[기계공학] 강도설계와 강성설계의 차이점

재료의 특성(Property)중 강도와 강성이 있습니다.

 

강도란?

강도는(strength) 외력이 가해졌을때 파괴되는 힘을 말합니다. 즉, 단위면적당 힘으로 표기하는데 응력(Stress)이라고 하죠.

 

인장력, 압축력, 전단력이 있으며 이에 대해 견디는 재료의 인장강도, 압축강도, 전단강도 등이 있습니다. 축을 눌렀을때 가해지는 굽힘모멘트(Bending Moment)에 저항하는 굽힘강도도 있고 비틀었을때(Torsion) 저항하는 비틀림강도도 있습니다.

 

강성이란?

다음으로 강성(Stiffness, Rigidity)이라는 개념은 재료가 변형에 견디는 힘을 말합니다. 어떤 재료가 외력을 받았을 때 강성이 약하면 크게 병형되며 크면 작게 변형이 발생합니다

 

엔지니어들이 설계를 할 때는 항상 강도와 강성을 동시에 생각합니다. 강도가 충분히 제품의 성능보장을 할 수 있도록 설계해도 강성이 작으면 제 역할을 할 수가 없지요.

 

강도설계와 강성설계란?

다음 축의 강도설계와 강성설계에 대한 예시를 보여주며 설명드리겠습니다.

 

강성설계는 어떤 힘을 받았을 때 변화하는 정도를 예측하여 그 이상 변화하지 못하도록 하기위해 하는 설계입니다. 강성설계에 대해 설명을 드리기 전에 바하의 축공식에 대해 설명드리겠습니다. 축의 길이 1m에 대하여 0.25도 이내에 있도록 설계하여야 한다는 이론입니다.

 

축의 비틀림각이 크면 기계적 불균형이 생기므로 확실한 전동을 요하는 축에 있어서 축의 비틀림각을 제한하여 설계하여야 한다. 비틀림강성의 식은 이것이고 여기서 극 단면 2차 모멘트는 이것이고 이것을 통해 반지름의 크기를 구할 수 있습니다. 여기서 G는 재료의 전단탄성계수입니다.

 

일반적으로 강성의 제한조건을 만족하는 축은 강도도 충분하므로 축설계에서는 먼저 강성의 조건하에서 설계한 후 강도를 검토하도록 하여야 하며 축의 설계에 있어서 고려할 사항은 다음과 같습니다.

 

굽힘강성의 경우에 대해 설명드리겠습니다. 처짐이 어느 한도를 넘어면 베어링 압력의 불균일, 베어링 틈새의 불균일, 기어의 물림상태의 이상 등이 일어나게 됩니다. 이런것을 방지하기 위해 설계를 통해 해결할 수 있습니다.

 

저는 이 한 경우에 대해서만 설명 드리겠습니다. 축이 양쪽이 지지를 받고 중앙에 어떤 힘을 받았을 때의 처짐량을 계산하는 것인데 여기서 I는 단면2차 모멘트입니다. 그리고 E는 종탄성계수입니다. 이를 통해 기준치 이상의 처짐이 발생하지 않도록 설계할 수 있습니다.

 

굽힘의 경우 중립면에 대하여 거리가 멀수록 그 부분에서 인장/압축응력이 모멘트에 기여하는 바가 커집니다. 단면에서 중립면은 직선으로 나타납니다. 이 중립면(직선)에 대한 거리의 제곱을 면적으로 적분한 것이 단면2차모멘트입니다.

 

비틀림의 경우 중심축에서 먼 곳의 힘들이 비틀림모멘트에 더 많이 기여합니다. 따라서 이때 사용되는 것이 중심축으로부터의 거리의 제곱을 면적으로 적분한 극모멘트가 사용됩니다.

 

강성설계와 강도설계의 차이점

코일스프링 끝에 추를 매달면 추의 무게에 따라 스프링은 처집니다. 추가 무거울수록 더 많이 처지겠지요. 그리고 스프링이 받는 힘이 너무 크면 스프링이 부러집니다. 스프링이 부러지지 않는 추의 무게를 계산하여 적당히 스프링의 굵기와 형상을 설계한다면 이것은 강도설계입니다.

 

스프링 끝에 추가 매달려 있을 때 추를 아래로 당겼다 놓으면 추는 진동합니다. 이때 진동하는 진동수는 추의 무게와 스프링의 탄성계수에 관련이 있습니다. 특정한 진동수로 또는 특정한 진동수보다 높게 또는 낮게 설계하고자 한다면 추의 무게와 스프링의 탄성계수를 조절해야 합니다. 이것이 강성설계입니다.

 

움직임이 없는 정적인 구조물인 경우에는 강도설계만으로 충분합니다. 하지만 가진을 받는 구조물의 경우 강도뿐만 아니라 강성조건도 만족해야 합니다. 자동차의 경우 가진은 엔진의 진동과 주행 중 바퀴를 따라 전달되는 노면으로부터의 힘이 있습니다. 이 경우를 본다면 엔진의 진동이 자동차의 차체로 전달되는 것을 최소화하여야 승차감이 좋고 내구성도 증가합니다.

 

진동의 전달이 최소화되기 위해서는 감쇄가 큰 재료를 사용하기도 하겠지만 또한 차체와 연결부분의 강성을 적절히 조절해서 진동이 전달되지 않도록 합니다. 이것 역시 강성설계입니다.

 

어떠한 기계장치를 설계할때 예를 들어 프레임이 굽힘을 받거나 비틀림등의 복합하중을 받을때 주응력등을 고려하여 최대 인장강도, 전단강도 보다 안전율고려하여 작게 되도록 재질을 선정하고 강판의 두께를 결정합니다. 이에 더하여 변형을 어느정도로 허용할건지에 대해서도 고려를 하지요.

 

강도 설계를 위해 6mm로 했다면 이 강판은 고려된 복합하중이 가해져도 파괴되지 않으나 허용된변형량보다 크다면 두께를 늘려야하는거지요. 이러한 설계과정에는 비용적인 부분(Cost Engineering)과 차량의 전체적인 Balance(중량등)의 여러 사항들이 복합적으로 고려 되어야 하겠죠.