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Case New Holland가 컴팩트 트랙로더 시뮬레이션을 통해 제품 혁신의 페이스를 유지!

피아트 그룹(Fiat Group)에 속한 농업, 건설 장비 분야의 선도업체인 CNH(CASE NEW HOLLAND) 는 제품의 디자인이 지속적으로 발전함에 따라 이를 위한 모션 시뮬레이션의 역량도 키워나가고 있습니다. 기존의 타이어를 사용한 스키드 스티어 로더(skid-steer loader)에 비해 견인력은 증가하고 지압(ground pressure)은 감소한 콤팩트 트랙로더 디자인이 좋은 예입니다. 그림에서 볼 수 있는 450CT 트랙로더는 82 마력(61 kW)와 함께 3.587-lb의 하중을 제공합니다.

이 두개의 이미지는 RecurDyn 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있는 결과들을 보여줍니다. 위의 그림은 선회 동작 시 프론트/리어 아이들러에 작용하는 하중을 보여줍니다. 노란 화살표는 허브에 작용하는 힘의 벡터를 보여주며, 녹색 아크는 허브에 작용하는 토크를 나타냅니다. 이 그림은 장애물을 넘어갈 때, 인접한 두개의 트랙롤러에 작용하는 힘을 보여줍니다.

컴팩트 트랙로더에 트랙 시스템을 추가함에 따라 다양한 무빙요소(Moving component)들이 추가되었습니다. 밴드 트랙의 유연한 거동을 고려하기 위해서는 전후방부의 아이들러와 수많은 트랙롤러와의 접촉도 함께 고려되어야 합니다. 트랙 시스템을 사용함으로써 얻을 수 있는 공학적인 장점은 전형적인 스키드스티어 로더의 4륜구동에는 양쪽에 각각 2개씩의 드라이브 샤프트가 필요한 데 반하여, 트랙시스템은 한쪽에 1개의 드라이브 샤프트만이 필요하다는 점입니다.

컴팩트 트랙로더의 언더캐리지는 CNH가 수년에 걸친 경험을 통해 개발한 대형 굴삭기와 불도저의 형태를 채용하고 있습니다. 이와 관련된 요소로는 트랙, 롤러, 아이들러 및 트랙 장력 조정장치 및 최종 구동장치 등이 있습니다. 예를 들어 사면의 측면을 따라 작업할 때 트랙이 벗겨지는 현상을 방지하기 위해, 로더는 세 개의 플랜지와 두 세트의 센터 가이드 러그(center-guide lugs)를 포함한 트랙 롤러를 트랙에 포함하고 있습니다.

내구성이 있는 차량의 개발을 위해서는 트랙 구조와 트랙관련 요소들에 대한 하중 데이터가 필요합니다. 하지만 실물을 이용한 컴팩트 트랙로더의 테스트는 쉽지가 않은데, 그 이유는 트랙의 변형이나 언더캐리지와 트랙 요소간의 접촉을 측정하기가 쉽지 않기 때문입니. 특히 실제 토양 위에서 테스트를 하게 되었을 경우에는 측정이 더욱 어려워집니다. CNH는 좌우의 트랙 어셈블리에 다양한 종류의 하중을 가할 수 있도록 하는 특별한 실험장비를 개발하였습니다.

이 두 개의 사진은 RecurDyn 시뮬레이션을 통해 얻은 결과물을 보여 줍니다.

위에 있는 사진에서는 선회 동작을 할 때 전후방 아이들러에 작용하는 하중을 보여줍니다. 노란색 화살표는 허브에 작용하는 힘의 백터를 표시하며 녹색 아크는 허브에 작용하는 토크를 나타냅니다. 아래의 사진은 반 원 모양의 장애물을 통과할 동안 인접한 두 개의 트랙 롤러에 작용하는 힘을 보여줍니다.

See the rest of this case study, published in Desktop Engineering .

모션 시뮬레이션을 통해 제품 성능 데이터를 구하는 것이 더욱 효과적일 수 있기 때문에 CNH는 수년 전, 펑션베이㈜의 모션 시뮬레이션 소프트웨어인, RecurDyn을 몇 년 전에 선택하였으며, 그 후 컴팩트 로더 개발을 위해 RecurDyn의 Track 관련 툴킷을 추가하였습니다. RecurDyn은 운동 방정식을 구하기 위해 Recursive formulation을 사용하기 때문에, 상세한 모델을 빠르게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 또한, RecurDyn 툴킷은 효율성을 높이고 오류를 줄이기 위해 모델링 프로세스를 자동화하였습니다. 예를 들어, 밴드 트랙은 수많은 세그먼트들로 이루어져 있는데, 세그먼트의 정의, 세그먼트의 유연성 관련 속성, 각 세그먼트 및 각종 하부 부품들 사이의 접촉 및 개별 트랙의 결과값의 생성 등과 같은 작업을 자동화할 수 있습니다.

모션 시뮬레이션을 이용하기 위한 작업은 PTC사의 Pro/ENGINEER로 작업된 CNH의 CAD 모델을 임포트(Import)하는 것으로 시작됩니다. 로더의 양쪽의 트랙 시스템은 RecurDyn의 Track 툴킷을 사용하여 개별적으로 모델링 되었습니다. 또한 RecurDyn의 계층적인 데이터 구조를 이용하여 모델의 각 부분을 개별적으로 모델링할 수 있습니다. 각각의 트랙 어셈블리는 분리된 ‘서브시스템(subsystem)’으로 정의되고, 이 서브시스템들은 전체 샤시와 연결되어 시뮬레이션 됩니다. 이를 통해 빠른 개발이 가능해지고, 제품 디자인에 영향을 주는 성능 정보 얻을 수 있습니다.

각 로더 모델이 개발되면, 실제 테스트와 병행한 ‘worst-case’ 테스트를 하게 됩니다. CNH 450CT 팀은 시뮬레이션 결과를 통해 다양한 동작과 조작이 각 트랙 요소와 프레임에 어떤 식으로 힘을 작용하게 되는 지를 이해할 수 있습니다. 모델에 사용된 입력값은 실험을 통해 측정된 데이터 등을 활용하여 실제 실험 결과와 일치하도록 조절됩니다. 이와 같은 검증절차를 통해 실험이 곤란하거나, 실험을 통해 확인할 수 없는 결과값에 대한 신뢰도를 높일 수 있습니다.

일단 모델이 검증되면, (RecurDyn을 통해 얻은) 하중 데이터는 트랙과 차량 구조에 대한 응력 피크값(peak stress)을 계산하기 위해 FEA 소프트웨어에서 활용될 수 있습니다. Worst-case에서 얻어진 응력 결과는 제품의 내구성 향상에 도움이 됩니다. 이를 통해 언더캐리지 관련 요소들을 위한 주요 디자인 파라미터들이 결정되고, 로더 설계에 대한 추가적인 개선을 위한 권고사항을 만들기 위한 민감성 테스트가 진행됩니다.

개선작업은 전체 시스템, 혹은 개별 요소 수준에서 이루어집니다. 시스템 수준의 개선의 예로는 트랙 어셈블리에서 로드휠의 위치의 변경이나, 차량의 무게중심 위치의 변경, 트랙 장력의 변경 등이 있습니다. 개별 요소 수준의 개선의 예로는 응력이 집중된 부위에 대한 보강 등이 있습니다.

CNH의 디지털 프로토타이핑 및 시뮬레이션 매니저인 Kaezhun Li는 “RecurDyn의 트랙시스템에 대한 계산속도 및 프로세스 자동화는 실용적이지 않을 수도 있었던 우리 트랙로더의 정확한 시뮬레이션을 개발할 수 있도록 해주었습니다. 우리는 시뮬레이션에 투자하는 1달러 당, 최소 2달러의 엔지니어링 비용을 절감하고 있습니다.” 라고 말했습니다.

CNH의 프로젝트 엔지니어인 Adam Ewing은 “원하는 데이터를 물리실험을 통해 얻으려면 많은 돈과 시간을 투자해야 했습니다. 시뮬레이션 결과는 빠르게 얻을 수 있으며, 우리가 실제로 성능을 개선하기 위한 디자인에 보다 집중할 수 있도록 도와주었습니다.” 라고 말했습니다.