개념 한 쪽
전동용 기계요소로 쓰이는 벨트와 체인은 동력을 전달하는 기본 수단이므로 각 방식의 특징과 적용 조건, 대표 계산식을 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「벨트, 체인, 로프」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 체인 전동 특징 판별 | 1 | 체인 전동의 장단점과 고속 적합성 판단 |
| 벨트 장력 비율·초기장력 계산 | 1 | 유효장력과 초기장력의 비례 관계 적용 계산 |
| 벨트 형식 비교 | 1 | V벨트와 평벨트의 특성 차이로 적합한 용도 가리기 |
벨트 전동은 벨트의 유연성으로 축 정렬 오차에 강하므로 축이 완벽하게 평행하지 않아도 적용할 수 있는 장점을 가진다. 반면 벨트는 미끄러짐이 발생할 수 있어 정확한 회전수 전달에는 부적합하고, 윤활이 필요하지 않아 청결한 환경에 유리하다. V-벨트는 측면 마찰을 이용하여 평벨트보다 큰 마찰력을 내므로 짧은 축간거리나 큰 속도비 전달에 적합하다. 평벨트는 고속·장거리에서 효율이 좋다.
체인 전동은 체인과 스프로켓의 치합으로 동력을 전달하므로 미끄러짐이 없고 효율이 높아 큰 동력을 전달하기에 적합하다. 그러나 치합에 따른 충격과 링크 간 마찰로 인해 진동과 소음이 발생하므로 고속 회전에 부적합하다. 체인은 내열·내유성 등 환경적 강점이 있어 산업 현장에서 널리 사용된다.
벨트 전동의 설계와 계산에서 중요한 물리량으로는 긴장측 장력과 이완측 장력, 초기장력, 유효장력(장력차), 장력비 등이 있으며, 전달 동력은 장력차와 벨트 속도의 곱으로 구한다. 벨트의 길이는 축간거리와 풀리 지름에 따라 기하학적 공식으로 계산하므로 단위를 통일하여 적용해야 한다.
전반적으로 문제 해결 시에는 전달 방식별 핵심 키워드를 떠올리는 것이 유리하다. 예를 들어 벨트 전동은 '정렬 오차 허용'과 '미끄러짐 가능성', V-벨트는 '마찰력↑·축간거리↓·속도비↑', 체인은 '미끄러짐 없음·큰 힘·소음·저속 적합'의 조합으로 기억한다.
1) 초기장력과 유효장력 관계 예시를 보인다. 문제 조건에 따라 초기장력 T0는 긴장측 장력 T1과 이완측 장력 T2의 평균 T0 = (T1 + T2)/2로 정의하고 유효장력 P는 T1 - T2로 정의한다. 장력비가 약 2일 때 설계 경험칙으로 초기장력은 유효장력의 약 1.5배가 되도록 설정한다.
2) 전달 동력 계산 예시를 보인다. 긴장측 장력 1215N, 이완측 장력 510N, 벨트 속도 4m/s일 때 장력차는 705N이므로 전달 동력은 705N × 4m/s = 2820W = 2.82kW가 된다.
3) 평벨트 길이 계산 예시를 보인다. 축간거리 C=5m(500cm), 큰 풀리 지름 D=450mm(45cm), 작은 풀리 지름 d=150mm(15cm)을 공식 L = 2C + (π/2)(D + d) + (1/4C)(D - d)^2에 대입하면 약 1095cm가 나온다.
4) 허용인장응력을 이용한 최대동력 예시를 보인다. 벨트 단면 5mm×80mm, 허용인장응력 2MPa인 경우 최대 장력 T1 = 단면적×허용응력 = 400mm^2 × 2N/mm^2 = 800N이 되고 장력비 2일 때 장력차는 400N이며 속도 7.5m/s에서 전달 동력은 400N × 7.5m/s = 3000W = 3.0kW가 된다.
체인 전동 장치의 특징으로 틀린 것은?
정답 ④ · 문제는 체인 전동 장치의 특징 중 틀린 것을 찾는 문제이다. 체인 구동은 이빨 맞물림에 의한 동력 전달이므로 속도비가 일정하고 마찰 손실이 적어 큰 동력을 고효율로 전달하는 데 유리하며, 환경적 저항성(내열·내습·내유성)도 상대적으로 좋다.
체인 구동은 마찰력이 아닌 치합으로 동력을 전달하므로 고속 회전 시 진동과 소음이 커져 적합하지 않다.
벨트 전동장치에서 유효장력을 P 라 할 때, 벨트에 작용하는 초기장력은 대략 P 의 몇 배로 하면 되는가? (단, 장력비 euθ=2 이고 초기 장력은 긴장축 장력에 이완측 장력을 합산한 값의 반으로 한다.)
정답 ② · 문제는 벨트 전동에서 유효장력 P가 주어질 때 초기장력이 P의 몇 배로 설정되는지를 묻고 있다. 설계 경험칙에 따르면 초기장력 T0는 유효장력의 약 1.5배로 설정하는 것이 일반적이다.
초기장력 T0는 유효장력 P의 약 1.5배(1.5P)로 설정하는 것이 일반적이다.
평벨트 전동장치와 비교할 때 V벨트 전동의 특징을 올바르게 설명한 것은?
정답 ② · 문항은 평벨트와 비교했을 때 V벨트 전동의 특징을 묻고 있다. V벨트는 측면 압착에 의한 마찰이 커서 축간거리가 짧은 경우에 적합하고 큰 속도비 전달이 가능하다는 점이 특징이다.
V벨트는 마찰력 커서 짧은 축간거리와 큰 속도비 전달에 적합하다.
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