[기계제작] 새로운 기계제작 공정과 기계 요소

기계 제작 공정과 기계 요소

  새로운 기계를 제작하기 위해서는 용도에 따라 기능을 잘 발휘할 수 있도록 설계하고, 재료의 선정 및 공작 방법 등을 결정해야 한다. 공장에서는 제작 도면에 따라 필요한 재료와 공구, 시설 등을 준비하고, 필요한 부품들이 각 공장에서 만들어지면 조립과 검사를 거친 후 시운전하여 완성하게 되며, 필요에 따라 도장과 포장을 하여 출하하게 한다.

 

1. 기계의 제작 과정

① 기계 설계와 제도  

기계나 부품을 용도와 목적에 따라 구조와 기능 등을 고려하여 재료를 선택하고, 강도를 계산하여 각 부품의 치수를 결정하는 것이 기계 설계이며, 설계된 기계를 정확하게 제작할 수 있도록 도면에 나타내는 일을 기계 제도라 한다.

 

 

  ② 생산 계획 

  기계 제작의 기본 구상인 설계 도면이 완성되면, 공장의 생산 능력과 제품의 납기 등을 고려하여 재료를 준비하고, 기계 공구를 선정, 기계 제작의 순서와 일정을 계획한다. 이와 같은 일들을 일반적으로 생산 계획이라 하며, 가장 중요한 것은 어떠한 제조 공정으로 제품을 만드느냐 하는 것이다.

 

 

③ 부품 가공, 조립과 검사

 생산 계획서가 완성되면 도면에 따라 제작, 가공하게 된다. 가공된 부품은 모양과 치수 등을 검사하고, 합격된 부품만이 조립 공정에 보내져서 조립하게 된다. 부품이 제대로 제작되고 있는지를 제작 도중에 검사하는 경우도 있고, 부품이 완성된 다음 기능, 목적에 합당한지를 판정하는 최종 검사를 한다. 그리고 부품이 조립되어 완성되면 제품의 성능 시험과 검사를 한다.

 

 

 

④ 도장과 출하

 최종 검사에 합격한 제품은 도면대로 도장을 하고, 포장하여 출하하게 된다. 포장이나 출하 과정도 소홀히 취급할 수 없는 중요한 일이다. 운반 중 제품이 훼손되거나 흠이 생기지 않도록 해야 하며, 합리적인 포장이나 출하는 경제적일 뿐만 아니라, 발주 자가 받는 인상은 물론, 제품의 평가면 에서도 많은 영향을 주게 된다.

 

 

 

2. 기계 공장의 조직과 공정

  기계 공장의 조직은 제품의 종류, 기술 수준, 기업 규모의 크기 등에 따라 차이는 있으나, 기계 제품의 제작 공정은 일반적으로 왼쪽 그림과 같다. 기계 공장에는 일반적으로 다음과 같은 실과 공장을 갖추고 있다.
 
 ① 설계실

  설계실은 제품의 설계 제도는 물론, 제작 계획, 공정 등을 세우는 공장의 심장부 역할을 하는 곳이다. 설계실에서는 생산하고 있는 기계를 비롯하여 다른 회사 제품, 외국의 새로운 기계에 대한 자료 등 설계에 필요한 모든 자료를 조사, 정비하여 생산품의 개선과 새로운 제품의 연구, 개발에 활용할 수 있도록 준비해야 한다.
② 원형 공장

  주조품을 만들기 위해서는 제품과 동일한 모양의 원형이 필요하게 되는데, 이 원형이 주형제작의 기본이 된다. 원형은 주로 목재가 사용되므로 목형이라고도 한다.

③ 주조 공장

 주조 공장은 주조에 필요한 설비가 갖추어져 있는 공장으로, 주형을 만드는 주형설비, 용해 시설과 용해로, 쇳물을 운반하고 주입하는 주입 장비, 그리고 주입 후 뒤처리를 하는 시설 등으로 구성되어 있다.

④ 단조 공장

  단조 공장의 설비로는 증기 해머, 에어 해머, 형 단조용 대형 프레스 등이 있으며, 그리고 소재를 가열하는 가열로가 있다.

 ⑤ 기계 공장

  기계 공장은 주조 또는 단조에 의해 만들어진 소재 부품을 공작 기계로 절삭 가공하여 제품을 제작하는 공장이다. 기계 공장에 보내진 부품들은 가공 공정을 거쳐 조립을 하게 된다. 이와 같은 공장이나 부서들은 제작되는 기계의 종류, 회사의 규모 , 생산 방식과 시설의 정도에 따라 크게 다르다.

 

3. 기계 기구와 기계 요소

  우리들의 생활이나 산업 현장에서 볼 수 있는 기계는 간단한 구조의 것에서부터 복잡한 것에 이르기까지 사용 목적에 따라 그 모양과 기능이 다르다. 또, 기계의 종류는 대단히 많고, 여러 부품의 조합으로 이루어지며, 이들은 몇 개의 제한된 운동을 하는 기구(mechanism)로 되어 있다. 이와 같이, 기계에 공통적으로 쓰이는 최소 단위의 기계 부품을 기계 요소(machine element)라 한다.

 

(1) 기계

 기계(machine)는 저항력이 있는 많은 부품을 조합한 것이다. 일반적으로 외부로부터 에너지를 받아들여 사람에게 유용한 일, 또는 형태가 다른 에너지로 변환시키기 위하여 특정한 운동을 할 수 있도록 조합한 것이라고 정의하고 있다.

  선반을 예로 들면 선반은 주철 등의 저항력이 있는 물체로 구성되어 있으며, 회전 운동과 직선 운동 등의 제한된 운동을 하도록 되어있다. 여기에 전동기로 에너지를 공급하여 봉이나 원통을 깎는 일을 하므로 이를 기계라 한다 . 프레스, 드릴링 머신, 자동차 등도 기계이다.

기계가 갖추어야 할 구비 조건으로서는 다음과 같이 네 가지를 들 수 있다.

 ① 몇 개의 부품으로 조립되어 있다.

  기계는 단순히 하나의 기구나 기계 요소로만 되어 있는 것이 아니고, 여러 가지 부품으로 조립되어 있다.

 ② 외부의 힘에 대한 저항력이 있는 물체의 조합체이다.

  기계를 구성하고 있는 많은 부분이 저항력이 있는 금속으로 이루어져 있다. 그러나 벨트 전동과 같은 것은 장력을 이용하여 힘을 전달하게 되는데, 고무와 같이 유연성이 있는 것도 부품으로 사용하게 된다. 또, 기름, 공기와 같은 유체도 그 압력을 이용할 경우에는 기계의 구성 요소라고 할 수 있다.

 ③ 각 부품이 서로 한정된 상대 운동을 해야 한다.

  구성하고 있는 각 부분이 저항력이 있는 물체로 구성되어 있어도 상대 운동을 하지 않으면 기계라 할 수 없다. 예를 들면, 해머, 줄, 대패 등은 저항력이 있는 물체인 나무와 강철재로 구성되어 있어, 손으로 에너지를 주어 일정한 일은 하지만, 일정한 상대 운동을 하지 않으므로 기계라 하지 않고 공구(tools)라 한다.

 ④ 에너지 공급을 받아 유용한 일을 한다.

  각 부분이 저항력이 있는 물체로 구성되어 있고, 그 사이에 상대 운동을 하는 부분이 있더라도 외부에서 에너지를 받아 이를 유용한 일로 전환할 수 없는 것은 기계라 할 수 없다. 예를 들면, 시계, 저울, 마이크로미터 등의 측정기는 저항력이 있는 물체로 구성되어 있으면서 구속된 상대 운동을 하며 물리적인 양을 나타내지만, 외부에 대하여 유용한 일을 하는 것은 아니다. 이와 같은 것을 기구(instrument)라 한다.

 

(2) 기 구

 기계가 운동을 할 때 한 부분에서 다른 부분으로 운동을 전달하기 위해서는 2개의 부분이 접촉하여 서로 움직일 수 있는 기구가 필요하다. 이와 같은 한 쌍의 조립을 짝(pair)이라 한다. 왼쪽 그림과 같이 2개의 요소가 하나의 공통된 평면에서 접촉하여 상대 운동을 하는 것을 면짝이라 한다.

  모든 기계는 짝의 조합으로 필요한 운동을 전달하고 있다. 필요에 따라 직선 운동을 회전 운동으로, 또는 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸거나 운동의 속도를 바꾸기도 한다. 이와 같이, 운동을 전달하거나 변환을 목적으로 몇 개의 짝을 조합하여 한정된 운동을 하는 것을 기구라 한다.

 

(3) 링크 장치

  몇 개의 가늘고 긴 막대를 핀으로 결합시켜, 일정한 운동을 하도록 구성한 것을 링크 장치(linkage)라 한다.

  ① 4절 회전 기구

  옆의 그림과 같이 4개의 막대, 즉 링크를 핀으로 연결한 것을 4절 회전 기구라 한다. 이 기구는 링크 장치의 기본이며, 각각 길이가 다른 4개의 링크 중 어느 링크를 고정시키는가에 따라 다른 종류의 운동을 하는 기구가 된다.

 

 

 ② 왕복 슬라이더 크랭크 기구

  레버 크랭크 기구의 일종이며, 레버 D를 변형하여 홈 속을 미끄러지면서 움직이는 슬라이더로 한 것으로, 옆의 그림은 왕복 슬라이더 크랭크 기구(reciprocating block slider crank mechanism)의 예를 나타낸 것이다. 이 기구를 사용하면, 크랭크 B를 회전시킴으로써 슬라이더 D를 왕복시킬 수 있으며, 또 반대로 슬라이더 D를 왕복시킴으로써 크랭크 B를 회전시킬 수 있다.

 

4. 결합용 기계 요소

  일반적으로 기계는 많은 구성 요소가 조립되어 만들어지며, 기계 부품 중에서 어느 기계나 공통으로 쓰이는 나사, 볼트, 너트, 키, 핀, 코터 등과 같이 2개 이상의  부분을 결합하기 위하여 사용하는 기계 부품을 결합용 기계 요소라 한다.

(1) 나사 

 나사는 주로 여러 기계 부품을 결합하거나 위치 조정 또는 힘의 전달에 널리 쓰이며, 그 밖의 이동용 기계 기구로도 쓰이는 등 용도가 다양한 기계 요소이다. 나사 곡선에 따라 원통 또는 원뿔의 표면에 만들어진 단면의 일률적인 돌기를 나사산이라 하고, 나사산과 나사산 사이의 공간을 골이라 하며, 이러한 나사산을 가진 원통 또는 원뿔을 나사라고 한다.

나사는 옆의 그림 (a)와 같이 원통 또는 원뿔 바깥 표면에 나사산이 있는 것을 수나사(external screw thread), 그림 (b)와 같이 속이 빈 원통이나 원뿔의 안쪽에 나사산이 있는 것을 암나사(internal screw thread)라 하고, 수나사를 볼트(bolt), 암나사를 너트(nut)라 하며, 볼트와 너트는 반드시 짝을 이루고 있다. 보통 쓰이는 나사로는 하나의 나사산을 감아서 만들어진 한 줄 나사(single thread screw)가 많이 사용되나, 리드를 크게 하고 회전수를 적게 하고자 할 때에는 여러 줄 나사(multiple thread screw)를 사용한다. 그러나 여러 줄 나사는 풀어지기 쉬우므로, 죔나사로는 적합하지 않다.

 

(2) 볼트, 너트 

  볼트와 너트는 나사를 응용한 결합용 기계 요소로 조립과 분해가 쉬우므로 기계 부품의 결합용으로 가장 널리 사용된다. 볼트와 너트는 그 다듬질 정도에 따라 상, 중, 보통의 세 가지로 분류되며, 나사는 정밀도에 따라 1급, 2급, 3급으로 분류된다. 볼트는 머리 모양에 따라 육각 볼트, 육각 구멍붙이 볼트, 사각 볼트가 있다. 볼트, 너트의 재료는 주로 탄소강이 사용되지만, 부식, 고온, 고강도 등을 고려할 때 가장 적합한 것은 스테인리스강, 비철 금속 등이 쓰인다. 그림 Ⅱ-19는 여러 가지 볼트를 나타낸 관통 볼트, 스터드 볼트, 탭볼트의 보기이다.

 

(3) 핀, 키

(가) 핀(pin) : 작은 힘이 걸리는 2개 이상의 기계 부품의 결합용으로 사용된다. 즉, 핸들을 축에 고정할 때, 부품의 설치, 분해, 조립을 하는 부품의 위치 결정 등에 널리 사용된다. 보통 핀에는 그림과 같이 평행 핀, 테이퍼 핀, 분할 핀, 등이 있으며, 핀의 재료로는 강재, 황동, 구리, 알루미늄 등이 쓰인다.

(나) 키(key) : 기어, 벨트 풀리, 커플링 등의 회전체를 고정시켜서 축과 회전체를 일체로 하여 회전 운동을 전달시키는 요소이다.

    

               (a) 세트 키      (b) 드라이빙 키         (c) 미끄럼 키        (d) 반달 키        (e) 평 키

 

(4) 리벳과 리벳 이음  

판재, 형강재 등을 영구적으로 결합시키는 방법으로, 철골 구조물이나 보일러 등에 사용한다. 리벳 이음은 겹쳐진 금속판에 구멍을 뚫고, 리벳을 끼운 다음 머리를 만들어 결합시키는 방법인데, 머리를 만드는 작업을 리베팅(riveting)이라 한다.

 

 

 

5. 용   접

 용접이란 2개 또는 그 이상의 물체나 재료들을 접합(coalescence)하는 것을 말하며, 용접 방법은 융접, 압접, 납땜 등이 있다.

(1) 가스 용접 및 가스 절단

① 가스 용접 

  연료 가스와 공기 또는 산소에 의한 열을 이용하여 금속을 용융 접합하는 방법으로, 가스 용접 또는 불꽃(flame)용접이라고 한다. 이들의 가스는 용접 토치의 가스 혼합실에서 소요의 불꽃으로 되기 위한 혼합 비율에 따라서 조정을 받으며, 강철 계통의 금속 재료일 경우에는 연료 가스로 아세틸렌 가스와 산소가 생성열이 가장 높고 많은 가스 용접을 산소-아세틸렌 용접이라고 하는 혼합비 1:1인 표준 불꽃으로 조절하여 용접봉을 녹여서 용접하는 것이다.

 

 ② 가스 절단

  강철을 산소 절단 기류의 산화 반응에 의하여 절단하는 방법이다. 강철은 약 800∼1000C。로 가열하여 산소 중에 방치하면 강철이 연소하는 것을 도와서 산화철로 변하면서 강력한 반응열을 발생한다.

 

(2) 아크 용접 

 아크 용접 방법은 사용하는 전극(electrode)의 종류에 따라, 피복 아크 용접봉을 사용할 때를 피복 금속 아크 용접(SMAW: shieded metal arc welding)이라 하고, 탄소 전극을 사용할 때에는 탄소 아크 용접(carbon arc welding)이라 하며, 전원은 직류와 교류가 사용된다. 그림은 산업용 로봇의 하나인 아크 용접용 로봇의 작업 예이다.

 

(3) 저항 용접

 압접의 일종이며, 그림의 (a)와 같이 저항 용접의 원리를 살펴보면, 용접하려고 하는 재료를 서로 접촉시켜 놓고 이것에 전류를 흘리면 저항열로 접합면의 온도가 높아졌을 때 가압을 하여 용접을 하게 되며, 이것을 맞대기 저항 용접이라고 한다. 

   
       (a) 맞대기 용접             (b) 점 용접                 (c) 심 용접

 ① 맞대기 저항 용접

  접촉 저항을 크게 하기 위하여 처음에는 맞대기 시작할 때의 가압은 작은 힘으로 하고 단접 온도에 달하게 되면 큰 힘으로 가압을 해야 한다. 용접할 때에 단면이 크면 접합면이 산화되어 산화물이 개재되든가 기공이 발생하는 경우가 있으므로 접합면을 깨끗이 청소하며, 평면으로 다듬어야 한다.

 ② 점 용접

  그림의 (b)와 같이 두 전극 사이에 용접하고자 하는 모재를 겹쳐 놓고 전류를 흘리면 접촉부는 요철 때문에 접촉 저항이 발생하여 발열이 되며, 용접부의 온도는 급격히 상승하여 금속이 녹아 둥근 점 모양의 용접부가 된다.

 용접 방법은, 통전 시간은 재료와 판 두께에 따라 다르나, 박판인 경우 1초 이내에 이루어지며, 용접 전류, 통전 시간, 가압력 등을 저항 용접의 3대 요소라고 하여 매우 중요시하고 있다. 특히, 자동차 제조 공정의 차체 조립 과정에서 로봇을 이용한 점 용접이 자동적으로 이루어지고 있다.

 ③ 심 용접

 그림의 (c)와 같이 원판상의 롤러 전극 사이에 모재를 겹쳐 놓고 가압 통전하고, 전극을 회전시켜 판을 이동시키면서 연속적으로 점 용접을 반복하는 방법이다. 이것은 하나의 연속된 점 모양의 접합부가 얻어지는 것으로, 주로 기밀, 수밀, 유밀을 필요로 하는 이음에 이용된다.

 

(4) 불활성 가스 아크 용접

 불활성 가스(inert gas)는 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 등이 사용되며, 전극으로는 텅스텐(tungsten)전극과 금속(metal) 전극을 사용한 것을 불활성 가스 텅스텐 아크용접(GTAW:shielded inert gas tungsten arc welding) 또는 TIG와 불활성 가스 금속아크 용접(GMAW :shielded inert gas metal arc welding)또는 MIG 용접법이라고 한다.

 이 용접법은 열 집중에 의한 균열과 변형이 적고, 기계적 성질이 좋으므로 알루미늄, 마그네슘, 구리, 합금강, 스테인리스강 등의 용접에 널리 이용되고 있다.

 

(5) 아크 절단

  아크 절단은 아크 용접보다도 높은 대전류를 사용하며, 탄소 아크 절단, 금속아크 절단, 산소 아크 절단 등이 있다.

 

(6) 용접 이음의 형식

 용접 이음의 기본 형식은 모재의 배치 방식에 따라 아래 그림과 같이 맞대기 이음, 겹치기 이음으로 나뉘게 된다.

    (a) 맞대기 이음      (b) 모서리 이음     (c) 변두리 이음         (d) 겹치기 이음                               (e) T형 이음

 

6. 축에 관한 기계 요소

  회전 운동을 위하여 동력 또는 운동을 전달하는 기구에는 축(shaft)이 사용되는데, 일반적으로 2개 이상의 베어링(bearing)으로 지지되어 있다. 긴 축이 필요할 때에는 축 이음(shaft coupling)을 사용하고, 회전 중에 동력의 전달을 끊거나 연결하고자 할 때에는 클러치(clutch)를 사용한다.

 

(1) 축과 축 이음

 ① 축

  축의 단면은 일반적으로 원형이며, 사각 단면이나 육각 단면도 사용되고 있다. 또 축에는 속이 찬 축(solid shaft)과 속이 빈 축(hollow shaft)이 있다.

 ② 축의 종류 

축은 보통 다음과 같이 분류하고 있다.

(ㄱ) 작용하는 힘에 의한 분류 : 차축, 스핀들, 전동축

      (a) 스핀들축          (b) 크랭크축             (c) 휨 축              (ㄴ) 모양에 따른 분류: 직선 축, 크랭크축, 플렉시블축
 ③ 축 이음

 축의 길이는 그 재료의 길이 또는 공작상의 사정으로 제한을 받으므로 긴 축을 필요로 할 때에는 몇 개의 축을 이어야 한다. 또, 원동기에 의하여 다른 기계를 구동하는 경우 그 두 축을 연결해 줄 필요가 있다. 이와 같이, 2개의 축을 연결하고 동력을 전달하는 데 사용하는 기계 요소를 축 이음이라 한다.  

       (a) 플랜지 커플링           (b) 슬리브 커플링              (c) 자재 축 이음     

   (2) 클 러 치

  축과 축 사이에 힘을 전달하기도 하고, 단속이 필요할 경우에는 두 축을 운전 중에 간단히 결합, 분리시킬 수 있다. 이러한 목적으로 사용되는 기계 요소를 클러치(clutch)라 한다. 클러치는 자동차, 공작 기계나 건설 기계 등의 속도 변환 장치에 쓰인다.

 

① 맞물림 클러치

 맞물림 클러치(claw clutch)는 서로 물리는 턱을 가진 플랜지를 축의 끝에 끼우고, 종동축을 축방향으로 이동할 수 있게 하여 턱이 물리기도 하고 떨어질 수도 있게 만든 클러치를 맞물림 클러치라 한다.

 

     (a)  맞물림 클러치        (b) 마찰 클러치

 

  ② 마찰 클러치

  마찰 클러치(friction clutch)는 접촉면의 마찰에 의하여 회전을 전달하는 것으로, 모양에 따라 접촉면이 1개인 단판식과 여러 개인 다판식 클러치가 있다. 마찰 클러치는 회전 중에도 착탈 작용이 이루어지며, 또 일정 이상의 하중이 걸릴 때에는 마찰 면이 미끄러져 무리하게 힘을 전달하는 것을 막아 줌으로써 안전 장치의 역할도 한다.

 

(3) 베 어 링  

  회전축의 마찰 저항을 적게 하며, 축에 작용하는 하중을 지지하는 기계 요소를 베어링(bearing)이라 하고, 베어링과 접촉하고 있는 축의 부분을 저널(journal)이라고 한다. 베어링의 종류는 베어링과 저널의 접촉 상태에 따라 미끄럼 베어링과 구름 베어링으로 구분하고, 하중의 방향에 따라 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 분류한다.

 

 

① 미끄럼 베어링

  축과 베어링의 면이 직접 접촉하여 미끄럼 운동을 하는 베어링을 미끄럼 베어링(sliding bearing)이라 하며, 평면 베어링(plain bearing)이라고도 한다. 베어링 재료는 보통 화이트 메탈, 청동, 인청동, 주철이 사용된다. 지름이 큰 베어링은 베어링 메탈을 2개로 분할한 레이디얼 베어링을 사용하는 것이 편리하다. 최근에는 전동기의 베어링으로 다공질의 베어링 메탈에 기름이 배어 있는 오일리스 베어링(oilless bearing)을 사용한다. 스러스트 미끄럼 베어링에는 같은 수직 축에 사용하는 피벗 저널(pivot journal) 베어링과 수평축에 쓰이는 컬러 저널(collar journal) 베어링의 두 가지가 있다.

 ② 구름 베어링

  내륜과 외륜 사이에 롤러(roller)나 볼(ball)을 넣어 마찰력을 적게 하여 구름 운동을 하는 베어링이다. 구조는 내륜(inner race)과 외륜(outer race) 및 볼, 리테이너(retainer)의 네 부분으로 구성되며, 리테이너는 볼을 원주에 고르게 배치하여 상호간의 접촉을 피하고, 마멸과 소음을 방지하는 구실을 한다. 볼의 배열에 따라 단열(single row)과 복렬(double row)이 있으며, 전동체에 따라 볼 베어링(ball bearing)과 롤러 베어링(roller bearing)이 있다. 구름 베어링 역시 하중의 방식에 따라 레이디얼 구름 베어링, 스러스트 구름 베어링, 복합 베어링 등으로 나눈다.

 

7. 스프링, 완충 장치 및 브레이크

  스프링, 고무 등의 기계 요소는 운동이나 압력을 억제하고 진동과 충격을 완화시키며, 에너지를 축적하거나 그 변형으로 힘을 측정하는 데에도 쓰인다. 완충 장치에는 스프링, 고무 이외에 기름, 공기를 이용하기도 한다.

  또, 운동을 감속시키거나 정지시킬 필요가 있을 때에는 기계 부분의 운동에너지를 열 에너지나 전기에너지 등으로 바꾸어 흡수하는 브레이크(brake)를 주로 사용한다.

(1) 스프링

  스프링(spring)의 재료로는 강, 인청동, 스테인리스강, 고무, 합성 수지, 유체 등이 사용되며, 재료에 따라 금속 스프링과 비금속 스프링으로 나뉜다. 스프링은 모양에 따라 다음과 같이 분류한다.

 

 ① 코일 스프링

 코일 스프링(coiled spring)은 단면이 둥글거나 각이 진 봉재를 코일형으로 감은 것으로, 용도에 따라 인장, 압축, 비틀림용으로 분류된다. 일반적으로 원통 코일 스프링이 가장 많이 사용된다.

 ② 판 스프링  

  판 스프링(plate spring)은 길고 얇은 판으로 하중을 지지하도록 한 것으로 판을 여러 장 겹친 것을 겹판 스프링이라 한다. 겹판 스프링은 에너지 흡수 능력이 크고, 스프링 작용 외에 구조용 부재로서의 기능을 겸하고 있으며, 재료 가공이 쉬우므로 자동차 현가용으로 사용된다. 그림은 겹판 스프링(laminated spring)을 나타낸 것이다.

 

(2) 완충장치  

 기계가 받은 진동이나 충격을 완화하기 위한 것으로, 금속 스프링 외에 고무, 스펀지 등의 비금속 재료를 사용하거나 기름, 공기 등을 매개체로 사용하는 것도 있다.

 ① 링 스프링 완충기 : 그림의 (a)와 같이 하중의 변화에 따라 내외 스프링이 접촉하여 생기는 마찰로 에너지를 흡수하도록 한 것이다

 ② 고무 완충기 : 그림의 (b)는 고무 완충기로, 고무가 압축되어 변형될 때 에너지를 흡수하도록 한 것이다.

 ③ 유압 댐퍼 : 그림의 (c)와 같이 축 방향에 하중이 작용하면 피스톤이 이동하여 작은 구멍인 오리피스로 기름이 유출되면서 진동을 감소시킨다. 주로 자동차용 보조 완충 장치로 쓰이며, 쇼크 업소버(shock absorber)라고도 한다.

 ④ 공기 스프링 : 그림의 (d)는 고무 주머니에 채운 압축 공기의 탄력에 의해 완충 작용을 한다. 이 장치는 압축 공기량을 조절하는 자동 조정장치가 있어 적재량의 다소에 관계없이  차체를 일정한 높이로 유지할 수 있게 되어 있다. 대형 자동차와 철도 차량에 많이 쓰인다.

 

(3) 브레이크  

  브레이크(brake)는 기계의 운동 속도를 감소시키거나 그 운동을 정지시키기 위하여 사용되며, 마찰에 의하여 운동에너지를 흡수하는 마찰 브레이크(friction brake)가 널리 쓰인다. 제동부의 조작은 인력, 증기력, 압축공기, 유압, 전자력 등을 이용한다.

 

 ① 블록 브레이크(block brake) : 회전축에 고정시킨 브레이크 드럼에 브레이크 블록을 눌러 그 마찰력에 의해 제동되며, 블록의 수에 따라 단식 블록 브레이크(single block brake)와 복식 블록 브레이크(double block brake)가 있다.

② 밴드 브레이크(band brake) : 브레이크 드럼 주위에 강철밴드를 감아 놓고 레버로 밴드를 잡아당겨 밴드와 브레이크 드럼 사이에 마찰력을 발생시켜서 제동하는 브레이크이다.

 

8. 관에 관한 기계 요소

  관(pipe)은 주로 물, 기름, 증기, 가스 등의 유체를 수송하는 데 쓰인다. 관을 연결하거나 방향을 바꾸려면 관 이음쇠가 필요하며, 유체의 흐름을 조절하거나 정지시키기 위해서는 밸브(valve)나 콕(cook)이 필요하다. 또, 관은 구조물의 부재나 전선의 보호관으로도 사용된다.

 

(1) 관의 종류

 관은 재질에 따라 강관, 주철관, 구리관, 황동관, 알루미늄관, 연관, PVC관 등이 있다. 또, 필요에 따라 콘크리트관, 염화비닐관 등이 사용되며, 사용 목적에 따라 수도용, 압력 배관용, 열 교환기용, 구조용 등으로 구분된다.

 

(2) 관이음

 관 이음쇠의 재질은 관의 재질에 따라 정해지며, 종류는 사용 목적에 따라 다르다.

 ① 나사식 관 이음쇠 : 각종 배관 공사에 이용되며, 관 끝에 관용 나사를 절삭하고 적당한 이음쇠를 사용하여 결합하는 것으로, 누설을 방지하기 위하여 콤파운드나 테프론 테이프를 감아 결합한다. 재료는 가단 주철, 주강, 스테인리스강, 구리 합금 및 PVC 등이 있다. 아래 그림은 나사식 관 이음쇠의 종류를 나타낸 것이며, 그 크기는 사용 관의 호칭 지름으로 나타낸다.

  

 ② 플랜지 이음 :  관 끝에 플랜지를 만들어 결합하는 것으로, 관의 지름이 크거나 유체의 압력이 큰 경우에 사용되며, 가끔 분해 조립할 필요가 있을 때 사용한다.

 ③ 신축형 관 이음 : 고온의 유체를 수송하는 관 또는 기후의 변동이 심한 지역에 설치한 관은 열 변동에 따라 길이가 변화한다.  이러한 경우에 관의 중간에 신축형 관 이음을 하며, 진동원과 배관과의 완충이 필요한 경우에도 사용된다.

 

(3) 밸브와 콕

  유체의 유량과 흐름의 조절, 방향 전환, 압력의 조절 등에는 밸브나 콕을 사용한다. 소형으로 온도와 압력이 그리 높지 않을 때에는 청동을 사용하고, 고온, 고압에서는 단강을 사용한다. 대형에서는 온도와 압력에 따라 청동, 주철, 합금강 등이 사용한다.

 체크 밸브(check valve)는 유체를 한 방향으로만 흐르게 하기 위한 역류 방지용 밸브이다. 대부분은 외력을 사용하지 않고 유체 자체의 압력으로 조작된다. 그림과 같이 리프트 체크(lift check) 밸브와 스윙 체크(swing check) 밸브가 있다.

콕(cock)은 원통 또는 원뿔 플러그를 90˚ 회전시키면 완전히 막히거나 열리게 되어 있어 개폐 조작이 간단하다. 또, 콕은 정지 밸브보다 지름이 작아서 유량이 적고 저압일 때 사용한다. 그림의 (c)는 콕을 나타낸 것이다.

  
     (a) 리프트 체크        (b) 스윙 체크            (c) 콕     

 

9. 동력 전달 장치

  기계에서는 같은 양의 일을 할 때 단위 시간에 하는 일의 양을 동력(power)이라 한다. 기계에는 기어나 벨트와 같이 회전 운동에 의하여 동력을  전달하는 부분이 많다.

(1) 마찰차   

그림과 같이 원통형 또는 원뿔형의 바퀴를 축에 고정하고, 이것을 서로 밀어 붙여서 접촉면의 마찰력에 의하여 동력을 전달하는 것을 마찰차(friction wheel)라 한다. 마찰차는 주철, 강 등으로 만들고 있으나, 접촉면에 가죽, 경질 고무 등을 붙여서 마찰 계수를 크게 하면 전달 동력을 증가시킬 수 있다.
   (a) 원통 마찰차               (b) 원뿔 마찰차

 

(2) 기어 전동

  마찰차의 접촉면을 기준으로 하여 그 원주에 이를 만들어 깎여진 이가 차례로 물리면서 미끄럼 없이 동력을 전달시키는 기계 요소를 기어(gear)라 한다. 두 축이 평행하지 않을 때에도 회전을 확실하게 전달하고, 내구력이 큰 것이 특징이다. 기어는 회전 운동을 전달하는 두 축의 관계 위치와 이의 모양에 따라 여러 가지로 분류한다.

 

                                           (a) 스퍼 기어                    (b) 래크와 피니언                  (c) 내접 기어                       (d) 헬리컬 기어             (e) 2중 헬리컬 기어               (f) 직선 베벨 기어

  

                                          (g) 스파이럴 기어               (h) 하이포이드 기어              (i) 헬리컬 베벨기어                   (j) 나사 기어                           (k) 웜 기어

  

 (3) 벨트 전동

  동력을 전달하는 두 축 사이의 거리가 가까우면 기어나 마찰차 등으로 직접 접촉 에 의해 동력을 전달할 수 있으나 , 비교적 멀리 떨어져 있는 경우, 동력을 전달하려면 벨트를 사용한다. 가죽, 직물 또는 고무 등으로 만든 벨트로 2개의 바퀴를 감아  이들 사이의 마찰에 의하여 전동하는 장치를 벨트 전동 장치라 하고, 이 때의 바퀴를 벨트 풀리(belt pulley)라 한다. 벨트 전동은 벨트와 풀리 면과의 마찰력에 의하여 동력이 전달되므로 정확한 회전 수를 얻기 어려우나 , 과부하가 걸릴 때에는 안전하며 정숙한 운동을 하는 이점이 있다. 벨트는 형상에 따라 평벨트와 V벨트로 나눈다.

             

                            < 단차 >                                    < V벨트 전동 >                        < V벨트에 의한 무단 변속 장치 >

 ① 평벨트 전동

 일정한 회전수를 가진 원동축에서 벨트 전동에 의해 종동축에 전달하는 회전수를 변화시킬 필요가 있을 때에는 단차(stepped pulley)를 사용한다.

 

 ② V벨트 전동

  위 그림과 같이 V벨트를 V홈이 있는 풀리에 서로 걸어서 평행한 두 축 사이에 동력을 전달하고 회전수를 바꿔주는 장치를 V벨트 전동이라 한다. V벨트 전동은 V벨트와 홈 사이에서 쐐기 작용에 의하여 마찰력이 커지므로, 축 사이의 거리가 짧고 속도비가 클 때에도 미끄럼이 적게 일어난다. 위 그림 오른쪽은 V벨트를 응용한 무단 변속 장치이다.

 

③ 타이밍 벨트  

벨트의 이면에 일정한 피치의 홈이 있는 것으로, 기어와 유사한 벨트 풀리에 걸어 전동하게 되어 있다. 이것은 미끄럼이 없이 일정한 속도비를 얻을 수 있도록 되어있다.

 

 

④ 체인 전동 

 두 축 사이의 거리가 비교적 짧을 때의 전동 방법이며, 속도비가 확실하고 큰 동력을 전달할 수 있으나, 소음이 나기 쉽고 고속 운전에는 적합하지 않다. 체인 전동의 종류에는  링크 체인, 롤러 체인, 사일런트 체인 등이 있다.

              (a) 롤러 체인                                    (b) 사일런트 체인

 

(5) 캠 장치

  특수한 모양의 원동절을 종동절에 직접 접촉시켜, 회전 운동 또는 직선 운동을 주어 종동절에 필요한 주기적 운동을 시키는 기구를 캠 장치(cam train)라 하며, 특수한 모양의 원동절을 캠(cam)이라 한다. 캠에는 여러 가지가 있으나, 접촉부가 평면 운동을 하는 평면 캠(plane cam)과 입체적인 운동을 하는 입체 캠(solid cam)으로 나눌 수 있다.

① 평면 캠

그림 (a)에서 캠 C가 회전하면 종동절 F를 상하 운동시키며 이것을 판 캠(plane cam)이라 한다. 그림 (b)의 판 캠은 정면 캠(face cam)이라고도 하며, 캠의 정면에 만든 홈에 롤러를 끼워 고속도로 회전시킬 때에도 확실한 운동을 전달할 수 있도록 한  것이다. 이와 같이 종동절의 운동을 확실하게 한 캠을 확동 캠(positive motion cam)이라 한다.

   (a) 판 캠                         (b) 정면 캠

 

 ② 입체 캠

  

          (a) 원통 캠                     b) 원뿔 캠               (c) 구면 캠   (d) 엔드 캠   (e) 경사판 캠

  그림의 (a)는 원통 표면에 곡선의 홈을 만들고 여기에 끼운 종동절 F에 왕복 운동을 시키는 원통 캠이고 그림(b)는 원뿔 캠, 그림(c)는 구면 캠, 그림 (d)는 엔드 캠(end cam), 그림 (e)는 경사판 캠의 보기이다.