2015학년도

기계설계프로젝트 최종 보고서

과제명 : 다양한 지반에서 주행이 가능한 축소형 크롤러

(2015년 3월 2일 ∼ 5월 27일)

팀명: C.C(Crazy & Creative)

기계공학 설계프로젝트 최종보고서를

붙임과 같이 제출합니다.

2015. 05. 27

대구대학교 기계자동차공학부(기계공학전공)

제 출 문

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본 보고서를 대구대학교 기계자동차공학부 설계프로젝트 과제    "다양한 지반에서 주행이 가능한 축소형 크롤러"의 결과보고서로 제출합니다. (과제기간 : 15. 03. 02 ~ 15. 05. 27)

2015. 05. 27

담당교수 :       이  동  활      (인)

대표학생 :       김  성  구      (인)

참여학생 :       김  민  구      (인)

김  민  우      (인)

김  원  명      (인)

박  인  규      (인)

이  기  주      (인)

정  원  욱      (인)

보고서 작성 윤리 서약서

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본인은 보고서를 작성함에 있어 다음과 같이 연구 윤리 및 보고서 작성 윤리를 준수하였음을 서약합니다.

1. 본인은 다른 학생의 보고서를 복사(copy)하지 않았습니다.

2. 본인은 다른 사람의 보고서 내용 중 전부 또는 일부를 무단으로 도용하거나 인터넷에서 내려받기(download)하여 대체하지 않았습니다.

3. 본인은 보고서에 참고자료를 인용할 경우 원본의 출처를 반드시 표시하였습니다.

2015. 05. 27

담당교수 :       이  동  활      (인)

대표학생 :       김  성  구      (인)

참여학생 :       김  민  구      (인)

김  민  우      (인)

김  원  명      (인)

박  인  규      (인)

이  기  주      (인)

정  원  욱      (인)

목  차

최종보고 요약문 제1장 과제내용 및 목표 제1절 과제의 목적 제2절 과제의 정량적 목표 제3절 필요성 및 결론 제2장 과제도출 과정 ·············································································· ·········· 제1절 후보과제 제2절 과제선정 결과 제3장 연구내용 제1절 개념설계 제2절 특허조사 분석 제4장 상세 설계 제1절 기본설계 제2절 제품 사양서 제3절 시스템 구성도 제4절 제어부 설계도 제5절 기구부 설계도 제6절 해석결과 및 분석 제5장 성능평가 제1절 정량적 목표 및 분석검토 제6장 결론·································································································· 제1절 결론 및 문제점 제2절 향후계획 참고문헌 데이터시트, 사양서, 논문, 표준자료, 규격서, 메뉴얼

최종보고 요약문

과제명

다양한 지반에서 주행이 가능한 축소형 크롤러

팀명

C.C(Crazy & Creative)

팀원

팀장 : 김성구 팀원 : 김민구, 김민우, 김원명, 박인규, 이기주, 정원욱

과제기간

20015 년 3 월 2 일  ~   2015 년  5 월  27  일

1. 개발내용 및 목표

- 개발내용

크롤러에 500Kg의 적재 하중을 싣고 습지를 제외한 흙, 자갈, 모래 등의 다양한 지반을 5km/h의 속도로 주행하도록 설계함.

- 체인 축& 기어 구동 설계

- 구조해석 : 적재하중을 견딜 수 있는 기구부의 안전성을 고려한 소재의 선정과 횡 하중, 집중 하중에 대한 버팀 설계를 통해 기구부의 설계방향을 제시한다.

2. 개념설계 및 상세설계

1) 개념설계

기존 1:1(1860mm-2540mm-573mm)사이즈를 약 1:3 (970mm-840mm-250mm) 축소형으로 제작

기존 크롤러의 축소를 통해 제작 비용을 줄이고 학부과정에서 배운 기계공학적 지식을 활용하여 2D 도면, 3D CATIA설계, CAE 구조해석을 함으로써 기구부를 완성하고 전자적인 요소를 결합하여 리모트 컨트롤러를 통한 원격제어 크롤러를 만드는 것이 주 목적.

전체 구성소재의 선정 및 해석을 통해 주어진 하중에 대한 안전율 및 변위를 결정하고 모터 토크 등의 계산을 바탕으로 최적화된 구조물을 설계 하고 재료비를 절감 및 효율적인 동력 전달을 고려해 부품을 선정.

초기 설계 결과	현재 설계 결과

- 정량적 목표

항목	목표	단위	측정방법	측정횟수
속도	5	km/h	스탑워치	10회
적재하중	500	kg	해석 s/w	-
장애물 통과	0.1	m	0.01m씩 증가시키며 주행	10회

2) 상세 설계

자중60kg과 예상 적재하중 500kg의 무게를 버티며 주행하여야 하므로 큰 토크가 필요해서 감속기와 일체형인 모터를 선정. 큰 마찰력과 습지를 제외한 다양한 지반에도 주행이 가능하여야하므로 중점을 두었다. 그 후 컨트롤러와 하드웨어에 필요한 각종 전기전자적인 부품을 선정함으로써 하드웨어의 설계 완료. 다음 CATIA를 통해 3D 모델링을 함으로써 최종 디자인을 결정 및 완성 후 프로그래밍 및 구조 해석을 위한 계획을 수립. 3D 모델링 되어진 크롤러 상단에 500kg의 분포하중으로 올려 구조 해석을 진행하여 결과에 따른 구조를 수정하여 다시 재해석을 진행하며 기구부 설계를 정한다. 2D 도면을 작성함으로써 학부과정에서 배운 2D 도면 작성법을 다시 숙지하고 가공에 적합한 실무 도면작성법을 경험해본다. 설계 과정을 거치며 교수님과 자문가에게 기구 설계 및 가공도면 작성법에 대한 자문을 요청 및 피드백을 적용하면서 최종적으로 3D 모델링과 2D 도면으로 외주업체에 가공을 의뢰한다. 제어부의 설계 과정은 모터 선정에 앞서 적재하중 및 자체중량을 고려한 토크 값에 맞는 DC 모터를 선정한다. 5V 기어드 모터 구동에 예제 및 응용 소스를 사용하여 구동하며 결과를 확인한다. 선정한 모터에 프로그래밍한 소스를 적용하여 구동을 확인한다. 이 과정 속에서 회로도, 배치도를 작성 후, 확인 및 PCB기판에 전기전자적인 부품을 납땜하면서 하드웨어를 제작한다. 원격 제어를 위해 컨트롤러와 수신기의 작업을 진행 및 완료한다.

3.결론

건설기계의 특성상 열악한 지형 또는 다양한 지반에서 작업하게 되는 경우가 많기에 다양한 지반에서 주행이 가능하며 높은 하중을 지지할 수 있도록 설계하였습니다. NFX를 통하여 각 주요 부품에 작용하는 힘을 해석하였습니다. 제대로 된 도면을 작성하기 위해 따로 공부하면서 도면 수정을 실시하였습니다. 그러면서 교수님과의 상담 후 전년도에도 설계프로젝트의 자문과 가공에 도움을 주었던 업체 JSNT에 자문 및 가공 의뢰를 하게 되었습니다.  4월 17일부터 JSNT의 자문가와 유선 및 방문을 통해 완성도 높은 작품을 가공하기 위해 도면과 기구부의 모델링 오류 부분을 수정하는 것에 시간이 지체 되었습니다. 4월 26일까지 완료 예정이었던 도면 작업을 5월 6일에 최종 완성 하였지만, 구매 기준이 강화되어 또 다시 약 2주 늦어져 발주도 늦어지게 되었습니다.

제어부는 초기 발주가 2주 지연된 상태에서 인터럽트 실험으로 모터의 구동을 확인하였고, 유선통신을 통한 조이스틱으로 모터제어를 하기 위해 구동 중, 부품 손상으로 인하여 재발주를 하게 되었고, 남은 부품으로 모터제어에 성공하여 부품이 온다면 완벽하게 제어가 가능 할 것 이다. 최종 단계인 무선통신은 시간 부족으로 실행에 옮기지 못했다.

제1장 과제내용 및 목표

제1절 과제의 목적

현재 설계프로젝트를 진행하는 학부생들은 크롤러가 포함된 제품 설계의 프로젝트 시행 시 대부분의 학부생들은 크롤러를 직접 제작하는 것이 아닌 업체의 완제품으로 사서 하는 경우가 많습니다. 그래서 저희 팀은 완제품의 크롤러가 아닌 학부 과정에서 배운 전공지식을 바탕으로 자체적으로 제작하였습니다.

전공 지식을 활용하여 프로젝트로 선정한 다양한 지반에서 주행이 가능한 축소형의 크롤러를 개발하는데 주안점을 두었습니다.

다양한 지반에서의 주행이 가능한 원격제어 크롤러의 경우 재료선정부터 구조해석, 원격제어를 위한 프로그래밍까지 기계공학전공에서 배울 수 있는 많은 전공분야가 포함되어있고 우리가 이미 배워온 것을 활용하기에 알맞은 주제이며 축소화 및 원격제어에 초점을 두고 개발하기에 적합한 제품입니다. 고체역학과 기계공작법 및 실습 과 CAE를 통해 주어진 하중을 해석하고, 해석결과에 따른 소재선정과 및 견디는 정도 해석, 원격제어를 위해 메카트로닉스로 모터 드라이버 선정 및 C언어를 통해 프로그래밍 할 수 있으며 기계요소설계를 통하여 모터선정 및 축 설계 등을 활용하여 만들어 보인다면 크롤러를 학부과정의 수준으로도 만들 수 있다는 제작적 가치와 축소화된 크롤러를 보며 구동 원리와 제어를 직접보고 배울 수 있다는 교육적 가치가 크기 때문에 이 과제를 시작하게 된 목적입니다.

제2절 과제의 정략적 목표

항목	목표	단위	측정방법	측정횟수
속도	1.67	m/s	스탑워치	10회
적재하중	500	kg	해석 S/W	-
장애물 통과 높이	0.1	m	0.01m씩 증가시키며 주행	10회

제3절 필요성 및 결론

⦁필요성

오늘날 많은 곳에서 도시화가 진행 되었다. 새로 지어진 건물이 많은 반면에 오래된 건물들도 대 다수이다. 오래된 건물들이 있는 곳은 비교적 골목도 좁은 편이고, 대형 건설기계들이 들어갈 수 없는 조건을 가지고 있다. 또한, 건물 내부에서 공사를 진행 할 때에 수작업에는 어려움이 있다. 여기서 이 장비의 필요성이 느껴진다. 협소한 공간과 무거운 물체를 이동시켜 줄 장비이다. 상부에 어떠한 종류의 어태치먼트를 장착하느냐에 따라 여러 가지 조건에서 작업이 가능하다. 이 제품을 개발하고, 상품화 한다면, 조금 더 작업자들에게 편의성을 제공 할 수 있을 것이다.

⦁결론

좁은 장소에서 인력으로 무거운 건설재료 및 장비를 가지고 왔다갔다하며 작업하기란 많은 위험이 있다. 예를들면 건설재료가 사람들을 쳐서 부상을 입히거나 주변의 조형물을 건들기라도 한다면 거기에 대한 손해 또한 막심할 것이다. 이러한 이유로 우리는 다양한 지반을 주행하는 크롤러를 제작함으로써 대형건설기계들이 접근하기 어려운 공간이나 습지를 제외한 다양한 지반에서도 용이하게 사용할 수 있게 할 것이다. 어태치먼트의 형식으로 하부구동체 위에 작업방식에 맞는 상부구동체를 얹을 수 있게 제작할 것이며 이에 어태치먼트 상부구동체의 무게와 작업도중 적재무게를 고려하여 500kg의 하중을 목표로 잡았다. 이런 고 하중을 버티며 주행하는 데 작업속도에 맞출 수 있게 평균적인 성인의 걸음걸이(4km/h)를 기준으로 1.67km/h의 속도를 목표로 하여 작업하는데 있어서 급하지 않게 작업할 수 있게 하였습니다. 또한 건설현장인 만큼 지면에 다양한 장애물들이 많을 것으로 판단하여 0.1m의 높은 장애물도 힘으로 뛰어넘을 수 있게 제작 할 것입니다.

제2장 과제도출 과정

제1절 후보과제

1. 소형 다용도 덤프

- 요구 기능

➀컨트롤러 조작을 통한 사륜구동 주행

➁조향을 위한 정회전과 역회전이 가능한 주행제어

➂유압 실린더를 사용하여 암에 장착한 블레이드로 흙을 적토

④적재함에 실린 흙을 원하는 곳에 유압실린더를 사용하여 덤핑

- 필요기술

① 컨트롤러 조정을 통한 조향제어

② 블레이드, 적재함, 암을 설계 및 해석(CATIA, NFX)

③ 유압 회로 제어 (Atmega)

④ 프레임 용접(Ar or CO2)

2. Multi Logging (벌목장비)

- 요구 기능

➀ 유압을 이용한 관절 제어

➁ 모터를 이용한 그래퍼 및 커터의 회전제어

➂ 상부 구동체 회전을 위한 모터 제어

④ 구동을 위한 컨트롤러 제작

➄ 산악지형을 고려한 크롤러 구조

⑥ 동시 작업을 위한 컨트롤 기능

⑦ 주행성능 5Km/h

-필요기술

① 유압실린더, 유압모터 유압 분배기 사용

② 제어를 위한 AVR프로그램 사용

③ 원거리 컨트롤러 제작

④ 글라인더 사용

⑤ 하중지지 해석을 위한 CAE 사용

3. 덤프 트럭 적재함

- 요구기능

① 블라인드를 치기 위한 모터 제어

② 물 분사를 위한 공압 제어

③ 배수펌프를 이용한 수위 조절 센서

④ 적재함 과중량방지를 위한 중량 센서

⑤ 덤프 기술을 유공압 제어

⑥ 수위 조절의 경고등

⑦ 주행성능 5Km/h

- 필요기술

① 제어를 위한 AVR사용

② 경고등 위한 LED 사용

③ 콤프레셔 사용

④ 유압실린더,유압모터,유압 분배기 사용

3. One Catch Clear Complex (벌목장비)

- 요구기능

① 유압을 이용한 관절 제어

② 목재를 자르기 위한 cutting

③ 목재 수송을 위한 이송 제어

④ 상부 구동체 회전을 위한 모터 제어

⑤ 구동을 위한 원거리 통신 제어

⑥ 주행성능 5Km/h

- 필요기술

① 유압실린더,유압모터,유압 분배기 사용

② 제어를 위한 AVR 프로그램 사용

③ 원거리 컨트롤러 제작

④ 글라인더 사용

⑤ 하중 지지를 해석을 위한 CAE 사용

4. Leg Supporter(wearable 장비)

- 요구 기능

① 유압을 이용한 관절 제어

② 하체 고정을 위한 고정 장치

③ 각도 조절을 위한 센서 제어

④ 하중을 지지 할 수 있는 프레임

- 필요 기술

① 유압실린더,유압모터,유압 분배기 사용

② 제어를 위한 AVR사용

③ 앵글 센서 사용

④ 디자인을 위한 CATIA 사용

5. 다양한 지반을 주행하는 크롤러

- 요구 기능

➀ 다양한 지반의 주행( 습지 지반을 배제한 흙, 모래, 자갈의 지반 )

➁ DC 모터를 사용한 주행

➂ 원격 제어를 통한 다양한 조향( 제자리 회전, 방향전환 주행 )

- 필요 기술

① 컨트롤러 조정을 통한 조향제어

② 구동부 및 기구부를 설계 및 해석(CATIA, NFX)

③ DC 모터 및 모터 드라이브 제어 (AVR)

제2절 과제선정 결과

< 다양한 지반을 주행하는 크롤러 >

- 요구 기능

➀ 다양한 지반의 주행( 습지 지반을 배제한 흙, 모래, 자갈의 지반 )

➁ DC 모터를 사용한 주행

➂ 원격 제어를 통한 다양한 조향( 제자리 회전, 방향전환 주행 )

- 필요 기술

① 컨트롤러 조정을 통한 조향제어

② 구동부 및 기구부를 설계 및 해석(CATIA, NFX)

③ DC 모터 및 모터 드라이브 제어 (AVR)

- 선정이유

후보과제 분석 여러 가지의 후보 과제 중에서도 단순 원격제어로 주행을 하더라도 학부생이 한번도 시도해보지 않은 크롤러를 제작할 수 있다는 제작적 가치, 이것을 제작함으로써 건설트랙 및 일반 학부생들에게 크롤러의 구동체계를 눈으로 확인할 수 있게 해주며 교육적 가치 또한 보여줄 수 있다고 판단하였습니다. 그리하여 프로젝트명을 <다양한 지반을 주행하는 축소형 크롤러>로 최종 결정하였고, 시제품제작을 위해 기존 모델에서 시제품의 축소비를 고려 후 시제품 크기를 결정하고 그에 맞는 소재 및 부품 선정, 주어진 하중을 견디기 위한 CAE 구조해석, 원격제어를 위한 AVR 프로그래밍, 주행을 위한 DC 감속기 모터 선정, 기구학적인 설계를 할 것입니다.

제3장 연구내용

제1절 개념설계

1. 이론적 배경

크롤러는 일반적인 도로가 아닌 흙이나 자갈 같은 비포장도로 지형이 험난한 곳에서의 건설기계의 하부구동부에 많이 사용한다. 크롤러는 접지면적이 넓어 하중을 분산시켜서 지반이 약한 곳에서도 사용하고, 트랙의 두 줄의 돌출된 러그부로 마찰력을 높여

흙이나 자갈 등의 비포장 도로 에서도 추진력을 얻어 이동이 용이합니다.

저희는 기존의(3100mm-4250mm-1560mm)사이즈를 970mm-840mm-250mm으로 축소하여 제작하고 전자적인 요소를 결합하여 원격제어 크롤러를 만드는데 목적이 있습니다.

또한, 기존의 크롤러의 축소를 통해 생산 비용을 줄이고 학부과정에서 배운 기계공학적 지식을 통해 최소의 비용, 최적의 부품을 선정하겠습니다.

설계 계획에 있어서 먼저 크롤러에 대한 기본 정보를 바탕으로 알맞은 부품을 선정한 후 도면화하여 크롤러 전체적인 몸을 설계한 후 원격제어를 위한 프로그래밍을 시작합니다. 프로그래밍을 시작하기에 앞서 Software NFX의 구조해석을 통해 전체 구성소재의 선정 및 해석을 통해 주어진 하중에 대한 안전율 및 변위를 결정하고 토크 등의 계산을 바탕으로 그밖에 부품들을 선정합니다. 가격 및 성능에서 기존의 크롤러와 차별화 하여 경제적 및 기술적으로 이점을 취할 수 있도록 접근 하겠습니다.

크롤러 요구기능	크롤러 모델링
다양한 지반을 주행(습지 지반을 배제한 흙, 모래, 자갈 등의 지반)
DC감속기어모터를 사용한 주행
원격제어를 위한 컨트롤러 제작

제2절 특허조사 분석

① 떼고 끼워 넣을 수 있는 측부를 가진 크롤러 수송수단

요약

안으로 끼워넣을 수 있는 측부(5)를 가지는 크롤러 수송 수단은, 다수의 가로 비임의 미끄럼 운동을 일으키는 액츄에이터가 장착된 중심체(1)로 이루어지는데 각 가로 비임의 단부(4A)는 크롤러 측부(5)에 고정된다. 단부 부분(4A)은, 크롤러 측부(5)에 마련된 각 단부에 대응하는 시이트(5A)에 분리할 수 있게 연결하기 위한 장치를 가진다. 상기 크롤러 수송수단은, 액츄에이터에 의해 중심체(1) 내부로 비임을 넣을 수 있고 크롤러 측부(5)는 비임(4)에서 분리될 수 있는 수송 또는 수송배치를 할 수 있다.

1. 초기 시제품은 목표하중인 500kg의 하중이 주어질 때 바디프레임과 크롤러에 주어진 하중을 지지하기 위해 아래 사진의 파란색 동그라미 부분인 하우징 커넥터를 부착하여 바디프레임과 크롤러를 연결 및 지지를 하였으나 바디프레임과 하우징 커넥터의 접촉면 부분에 응력 집중현상이 발생해 팀 회의를 통해 특허를 조사하던 중 위의 특허에서 바디프레임과 크롤러를 평강으로 연결하는 것을 착안하여 하우징 커넥터가 아닌 횡력을 잘 버티는 I 형강으로 교체

2)

유사점:

안으로 끼워 넣을 수 있는 측부를 가지는 특허제품은 각 가로 빔의 단부는 크롤러의 측부에 고정되는 부분과 시제품의 바디프레임과 크롤러를 빔으로 고정시키는 부분이 유사하다.

차이점:

특허제품의 측부는 시제품의 외부 장애물 유입 방지의 역할이 큰 사이드파트와 다르게 중심체와 크롤러를 고정시키기 위한 역할이 더 크다.

➁ 작업차의 크롤러 주행장치

요약

본 발명은 작업차의 크롤러 주행장치에 관한 것이고, 이 크롤러 주행장치는 크롤러 벨트의 접지축에 접촉하는 복수의 접지구름바퀴와 크롤러 벨트의 상측에 접촉하여 크롤러 벨트의 처짐을 규제하는 상부구름바퀴를 구비하고 있다.

복수의 접지구름바퀴는 1개소를 제외하고 설정의 등간격으로 배치되어있고, 이 1개소에 있어서는, 설정의 간격보다 넓은간격으로 접지구름바퀴가 배치되어있다. 이와같은, 간단한 구조에 의해 주행노면에 돌출이 있어도, 이 돌출이 넓은간격을 가지는 부분에 들어가기 때문에 기체가 들어올려지는 일이 적게 되어 안정된 주행이 가능하게 된다.

1

2

특허제품 크롤러

시제품 크롤러 배면도

시제품 크롤러 우측면도

3

유사점:

특허제품의 크롤러 트랙의 접치축에 접촉하는 복수의 접지구름바퀴(8번)와 시제품의 복수의 롤러(1)의 하중분산 역할과 크롤러 트랙의 상측에 접촉하여 크롤러 트랙의 처짐을 막아주는 상부구름바퀴(9)와 트랙의 장력을 조절하는 아이들러(2)의 역할이 유사하다.

차이점:

특허제품은 1개의 설정 간격보다 넓은 간격으로 배치된 접지구름바퀴(6)가 배치돼 주행노면에 돌출이 있어도 역삼각형 구조의 부분에 들어가기 때문에 기체가 들어 올려지는 일이 적지만 시제품은 동일 간격 배치(3)이기 때문에 돌출 장애물로 인해 기체가 들어지는 일이 높다.

제4장 상세설계

제1절 기본설계

• 적재하중 500kg을 버티기 위하여 기구부 설계

• 유선 리모트 컨트롤을 사용한 DC모터 제어

• 좌우 바퀴 속도 차이에 의한 조향기능

• 적재물을 싣고 이동할 수 있는 모터 출력

제2절 제품 사양서

1. 시제품 사양

시제품 사양	주행속도 : 약 2km/h 제품중량 : 약 60kg 적재중량 : 500kg 장애물 통과 높이 : 0.1m 구동방식 : 유선 리모트 컨트롤러를 이용한 DC모터 제어 ㄹ 도전고무다리를 이용한 주행

2. 부품 사양서

AVRMEGA128모듈(AM-128PRO) ATMega128 16AU AVR 마이크로컨트롤러 사용 2줄짜리 2.54 Header Pin이 양쪽으로 32핀씩 배치됨 MAX232내장으로 RS-232 통신가능 UART0, UART1(별매 Serial Cable 필요) ISP 커넥터, 16Mhz X-tal, Reset S/W, 전원 LED 내장 크기 : 47mm x 47mm	아날로그 2축 조이스틱 스위치 (Thumb Joystick) 정격 전원 : 0.0125W 최대 작동 전압 : 50V AC, DC 5V 작동 주기 : 100000 cycles
NT-DC20A 50X60X12.2(mm) 공급 전압 12-24V 최대 피크 전류 40A(방열판) 최대 지속 전류 7A(방열판) PWM 전환 범위 8-24KHz	홈볼베어링 6006ZZ(쉴드타입)

MY7712GZ-200W-24V MAX 토크 : 12.9 N*M 전류 : <=13A 전압 : 24V 효율 : >=72%	ES12-12 STAND-BY USE : 13.5 ~ 13.8V NO LIMIT (initial current) CYCLIC USE : 14.4 ~ 15.0V 3.0A MAX (initial current) Size : 151 X 98 X 94 (mm) Weight : 4.0kg
AL3030 30X30X340 30X30X800 30X30X125 AL3060L 30X60X125	AL60 400X800X5 400X800X10

아타치 체인 WK1-복열	도전고무다리

제3절 시스템 구성도

1. 시스템 구성도

제4절 제어부 설계도

MY7712GZ-200W-24V
MAX 토크 : 12.9 N*M

전류 : <=13A

전압 : 24V

효율 : >=72%

<모터 설계>

Motor 용량 산출

[eqn: kw= {W TIMES mu TIMES v} over {6.12 TIMES eta }# = {0.56 TIMES 0.2 TIMES 83.4} over {6.12 TIMES 0.8}# =1.9kw]

*Torque

[eqn: T=9740 TIMES {H} over {N} `# =9740 TIMES {1.9} over {199.6}# =92.71kg/cm# =908.6N/cm# =9.08N/m]

모터 선정에 따른 수식

1.개수 마찰계수 0.2

2.정격 운전 상태의 속도 또는 회전속도

회전속도 : 모터 130rpm 감속비 => 계산

바퀴 직경 : 113mm, 원주 길이: 113[eqn: pi]□ □ □

분당 이동거리 : □130rpm x 원주길이 113mm(0.113m)[eqn: pi] = 46.15m

운전 상태의 속도 :□130*113[eqn: pi]/60□= 0.7m/s

3.주요 부하 토크

[eqn: F _{f} = mu mg] 0.2 * 60[eqn: kg] * 9.8[eqn: m/s ^{ 2}] = 117.6[eqn: kg BULLET m/s ^{2}] =>117.6Nm

[eqn: T _{f} =F _{f} r]  117.6 * 0.056 => 6.6Nm

초기실험: 타이머/카운터를 이용한 인터럽트 제어

실험 목적 : 5V DC모터와 인터럽트 스위치를 이용 정/역/정지/가감속 제어

실험 목표 : 5V DC모터를 이용한 PWM 제어

인터럽트 실험 H/W

구성품 : 모터드라이버, Atmega128, 인터럽트 스위치

고찰

2개의 DC모터를 이용한 2륜구동 주행을 5V DC모터로 대체하여 실험

PWM제어를 위해 타이머/카운터를 사용하여 인터럽트가 발생할 때 정지/역회전/정지의 제어를 확인했다. 이 실험을 통하여 만들어진 프로그램 소스를 기반으로 실제 시제품의 DC모터의 정회전/역회전/정지를 제어가 가능했지만, 인터럽트 스위치를 사용하였기 때문에 1번의 입력밖에 되지 않아 가감속 제어는 성공하지 못하였지만 최종으로 조이스틱은 가변저항을 사용하기 때문에 조이스틱으로 제어 시 가감속 제어가 가능 할 것으로 예상되어 인터럽트 실험은 마치고 다음 실험인 AD컨버터를 이용한 조이스틱 제어 실험시작.

조이스틱 실험

AD컨버터를 이용한 조이스틱 전압값 display(7-segment display)

조이스틱 하강	조이스틱 중립	조이스틱 상승
전압값 - 0	전압값 - 516	전압값 - 1023

조이스틱 측정 전압 값 전체 범위 0~1023

조이스틱 H/W 제작

H/W 구성 품 : 모터드라이버 2EA, Atmega128, 조이스틱 2EA, LCD

고찰

인터럽트 실험에서 실패했던 가감속 제어 성공, 그러나 실험 도중 파손으로 남은 1개의 모터드라이버로 1개의 DC모터로 실험했기에 실질적으로 동시에  2개의 DC모터 제어는 사실상 불가능 했지만 모터드라이버 1개로 위치를 바꿔가며 실험해본 결과 각각의 제어가 성공했기에 추가 발주한 모터드라이버가 오면 2개의 DC모터를 동시에 제어가 가능할 것으로 예상된다.

시나리오

#1 : 500kg의 하중 적재를 증명하기 위한 사람탑승 후 주행

#2 : 전진-좌회전-우회전-U턴

#3 : 장애물 통과

2. 회로도

< Main Controller >

제5절 기구부 설계도

1. 설계개발과정

1차 모델링
Al	Rubber
매끄러운 지면이라도 확대하면 위와같이 울퉁불퉁한 표면을 가린다. 이때 Al소재가 아닌 Rubber를 사용하게 되면 울퉁불퉁한 표면에 고무의 표면이 끼워 맞춰지므로 마찰력이 Al보다 더 크므로 주행하는데 어려움이 없을것이라 판단하여 설계하였다. 캐터필러의 앞쪽과 뒤쪽에 모터를 달아 총 4개의 모터를 사용하여 동력을 극대화 시켰다.

2차 모델링

600mm-740mm-250mm ▶ 710mm-790mm-320mm

실제 하부구동체에 사용하는 고무트랙을 채택하여 마찰력을 높였다. 규격에 맞추어진 고무트랙의 제원을 알기 위해 시중에 판매 중인 제품의 규격집을 참고하여 트랙의 규격에 맞추고 서스펜션의 제작여건을 고려하여 위와 같은 모델이 변경되었다.

윙을 사용하여 side part를 좌측과 우측 각각 고정할 수 있게 하였고 모터를 좌측과 우측 각각 1개씩 총 2개의 모터를 사용하게 설계하였다.

모터의 동력이 앞쪽에있는 스프라켓으로 전달되면 그 스프라켓을 중심으로 트랙이 회전하면서 중앙의 롤러부와 뒤쪽 아이들러는 트랙이 회전하는데 도움을 줄 수 있게 하였다.

최종모델링

710mm-790mm-320mm ▶ 970mm-840mm-250mm

전체적인 크기는 커졌지만, 고무트랙에서 체인으로 교체함으로써 실제 크롤러 모델에 더욱 흡사해졌다. 하지만 보통 체인으로 사용할 시 체인에 부착된 플레이트가 지면과의 마찰력이 적어서 앞으로 전진하는데 어려움이 있다.

그래서 체인에 플레이트를 부착하여 플레이트에 우레탄 코팅을 하려하였으나 제작여건을 고려하여 차선책으로 체인에 도전고무다리를 부착하도록 설계하였다.

500kg의 하중을 상판에 주었을 때

윙 = 변위 : max 0.5 mm 좌굴

빔 = 변위 : max 0.02mm 좌굴

기존에 윙을 side part에 끼워 볼팅하는 것보다 좌측의 side part와 우측의 side part까지 이어진 빔을 볼팅하여 더 높은 하중을 버틸 수 있게 설계하였다.

< side part 설계 >

기존의 굴삭기

1. 초기 시제품은 목표하중인 500kg의 하중이 주어질 때 바디프레임과 크롤러에 주어진 하중을 지지하기 위해 아래 사진의 파란색 동그라미 부분인 하우징 커넥터를 부착하여 바디프레임과 크롤러를 연결 및 지지를 하였으나 바디프레임과 하우징 커넥터의 접촉면 부분에 응력 집중현상이 발생해 팀 회의를 통해 특허를 조사하던 중 위의 특허에서 바디프레임과 크롤러를 평강으로 연결하는 것을 착안하여 하우징 커넥터가 아닌 횡력을 잘 버티는 I 형강으로 교체

< 기어 설계 >

1. 기어 설계 조사

기어는 마찰차의 단점을 보완 동력전달과 확실한 회전운등 가능한 기어부품이다.

모터 구동축과 스프로킷의 종동축  두축이 놓이는  상대위치가 평행이기에 사용할 수 있는 기어의 종류로  Spur gear 와 Helical Gear 두 종류가 있다.

시제품에 사용가능 한 기어 종류

1.Spur gear

평행인 두 축에 고정되어 서로 반대방향으로 회전 시키는 기어

스퍼기어의 이는 축에 평행하게 설계 추력이 생기지않는다.

2. Helical Gear

축에 고정되는 방식의 스퍼기어와 동일하나

헬리컬기어의 이는 축에 평행하지 않고 경사지게 설계된다.

이가 점진적으로 물리므로 축의 회전전달이 원활하다 .

2. 기어의 선정

헬리컬기어는 스퍼기어에 비하여 공작이 매우 까다롭고 회전중 축에 추력(thrust)이 발생한다.

( * 추력이란 회전축과 회전체의 축 방향에 작용하는 외력 )

축이 원활한 회전을 하기 위해서는 스러스트 베어링을 사용하거나 또는 더블 헬리컬기어(기어 일반 헬리컬 기어에서 발생하는 추력을 없앨 목적으로 비틀림 방향이 다른 두 개의 헬리컬 기어을 조합한 기어)를 사용 하면 문제점을 해결할 수 있지만 최종적으로 기어형상이 간단하고 설계에 용이한 스퍼기어를 사용하기로 결정

기어비 1:3 스퍼기어 설계

- FRT Axis 축에 고정되는 기어 1:3에서 3에서 해당

설계변수 설정

*압력각 20도  : 이와 이가 맞물려 기어가 회전할 때 기어의 접촉각은 20도를 주로

사용

*PCD (피치원직경):132mm = Z*M

*모듈 (=M) : 이빨의 크기 = 2 (M2 = 2mm)

*Z(잇수):  66개( 사이드 파트 안에 들어가며 높이 150mm 보다 작은 규격에서 선택

*축에 조립할 목적의 구멍(공차=H7, 키 홈 기어 중심에 가공 )

- MTR  Gear  1:3에서 1에 해당하는 기어

설계변수 설정

*압력각 20도  : 이와 이가 맞물려 기어가 회전할 때 기어의 접촉각은 20도를 주로

사용

*PCD (피치원직경):44mm = Z*M

*모듈 (=M) : 이빨의 크기 = 2 (M2 = 2mm)

*Z(잇수):  22개( 사이드 파트 안에 들어가며 높이 150mm 보다 작은 규격에서 선택

*축에 조립할 목적의 구멍(공차=H7, 키 홈 기어 중심에 가공 )

* Module :Figure1을 뜻하고 Module이 증가 할수록 기어의 서로 밀어내는 힘이 증

가하여 상대 기어에 힘을 잘 전달 할 수 있다.

* 통상적으로 모듈 2를 설정한다

< 체인 길이 선정 >

	스프라켓의 PCD인 [eqn: EMPTYSET]103.67에 원주 [eqn: pi]와 길이 640[eqn: TIMES]2를 수행하여 체인의 둘레를 구하였다. ( L=PCD[eqn: TIMES][eqn: pi][eqn: TIMES]640[eqn: TIMES]2 = [eqn: EMPTYSET]103.67[eqn: TIMES][eqn: pi][eqn: TIMES]1280=1605.68871 ) 이 식을 사용하는 것은 실제 체인 길이의 조정시 계산을 통해 길이를 정확히 맞출 수 없으므로 Side Part에 tension을 조절 할 수 있는 조절장치를 추가하였다. 아래 제시된 그림과 같은 방법을 사용함으로써 체인의 텐션을 조절하여 탈•부착도 쉽게 할 수 있고, 교체도 쉬워지게 만드는 효과가 생기게 된다. *L=체인 전체 길이 PCD= PITCH CENTER DIAMETER (서로 마주 보는 PITCH간 센터를 지나치는 거리)
( 출처 : Side Part )

1. 시제품 전체 조립도

2-1. 시제품 부품도

< BODY 부품도 >

< BODY 조립도 >

< Body - 상판 >

< Body - 하판 >

- 상판은 접시머리 볼트자리는 규격에 따라 Hole을 일정 간격마다 볼팅 하기 위하여, 위 그림과 같이 구멍 작업을 진행하였다. 두께는 500kg하중이 적재되어 판재가 휘어지는 것을 방지하여 BODY부 중앙에 프로파일 AL3030을 대어 처짐을 방지 하고 안전율은 높였다.

- 하판을 5t를 하였을 때 상부에 500kg의 하중에 올라가면 판재가 버티지 못하여 배터리 등 여러 재료들이 불안정 할 수 있으므로 휨 현상 등을 방지하고 안전율을 증가시키기 위하여 10t의 판재를 사용한다.

< 언더캐리지 조립도 >

< 구동부 부품도 - 1. Side Part>

- 사이드 파트에서 중앙 롤러가 들어가는 네 부위는 롤러의 지름이 [eqn: EMPTYSET]30이므로 그에 맞게 가공 하고, 축이 결합될 시 일체형으로 만들기 위하여 볼트 체결한다. FRT 스프라켓 부분이 결합되는 부분에는 Gear에서 받는 동력을 전달해야하기 때문에 베어링 6006ZZ의 규격에 따라 Hole을 가공한다. BACK 스프라켓이 들어가는 부위에는 체인의 텐션을 조절하기 위한 조절장치를 넣는다. 이 부분은 볼트의 조임과 풀림에 따라 체인의 텐션이 조절 된다.

< 구동부 부품도 - 2. Sprocket(Back)>

- 체인의 규격에 따라 스프라켓의 잇수를 가공하고 뒤쪽에 들어가는 스프라켓이므로 축에 고정하지 않게 하기 위해 베어링 6006ZZ 규격 만큼을 가공 하고 기존 Axis 보다 크게 가공하여 체인에 의존하여 돌아가게 만든다.

< 구동부 부품도 - 3. Sprocket(Front)>

-Chain의 잇수에 맞물려 돌아가야 한다. Back 스프라켓과 동일한 잇수와 크기도 같지만 FRT Axis에 맞물려 돌아가야 하므로 키, 키홈을 필요로 한다. 스프라켓 잇수와 키, 키홈은 규격에 맞추어 가공한다.

< 구동부 부품도 - 4. Roller(out)>

-Back 스프라켓의 양쪽에 들어가는 롤러로 스프라켓과 같이 축의 지름보다 크게 하고 베어링의 겉을 잡을 수 있는 치수로 정한다. 베어링의 내경과 외경이 각각 30mm과 55mm인데, 베어링의 내부가 돌아가는 치수는 4mm 이고, 양쪽이 8mm일 때 Hole은 38mm 보다 크게 가공한다. 나머지는 베어링6006ZZ의 규격에 따라 가공

< 구동부 부품도 - 5. Roller(in)>

-Back, FRT 스프라켓 사이에 들어가는 롤러로써 잇수를 제거한 [eqn: EMPTYSET]91.5로 가공한다. 하지만 체인이 지나가고 잡아주는 역할을 해야 하므로 기존 스프라켓의 규격과 동일하게 가공하되 이만 없는 상태로 진행한다.

< 구동부 부품도 - 6. FR Gear SRO Roller>

- 구동부 부품도 -> Roller(out)의 가공 방법과 동일하나 FRT Axis의 양쪽에 들어가야 하므로 베어링 6008ZZ의 규격에 맞춰 Hole 가공을 진행한다.

< 구동부 부품도 - 7. Idler, Back Sprocket Axis-1>

- Back 스프라켓의 축에 사용된다. Chain의 Tension을 조절하기 위해 축의 양 끝에 M8짜리 Hole을 가공하고고 스냅링 규격 No.30을 사용하여 규격에 따라 1.75mm로 가공한다.

< 구동부 부품도 - 8. Idler, Back Sprocket Axis-2>

- 최대의 하중을 받기 위해서는 Side part 와 Beam 그리고 축을 일체화 시켜야 한다. 그러므로 축의 양쪽 끝 면에 M10짜리의 홀을 생성하고, 스냅링 규격 No.30번을 규격에 따라 가공한다.

< 구동부 부품도 - 9. Sprocket(Front) Axis>

-FRT 스프라켓의 축으로 FRT 스프라켓이 고정 되기 위해 스프라켓의 키홈 규격과 동일하게 축을 가공하고, FRT 기어에도 키홈이 있으므로 축에 고정하기 위하여 동일한 규격의 키홈을 생성한다.

< 기타 부품도 - 1. FR Gear >

[eqn: ( {PCD} over {Module} = {132} over {2} =66=Z```,````Module=정하는`값)]

- FRT Axis의 축에 고정되는 기어로 1:3에서 3에 해당한다. 기어의 잇수는 사이드 파트 높이 150mm 보다 작은 규격에서 선택하였고, [eqn: {PCD} over {Module} =Z```] *Z:(잇수)이므로, PCD 132에서 우리가 정한 모듈 2로 나누어 잇 수 66개로 가공한다. FRT 스프라켓과 같이 해당 부품이 축에 고정되어야 하므로 기어의 내부에 키홈을 생성

< 기타 부품도 - 2. MTR Gear >

- MTR의 Axis에 고정되고, 1:3 비율에서 1에 해당하고, 3의 Z=66개에서 X[eqn: {1} over {3}]을 하여, Z=22개의 잇수를 구할 수 있다. 여기에 Module=2를 곱하여 PCD=44를 구해내고, PCD 44에 해당하는 규격을 골라 가공 한다.

[eqn: (Z=66 TIMES {1} over {3} =22,```````````PCD=22 TIMES 2=44)]

< 기타 부품도 - 3. MTR Axis >

- Motor에 들어가는 축으로 모터에 고정되어야 한다. 그러므로 기존 모터에 나있는 M4 Hole과 동일하게 가공하여 볼트 작업으로 고정시킨다. 하지만, 이 작업은 축 에 수직한 방향으로만 고정 시켜주므로, 축 방향 움직임을 막기 위하여 기어가 고정되는 반대편에 M12나사산을 가공하여, 너트로 축 방향을 결속시킨다.

< 기타 부품도 - 4.Beam1 >

-Beam1은 Beam2와 같이 크롤러 양쪽 구동부와 기구부를 고정 시켜준다. 이때 하나의 판재를 덧대는 것 보다 경량화 하는 것이 가격, 성능비 매우 좋아 위와 같이 가공하였다. 판재로 가공하였을 때 120x457x50x2.69𝑒^(−6)로 7.37598kg이고, 경량화 하였을 때는 120x457x50x2.69

𝑒^(−6) - 456x76x28x2.69e^(-6) = 4.8kg이 나와 총 2.57598kg이 경량화 되는 것을 알 수 있

다.

[eqn: (120 TIMES 457 TIMES 50) TIMES (2.69 TIMES e ^{-6} )=7.37598kg# 7.37598kg-(456 TIMES 76 TIMES 28) TIMES (2.69 TIMES e ^{-6} )=4.8kg]

< 기타 부품도 - 5. Beam2 >

-Beam2는 Beam1과 같이 크롤러 양쪽 구동부와 기구부를 고정 시켜준다. 이때 하나의 판재를 덧대는 것 보다 경량화 하는 것이 가격, 성능비 매우 좋아 Beam1와 같은 방법으로 가공했다.

판재로 가공하였을 때 225x457x50x2.69𝑒^(−6)로 13.8299625kg이고, 경량화 하였을 때는

225x457x50x2.69𝑒^(−6) - 456x181x28x2.69e^(-6) - 100x153x22x2.69e^(-6)x2 = 5.8kg이 나와 8.0299625kg이 경량화 되는 것을 알 수 있다.

< 기타 부품도 - 6. Bracket>

- Motor를 고정시켜주는 브라켓으로서, 프로파일 AL3030 규격에서 양쪽 위 아래 부분에 고정되기 위하여 형상을 비슷하게 가공하고 축 방향으로의 움직임을 최소화하기 위하여 아래 부분에 프로파일에 볼팅 작업을 실시한다.

제6절 해석 결과 및 분석

1. 해석목표: 크롤러의 바디 프레임에 설치될 어태치먼트의 무게를 가늠할 수 없기 때문에 고하중인 2t까지 극한의 상황에서도 견뎌낼 수 있는 구조 및 취약한 부분을 확인하여 재설계를 통해 보완하고 시제품이 어느 환경에 위치할 것인지를 파악 할 수 없기 때문에 극한의 상황에서도 견딜 수 있는 기구학적 설계

팀에서 정한 정량적 목표인 변위와 안전율을 기준으로 구속 조건 및 목표 하중에서 고하중까지의 다양한 하중조건을 각각의 부품에 부여하여 해석을 진행한다. 해석 결과로 나온 변위와 안전율을 이용하여 팀에서 정한 정량적 목표와 비교하여 그 값에 만족하는 최적의 조건를 찾는다. 또한 해석을 통해 취약한 부분을 확인하고 보완함으로써 해석목표를 만족하는 기구학적 설계를 하는 것이 목표이다.

2. 해석조건

- 정량적 목표 : 변위 1mm 이하, 안전율 8~10 만족

( 원활한 해석을 진행하기위해 간략화를 하여 해석에 필요없는 부분을 제외하여 진행하였습니다. )

- Body Frame ( 소재 AL6061 ) : (노란색 원)

판재 경량 및 가공의 편리함을 위해 AL로 선택

강도와 강성을 만족하기 위해 AL60계열로 최종 채택

① 판재, 프로파일 규격 결정

경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동

하중조건 - Z축 5000/10000/15000/20000 N

요소망(고속사면체) - 20

→ 기준 변위 1mm미만, 안전율 8~10 만족

- Beam/Side Part ( 소재 AL6061 ) : 빨간색 원

경량 및 가공의 편리함을 위해 AL60으로 선택

① Beam-Side Part 하중에 따른

접촉면 - Beam/Side Part 양방향 미끄러짐,

Side Part/Bolt 일체거동

경계조건 - Side Part 고정구속

하중조건 - Z축 5000/10000/15000/20000 N

요소망 - 고속사면체 20

→ 기준 변위 1mm미만, 안전율 8~10 만족

(안전율을 높게 설정한 이유는 통상적으로 정하중에 대해 안전율 2~3으로 정하지만 시제품이 어떠한 환경에 처해질지 모르기 때문에 안전한 설계를 위해 정하중 안전율보다 높게 책정함.)

3) 모델링 및 해석 사례

① Beam / Side Part 해석 결과
	변위(Max)	안전율(Min)
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 5000N
	0.025 mm	25.74
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 10000N
	0.051 mm	12.87
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 15000N
	0.076 mm	8.58
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 20000N
	0.10 mm	6.44

② Beam / Side Part 모델링 재수정 후 해석 결과
	변위(Max)	안전율(Min)
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 5000N
	0.0475 mm	25.36
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 10000N
	0.0951 mm	12.68
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 15000N
	0.14mm	8.45
Beam 1. 소재 AL6061 2. 두께 50mm 3. 하중 20000N
	0.19 mm	6.34

① Body Frame - 판재의 소재 및 T 선정
	변위(Max)	안전율(Min)
판재 소재 AL6061 두께 3T
	12.5 mm	1.56
판재 소재 AL6063 두께 3T
	12.1 mm	2.23
판재 소재 AL6061 두께 5T
	2.71 mm	4.33
판재 소재 AL6063 두께 5T
	2.62 mm	6.17

프로파일 규격 선정( 변위 2mm미만, 안전율 5이상 )
	변위	안전율
해석결과
규격:AL2020	0.04mm	13.6
규격:AL3030	0.03mm	23.7

① Body Frame - 보강재 ( X ) 해석 결과
	변위(Max)	안전율(Min)
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 5000N
	0.678109 mm	9.9944
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 10000N
	1.35622 mm	4.9972
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 15000N
	2.03433 mm	3.33147
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 20000N
	2.71243 mm	2.4986

②Body Frame - 보강재 ( O ) 해석 결과
	변위(Max)	안전율(Min)
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 5000N
	0.358841 mm	16.8306
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 10000N
	0.717682 mm	8.41529
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 15000N
	1.07652 mm	5.61019
Body 1. 소재 AL6061 2. 두께 5t 3. 하중 20000N
	1.43536 mm	4.20765

4) 해석 과정 요약

우리 팀의 목표는 크롤러 위에 필요로 하는 어태치먼트를 설치하여 고하중 지지하는 것입니다. 바디 프레임에 설치될 어태치먼트의 무게를 가늠할 수 없기 때문에 정량적 목표인 500kg에서 고하중인 2t까지 해석을 진행 하였습니다. 또한 극한의 상황에서도 견뎌내야 하기 때문에 크롤러의 바디프레임과 양쪽의 언더케리지를 이어주는 동시에 프레임과 연결되는 빔을 중점적으로 해석 하였습니다.

3D모델링 S.W인 CATIA를 사용하여 각 부품의 형상을 수정하고 NFX를 사용하여 재료 및 각각의 조건등을 변경하면서 고하중을 지지 할 수 있는 최적의 조건을 선정하였다.

1. Body Frame – 보강재 ( X )

소재 선정을 위해 소재 AL6061에 상판의 두께 5T로 해석 하였습니다.
NFX 라이브러리에서 소재의 인장강도는 AL6061 = 172N/mm²의 수치를 가지지만 적재 하중의 범위에 대한 세부적인 정보를 얻기 위해 Body Frame에 대한 해석을 직접 해보고 결과를 통하여 최소와 최대 적재하중을 선택하기로 하였습니다.

① 경계조건 - 고정구속

하중조건 - Z축 5000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

② 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 10000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

➂ 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 15000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

➃ 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 20000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

①,②,➂,➃ 의 결과 값을 통하여 기준 조건을 만족하는 하중의 범위를 결정한다.

2. Body Frame – 보강재 ( O )

소재 선정을 위해 소재 AL6061에 상판의 두께 5T로 해석 하였습니다.
NFX 라이브러리에서 소재의 인장강도는 AL6061 = 172N/mm²의 수치를 가지지만 세부적인 정보를 얻기 위해 Body Frame에 대한 해석을 직접 해보고 결과를 통하여 최소와 최대 적재하중을 선택하기로 하였습니다.

① 경계조건 - 고정구속

하중조건 - Z축 5000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

② 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 10000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

➂ 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 15000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

➃ 경계조건 - 고정구속, 접촉면 - 일체거동,

하중조건 - Z축 20000N, 요소망(고속사면체) - 20

→기준 변위 3mm미만, 안전율 2이상

1, 2의 해석 결과를 통하여 보강재가 있는 경우와 아닌 경우의 차이를 알아보고, 판재의 효율을 높이기 위한 방법으로 보강재를 사용하기로 결정 하였습니다.

3. Beam/Side Part

기존의 언더케리지를 연결하여주는 빔을 해석 함으로써 고하중까지 버틸수 있는 여부를 파악하고 보완할 점을 찾아 형상을 수정해가며 재해석을 진행한다.

접촉면 - Beam/Side Part 양방향 미끄러짐, Side Part/Bolt 일체거동

경계조건 - Side Part 고정구속

하중조건 - Z축 5000/10000/15000/20000 N

요소망 - 고속사면체 20

→ 기준 변위 1mm미만, 안전율 8~10 만족

위의 조건을 적용하여 해석 한 결과 값을 정량적 목표와 비교하여 결과 값이 기준 조건에 만족하는 최적의 조건을 선정한다.

5) 최종 설계안

1. Body Frame

현재 상판은 제일 많은 하중을 받는 부위 이므로 조그마한 구조적 설계나 재질에 따라 값이 바뀔 수 있기 때문에 여러 가지의 가정을 두고 해석을 진행 하였습니다. 먼저 소재의 선정을 위해 AL6063과 AL6061로 1차 해석을 할 것입니다. NFX 라이브러리에 내장된 소재의 인장 강도는 각각 [eqn: 245N/mm ^{2}]와 [eqn: 172N/mm ^{2}]로, [eqn: 73N/mm ^{2}]의 수치적 인 차이를 보였지만 판재를 이용한 해석을 통하여 기준 조건에 만족하는 소재와 T를 선정하기로 하였습니다. 두 소재 종류의 해석 조건은 동일하게 하였습니다. 해석 결과, 기준 변위, 안전율과 비교 시 기준 두 조건을 만족하는 AL6063 / T5로 선정되었습니다.

2차 해석으로 상판의 판재 소재와 T가 결정되었기에 판재를 지지하는 프로파일의 규격을 정하기 위해 경계조건과 구속조건을 사용하여 해석을 해보았습니다. 프로파일 비교 규격은 AL2020과 AL3030으로 정하였습니다. (단 판재의 소재와 두께는 AL6063, T5로 일정하다.)

해석조건을 주어 해석을 한 결과 상판의 변위와 안전율이 기준 조건에 미치지 못하였습니다. 그리하여 기준 조건에 만족시키기 위해 상판의 구조적 변경을 해보았습니다. 상판에 중심에 프로파일을 추가하는 형식으로 변경을 해보았고 동일한 해석 조건을 토대로 해석한 결과 기준 조건에 만족하는 것을 볼 수 있었습니다. 판재의 두께나 프로파일의 규격을 더 늘리지 않고 구조적 변경을 통해 기준 조건에 만족함으로써 미소하지만 비용적인 측면과 경량화를 하였습니다.

= 상판 판재 AL6063 / T5와 프로파일 AL3030으로 결정하였습니다.

2. Bema / Side Part

기존의 Bema / Side Part 모델링에서 500kg ~ 2t의 고하중을 버텨야 합니다. 소재의 경우 AL6061로 정해져 있기에 모델링을 변경해가며 해석을 진행 하였습니다. 해석을 확인 한 결과 팀에서 정한 정량적 목표에서 하중 1.5t까지 견뎠습니다. 하지만 이대로 모델링을 채택 할 경우 AL60계열의 밀도를 사용하여 무게를 계산한 결과 21.1KG로 자체 하중이 너무 높았습니다. 그리하여 팀의 회의를 거쳐 경량화를 위해 재모델링을 진행 무게를 계산한 결과 10.6KG으로 하중을 약10KG 경량화를 하였습니다. 이것을 가지고 해석 한 결과 위의 표에서 볼 수 있는 것처럼 처음 모델링의 해석결과와 큰 차이가 없이 유사한 값을 보이므로 경량화를 진행한 최종 형상으로 결정하였습니다.

제5장 성능평가

제1절 정량적 목표 및 분석검토

- 정량적 목표

항목	목표	단위	측정방법	측정횟수
속도	5	km/h	스탑워치	10회
적재하중	500	kg	해석 S/W	-
장애물 통과 높이	0.1	m	0.01m씩 증가시키며 주행	10회

- 실제 시제품 사양

항목	목표	단위	측정방법	측정횟수
속도	1.7	km/h	스탑워치	-
적재하중	1500 (기구부)	kg	해석 S/W	-
장애물 통과 높이	0.1	m	0.01m씩 증가시키며 주행	10회

제6장 결론

제1절 결론 및 문제점

설계 프로젝트를 진행하며 크롤러의 가장 중요한 기능에 대해 연구를 하였습니다. 건설기계의 특성상 열악한 지형 또는 다양한 지반에서 작업하게 되는 경우가 많기에 다양한 지반에서 주행이 가능하며 높은 하중을 지지할 수 있도록 설계하였습니다.

NFX를 통하여 각 주요 부품에 작용하는 힘을 해석 하였을 때, 상판의 처짐을 두께 및 재질의 변화를 통하여 방지하여 보았지만 팀에서 정한 해석목표에 만족하지 않았다. 그러므로 상판에 프로파일을 덧대는 방법을 통하여 처짐을 방지할 계획입니다.

기구부는 계획대로 진행하기 위해 학기 3월 초 북성로에 있는 만물기공사라는 업체에 찾아가 가공 및 도면 상담을 하면서 팀에서 원하는 납기와 가격 면에서 잘 맞아 여기서 도면 검토 후 가공을 하려고 하였습니다. 하지만 2학기에 작성한 도면은 가공도면으로써 역할을 할 수 없었습니다. 제대로 된 도면을 작성하기 위해 따로 공부하면서 도면 수정을 실시하였습니다. 그러면서 교수님과의 상담 후 전년도에도 설계프로젝트의 자문과 가공에 도움을 주었던 업체 JSNT에 자문 및 가공 의뢰를 하는 것이 전년도 경험이 있기 때문에 학부생의 입장 및 진행상황을 이해해주실 것 같아 바꾸게 되었습니다. 가격대비 성능이 좋은 기구부를 설계하기 위해 4월 17일부터 JSNT의 자문가와 3주간 27회 유선 및 방문을 통해 상담을 진행하면서 도면과 기구부의 모델링 오류 부분을 수정하는 것에 있어서 완성도 높은 작품을 가공하기 위해 시간이 지체될 수 밖 에 없었습니다. 4월 26일까지 완료 예정이었던 도면 작업을 5월 6일에 최종 완성 하였지만, 구매 기준이 강화되어 각종 서류 준비 등으로 인하여 또 다시 약 2주 늦어져 발주도 늦어지게 되었습니다.

제어부는 초기 발주가 2주 지연된 상태에서 인터럽트 실험으로 모터의 구동을 확인하였고, 유선통신을 통한 조이스틱으로 모터제어를 하기 위해 구동 중, 부품 손상으로 인하여 재발주를 하게 되었고, 남은 부품으로 모터제어에 성공하여 부품이 온다면 완벽하게 제어가 가능 할 것 이다. 최종 단계인 무선통신은 시간 부족으로 실행에 옮기지 못했다.

제2절 향후계획

결론 수정 및 보완

아직 시제품이 완성되지 않은 상황입니다. 발표가 끝난 후 5월 29일에 가공업체인 형제정밀에 방문하여 가공 상태를 직접 확인 할 예정입니다. 또한 수정된 목표인 유선통신을 이용하여 모터를 제어하는 소스제작에 심혈을 기울여  6월10일까지 완성할 것이며 만약 시간이 남는다면 처음의 목표였던 블루투스통신을 이용한 무선통신 또한 성공완성하겠습니다. 가공이 완료되고 6월10일에 가공품이 도착하는 즉시 조립 후 제어부와 결합하여 크롤러를 구동시킬 예정입니다.

참고문헌

김 한 호, 곽 윤 근, 2001, “가변 형상 무한궤도 차량의 성능 해석 및 설계”, 한국자동차공학회논문집, 제9권 제1호, pp. 20~27.

한 형 석, 박 태 원, 서 종 휘, 2000, “무한궤도식 주행차량의 동역학 해석에 관한 연구”, 한국 자동차 공학회 2000년도 춘계학술대회

박영일, 2009,“무한궤도 차량의 궤도 강도 및 내구성 평가”, 창원대(산업기계공학과) 학위논문

1. 관련특허

- 시모조노 노부오, 2011, “고무크롤러 및 이에 적합한 스프로킷, 및 고무 크롤러 코어”, 일본 특허실용(출원번호 10-2008-0086523), 한국특허정보원

-가부시키 가이샤, 2004, “크롤러 주행 장치”, 대한민국특허청(출원번호 10-2004-0064627), 서울 : 특허청

- 동일고무벨트주식회사, 2004, “체인 구동을 이용하는 무심금 고무 크롤러를 구비한 언더캐리지”, 대한민국 특허청(출원번호 10-2004-0082181), 서울 : 특허청