09년 1회차

옳지 않은 설명은 응력 진폭이 극한강도 이하이면 무한 반복에도 파괴되지 않는다는 내용이다.

무한 반복에도 파괴되지 않는 기준은 극한강도가 아니라 피로한도(내구한도)이며, 극한강도보다 낮은 진폭이라도 피로한도를 넘으면 반복 횟수가 쌓여 피로파괴가 일어난다.

• 취성재료는 작은 변형률에서 파괴되며 강도는 높고 인성은 낮다 — 옳다.
• 최대전단응력설·전단변형에너지설은 복합응력 상태의 파손을 예측하는 파손이론이다 — 옳다.
• 노치처럼 단면이 급변하는 곳에 국부적으로 큰 응력이 생기는 현상이 응력집중이다 — 옳다.

판의 압축(압괴)파괴에 대한 강도는 $P=dt\sigma_c$이다.

한 줄 겹치기 이음에서 피치 한 구간에는 리벳이 1개이고, 리벳이 판을 누르는 투영면적은 지름 × 판 두께, 곧 $dt$이다.
압괴 강도 = 투영면적 × 압축응력이므로 $P=d\,t\,\sigma_c$로 정리된다.

• $2dt\sigma_c$는 피치당 리벳이 2개인 경우(두 줄 이음 등)의 식이다.
• $(p-d)t\sigma_c$ 꼴은 리벳 구멍 사이 판의 인장파괴 강도 식에 해당한다.
• $2(p-d)t\sigma_c$도 판 단면 파괴 형태로, 압괴 강도와 관계없다.

판의 탄성 변형까지 고려하면 리벳 하중은 고르지 않으며, 얇은 판이 하중 P 를 전부 받는 쪽 끝의 리벳 ㉠에 가장 큰 하중이 걸린다.

겹치기 이음에서 두 판은 리벳 사이 구간마다 서로 다른 크기로 늘어나므로, 이 늘음 차이를 양 끝 리벳이 가장 많이 떠맡고 가운데 리벳은 적게 받는다.

그림에서 위판은 아래판보다 얇아 강성이 작다. 위판이 하중을 거의 전부 받는 왼쪽 끝(㉠ 부근)에서 두 판의 변형률 차이가 가장 커지므로, ㉠이 오른쪽 끝 ㉣보다 큰 하중을 받는다.

• 각 리벳에 P/4 씩 균등하게 걸린다는 것은 판을 강체로 본 단순 가정일 뿐, 실제 탄성 분배와 다르다.
• 리벳 ㉡은 안쪽 리벳이라 판의 늘음 차이를 적게 받아 하중이 작은 편이다.
• 리벳 ㉣도 끝 리벳이지만 이쪽은 강성이 큰 두꺼운 아래판이 하중을 대부분 받는 구간이라 ㉠보다 하중이 작다.

풀림방지 방법으로 적절하지 않은 것은 나사의 피치를 크게 하는 것이다.

피치를 크게 하면 리드각이 커져 마찰각보다 커지기 쉬우므로 자립조건이 나빠지고 오히려 잘 풀린다. 풀림방지에는 피치가 작은 가는 나사가 유리하다.

• 스프링와셔는 탄성 반발력으로 축방향 마찰력을 유지해 풀림을 막는다.
• 로크너트(이중 너트)는 두 너트가 서로 밀어 나사면 마찰을 키운다.
• 톱니붙이 와셔는 톱니가 자리면을 물어 회전을 막는다.

체결용 볼트가 받는 하중은 인장하중과 비틀림하중이다.

너트를 조이면 볼트 축은 늘어나려는 축방향 인장을 받고, 동시에 나사면 마찰에 의한 비틀림도 함께 받는다.

• 굽힘하중은 체결 볼트의 기본 하중 형태가 아니다.
• 압축하중은 피체결물(부재)이 받는 하중이고 볼트 자체는 인장을 받는다.

소문자 h는 축의 공차역이므로 축기준 치수 50 mm에서 h6 공차가 h5 공차보다 크다.

대문자(H 등)는 구멍, 소문자(h 등)는 축을 나타내며, 뒤의 숫자는 IT 공차등급으로 숫자가 클수록 공차(허용 범위)가 크다.

• 구멍기준으로 보는 설명은 소문자 h를 구멍으로 잘못 읽은 것이다.
• h5가 h6보다 크다는 설명은 등급 숫자와 공차 크기의 관계를 거꾸로 본 것이다.

옳지 않은 것은 비례한도 구간 기울기로 푸아송비까지 알 수 있다는 설명이다.

공칭응력-공칭변형률 곡선은 축방향 응력과 축방향 변형률만의 관계이므로 기울기로 얻는 것은 탄성계수뿐이다. 푸아송비는 가로 변형률을 따로 측정해야 한다.

• 곡선 아래 넓이로 파단까지의 변형에너지(인성)를 구할 수 있다.
• 최고점에서 네킹이 시작되므로 불안정 시작 변형률을 읽을 수 있다.
• 곡선의 최대 공칭응력이 극한인장강도이다.

옳지 않은 설명은 안전계수에서 수명은 고려하지 않는다는 것이다.

안전계수는 기준강도와 허용응력의 비이며, 하중·응력의 종류뿐 아니라 사용 수명, 재료 신뢰성, 응력 계산의 정확도 등을 종합해 정한다.

• 재료의 기준강도 ÷ 허용응력으로 정의된다 — 옳다.
• 하중과 응력의 종류·성질(정하중·반복하중·충격)을 고려한다 — 옳다.
• 응력 계산이 정확할수록 안전계수를 합리적으로 정할 수 있어 정확한 계산이 요구된다 — 옳다.

강판의 최소 두께는 0.7 cm이다.

허용응력: $\sigma_a=\dfrac{5000}{5}=1000\,\mathrm{kgf/cm^2}$

두께 공식: $t=\dfrac{pD}{2\sigma_a\eta}+C$
대입: $t=\dfrac{10\times100}{2\times1000\times1.0}+0.2$
결과: $t=0.5+0.2=0.7\,\mathrm{cm}$

• 부식여유를 빼먹으면 $0.5\,\mathrm{cm}$가 나온다.
• 부식여유 $2\,\mathrm{mm}$를 $0.2\,\mathrm{cm}$로 환산해 더하는 것이 핵심이다.

풀리 림 중앙을 볼록한 곡면(크라운)으로 만드는 이유는 벨트가 벗겨지지 않게 하기 위해서이다.

평벨트는 장력이 큰 쪽, 즉 지름이 큰 중앙 쪽으로 올라타려는 성질이 있어 크라운 풀리를 쓰면 벨트가 중앙에 머문다.

• 제작 시 변형 방지와는 관계가 없다.
• 응력 분포를 고르게 하려는 목적이 아니다.
• 곡면으로 하면 오히려 접촉면이 늘지 않으므로 접촉면 증가 목적도 아니다.

동력 $H$[kW], 회전수 $N$[rpm]일 때 토크는 $T=974000\dfrac{H}{N}\,\mathrm{kgf\cdot mm}$이다.

$T=\dfrac{60H}{2\pi N}$에 $1\,\mathrm{kW}=102\,\mathrm{kgf\cdot m/s}$를 넣으면
$T=\dfrac{60\times102}{2\pi}\dfrac{H}{N}\approx974\dfrac{H}{N}\,\mathrm{kgf\cdot m}=974000\dfrac{H}{N}\,\mathrm{kgf\cdot mm}$

• 계수 97,400은 자릿수를 하나 빠뜨린 값이다.
• 계수 716,000·7,162,000 계열은 동력을 마력(PS)으로 줄 때 쓰는 716,200에서 나온 값으로 kW 식이 아니다.

모터 동력 용량을 최소화하는 요소는 플라이휠이다.

절단기처럼 순간적으로 큰 부하가 걸리는 기계는 플라이휠이 공회전 중 에너지를 저장했다가 절단 순간 방출하므로, 모터는 평균 동력 정도만 감당하면 된다.

• 체인은 축 사이 동력을 전달하는 요소로 에너지를 저장하지 않는다.
• 기어는 속도비·토크를 바꿀 뿐 부하 변동을 흡수하지 않는다.
• 클러치는 동력을 끊고 잇는 요소이다.

옳지 않은 것은 세로진동(축방향 신축 진동)을 주로 고려한다는 설명이다.

회전축 설계에서 주로 고려하는 진동은 처짐(굽힘)진동과 비틀림진동이며, 세로진동은 축의 축방향 강성이 매우 커서 거의 문제가 되지 않는다.

• 강성 확보를 위해 처짐진동과 비틀림진동을 주로 고려한다 — 옳다.
• 고유진동수와 회전속도가 일치하면 공진하므로 피해야 한다 — 옳다.
• 사용 회전속도를 위험속도에서 25% 이상 떨어뜨려 공진을 피한다 — 옳다.

V벨트 특징으로 옳지 않은 것은 속도비가 작다는 설명이다.

V벨트는 쐐기 작용으로 마찰력이 커서 미끄럼이 적고, 축간거리가 짧아도 큰 속도비를 얻을 수 있다.

• 미끄럼이 적고 벨트가 벗겨질 위험이 작아 고속운전이 가능하다.
• 이음매 없는 벨트를 써서 진동·소음이 적어 운전이 정숙하다.
• 쐐기 작용으로 미끄럼이 적어 전동효율이 크다.

용접이음의 장점으로 옳은 것은 이음효율이 높다는 것이다.

리벳이음은 구멍을 뚫어 판 단면이 줄어들지만 용접은 모재를 직접 결합하므로 이음효율이 100%에 가깝다.

• 용접부는 일체 구조라 진동 감쇠 능력이 오히려 작다.
• 용접부 내부 결함은 눈으로 보이지 않아 비파괴 검사가 어렵다.
• 용접 열로 변형과 잔류응력이 생기는 것은 단점이다.

옳지 않은 것은 구름베어링이 미끄럼베어링보다 충격에 우수하다는 설명이다.

구름베어링은 전동체가 점·선 접촉으로 하중을 받아 충격하중에 약하고, 넓은 유막으로 하중을 받는 미끄럼베어링이 충격 흡수에 유리하다.

• 기본부하용량은 33.3 rpm으로 500시간, 곧 100만 회전의 수명을 주는 하중이다 — 옳다.
• 정격수명은 같은 조건의 베어링 그룹 90%가 피로박리 없이 회전하는 총회전수이다 — 옳다.
• 미끄럼베어링은 유막이 진동을 흡수해 소음·진동 면에서 구름베어링보다 우수하다 — 옳다.

묻힘키의 전단응력은 $\tau=\dfrac{2T}{bld}$이다.

축 표면(반지름 $\dfrac{d}{2}$)에서 키가 받는 접선력은 $W=\dfrac{T}{d/2}=\dfrac{2T}{d}$이다.

이 힘을 키의 폭 × 길이인 전단면적 $bl$이 받으므로 $\tau=\dfrac{W}{bl}=\dfrac{2T}{bld}$가 된다.

• 분자가 4T 이고 분모가 bld 인 식은 접선력을 2배로 잡은 값이라 실제 전단응력의 2배가 되며, 압축응력식 $\dfrac{4T}{hld}$와 혼동하기 쉬운 꼴이다.
• 분모에 (l-b) 가 들어간 식들은 전단면적을 폭 × 길이로 잡지 않아 단면 정의 자체가 틀렸다.

상당 비틀림모멘트와 상당 굽힘모멘트의 합은 $9.5\,\mathrm{kN\cdot m}$이다.

상당 비틀림모멘트: $T_e=\sqrt{M^2+T^2}=\sqrt{4^2+3^2}=5\,\mathrm{kN\cdot m}$

상당 굽힘모멘트: $M_e=\dfrac{1}{2}(M+T_e)=\dfrac{1}{2}(4+5)=4.5\,\mathrm{kN\cdot m}$
합: $5+4.5=9.5\,\mathrm{kN\cdot m}$

• 굽힘모멘트(4)와 비틀림모멘트(3)를 바꿔 대입하지 않도록 주의한다.

축방향 하중과 축직각 하중을 동시에 지지하는 베어링은 테이퍼 베어링이다.

테이퍼 롤러 베어링은 궤도면이 원추형이라 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 함께 받을 수 있다.

• 레이디얼 베어링은 축에 직각인 하중을 주로 받는다.
• 피벗 베어링은 축 끝에서 축방향 하중을 받는 스러스트 베어링의 일종이다.
• 스러스트 베어링은 축방향 하중을 받는다.

옳지 않은 것은 축 재질보다 면압강도가 작고 연성이 낮아야 한다는 설명이다.

베어링메탈은 하중을 견딜 충분한 면압강도를 가져야 하고, 축과 잘 길들여지도록 축보다 무르고 연성(순응성)이 좋아야 한다.

• 마찰계수와 마멸이 작아야 한다 — 옳다.
• 마찰열을 빨리 방출하도록 열전도율이 높아야 한다 — 옳다.
• 하중을 견디는 충분한 강도와 강성을 가져야 한다 — 옳다.