Ⅱ 기계의 이해
1. 간단한 기계와 기계 요소
자전거와 기계 요소
(1) 자전거의 구조와 작동
자전거의 구조
① 차체 부분 : 자전거의 전체적인 골격과 외형을 유지하는 부분으로, 핸들 포스트, 포크, 파이프 등으로 구성된다.
② 동력 전달 부분 : 페달로부터 힘과 운동을 전달받아 뒷바퀴까지 전달하는 부분으로, 페달, 크랭크, 스프로킷, 큰 스프로킷, 체인, 작은 스프로킷, 허브, 바퀴 등으로 구성된다.
③ 제동 부분 :바퀴의 회전을 조절하거나 멈추게하는 부분으로, 브레이크, 브레이크 레버, 브레이크 와이어 등으로 구성된다.
④ 조향 부분 : 자전거의 진행을 조정하는 부분으로, 핸들, 핸들 포스트, 손잡이 등으로 구성된다.
⑤ 기타 부분 : 자전거 이용자의 안정성과 편리성을 유지하는 부분으로, 경음기, 안장, 짐받이, 반사재, 받침대 등으로 구성된다.
동력의 전달과 제동
① 동력 전달 과정 : 페달→크랭크→크랭크축→큰 스프로킷→체인→작은 스프로킷→뒤허브→뒷바퀴
-크랭크 ; 페달로부터 동력을 전달받아 크랭크축에 전달한다.
-크랭크축 ; 크랭크로부터 동력을 전달받아 큰 스프로킷을 회전시킨다.
-큰 스프로킷 ; 크랭크축에 연결되어 있으며 체인을 회전시킨다.
-체인 ; 스프로킷에 맞물려 있으며 작은 스프로킷을 회전시킨다.
-작은 스프로킷 ; 회전력을 뒤허브에 전달하여 뒷바퀴를 회전시킨다.
② 제동 과정 : 브레이크 레버→와이어→앞·뒤 브레이크→앞·뒷바퀴
※ 기계의 구성과 자전거
㉠ 동력을 받아들이는 부분 ; 페달, 크랭크
㉡ 동력을 전달하는 부분 ; 크랭크축, 스프로킷, 뒤허브
㉢ 동력을 이용하여 일을 하는 부분 ; 뒷바퀴
㉣ 각 부분을 고정, 지탱하는 부분 ; 차체
(2) 자전거의 기계 요소
기계 요소의 분류
·기계 요소 ; 여러 가지 기계에 기본적이며 공통으로 사용되는 기계 부품
① 결합용 기계 요소 ; 두 개 이상의 부품을 결합시키는 데 사용되는 것으로, 나사, 볼트, 너트, 핀, 키, 리벳 등이 있다.
② 축용 기계 요소 ; 축 부분에 사용되는 것으로, 축, 베어링, 클러치, 커플링 등이 있다.
③ 전동용 기계 요소 ; 운동이나 동력을 전달하는 데 사용되며, 마찰차, 기어, 링크, 풀리, 체인 등이 있다.
④ 관용 기계 요소 ; 기체 및 액체 등의 유체 수송에 사용되며, 파이프, 파이프 이음, 밸브, 콕 등이 있다.
⑤ 기타 기계 요소 ; 그 밖의 목적으로 사용되는 것으로, 스프링, 브레이크 등이있다.
결합용 기계 요소
나사
① 나사의 원리 : 나사선에 따라 일정한 단면의 홈을 만든 것
② 피치와 리드, 바깥지름
㉠ 피치 : 나사산(골)에서 바로 그 다음 나사산(골)까지의 거리
㉡ 리드 : 나사가 한 바퀴 돌 때 축 방향으로 움직인 거리
㉢ 바깥지름 ; 수나사의 산마루에 접하는 가상적인 원통의 지름을 말한다.
③ 나사의 크기 : 수나사의 바깥지름으로 나타내며, 호칭 치수라 한다.
④ 나사의 규격화 : 나사산의 모양, 지름, 피치 등을 한국산업규격으로 정해 놓고 있다.
⑤ 볼트와 너트
㉠ 볼트 : 머리 달린 둥근 막대의 바깥 표면에 수나사로 깎은 것
㉡ 너트 : 두꺼운 강편의 안쪽에 암나사로 깎은 것
⑥ 나사의 종류
㉠ 나사 위치에 따라 : 수나사, 암나사
㉡ 죔 방향에 따라 : 오른나사, 왼나사
㉢ 나사산 줄 수에 따라 : 한줄 나사, 다줄 나사
㉣ 나사산 모양에 따라
-삼각나사 : 결합용으로 2개 이상의 물체를 고정할 때 쓰인다. 볼트와 너트
-사각나사 : 전동용으로 힘을 전달하는 곳에 쓰인다. 바이스 등
-사다리꼴나사 : 전동용으로 운동을 전달하는 곳에 쓰인다. 선반의 리드 나사
-톱니나사 : 한 방향에서 강한 힘을 받을 때 쓰인다. 압착기 등
-둥근나사 : 백열 전구나 모레, 먼지가 들어갈 염려가 있는 곳에 쓰인다.
핀과 키
핀 : 큰 힘이 걸리지 않는 부품을 고정하거나 볼트와 너트의 풀림을 방지하는 데 쓰인다.
평행 핀 : 굵기가 일정한 핀. 분해 조립을 하게 되는 두 부품의 맞춤 면의 위치를 항상 일정하게 유지시키는 곳에 쓰인다.
테이퍼 핀 : 끝이 점점 가늘어지는 핀. 작은 힘이 걸리는 벨트 풀리, 핸들 등을 축에 고정할 때 쓰인다.
분할 핀 : 핀을 꽂은 다음 끝을 벌려서 빠지지 않게 하는 핀. 볼트와 너트가 풀리는 것을 방지하는 데 쓰인다.
키 : 기어, 벨트 풀리, 핸들 등의 회전체를 축에 고정시켜 미끄럼 없이 회전을 전달시킬 때에 사용한다.
키의 설치 : 축에는 키 홈을 만들고, 회전체에는 키 자리를 마련한다.
키의 종류 : 안장 키, 평 키, 묻힘 키, 평행 키, 테이퍼 키 등
축용 기계요소
① 축 : 기계에서 회전 운동으로 동력을 전달시키는 회전체의 중심 막대로서, 기어·벨트 풀리·스프로킷 등을 끼워 회전시킨다.
㉠ 차축 : 축은 고정되고 바퀴만 회전한다.
㉡ 전동축 : 축과 바퀴가 고정되어 함께 회전한다.
㉢ 크랭크축 : 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾸어 준다.
② 축이음 : 축을 연결할 때 사용하는 기계 요소이다.
㉠ 커플링 : 영구 축이음으로, 축의 회전 중에 축을 분리할 수 없다.
㉡ 클러치 : 필요에 따라 두 축을 자유롭게 분리할 수 있다.
③ 베어링 : 축을 받쳐 주는 기계 요소로, 축이 회전할 때 마찰 저항을 적게 하여 원활하게 회전할 수 있도록 한다.
㉠ 미끄럼 베어링 : 면 접촉에 의해 축을 받친다. 회전 속도가 느리고 큰 힘을 받는 축에 쓰인다.
㉡ 구름 베어링 : 회전 00속도가 빠르고 작은 힘을 받는 축에 쓰인다.
-볼 베어링 : 점 접촉에 의해 축을 받친다.
-롤러 베어링 : 선 접촉에 의해 축을 받쳐준다. 볼 베어링보다 마찰이 크다.
그 밖의 기계 요소
스프링
원리 : 물체의 탄성을 이용한다.
작용 : 외부의 진동이나 충격을 완화시키거나 에너지를 축적하는 기계 요소이다.
종류
- 모양에 따른 종류 : 코일 스프링(인장·압축·비틀림 스프링), 판 스프링, 태엽 스프링
- 재료에 따른 종류 : 금속 스프링, 비금속 스프링(고무·플라스틱·유체 스프링)
브레이크
작용 : 기계의 운동 에너지를 마찰력에 의하여 그 속도를 줄이거나 멈추게 하는 기계 요소이다.
종류
- 마찰 브레이크 : 띠 브레이크, 블록 브레이크, 원판 브레이크 등이 있다.
- 전자 브레이크 : 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸어서 제동한다.
관용 기계 요소
관 : 구조물의 부재로도 쓰이나, 주로 유체를 수송하는 통로로 쓰인다.
·종류 : 강관, 주철관, 구리관, 고무관, 합성 수지관, 콘트리트관 등
관이음 재료 : 관을 이어 길이를 길게 하거나, 관의 방향을 바꿀 때 쓰인다.
·종류 : 엘보, 티, 크로스, 유니언, 와이(Y), 암수 소켓 등
밸브 : 관 속에 흐르는 유체의 양이나 압력 및 흐르는 방향을 조절하는 데 쓰인다.
·종류 : 스톱 밸브(글로브 밸브, 앵글 밸브), 단속 밸브, 첵 밸브, 콕 등
(3) 자전거의 점검과 정비
자전거의 점검과 정비 방법
① 작업 전 점검 방법 : 눈으로 이상 유무 확인, 각 부의 고정 상태 확인, 소리나 작동 상태 확인
② 점검 사항
㉠ 핸들 부분 : 핸들의 높이와 방향, 나사의 풀림 및 손잡이 상태 등
㉡ 안장 부분 : 안장의 높이 등
㉢ 브레이크 부분 : 브레이크의 제동 상태, 브레이크 블록 손상 여부 등
㉣ 바퀴 부분 : 타이어의 공기압 및 파손 여부, 바퀴살의 고정 상태 등
㉤ 동력 전달 부분 : 체인의 장력, 페달 나사의 조임 상태 등
㉥ 기타 부분 : 전조등의 점등 및 고정 상태, 경보벨의 작동 및 고정 상태 등
자전거의 정비
핸들 부분
- 핸들의 높이 : 나사와 높이 조절 너트를 풀어서 조정한다.
- 핸들의 방향 : 핸들 바와 자전거의 방향을 일치시킨다.
안장의 높이 : 안장에 앉았을 때 양 발끝이 지면에 닿을 정도로 조정한다.
브레이크 부분
- 브레이크의 간극 : 블록과 림의 간격을 1∼2mm 정도로 조정한다.
- 브레이크의 작동 : 부드럽게 작동되도록 볼트와 너트를 죈다.
바퀴 부분
- 타이어의 공기압 : 승차시 타이어와 지면과의 접촉 길이가 5∼10cm가 적당하다.
- 바퀴살의 장력 : 늘어진 바퀴살은 림의 고장을 잡아가며 늘린다.
체인의 장력 : 체인의 중앙부를 위 아래로 눌렀을 때의 차가 10∼20mm 정도가 되도록 조정한다.
기타 부분
- 전조등 : 빛무리가 10m 전방에서 형성되도록 한다.
- 경보벨 : 소리가 30m 밖에서도 들릴 수 있도록 뚜껑과 대 사이를 조정한다.
자전거의 급유
㉠ 체인과 스프로킷 : 2주에 1회 정도 급유한다.
㉡ 변속기의 기어 부위, 스프링, 각부 연결 부위 : 1개월에 1회 정도 급유한다.
㉢ 브레이크 작동부, 브레이크 레버의 회전부 : 1개월에 1회 정도 급유한다.
정비용 공구
① 일반 공구 : 어느 기계에나 공통으로 사용할 수 있는 공구
㉠ 드라이버 : 나사를 죄거나 푸는데 사용
㉡ 플라이어 : 작은 부품을 잡고 구부리거나 당길 때 사용
㉢ 플라스틱 해머 : 부품에 손상을 주지 않고 두드릴 때 사용
㉣ 렌치 : 스패너라고도 하며, 볼트나 너트를 죄거나 풀 때 사용, 조정 렌치, 양구 렌치, 박스 렌치 등이 있다.
② 전용 공구 : 특정한 기계 부품의 분해 및 조립에 사용하는 공구
㉠ 니플 돌리개 : 바퀴살 끝에 있는 니플을 돌려서 장력을 조절하는 공구
㉡ 프리 휠 돌리개 : 프리 휠의 나사 뚜껑을 돌리는 공구
㉢ 페달 돌리개 : 페달축을 돌려서 죄거나 푸는데 사용하는 공구
㉣ 체인 죔 박스 렌치 : 체인의 장력을 조정하는 공구
동력 전달 장치
(1) 회전 운동 전달 장치
마찰차 전동
① 원리 : 두 개의 바퀴를 직접 접촉시켜, 그 접촉면에서 발생하는 마찰력을 이용하여 두 축 사이에 동력을 전달한다.
② 특징
㉠ 구름 접촉을 하면서 회전하므로 약간의 미끄럼이 있다.
㉡ 확실한 회전 운동의 전달이나 큰 전동에는 부적합하다.
㉢ 운전 중 접촉을 유지한 상태로 마찰차를 이동시킬 수 있다.
③ 용도 : 두 축 사이의 동력을 자주 변경할 필요가 있을 때 쓰인다.
④ 마찰차 표면 : 고무, 가죽, 섬유 등을 붙여서 사용한다.
⑤ 종류 : 평 마찰차, 원판 마찰차, 원추 마찰차, V홈 마찰차 등
⑥ 마찰차 전동의 이용 : 자전거의 발전기, 재봉틀의 북실감기 등
기어 전동
① 원리 : 원통의 둘레에 이를 만들어 놓은 한 쌍의 기어가 서로 맞물려 돌아가며 동력을 전달한다.
② 특징
㉠ 기어의 잇수를 바꿈에 따라 회전 속도가 바뀐다.
㉡ 두 축이 평행하지 않아도 미끄럼 없이 동력을 전달할 수 있다.
㉢ 동력을 확실하게 전달할 수 있고, 내구성이 높다.
③ 용도
㉠ 두 축의 사이의 거리가 짧은 경우에 쓰인다.
㉡ 정확한 속도비를 얻을 수 있어 전동 장치, 변속 장치 등에 널리 쓰인다.
④ 모듈 : 한 쌍의 기어가 서로 맞물려 돌아가기 위한 조건으로, 기어의 지름을 잇수로 나눈 값이 서로 같아야 한다.
⑤ 기어의 종류 : 기어는 회전 운동을 전달하는 두 축 사이의 위치와 회전 방향, 이의 모양, 속도비 등에 따라 여러 종류가 있다.
㉠ 두 축이 평행한 기어
- 평 기어 : 기어의 잇줄이 축의 중심선에 나란한 기어
- 헬리컬 기어 : 기어의 잇줄이 축의 중심선에 경사진 기어
- 래크와 피니언 : 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸거나 그 반대로 바꾸는 기어
㉡ 두 축이 교차된 기어 : 베벨 기어
㉡ 두 축이 평행·교차하지도 않는 기어 : 웜과 웜 기어, 스크루 기어
⑥ 기어 전동의 이용 : 시계, 자동차, 핸드 드릴, 공작 기계, 내연 기관 등
체인 전동
① 원리 : 체인을 스프로킷의 이에 하나씩 물리게 하여 동력을 전달한다.
② 특징
㉠ 미끄럼이 없고, 큰 동력을 효율적으로 전달할 수 있다.
㉡ 소음과 진동을 일으키기 쉬워 고속 회전이나 정숙 운전에는 부적합하다.
③ 용도 : 두 축 사이의 거리가 멀고, 확실한 동력 전달이 필요한 곳에 쓰인다.
④ 체인의 종류 : 롤러 체인과 사일런트 체인 등이 있다.
⑤ 체인 전동의 이용 : 자전거, 오토바이, 농업 기계 등의 동력 전달 장치 등
벨트 전동
① 원리 : 벨트와 벨트 풀리 사이의 마찰력에 의하여 동력을 전달한다.
② 특징 : 미끄럼이 발생할 수 있어 정확한 회전비를 필요로 하는 동력이나 큰 동력의 전달에는 적합하지 않다.
③ 용도 : 직접 동력을 전달할 수 없을 때, 두 축 사이의 거리가 비교적 멀 때 쓰인다.
④ 벨트를 거는 방법
㉠ 바로걸기 : 원동차와 종동차가 같은 방향으로 회전한다.
㉡ 엇걸기 : 원동차와 종동차가 서로 반대 방향으로 회전한다.
⑤ 벨트의 종류 : 평벨트, V벨트 등
⑥ 벨트 전동의 이용 : 세탁기, 재봉틀, 탁상 드릴링 머신, 자동차의 냉각팬 등의 전동 장치
(2) 운동 변화 장치
캠 전동
① 작용 : 회전 운동을 직선 왕복 운동이나 요동 운동 등으로 바꾸어 전달한다.
② 캠의 종류
㉠ 평면 캠 : 접촉 부분이 평면 운동. 판 캠, 직동 캠 등
㉡ 입체 캠 : 접촉 부분이 입체적 운동. 원통 캠, 원뿔 캠, 구면 캠 등
③ 캠 전동의 이용 : 장난감, 재봉틀, 방직기, 내연 기관 등
링크 장치
① 링크 : 몇 개의 가늘고 긴 막대를 핀으로 결합시킨 기계 요소이다.
② 링크 장치의 작용 : 원동절의 일정한 운동을 거쳐 종동절이 다른 운동을 한다.
③ 링크 장치의 종류
㉠ 3절 링크 : 어느 하나를 고정하면 전체가 고정되는 고정 링크이다.
㉡ 4절 링크 : 어느 하나를 고정하면 일정한 운동을 하는 구속 링크이다.
㉢ 5절 링크 : 어느 하나를 고정하여도 운동은 할 수 있으나 일정한 운동을 하지 않는 불구속 링크이다
④ 링크 장치의 운동 : 링크를 조합하는 방법과 구속을 주는 방법 등에 따라 교과서 81쪽처럼 여러 가지 운동을 할 수 있다.
⑤ 링크 장치의 이용
㉠ 자전거 : 다리의 상하 운동으로 큰 스프로킷을 회전시킨다.
㉡ 발재봉틀 : 발판의 흔들이 운동으로 벨트 바퀴를 회전시킨다.
㉢ 내연 기관 : 피스톤의 왕복 운동으로 크랭크축을 회전시킨다.
㉣ 선풍기 : 전동기의 회전 운동으로 몸체가 좌우로 왕복 운동을 한다.
㉤ 자동차의 자재 이음 : 일직선상에 있지 않은 두 축에 회전 운동을 전달한다.
㉥ 토크 프레스 : 작은 힘을 받아 큰 힘을 내게한다.