배워서 남 준다/제도설계기초

KS규격 공식에 따른 스프로킷 휠 모델링 방법 feat.솔리드웍스

서관덕의 시간이 머문 작은 공간™ 2022. 7. 30.

대다수의 블로그나 유튜브 등에 올라와 있는 동력 전달장치(기어, 벨트 풀리, 스프로킷 휠 등)의 제도나 모델링 방법들은 거의 대부분 기계제도 기능사나 기계설계 산업기사/기사와 같이 자격증 시험에 맞춰진 약식 제도나 모델링 방법을 많이 소개하고 있다.

 

 

솔직히, 동력 전달 계열은 규격으로 정해져 있어, 시험이든, 실무던 표현만 하고, 제작은 정해진 데이터를 이용해서 만들기 때문에 2D 제도나 3D 모델링은 규격대로 정확하게 그릴 필요 없을 수 있다. 

하지만, 어느 정도 규격 공식이 어떻게 적용되는지 알고 대략적으로 작업하는 것과 대충 그리는 방식만 알고 작업에 임하는 것은 본질적으로 큰 차이가 있다고 생각한다.

특히, 인벤터나 솔리드웍스에서 기본적으로 제공하는 규격 데이터 자동 모델링 기능을 이용하면 금방 끝나지만, 이것 역시 설계자가 실체를 이해하고, 사용하는 것과 그냥 사용하는 것에는 큰 차이가 있다.

 

그래서, 앞으로 몇몇 기계요소를 규격 공식을 대입해서 모델링하는 방법에 대해서 강좌를 해 보려고 한다.

 

스프로킷 휠은 체인이 미끄러지지 않도록 절삭된 이빨에 의해 구동하는 기계 요소이며, 규격 공식을 적용하여 제도 또는 모델링하는 방법에 대해서 알아보자.

기본적으로 솔리드웍스로 스프로킷 모델링하는 방법을 소개하지만, 인벤터나 카티아 등과 같은 파라메트릭 설계 툴에서도 동일하게 적용되고, 오토캐드에서 2D 제도에서도 동일하게 적용할 수 있기 때문에 설계 직무를 공부하는 분들에게 상당히 도움이 될 것이라 생각한다.^^

 

KS규격 데이터 다운로드

 

스프로킷 KS규격 데이터.pdf
0.87MB

 

 

스프로킷 휠 제도 및 모델링 따라 하기

위에 제공하는 스프로킷 휠 KS규격 데이터 파일을 다운로드하여 보면서 천천히 따라 해 보시기를 바란다.

앞으로 소개하는 스프로킷 휠 모델링에 사용되는 참조 데이터는 호칭 크기 40번 규격 데이터와 기준 치수, 스프로킷 치형 및 공식만 이용하는 내용이기 때문에 같이 보면 쉽게 적용하기 쉬울 것이다.

 

이번 모델링에 사용되는 규격은, 호칭 크기 40, 휠 잇수 11개로 설정해 놓고 진행한다.

 

1. 스프로킷 휠 모델링

솔리드웍스나 인벤터 또는 카티아 등 주력으로 사용하는 툴을 이용하여, 스프로킷 휠을 모델링하기 위한 기준을 스케치한다.

① 솔리드웍스에서는 우측면을 기준으로 기준 스케치를 시작하고, 다른 툴 사용자는 측면에서 시작할 수 있도록 평면을 선택하여 스케치를 작성한다.

 

스프로킷 휠 기준 치수 공식과 규격 데이터 호칭 번호 40번에 해당하는 가로 치형의 값을 이용해서 휠 스케치를 작성한다.

① 스케치 선을 이용해서 원점을 기준으로 대략적인 회전 단면을 작성한다.

② 중심축에 해당하는 선분을 선택하고, 중심선으로 변경한다.

③ 스프로킷 기준 치수에서 중요한 스프로킷 휠 표준 외경(Do)에 해당하는 공식을 대입하여, 지름 치수 구속 값을 입력한다.
- 표준 외경 기준 치수 공식은 Do = 피치 x (0.6 + cot(180/잇수)) 이기 때문에,  데이터 값을 대입하면, 12.7 * (0.6 + cotan(180/11))로 수식을 작성하고 적용한다.
-  솔리드웍스에서 지름 치수 구속 방법은 중심선을 먼저 선택하고, 구속할 대상 요소를 선택 후, 마우스를 중심선 반대쪽으로 움직이면 지름 치수로 표시가 바뀐다.
- 만약, 반지름으로 수식을 적용할 경우라면, Do = 피치 * (0.6 + cot(180/잇수)) / 2로 공식 마지막에 나누기 2를 해주면 지름이 반지름으로 변경되어 적용된다.

④ 스프로킷 보스 직경(Dh)에 해당하는 공식을 대입하여, ③과 마찬가지로 치수를 구속한다.
- 최대 보스 직격 공식은 Dh = 피치 x (cot(180/잇수) - 1) - 0.76이며, 규격 데이터를 대입하면, 12.7 * (cotan(180/11) - 1) - 0.76으로 수식을 작성하고 적용한다.

⑤ 호칭 번호 40번에 해당하는 단열 치 폭(휠 두께) 값 7.2mm로 치수 구속한다.

 

스프로킷 휠 가로 치형 데이터증 공통 치수를 이용해서 호칭 크기 40에 해당하는 모따기 깊이, 폭, 반경 값을 이용하여 스케치를 완성한다.

① 3점 호를 이용해서 그림과 같이 대략적으로 스케치를 작성한다.

② 치수 구속을 이용하여, 호칭 크기 40에 해당하는 모따기 깊이(h) 6.4mm, 모따기 폭(g) 1.6mm, 모따기 반경(Rc) 13.5mm를 각각 구속한다.

③ 모든 스프로킷 휠에 대한 기본적인 스케치가 완료되었다면, 스케치를 마무리한다.

※ 모따기 후, 불필요한 선은 꼭 지울 필요는 없다.ㅋ

 

스케치 종료 후, 피처에서 회전 보스/베이스(인벤터에서는 회전, 새 솔리드)로 휠 형상을 완성한다.

① 피처 메뉴 탭에서 회전 보스/베이스를 클릭한다.

② 회전축은 스케치 중심선을 선택한다.
- 솔리드웍스는 자동인식(단, 중심선이 한 개인 경우)되며, 열여 있는 스케치라 자동을 닫을 것인지 물음에 "예"클릭한다.
- 인벤터인 경우, 중심선은 작동으로 인식한다.

③ 회전 단면은 스케치 내부를 선택하여, 360도 회전한다.

 

2. 스프로킷 휠 치형 스케치

지금부터는 스프로킷 휠 모델링에서 가장 중요한 치형 생성을 위한 스케치 부분이다.

최대한 쉽게 작성하기 위해서 가급적이면 하나하나 풀어서 설명하기 때문에 내용이 조금 많다.

 

2-1. 기준 평면 선택 및 새 스케치

생성된 휠 형상 중에서 치형 작성에 필요한 면 또는 기준면을 선택하여 새로운 스케치를 작성한다.

① 형상 중, 원하는 면 또는 기준면을 선택하고, 새 스케치를 클릭한다.

 

2-2. 피치원 작성

스프로킷 휠 KS규격 데이터를 이용하여 치형의 기준이 되는 피치원(Dp)을 스케치한다.

 치형 작업을 위해 화면 뷰를 와이어프레임으로 변경한 상태에서 설명한다.

② 스케치 중심 원을 이용하여 기준점을 기준으로 원을 작성하고, 보조선으로 변경한다.(인벤터는 구성선)

③ 치수 구속을 이용하여 피치원 지름 값으로 원을 구속한다.

 

2-3. 중심선 및 피치선 작성

중심선과 피치선을 작성한다.

① 스케치 선을 이용해서 기준점에서 수직으로 기준 중심선을 작성하고, ①-1에 대한 하프(절반) 피치선을 작성하고, 전부 보조선(구성선)으로 변경한다.
- 하프(절반) 피치선은 꼭 필요하지는 않다. 즉, 그리지 않아도 좋다.

② 하프 피치선 각도는 공식은 180/잇수 임으로, 치수 구속을 이용하여 180/11을 입력하여 구속한다.

 

2-4. 체인 롤러 외경 공식 및 스케치

피치선과 중심선의 교차점 기준으로 치형 골지름 원을 작성한다.

① 스케치 중심원을 이용하여 피치선과 중심선의 교차점 기준으로 원을 작성한다.

② 치수 구속으로 골 지름 값으로 구속한다.
- 골 지름 공식은 1.005 x 체인 롤러 지름(Dr) + 0.076 임으로, 규격 데이터를 적용하면, (1.005 * 7.95) + 0.076으로 수식을 입력한다.
- 골 반지름(R)으로 적용하고자 한다면, 공식은 0.252 x 체인 롤러 지름(Dr) + 0.038 이기 때문에, 적용 값은 (1.005 * 7.95) + 0.076을 입력하면 반지름으로 적용이 된다.

 

2-5. 각도 기준선 작성

치형에 필요한 각도를 지정하기 위한 보조선을 작성한다.

① 스케치 선으로 피치선과 중심선 교차점을 기준으로 대충 작성하고, 보조선으로 변경한다.

 

2-6. 각도 기준선 작성

치형 및 공식에서 c-y 및 c-x 연결 선을 작성하고, x-y 사이에 호를 작성한다.

① 스케치 선으로 c-y 및 c-x 연결 선을 작성하고, 스케치 3점 호로 x-y에 대략적으로 호를 작성한다.

 

2-7. 각도 기준선에 A 각도 구속

규격 데이터 치형 및 공식 표에서  A에 공식으로 각도로 구속한다.

① 지능형 치수로 2-6에서 작성한 c-x선 분과 2-5에서 작성한 수평 기준선을 선택한다.

② A에 해당하는 공식은 A = 35° + 60° / 잇수(N) 임으로, 값을 대입하면, 35 + 60 / 11의 수식을 입력하여 각도를 구속한다.

 

2-8. 각도 기준선 B 각도 구속

규격 데이터 치형 및 공식 표에서  B에 공식으로 각도로 구속한다.

① 지능형 치수로 2-6에서 작성한 c-x선 분과 c-y선분을 선택한다.

② B에 해당하는 공식은 B = 35° - 56° / 잇수(N) 임으로, 값을 대입하면, 35 - 56 / 11의 수식을 입력하여 각도를 구속한다.

 

2-9. 각도 기준선 c-x선분 위치 구속

각도 구속이 끝난 후, 대략적으로 작성한 선분의 위치를 구속한다.

작성한 c-x선 분과 2-4에서 작성한 체인 롤러 외경의 중심점을 선택한다.

구속조건 부가에서 일치 구속한다.

 

2-10. E에 해당한 반지름 공식 및 치수 구속

2-9까지 각도 구속을 완료하고, 공식 E에 해당하는 반지름으로 구속한다.

① 지능형 치수로 c-x, c-y 사이에 작성된 호를 선택하고, E에 해당하는 공식은 E = 1.3025 * 체인 롤러 외경(Dr) +0.038 임으로, 치수 값에 수식은 (1.3025 * 7.95) + 0.038을 입력하여 반지름 치수로 구속한다.
※ E의 반지름 값은 c-y, c-x 길이와 같다.

② 작성된 c-y, c-x선을 전부 선택해고, 보조선(구성선)으로 변경한다. (호는 변경하지 않는다.)

 

2-11. 하프 피치선 작성

스프로킷 잇끝 치형을 작성하기 위한 하프 피치선(공식 표 a-b 선)을 작성한다.

① 체인 롤러 외경 중심점 기준으로 비스듬하게 선을 작성하고, 보조선으로 변경한다.

 

2-11. 하프 피치선 각도 구속

하프 피치선 각도 구속을 위해서 공식과 같이 구속한다. 이 선분은 스프로킷 잇 끝을 작성하기 위해서 아주 중요한 선분이다.

① 지능형 치수로 수평 기준선과 금방 작성한 피치 각도선(a-b 선)을 선택한다.

② 피치 각도 공식은 360° / 잇수(N)이며, 하프 각도는 180° / 잇수(N) 임으로, 치수 수식 입력창에 180 / 11을 입력하여 각도 구속한다.

 

2-12. 하프 피치선 각도선(a-b) 길이 공식 및 구속

각도 지정한 a-b선분에 대한 길이(G)를 구하고 구속한다.

① 지능형 치수로 작성한 a-b 선분을 정렬 치수로 선택한다.

② a-b선분의 길이 G길이를 구하는 공식은 G = 1.4 * 체인 롤러 외경(Dr) 임으로, 수식 입력창에 1.4 * 7.95를 입력하여 치수 구속한다.

 

2-13. 잇끝 치형 스케치

선과 호로 잇끝에 해당하는 치형을 대략적으로 스케치한다.

① 선과 호로, 2-10에서 작성된 호의 끝점을 시작으로, 스프로킷 잇끝 치형과 비슷하게 스케치한다.

② 2-10에서 작성된 호와 금방 작성한 선분을 선택하고, 접선(탄젠트) 구속하고, 이어서 금방 작성한 선과 호를 선택하여 접선(탄젠트) 구속한다.

 

2-14. z-b 선분 작성

이끝 치형을 완성하기 위해서 z-b선을 적성한다.

① 2-13에서 작성한 선분의 끝점(호의 시작점)과 2-12에서 작성한 a-b선의 끝점에 선분을 작성하고, 보조선(구성선)으로 변경한다.

 

2-15. 잇끝 치형 반지름 구속

공식 표에서 f에 해당하는 잇끝 치형의 반지름은 z-b 길이와 같기 때문에, 치수 구속이 아닌 형상 구속으로 진행한다.

① 2-13에서 작성한 잇끝 호와 2-14에서 작성한 선분의 끝점을 선택한다.

② 구속조건 부가에서 동심을 선택한다.
※ 인벤터에서는 원호와 점을 선택해서 동심(중심) 구속 기능이 없는 걸로 알고 있기 때문에 인벤터로 구속하고 한다면, 호의 중심점과 선분의 끝점을 일치 구속한다.

 

2-15. 스케치 대칭 복사로 치형 완성

스케치 대칭 복사를 이용하여, 스프로킷 치형을 완성한다.

① 스케치 요소 대칭 복사를 이용하여, 대칭 복사할 항목 2-13에서 작성한 선과 호를 선택한다.

② 대칭 기준을 수직 중심선을 선택하고, 대칭 복사를 완료한다.

 

2-16. 닫힌 스케치를 만들기 위해서 가장자리 요소 변환

솔리드웍스에서 2-15까지의 작업은 열려있는 상태의 스케치이기 때문에, 닫힌 영역을 만들기 위해서 스프로킷 휠의 가장자리를 요소 변환(형상 투영)하여 닫힌 영역을 만든다.

① 요소 변환 (인벤터에서는 형상 투영)를 선택하고, 변환할 요소를 이미 모델링 된 스프로킷 휠 가장자리를 선택하여, 스케치 객체를 작성한다.

② 모든 스케치 작업이 끝난 것을 확인하고 스케치 종료를 클릭하여 마무리한다.

 

3. 스프로킷 휠 치형 모델링

스케치한 치형 스케치를 선택(피쳐 리스트에서 선택)하고, 돌출 컷으로 치형을 깎아 낸다.

① 돌출 컷을 클릭하고, 돌출 방향을 관통으로 설정한다.

② 돌출 컷으로 깎아낼 영역을 전부 선택하고, 돌출 컷을 실행한다.

 

피처 원형 패턴을 이용하여 최종적으로 스프로킷 휠 치형을 작성한다.

① 원형 패턴을 클릭하고, 원형 패턴 기준 축(원, 원통)을 선택하고, 잇수 11을 입력한다.

② 원형 패턴 할 피처를 돌출 컷 한 영역을 선택하거나, 피처 리스트에서 돌출 컷을 선택하고, 원형 패턴을 완성한다.

여기까지 기본적으로 스프로킷 휠 치형 모델링하는 내용이다.ㅋ

 

스프로킷 휠 치형 완성

 

여기까지 일반 스프로킷 휠 치형 모델링하는 방법을 글과 그림으로 알아보았다.

일반적으로 널리 알려져 있는 자격증 시험용 작도 방법이 아닌, 적극적으로 공식과 규격에서 제시하는 내용을 토대로 작성하다 보니, 일반적인 방법보다는 조금 더 많은 노력과 규격 및 공식을 이해하고 있어야 하는 부분 있다.

시험용으로 쓰기에는 많은 부담이 있는 작업이지만, 약식이 아닌 정확한 공식을 대입하면서 모델링하고자 하는 분들에게 많은 도움이 되기를 바란다.

 

앞에서도 말했지만, 규격 기계요소 설계는 실제 가공과도 약간 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에, 외우면서 공부할 필요는 없지만, 두어 번 연습해볼 만한 가치는 충분히 있을 것이라 생각한다.^^

 

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