기계설계: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

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

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

  1. 극관성 모멘트를 구하세요: 중실축은 J = πd⁴/32.
  2. 표면의 전단 응력: τ = T·r/J, r은 바깥 반지름.
  3. 비틀림각: φ = TL/(GJ), 단위는 라디안.
  4. 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

  1. 모어 원의 중심을 계산하세요: C = (σx + σy)/2.
  2. 반지름을 계산하세요: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. 주응력은 C ± R이고, 면내 최대 전단 응력은 R입니다.
  4. 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
N1​ = 25N2​ = 48

1440 rpm으로 도는 4 kW 모터가 잇수 25개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 48개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 모터 축의 토크 T1을(를) 구하시오.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 25N2 = 48η = 100%
T1 = N·m
2.기어와 기어열어려움
d1​ = 150 mmd2​ = 500 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

평벨트가 1500 rpm의 150 mm 구동 풀리를 500 mm 풀리에 연결하며 중심 간 거리는 1200 mm입니다. 마찰계수는 0.3이고 긴장측 장력은 1000 N을 넘을 수 없습니다. 벨트가 미끄러지지 않고 전달할 수 있는 최대 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오(원심력의 영향은 무시).

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmd2 = 500 mmC = 1200 mmμ = 0.3T1 = 1000 N
P = kW
3.축의 비틀림보통
d = ?T = 200 N·mL = 1.5 m

길이 1.5 m인 속이 찬 황동 축이 토크 200 N·m을(를) 받는다. 양 끝 사이의 비틀림각은 1.5°를 넘을 수 없다. 이 한계를 만족하는 최소 지름 d을(를) 구하시오.

T = 200 N·mL = 1.5 mG = 39 GPaφallow = 1.5°
d = mm
4.축의 비틀림어려움
d = 20 mmT0​ = 500 N·mACBa = 2 mb = 0.5 m

지름 20 mm인 속이 찬 강철 축의 양 끝 A와 B가 강체 벽에 고정되어 있다. A에서 2 m, B에서 0.5 m 떨어진 C에 토크 500 N·m이(가) 가해진다. 벽 A의 반력 토크 TA을(를) 구하시오.

d = 20 mmT0 = 500 N·ma = 2 mb = 0.5 m
TA = N·m
5.모어 원과 응력 변환보통
σx​ = −20σy​ = 30MPaτxy​ = ?

한 점에서 σₓ = −20 MPa, σᵧ = 30 MPa이다. 최대 주응력이 70 MPa에 도달하기 전까지 전단 응력 τxy(크기)은(는) 얼마나 커질 수 있는가?

σx = −20 MPaσy = 30 MPaσ1 = 70 MPa
τxy = MPa
6.모어 원과 응력 변환어려움
σx​ = 130σy​ = 30τxy​ = 30MPa

얇은 판의 한 점이 평면 응력 상태이다: σₓ = 130 MPa, σᵧ = 30 MPa, τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). 재료의 항복 강도는 460 MPa이다. 폰 미제스(전단 변형 에너지) 기준에 따른 항복에 대한 안전율 n을(를) 구하시오.

σx = 130 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.축 응력과 변형률보통
150 kNØ30100 GPaØ120/50600 mmδ = ?

강철 봉(지름 30 mm, E = 200 GPa)이 황동으로 만든 관(바깥지름 120 mm, 안지름 50 mm, E = 100 GPa) 안에 들어 있습니다. 둘 다 길이가 600 mm이며 강체 판 사이에서 150 kN으로 함께 압축됩니다. 줄어든 길이 δ을(를) 구하시오.

P = 150 kN막대: Ø30 mm, E = 200 GPa관: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.축 응력과 변형률어려움
Ø 40 mm알루미늄2 mØ 12 mm알루미늄1 mP = 75 kN

계단형 봉이 벽에 고정되고 자유단에 하중을 받는다. 전체 늘음량 δ을(를) 구하시오.

P = 75 kN구간 1: Ø40 mm, 2 m, 알루미늄 (E = 70 GPa)구간 2: Ø12 mm, 1 m, 알루미늄 (E = 70 GPa)
δ = mm
9.기둥의 좌굴보통
PL = 1 m50 × 80 mm단면

길이 L인 강철 기둥이 하단 고정, 상단 자유이다. 오일러 공식을 이용해 임계 좌굴 하중 Pcr을(를) 구하시오.

L = 1 mE = 200 GPa (강철)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.기둥의 좌굴어려움
P = 95 kNL = 2.5 md = ?단면

길이 L인 알루미늄 원형 기둥(속이 참)이 하단 고정, 상단 자유이다. 좌굴에 대한 안전율 2로 95 kN을(를) 지지해야 한다. 최소 지름 d을(를) 구하시오.

P = 95 kNn = 2L = 2.5 mE = 70 GPa (알루미늄)
d = mm
11.기계 진동보통
k = 80 kN/mζ = 0.6m = 12 kg

강성 80 kN/m인 스프링에 달린 12 kg 질량에 감쇠비 0.6을(를) 주는 점성 감쇠기가 있다. 자유 진동의 감쇠 고유 진동수 fd을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 12 kgk = 80 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
12.기계 진동어려움
k1​ = 25k2​ = 50k3​ = 25m = 5 kg

5 kg 질량이 스프링 k₃ = 25 kN/m에 매달려 있다. k₃의 위쪽 끝은 강체 막대에 붙어 있고, 이 막대는 나란히 놓인 두 스프링 k₁ = 25 kN/m, k₂ = 50 kN/m에 매달려 있다. 막대는 수평을 유지한다. 감쇠와 스프링 및 막대의 질량은 무시한다. 연직 진동의 고유 진동수 fn을(를) Hz 단위로 구하시오.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3용액

1.기어와 기어열

답: T1 = 26.53 N·m

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.

모터 토크

ω₁ = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150.8 = 26.53 N·m

답

T1 = 26.53 N·m
2.기어와 기어열

답: P = 6.769 kW

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.

접촉각

θ = 2.849 rad

이완측 장력

eμθ = e0.8547 = 2.351, T₂ = 1000/2.351 = 425.4 N

전력

P = (1000 − 425.4)·11.78 = 6.769 kW

답

P = 6.769 kW
3.축의 비틀림

답: d = 41.59 mm

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.

필요한 극관성 모멘트

T = 200 N·m = 200000 N·mm
L = 1.5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1.5·π/180 = 0.02618 rad
J = TL/(Gφ) = 200000·1500/(39000·0.02618) = 293825 mm⁴

지름

d = (32J/π)1/4 = 41.59 mm

답

d = 41.59 mm

실제로는 다음 표준 치수로 올림합니다.

4.축의 비틀림

답: TA = 100 N·m

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. 양 끝이 고정되면 정역학만으로는 TA + TB = T₀만 나옵니다. 두 번째 방정식은 적합 조건(하중 단면에서 두 부분의 비틀림각이 같음)입니다.

평형과 적합 조건

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·0.5/2.5 = 100 N·m
TB = 500·2/2.5 = 400 N·m

답

TA = 100 N·m
5.모어 원과 응력 변환

답: τxy = 60 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.

필요한 반지름

C = (−20 + 30)/2 = 5 MPa
R = σ1 − C = 70 − 5 = 65 MPa
στxyCσ1​σ2​

전단 응력

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(65² − 25²) = 60 MPa

답

τxy = 60 MPa
6.모어 원과 응력 변환

답: n = 3.57

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. 항복 기준: 폰 미제스는 σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²)가 σY에 도달할 때, 트레스카는 절대 최대 전단 응력이 σY/2에 도달할 때 항복을 예측합니다.

στxyCσ1​σ2​

주응력

C = 80 MPa, R = 58.31 MPa
σ1 = 138.3 MPa, σ2 = 21.69 MPa, σ3 = 0

폰 미제스

σvM = √(138.3² − 138.3·21.69 + 21.69²) = 128.8 MPa
n = 460/128.8 = 3.57

답

n = 3.57

n > 1이면 그 점은 항복하지 않습니다. 트레스카가 폰 미제스보다 약간 더 보수적입니다.

7.축 응력과 변형률

답: δ = 0.08364 mm

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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

합성 축강성

ΣEA = 200·10³·706.9 + 100·10³·9346 = 1.076 × 10⁹ N

줄어든 길이

δ = 150000·600/1.076 × 10⁹ = 0.08364 mm

답

δ = 0.08364 mm
8.축 응력과 변형률

답: δ = 11.18 mm

축하중 부재: 각 균일 단면 구간은 δ = PL/(AE)를 따릅니다. 직렬 부재에서는 늘음량을 더합니다.

두 구간에 같은 힘

자유단이 P를 받으므로 봉의 모든 단면은 같은 축력 P를 받습니다. 바뀌는 것은 면적과 재료뿐입니다.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ1 = 59.68 MPa
σ2 = 663.1 MPa

구간별 늘음량 더하기

δ1 = σ1L1/E1 = 59.68·2000/70000 = 1.705 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 663.1·1000/70000 = 9.474 mm
δ = δ1 + δ2 = 11.18 mm

답

δ = 11.18 mm
9.기둥의 좌굴

답: Pcr = 411.2 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

직사각형은 약축에 대해 좌굴하므로 작은 치수의 세제곱을 씁니다.

Imin = h·b³/12 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

유효 좌굴 길이

KL = 2·1000 = 2000 mm

임계 하중

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/2000² = 411234 N = 411.2 kN

답

Pcr = 411.2 kN
10.기둥의 좌굴

답: d = 108.8 mm

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.

필요한 임계 하중

Pcr = n·P = 2·95000 = 190000 N
KL = 2·2500 = 5000 mm

지름에 대해 풀기

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·190000·5000²/(π³·70000))^(1/4) = 108.8 mm

답

d = 108.8 mm

확인: 세장비 KL/r는 183.8이므로 기둥은 세장하고 오일러 공식을 적용할 수 있습니다.

11.기계 진동

답: fd = 10.4 Hz

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.

비감쇠 고유 진동수

ωn = √(80000/12) = 81.65 rad/s
fn = 81.65/(2π) = 12.99 Hz

감쇠 고유 진동수

fd = fn·√(1 − ζ²) = 12.99·√(1 − 0.6²) = 10.4 Hz

답

fd = 10.4 Hz
12.기계 진동

답: fn = 9.746 Hz

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

k1과 k2만 병렬입니다. 그 쌍이 k3와 직렬이므로 역수로 합성하세요.

k12 = 25 + 50 = 75 kN/m
keq = 75·25/(75 + 25) = 18.75 kN/m

고유 진동수

ωn = √(18750/5) = 61.24 rad/s
fn = 61.24/(2π) = 9.746 Hz

답

fn = 9.746 Hz

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