KR102614000B1 - Hollow elastic structure and design method thereof - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체는, 링 형상의 입력부, 입력부와 마주하며 입력부와 대응되는 링 형상의 출력부 및, 입력부와 출력부 사이에 상호 병렬로 연결된 복수의 기둥부를 포함하며, 입력부, 출력부 및 복수의 기둥부의 설계 변수를 설정한 후, 설정된 상기 설계 변수와 목표 스프링 강성을 기준으로 기둥부의 개수 또는 두께가 계산되어 설계된다. 이러한 구성에 의하면 넓은 범위의 스프링 강성을 가지는 중공형 탄성 구조체의 설계가 용이하여, 설계 확장성을 기대할 수 있다. The hollow elastic structure according to the disclosed invention includes a ring-shaped input part, a ring-shaped output part facing the input part and corresponding to the input part, and a plurality of pillar parts connected in parallel between the input part and the output part, the input part, After setting the design variables of the output unit and the plurality of pillar parts, the number or thickness of the pillar parts is calculated and designed based on the set design variables and target spring stiffness. According to this configuration, it is easy to design a hollow elastic structure with a wide range of spring stiffness, and design expandability can be expected.
Description
본 발명은 중공형 탄성 구조체 및 이의 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 설계 및 제작 가능한 강성 범위를 조건에 따라 다양하게 가변시킬 수 있는 중공형 탄성 구조체 및 이의 설계 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hollow elastic structure and a design method thereof, and more specifically, to a hollow elastic structure whose rigidity range that can be designed and manufactured can be varied depending on conditions, and to a design method thereof.
일반적인 차량에 적용되는 비틀림 스프링은 판스프링, 코일스프링, 태엽스프링 및 토션바 등과 같은 형태로 제공된다. 이러한 차량과 같은 소정 구동기에 적용될 수 있는 비틀림 스프링은 스프링 상수 즉, 강성의 설계 및 변경이 매우 어렵고, 설계와 변경의 범위도 매우 협소하다. Torsion springs applied to general vehicles are provided in forms such as leaf springs, coil springs, mainspring springs, and torsion bars. It is very difficult to design and change the spring constant, that is, the stiffness, of a torsion spring that can be applied to a certain actuator such as a vehicle, and the range of design and change is very narrow.
또한, 일반적인 비틀림 스프링의 설계를 위한 재료 특성, 길이, 두께, 반지름 및 권수 등과 같은 다양한 설계요소와 변수에 의해 강성이 동시에 비선형적으로 영향을 미친다. 그로 인해, 설계 조건에 적합한 형상, 사이즈, 강성 등을 갖춘 비틀림 스프링의 설계에 다소 어려움이 있다. In addition, the stiffness is simultaneously and nonlinearly affected by various design factors and variables such as material properties, length, thickness, radius, and number of turns for the design of a general torsion spring. As a result, there is some difficulty in designing a torsion spring with a shape, size, and rigidity suitable for the design conditions.
이에 따라, 근래에는 다양한 설계 조건에 대응할 수 있는 비틀림 스프링을 제작하기 위한 다양한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. Accordingly, in recent years, various researches have been continuously required to produce torsion springs that can respond to various design conditions.
본 발명의 목적은 설계 목적에 따라 넓은 범위의 스프링 강성의 설계 및 변경이 용이한 중공형 탄성 구조체를 제공하기 위한 것이다. The purpose of the present invention is to provide a hollow elastic structure in which the spring stiffness can be easily designed and changed in a wide range according to the design purpose.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 중공형 탄성 구조체의 설계 방법을 제공하기 위한 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for designing a hollow elastic structure to achieve the above object.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체는, 링 형상의 입력부, 상기 입력부와 마주하며, 상기 입력부와 대응되는 링 형상의 출력부 및, 상기 입력부와 출력부 사이에 상호 병렬로 연결된 복수의 기둥부를 포함하며, 상기 입력부, 출력부 및 복수의 기둥부의 설계 변수를 설정한 후, 설정된 상기 설계 변수와 목표 스프링 강성을 기준으로 상기 기둥부의 개수 또는 두께가 계산되어 설계된다. The hollow elastic structure according to the present invention for achieving the above object includes a ring-shaped input unit, a ring-shaped output unit facing the input unit, and a ring-shaped output unit corresponding to the input unit, and mutually connected in parallel between the input unit and the output unit. It includes a plurality of pillar parts, and after setting the design variables of the input part, the output part, and the plurality of pillar parts, the number or thickness of the pillar parts is calculated and designed based on the set design variables and target spring stiffness.
또한, 상기 입력부 및 출력부는 금속 재질의 링 형상의 플레이트를 포함하며, 상기 입력부, 출력부 및 복수의 기둥부는 일체로 마련될 수 있다. Additionally, the input unit and the output unit may include a ring-shaped plate made of metal, and the input unit, the output unit, and the plurality of pillar units may be provided as one body.
또한, 상기 입력부 및 출력부는 금속 재질의 링 형상의 플레이트를 포함하며, 상기 복수의 기둥부의 일단과 타단은 상기 입력부 및 출력부에 대해 각각 착탈 가능하게 조립될 수 있다. In addition, the input unit and the output unit include a ring-shaped plate made of metal, and one end and the other end of the plurality of pillars can be detachably assembled to the input unit and the output unit, respectively.
또한, 상기 복수의 기둥부는, 상기 입력부 및 출력부의 사이를 연결하는 기둥 및, 상기 기둥의 양단에 결합되어, 상기 기둥의 양단을 상기 입력부 및 출력부에 조립시키는 가이더를 포함하며, 상기 기둥의 양단은 상기 가이더에 마련된 가이드홈에 각각 삽입되고, 상기 가이더는 상기 입력부 및 출력부에 상호 마주하게 관통된 조립홀에 삽입되어 조립될 수 있다. In addition, the plurality of pillars includes a pillar connecting the input unit and the output unit, and a guider coupled to both ends of the pillar to assemble both ends of the pillar to the input unit and the output part, and both ends of the pillar are respectively inserted into guide grooves provided on the guiders, and the guiders can be assembled by being inserted into assembly holes penetrating the input unit and the output unit to face each other.
또한, 상기 입력부는 베이스에 대해 체결되어 자세 고정되고, 상기 출력부는 연결하고자 하는 대상물에 자세 고정될 수 있다. Additionally, the input unit may be fixed to the base and the output unit may be fixed to the object to be connected.
또한, 상기 설계 변수는 상기 입력부 및 출력부 각각의 내경 및 외경, 상기 입력부 및 출력부 각각의 두께, 상기 기둥부의 길이를 포함할 수 있다. Additionally, the design variables may include the inner diameter and outer diameter of each of the input and output portions, the thickness of each of the input and output portions, and the length of the pillar portion.
또한, 상기 복수의 기둥부는 강성을 가지는 금속 재질로 마련되는 평판 스프링 형상을 가질 수 있다. Additionally, the plurality of pillars may have a flat spring shape made of a rigid metal material.
또한, 상기 설계 변수를 하기 수학식 1 내지 3에 의해 도출되는 응력 공식에 적용하여 상기 스프링 강성을 설계하며, In addition, the spring stiffness is designed by applying the design variables to the stress formula derived by Equations 1 to 3 below,
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2] [Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
상기 F는 힘, 상기 E는 영 계수, 상기 I는 2차 단면 모멘트, 상기 L은 상기 복수의 기둥부의 길이, 상기 는 상기 복수의 기둥부의 변형 변위, 상기 b 및 h는 상기 복수의 기둥부의 두께, 상기 R은 상기 입력부 및 출력부의 반지름, 상기 N은 상기 기둥부의 개수 그리고, 는 변형 각도일 수 있다. F is the force, E is Young's modulus, I is the secondary moment of section, L is the length of the plurality of pillars, and is the deformation displacement of the plurality of pillars, b and h are the thickness of the plurality of pillars, R is the radius of the input part and the output part, N is the number of the pillar parts, and may be the deformation angle.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체의 설계 방법은, 상호 마주하는 링 형상의 입력부 및 출력부, 상기 입력부 및 출력부 사이에 상호 병렬로 연결되는 복수의 기둥부를 포함하는 중공형 탄성 구조체를 설계하는 중공형 탄성 구조체의 설계 방법에 있어서, 사용 조건을 설정하는 단계, 상기 사용 조건의 설정에 따라, 설계 변수를 설정하는 단계 및, 상기 설정된 설계 변수와 목표 스프링 강성을 기준으로 상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. A method of designing a hollow elastic structure according to a preferred embodiment of the present invention includes a hollow elastic structure comprising ring-shaped input and output units facing each other and a plurality of pillars connected in parallel between the input and output units. A method of designing a hollow elastic structure for designing a structure, comprising: setting use conditions; setting design variables according to the settings of the use conditions; and setting the design variables based on the set design variables and target spring stiffness. It may include calculating the thickness or number of pillar parts.
또한, 상기 사용 조건은 상기 중공형 탄성 구조체가 배치되는 공간의 크기 및 대상물의 무게를 포함할 수 있다. Additionally, the usage conditions may include the size of the space where the hollow elastic structure is placed and the weight of the object.
또한, 상기 설계 변수를 설정하는 단계는, 상기 입력부 및 출력부의 내경 및 외경 길이를 설정하는 단계 및, 상기 중공형 탄성 구조체의 목표 스프링 강성을 설정하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, setting the design variable may include setting the inner diameter and outer diameter length of the input unit and the output unit, and setting the target spring stiffness of the hollow elastic structure.
또한, 상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계는, 상기 입력부 및 출력부의 내경 및 외경 길이를 설정하는 단계에서 설정된 상기 내경 및 외경의 값으로 상기 복수의 기둥부의 형상을 최적화하는 단계, 최적화된 형상의 상기 복수의 기둥부의 개수를 계산하는 단계, 상기 계산된 상기 복수의 기둥부의 개수와 상기 강성을 설정하는 단계에서 설정된 강성으로 상기 복수의 기둥부의 두께를 계산하는 단계 및, 상기 복수의 기둥부의 형상을 결정하여 설계하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, calculating the thickness or number of the plurality of pillar parts includes optimizing the shape of the plurality of pillar parts with the values of the inner diameter and outer diameter set in the step of setting the inner diameter and outer diameter length of the input unit and the output part, optimization. calculating the number of the plurality of pillars having the same shape, calculating the thickness of the plurality of pillars with the calculated number of the pillars and the stiffness set in the step of setting the stiffness, and calculating the thickness of the plurality of pillars It may include a step of determining and designing the shape of the unit.
또한, 상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계는 하기 수학식 1 내지 3에 의해 도출되는 응력 공식에 적용하여 상기 스프링 강성을 설계하며, In addition, the step of calculating the thickness or number of the plurality of column parts designs the spring stiffness by applying the stress formula derived by the following equations 1 to 3,
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2] [Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
상기 F는 힘, 상기 E는 영 계수, 상기 I는 2차 단면 모멘트, 상기 L은 상기 복수의 기둥부의 길이, 상기 는 상기 복수의 기둥부의 변형 변위, 상기 b 및 h는 상기 복수의 기둥부의 두께, 상기 R은 상기 입력부 및 출력부의 반지름, 상기 N은 상기 기둥부의 개수 그리고, 는 변형 각도일 수 있다. F is the force, E is Young's modulus, I is the secondary moment of section, L is the length of the plurality of pillars, and is the deformation displacement of the plurality of pillars, b and h are the thickness of the plurality of pillars, R is the radius of the input part and the output part, N is the number of the pillar parts, and may be the deformation angle.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 사용하고자 하는 조건에 따라 스프링 상수의 설계 및 변경이 용이하여, 사용 다양성이 우수한 중공형 탄성 구조체를 제공할 수 있다. According to the present invention having the above configuration, first, it is possible to provide a hollow elastic structure with excellent versatility in use by easily designing and changing the spring constant depending on the intended use conditions.
둘째, 외팔보를 포함하는 기둥부의 두께를 가변시키는 간단한 설계 조건 변경을 통해 원하는 스프링 상수를 도출할 수 있음으로써, 설계 변경에 용이하며 넓은 범위의 강성 설계로 인한 설계 확장성 효과를 가진다. Second, the desired spring constant can be derived by simply changing the design conditions of varying the thickness of the column including the cantilever, making it easy to change the design and having the effect of design scalability due to the wide range of rigidity design.
셋째, 기둥부의 선형 변형 특성을 이용함으로써, 기존의 비틀림 스프링 구조에 비교하여 뛰어난 변형의 선형성을 제공할 수 있다. Third, by using the linear deformation characteristics of the column part, it is possible to provide excellent linearity of deformation compared to the existing torsion spring structure.
넷째, 효율적인 중공형 탄성 구조체의 집약 배치가 가능하여, 탄성력 확보에 보다 유리하다.Fourth, it is possible to intensively arrange efficient hollow elastic structures, which is more advantageous in securing elastic force.
다섯째, 차량에 적용되는 회전 구동기 등과 같은 소정 구동수단에 대한 적용성이 우수한 중공 형상을 가짐으로써, 공간을 효율적으로 사용 가능하다. Fifth, by having a hollow shape that is highly applicable to certain driving means such as a rotary actuator applied to a vehicle, space can be used efficiently.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 중공형 탄성 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 바람직한 일 실시예에 중공형 탄성 구조체가 베이스와 대상물 사이에 놓여진 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 바람직한 일 실시예에 중공형 탄성 구조체에 힘이 가해지는 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 바람직한 일 실시예에 중공형 탄성 구조체의 탄성 변형된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 바람직한 일 실시예에 중공형 탄성 구조체의 강성 계산을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다. 그리고,
도 7은 도 1 및 도 6에 도시된 바람직한 일 및 다른 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체의 설계 방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 순서도이다. Figure 1 is a perspective view schematically showing a hollow elastic structure in a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view schematically showing a state in which a hollow elastic structure is placed between a base and an object in a preferred embodiment shown in Figure 1.
Figure 3 is a perspective view schematically showing a state in which force is applied to the hollow elastic structure in a preferred embodiment shown in Figure 1.
Figure 4 is a perspective view schematically showing an elastically deformed state of the hollow elastic structure in a preferred embodiment shown in Figure 1.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the calculation of stiffness of the hollow elastic structure in the preferred embodiment shown in FIG. 1.
Figure 6 is a perspective view schematically showing a hollow elastic structure according to another preferred embodiment of the present invention. and,
FIG. 7 is a flowchart schematically illustrating a method of designing a hollow elastic structure according to a preferred embodiment and another embodiment shown in FIGS. 1 and 6.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to such embodiments, and the spirit of the present invention may be proposed differently by adding, changing, or deleting components constituting the embodiments, but this is also included in the spirit of the invention. It will happen.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체(1)는 입력부(10), 출력부(20) 및 기둥부(30)를 포함한다. Referring to Figure 1, the hollow elastic structure 1 according to a preferred embodiment of the present invention includes an input unit 10, an output unit 20, and a pillar unit 30.
참고로, 본 발명에서 설명하는 중공형 탄성 구조체(1)는 차량에 적용되는 일종의 비틀림 스프링으로 예시한다. 보다 바람직하게는, 본 발명에서 설명하는 중공형 탄성 구조체(1)가 차량용 회전 구동체와 같은 소정 구동기의 외주면에 장착되어 비틀림 탄성력을 발생시키는 것으로 예시하나, 꼭 이에 한정되지 않는다. For reference, the hollow elastic structure 1 described in the present invention is exemplified as a type of torsion spring applied to vehicles. More preferably, the hollow elastic structure 1 described in the present invention is exemplified as being mounted on the outer peripheral surface of a certain actuator such as a rotation actuator for a vehicle to generate a torsional elastic force, but is not limited to this.
입력부(10)는 링 형상을 가진다. 보다 구체적으로, 입력부(10)는 일종의 링 형상의 플레이트로 마련되며, 강성을 가지는 금속 재질로 마련됨이 좋다. 이러한 입력부(10)는 도 2의 도시와 같이, 베이스(B)에 자세 고정된다. 즉, 입력부(10)는 지면 또는 소정의 고정 부품을 포함하는 베이스(B)에 중공형 탄성 구조체(1)를 자세 고정시킨다. 이때, 입력부(10)는 베이스(B)에 대해 볼트 등과 같은 체결 수단에 의해 체결되어 고정될 수 있다.The input unit 10 has a ring shape. More specifically, the input unit 10 is provided as a kind of ring-shaped plate, and is preferably made of a rigid metal material. As shown in FIG. 2, the input unit 10 is fixed to the base B. That is, the input unit 10 fixes the hollow elastic structure 1 to the base B including the ground or a predetermined fixing part. At this time, the input unit 10 may be fastened and fixed to the base B using a fastening means such as a bolt.
출력부(20)는 입력부(10)와 마주하도록 마련되며, 입력부(10)와 대응되는 링 형상을 가진다. 이러한 출력부(20) 또한, 링 형상의 플레이트로 마련되며, 강성을 가지는 금속 재질로 마련될 수 있다. 출력부(20)는 도 2의 도시와 같이, 중공형 탄성 구조체(1)를 연결하고자 하는 대상물(M)에 고정시킨다. 이때, 출력부(20)는 대상물(M)에 체결될 수 있다. The output unit 20 is provided to face the input unit 10 and has a ring shape corresponding to the input unit 10. This output unit 20 is also provided as a ring-shaped plate and may be made of a rigid metal material. As shown in FIG. 2, the output unit 20 fixes the hollow elastic structure 1 to the object M to be connected. At this time, the output unit 20 may be fastened to the object M.
기둥부(30)는 입력부(10)와 출력부(20)의 사이에 상호 병렬로 연결되도록 복수개 마련된다. 기둥부(30)는 입력부(10)와 출력부(20) 사이에 마련되는 강성을 가지는 금속 재질로 마련되며, 보다 바람직하게는 외팔보를 포함하는 평판 스프링 형상으로 마련됨이 좋다. 여기서, 기둥부(30)가 외팔보 형상의 기둥으로 마련됨에 따라, 입력부(10), 출력부(20) 및 기둥부(30)가 중공형 탄성 구조체(1)를 제공하게 된다. 이때, 입력부(10) 및 출력부(20)의 사이에 상호 병렬로 마련되는 복수의 기둥부(30)로 인해, 탄성 구조체(1)는 중공의 케이지(cage) 형상을 가질 수 있다. A plurality of pillar parts 30 are provided so as to be connected in parallel between the input part 10 and the output part 20. The pillar portion 30 is provided between the input portion 10 and the output portion 20 and is made of a metal material having rigidity. More preferably, the pillar portion 30 is provided in the shape of a flat spring including a cantilever. Here, as the pillar part 30 is provided as a cantilever-shaped pillar, the input part 10, the output part 20, and the pillar part 30 provide the hollow elastic structure 1. At this time, due to the plurality of pillar parts 30 provided in parallel between the input unit 10 and the output unit 20, the elastic structure 1 may have a hollow cage shape.
한편, 기둥부(30)가 상호 병렬로 배치되는 복수의 외팔보 구조를 가짐으로써, 외팔보의 병렬 연결 설계를 통해 스프링 강성을 조절할 수 있다. 이러한 스프링 강성 조절 구성은 보다 자세히 후술한다. Meanwhile, since the pillar portion 30 has a plurality of cantilever structures arranged in parallel with each other, spring rigidity can be adjusted through a parallel connection design of the cantilevers. This spring stiffness adjustment configuration will be described in more detail later.
이상과 같은 구성을 가지는 중공형 탄성 구조체(1)는 도 3의 도시와 같이, 출력부(20)에 연결된 대상물(M)에 토크 또는 모멘트의 힘이 입력됨으로써, 탄성 변형된다. 보다 구체적으로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 출력부(20)에 연결된 대상물(M)에 모멘트 힘(F)이 입력되거나, 도 3의 (b)와 같이 대상물(M)에 직접적으로 토크 힘(F)이 입력될 수 있다. The hollow elastic structure 1 having the above configuration is elastically deformed when torque or moment force is input to the object M connected to the output unit 20, as shown in FIG. 3 . More specifically, as shown in (a) of FIG. 3, the moment force (F) is input to the object (M) connected to the output unit 20, or is applied to the object (M) as shown in (b) of FIG. Torque force (F) can be input directly.
도 3의 (a) 및 (b)와 같이, 출력부(20)에 연결된 대상물(M)에 힘(F)이 입력되면, 도 4와 같이 중공형 탄성 구조체(1)의 비틀림 변형이 발생된다. 즉, 도 4의 화살표와 같이, 복수의 기둥부(30)가 베이스(B)에 대해 고정된 입력부(10)와 대상물(M)과 연결된 출력부(20) 사이에서, 힘(F)이 가해지는 방향으로 비틀림 변형이 발생되게 된다. As shown in (a) and (b) of FIG. 3, when force F is input to the object M connected to the output unit 20, torsional deformation of the hollow elastic structure 1 occurs as shown in FIG. 4. . That is, as shown by the arrow in FIG. 4, force F is applied between the input unit 10, where the plurality of column parts 30 are fixed to the base B, and the output unit 20 connected to the object M. Torsional deformation occurs in the losing direction.
한편, 본 발명에서 설명하는 중공형 탄성 구조체(1)는 넓은 범위의 강성 설계가 가능한 구조의 비틀림 스프링으로 제공된다. 이를 위해, 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체(1)는 외팔보를 포함하는 기둥부(30)의 개수, 두께 조절을 통해 강성을 조절 가능하다. 그로 인해, 중공형 탄성 구조체(1)의 기계적 치수에 따른 응력 공식 기반의 스프링 상수의 설계가 가능하다. Meanwhile, the hollow elastic structure 1 described in the present invention is provided as a torsion spring with a structure that allows a wide range of rigidity design. To this end, the rigidity of the hollow elastic structure 1 according to the present invention can be adjusted by adjusting the number and thickness of the pillar portions 30 including cantilevers. As a result, it is possible to design a spring constant based on a stress formula according to the mechanical dimensions of the hollow elastic structure 1.
또한, 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체(1)는 기존의 비틀림 스프링 코일 타입과 비교하여, 짧은 스팬(Span)을 가지는 외팔보 형상을 활용한 고강성 특성을 가짐으로써, 본 발명은 기존의 탄성 구조체와 구별된다. 이때, 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체(1)는 회전 구동체와 같은 원기둥 형상의 구동체의 외주면을 따라 결합되는 탄성 구동기로써, 적용 가능하다. In addition, the hollow elastic structure 1 according to the present invention has high rigidity characteristics by utilizing a cantilever shape with a short span compared to the existing torsion spring coil type, so the present invention is superior to the existing elastic structure. It is distinguished from At this time, the hollow elastic structure 1 according to the present invention can be applied as an elastic actuator coupled along the outer peripheral surface of a cylindrical actuator such as a rotary actuator.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체(1)의 스프링 강성의 설계를 설명한다. Hereinafter, the design of the spring rigidity of the hollow elastic structure 1 according to an embodiment of the present invention will be described.
병렬 배치된 복수의 기둥부(30)의 개수와 두께는 각각 조절 가능하다. 즉, 중공형 탄성 구조체(1)의 스프링 강성은 일종의 평판 스프링인 외팔보의 재료 역학적 탄성 공식을 기반으로 설계될 수 있으며, 단일 외팔보인 하나의 기둥부(30)의 탄성 설계 공식은 하기 수학식 1과 같다. 이때, 도 5의 (a)와 같이, 기둥부(30)의 너비를 h, 두께를 b 및 길이를 L이라고 할 경우, 힘(F)이 가해짐에 따른 기둥부(30)의 변형()은 도 5의 (b)와 같다. The number and thickness of the plurality of column parts 30 arranged in parallel are each adjustable. That is, the spring stiffness of the hollow elastic structure 1 can be designed based on the material mechanical elasticity formula of a cantilever, which is a type of flat spring, and the elastic design formula of one pillar portion 30, which is a single cantilever, is Equation 1 below: Same as At this time, as shown in Figure 5 (a), when the width of the pillar portion 30 is h, the thickness is b, and the length is L, the deformation of the pillar portion 30 due to the force F is applied ( ) is the same as (b) in Figure 5.
여기서, E는 영 계수, I는 2차 단면 모멘트, L은 기둥부(30)의 길이, 는 기둥부(30)의 변형, F는 입력부(10)에 가해지는 힘, b 및, h는 기둥부(30)의 두께이다. 이때, 힘(F)과 변형()의 관계를 탄성 계수로써 정의할 수 있다.Here, E is Young's modulus, I is the secondary moment of inertia, L is the length of the column portion 30, is the deformation of the column portion 30, F is the force applied to the input portion 10, b, and h are the thickness of the column portion 30. At this time, force (F) and deformation ( ) can be defined as the elastic modulus.
또한, 중공형 탄성 구조체(1)의 토크를 힘으로 변환시키기 위해 설계된 반지름(R)과 기둥부(30)의 개수(N)를 고려하여 하기 수학식 2와 같은 토크 힘 관계식을 도출할 수 있다.In addition, considering the radius (R) and the number (N) of the column parts 30 designed to convert the torque of the hollow elastic structure 1 into force, a torque-force relational expression as shown in Equation 2 below can be derived. .
또한, 중공형 탄성 구조체(1)의 변위()를 변형 각도()로 선형화하고 합산하면, 다음 수학식 3과 같은 스프링 강성의 수식을 구할 수 있다. In addition, the displacement of the hollow elastic structure (1) ( ) to the deformation angle ( ), the spring stiffness equation can be obtained as shown in Equation 3 below.
이상과 같이, 수식을 기반으로 중공형 탄성 구조체(1)의 설계가 가능하므로, 제작 프로세스의 자동화를 통한 중공형 탄성 구조체(1)의 설계 도면의 자동 생성에 유리하다. As described above, since the design of the hollow elastic structure 1 is possible based on the formula, it is advantageous to automatically generate a design drawing of the hollow elastic structure 1 through automation of the manufacturing process.
도 6을 참고하면, 다른 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체(100)는 입력부(110), 출력부(120) 및 복수의 기둥부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 6, a hollow elastic structure 100 according to another embodiment includes an input unit 110, an output unit 120, and a plurality of pillar units 130.
입력부(110) 및 출력부(120)는 일 실시예와 마찬가지로 상호 마주하는 링 형상의 플레이트로 마련된다. 이러한 입력부(110) 및 출력부(120)는 일 실시예와 유사한 구성을 가지므로, 자세한 설명 및 도시는 생략한다. As in one embodiment, the input unit 110 and the output unit 120 are provided as ring-shaped plates facing each other. Since the input unit 110 and output unit 120 have a similar configuration to one embodiment, detailed description and illustration are omitted.
복수의 기둥부(130)는 입력부(110)와 출력부(120)의 사이에서 복수개가 상호 병렬로 마련된다. 이러한 복수의 기둥부(130)는 각각 입력부(110)와 출력부(120) 사이를 연결하는 기둥(131) 및, 기둥(131)의 양단을 입력부(110) 및 출력부(120)에 조립시키는 가이더(132)를 포함한다. A plurality of pillar parts 130 are provided in parallel between the input part 110 and the output part 120. These plurality of pillar parts 130 each have a pillar 131 connecting between the input part 110 and the output part 120, and both ends of the pillar 131 are assembled to the input part 110 and the output part 120. Includes guider 132.
기둥(131)은 일종의 외팔보를 포함하는 평판 스프링으로 마련되며, 기둥(131)의 양단은 각각 가이더(132)에 결합되어 입력부(110) 및 출력부(120)에 조립된다. The pillar 131 is provided as a flat spring including a type of cantilever, and both ends of the pillar 131 are respectively coupled to the guider 132 and assembled into the input unit 110 and the output unit 120.
가이더(132)는 도 6에 확대 도시된 바와 같이, 기둥(131)의 단부가 삽입되는 가이드홈(133)이 마련되며, 기둥(131)이 가이드홈(133)에 삽입된 상태로 입력부(110)에 마련된 조립홀(111)에 삽입된다. 이때, 조립홀(111)은 입력부(110) 및 출력부(120)에 상호 마주하도록 각각 관통 형성되며, 상호 마주하는 한 쌍의 조립홀(111) 사이에 기둥(131)이 가이더(132)에 조립되게 된다. As shown enlarged in FIG. 6, the guider 132 is provided with a guide groove 133 into which the end of the pillar 131 is inserted, and the input unit 110 is provided with the pillar 131 inserted into the guide groove 133. ) is inserted into the assembly hole 111 provided. At this time, the assembly holes 111 are formed through the input unit 110 and the output unit 120 to face each other, and a pillar 131 is attached to the guider 132 between the pair of assembly holes 111 facing each other. will be assembled.
이상과 같이, 다른 실시예에 의한 중공형 탄성 구조체(100)는 링 형상의 입력부(110) 및 출력부(120)의 사이에서, 복수의 기둥(131)이 가이더(132)에 의해 상호 병렬로 조립되게 된다. 이때, 기둥(131)의 개수, 두께, 입력부(110) 및 출력부(120)의 두께 및 직경은 도시된 예로만 한정되지 않으며, 다양한 강성 조건에 따라 변경 가능하다. As described above, in the hollow elastic structure 100 according to another embodiment, a plurality of pillars 131 are parallel to each other by the guider 132 between the ring-shaped input unit 110 and the output unit 120. will be assembled. At this time, the number and thickness of the pillars 131, and the thickness and diameter of the input unit 110 and output unit 120 are not limited to the illustrated examples and can be changed according to various rigidity conditions.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계 방법을 도 7을 참고하여 설명한다. The design method of the hollow elastic structure (1) (100) according to the present invention having the above configuration will be described with reference to FIG. 7.
도 7에 도시된 바와 같이, 중공형 탄성 구조체(1)(100)를 사용하고자 하는 사용처의 조건을 설정한다(210). 여기서, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 사용처는 배치될 공간의 크기, 대상물(M)의 무게 등의 정보를 고려한 사용하고자 하는 환경 등을 포함한다. As shown in FIG. 7, conditions for the intended use of the hollow elastic structure (1) (100) are set (210). Here, the use of the hollow elastic structure 1 (100) includes the intended use environment taking into account information such as the size of the space to be placed and the weight of the object (M).
조건이 설정되면(210), 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 내경 및 외경 길이를 설정하고(220), 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 목표 스프링 강성을 설정한다(230). 즉, 입력부(10)(110) 및 출력부(20)(120)의 내경 및 외경 길이를 설정하며(220), 기둥부(30)(130)의 강성을 설정한다(230). 여기서, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 내경 및 외경 길이가 정해짐에 따라, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 외경에서 내경을 뺀 너비와 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 스프링 길이가 정해진다. 이때, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 스프링 길이는 전체 길이에서 입력부(10)(110)의 두께와 출력부(20)(120)의 두께를 뺀 값 즉, 외팔보를 포함하는 기둥부(30)(130)의 길이이다. When the conditions are set (210), the inner diameter and outer diameter length of the hollow elastic structure (1) (100) are set (220), and the target spring stiffness of the hollow elastic structure (1) (100) is set (230) . That is, the inner and outer diameter lengths of the input units 10 and 110 and the output units 20 and 120 are set (220), and the rigidity of the pillar units 30 and 130 is set (230). Here, as the inner diameter and outer diameter length of the hollow elastic structure (1) (100) are determined, the width of the hollow elastic structure (1) (100) minus the inner diameter and the outer diameter of the hollow elastic structure (1) (100) are determined. ) spring length is determined. At this time, the spring length of the hollow elastic structure (1) (100) is the total length minus the thickness of the input portion (10) (110) and the thickness of the output portion (20) (120), that is, the column portion including the cantilever. The length is (30)(130).
이렇게 조건 설정(210)에 따라, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 내경, 외경 및 길이이 설정되어(220), 설계하고자 하는 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 강성이 설정된다(230). 이러한 내경, 외경 길이 설정(220) 및 강성 설정(230)는 설계하고자 하는 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계 변수 설정 단계이다. According to the condition setting (210), the inner diameter, outer diameter, and length of the hollow elastic structure (1) (100) are set (220), and the rigidity of the hollow elastic structure (1) (100) to be designed is set ( 230). These inner diameter and outer diameter length settings (220) and stiffness settings (230) are steps for setting design variables of the hollow elastic structure (1) (100) to be designed.
중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계 변수 설정 단계(220)(230)가 완료되면, 설계가 시작된다(240). 이때, 내경, 외경 길이 설정(220) 단계를 통해 설정된 값으로, 설계가 시작된다(240). 설계가 시작되면(240), 기둥부(30)(130)의 단면 형상 최적화(250)한 후에, 기둥부(30)(130)의 개수를 계산한다(260). When the design variable setting steps 220 and 230 of the hollow elastic structure 1 (100) are completed, the design begins (240). At this time, the design begins (240) with the values set through the inner diameter and outer diameter length setting step (220). When the design begins (240), the cross-sectional shapes of the pillars 30 and 130 are optimized (250) and then the number of pillars 30 and 130 is calculated (260).
중공형 탄성 구조체(1)(100)의 스프링 강성이 설정 단계(230)에서 설정된 강성 값은 기둥부(30)(130) 형상 최적화 단계(250)와 기둥부(30)(130)의 개수 계산 단계(260)에서 계산된 최적화된 단면 형상의 기둥부(30)(130)의 개수 값과 함께, 기둥부(30)(130)의 두께 계산 단계(270)로 제공된다. 그로 인해, 기둥부(30)(130)의 두께가 상기 수학식 1 내지 3를 통해 자동으로 계산된다(270). The stiffness value set in the spring stiffness setting step 230 of the hollow elastic structure (1) (100) is calculated in the shape optimization step (250) of the column portions (30) (130) and the number of column portions (30) (130). Together with the number value of the column portions 30 and 130 of the optimized cross-sectional shape calculated in step 260, the thickness calculation step 270 of the column portions 30 and 130 is provided. Therefore, the thickness of the pillar portion 30 (130) is automatically calculated through Equations 1 to 3 (270).
기둥부(30)(130)의 두께가 계산된 후, 최종적으로 기둥부(30)(130)의 형상 결정 및 설계 단계(280)를 거쳐, 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계가 완료된다. 즉, 계산된 모든 설계 치수들로 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계 파일이 도출된다. After the thickness of the pillars 30 and 130 is calculated, the design of the hollow elastic structure 1 and 100 is finally determined through the shape determination and design step 280 of the pillars 30 and 130. It's done. That is, the design file of the hollow elastic structure (1) (100) is derived from all calculated design dimensions.
이와 같이, 본 발명에서 설명하는 중공형 탄성 구조체(1)(100)의 설계 방법을 통해 원하는 목표 스프링 상수 즉, 강성을 가지는 중공형 탄성 구조체(1)(100)를 설계 및 제작할 수 있다. 특히, 기둥부(30)(130)의 두께 값을 사용 조건에 따라 가변시켜 스프링 상수를 변형할 수 있음으로써, 설계 변경에 용이하며 넓은 범위의 강성 설계가 가능한 설계 확장성 효과를 기대할 수 있다. In this way, the hollow elastic structure (1) (100) having the desired target spring constant, that is, rigidity, can be designed and manufactured through the design method of the hollow elastic structure (1) (100) described in the present invention. In particular, since the spring constant can be modified by varying the thickness value of the pillar portions 30 and 130 according to usage conditions, design scalability effects can be expected, allowing for easy design changes and a wide range of rigidity designs.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art may make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can do it.
1, 100 : 중공형 탄성 구조체
10, 110: 입력부
20, 120: 출력부
30, 130: 기둥부1, 100: hollow elastic structure
10, 110: input unit
20, 120: output unit
30, 130: pillar part
Claims (13)
상기 입력부와 마주하며, 상기 입력부와 대응되는 링 형상의 출력부; 및
상기 입력부와 출력부 사이에 상호 병렬로 연결된 복수의 기둥부;
를 포함하며,
상기 입력부, 출력부 및 복수의 기둥부의 설계 변수를 설정한 후, 설정된 상기 설계 변수와 목표 스프링 강성을 기준으로 상기 기둥부의 개수 또는 두께가 계산되어 설계되고,
상기 입력부는 고정 상태의 베이스에 고정되고, 상기 출력부는 연결하고자 하는 대상물에 연결되어 상기 대상물과 함께 회전되며,
상기 설계 변수는 상기 입력부 및 출력부 각각의 내경 및 외경, 상기 입력부 및 출력부 각각의 두께, 상기 기둥부의 길이를 포함하고,
상기 기둥부들은 상기 출력부의 회전시 상기 입력부에 일단부가 고정된 외팔보 형상으로 탄성 변형되며,
상기 출력부에는 상기 기둥부들의 탄성 변형시 상기 출력부의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 기둥부들에 의해 비틀림 탄성력이 전달되는 것을 특징으로 하는 중공형 탄성 구조체.Ring-shaped input unit;
a ring-shaped output unit facing the input unit and corresponding to the input unit; and
a plurality of pillars connected in parallel between the input unit and the output unit;
Includes,
After setting the design variables of the input unit, the output unit, and the plurality of pillar parts, the number or thickness of the pillar parts is calculated and designed based on the set design variables and target spring stiffness,
The input unit is fixed to a stationary base, and the output unit is connected to an object to be connected and rotated together with the object,
The design variables include the inner diameter and outer diameter of each of the input and output portions, the thickness of each of the input and output portions, and the length of the pillar portion,
When the output unit rotates, the pillar parts are elastically deformed into a cantilever shape with one end fixed to the input unit,
A hollow elastic structure, characterized in that torsional elastic force is transmitted to the output portion by the column portions in a direction opposite to the rotation direction of the output portion when the column portions are elastically deformed.
상기 입력부 및 출력부는 금속 재질의 링 형상의 플레이트를 포함하며,
상기 입력부, 출력부 및 복수의 기둥부는 일체로 마련되는 중공형 탄성 구조체. According to paragraph 1,
The input unit and output unit include a ring-shaped plate made of metal,
A hollow elastic structure in which the input unit, the output unit, and the plurality of column units are integrally provided.
상기 입력부 및 출력부는 금속 재질의 링 형상의 플레이트를 포함하며,
상기 복수의 기둥부의 일단과 타단은 상기 입력부 및 출력부에 대해 각각 착탈 가능하게 조립되는 중공형 탄성 구조체. According to paragraph 1,
The input unit and output unit include a ring-shaped plate made of metal,
A hollow elastic structure in which one end and the other end of the plurality of pillars are detachably assembled to the input unit and the output unit, respectively.
상기 복수의 기둥부는,
상기 입력부 및 출력부의 사이를 연결하는 기둥; 및
상기 기둥의 양단에 결합되어, 상기 기둥의 양단을 상기 입력부 및 출력부에 조립시키는 가이더;
를 포함하며,
상기 기둥의 양단은 상기 가이더에 마련된 가이드홈에 각각 삽입되고, 상기 가이더는 상기 입력부 및 출력부에 상호 마주하게 관통된 조립홀에 삽입되어 조립되는 중공형 탄성 구조체. According to paragraph 1,
The plurality of pillars,
A pillar connecting the input unit and the output unit; and
A guider coupled to both ends of the pillar and assembling both ends of the pillar to the input unit and the output unit;
Includes,
A hollow elastic structure that is assembled by inserting both ends of the pillar into guide grooves provided on the guider, and the guider is inserted into an assembly hole penetrating the input unit and the output unit to face each other.
상기 복수의 기둥부는 강성을 가지는 금속 재질로 마련되는 평판 스프링 형상을 가지는 중공형 탄성 구조체. According to paragraph 1,
A hollow elastic structure having a flat spring shape wherein the plurality of pillars are made of a rigid metal material.
상기 설계 변수를 하기 수학식 1 내지 3에 의해 도출되는 응력 공식에 적용하여 상기 스프링 강성을 설계하며,
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
상기 F는 힘, 상기 E는 영 계수, 상기 I는 2차 단면 모멘트, 상기 L은 상기 복수의 기둥부의 길이, 상기 는 상기 복수의 기둥부의 변형 변위, 상기 b 및 h는 상기 복수의 기둥부의 두께, 상기 R은 상기 입력부 및 출력부의 반지름, 상기 N은 상기 기둥부의 개수 그리고, 는 변형 각도인 중공형 탄성 구조체. According to paragraph 1,
The spring stiffness is designed by applying the design variables to the stress formula derived by Equations 1 to 3 below,
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
F is the force, E is Young's modulus, I is the secondary moment of section, L is the length of the plurality of pillars, and is the deformation displacement of the plurality of pillars, b and h are the thickness of the plurality of pillars, R is the radius of the input part and the output part, N is the number of the pillar parts, and is the deformation angle of the hollow elastic structure.
사용 조건을 설정하는 단계;
상기 사용 조건의 설정에 따라, 설계 변수를 설정하는 단계; 및
상기 설정된 설계 변수와 목표 스프링 강성을 기준으로 상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계;를 포함하며,
상기 사용 조건은 상기 중공형 탄성 구조체가 배치되는 공간의 크기 및 상기 출력부에 연결하고자 하는 대상물의 무게를 포함하고,
상기 설계 변수를 설정하는 단계는, 상기 입력부 및 출력부의 내경 및 외경 길이를 설정하는 단계; 및 상기 중공형 탄성 구조체의 목표 스프링 강성을 설정하는 단계;를 포함하며,
상기 입력부는 고정 상태의 베이스에 고정되고, 상기 출력부는 상기 대상물에 연결되어 상기 대상물과 함께 회전되며,
상기 기둥부들은 상기 출력부의 회전시 상기 입력부에 일단부가 고정된 외팔보 형상으로 탄성 변형되고,
상기 출력부에는 상기 기둥부들의 탄성 변형시 상기 출력부의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 기둥부들에 의해 비틀림 탄성력이 전달되는 것을 특징으로 하는 중공형 탄성 구조체의 설계 방법.In the method of designing a hollow elastic structure including a ring-shaped input unit and an output unit facing each other, and a plurality of pillars connected in parallel between the input unit and the output unit,
setting terms of use;
Setting design variables according to the settings of the usage conditions; and
Comprising: calculating the thickness or number of the plurality of pillars based on the set design variables and target spring stiffness,
The conditions of use include the size of the space in which the hollow elastic structure is disposed and the weight of the object to be connected to the output unit,
Setting the design variables includes setting the inner diameter and outer diameter lengths of the input unit and the output unit; And setting the target spring stiffness of the hollow elastic structure,
The input unit is fixed to a stationary base, and the output unit is connected to the object and rotated with the object,
When the output unit rotates, the pillar parts are elastically deformed into a cantilever shape with one end fixed to the input unit,
A method of designing a hollow elastic structure, characterized in that torsional elastic force is transmitted to the output portion by the column portions in a direction opposite to the rotation direction of the output portion when the column portions are elastically deformed.
상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계는,
상기 입력부 및 출력부의 내경 및 외경 길이를 설정하는 단계에서 설정된 상기 내경 및 외경의 값으로 상기 복수의 기둥부의 형상을 최적화하는 단계;
최적화된 형상의 상기 복수의 기둥부의 개수를 계산하는 단계;
상기 계산된 상기 복수의 기둥부의 개수와 상기 강성을 설정하는 단계에서 설정된 강성으로 상기 복수의 기둥부의 두께를 계산하는 단계; 및
상기 복수의 기둥부의 형상을 결정하여 설계하는 단계;
를 포함하는 중공형 탄성 구조체의 설계 방법.According to clause 9,
The step of calculating the thickness or number of the plurality of pillars is,
optimizing the shape of the plurality of column parts using the inner diameter and outer diameter values set in the step of setting the inner diameter and outer diameter lengths of the input unit and the output unit;
calculating the number of the plurality of pillars of optimized shape;
calculating the thickness of the plurality of pillar parts using the calculated number of the plurality of pillar parts and the stiffness set in the step of setting the stiffness; and
determining and designing the shapes of the plurality of pillars;
Design method of a hollow elastic structure comprising.
상기 복수의 기둥부의 두께 또는 개수를 계산하는 단계는 하기 수학식 1 내지 3에 의해 도출되는 응력 공식에 적용하여 상기 스프링 강성을 설계하며,
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
상기 F는 힘, 상기 E는 영 계수, 상기 I는 2차 단면 모멘트, 상기 L은 상기 복수의 기둥부의 길이, 상기 는 상기 복수의 기둥부의 변형 변위, 상기 b 및 h는 상기 복수의 기둥부의 두께, 상기 R은 상기 입력부 및 출력부의 반지름, 상기 N은 상기 기둥부의 개수 그리고, 는 변형 각도인 중공형 탄성 구조체의 설계 방법.According to clause 9,
In the step of calculating the thickness or number of the plurality of column parts, the spring stiffness is designed by applying the stress formula derived by the following equations 1 to 3,
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
F is the force, E is Young's modulus, I is the secondary moment of section, L is the length of the plurality of pillars, and is the deformation displacement of the plurality of pillars, b and h are the thickness of the plurality of pillars, R is the radius of the input part and the output part, N is the number of the pillar parts, and is a design method of a hollow elastic structure where is the deformation angle.
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