실 용 기 구 학 [2nd Edition] Machines and Mechanisms : Applied Kinematic Analysis David H. Myszka 제1장 메커니즘과 기구학.

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1 실 용 기 구 학 [2nd Edition] Machines and Mechanisms : Applied Kinematic Analysis David H. Myszka
제1장 메커니즘과 기구학

2 3. 기구해석도 (Kinematic diagram) 4. 자유도 (Degree of Freedom)
1. 기계와 기구 2. 기계의 운동 3. 기구해석도 (Kinematic diagram) 4. 자유도 (Degree of Freedom) 5. 4절 기구 (Four bar linkage) 6. 실용기구의 종류 및 형성 7. 기구해석 기법 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

3 1.1. 기계와 기구 1.1.1. 기계 1) 공학의 목표 - 인간의 욕구를 실현
기계  1) 공학의 목표 -  인간의 욕구를 실현 2) 기계공학이 실현하는 욕구의 형태 - "일을 쉽고, 편하게 하고 싶다." 3) 기계의 정의     

4 1.1.2 기구 1) 기계의 구성 운동과 힘을 전달하는 부분 ▶ 기구를 지지하는 부분 ▶
운동과 힘을 전달하는 부분   ▶ 기구를 지지하는 부분  ▶ 2) 기계의 예 ▶ Table Lifter 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

5 3) Mechanism 용어 •Linkage or Kinematic chain(연쇄) :
모든 부품들이 결합되어 폐 회로를 구성하는 메커니즘 •Frame(기저) : 바닥, 운동하지 않는 부품 •Link(링크) : 메커니즘의 독립된 부품, 강체(Rigid body), 힘과 운동을 전달하기 위해 인접링크와 연결됨 •Joint(조인트) : 링크간의 이동 가능한 연결부이며 두 링크간의 상대운동을 가능하게 함 Primary Joints Revolute(회전)→Pin(핀) or Hinge(힌지) : 두 링크간의 회전운동 함 Sliding(슬라이딩) →Piston(피스톤) : 두 링크간의 직선운동 함 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

6 • 고차조인트(Higher order joint) : 두 링크간의 회전과 미끄럼이 가능, 즉 복잡한 운동이 가능하므로 고차조인트 임 (a) Cam joint (b) Gear joint • Simple link(단순링크) : 두 조인트만을 가지는 강체 • Complex link(복합링크) : 3개 이상의 조인트를 포함하는 강체 • Point of interest(관심점) : 링크에서 변위, 속도, 가속도 등 기구학 해석의 관심대상이 되는 점 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

7 1.1.3 기구학과 동역학 정역학 (Statics) 역학 (Statics) 기구학 (Kinematics)
기계를 구성하는 부품 사이의 상대운동을 연구. 변위, 속도 및 가속도를 해석 2) 동역학(動力學, kinetics) 동력을 전달하는 동안 기계의 각 부품 상호간에 작용하는 힘 해석. 힘에 의해서 발생하는 운동을 해석 3) 기구해석(kinematic analysis)과 기구합성(kinematic synthesis) 정역학 (Statics) 역학 (Statics) 기구학 (Kinematics) 동역학 (Dynamics) 동역학 (Kinetics) 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

8 1.2. 기계의 운동 1.2.1 기계요소의 대우 · Machine elements(기계요소, 기소) : 기계를 구성하는A, B가 서로 접촉하면서 일정한 상호운동을 할 때 이 두 부품을 각각 기소라 함 · Pairing(대우) : 상대운동을 하는 한 쌍의 기소 사이의 접촉 형태      · 한정대우와 비한정대우 회전운동과 축길이방향의 미끄럼운동을 동시에 할 수 있는 경우는 비한정대우이며 오직 축의 회전운동만이 허용된 형태는 한정대우이다 · 저차대우(lower pairinig) : 면으로 접촉 회전대우 미끄럼대우 나사대우 구면대우 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

9 · 고차대우(higher pairing) : 선 또는 점으로 접촉 
- 구름베어링에서의 볼과 레이스 사이의 점접촉 - 기어의 잇면 사이의 선접촉 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

10 ★ 대우의 기구학적 도시 방법 예 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

11 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

12 1.2.2 운동의 성질 1) 절대운동 - 정지 상태의 특정 물체에 대한 다른 물체의 운동
1) 절대운동 - 정지 상태의 특정 물체에 대한 다른 물체의 운동 - 자동차의 속도는 정지 상태의 지표면을 기준으로 한 절대속도 - 기계에 있어서는 구조물에 대한 각 기소의 운동 2) 상대운동 - 두 물체 사이에 존재하는 운동 - 절대운동 또한 상대 운동의 다른 형태 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

13 1.2.3 운동의 종류 1) 평면운동 - 병진운동 - 회전운동 - 조합운동 2) 나선운동 - 나사를 따라 움직이는 너트의 운동
1) 평면운동 - 병진운동 - 회전운동 - 조합운동 2) 나선운동 - 나사를 따라 움직이는 너트의 운동 3) 구면운동 - 원추롤러베어링에서 롤러가 하는 운동 평면운동 나선운동 원추롤러베어링 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

14 1.2.4 운동의 사이클, 주기, 위상 1) 사이클(cycle) - 기구가 정해진 경로를 거쳐, 처음으로 복귀하는 과정 2) 주기(period) - 한 사이클의 완성에 소요되는 시간 3) 위상(phase) - 임의의 순간에 있어서 링크들의 상대적 위치 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

15 1.3 기구해석도 1) 내연기관의 간략한 형상 2) 기구해석도 (kinematic diagram)
2) 기구해석도 (kinematic diagram)       - 운동에 영향을 주는 주요 치수만을 척도에 맞추어 그림으로 나타내는 것. 링크 1 - 고정링크 링크 2 - 구동링크 링크 3 - 연결봉 링크 4 - 종동링크 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

16 3) 기구해석도 예제 메케니즘과 기구학 (SK Kim) 예제 1-1) 1) 절단프레스 2) 기구해석도
3) 기구해석도 예제  예제 1-1) 1) 절단프레스 ) 기구해석도 예제 1-2) 1) 바이스 ) 기구해석도 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

17 1.4 자유도 (DOF, Degree of Freedom)
1) 자유도의 정의 : 땅에 대하여 기구의 모든링크 위치를 지정하는데 필요한 독립된좌표의개수 즉, 기구구동에 필요한 구동원의 개수 기구의 자유도 개수는 이동성(Mobility)이라고도 하며 기호는F 이다. F = 3(n - 1) –2jp – jh === Gruebler’s Equation n : jp : jh : 2) 대우의자유도 : 상대운동이 한 종류이면 자유도는 1 이다 3) 기구의자유도 : 일반적인 기계의 자유도는 1 이다 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

18 · 대우의 자유도 (상대운동이 한 종류이면 자유도는 1 이다) a) 핀이음 - 회전대우(회전운동) - 자유도 b) 프리즘
a) 핀이음 - 회전대우(회전운동) - 자유도 b) 프리즘 - 미끄럼대우(병진운동) c) 나사 - 나사대우(나선운동) d) 실린더 - 면대우(실린더운동) e) 구 - 구면대우(구면운동) f) 평판 - 면대우(평면운동) 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

19 · 기구의 종류 및 자유도 a) Locked mechanism (고정기구) - 대개는 구조(structure)라 한다.
a) Locked mechanism (고정기구) - 대개는 구조(structure)라 한다. - 0(Zero) 또는 음수의 자유도를 갖는다 - Truss : 단순링크와 핀이음으로 구성 (자유도는 Zero) b) Constrained mechanism (한정기구) - 자유도가 1인 기구 - 링크2가 회전하면, 링크4는 요동 - 기구해석의 주된 연구 대상 c) Unconstrained mechanism (비한정기구) - 자유도가 2 이상인 기구 - 링크의 한정된 움직임이 불가능 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

20 예제1.3 그림1.12는 토글클램프이다. 힘부분과 핸들을 관심점으로 하여 기구해석도를 작성하고 자유도를 계산 하시오
메케니즘과 기구학 (SK Kim)

21 예제1.4 그림1.14는 캔압축기이다. 핸들의 끝점을 관심점으로 하여 기구해석도를
예제1.4 그림1.14는 캔압축기이다. 핸들의 끝점을 관심점으로 하여 기구해석도를 작성하고 자유도를 계산하시오 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

22 예제1.5 그림1.16은 전단프레스이다. 핸들의 끝부분과 칼날부를 관심점으로 하여
예제1.5 그림1.16은 전단프레스이다. 핸들의 끝부분과 칼날부를 관심점으로 하여 기구해석도를 작성하고 자유도를 계산하시오 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

23 예제1.6 그림1.19는 트럭의 아웃트리거 부분이다. 지지대 바닥을 관심점으로 하여
예제1.6 그림1.19는 트럭의 아웃트리거 부분이다. 지지대 바닥을 관심점으로 하여 기구해석도를 작성하고 자유도를 계산하시오 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

24 4-1 자유도 방정식의 특수경우 ※ Gruebler 방정식이 적용되지 않는 특수 경우가 존재한다
Coincident Joints(조인트중첩) ⇒3개이상의 물체가 한점에서 핀 또는 슬라이딩조인트를 이루는 경우 ⇒즉, 조인트는 반드시 2개 물체간의 연결로 정의되나 실제 3개 이상의 물체가 연결되어 보이는 경우는 혼돈됨 b) 링크형상에 대한 정보를 무시하여 자유도 방정식자체가 오류를 가지는 경우 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

25 예제1.7 그림1.22는 기계식 수동프레스이다. 핸들끝부분을 관심점으로 하여
예제1.7 그림1.22는 기계식 수동프레스이다. 핸들끝부분을 관심점으로 하여 기구해석도를 작성하고 자유도를 계산하시오. n=6, jp=(6개의핀+1개의슬라이더)=7, jh=0 ∴F=3(n-1)-2jp-jh=3(6-1)-2(7)-0=1 기계식 수동프레스는 자유도 1 이다. (한정기구) 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

26 • 4절기구의 특징 1.5. Quadric crank mechanism or Four bar linkage (4절기구)
• 각 링크 1, 2, 3, 4의 길이를 a, b, c, d로 표시할 때 이들의 길이를 임의로 취할 수 있는 것은 아니며 기구로 사용되기 위해서는 어떤 상호관계가 있어야 한다. • 링크1의 길이 a가 가장 짧고 링크4의 길이 d를 가장 긴 링크라고 할 때(이중 크랭크기구) 다음과 같은 관계가 성립하며 다른 기구도 아래와 같다 a < b or c or d a < (c + d - b) (이중 크랭크 기구) a < (|c – d| + b) b < d or a or c a < (c + d - b) (크랭크-로커기구) a > (|c – d| + b) c < d or a or b (로커-로커기구) ⇒링크1을 고정한 경우 링크2가 O2를 중심으로 완전히 회전하면 이 링크는 ⇒완전히 회전하지 못하고 어떤 각(角) 사이를 요동 왕복하면 ⇒링크2를 움직여서 링크4에 운동을 주는 경우 2를 , 4를 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

27 • Lever crank mechanism(레버-크랭크 기구, 로커-크랭크 기구)
: 두 링크 가운데 어느 하나가 크랭크가 되고 다른 하나가 레버가 되는 경우. 가장 짧은 링크와 대우를 이루는 링크를 고정하는 경우에 이 기구가 된다. • Double crank mechanism(이중 크랭크 기구) : 두 링크가 완전히 회전하는 경우. 가장 짧은 링크를 고정하면 이 기구가 된다. • Double lever mechanism(이중레버기구, 로커-로커 기구) : 구동링크와 종동링크가 모두 요동 운동을 하는 경우. 가장 짧은 링크의 맞은 편에 있는 링크를 고정하는 경우 이 기구가 된다 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

28 Example n=4, jp=(4개의핀)=4, jh=0 ∴F=3(n-1)-2jp-jh=3(4-1)-2(4)-0=1
자동차뒷유리와이퍼는자유도1이다. (한정기구) L1: 고정링크의 길이⇒프레임 L2: 피벗링크 중 짧은 링크 길이(입력링크) ⇒크랭크 L3: 연결봉의 길이⇒연결봉 L4: 피벗링크 중 긴 링크 길이(출력링크) ⇒ 레버, 로커, 피벗 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

29 예제1.8 그림1.26은 소형항공기용 바퀴이다. 4절기구의 운동을 검토하시오.
예제1.8 그림1.26은 소형항공기용 바퀴이다. 4절기구의 운동을 검토하시오. L2가 고정링크가 아니므로 이중크랭크기구가 될 수 없다. L2의 맞은편 링크 L4가 고정링크가 아니므로 이중로커기구가 될 수 없다. 따라서 로커-크랭크기구가 가능하다. 참고 32 inch = 81.28cm 12 inch = 30.48cm 30 inch = 76.2cm 26 inch = 66.04cm 14 inch = 35.56cm L2< L1 or L3 or L4 에서 30 < 80 또는 75 또는 65 [만족] L1< (L3 + L4 – L2) 에서 80 < ( ) [만족] L1> (|L3–L4| + L2) 에서 80 > (|75 –65| + 30) [만족] 위의 조건을 모두 만족하므로 바퀴기구는 로커-크랭크기구이다. 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

30 1.6. 실용 기구의 종류 및 형성 1) 등장레버기구(equal lever mechanism)
1) 등장레버기구(equal lever mechanism)      - 기구의 형성 조건 : O1B=O2C, BC<O1O2 - 각 링크 사이의 길이비를 적절히 조절하면, 구동레버의 작은 회전으로도 종동레버의 각도 변화를 크게 할 수 있다. - 자동차의 조향장치에 응용 조향장치(automobile steering mechanism)      링크 CD를 C'D로 회전시키면, 종동링크에 해당하는 AB는 더 큰 각도를 회전     → 2개의 앞바퀴의 중심을 통하는 연장선이 O점에서 교차     → 뒷바퀴의 중심선이 O점과 교차하도록 하면,         4개의 바퀴는 O점을 중심으로 하여 방향전환을 할 수 있다 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

31 2) 배력장치 (toggle mechanism)
- 4절 링크 회전기구의 각 링크 길이의 상대적 관계를 적절하게 선택     → 구동링크에 작은 힘을 가하여도, 종동링크에서 큰 힘을 얻을 수 있다.  - 각도 α가 작을수록 C점의 작용력 P에 비해 보다 큰 힘 F를 얻는다. - 기구의 구조상 각도 α는 45도보다 작으므로, 항상 P<F.  메케니즘과 기구학 (SK Kim)

32 3) 왕복슬라이더크랭크기구 슬라이더크랭크기구 (1.1) (in-line slider crank mechanism) 2) 편심 슬라이더크랭크기구 (1.2) (offset slider crank mechanism) 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

33 4) 요동슬라이더크랭크기구 (1.3) 1) 링크 1과 링크 2의 상대길이에 따라서 링크 2는 회전 또는 요동운동을 한다. 2) 그림의 (a)는 수동식 양수펌프에 응용된다. 수동식 양수펌프 : 링크 1이 요동하면, 고정링크 3의 내부를 링크 4가 왕복운동을 한다. 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

34 5) 급속귀환기구(quick return mechanism)
구동링크는 일정한 각속도로 회전하지만, 종동링크의 양쪽 방향의 속도가 다르다. 2) 주어지는 동력이 일정하면, 힘과 속도의 크기는 서로 반비례한다.     - 저속절단행정 : 속도를 줄이고, 절단력을 크게 하는 행정     - 급속귀환행정 : 저항력이 작아서 빨리 움직일 수 있는 행정 시간비(time ratio) - 절단행정과 귀환행정에 필요한 시간의 비로, 1보다 크다. 동력톱, 쉐이퍼 등의 공작기계에 응용 5) 종류        ◎ 휘트워드 기구 (5.1)        ◎ 옾셋 슬라이더 크랭크 기구 (5.2) 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

35 5.1) 휘트워드 기구(Whitworth mechanism) (1.4)
1) 회전슬라이더 크랭크 기구를 응용한 것.      - 저속절단행정 : D"→D'      - 급속귀환행정 : D'→D” (2) 시간비     - 링크 2의 회전반경(r)과 O2-O4 사이의 길이(l)에 관계된다. 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

36 5.2) 옾셋 슬라이더 크랭크 기구(offset slider crank mechanism)
1) 편심 슬라이더 크랭크 기구를 응용한 것     - 저속절단행정 : B'→B"     - 급속귀환행정 : B"→B‘ 2) 시간비 - 1보다 약간 큰 정도인 까닭에, 급속귀환 기구로서의 장점은 크지 않다. 3) 사용 실례 ◎ 전기톱 메케니즘과 기구학 (SK Kim)

37 메케니즘과 기구학 (SK Kim)