{{ post.title }} 글 편집 작성자 {{ post.author.name }} 작성일

토크 렌치의 설계 및 눈금자 정확도 개선

제품. 토크 렌치 (Torque Wrench)

해석 목적. 토크 렌치의 디자인 및 눈금자 정확도 개선

토크 렌치는 정확한 토크를 이용하여 볼트나 너트를 조이기 위한 도구이다. 토크 렌치는 사용자가 눈금자로 지정한 값 이상의 토크가 적용되지 않도록 하는 기계적 구조를 이용하고 있다. 하지만 눈금자로 지정한 토크가 정확히 적용되는지를 실험을 통해 확인하는 것은 쉽지 않다. 또한 실험을 이용한 설계는 많은 비용과 시간을 필요로 한다. 본 사례에서는 토크 렌치의 디자인을 변경하면서, 토크의 눈금자 역시 조정할 필요가 생겼다. 이를 위해 시뮬레이션을 이용하여 토크 렌치의 디자인 및 눈금자의 정확도를 개선하였다. 이 때, 토크 렌치를 통해 작용하는 토크는 여러 부품의 거동 및 변형, 접촉에 의한 비선형성을 포함하고 있기에 일반적인 FEA 소프트웨어로는 이를 재현할 수 없었다. 따라서 토크 렌치의 설계에는 RecurDyn과 같은 유연다물체 동역학 (MFBD)를 사용하였고, 이를 통해 눈금자의 설정과 작용 토크가 정확히 일치하는 정확한 토크 렌치를 설계할 수 있었다.

◆ 주요 작업 프로세스

① 토크 렌치 내부의 긴 스프링을 원형 단면을 갖는 빔요소로 모델링하고 그 외의 부품은 강체로 모델링

② 유연체 빔요소로 모델링 된 스프링과 핀 등을 포함한

    주변 부품과의 접촉을 정의

③ 스프링에 대해 다양한 크기와 물성치를 적용하여 시뮬레이션을 수행

④ 시뮬레이션으로부터 작용 토크의 크기를 확인하고

     이를 통해 눈금자의 정확도 개선

◆ 주요 해석 기술

• 강체와 유연체를 모두 포함한 모델을 시뮬레이션할 수 있는 MFBD 기술
• 강체와 유연체 간의 접촉 계산
• 빔의 지름과 물성치를 손쉽게 변경해 가며 시뮬레이션할 수 있는 파라메트릭 모델링 기술
• 토크 렌치의 비선형 거동을 정확하게 재현할 수 있는 다물체 동역학 솔버

◆ 관련 제품

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn/FFlex

◆ 고객에게 주어진 과제 및 이슈

• 토크 렌치의 작용 토크의 범위를 늘리기 위해 스프링의 길이와 단면의 반지름을 변경
• 정확한 토크의 예측을 위해 비선형성의 고려 필요
• 합리적인 시간과 비용을 통한 설계 개선에 대한 요구

◆ 해결

• MFBD 기술을 이용하여 서로 접촉하는 강체와 유연체를 포함한 토크 렌치의 정확한 작용 토크 계산
• 빔 요소를 이용한 스프링의 단순화와 파라메트릭 모델링을 이용한 모델링 및 시뮬레이션 시간 단축
• 직관적인 UI를 이용하여 다양한 설계 조건의 모델링 및 시뮬레이션을 효율적으로 진행

◆ 성과

• RecurDyn을 이용하여 기존 설계의 거동을 정확하게 재현
• RecurDyn을 통해 비선형 거동을 확인하고 이를 토대로 토크 눈금자를 비등간격(non-uniform)으로 변경
• 다양한 디자인에 대한 정량적인 평가에 소요되는 시간과 비용 절감
• 시뮬레이션 결과를 통해 새로운 토크 렌치 설계 개선을 위한 추가적인 아이디어 획득

◆ 활용 및 해석사례

• MBD for ANSYS (RecurDyn)을 이용한 Locking Plier 설계