제 8 장 구체 설계

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제 8 장 구체 설계

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구체설계 (embodiment design) – 설계개념에 실제 형상을 부여하는 과정

뼈에 살을 붙이는 과정

1) 제품구조를 구상 : 설계에 나타난 부품들을 모듈 (module) 형태로 배치 2) 배치된 부품들의 형상설계 (configuration design) : 특수 목적 부품의

설계 , 표준부품 선택 ( 펌프 , 모터 등 ) 3) 파라메트릭 설계 (parametric design) : 부품의 치수와 공차 , 품질에

관련된 부품의 특성 결정 [ 미적 가치 , 환경도 고려 ] Module : any one of a set of parts that are made separately and can be joined together

to construct a system

Module : any one of a set of parts that are made separately and can be joined together to construct a system

8.1 서 론8.1 서 론

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공학 설계 로드맵

8.1 서 론8.1 서 론

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- 요구 되는 기능을 수행하기 위한 제품을 구성하는 물리적 요소들의 배열을 의미

모듈

- 제품을 구성하고 있는 물리적 구성 블록 기능을 수행하는 부품들의 집합

모듈식 구조 - 각 모듈이 한 개 혹은 적은 수의 기능을 수행 [ 예 ) PC 에 외부 저장장치를 연결하여 다른 기능 수행 ] - 모듈 사이의 상호작용이 잘 정의됨 - 짧은 시간에 설계를 마칠 수 있음통합식 구조 - 한 부품이나 모듈이 여러 기능을 수행 부품수가 감소 ,

원가절감 [ 예 ) 자동차 플라이휠의 한 면이 클러치 앞판을 겸함 ] - 무게 , 공간 또는 원가에 대한 제한으로 성능달성 어려울 때 사용

제품 구조

모듈 사이의 인터페이스

- 인터페이스 (interface) : 인접한 물체 사이의 공통 경계를 이루는 면 - 제품 기능의 결정적인 역할 주로 부식과 마모가 발생하는 장소 [ 예 ) 변속기와 연결된 엔진의 크랭크 축 , 모니터와 CPU 사이의 연결부위 등 ]

제품은 주로 모듈식 구성과 통합적 구성이 공존

8.2 제품 구조8.2 제품 구조

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8.2 제품 구조8.2 제품 구조통합식 구조 예 – flywheel 과 clutch 겸용통합식 구조 예 – flywheel 과 clutch 겸용

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- - 사용되는 인터페이스의 종류에 따라 사용되는 인터페이스의 종류에 따라 slot, bus, sectional slot, bus, sectional 세 가지로 나뉨세 가지로 나뉨

8.2.1 모듈 구조의 종류

slot 모듈 bus 모듈 sectional 모듈

• Slot 모듈 : 각 모듈은 그 기능을 수행하기 위해 다른 인터페이스를 요구

모듈 사이의 각 인터페이스가 서로 다름

• Bus 모듈 : 공통 인터페이스를 따라 조립

모듈의 교체가 쉽고 , 위치를 마음대로 선택 가능

• Sectional 모듈 : 모든 인터페이스가 동일

한 단면 전체를 인터페이스로 사용

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8.2.1 모듈 구조의 종류

• Sectional 모듈의 적용 사례 : 모듈 조립형 휴대용

단말기

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8.2.2 모듈방식과 대량 맞춤

- - 대량 맞춤 대량 맞춤 : : 적절한 가격 뿐만 아니라 모든 사람이 다양하고 자신이 원하는 것을 적절한 가격 뿐만 아니라 모든 사람이 다양하고 자신이 원하는 것을 구매할구매할

수 있는 것 수 있는 것 모듈식 구조 설계모듈식 구조 설계

1) 부품공유식 : 서로 다른 제품에 동일한 조립품이나 부품을 사용할 경우 [ 예 ) 충전건전지를 수공구 전체에 적용 ]

2) 부품교환식 : 단일 부품이나 조립품으로 세분화되어 있는 경우 [ 예 ) 자동차의 선택사항 ]3) 맞춤식 : 소비자의 주문에 맞춤으로써 부품의 다양성을 제공 [ 예 ) 주문식 가구 ]

4) 플랫폼식 : 동일한 기본구조 위에 조립된 서로 다른 모듈 [ 예 ) 같은 프레임에 다른 차량을 설계 ]

부품공유식 모듈방식 부품교환식 모듈방식 맞춤식 모듈방식 플랫폼식 모듈방식

모듈방식 이용 전략모듈방식 이용 전략

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제품의 개략도 생성

- 제품 구조 확립 : 1. 제품의 기하학적 경계를 정의 2. 설계 요소를 그 범위에 배치

제품 구조 확립

기능적 요소 : 제품설계사양에 따라 수행해야 하는 기능

물리적 요소 : 기능을 달성하는 데 필요한 구성품

4 단계 과정을 가짐

제품 구조 개발 단계

개략도 요소들의 그룹화

대략적 기하학적 배치도 생성

모듈들 사이의 상호작용 확인

8.2.2 모듈방식과 대량 맞춤

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8.2.3 제품의 개략도 생성

- 어느 정도까지 표현할지를 판단해야 30 개 이상의 요소를 사용하지 말 것

3 차원 플라스틱 부품을 CAD

파일로 직접 생성하는 기계의 제품 개략도

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8.2.4 개략도 요소들의 그룹화

모듈구성 방법

1) 위치 , 기능이나 인터페이스를 공유할 수 있는 부품들

2) 외부에 주문할 부품들

3) 휴대성이 요구되는 부품들

- 설계요소들을 독립적인 모듈로 그룹화하여 배치

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8.2.5 개략적 기하학적 배치도 생성

- 요소들과 모듈들 사이에 기하학적 , 열적 또는 전기적 간섭 유무 확인 가능 기하학적으로 배치가 적절하지 않은 경우 , 이전 단계로 돌아가 모듈을 변경

2 차원 기하학적 배치도

- 레이저 테이블을 열적 활성화

영역과 분말저장 영역에서

떨어지게 배치

structure leg 추가 배치

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8.2.6 모듈들 사이의 상호작용 확인

- 제품 구조 결정시 모듈의 상호작용을 모델링하는 것과 모듈을 위한 성능 특성을 정해야 함 모듈 문서에 포함할 내용• 기능적 요구사항• 모듈과 그 요소부품에 대한 도면이나 스케치• 모듈에 필요한 초기 부품 선정• 제품 내의 위치에 대한 상세한 서술• 인접한 모듈들 사이의 인터페이스에 대한 상세한 서술• 인접한 모듈들 사이에 예상되는 상호작용을 표현하는 정확한 모델

모듈 사이의 상호작용 종류

1) 공간적 상호 작용 : 모듈 사이의 인터페이스를 기술 [ 예 ) 기하 , 표면 거칠기 , 공차 ]

2) 에너지 흐름 : 예측이 필요한 전류 혹은 열의 흐름

[ 예 ) 의도적 - 모터에 전기 공급 , 부수적 – 가동 중인 기계의 발열 ] 3) 정보 흐름 : 작동을 제어하거나 작동에 대한 피드백 신호의 흐름 4) 물질의 흐름 : 모듈 사이에 물질의 흐름 [ 예 ) 프린터에서 종이 이동 경로 ]

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8.3 배치 설계

- - 구성요소의 형상과 일반적인 치수를 확정하는 설계구성요소의 형상과 일반적인 치수를 확정하는 설계

표준 부품 : 일반적인 기능을 가짐 , 관례에 따라 제작된 것 [ 예 ) 볼트 , 워셔 ,

리벳 ]

특수 목적 부품 : 특정 제품 계열에서 특수 목적을 위해 설계되고 제작

조립품 : 두 개나 그 이상의 부품들의 모음

부분조립품 : 조립품이나 부분 조립품 내에 포함되어 있는 조립품

표준 조립품 : 일반적인 기능을 갖고 관례에 따라 제작된 조립품 또는 부분 조립품

[ 예 ) 전기모터 , 펌프 ]

- 가능한 배치는 제품의 작동 영역과 제품구조를

정의하는 공간적 구속 조건에 의존

기능 , 형상 , 재료 , 생산 방법에 대한 관계Form

Production

Material

Function

ConstraintsInterfacesComponents

- 특수 목적 부품의 예

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부분조립품을 위해 마련된 제품 설계명세와 모든 명세를 점검

배치 설계 순서

설계되고 있는 제품이나 부분 조립품에 관련된 공간적 구속 조건 확립

구성요소들 사이의 인터페이스 또는 연결의 생성 및 개량

그 부품이 제거되거나 다른 부품과 결합될 수 있는가 ?

표준 부품이나 부분 조립품을 사용할 수 있는가 ?

8.3 배치 설계

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8.3.1 대안 배치의 생성

- 배치 설계의 특징 : 정교하게 다듬고 문제점을 수습하는 것 _D. G. Ullman

다듬기 - 추상 관념으로부터 매우 상세한 묘사로 이동하면서

대상물의 특성을 발전

임시 수정 - 추상화의 수준의 변화 없이 설계를 변경하는 활동

이전 설계의 단점을 개선 , 배열 및

배치를 연속적으로 변경하도록 유도

과도한 임시수정은 설계에 문제가 있음을 의미

- 구성요소나 기능의 설계사양을 다시 점검해 볼 것

- 개념설계 단계로 되돌아 가서 새로운 개념안을 개발

• 대체 (Substituting) : 다른 개념안 , 구성요소 또는 특징을 찾음

• 결합 (Combining) : 하나의 구성요소가 다수의 요소를 대신 , 다수의 기능을 수행

• 분해 (Decomposing) : 결합과 반대되는 접근 방법 , 분해에 의해 개발

• 확대 (Magnifying) : 주변의 요소보다 상대적으로 더 크게 만듬

• 축소 (Minifying) : 어떤 특징을 더 작게 만듬

• 재배열 (Rearranging) : 구성요소나 그 특징을 재배치

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8.3.2 배치 설계의 분석- 기능 요구사항과 제품설계사양 (PDS) 을 만족하는 정도를 파악 기능 고려 설계 강도 , 강성 , 신뢰성 , 안전성 , 사용 및 유지보수의 용이성에 대하여

인자 논점

강도 응력을 항복강도 수준 이하로 유지하도록 부품 치수를 정할 수 있는가 ?

피로 주기적 부하가 작용할 때 , 응력을 피로한도 이하로 유지할 수 있는가 ?

응력집중 국부적 응력집중이 낮게 유지되도록 부품을 배치할 수 있는가 ?

좌굴 압축부하가 작용할 때 좌굴을 회피하도록 부품을 배치할 수 있는가 ?

충격 부하 재료와 구조가 충분한 파괴인성을 가질 것인가 ?

변형률과 변형 부품이 요구되는 강성 또는 유연성을 갖는가 ?

크리프 크리프가 가능하다면 , 기능성의 손실이 발생할 수 있는가 ?

열변형 열팽창이 기능성을 위태롭게 할 것인가 ? 이것을 설계에서 처리할 수 있는가 ?

진동 설계와 관련된 특징이 진동을 최소화 하여야 하는가 ?

소음 진동수 스펙트럼이 결정되엇고 , 소음 감소가 설계에서 고려되었는가 ?

열전달 열 발생 /전달이 성능저하 논점이 될 것인가 ?

유체전달 /저장 이것이 설계에서 적절히 고려되었는가 ? 모든 규정을 만족하는가 ?

에너지 효율 설계에서 특히 에너지 소비와 효율을 고려하였는가 ?

내구성 유효수명을 예측하였는가 ? 부식과 마모에 의한 열화는 처리 하였는가 ?

기능 고려 설계 인자 - 기타 핵심적인 설계 논점 [ 표 8.1 참조 ]

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8.3.3 배치 설계의 평가

- 최종 설계가 작동하는가 ? 기능을 고려한 설계 인자가 중요 - 품질 부품 또는 조립품을 최소 가격으로 만들 수 있는가 ? 가격은 재료와 공정에 따라 달라짐 - Pugh 차트 또는 가중치가 포함된 의사결정 행렬을 사용하여 평가

Pugh 차트 가중치가 포함된 의사결정 행렬

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8.4 배치 설계의 지침

- 제품구조나 부품 성능을 결정할 때 많은 이슈 ( 적절한 재료 선정 , 제조를 고려한 설계 ,

강건설계 등 ) 들을 함께 고려

구체설계의 목표 구체설계의 기본 지침

- 기능의 명확성 : 다양한 기능과 재료 , 정보 흐름 사이에

명확한 관계 정립을 의미

- 단순성 : 최소한의 정보만으로 설계

- 안전성 : 2 차 수단이 없이 직접설계만으로 안전이 보장됨

- 친환경 설계도

적당한 가격 안전성

친환경성 예정된 기능

수행

--2020--

8.4.1 설계지침

- 구체 설계의 목표와 지침에서 중요한 4 가지

• 힘의 전달

• 임무의 분배

• 스스로 기능개선

• 안정성

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힘의 전달

- 기계 시스템에서 부품의 주요기능 : 연결된 두 점간에 힘과 모멘트를 전달하는 것

부품단면에 균일 분포응력을 발생시키도록 하중이 가해져야

하중전달선도 : 하중이 인접한 부품간에 어떻게 전달되는지를 나타냄

부품 내에서 가장 작은 영향을 받는 경로로 하중이 전달된다는 개념

요크 이음에서 하중의 전달 경로와 파손 예상 부위

변형을 최소화하기 위한 설계지침

• 짧은 하중 전달경로이며 , 하중이 직접 전달되도록 설계한다 .

• 응력이 균일 분포되도록 하면 변형이 줄어들 수 있다 .

• 단면적을 크게 또는 요소를 짧게 하면 변형이 줄어든다 .

• 응력이 급격하게 변하지 않도록 단면변화를 부드럽게 한다 .

8.4.1 설계지침

--2222--

임무의 분배

- 하나의 기능이 잘 작동되도록 설계되어야 하고 최적화되어야 함

- 부품 하나에 여러 기능이 부여 장점 : 무게와 비용을 절약

단점 : 기능을 최대화하기 어려움 , 설계가 복잡해짐

스스로 기능 개선

- 부품간의 상호작용으로 기능개선이 된다면 , 스스로 개선하는 개념으로 설계

예 ) 압력이 가해질 때 O 링의 밀봉이 잘 됨

안정성

- 시스템의 교란이 생겼을 때 회복할 수 있는 능력

예 ) 높은 파도에서 배가 복원할 수 있음

8.4.1 설계지침

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추가 설계 제안점

• 응력분배를 위하여 형상을 조절하라 . - 굽힘이나 비틀림 하중은 불균일한 응력을 발생시킨다 . 예 ) 외팔보의 자유단에 하중이 작용할 때 , 보의 단면적을 변화시켜서 재료를 절약하고 비용을 줄일 수 있음• 좌굴이 발생하기 쉬운 형상을 피하라 .

- 좌굴이 발생 되는 암계하중은 길이가 일정할 때 , 면적 관성모멘트에 비례한다 .

예 ) 동일한 단면적을 가진 중공축은 중실축에 비해 좌굴 하중이 3 배로 큼

• 삼각형 구조를 활용하라 .

- 삼각형 보강판은 하중 A 와 하중 B 에 대하여 보강역할을 한다 .

• 변형에 대하여 고려하라 .

- 아래 그림에서 (b) 가 (a) 보다 덜 처진다 ( 하중분포가 더 균일하므로 ]

(a) (b)

8.4.1 설계지침

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8.4.2 인터페이스 및 이음

- 인터페이스에서 힘의 평형이 유지되고 , 에너지 , 재료 , 정보 등이 일관되게 전달 되어야

- 부품 사이의 연결 고정 조정 불가능한 이음 [ 리벳 , 볼트 , 용접 ]

조정 가능한 이음

분리 가능한 이음

힌지 또는 피벗 이음

기하학적 구속의 예

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8.4.3 배치설계 점검 목록

- 배치설계 단계에서 고려할 이슈

1. 사용 중에 발생될 수 있는 파손 모드를 확인하라 .

- 과다한 소성 변형 - 피로파손

- 응력 집중 - 좌굴 파손

- 충격으로 인한 파손

2. 부품기능이 잘 구현될 것인지를 확인하라 .

- 허용오차 설정이 많이 필요한지를 검토하라 .

- 재료가 파손되는 크리프 파손 모드를 고려하여 설계하라 .

- 온도변화로 치수가 증감되더라도 부품기능 구현이 완벽한지 검토하라 .

3. 재료와 제조공정 이슈

- 재료선정 - 부품의 특징을 반영한 형태로 제조 가능한지 확인

- 재료의 품질 확인 - 선정된 재료와 제조공정은 가격을 만족하는지

4. 지식기반설계

- 설계자는 하중 , 유동 , 온도 , 그리고 재료에 대하여 적절한 지식을 갖고 있는가 ?

- 발생할 수 있는 파손모드에 대하여 미리 고려하였는가 ?

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8.4.4 설계카탈로그

- 설계 문제에 대하여 이미 확인된 해결방법을 모아 놓은 것 .

- 기본원리 , 전형적인 기계 설계예제 , 표준부품 , 재료특성 등이 포함

두 부품을 연결하는 설계 카탈로그

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8.5 파라메트릭 설계

- 배치설계에서 확인된 부품속성을 설계변수로 결정하는 것 설계변수 : 주로 치수나 공차 [ 재질 , 열처리 , 표면상태도 포함 ]

1 단계 : 설계문제를 정식화하라 .

2 단계 : 다른 설계안을 제시하라 .

3 단계 : 다른 설계안을 분석하라 .

4 단계 : 분석결과를 평가하라 .

5 단계 : 최적화하라 .

8.5.1 파라메트릭설계의 절차

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8.5.2 파라메트릭 설계의 예 : 나선형 압축코일 스프링

나선형 코일 압축 스프링으로 동작하는 전기식 승강장치의 브레이크

1 단계 : 설계문제를 정식화 하라 .

- 부품의 기능을 이해하고 , 설계변수를 설정한다 .

- 문제를 정확히 이해하고 해를 구한다 .

[ 문제 : 브레이크의 제동토크 = 850ft-lb, 스프링 작용력 P = 716 34lb 스프링의 설계 ]

설계 문제 정식화- 정지토크 - 압축력- 스프링 길이 변화 - 스프링 하중변화- 스프링상수 - 공차 범위 - 스프링 지수

설계변수- 스프링의 기하형상 - 스프링 지수- 스프링 외경 - 스프링 내경- 코일 감긴 수 - 스프링 길이- Wahl 계수

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해석

1. 항복이 발생되지 않는 최대하중을 구한다 .

스프링 설계 변수를 결정할 때 반복 작업이 필요

- C = 7, D = 5 로 가정 d = 0.714 >0.6

D = 0.5 로 가정 C = 10 인장강도 = 160ksi, 비틀림 항복 응력 = 80ksi 가정

안전계수 고려 시 허용응력 66.7ksi 만족하여야 함

이용하여 하중을 구함

항복 발생에 필요한 하중 크기

wKd

PD )

8(

3max

- 스프링은 항복없이 820lb 를 지지 하여야 함 3 번 설계안 만족

8.5.2 파라메트릭 설계의 예 : 나선형 압축코일 스프링

--3030--

2. 하중 P 에 대한 스프링 변형량

N 에 대하여 전개

- 앞서 구한 하중을 대입하면

coilsN 13256)0.3(8

)105.11()5.0(3

64

축하중을 잘 지지하기 위해 2coil 추가 : 15coils

- 코일이 압축 되었을 때 높이

indNL ts 5.7)5.0(15

inLL PPf 45.112.325.8

kPLL PSP /, 10% 여유 추가

8.5.2 파라메트릭 설계의 예8.5.2 파라메트릭 설계의 예 : 나선형 압축코일 스프링

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3. 압축으로 인한 좌굴 검사

- 임계 처짐률 : 320/11.45 = 0.28

- 세장비 : 11.45/3.00 = 3.82

설계 결과

• 재료 : ASTM 227 경 인발 스프링 선

• 와이어 직경 : 0.5 in

• 외경 : 3.50 in

• 내경 : 2.5 in

• 스프링지수 : 6

• 안지름과 봉 사이의 간격 : 0.25 in

• 안전 계수 :1.2

• 최대하중 : 870 lb

• 재료 : ASTM 227 경 인발 스프링 선

• 와이어 직경 : 0.5 in

• 외경 : 3.50 in

• 내경 : 2.5 in

• 스프링지수 : 6

• 안지름과 봉 사이의 간격 : 0.25 in

• 안전 계수 :1.2

• 최대하중 : 870 lb

• 코일수 : 15

• 자유길이 : 11.45 in

• 전체 높이 : 7.5 in

• 최대하중하에서 압축길이 : 8.25

• 스프링 상수 : 256 lb/in

• 임계처짐률 :0.28

• 세장비 : 3.82

• 코일수 : 15

• 자유길이 : 11.45 in

• 전체 높이 : 7.5 in

• 최대하중하에서 압축길이 : 8.25

• 스프링 상수 : 256 lb/in

• 임계처짐률 :0.28

• 세장비 : 3.82


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2 단계 : 다른 설계안을 제시하라 .

- 설계변수의 다른 값을 사용하여 다른 설계안 제시- 설계안을 제시 분석 평가 하여 만족할 설계변수 값 결정

새로운 설계 안 - 와이어지름을 변경하여 더 나은 설계가 될 수 있는 지 조사하여 보자 스프링에 사용된 재료의 양이 적을수록 스프링 가격이 낮아진다 .

ww CK

dPK

d

PD

8)

8(

2max

3max

와이어 단면의 지름이 클수록 , 스프링지수가 작을수록 최대하중지지능력이 커진다 .

와이어 지름이 증가하면 가격이 상승하므로 C 를 설계 변수로 둔다 .

스프링 지수 변화에 따른 설계 변수 값

3 단계 : 다른 설계안을 분석하라 .


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4 단계 : 분석결과를 평가하라 .

평가 예시

- 8번의 경우 와이어 직경이 0.312 인치 일 때 하중을 390lb 만 지지할 것으로 분석되었으므로 직경을

늘린다 .

- 직경을 0.437 인치로 늘리면 하중이 994lb 가 되어 만족한다 .

- 재료 단가는 30% 증가 전체 스프링 가격은 감소

따라서 10번 안은 3번 설계대신 선정 가능하다 .

5 단계 : 최적화하라 .

다른 조건 ( 좌굴 , 높이 , 길이 ) 을 검토하여 최고의 설계안을 선택한다 .


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8.5.3 제조고려설계 (DFM) 와 조립고려 설계(DFA)- 형상 , 치수 , 공차에 대한 설계 결정을 할 때 제조 및 조립결정과정을 고려해야 함- 가능한 한 모든 설계자가 제조 및 조립과정을 숙지하고 고려하는 해야 함 이러한 과정을 DFM, DFA 지침이라 칭함

8.5.4 고장형태 영향분석 (FMEA)- 부품이 파손될 모은 가능한 상황과 파손이 시스템에 영향을 미치는 영향을 설정하는 수단

8.5.5 신뢰성과 안전성 고려설계- 신뢰성 : 제품을 일정 기간 동안 파손이 없이 사용할 수 있는 확률- 내구성 : 제품이 파손되지 않고 사용할 수 있는 기간 [ 제품수명 ] 신뢰성 보다 일반적인 개념- 안전성 : 사람이나 재산에 손상을 끼치지 않도록 제품을 설계

8.5.6 품질과 견고성 고려 설계- 제품사용자가 필요로 하고 원하는 상태를 이해하여야 품질 높은 설계가 가능- 강건 설계 : 제조 공정이나 작동 환경의 변동에 별 영향을 받지 않고 제품의 성능이 유지되게 설계 제조공정 및 작동 환경요인 : 진동 , 소음 , 온도 , 습도 , 작업자의 습관 , 기계의 노후 , 공구

마모 제조공정이나 작동 환경을 바꾸기 보다 그 영향을 덜 받도록 제품을 설계 [ 비용 절감 측면 ]

{ 예 ) 일본의 타일제조회사에서 가마에서 타일 구울 때 ,

타일의 치수 불량 발생 가마온도 불균일 타일에 석회석 성분 조절하여 해결 }

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8.6 치수와 공차

- 치수 : 부품도면에서 부품의 크기와 위치를 표시- 도면은 1) 각 특징의 크기 2) 각 특징간의 상대적 위치 3) 치수와 위치에 대한 허용범위 ( 공차 )

4) 재료 , 제조조건

- 부품의 전체 크기 표시 - 크기와 재료무게를 알 수 있음- 제조 방법 결정 가능

- 단면의 형상에 대한 도면- 내부의 숨겨진 특징을 표시- 설계자의 의도 전달이 쉬움

- 전체 길이가 주어지고 마지막 치수를 기입하지 않는 예

8.6.1 치수

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8.6.2 공차

- 허용 공차 : 명시된 치수로부터 설계자가 허용하는 변동폭을 의미 공차가 작을 경우 장점 : 부품의 호환성을 높이고 , 기능성이 좋아지며 , 진동 가능성을 줄인다 .

단점 : 제조단가의 상승을 야기- 부품의 공차 : 기본 치수의 위아래 한계 사이의 차이- 기본 치수 : 부품에 대한 이론적 치수 , 계산에 의한 치수를 의미 기본 치수와 공칭 치수가 항상 같은 크기는 아님

치수 공차 양방향 공차 : 호칭 치수로 부터 양쪽 방향으로 편차가 발생 , 상한 ,하한 공차 예 ) 균일 양방향값 공차 : 2.500±0.005

비균일 양방향 공차 :

한방향 공차 : 편차가 한쪽 방향으로만 있다 .

예 )

070.0030.0500.2

000.0010.0500.2

- 특별한 언급이 없으면 모든 치수는 ±0.010 을 사용한다 .

부품 조립될 때 중요한 공차

1. 끼워 맞춤

2. 누적 공차

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1. 헐거운 끼워 맞춤 최대 최소 틈새가 모두 양의 값 . 자유로운 회전과 미끄럼이 가능2. 억지 끼워 맞춤 축 직경이 항상 구멍 직경 보다 크기 때문에 최대 , 최소 틈새가 모두 음의 값 외부 물체를 가열 또는 내부 물체를 냉각 하여 조립3. 중간 끼워 맞춤 최대 틈새는 양의 값 , 최소틈새는 음의 값

끼워 맟춤의 예

• 최대 틈새

= Amax – Bmin = 30.40-29.70 = 0.70mm

• 최소 틈새

= Amin – Bmax = 30.00-29.80 = 0.20mm

8.6.2 공차

끼워 맞춤

--3838--

공차의 누적으로 허용 최대치수에 모순 발생 기준면을 정해야

직렬치수 기입 병렬치수 기입

기준면을 정해서 치수기입 측정과 가공 편리

8.6.2 공차

누적 공차

--3939--

예제 8.1

아래 그림은 워셔 , 슬리브 , 스냅링이 있는 벽속의 핀을 보여준다 . 최악의 공차설계에 기초하여 벽과

스냅링 간의 평균 간격인 A-B 및 간격의 한계를 구하라 .

1. 편차를 구할 간격을 선정한다 .

2. 한쪽은 A, 다른 쪽은 B 라고 부른다 .

3. 간격에 해당하는 치수를 선정한다 . 양의 방향을 정한다 .

4. A 점으로부터 B 점 방향으로 연속된 치수를 따라가 본다 .

5. 모든 치수 및 공차를 균일 양방향값 공차 형식으로 통일한다 .

6. 모든 치수와 공차를 표시하며 방향표시에 주의한다 .

공차를 균일 양방향값 공차 형식으로 표시한다 .

예 ) 이므로 2 로

나누어 하한에 더하면

이 된다 .

1. 편차를 구할 간격을 선정한다 .

2. 한쪽은 A, 다른 쪽은 B 라고 부른다 .

3. 간격에 해당하는 치수를 선정한다 . 양의 방향을 정한다 .

4. A 점으로부터 B 점 방향으로 연속된 치수를 따라가 본다 .

5. 모든 치수 및 공차를 균일 양방향값 공차 형식으로 통일한다 .

6. 모든 치수와 공차를 표시하며 방향표시에 주의한다 .

공차를 균일 양방향값 공차 형식으로 표시한다 .

예 ) 이므로 2 로

나누어 하한에 더하면

이 된다 .

040.0490.8510.8500.8 030.0010.0

020.0510.8020.0490.8

8.6.2 공차

--4040--

통계학적 공차 설계

- 조립품의 공차를 결정할 때 통계학적 호환성에 기초하는 방법 - 가정 : 제작되는 부품의 치수는 평균값 , 표준편차를 나타내는 정규분포 형태

- 공정 능력 지수 , 조립체와 부품에서의 치수 표준편차 관계

- 공정 능력 지수가 1일 때 공차는 조립품의 공차

조립체의 공차가 각 부품의 공차 제곱합의 제곱근에 따라 변화

제곱합 항의 제곱근방법 (RSS)

6

toleranceC p

n

iiassembly

1

22

6T

n

iiassembly TT

1

2

예제 8.2

예제 8.1 에 RSS 방법을 적용하여라

- 핀의 길이에 대한 공차가 영향이 가장 크다- 문제의 변수를 표준 정규 분포롤 바꾸어 정규분포 아래 면적에 대한 표를 사용한다- 틈새에 대한 평균값과 공차를 나타내는 설계 파손모드가 발생할 확률은 매우 낮다

8.6.2 공차

--4141--

8.6.3 기하학적 치수와 공차

ASME 표준규격에 근거한 기하학적 치수와 공차 (GD&T: Geometric Dimension and Tolerance) 도면에서 2 가지 중요한 정보가 기술

(1) 치수가 측정되는 기준표면을 명확하게 정의 기준위치 : 파트의 기하학적 특징을 나타내는 위치 ex) 점 ,선 ,면 기계가공자나 검사자에게 측정을 어디부터 해야 하는지를 알려주는 목적

(2) 기하학적 특징을 모두 포함하여야 하는 허용공차지역을 명시

기하 공차 - 형상 : 평편한 정도를 나타내는 정도 , 직진도 , 정원도 , 원통도

프로파일 : 선이나 면

방향 : 평행 , 각

위치 : 자세 , 중심이 동일한 정도

보너스 공차 : 특징이 커짐에 따라 허용공차지역이 증가

제조 과정에서 융통성을 갖게 해준다 .

보너스 공차 : 특징이 커짐에 따라 허용공차지역이 증가

제조 과정에서 융통성을 갖게 해준다 .

• •

• •

--4242--

기하 수치와 공차심벌 표기법


--4343--



--4444--



--4545--



--4646--

특징 컨트롤 프레임

- 기하학적 공차는 특징컨트롤프레임을 사용하여 도면에 표시된다 .

11

1. 원통의 왼쪽 끝이 기준위치인 오른쪽 끝과 평행하여야 함2. 공차지역이 0.01 인치3. 직경이 0.735 와 0.755dlscl 사이에 있어야 함4. 정원에서 0.010 인치 이상 편차되지 않아야 함

2233

44

예제 8.3

- 왼쪽 구멍은 치수공차가 2.000±0.040- 구멍크기 : 1.960 과 2.040 사이- 0.012 직경의 원통 공차 지역에 위치- 구멍이 최대재료조건으로 제작 되었을 때 유효


--4747--

▷ 구멍의 위치도


* 치수공차와 기하공차의 비교

--4848--

8.6.4 공차 설계의 지침

• 특별히 중요하지 않은 치수에 대하여는 부품제조공정에 추천되는 , 상업용 허용공차를 사용하라 .

• 어려운 공차문제를 해결하는 방법으로 부품을 재설계하여 그 부품을 덜 중요한 분류로 만들 수 있다 .

공차 누적을 포함한 어려운 문제는 설계가 과다하게 제한되어서 조립부품간에 바람직하지 않은 상

호 작용을 발생시키고 있다는 것을 의미한다 . 배치설계 단계로 돌아가서 새로운 설계를 제안하여 문

제 해결하라 .

• 공차 누적을 피할 수 없다면 , 조립체 설계를 통하여 영향을 최소화하라 .

• 통계적 공차법을 사용하기 전에 잘 제어된 공정으로부터 부품을 공급받는다는 점을 생산부와 합의하

여야 한다 .

• 기준위치의 결정을 신중히 하여야 하는 이유는 부품의 생산과 검사에 동일한 기준위치가 사용되기 때

문이다 .

Documents

제 8 장 구체 설계