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momonGa-4。のヒ・ミ・ツ (剛性編)

JSETEC2012競技期間中に他チームからmomonGa-4。で使っている駆動伝達ベルトについて「このサイズで(容量)足りるの?」と質問をいただきました。

答えは、、、「足りません」。 今回は剛性に対する設計アプローチについて。

 今回チーム奥澤がmomonGa-4。の設計を進めるにあたり決めた目標は、スモール&ライト(とパワフル)です。これは過去3回のJSETEC参加実績からレギュレーションだけでなく運搬等まで考慮した優先度の高い要求仕様で昨年の3号機からどれだけ軽く、小さくできるかから設計をスタートさせました。
 駆動部に許された配分重量は3kgでした。結果的に3.6kgとオーバーしているのですが(苦笑)、軽量化出来ないモーターとブレーキユニットで1.6kgあり、残りの2kgで3号機よりもペイロード(目標7kg、結果8.5kg)を搭載出来る機構を実現せねばならず剛性設計の根本的なアプローチから見直ししてみました。
driving-unit.jpg

「本当にその剛性が必要か!?」
 momonGa-4。駆動部の基本構造は対向駆動ローラー(軸Φ8)を両側板(t6)でサンドイッチした形で、それにモータやブレーキをつけています。
momonGa4-frame-20120813.jpg

普段の本業では設備中の最大負荷(この場合モータ)に耐え得る剛性のフレーム設計するのですが今回搭載した7kW超(理論値)のモータを当てはめるととんでもない重量の構造物になります。しかし他のチームのクライマーを見ますと厚さ2mm程度の板に穴をあけて軽量化した側板で構成されていたりします。設計アプローチとして何が皆さんと違っているのか考えてみました。

「そうだ、下流から考えてみよう!」
未だ釈然としない部分は残りますが"軽量化"という命題から自分なりに理由づけて下流=テザーへの動力伝達ローラ側から剛性設計をすることにしました。

 今回のmomonGa-4。要求仕様からまず最初に(最高)速度:15m/sec、(最大)重量:15kgでの動作を満たす(加速度、振動から受ける負荷は安全率として折り込み)駆動機構、ローラー選定するところからスタートし静的(テストベンチや感圧紙)試験の結果、グリップ力15~19kgfの駆動ローラ部となりました。
 このローラ部にかかるトルク、ラジアル荷重(スラスト方向は別の機構で受けます)を満たす駆動部剛性で考えますと確かに思いのほか華奢でよさそうです。それ以上の負荷がかかると一番先にローラが負けてスリップや摩耗という形で空転を起こしフレームが直接負荷を受けるのが小さいんです(電気的にスリップ検知し動力停止させます)。
おかしな考えですが先に壊れるところを正にして剛性設計をした、というのが今回の駆動部設計です。

改めまして冒頭の質問に対する答え。
「momonGa-4。の要求仕様には足りているが、設備(剛性)としては足りません。」
と言ったところでしょうか。

ちなみに下図が2号機(2010年)の駆動部断面です。高速回転体を持つ構造物の設計アプローチです。3000Wモータ搭載で側板厚はなんと今回の倍、12mmです。
ここから考えるとずいぶんオトナになったでしょ(笑)。
momonGa2-20120813.jpg

皆さんのクライマーの完成品評価だけでなく設計アプローチにについても話し合いたいなあ。。。
 
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