표준화 및 규격화된 요소 부품을 결정하여 반영합니다.

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구조의 강도

기계의 운동 방식에 따라 상호 연결된 각 부품에 여러 종류의 힘(인장, 압축, 비틀림 등)이 복합적으로 가해집니다. 이렇게 외부에서 전달되는 힘과 변형에 대하여 부품이 충분한 강도를 가져야 하므로 허용 안전율과 변형률을 고려하여 최적의 재료 특성과 형상을 결정합니다.

“인장력 : 양쪽에서 잡아당기는 힘
압축력 : 양쪽에서 누르는 힘
비틀림응력 : 양쪽이 반대 방향으로 꼬이는 힘”

이와 같이 기계 부품의 강도를 파악하고 선정하기 위해서 기계공학의 재료역학과 기계역학 등과 같은 공학적 지식을 바탕으로 계산하고 분석해야 하며, 상황에 따라서 오랜 경험과 노하우를 바탕으로 충분한 내구력을 발휘하는 구조의 강도를 결정하고 반영합니다.

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부품의 경제성

기구의 요소 부품과 제작 부품은 결정된 재료에 따라서 취급 방법과 가공 제작의 편리성, 용이성, 후처리 방식과 같은 구조적 기능과 성능이 결정되는데 이와 같은 기능을 발휘하는 재료의 선택에 따라 경제적으로 큰 차이가 날 수 있습니다.

그 예로, 마그네슘 합금은 가볍고 강도가 높지만, 가격이 비싸고 가공성이 나쁘기 때문에 기계 부품으로 사용이 한정이지만 알루미늄 합금은 비교적 비슷한 중량으로 강도는 낮지만, 가격이 저렴하고 가공성이 용이하다는 장점으로 기계 부품으로 널리 사용되고 있습니다.

이와 같이 설계 과정에서 재료의 선택 하나가 기계를 구성하는 데 있어서 경제적으로 큰 비중을 차지하게 될 수 있기 때문에 신중하게 고려하여 결정해야 합니다.

더 나아가 선정된 재료의 형상에 맞는 공차 표기로 가공 정밀도(표면거칠기, 끼워맞춤 등)를 결정하고 필요 이상으로 정밀하게 가공하지 않으며, 적절한 후처리를 선정하는데 그 기능을 저하하지 않는 선에서 경비를 절감하는 방안을 고려하고 현명하게 결정해야 합니다.

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부품의 호환성

기계의 성능과 구조에 따라 각 부품의 특성과 형상이 다르지만 최대한 표준 규격을 준수하고 호환성을 높여 부품별 공통성을 갖도록 설계합니다.

“호환성이 높은 부품은 경제적인 부품”

그 예로, 볼스크류의 끝단 고정용 베어링과 하우징 블록을 설계할 때, 베어링의 규격 동일 사용과 하우징 블록의 재질, 형상, 후처리, 가공법 등을 동일하게 여러 부품을 제작하여 성능이 저하되지 않는 비슷한 구조에 반복적으로 사용합니다.

이와 같이 부품을 표준화하고 호환성을 높이게 되면 자연스럽게 기계의 제작 단가가 낮아지는 경제성도 확보되는 이중 효과를 누릴 수 있습니다.

특히 구매품인 요소 부품을 선정할 때, 언제 어디서든 쉽게 구할 수 있는 부품으로 표준 규격을 준수하는 KS규격 또는 ISO규격에 맞는 요소 부품, 즉 베어링, 기어, 풀리, 볼트, 전동 장치, 스프링 등을 동일한 규격품을 공통되게 일관적으로 사용함으로써 기술적이나 경제적인 측면으로 표준화된 호환성을 갖추는 결정을 합니다.

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글을 마치며,
설계 업무를 수행할 때, 항상 위와 같은 설계 과정을 준수하여 설계하려 하지만 상황에 따라 환경에 따라 위 과정과는 다른 방향으로 흘러갈 때도 있습니다.

그리고 설계 업무 특성상 일괄적인 정답이 없기 때문에 너무 정해진 틀에 안에서 한가지 답을 쫓다 보면 많은 난관에 부딪히게 됩니다.

이상적인 설계 과정을 위한 중요사항에 대하여 기본적인 설계 규칙을 고려하되 때로는 상황에 따라 응용하고 경험에 맞춰 유연하게 대처해 나갈 필요도 있습니다.