기계설계 - 개요

기계설계란 일정한 목적을 가진 기계를 제작하기 위한 필요한 모든 것을 계획하고 계산하여 최종적으로 도면을 작성하는 과정까지의 단계를 말한다. 따라서 도면은 기계설계의 최종적인 결과물로서 설계자의 모든 기획이나 의도등이 포함된 일종의 계획서이자 최종적으로 기계를 제작하기 위한 일종의 명령서이기도 하다.

 

1. 기계와 기계설계

 

1. 기계요소

 

공업(engineering)은 인간에게 유익하도록 자원과 자연법칙을 활용하는 것이며, 자연법칙을 이해하고 어떤 정해진 목적에 응용하기 때문에 응용과학의 한 분야이다. 기계설계 공학은 모든 종류의 기계와 기계장치의 개념, 설계, 개발응용을 다루기 때문에 공업의 중요한 부분이라 할 수 있다.

 

기계(machine)란 저항력이 있는 물체가 조합되어 구성된 각 부분품이 어떤 한정된 상대운동을 하면서 외부로부터 에너지를 받아들여 사람에게 유용한 기계적 일을 하는 것을 말한다. 한정된 상대운동을 하지 않는다는 점에서 공구(tool)와 구별되고, 외부로부터 받은 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 것이 목적이 아니고 단순히 사람의 지감을 보조한다는 점에서 기구(instrument)와 구별된다.

 

아무리 복잡한 기계라도 이것을 분해해 보면 몇 개의 같은 종류의 기계 부분품으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 기계 부분품을 기계요소(machine elements)라 하며, 기계는 기계요소를 적절히 조합하여 만들어진다.

 

나사, 축, 기어와 같은 기계요소는 각각의 설계법에 따라 만들어지기 때문에 기계요소 설계에 관한 지식을 습득해야 하고, 볼트, 너트, 볼 베어링과 같은 기계요소는 전문 제작회사에서 규격대로 만들어져 나오므로, 그 규격이 어떻게 제정되었나를 알고 그 적용법을 습득하는 것이 기계설계의 기본이 된다.

 

2. 기계설계

 

기계를 훌륭하게 설계하려면 기초적인 지식에서 전문적, 응용력 있는 지식에 이르는 넓은 범위에 걸친 경험과 지식이 풍부할수록 좋으며, 나날이 개발되는 과학기술의 새로운 지식을 끊임없이 흡수, 응용함으로써 기능적으로 충분하고 사용하기에 편리하며, 미관상 아름다운 기계를 설계할 수 있게 해야 한다.

 

기계는 항상 설계도면에 의하여 만들어진다. 기계설계란 제작하고자 하는 기계의 필요한 모든 도면을 작성하기까지의 과정을 말한다. 기계제작에 필요한 도면을 마련하기 위하여 기계의 모양, 크기, 재료 등 필요한 사항을 결정해야 하고, 설계가 완료되었다는 것은 이 모든 사항이 도면 위에 표현되었음을 말한다. 따라서, 도면은 설계자의 의도를 표현하는 수단으로서 기계제작을 위한 상세한 설명서가 되며 기계제작을 위한 명령서이다.

 

설계는 아래 그림과 같은 수순에 따라 이루어져야 한다. 사회나 국가에서 요구가 인식되고 설계능력의 검토, 기술실적의 조회, 문제의 비교정리, 기술자료의 조사와 분석, 창조성의 도입으로 문제를 정의하여 설계하면서 총합, 분석, 최적화의 과정을 거쳐 설계수준을 시험, 평가하며 설계도면과 지시서로써 발표하여 의사를 전달한다.

 

<그림 - 기계설계의 수순>

 

기계설계를 할 때 유의해야 할 사항은 다음과 같다.

① 기구는 사용목적에 맞도록 간단하고 확실한 동작과 조정, 수리, 운반이 편리해야 한다.

② 강도는 충분한 신뢰성을 갖고, 기계는 경량 · 소형으로 수명이 길어야 한다.

③ 효율이 좋고 취급이 용이해야 한다.

④ 제작비가 적고 경제적 가치가 커야 한다.

⑤ 외관이 아름답고 상품가치가 높아야 한다.

기계요소와 기계를 설계하거나 개발하는데는 주로 기술적, 경제적 고려가 크게 작용하였다. 그러나 현대 공학자는 안전(safety), 생태학(ecology)과 삶의 질(quality of life)에 더 많은 관심을 가져야 할 것이다.

 

2. 설계할 때 고려사항

 

공학설계에는 수많은 고려사항이 있으며 이것들을 적절하게 반영시키는 것이 공학자가 해야 할 일이다. 간단한 표로 나타낸다는 것이 무리일지 모르나 어느 정도 도움을 줄 수 있기 때문에 아래에 열거한다.

 

1. 기존의 고려사항

 

1) 부품자체

① 강도(strength)

② 처짐(deflection)

③ 무게(weight)

④ 크기와 모양(shape)

 

2)부품표면

① 마모(wear)

② 윤활(lubrication)

③ 부식(corrosion)

④ 마찰력(frictional force)

⑤ 마찰열(frictional heat)

 

3)비용

 

2. 현재의 고려사항

 

1)안전

2)생태학(오염, 자원보존, 소음)

3)삶의 질

 

3. 기타 고려사항

 

1) 신뢰성(reliability)과 지속성(maintainability)

2) 미학(aesthecics)