기어와 기어열
- 맞물린 기어
- n1·N1 = n2·N2
- 토크
- T2 = T1·(N2/N1)·η
- 전력
- P = T·ω, ω = 2π·n/60
- 복합 기어열
- 전체 기어비 = 각 단 기어비의 곱
기계설계: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
축의 비틀림
- 전단 응력
- τ = T·r/J
- 중실축
- J = πd⁴/32
- 중공축
- J = π(D⁴ − d⁴)/32
- 비틀림각
- φ = TL/(GJ)
- 전력
- P = T·ω = 2πnT/60
방법
- 극관성 모멘트를 구하세요: 중실축은 J = πd⁴/32.
- 표면의 전단 응력: τ = T·r/J, r은 바깥 반지름.
- 비틀림각: φ = TL/(GJ), 단위는 라디안.
- 동력이 주어지면 P = T·ω, ω = 2πn/60으로 먼저 토크를 구하세요.
모어 원과 응력 변환
- 중심
- C = (σx + σy)/2
- 반지름
- R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
- 주응력
- σ1,2 = C ± R
- 주방향
- tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
- 경사면의 응력
- σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
방법
- 모어 원의 중심을 계산하세요: C = (σx + σy)/2.
- 반지름을 계산하세요: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
- 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
- 원 위의 각은 요소에서의 각의 두 배입니다: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
축 응력과 변형률
- 수직 응력
- σ = F/A
- 변형률
- ε = ΔL/L
- 훅의 법칙
- σ = E·ε
- 늘음량
- ΔL = FL/(EA)
- 열변형률
- εT = α·ΔT
기둥의 좌굴
- 오일러 좌굴 하중
- Pcr = π²EI/(KL)²
- 유효 좌굴 길이 계수
- K = 1 핀–핀, 0.5 고정–고정, 0.7 고정–핀, 2 고정–자유
- 임계 응력
- σcr = Pcr/A
- 세장비
- λ = KL/r, r = √(I/A)
기계 진동
- 고유 진동수
- ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
- 정적 처짐으로부터
- ωn = √(g/δst)
- 임계 감쇠
- cc = 2√(km) = 2mωn
- 감쇠비
- ζ = c/cc
- 감쇠 고유 진동수
- ωd = ωn√(1 − ζ²)
- 대수 감쇠율
- δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
- 병렬 스프링
- k = k1 + k2
- 직렬 스프링
- 1/k = 1/k1 + 1/k2
2연습 문제
1.기어와 기어열보통
125 mm 풀리가 1440 rpm으로 돌며 미끄러짐 3 %인 벨트로 400 mm 풀리를 구동합니다. 종동 풀리의 속도 n2을(를) 구하시오.
n1 = 1440 rpmd1 = 125 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.기어와 기어열어려움
복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 20개)가 3000 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 80개)를 구동한다. 기어 C(잇수 16개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 18개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.
nin = 3000 rpmA = 20B = 80C = 16D = 18
nout = rpm
3.축의 비틀림보통
비틀림 시험에서 지름 12 mm인 속이 찬 시편에 토크 20 N·m을(를) 가한다. 표점 거리 200 mm의 양 끝이 서로 2.89° 회전한다(재료는 아직 탄성 범위). 재료의 전단 탄성 계수 G을(를) 구하시오.
T = 20 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 2.89°
G = GPa
4.축의 비틀림어려움
속이 빈 축이 750 rpm에서 20 kW을(를) 전달한다. 축의 최대 전단 응력 τmax을(를) 구하시오.
P = 20 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.모어 원과 응력 변환보통
한 점에서 σₓ = 30 MPa, σᵧ = 70 MPa, τₓᵧ = −50 MPa이다(인장을 양으로). 전단 응력이 최대 양의 값 +R(τₓᵧ와 같은 방향의 전단을 양으로)을 갖는 면의 법선이 x축과 이루는 각 θs을(를) −90°에서 90° 사이로 구하시오.
σx = 30 MPaσy = 70 MPaτxy = −50 MPa
θs = °
6.모어 원과 응력 변환어려움
지름 20 mm인 속이 찬 축이 축방향 압축력 90 kN와(과) 토크 100 N·m를 함께 받는다. 축의 표면에서 면내 최대 전단 응력 τmax을(를) 구하시오.
d = 20 mmF = −90 kNT = 100 N·m
τmax = MPa
7.축 응력과 변형률보통
축하중을 받는 강철 봉의 늘음량 δ을(를) 구하시오.
P = 65 kNd = 10 mmL = 2 mE = 200 GPa
δ = mm
8.축 응력과 변형률어려움
강철 봉(지름 30 mm, E = 200 GPa, 허용응력 200 MPa)이 황동으로 만든 관(바깥지름 80 mm, 안지름 50 mm, E = 100 GPa, 허용응력 100 MPa) 안에 들어 있습니다. 둘은 강체 판 사이에서 함께 압축됩니다. 최대 하중 Pmax을(를) 구하시오.
막대: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPa관: Ø80/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.기둥의 좌굴보통
길이 L인 알루미늄 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.
L = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)d = 30 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 핀이다. 세장비와 오일러 공식에 의한 임계 좌굴 응력 σcr을(를) 구하시오.
L = 5 mE = 200 GPa (강철)d = 60 mm
σcr = MPa
11.기계 진동보통
5 kg 질량이 강성 25 kN/m인 스프링과 감쇠 계수 60 N·s/m인 점성 감쇠기로 지지되어 있다. 감쇠비 ζ을(를) 구하시오.
m = 5 kgk = 25 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
12.기계 진동어려움
10 kg 질량이 나란히 놓인(병렬) 두 스프링에 매달려 있으며 강성은 k₁ = 80 kN/m, k₂ = 12 kN/m이다. 질량은 수평을 유지한다. 스프링계의 등가 강성 keq을(를) kN/m 단위로 구하시오.
m = 10 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m
3용액
1.기어와 기어열
답: n2 = 436.5 rpm
벨트 구동: 미끄러짐이 없으면 두 풀리의 림 속도가 v = π·d·n/60으로 같으므로 n₁·d₁ = n₂·d₂이고 속도비는 d₂/d₁입니다. 미끄러짐 s가 있으면 종동 풀리가 조금 느려집니다: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). 전달 동력은 P = (T₁ − T₂)·v이며, T₁은 긴장측 장력, T₂는 이완측 장력입니다. 마찰이 장력의 비를 제한합니다: T₁/T₂ = eμθ이며, θ는 작은 풀리의 접촉각(라디안)입니다. 평벨트에서는 축간 거리 C에 대해 θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C))입니다.
미끄러짐 없을 때의 속도
1440·125/400 = 450 rpm
미끄러짐이 있을 때
n2 = 450·0.97 = 436.5 rpm
답
n2 = 436.5 rpm
2.기어와 기어열
답: nout = 666.7 rpm
기어열: 맞물린 기어는 이에서의 속도가 같으므로 n₁·N₁ = n₂·N₂입니다. 잇수가 적은 기어가 더 빨리 돕니다. 같은 축에 있는 기어는 같은 속도로 돕니다. 동력은 (손실을 빼고) 그대로 전달되므로 속도가 줄면 토크가 커집니다: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, 그리고 P = T·ω, ω = 2π·n/60.
1단
nB = 3000·20/80 = 750 rpm = nC
2단
nout = 750·16/18 = 666.7 rpm
답
nout = 666.7 rpm
전체 기어비 = 4.5 : 1
3.축의 비틀림
답: G = 38.95 GPa
원형 축의 비틀림: 전단 응력은 중심에서 0이고 표면에서 τmax = T·r/J까지 선형으로 증가합니다. 속이 찬 축은 J = πd⁴/32, 속이 빈 축은 J = π(do⁴ − di⁴)/32. 비틀림각은 φ = TL/(GJ) (라디안)입니다. 동력과 토크는 P = T·ω로 연결됩니다.
극관성 모멘트와 각
J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 2.89·π/180 = 0.05044 rad
전단 탄성 계수
T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·200/(2036·0.05044) = 38955 MPa
G = 38.95 GPa
답
G = 38.95 GPa
비교: 강철 ≈ 80 GPa, 황동 ≈ 39 GPa, 알루미늄 ≈ 26 GPa.
4.축의 비틀림
답: τmax = 26.67 MPa
원형 축의 비틀림: 전단 응력은 중심에서 0이고 표면에서 τmax = T·r/J까지 선형으로 증가합니다. 속이 찬 축은 J = πd⁴/32, 속이 빈 축은 J = π(do⁴ − di⁴)/32. 비틀림각은 φ = TL/(GJ) (라디안)입니다. 동력과 토크는 P = T·ω로 연결됩니다.
토크
ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78.54 rad/s
T = P/ω = 20000/78.54 = 254.6 N·m
극관성 모멘트
J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴
최대 전단 응력
τmax = T·(do/2)/J = 254648·20/190984 = 26.67 MPa
답
τmax = 26.67 MPa
5.모어 원과 응력 변환
답: θs = 79.1 °
평면 응력 변환: θ만큼 회전한 면에서 σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. 모어 원은 모든 면을 한꺼번에 보여 줍니다. 중심은 C = (σₓ + σᵧ)/2, 반지름은 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)입니다. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
원 위의 각도
모어 원에서 꼭대기 점(+R)은 주응력 점 σ₁에서 90° 떨어져 있고, 요소에서는 45°입니다.
cos 2θs = −50/53.85 = −0.9285, sin 2θs = −(−20)/53.85 = 0.3714
2θs = atan2(20, −50) = 158.2°
요소에서의 각도
θs = 79.1°
검산: θs − θp = 79.1 − (−55.9) = 135°
답
θs = 79.1°
반시계 방향 각도가 양입니다.
6.모어 원과 응력 변환
답: τmax = 156.7 MPa
평면 응력 변환: θ만큼 회전한 면에서 σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. 모어 원은 모든 면을 한꺼번에 보여 줍니다. 중심은 C = (σₓ + σᵧ)/2, 반지름은 R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)입니다. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
표면의 응력
σ = F/A = −90000/(π·20²/4) = −90000/314.2 = −286.5 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·20³) = 63.66 MPa
모어 원
C = σ/2 = −143.2 MPa
R = √((−143.2)² + 63.66²) = 156.7 MPa
답
τmax = 156.7 MPa
7.축 응력과 변형률
답: δ = 8.276 mm
훅의 법칙: 탄성 범위에서 σ = E·ε. σ = P/A, ε = δ/L과 결합하면 δ = PL/(AE).
응력
A = π·10²/4 = 78.54 mm²
σ = P/A = 65·1000/78.54 = 827.6 MPa
변형률 (훅의 법칙)
E for 강철 = 200 GPa = 200000 MPa.
ε = σ/E = 827.6/200000 = 0.004138 = 4138 µε
늘음량
δ = ε·L = 0.004138·2000 mm = 8.276 mm
답
δ = 8.276 mm
8.축 응력과 변형률
답: Pmax = 447.7 kN
두 재료: 직렬(차례로 이어짐)에서는 모든 구간이 같은 힘을 받고 늘어난 길이가 더해집니다: δ = P·Σ L/(E·A). 병렬(강체 판 사이에 나란히)에서는 두 부분이 같은 양만큼 줄어들므로 변형률이 같습니다. 더 강성이 큰 부분이 더 큰 몫을 받으며 Pi = P·EiAi/ΣEA, σi = Ei·ε입니다. 접합부에 하중이 작용하며 두 강체 벽 사이에 고정된 막대는 부정정입니다: 두 구간은 강성 k = EA/L에 비례해 하중을 나눕니다.
넓이
Ar = π·30²/4 = 706.9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²
합성 축강성
ΣEA = 200·10³·706.9 + 100·10³·3063 = 4.477 × 10⁸ N
지배 변형률
ε = min(0.001, 0.001) = 0.001 (황동)
최대 하중
Pmax = 0.001·4.477 × 10⁸ = 447677 N = 447.7 kN
답
Pmax = 447.7 kN
9.기둥의 좌굴
답: Pcr = 8.97 kN
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
최소 단면 2차 모멘트
원형 단면은 모든 축에 대해 I가 같습니다.
I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴
유효 좌굴 길이
KL = 0.7·2500 = 1750 mm
임계 하중
Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1750² = 8970 N = 8.97 kN
답
Pcr = 8.97 kN
10.기둥의 좌굴
답: σcr = 36.26 MPa
오일러 좌굴: 세장한 기둥은 Pcr = π²EI/(KL)²에서 불안정해집니다. KL은 유효 좌굴 길이로, K = 1(핀–핀), 2(고정–자유), 0.7(고정–핀), 0.5(고정–고정)입니다. 기둥은 I가 가장 작은 축에 대해 좌굴합니다. 이 식은 임계 응력이 항복 응력보다 작은 세장한 기둥에 적용됩니다.
최소 단면 2차 모멘트
원형 단면은 모든 축에 대해 I가 같습니다.
I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴
회전 반경과 세장비
A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0.7·5000 = 3500 mm
KL/r = 3500/15 = 233.3
임계 응력
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/233.3² = 36.26 MPa
답
σcr = 36.26 MPa
11.기계 진동
답: ζ = 0.08485
질량–스프링계의 자유 진동: 비감쇠 고유 진동수는 rad/s 단위로 ωn = √(k/m), Hz 단위로 fn = ωn/(2π)입니다. 점성 감쇠기 c는 감쇠비 ζ = c/cc를 주며, 임계 감쇠 계수는 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn입니다. 부족 감쇠계(ζ < 1)는 ωd = ωn·√(1 − ζ²)로 진동합니다. 병렬 스프링은 더하고 k = k₁ + k₂, 직렬 스프링은 역수로 더합니다, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
임계 감쇠
cc = 2·√(k·m) = 2·√(25000·5) = 707.1 N·s/m
감쇠비
ζ = c/cc = 60/707.1 = 0.08485
답
ζ = 0.08485
ζ < 1이므로 이 계는 부족 감쇠이며 감쇠하면서 진동합니다.
12.기계 진동
답: keq = 92 kN/m
질량–스프링계의 자유 진동: 비감쇠 고유 진동수는 rad/s 단위로 ωn = √(k/m), Hz 단위로 fn = ωn/(2π)입니다. 점성 감쇠기 c는 감쇠비 ζ = c/cc를 주며, 임계 감쇠 계수는 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn입니다. 부족 감쇠계(ζ < 1)는 ωd = ωn·√(1 − ζ²)로 진동합니다. 병렬 스프링은 더하고 k = k₁ + k₂, 직렬 스프링은 역수로 더합니다, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
등가 강성
나란히 놓인 스프링은 처짐이 같고 힘이 더해지므로 강성을 그냥 더합니다: k = k1 + k2.
keq = 80 + 12 = 92 kN/m
답
keq = 92 kN/m
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