도도의 초록누리

[Mechanical Element(기계요소설계)] 나사 설계부터 종이와 컴퓨터로 구현하기

2018-10-15

도도(Dodo) / root at localhost (127.0.0.1)

이번에 소개할 것은 "기계요소" 설계 중 나사를 설계하는 방법에 대해서 소개하고자 한다.

크게 어렵지 않은데 문제는 식이 매우 복잡한 수준으로 많다고 볼 수 있다.

가벼운 수준에서 컴퓨터 구현까지 해보고자 한다.

1. 사용 프로그램

2. ASME 규격과 KS 규격

ASME 규격이나 KS 규격은 거의 큰 차이가 없다고 보면 된다.

유니파이나사(Unified screw Thread)란?
미국, 영국, 캐나다 3국의 협정에 의하여 정한 나사로 ABC 나사라고도 한다. 피치를 인치(inch)로 표시하는 인치계열(inch system)의 나사이고, 나사의 크기는 1 인치 사이에 산수로 표시하며, 나사산의 각은 60도이다. 나사의 모양은 미터나사와 같다.

표 1. 미터보통나사(KS B 0201)

표 2. 사다리꼴 나사의 기준 치수 (미터사다리꼴 나사)

표 1의 치수 정보를 바탕으로 나사를 설계할 수 있다.

3. 나사의 기본 설계

나사를 설계하기 위한 기본적인 원리는 그림 1과 같이 표현할 수 있다.

그림 1. 나사의 곡선이 성립하는 원리의 예 - 도도(Dodo)

리드(lead): 나사를 1회전 돌렸을 때 축 방향으로 이동한 거리, l

리드각(lead angle):

원통의 지름(dimension): d

산과 산 사이, 골과 골 사이의 거리를 피치(Pitch)라고 한다.

그림 2. 피치의 원리 - 도도(Dodo)

유효지름 , 바깥지름 , 골지름 이라고 정의하자.

나사의 리드각은 골지름, 유효지름, 바깥지름에 대하여 각각 다를 수 있으나 나사의 역학적인 계산에는 유효지름에 대한 리드각 , 즉

5. 계산기 구현하기

6. FreeCAD 설치하기

다음은 FreeCAD 설치에 관한 것이다.

7. FreeCAD로 나사 구현하기

나사 구현을 하기에 앞서 간단한 드로잉을 시연하였다.

그림 9. 드로잉하기 - 도도(Dodo)

드로잉 연습을 바탕으로 FreeCAD Thread 구현에 대해서 시연하겠다.

영상 1. 나사의 모형 쓰레드 실습하기의 예 - 도도(Dodo)

[첨부(Attachment)]

Thread.fcstd

Thread.fcstd.zip

9. 참고자료(Reference)

1. How to fix FreeCAD ‘No module named WebGui’ on Ubuntu 18.04 – TechOverflow, Last Modified, Accessed by 2018-10-15, https://techoverflow.net/2018/06/03/how-to-fix-freecad-no-module-named-webgui-on-ubuntu-18-04/
2. Thread for Screw Tutorial - FreeCAD Documentation, Last Modified 2018-08-09 20:41, Accessed by 2018-10-15, https://www.freecadweb.org/wiki/Thread_for_Screw_Tutorial

[M.Elem(기계요소)] 기계 장치류와 운반구, 크레인 그리고 체인, 브레이크, 휠(Chain, Brake, Wheel) 입문

기계장치류에 대해서 몇 가지 소개하고자 한다.

가장 대표적인 예로 "자전거"를 보면, "체인(Chain)"이 있다.

오토바이에는 무엇이 있을까? 오토바이에도 "체인(Chain)"이 있다.

가벼운 주제로 기계 장치류를 소개하고자 한다. 일상생활에서 기계요소를 쉽게 찾기 위함이다.

1. 카고 트럭(Cargo Truck)

차량운반구의 예로 화물차를 소개하겠다.

화물차 안에는 무엇이 있을지 상상해보기 바란다.

그림 1-1. 화물차(카고 차량 / Cargo Car)의 예 - 도도(Dodo)

"화물차 타이어"가 있을 수 있고, "버스 휠(Wheel and Tire)"가 있을 수도 있다.

화물차(4~8톤) 차량의 바퀴와 버스에 사용되는 에서 큰 차이는 없다.

화물차 뒤에는 적재함이 있다. 나무판자, 철재판자 등으로 시공이 된 판자가 있다.

천막이 있을 수도 있고, 로프가 있을 수도 있다.

육각렌치가 있을 수 있고, 송장(Invoice)이 있을 수도 있다.

차량 하나가 작은 물류창고라고 보면 이해하기 쉽다.

화물차 조수석에는 많은 공구들이 있다.
렌치, 차량 수리공구 등이 다양하게 있을 수 있고, 바퀴가 경사진 면에서 굴러가지 않으려고 나무 바퀴 지지대가 있다.

                                  표 1. 영어 단어 한글로 읽어보기

                               표 2. 한글을 영어로 읽어보기

그림 1-2. 화물차(미니 카고 차량 / Mini Cargo Car)의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-2는 화물차라고도 볼 수 있고, 주차했을 때 일반 차량의 크기와 큰 차이가 없는 경우도 있다.

카고 차량을 대폭 축소해서 만든 차량(Vehicle)이다.

가운데 탑이 씌어진 차량이 있다.

탑차라고 불리는 차량이다.

탑차는 크게 문이 뒷쪽에 달렸다.

2. 자전거와 오토바이(Bicycle And Moter Cycle)

자전거와 오토바이에 대해서 소개하겠다.

자전거와 오토바이는 가장 밀접한 관계를 가지고 있다.

기계요소 측면에서 "동력"이 전달되냐 안 되냐 이러한 차이가 있다.

자전거는 무언가의 작용하는 힘이 있어야 동작한다.

패달을 밟을 때 체인은 회전하게 된다.

몇 가지 힘의 요소가 있어야 동작하게 된다.

"Mechanics(미케닉스)"는 기계라는 뜻보다는 "힘(Force)"를 다룬다고 보는 게 적합할 것이다.

기계라는 어원은 "Machinary(머신너리)"이다.

Mechanics(미케닉스)가 무엇인지 자전거와 오토바이를 통해서 소개하겠다.

그림 1-3. 운반구(자전거 / Bicycle)의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-3은 자전거라고 불리는 것이다.

자전거는 기계요소가 매우 많이 적용되어 있는 이동 수단 중 하나이다.

"휠(Wheel)", "브레이크(Break)", "스프로킷(Sprocket)", "체인(Chain)", "프레임(Frame)" 등의 기계요소가 적용되어 있다.

원초적이고 순수한 기계 시스템을 이해하기에는 매우 적절한 것 중 하나이다.

그림 1-4. 운반구(자전거 / Bicycle)에 적용된 체인의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-4는 자전거(Bicycle)에 적용된 체인이다.

스프로킷하고 체인이 적용된 형태이다.

체인하고 스프로킷(Sprocket)이 동작하려면, 발판의 패달을 발로 밟아야 동작한다.
발로 밟을 때, 왕복으로 패달을 운동할 것이다.

이러한 힘을 받는 기계요소가 "체인(Chain)"과 "스프로킷(Sprocket)"이라고 보면 이해가 될 것이다.

그림 1-5. 운반구(오토바이 / Autobicycle)의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-5은 오토바이이다.

핸들이 있고, 배기구가 있고, 트렁크가 있다.

의자 시트 아래에는 수납공간이 있다. 의자 아래의 시트를 열어보면, "헬멧"을 보관할 수 있는 공간이다.

뚜껑을 열어보면, 헬멧이 있을 가능성이 높다.

그림 1-6. 오토바이(Autobicycle) 벨트와 휠의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-6은 오토바이에 적용된 벨트과 휠이다.

오토바이에 적용된 벨트와 휠은 기계요소(Mechanics Elem) 중 하나의 부분이다.

벨트는 전동장치 요소에 해당하며, 휠은 브레이크와 함께 다루는 주제이다.

휠을 정지시키기 위해서 브레이크라는 것을 잡음으로서 으로 동작하는 힘을  (0에 수렴하다.) F = 0에 가깝게 브레이크로 힘을 낮출 수 있다.

F = 0이라고 표현하지 않은 것은 브레이크의 그립에 대한 힘으로 인해 그렇다.

그립의 힘으로 동작하진 않으며, 실제로는 브레이크라는 기계요소가 있다.

브레이크라는 요소로 F를 0에 가깝게 하는 것이다.

3. 지게차(Fork Lift)

지게차(Fork Lift)는 건설 기계로 분류가 되는 차량 중 하나이다.

지게차는 크게 앞에 포크(Fork)라고 하는 집게가 있다.

지게차가 위험한 이유는 시야가 의외로 매우 좁은 차량이다.

그림 1-8. 지게차(Fork Lift)의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-8은 지게차의 모습이다.

사이드미러 등이 차량과 동일하게 부착되어 있다.

4. 도로(Road)

다음은 도로에 관한 것이다.

도로에서 살펴볼 수 있는 기계 장치류의 운반구는 굉장히 많다고 볼 수 있다.

그림 1-9. 도로의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-9는 도로에서 달리는 차량 운반구의 예이다.

미니 카고에 보면, 지게차가 적재함에 실려있다.

오토바이는 음식 배달 이외에도, 편지 등을 배달하는 경우도 있다.

5. 건설기계(타워크레인) - Tower Crane

타워크레인을 이해하기 위해서는 건축 공부를 이해하면 도움이 될 수 있다.

수작업으로 하나 하나 조립해서 올린 크레인을 이야기한다.

타워크레인의 운전석 아래에는 리프팅을 할 수 있는 장치가 있다.
"스스로 하강", "스스로 상승"의 기능이 있다.

아래의 타워크레인은 순수하게 조립으로 올린 타워크레인의 구조이다.

그림 1-10. 타워크레인의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-11. 타워크레인 조립도의 예 - 도도(Dodo)

그림 1-11은 타워크레인의 구성을 몇 가지 분해한 것이다.

2. 레이아웃 - 툴

레이아웃 툴이다.

[첨부(Attachment)]

vehicleLayoutTools.7z

[GNU/GPLv3 라이선스를 적용받는다.]

3. 맺음글(Conclusion)

기계요소와 그리고 기계장치류 등에 대해서 살펴보았다.

[Mechanical Elements(기계요소)] 기계요소의 종류

이번에 소개할 것은 기계요소의 큰 맥락을 소개하려고 한다.

실질적으로 이걸 제대로 느껴보려면, "프로그래밍 도구(1개 선택 또는 필수), 스프레드시트, CAD" 3개를 가지고 있으면 구현하는데
큰 도움이 될 것이다.

그림 1. 기계요소의 예, 도도(Dodo)

[첨부(Attachment)]

180813-mech_design.zip

기계요소는 크게 나사부터 시작해서 관까지 있다.

관은 유체와 밀접할 수도 있지만, 순수하게 설계(Design) 측면에는 공식에 맞게 잘 그리면 된다.

식들이 조금 다소 복잡할 수 있다고 본다.

식이 하나만 사용하는 게 아니어서, 유기적으로 계산을 해야만 하나를 그릴 수 있는 치수 등을 구할 수 있다.

기계요소의 큰 분류는 이렇게 구성된다.

나사의 세부적인 구성요소를 예를 들면, "와셔(Washer)" 등도 있을 수가 있다.

순수한 나사는 l x p (길이 x 피치)로 나사산을 구한다.

물론 깊이 공부하면 복잡한 수식이 존재한다고 주장한다.