[요소설계]Shaft & Bearing Design (축&베어링 설계) 프로젝트

목차

1. 소개 및 요약
1.1 설계 조건

2. 축 설계
2.1 축 설계시의 고려사항
2.2 축 해석 - Dynamic Fatigue Theory
2.2.1 정역학적 분석
2.2.2 재료 선정
2.2.3 Endurance limit 도출
2.2.4 Fatigue stress-concentration factor 도출
2.3 축 직경 도출
2.3.1 ASME Method
2.3.2 Using S-N Diagram
2.4 축 직경 결정

3. 가공방법 선정
3.1 가공방법
3.1.1 주조
3.1.2 소성가공
3.1.3 절삭
3.1.4 소결
3.1.5 용접
3.2 가공방법 선정
3.2.1 소요 가격 산출

4. 베어링 선정
4.1 베어링 선정에 영향을 미치는 요소
4.1.1 수명요구조건
4.1.2 신뢰도요구조건
4.1.3 축 하중의 영향
4.1.4 쇼크하중
4.1.5 회전하지 않는 베어링에 작용하는 하중
4.1.6 최고속도

4.2 베어링의 종류
4.2.1 베어링의 구분
4.2.2 베어링의 종류
4.2.3 베어링의 종류에 따른 비용
4.3 베어링 선정
4.4 베어링 고정방안
4.4.1 Cold Mounting
4.4.2 Temperature Mounting
4.4.3 Hydraulic Mounting
4.4.4 베어링 고정방안 선정

5. 고유진동수와 최대회전 속도

6. 최종 설계 형상
6.1 도면
6.2 3D 형상

그 림 목 차
1. 목표 축의 형상 pg.4
2. 깊은 홈 볼 베어링 pg. 13
3. 앵귤러 볼 베어링 pg. 13
4. 복열 볼 베어링 pg. 14
5. 자동조심 볼 베어링 pg. 14
6. 원통 롤러 베어링 pg. 14
7. 니들 롤러 베어링 pg. 15
8. 자동 조심 롤러 베어링 pg. 15
9. 테이퍼 롤러 베어링 pg. 16
10. 스러스트 볼 베어링 pg. 16
11. 스러스트 자동조심 롤러 베어링 pg. 17
12. Cold Mounting pg. 18
13. Hyrdraulic Mounting pg. 19
14. 완성 제품 도면 pg. 20
15. 완성제품 3D형상 pg. 21

본문내용

해야 한다. 무른 금속으로 만들어진 해머는 금속의 조각이 떨어져 베어링으로 들어갈 수 있기 때문에 부적합하다. 슬리브관의 면은 평평하고 평행하고 매끈해야한다. 면은 억지끼워맞춤으로 링과 인접해야한다.
축이 결합이나 분리과정에서 바이스에 놓여있을 때, 구리판 등을 이용해서 축을 턱으로부터 보호하는 것이 중요하다. 교체 베어링은 파손된 베어링과 정확히 일치하는 복제품이어야 한다. 기계를 다시 설계하지 않는 이상, 축과 베어링은 서로 알맞게 디자인 되어있기 때문에 어떠한 변화도 주어서는 안 된다.
만약 베어링이 너무 헐거우면 미끄러질 수 있다. 이것은 베어링의 과열이 일어날 수 있고, 또한 베어링의 보어나 축면에 마모를 일으킬 수 있으므로 주의해야 한다. 반면에 맞춤이 너무 꽉 조이면 베어링의 안쪽 링이 매우 퍼져서 볼이나 롤러가 자유롭게 회전할 공간이 없을 것이다.
4.4.2 Temperature Mounting
이 고정방법은 파트들의 열팽창에 의한 부피 차이로 특정한 부품들을 팽창 또는 수축시켜서 조립에 용이하게 하는 방법이다. 열팽창에 의한 부품 조립 방식들은 다음과 같다
1) 한 파트의 열처리
2) 한 파트의 냉각
3) 한 파츠트를 냉각함과 동시에 다른 파트를 가열
이 열팽창 조립 방식은 straight-bore bearing 과 tapered bore bearing 등의 베어링을 크기에 상관없이 사용할 수 있다. 이 방식에 필요한 기구들 때문에 보통 4인치 이하의 (10.16cm) 베어링에서는 cold mounting 방식을 사용한다.
가장 흔한 베어링 조립 방식은 베어링 내경을 축에 억지끼워 맞춤하고, 외경을 하우징에 헐거운 끼워 맞춤을 하는 것이다. 외경이 4인치 이상인 베어링인 경우에는 내륜을 축에 끼우기 위해 열처리 방식에 따라서 베어링 전체를 가열하거나 내륜만 가열한다. 베어링은 121도 가 넘지 않는 온도로 전체적으로 균등하게 가열되어야 한다. 베어링 가열 방식에는 뜨거운 오일에 집어넣는 방법 (hot oil bath), 핫 플레이트 (hot plate), 인덕션 히터 (induction heater), 오븐 (oven) 등의 방식이 있다. 코팅된 베어링은 가열된 오일안에 집어넣을 수 없다.
Hot oil bath 방식이 열처리 중 가장 흔히 쓰이는 방식으로써, 오일과 오일을 담는 용기 모두 깨끗한 상태여야 한다. 가열하는 오일의 양은 베어링의 부피보다 커야 한다. 부적절한 오일의 양은 베어링이 급진적으로 가열되거나 냉각되게 해서 균일하게 열팽창을 시킬 수 없다.
오일로 가열시 Wire Rack 이라는 장치가 바닥에서 3인치쯤 아래에 설치되 있어야 한다. 이것은 베어링이 뜨거운 가열기구와 직접적으로 접촉하는 것을 막아주며 아래쪽에 있을 수 있는 균열과 오염에서 벗어날 수 있다. 충분히 가열된 뒤 꺼내진 베어링에 있는 모든 오일은 깨끗이 닦아내줘야 한다.
꺼내진 뒤에는 곧바로 축의 정해진 위치에 끼워져야 한다. 특정한 고정장치가 사용되지 않을 경우에는 베어링이 균일하게 냉각되면서 축에 고정될 때 까지 위치를 고정시켜야 한다. 만약 이 프로세스가 진행되지 않으면 베어링은 원래 위치에서 벗어날 수 있다.
4.4.3 Hydraulic Mounting
이 고정방법은 cold mounting 방법의 간단하게 변형된 방법이다. 이것은 접촉면의 접촉면의 오일의 힘에 기반한 방안으로, 수직방향의 힘을 크게 줄여준다. 오일의 압력은 대체적으로 최대압력이 10,000psi인 펌프에서 정해진 대로 공급된다. 오일은 베어링과 시트를 보호하기 위해서 뿐 아니라 오일라인이 막히지 않기 위해서 불순물이 없어야 한다.
4.4.4 베어링 고정방안 선정
해당 과제에서 도출한 베어링의 외경이 4인치 이상이기 때문에 Cold Mounting을 이용해서 베어링을 고정하는 방안으로 결정하였다.
베어링과 축 가공에 드는 금액은 대략 80만원이나, 이는 소비자로서 구입금액이기 때문에, 직접 대량생산한다면 비용을 감소시킬 수 있을 것이라고 추측할 수 있다.
5. 고유진동수와 최대회전 속도
설계한 축의 Critical speed가 주어진 속도보다 빠른지를 진단하여 설계의 안전성을 확보하기 위해 Critical frequency를 구하고 그를 통해 Critical speed를 도출하였다.
회전 시에 Beam(Shaft)의 변형이 발생하는데, 이 변형의 원인을 하중으로 생각하고 탄성력의 개념을 도입하여 얻고자 하는 변수들을 구하였다.
→ Maximum deflection of shaft, Bending Force
는 Textbook의 [Appendix D-Simply supported beam with concentrated loading]을 참조하여 구한다.
Critical speed
→ Critical frequency
도출한 Critical speed가 주어진 회전속도 보다 크기 때문에 안정적인 축의 설계가 완성되었다고 할 수 있다.
6. 최종 설계 형상
6.1 도면
6.2 3D 형상
7. 참고문헌
1. Robert L. Norton. MACHINE DESIGN(An Integrated Approach) 3rd edition. Pearson Education. 2006.
2. 송지복, 김진욱. {新 機械設計}. 보성각. 1994.
3. 정인선, 김종헌. {(Design with vision) SolidWorks Bible-basic} : 완전정복. 서울 : 북미디어. 2007
4. http://www.isayprice.com/index.php?mode=1&number=7&inc=price_list&fol=
price&midNo=120&minNo=1728&menu
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Machining
6. http://mdmetric.com/pdf/brgprice2.pdf
7. http://www.isbrg.co.kr/new_pr/pr_01_1.php
7. http://www.meps.co.uk/World%20Carbon%20Price.htm
8. http://www.securitytechnet.com/main/research/techreport.html

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shaft,   해석,   설계,   기요설,   기계,   요소,   베어링,   셰프트