도도의 초록누리

[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.

[CAD(3D)] inventor를 활용한 응력 분석 / 힘, 모멘트(실험)

Inventor에서 소개하는 게 적절할 것인지, 역학(Dynamics)에서 소개하는 게 좋을지는 모릅니다.

다만, 역학에서 배우는 응력(Stress)을 실질적으로 왜 배우는지는 체험할 수 있을 것입니다.

= Whether it is appropriate to introduce it in Inventor or Dynamics, I do not know.
= However, you will be able to experience how you actually learn the stress you learn in mechanics.

1. 도면 그리기(Drawing)

그림 1-1) 철골(구조)

철골이라고 생각하고 그림을 하나 그립니다.

= I think it is a steel frame and draws a picture.

(도면)

example_design.7z

2. 응력 해석(Stress Analysis)

그림 2-1) 실습 도면 / 철골

위의 상단에 메뉴를 보면, "시뮬레이션 / 응력 해석"이라는 메뉴가 있습니다.

클릭합니다.

2-1. 실험 주제(힘, 모멘트) / Subject (force, moment)

큰 주제로는 힘(Force)와 모멘트(Moment)를 소개하려고 합니다.

= I would like to introduce the Force and the Moment as big topics.

2-2. 공통 (새 시뮬레이션 작성)

그림 2-2-1) 새 시뮬레이션 작성 / Inventor 2016

단일 점에 의한 실험을 수행할 수도 있고, 파라메트릭(Parametric) 기반의 실험을 수행할 수 있습니다.

2-3. 힘(Force)에 의한 응력 실험 with 폰 미세스 응력

폰 미세스 응력에 관해서는 별도로 소개할 것입니다.

여기에서는 가볍게 실험한다고 생각하고 접하는 게 좋습니다.

(1. 재질 결정하기)

그림 2-3-1) 재질 결정하기(Assign Materials)

그림 2-3-2) Aluminum 6061(알루미늄 6061) 재질

(2. 구속조건)

그림 2-3-3) 고정 구속조건

물체가 움직이지 않을 구속조건을 결정합니다.

매우 중요합니다.

"재질", "구속조건", "조건" 세 가지를 충족하지 않으면 시뮬레이션을 진행할 수 없습니다.

= Determines the constraint that an object will not move.
= very important.
= You can not proceed with the simulation if you do not meet "material", "constraint", or "condition".

그림 2-3-4) 구속고정조건 선택하기

(3. 힘/결정하기)

그림 2-3-5) 작용하는 힘 결정하기

작용하는 방향과 힘을 결정합니다.

N/m의 방법도 있으며, lbs 표기 등이 있습니다.

그림 2-3-6) 힘이 결정된 상태

(4. 시뮬레이트 하기)

그림 2-3-7) 시뮬레이트

그림 2-3-8) 시뮬레이트 진행중(계산 단계)

논리적인 계산을 수행하고 있습니다.

이러한 범용 시뮬레이션으로 처리가 안 되는 경우에는 HPC(슈퍼컴퓨팅) 등을 수작업으로 구현하는 것도 하나의 방안입니다.

그림 2-3-9) 에니메이트 시연

직접 시연한 영상입니다.

한번 시청해보세요. (4초 분량)

study_force.7z

2-4. 모멘트(Moment)에 의한 응력 실험 with 폰 미세스 응력

앞서 실험을 진행했던 조건을 지웁니다.

-> 구속조건(Constraint), 하중(Load)

그림 2-4-1) 실험 초기화

(1. 고정 구속조건)

아래의 그림처럼 고정 구속조건을 결정해줍니다.

모멘트를 지지하는 고정 요인을 결정해줘야 합니다.

그림 2-4-2) 고정 구속조건 결정하기

모멘트를 클릭합니다.

화살표 방향처럼 원통 축을 기점으로 벡터 구성요소가 작용한다고 소개되고 있습니다.

그림 2-4-3) 모멘트

아래의 그림은 모멘트를 결정한 것입니다.

모멘트의 방향을 대칭으로 하였으며 작용하는 크기는 100N mm로 하였습니다.

그림 2-4-4) 모멘트 결정 조건(Moment determination condition)

그림 2-4-5) 시뮬레이션 진행하기

그림 2-4-5와 같이 시뮬레이션을 진행하면 됩니다.

(예제)

study_moment.7z

3. Mesh 결정하기

좀 더 섬세하게 진행하고 싶다면, Mesh를 결정하는 것도 하나의 방법입니다.

그림 3-1) Mesh 결정하기(Determining Mesh)

4. 폰 미세스 응력

폰 미세스 응력(Von Mises Stress)에 대해서 추가적으로 알고 싶다면 아래의 글을 참고하면 도움이 될 것입니다.