1. 기계설계 원리[1]

1.1 기계설계의 원리

기계설계는 기계적 자연의 구상과 시스템의 설계, 즉 기계, 생산품, 구조물 장치, 그리고 계측기 등의 설계를 하게 된다. 기계설계학(MECHANICAL ENGINEERING DESIGN)이라고하면 기계공학 전 항목에 걸치는 넓은 분야의 모든 기계적 설계를 의미하게되고 기계를 설계 제작하기 위하여 필요한 지식, 기계에 관한 구체적인 지식 및 특징 그리고 경험등을 토대로하여 기획을 추진하게된다.설계의 본질은 결정이고, 창조이고, 총합이며 최상해의 추구라고 말 할 수 있다. 현대는 기계의 개선 및 창조적 개발과 더불어 전 설계능력을 총합하는 시대에 와 있다고 보겠다. 기계설계는 공학설계(ENGINEERING DESIGN)에 속하며 이 공학설계의 과정과 원리는 다음 그림 1-1과 같이 6단계의 블럭 총도로 표시될 수 있다.①필요,요구의 인식(RECOGNITION OF NEED) ②설계의 창조(CREATE A DESIGN)③모델의 준비(PREPARE A MODEL)④모델의 시험 및 평가(TEST & EVALUATE THE MODEL)⑤설계의 개선(IMPROVE THE DESIGN)⑥설계의 의사전달(COMMUNICATE THE DESIGN) 이 설계 시스템에 의하여 다시 기계설계를 고찰하면 그림 1-2와 같은 설계의 상(PHASES)과 수순으로 표현할 수 있다. 즉 사회적 요구나 국가적 프로젝트 및 세계적 경향에서 요구의 인식을 새롭게 하고, 이들 요구를 구상화하는 설계에서 면저 문제의 해명, 명확화가 이루어져야 한다. 명확화는 요구사하에 대한 설계능력의 검토, 기술실적과의 조회, 비교에 의한 문제의 정리, 기술재료의 수집조사에 의한 분석 또는 창조성 도입의 정도 등을 명확하게 정의하는 것이다.

1.2 총합과 해석

총합(SYNTHESIS)은 공학적 설계에서 요구하는 기능이 개념으로서, 유상적 언어 표현으로 주어지고, 이 기능을 만족하는 기계의 구체적 구조를 결정하는것을 뜻한다. 이에 대비하여 해석(ANALYSIS)의 경우는 기계 또는 구 부분의 구체적 구조가 주어지고, 그 특성 및 성능을 알아내는 것이므로 객관적 진리로서 결과가 얻어진다. 공학적 총합과 공학적 해석을 비교하면 표 1-1과 같이 출발점과 목적이 서로 반대로 되저이며 기계는 총합의 소산이고 해석에 의하여 심화된 인식은 새로은 설계에 반영된다. 총합은 구상화의 사고, 도시화(MODELING)의 사고이며 필요, 요구에 기초를 둔 문제를 구체화하는 연구이다. 이들 수집조사에 의하여 얻어진 가능성 있는 해를 평가, 기록하여 최선의 해를 얻기 위한 사고가 설계에서의 총합의 구체적 작업이다. 총합에 의하여 설계를 성공으로 연결할 수 있고, 최선의 해를 얻도록 노력하여야 한다. 기능과 구조에 있어서는 현대의 복잡한 기계나 그 시스템을 설계 할 때는 기능과 구조를 각각의 분야로 나우어서 검토하고 시스템 설계를 도입하여 총합을 진행하는 일도 많아졌다. 그리고 총합의 진행중에 지금까지의 총합의 순서를 역전, 사고의역전을 시도하여 유효한 해를 얻을 수 있다. 해석과 최상화의 단계에 있어서 해석은 기능과 구조를 계산하고 분석하며 최상설계는 제약적 조건하에서 자적함수를 최대 또는 최소가 되도록 설계하는 것으로 일종의 의지결정의 공학적 방볍이 된다. 최상수법으 구사하여 기능설계가 완료되면 구조설계에 이행하여 강도, 조도, 진동등의 구조부분에 대한 최상설계를 적요하여 해성을 행한다. 복잡하고 큰 시스템은 각 부분의 최상설계가 시스템 전체의 최상을 가자요지 않는 수가 많으므로 시스템 전체의 최상을 자져오지 않는 수가 많으므로 시스템 전체의 최상화 설계를 고려하여야 할 것이다. 설계는 기능 및 구조설계 뿐만아니라 공해, 소음, 안전, 인간과의 관계(인간공학적 설계)도 유의해야 하고 마모, 부식, 생명 등에 대해서도 분석할 필요가 있다. 이와 같은 많은 설계 요인(FACTOR)들을 해석함과 동시에 가격 및 생산에 관한 경제적 고려도 해야 한다. 기계 설계의 내용은 기능설계, 강도설계, 강성설계, 진동설계, 생산설계 및 의상설계로 대별 할 수 있지만 일반적인 고려사항을 열거하면 다음과 같다.①기계의 구조는 그 사용 목적에 맞도록 간단하고 동작이 확실히 행해져야 하며 구조와 모양은 조립과 수리가 용이하고 또 운반에도 편리하게 되어야 한다. ②기계 각부의 강도는 충분히 신뢰성이 있어야 하며 기계는 될 수 있는대로 경량, 소형으로서 사용 수명이 길어야 한다.③효율이 좋고 유지비가 적어야 하며 취급에 위험이 없고 편리하게 되어야 한다.④제작비가 될 수 있는대로 저렴하여야 하고 경제적 가치가 있어야한다. ⑤외관 및 디자인이 좋고 삼품가치가 높아야 한다.