기계설계를 하면서 꼭 검토하여야 하는 것 중 하나가 공차입니다. 공차란, 가공품이나 요소품들의 기준 치수와 형상에 대하여 치수 허용오차에 대해서 표현한 것입니다. 즉, 도면에 표기하는 공차로 인정되는 오차 범위를 말합니다. 축, 구멍, 베어링의 공차에 대해서 알아보겠습니다.
공차의 개념과 필요한 이유
기계설계에서는 공차는 중요한 개념 중 하나입니다. 공차는 부품의 치수와 허용공차를 나타내는 것으로, 가공품 등을 제조하면서 불환전한 정확성, 변형을 고려하여 설계되는 필수적인 요소 중 하나이며, 부품과 부품 사이의 상호작용과 조립 및 원하는 설계의 기능성과 신뢰성 등과 관련되어 있습니다. 설계를 하다 보면 여러 부품이 상호작용하여 작동하는 기계 시스템에서는 도면 치수와 완성된 형상의 치수가 정확히 일치하기 어렵습니다. 제조 공정의 한계와 재품의 재질 물성 등으로 인하여 오차가 발생할 수 있습니다. 따라서, 상호 작용하는 부품끼리 적절한 맞춤 공차를 주어서 원활하게 작동하도록 설계를 하여야 합니다. 추가로 조립을 하다 보면 위치공차, 공간공차, 형상공차가 발생되는데 이는 조립할 때 발생하는 오차와 변동을 의미합니다.
위치공차는 설계자의 의도대로 원하는 위치에 있어야 하는 공차이며, 부품의 중심, 평면, 축 등의 위치와 관련된 오차입니다.
공간공차는 부품과 부품사이의 공간 공차를 의미하며, 부품들 간의 간격, 각도, 평행, 수직과 관련된 오차입니다.
형상공차는 부품의 형상에 관한 오차를 의미하며, 곡률, 평면, 직선, 평행과 관련된 공차입니다.
이렇듯, 조립공차는 각 부품을 설계하면서 동시에 제조 공정과 허용 오차 범위를 확인하여 적절한 공차값을 설정 후 설계하여야 합니다. 하지만 제조 공정의 한계와 비용도 같이 고려하여야 합니다. 제조 과정에서 도면에 표시한 공차대로 완벽하게 제조할 수 있지만, 공차가 타이트하면 비용 또한 비례적으로 같이 상승하여 적당한 공차값을 검토하여 적용하여야 합니다. 설계자가 원하는 설계의 허용 범위 내에서 적절한 공차를 설정을 하여서 제조 비용을 최소화하는 것이 현명한 설계 방법입니다.
축과 구멍의 공차
축과 구멍의 공차는 정확한 조립과 상호작용을 위해 중요한 요소이며, 축 공차는 회전축의 치수와 형상의 공차를 의미하며, 구멍 공차는 축이 들어갈 구멍의 치수와 형사의 오차를 말합니다.
축 공차는 회전축의 직경, 길이, 진원도, 원통도 등 의 오차를 말하며, 축의 정확한 회전과 부품 간의 맞물림을 위해 축 공차가 정해져야 합니다. 축의 공차는 주로 축의 직경에 대해 공차로 표현되고, 일반적으로 IT(International Tolerance) 등급을 사용하여 정의합니다. 일반적으로 축의 공차는 대문자로 표기하며, 대문자는 축의 크기를 표기합니다. 가장 일반적으로 사용하는 공차 기호는 "H"입니다. 대문자 "H"뒤에 붙는 숫자는 축의 크기에 대한 표기이며, 숫자가 크면 축이 커지고 작으면 축이 작아집니다.
구멍 공차는 축이 들어가는 곳의 구멍의 크기, 진원도, 평면도 등의 오차를 말하며, 축과의 맞물림과 조립의 용이성을 고려하여 적당한 공차를 적용하여야 합니다. 축 공차와 마찬가지로 직경에 대한 공차로 표현되고, IT 등급을 사용하여 정의합니다. 일반적으로 구멍의 공차는 소문자로 표기하며, 소문자는 해당 구멍의 크기를 표기합니다. 가장 일반적으로 사용하는 공차 기호는 "h"입니다. 소문자 "h"뒤에 붙는 숫자는 구멍의 크기에 대한 표기이며, 숫자가 크면 구멍이 커지고 작으면 구멍이 작아집니다.
소문자공차와 대문자공차를 조합하여 끼워 맞춤 공차를 표기할 수 있습니다. 예를 들어, H7, g6공차는 구멍은 H7공차에 맞게 가공하고, 축은 g6 공차에 맞게 가공하여 두 부품이 서로 맞물리는 것을 의미합니다. 이렇게 축과 공차가 서로 상용하여 작용한다면, 공차를 검토하여 설계에 반영하여야 합니다.
베어링의 기능과 공차
베어링은 회전하는 축과 구멍 사이에서 움직이는 부품으로 사용되고 있으며, 마찰을 최소화하고 회전운동을 원활하게 전달하기 위하여 사용합니다. 주로 회전축이나 샤프트를 지지, 하중 지탱, 마찰 감소, 진동 및 충격 흡수를 위해 사용됩니다. 회전축을 지지하고 회전 운동을 원활하게 전달하여서 부품들이 자유롭게 회전할 수 있도록 해주며, 외부로 부터 발생하는 하중을 효과적으로 지탱하여서 안정적으로 작동할 수 있도록 해줍니다. 축과 구멍 사이에서 하중을 분산시켜 부품의 수명을 연장시키는 역할도 합니다. 또한, 축과 구멍 사이의 마찰을 최소화하여 기계 작동의 효율성과 성능을 향상하고 회전 중 발생하는 진동과 충격들을 베어링이 흡수하여서 외부로 전달되는 것도 방지하는 역할 하여 안정성을 유지하는 역할을 합니다. 베어링의 종류에는 크게 볼 베어링, 롤러 베어링, 스러스트 베어링, 테이퍼 롤러 베어링 등이 있으며, 각 종류의 베어링마다 특성이 있어 사용 용도가 다르므로 하중방향, 회전 속도, 주변 환경, 정밀도 등 다양한 조건에 맞게 사용하여야 합니다.
베어링 공차는 베어링의 크기와 정밀도를 조절하여 다양한 조립 조건에 맞게 설계되고, 축과 구멍 사이에서 움직일 때 적절한 허용 오차를 가지도록 보장하여야 올바르게 동작을 하며 수명 또한 길어지게 됩니다. 베어링 공차는 일반적으로 외경 공차와 내경 공차로 구분합니다. 베어링 공차 표기에는 IT표기 체계에 사용되는 "k", "M"이 있습니다.
외경 공차는 베어링의 외경에 대한 공차이며, "k" 다음으로 오는 숫자는 공차 범위를 의미하고, 작을수록 베어링의 외경이 작아집니다.
내경 공차는 베어링의 내경에 대한 공차이며, "M" 다음에 오는 숫자는 공차 범위를 의미하고, 작을수록 베어링의 내경이 작아집니다.
따라서, 베어링의 공차를 잘못 설계하면 기계 성능, 신뢰성, 수명 등 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 공차를 확인하여 올바른 설계를 하는 것이 매우 중요합니다.
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