KR0122865B1 - 진공 및 특수 환경 분위기에서 사용하기 위한 마찰 및 마모 시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 및 특수한 환경 분위기에서 사용하기 위한 마찰 및 마모 시험 장치에 관한 것으로, 시험시 하중을 전달하는 상하면에 스프링을 장착하여 하중 변동의 요인을 개선하였으며, 장치 본체 외부에서 공압 또는 추에 의해서 하중을 공급하면 2개의 베어링이 조합된 하중 전달 장치에 전달되어 회전하는 시편 디스크 위에 시편볼이 접촉하여 발생된 마찰력을 마찰력 센서에서 측정하도록 한 것이다. 특히, 본 발명은 장치 본체의 외부에서 운동이 전달되는 부위의 기미 유지 방법을 개선하여 하중을 가하는 직선 운동 부위는 주름관을 이용하고, 시편 디스트를 회전시키는 회전 운동의 전달은 축을 분리시켜서 동력을 전달하는 마그네틱 커플링을 적용한 것으로 진공 및 특수 환경 분위기를 조성시 완전한 기밀을 유지할 수 있다.

Description

진공 및 특수 환경 분위기에서 사용하기 위한 마찰 및 마모 시험 장치

제1도는 본 발명에 따른 마찰 및 마모 시험 장치의 전체적인 구성을 도시한 개략도.

제2도는 제1도의 시험 장치의 본체부를 상세하게 도시한 확대도.

제3도는 제1도의 시험 장치에서 하중을 부과하는 부분을 상세하게 도시한 것으로 (a)는 공압 하중 시스템의 구조도, (b)는 추 하중 시스템의 구조도.

제4도는 본 발명에 따른 시험 장치의 하중 전달 장치를 상세하게 도시한 확대도.

제5도는 본 발명에 따른 시험 장치의 동력 전달부를 상세하게 도시한 것으로 (a)는 건식 마찰시의 동력 전달부의 구조도, (b)는 습식 마찰시의 동력 전달부의 구조도.

제6도는 하중 부과 방법에 따른 동작 수직 하중의 변화를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 시편 볼 32 : 시편 디스크

35 : 하중 센서 36 : 마찰력 센서

43 : 공압실린더 45 : 리니어 베어링

46 : 인장 스프링 47 : 주름관

48 : 하중봉 54 : 테이퍼 롤러 베어링

55 : 드러스트 베어링 58 : 안내봉

59 : 볼 척 61 : 상부 베어링 홀더

63 : 분리 컵 64 : 내측 마그네트

75 : 외측 마그네트 71 : 오일 통

본 발명은 마찰 및 마모 시험 장치에 관한 것으로, 특히 진공 및 특수 환경 분위기(불활성 가스, 냉매, 부식성 가스 등) 내에서의 마찰 및 마모 시험 장치에 있어서 운동을 전달하는 경계면 부위의 누설 문제와 마찰력 측정 장치를 개선하여 각종 윤활제 및 재료들의 마찰 및 마모 시험을 특수한 분위기에서 수행할 수 있는 마찰 및 마모 시험 장치에 관한 것이다.

종래의 마찰 및 마모 시험 장치는 핀-온-디스크 형태가 일반적이다. 이러한 종래의 마찰 및 마모 시험 장치에서는 일정한 중량의 추를 접촉면에 자중으로 눌러줌으로써 하중을 부과하는 방법을 사용하였는데, 이와 같이 추를 이용하여 시험 하중을 부과하는 방법은 간편하고 접촉면에서 별도로 수직 하중 측정 작업을 하지 않아도 되는 편리한 정점을 갖는다. 그러나, 추에 의해서 시험 하중을 부과하는 방법은 추의 미끄럼 속도가 크고 접촉하는 표면의 요철이 심한 경우에는 추의 자체 중량에 의한 수직 방향에서의 관성력이 무시할 수 없을 정도로 커지게 되고, 접촉면의 위치변화에 따른 관성력의 주기적 변동에 의해서 추에 의한 자중이 접촉면에서의 실제 수직 하중과 다르게 측정된다. 이와 같은 현상은 건식 마찰 시험 조건하에서 마찰 계수가 0.5 이상으로 크고 접촉면 상하간에 스틱-슬립 현상이 간헐적으로 발생되는 경우에서도 나타난다. 이러한 관성력의 변화는 마찰 및 마모 시험 장치에서 최종적인 결과치를 부정확하게 한다.

이와 같이 부수적으로 발생되는 관성력의 변동을 줄이기 위해서는 시험 하중의 자체 중량을 최소화하고 시험 장치에 적절한 강성을 주거나 충격 흡수재(댐퍼 등)을 설치하는 방법이 바람직하다.

본 발명의 마찰 및 마모 시험 장치에서는 공압 실린더를 사용하여 시험 하중을 부과하고 충격 흡수제로서 적절한 크기의 스프링을 사용함으로써 상기의 두 가지 조건을 만족시키고 있다. 제6도는 추를 이용하여 시험 하중을 부과한 경우와 공압 실린더를 이용하여 시험 하중을 부과한 경우에 실제 접촉면에서 각각의 동적 수직 하중을 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 이 그래프에서 알 수 있는 것처럼, 공압 실린더를 이용하여 시험 하중을 부과한 경우에 수직 하중의 변동 폭이 작고 평균치에 근접한 안정된 하중 결과를 나타낸다.

본 발명의 목적은 진공 및 특수한 가스 등의 분위기 내에서 사용하기 위한 마찰 및 마모 시험 장치를 마련하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 마찰 및 마모 시험 장치에서 추를 이용한 시험 하중 부과 방법의 결점을 개선하여 마찰력을 손실없이 정확하게 측정할 수 있도록 공압을 이용한 마찰 및 마모 시험 장치를 마련하기 위한 것이다.

본 발명의 최선의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 마찰 및 마모 시험 장치의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다. 이 도면에 도시된 것처럼, 상기 장치는 몸체부(1)과, 이 몸체부의 상부에 위치한 장치 본체부(2)와, 장치 조작 패널(3)과, 조작 시스템(4)로 구성된다. 상기 몸체부(1)은 서보 모터(5)와, 장치 본체부의 내부를 진공상태로 만들기 위한 회전 펌프(6)과, 디퓨전 펌프(7) 등을 포함한다. 장치 본체부(2)의 좌측에는 센서의 전기적인 신호를 전송하는 신호선 연결대(15)가 2개 이고, 우측에는 조명 및 히터의 기능을 갖는 할로겐 램프(18)의 전선 연결대(17)과, 특수 분위기를 만들기 위해 불활성 가스와 대체 냉매 및 부착성 가스 등을 주입하는 데 사용되는 가스주입구(16)이 마련되어 있다. 장치 본체부(2)의 내부에는 마모 시험 장치와 할로겐 램프(18)이 마련되어 있다. 장치 조작 패널(3)은 장치 본체부 내의 상태와 펌프들의 작동 여부 및 자동 조절 밸브의 개폐 상황 등을 나타낸다. 또한 서브 모터(5)는 조작 시스템(4)에 의해 작동된다. 상기 구성을 취하는 마찰 및 마모시험 장치는 다음과 같이 작동된다. 먼저, 질소 가스통(8)에서 고압의 공기가 공압 안정기(12)에서 일정한 압력으로 유지되어 공기 이송관(13)을 거쳐 공압 실린더(43)에 공급되어 시험 하중을 부과한다. 이때에 시험 하중은 자동 조절 밸브(14)와 피엘씨(10)을 사용하여 공기의 압력을 조절함으로써 미세하게 조정할 수 있다. 장치 본체부(2) 및 피엘씨(10)에서 전송되는 각 센서의 신호는 컴퓨터(9)에서 전산 처리된 수치가 입력되어 파일로 저장되며 시험 결과가 컴퓨터의 모니터에 그래프로 나타난다.

제2도에는 본 발명에 따른 마찰 및 마모 시험 장치의 장치 본체부(2)가 상세하게 도시되어 있다. 장치 본체부(2)는 스텐레스로 제작된 반달형의 진공 챔버(21)에 의해 완전히 밀폐된 상태이며, 이 진공 챔버(21)의 전면에는 내열 유리로 된 보호창과 문이 설치되어 있으며 이 보호창과 문에서의 누설을 방지하기 위해 실리콘 O-링으로 밀봉되어 있다. 진공 챔버(21)의 상면 및 하면은 반원형의 상판(33) 및 하판(34)로 구성하여 분해 및 조립이 가능하게 되어 있다. 진공 챔버(21)의 내부를 진공 상태로 하거나 특수한 분위기로 만들기 위해서는 완전한 기밀상태로 유지해야 한다. 특히, 진공 챔버(21)의 외부로부터 내부로 운동이 전달되는 부분의 기밀 상태가 중요하며, 이를 위해서 종래에는 O-링이나 오일 시일 등을 사용하였는데 이 방법은 운동을 전달할 때 일정하지 않은 마찰력을 유발시키고 완전한 밀봉 상태를 유지할 수 없는 단점을 갖는다. 본 발명에서는 이러한 단점을 개선하기 위하여 시험 하중을 부과하는 수직한 축의 직선 하강 운동시에 주름관(47)을 사용하고, 제5도를 참조하여 이후에 설명하는 것처럼 동력을 전달하는 회전 운동을 축이음 대신에 자기력(磁氣力)을 이용하도록 되어 있다.

시험 하중은 공압 또는 추를 사용하여 부과한다. 제2도에 도시된 것처럼, 시험 장치의 상판에 설치된 공압 하중 장치인 공압 실린더(43)에 공압을 가하면 하중봉(48)이 수직 하강하게 된다. 이 하중봉(48)의 수직하강 이동으로 볼(39)가 하중 전달 장치(20)의 볼 접촉대(40)에 접촉하여 하중 전달 장치(20)에 하중이 전달되면, 이 하중에 의해 하중 센서(35)에서 생성된 전기적인 신호가 컴퓨터(9,제1도)에 보내진다. 하중 전달 장치(20)에 전달된 하중은 시편 볼(31)에 의해서 회전하는시편 디스크(32)에 수직으로 접촉하여 마찰력을 유발시킨다. 이렇게 발생한 마찰력은 하중 전달 장치(20) 측면의 디스크 회전 방향 쪽에 부착된 외팔보형의 마찰력 센서(36)에 접촉하여 마찰력이 측정되어 전기적 신호가 변환기(11,제1도)를 거쳐서 컴퓨터(9)에 보내져서 하중과의 관계를 연산하여 마찰 계수값을 수치 및 그래프로 나타낸다. 또한, 시편 주위에 열전대를 설치하여 주변 대기의 온도를 측정하고, 접촉식 변위 측정기(37)을 하중 전달 장치(20)의 윗면에 접촉시켜 마모 깊이를 측정하여 컴퓨터에서 연산 후에 표시한다.

제3도에 도시된 것처럼, 하중봉(38)의 직선 운동시 기밀 유지를 위한 주름관(47)은 그 상부 및 하부에서 O-링으로 고정되어 기밀을 유지하고, 하중봉(38)의 이동시에는 주름관 자체가 신장되어 기밀을 유지한다. 또한, 진공 챔버(21)의 내부를 진공 상태로 하면 주름관의 내부와 외부의 압력차에 의해 주름관의 내면적만큼의 힘이 발생하는데, 이에 대응하여 인장 스프링(46)을 주름관 내부에 설치하여 힘의 균형을 가제 함과 동시에 시험시에 발생하는 하중의 변동 폭을 감소시킨다. 제3도에 도시된 리니어 베어링(45)는 하중봉(48)의 수직 이동을 안내하는 작용을 한다. 공압 실린더를 사용하여 공압으로 시험 하중을 부과하는 공압 하중시스템을 추 하중 시스템으로 바꾸어서 사용하려면 공압 실린더(43)과 실린더 고정대(44)를 분해하고 제3도(b)에 도시된 것처럼 추 안내봉(49)와 추 접시(51)을 조립하면 된다.

제4도에 도시된 것처럼 진공 챔버의 하판(34)에 고정된 안내봉(58)을 축심으로 볼 접촉대(40)이 결합된 몸체는 리니어 베어링(50)에 의해서 원활하게 수직 운동하며, 시편 고정대(60)은 드러스트 베어링(55)와 테이퍼 롤러 베어링(54)의 협동 작용에 의해 원활하게 회전한다. 이들 베어링을 조합ㅎ는데 필요한 예비 조임 하중은 세트 너트(53)으로 가하고 고정 너트(52)를 설치하여 이 너트의 풀림을 방지한다. 시편인 볼(31)을 고정하는 볼 척(59)는 디스크 시편을 경제적으로 사용할 수 있도록 위치를 바꿔가면서 3개 지점에서 시험을 수행한다. 또한, 작은 하중에서의 시험 중에 그리고 외부 요소에 의해 발생하는 하중 변동 요인을 줄이기 위하여 하중 전달 장치의 자체 하중을 지지하는 아바력 스프링(57)을 설치한다.

제5도에는 본 발명의 시험 장치에서의 동력 전달부를 상세하게 도시한다. 제5도(a)에 도시된 것처럼, 서보 모터(5, 제1도)에서 타이밍 벨트와 풀리(42)에 의해서 고리형 외측 마그네트(65)가 결합된 외측 회전봉(68)에 동력이 전달되면, 분리 컵(63)의 내부에 있는 원형 내측 마그네트(64)가 결합된 디스크 홀더(62)가 자력에 의해서 회전된다. 내측 마그네트(64)와 외측 마그네트(65)는 네오디움계로 자력 형태가 이방성인 블록 6개를 60도 간격으로 이극을 배치하여 서로 당기려는 자력을 발생하도록 배치되어 있다. 상기 2개의 마그네트 사이에 있는 분리 컵(63) 상부의 하판(34)와 동력 전달 장치가 결합되는 부분에 오링을 마련하여 기밀을 유지한다. 외측 회전봉(68)은 하판을 기준으로 하부 베어링 홀더(67)에 있는 볼 베어링(69)에 의해서 지지되어 있으며, 디스크 홀더(62)는 상부 베어링 홀더(61)의 볼 베어링(70)과 분리 컵(63)의 볼 베어링(66)에 의해서 지지되어 회전 운동한다. 또한 , 제5도(b)에 도시된 것처럼 상부 베어링 홀더(61)을 제거하고 오일통울 설치하여 유욕 상태에서도 시험을 수행할 수 있게 구성되어 있다. 이 경우에, 시편 디스크(32)는 디스크 홀더(62)에 볼트로 결합한다

이와 같은 구성을 취함으로써, 본 발명의 마찰 및 마모 시험 장치는 시험 장치의 본체부를 진공 챔버 내에 마련함으로서 진공 및 특수한 가스 등의 분위기 내부에 스프링을 사용함으로써 하중 부과시에 부수적으로 발생되는 관성력 변동을 줄일 수 있어서 정확한 시험 결과치를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.

Claims (7)

1. 서보 모터(5)와 회전 펌프(6) 및 디퓨전 펌프(7)을 포함하는 몸체부(1)과, 마모 시험 장치와 신호선 연결대(15)와 할로겐 램프(18) 및 가스 주입구(16)을 포함하는 장치 본체부(2)와, 이 장치 본체부 내의 상태와 펌프들의 작동 여부 및 자동 조절 밸브의 개폐 상황을 나타내는 장치 조작 패널(3)과, 서보 모터를 작동시키는 조작 시스템(4)로 구성되며, 진공 및 특수한 환경 분위기 내에서 재료의 마찰 및 마모 시험을 수행하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치 본체부는 원형 상판(33)과 하판(34) 및 측판으로 둘러싸인 진공침버(21) 내에 마련되며, 하중 공급원에 연결되고 볼 접촉대(40)과 시편볼(31)을 거쳐서 시편 디스크(32)에 이르기까지 시험 하중을 부과하는 하중 부과 장치(43)과, 이 하중 부과 장치(43)에 연결되어 이로부터의 시험하중을 볼 접촉대(40)에 전달하고 자체의 직선 운동시 기밀을 유지하기 위하여 신축자재한 주름관(47) 내에 수납된 하중봉(48)과, 상기 하중 부과 장치(43)에 의해 부과되는 시험 하중을 감지하기 위해 하중봉(48) 아래에 마련된 하중 센서(35)와, 상기 시험 하중을 시편 볼(31)에 최종적으로 전달하는 하중 전달 장치(20)과, 이 하중 전달 장치(20) 상에 마련되어 시편 볼(31)과 시편 디스크(32) 사이에서 발생하는 마찰력을 감지하기 위한 마찰력 센서(36)과, 시험 하중을 부과함에 따라 하중봉(48)이 수직 하방으로 이동함에 따라 주름관(47)이 이동할 때 이 주름관에 발생되는 주름관의 내면적 만큼의 힘에 대한 균형과 하중 변동의 폭을 줄이기 위하여 주름과 내부에 하중봉(48) 주위에 그 길이 방향으로 마련된 인장 스프링(46)을 포함하며, 상기 마찰 및 마모 시험 장치는 시편 디스크(42)를 회전시키기 위해 이 시편 디스크(41)와 서보 모터(5) 사이에서 연결된 마그네틱 커플링 장치(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
2. 제1항에 있어서, 하중 전달 장치(20)의 수직 이동이 하판(34)에 고정된 안내봉(58)을 축심으로 볼 접촉대(40)이 결합된 리니어 베어링(50)에 의해 안내되며, 시편 고정된(60)의 회전 마찰 저항을 최소로 하기 위하여 협동 작용하는 드러스트 베어링(55)와 테이퍼 롤러 베어링(54)를 마련하고, 시편 고정대(60)의 3개 위치에서 시편 볼(31)을 시험하여 하중을 마찰력으로 전달하고, 하중 전달 장치의 자중을 지지하고 하중 변동의 요인을 줄이기 위하여 안내봉(58)의 상부와 볼 접촉대(40)의 하부 사이에 압축 스프링(57)을 마련한 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
3. 제1항에 있어서, 서보 모터(5)로부터 밸트와 풀리에 의해서 고리형 외측 마그네르(65)가 결합된 외측 회전봉(68)을 회전시키며 분리컵(63)의 내부에 있는 원형 내측 마그네트(64)가 결합된 디스크 홀더(62)가 자력에 의해서 동력이 전달되는 구조로 고정된 분리컵(63)에서 O-링으로 기밀을 유지시키는 구조로 회전 운동의 동력을 전달시 축을 분리하여 기밀을 유지하고 동력을 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 하중 부과 장치가 공압에 의한 하중 부과 방식으로 공압 실린더(43)과 실린더 고정대(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 하중 부과 장치가 추 하중 부과 방식으로 추 안내봉(49)와 추 접시(51)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
6. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 오일 내에서의 마찰 및 마모 시험을 수행할 수 있도록 상부 베어링 홀더(61)을 제거하고 오일통(71)을 설치한 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.
7. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 마그네틱 커플링 장치(19)가 서보 모터(5)에 연결되어 이의 회전에 의해 회전하는 외측 회전봉(68)에 결합된 외측 마그네트(65)와, 분리컵(63) 내부에 있고 외측 마그네트(65)의 회전에 의해 자력에 의해서 회전되어 이에 연결된 디스크 홀더(62)를 회전시켜 시편 디스크(32)를 회전시키는 내측 마그네트(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 및 마모 시험 장치.