KR0178865B1 - 진공 및 특수 환경 분위기에서 사용하기 위한 구름 마찰 및 마모 시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 구름 마찰 및 마모 시험 장치는 대기 환경을 포함하여 진공 및 특수 환경 분위기 (불활성 가스, 냉매, 부식성 가스 등) 내에서 구름 마찰 운동을 하는 요소들의 마찰 및 마모 시험에 사용하기 위한 것으로, 회전 관성체를 사용하여 구름 접촉 운동시 발생하는 구름 마찰력 측정을 가능하게 하고, 안정된 구름 접촉을 가능하게 함으로써 시험 초기에 구름 요소가 파손되는 단점을 개선할 수 있게 한다. 이 시험 장치는 속도 단위의 진동량을 측정함으로써 구름 요소들이 파손되는 현상과 구름 요소의 피로 마모를 평가하도록 한 것이다. 또한, 이 시험 장치는 구름 요소들의 표면에 마찰 계수 감소 및 내마모성 증가의 목적으로 도포될 수 있는 각종 고체 윤활제 피막들의 마찰 계수 감소 효과 및 마모 수명 증가를 측정할 수 있으며, 구름 베어링 내의 리테이너 재료에 따른 마찰력 증가 요인을 평가할 수 있다.

Description

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

본 발명은 구름 마찰 및 마모 시험 장치에 관한 것으로, 대기 환경을 포함하여 진공 및 특수 환경 분위기 (불활성가스, 냉매, 부식성 가스 등) 내에서 구름 마찰 운동을 하는 요소들의 구름 마찰 계수 및 마모 평가, 특히 재료 표면에 각종 고체 윤활제 피막이 도포된 경우의 구름 마찰 특성 및 마모 수명을 측정하는 시험 장치에 관한 것이다.

종래의 마찰 및 마모 시험 장치는 미끄럼 마찰을 하는 핀-온-디스크 형태의 마찰 마모 시험 장치가 일반적이다. 이러한 장치의 예로는 본 출원인의 특허출원 제 94-10027호가 있으며 그 외에도 다수의 시험 장치들이 있다. 또한, 1990년에 미국의 재료 시험 표준 규격(ASTM G99-90)에 의하여 핀-온-디스크 형태의 시험 장치에서의 마찰 시험 방법이 표준화되어 있다.

한편, 본 발명의 구름 마찰 시험 장치에 의한 시험 방법은 지금까지는 없었던 새로운 것이다. 그 이유는 일반적인 산업 기계류에서 미끄럼 접촉 운동을 하는 기계 요소 부위에서의 마찰 마모 평가가 주요한 관심의 대상이었기 때문이다. 그러나, 우주 항공 기계 분야에서는 많은 기계 요소 부위들이 구름 운동을 받으며, 특히 유체 윤활유 사용에 제한을 받으므로 구름 요소 표면에 고체 윤활 방법을 사용하는 예가 많아서, 본 발명에서와 같은 구름 접촉식 마찰 및 마모 시험 장치 및 시험 방법에 대한 관심이 높아지고 있다.

종래의 구름 마찰 및 마모 시험 장치와 관련한 유일한 국제 규격으로서, 영국의 석유 제품 시험 방법 IP 300/82호에는 기존의 미끄럼 접촉 운동을 하는 사구식 마모 시험 장치(IP 239, ASTM D 4172-82)를 일부 변형하여, 하부에 장착되어 있는 3개의 볼들이 누름 운동을 할 수 있게 볼 컵을 설치하고 이들 볼들과 상부에 장착되어 있는 볼에 수직 하중을 가한 후, 구름 접촉 횟수가 증가함에 따라 발생하는 볼 표면에서의 피팅을 가속도계 진동 센서로 측정하여 시험 대상인 구름 요소 또는 사용된 윤활유의 내피로성을 평가하는 방법이 기재되어 있다.

그러나, 상기 방법을 사용하면 구름 마찰력을 측정하기가 불가능할 뿐만 아니라, 4개의 볼들에 의한 3지점에서의 점 접촉만으로 수직 하중을 지지하기 때문에 구름 운동시에는 시험 초기에 상하로 심한 떨림이 발생하여 볼들이 초기에 파손되는 단점이 발생하는 등 만족스럽지 못했다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구름 접촉 안정성이 향상된 구름 마찰 및 마모 시험 장치를 마련하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 진공 및 특수 환경 분위기 내에서 구름 마찰 운동을 하는 요소들의 마찰 및 마모를 측정하는 데 사용하기 위한 것으로, 회전 관성체를 사용하여 구름 접촉 운동시 발생하는 구름 마찰력을 측정할 수 있는 구름 마찰 및 마모 시험 장치를 마련하는 것이다.

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

제2도는 제1도의 시험 장치의 본체부를 상세하게 도시한 확대도.

제3도는 구름 접촉 요소 부위를 확대 도시한 상세도.

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

제5도는 본 발명의 실시예 1에 따라 측정된 고체 윤활제의 마모 수명을 도시한 그래프.

제6도는 본 발명의 실시예 2에 따라 측정된 드러스트 베어링 구름 마찰 시험 결과를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 시험 장치 몸체부 2 : 장치 본체부

5 : 모터 6 : 회전 펌프

7 : 확산 펌프 9 : 할로겐 램프

12 : 하중 지지대 14 : 하중봉

15 : 하중봉 하단볼 16 : 지지 로드

18 : 회전 관성체 21 : 드러스트 베어링

23 : 드러스트 베어링 레이스 24 : 회전 관성체 아암

25 : 구름 마찰력 센서 26 : 가속도계 진동 센서

28 : 진공 챔버 31 : 주름관

32 : 자기 축이음 기구 33 : 평판 디스크 단체

본 발명의 일 실시예에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치는, 구동 모터를 포함하는 몸체부와, 구름 마찰 운동을 하는 요소를 수용하며 내부 상태가 조절되는 밀폐된 장치 본체부와, 상기 요소를 회전시키기 위해 이 요소와 모터 사이를 연결하는 축이음 기구와, 상기 장치 본체부 내의 상태를 표시 및 조절하기 위한 조작 패널과, 모터를 구동시키는 구동 시스템으로 구성되며, 진공 및 특수한 환경 분위기 내에서 재료의 구름 마찰 및 마모 시험을 수행하기 위한 장치로, 상기 장치 본체부는 원형 상판과 하판 및 측판으로 둘러싸인 진공 챔버의 내부에 마련되고, 회전 관성체와 하중 공급원에 연결되고 직선 운동시 기밀을 유지하기 위하여 신축자재한 주름관 내에 수납된 하중봉과, 하중봉으로부터의 시험 하중을 회전 관성체에 전달하는 지지 로드와, 회전 관성체에 전달된 하중이 구름 마찰 운동 요소에 수직으로 접촉하여 유발된 구름 마찰력에 의한 회전 관성체의 회전력을 측정하기 위한 센서를 포함하며, 상기 축이음 기구는 분리 수단과, 이 분리 수단 외부에 있고 모터에 연결되어 이의 회전에 의해 회전하는 외측 마그네트와, 분리 수단 내부에 있고 외측 마그네트의 회전에 의해 자력에 의해서 회전되어 구름 마찰 운동 요소를 회전시키는 내측 마그네트를 포함하는 구성을 취한다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다. 이 도면에 도시된 것처럼, 상기 시험 장치는 몸체부(1)와, 이 몸체부의 상부에 위치한 장치 본체부(2)와, 장치 조작 패널(3)과, 조작 시스템(4)으로 구성된다. 상기 몸체부(1)는 구동 모터(5)와, 장치 본체부의 내부를 진공 상태로 만들기 위한 회전 펌프(6)와 확산 펌프(7)를 포함한다. 장치 본체부(2)의 내부에는 구름 마찰 및 마모 시험 장치와 할로겐 램프(9)가 마련되어 있다. 장치 본체부(2)의 좌측에는 센서의 전기적인 신호를 전송하는 신호선 연결대(8)가 2개 있으며, 우측에는 조명 및 히터의 기능을 하는 할로겐 램프(9)의 전선 연결대(10)와, 특수 분위기를 만들기 위해 불활성 가스와 대체 냉매 및 부식성 가스 등을 주입하는 데 사용하는 가스 주입구(11)가 마련되어 있다. 이들 연결대는 컴퓨터(27)에 연결되어 있다. 장치 조작 패널(3)은 장치 본체부(2) 내의 상태와 펌프들의 작동 여부 및 자동 조절 밸브의 개폐 상황 등을 나타낸다.

제2도에는 본 발명에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치의 장치 본체부(2)가 상세하게 도시되어 있다. 장치 본체부(2)는 스텐레스로 제작된 반원형의 진공 챔버(28)에 의해 완전히 밀폐된 상태이며, 이 진공 챔버(28)의 전면에는 내열 유리로 된 보호창과 문이 설치되어 있고, 이 보호창과 문에서의 누설을 방지하기 위해 실리콘 O-링으로 밀봉되어 있다. 진공 챔버(28)의 상면 및 하면은 반원형의 상판(29) 및 하판(30)으로 구성되어 분해 및 조립이 가능하게 되어 있다. 진공 챔버(28) 내의 기밀을 유지하기 위하여, 시험 하중을 부과하는 수직한 축의 하중 전달 부위에는 주름관(31)을 사용한다. 동력을 전달하는 부위의 밀봉은 특허출원 제94-10027호에 개시되어 있으며 제4도를 참조하여 이후에 설명하게 될 자기력을 이용한 축이음 기구(32)를 사용하도록 되어 있다. 축이음 기구(32)는 하판(30)에 장착된다. 축이음 기구(32)의 상부에는 드러스트 베어링인 시험편(21)이 위치하고, 시험편 위에는 이 시험편의 구름 운동을 안내하는 드러스트 베어링 레이스(23)를 갖춘 회전 관성체(18)가 장착되어 있다.

또한, 상기 도면에서 13은 리니어 베어링, 14는 하중봉, 15는 하중봉 하단볼, 16은 지지 로드, 17은 지지 로드 하단볼, 18은 회전 관성체, 19는 지지 로드 볼 베어링, 20은 볼 홀더 너트이다. 리니어 베어링(13)은 상판(29)의 구멍 내에서 하중봉(14) 주위에 마련되어 있으며, 시험 하중을 하중봉 하단볼(15)을 거쳐서 지지 로드(16)에 전달하는 하중봉(14)의 이동을 안내한다. 지지 로드(16)의 고정단은 볼 베어링(19)으로 형성되어 고정 수단에 연결되어 있고 자유단은 하중봉 하단에 위치한다 이로써 지지 로드(16)에 전달된 시험 하중은 지지 로드(16)의 볼 베어링(17)을 거쳐 회전 관성체에 전달된다.

제3도는 본 발명에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치의 구름 접촉 요소를 나타낸 것이다. (a)는 시험에 사용하는 구름 요소로 기존의 드러스트 베어링 #51204(21)를 사용하는 경우이며, (b)는 드러스트 베어링의 상부 레이스(23)를 평판 형태의 디스크 단체(33)로 교체한 경우이다. (b)의 경우는 (a)의 경우에 비해 구름 접촉 안정성이 다소 뒤떨어지나, 디스크 표면에 작용하는 접촉 응력이 하부의 드러스트 베어링 레이스에 비해 더욱 크게 부과되므로 디스크 표면의 피로 파괴 발생을 더욱 가속화시킬 수 있다. 또한, 시험 재료의 변경이 쉽고, 재료 표면에의 코팅 처리가 용이한 측면에서는 (b)에 제시한 평판 디스크 시편을 이용하는 방법이 유리한 장점이 있다.

베어링 레이스 내에서 회전한는 볼의 위치를 고정하는 리테이너(34)는 상용으로 사용되는 드러스트 베어링용의 리테이너를 그대로 사용할 수도 있고, 테프론 및 청동 등과 같은 고체 윤활성이 우수한 재료를 사용하여 임의로 제작할 수도 있으며, 경우에 따라서는 리테이너를 사용하지 않고 시험할 수도 있다. 상용의 드러스트 베어링에서 사용되는 볼(22)들의 수도 그대로 사용할 수 있으나, 볼과 레이스 표면에서의 시험 접촉 압력을 크게 하기 위하여 최소 3개 이상의 임의의 수효로 선택하여 시험할 수도 있다.

제4도에는 본 발명에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치의 동력 전달 장치가 상세하게 도시되어 있다. 상기 마찰 및 마모 시험 장치는 시험편(21)을 회전시키기 위해 이 시험편(21)과 구동 모터(5) 사이를 연결하는 마그네틱 축이음 기구(32)를 포함한다 (제2도 참조), 상기 축이음 기구(32)는 구동 모터(5)에 연결되어 이의 회전에 의해 회전하는 외측 회전봉(68)에 결합된 외측 마그네트(65)와, 분리 수단(63) 내부에 있고 외측 마그네트(65)의 회전에 의해 자력에 의해서 회전되어 이에 연결된 디스크 홀더(62)를 회전시켜 시험편(21)을 회전시키는 내측 마그네트(64)를 포함한다. 분리 수단(63)에서는 O-링으로 기밀을 유지한다.

제1도 내지 제4도를 참조하여 상기 구성을 취하는 구름 마찰 및 마모 시험 장치의 작동에 대하여 설명한다. 먼저, 시험 장치의 상판에 설치된 하중 지지대(12) 위에 일정한 질량을 갖는 추를 올려서 시험 하중을 부과한다. 리니어 베어링(13)으로 접속되어 있는 하중봉(14)이 하중을 받아 수직 하강하면, 이 하중봉은 하단에 위치한 볼(15)을 통하여 시험 장치 본체부 내부에 위치한 지지 로드(16) 좌측 상단에 상기 하중을 전달하며, 지지 로드와, 볼(17)을 통하여 연결되어 있는 하부에 위치한 회전 관성체(18)는 회전 관성체 중심점에 지렛대 원리에 의하여 증폭된 시험 하중을 받게 된다. 이때 회전 관성체에 부과된 수직 하중은 볼베어링(19)에서 볼(17)까지의 중심거리와 볼베어링(19)에서 볼(15)까지의 중심거리 비만큼 추 질량에 비하여 증폭된다.

지지 로드(16)는 시험 하중을 받기 전에 평형 상태를 유지하도록 볼(15)의 하단과 회전 관성체의 상단이 거의 맞닿을 정도로 볼-홀더 너트(20)를 조절하여 체결한다.

회전 관성체로 전달된 하중은 시험편으로 사용되는 드러스트 베어링(21) 내의 시편 볼(22)들에 의해서 회전하는 드러스트 베어링 레이스(23)에 수직으로 접촉하여 구름 마찰력을 유발시킨다. 여기서 발생한 마찰력은 회전 관성체(18)에 회전력을 발생시켜 주며, 이 회전력이 회전 관성체 측면에 부착된 아암(24)에 전달되고 이 아암(24)에 연결되어 있는 외팔보형의 마찰력 센서(25)를 밀어줌으로써 구름 마찰력이 측정된다. 또한, 회전 관성체 상단에 가속도계 진동 센서(26)를 설치하여 구름 접촉 운동에 따른 수직 방향의 진동량을 측정한다. 장치 본체부에서 전송되는 각 센서의 신호는 컴퓨터(27)에서 전산 처리된 수치가 입력되어 파일로 저장되며 시험 결과가 컴퓨터(27)의 모니터에 그래프로 나타난다.

본 발명의 실시예 1에 대하여 설명한다.

제5도는 본 발명의 시험 장치를 사용하여 드러스트 베어링 #51204 레이스(KS STB2 베어링 강) 표면에 이황화 몰리브덴을 주성분으로 하는 피막 접착형 고체 윤활제를 약 20μm 두께로 도포하고, 구름 접촉시의 상기 고체 윤활제의 마모 수명을 측정한 실시예 1의 결과를 나타낸다. 시험 조건은 베어링 회전 속도가 300rpm이며, 시험 하중이 초기 단계의 150N에서 회전수 72,000 이후에는 270N으로 변화시켰다. 시험에 사용한 볼은 드러스트 베어링 내의 리테이너를 제거하여 꺼낸 외경이 7.14mm인 볼 12개를 사용하였으며, 시험 전에 볼 표면에 묻어있는 기름을 청결하게 세척한 후 베어링 레이스에 재배열하였다.

이 도면에 도시한 좌측의 좌표는 구름 마찰 계수를 나타내고, 우측은 속도 단위의 진동량 크기를 나타내며, 베어링의 회전수에 따른 각각의 측정량 변화를 나타내고 있다. 또한, 이 도면에서 C는 구름 마찰 계수의 변동을 나타내고 V는 진동량의 변동을 나타낸다. 이때 구름 마찰 계수는 베어링이 회전함에 따라 측정되는 구름 마찰력을 시험 하중으로 나눈 값으로 정의한다. 고체 윤활제가 도포된 베어링은 초기 단계의 구름 접촉시에 매우 높은 진동량을 보이다가 점차 안정화된 낮은 측정값을 나타내었다. 구름 마찰 계수의 측정값도 이와 유사한 특성을 보이고 있다. 회전수 72,000 이후에 시험 하중을 270N으로 증가시킨 후에도 구름 마찰 계수 및 진동량 측정값이 별다른 변화를 보이지 않았으나, 회전수 120,000 이상에서 이들 측정값이 모두 초기 안정값의 약 2배 이상으로 증가하는 결과를 나타냈다. 시험이 종료된 후에 고체 윤활 피막이 도포되었던 베어링 레이스 표면에서 피막이 심하게 손상되었음을 발견할 수 있었으며, 피막 손상의 원인은 장기간에 걸친 구름 접촉의 누적된 피로 마모에 있다. 이와 같이 실시예 1은 본 발명의 시험 장치를 사용하여 구름 접촉 운동을 하는 고체 윤활제 피막의 수명을 측정할 수 있음을 나타내고 있다.

본 발명의 실시예 2에 대하여 설명한다.

제6도는 실시예 2로서, (a)는 상용으로 사용되고 있는 드러스트 베어링(#51204) 자체를 시편으로 사용한 시험 결과이며, (b)는 동종의 베어링에서 리테이너 부분만을 제거한 후에 볼들을 베어링 레이스 위에 재배열하여 시험한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 이 도면에서 C는 구름 마찰 계수의 변동을 나타내고 V는 진동량의 변동을 나타낸다. 이때 기존의 베어링 표면에 묻어있는 오일은 제거하지 않았으며, 시험 조건은 베어링 회전 속도 및 시험 하중이 각각 300rpm 및 150N 내지 270N이었다. 이 실시예의 결과를 비교해 보면, 베어링 볼들의 위치를 구속하는 리테이너가 없는 경우에 진동량 측정값은 약간 증가하였으나, 오히려 구름 마찰 계수는 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 리테이너 요소는 베어링의 구름 접촉을 안정화시키지만, 구름 접촉시 리테이너와 볼간의 미끄럼 마찰력이 부수적으로 수반되어서 구름 마찰력을 높이는 역할을 하는 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 2는 본 발명의 시험 장치를 사용하여 각종 유체 윤활유 조건 하에서의 구름 베어링의 구름 마찰 계수를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 리테이너 재료의 마찰 특성도 평가할 수 있음을 나타내고 있다.

이상 상세하게 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 구름 마찰 및 마모 시험 장치는 그 본체부를 진공 챔버 내에 마련함으로써 진공 및 특수 환경 분위기에서 구름 마찰 및 마모 시험을 수행할 수 있다. 특히, 본 발명의 시험 장치를 사용하면 구름 접촉 운동을 하는 고체 윤활제 피막의 수명을 측정할 수 있고 각종 유체 윤활유 조건 하에서의 구름 베어링의 구름 마찰 계수도 측정할 수 있다.

Claims (4)

1. 구동 모터(5)를 포함하는 몸체부(1)와, 구름 마찰 운동을 하는 요소를 수용하며 내부 상태가 조절되는 밀폐된 장치 본체부(2)와, 상기 요소를 회전시키기 위해 이 요소와 모터(5) 사이를 연결하는 축이음 기구(32)와, 상기 장치 본체부 내의 상태를 표시 및 조절하기 위한 조작 패널(3)과, 모터(5)를 구동시키는 구동 시스템(4)으로 구성되며, 진공 및 특수한 환경 분위기 내에서 재료의 구름 마찰 및 마모 시험을 수행하기 위한 구름 마찰 운동 요소의 마찰 및 마모 시험 장치에 있어서, 상기 장치 본체부(2)는 원형 상판(29)과 하판(30) 및 측판으로 둘러싸인 진공 챔버(28)의 내부에 마련되고, 회전 관성체(18)와 하중 공급원에 연결되고 직선 운동시 기밀을 유지하기 위하여 신축자재한 주름관(31) 내에 수납된 하중봉(14)과, 하중봉(14)으로부터의 시험 하중을 회전 관성체(18)에 전달하는 지지 로드(16)와, 회전 관성체(18)에 전달된 하중이 구름 마찰 운동 요소에 수직으로 접촉하여 유발된 구름 마찰력에 의한 회전 관성체(18)의 회전력을 측정하기 위한 센서(25)를 포함하며, 상기 축이음 기구(32)는 분리 수단(63)과, 이 분리 수단(63) 외부에 있고 모터(5)에 연결되어 이의 회전에 의해 회전하는 외측 마그네트(65)와, 분리 수단(63) 내부에 있고 외측 마그네트(65)의 회전에 의해 자력에 의해서 회전되어 구름 마찰 운동 요소를 회전시키는 내측 마그네트(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름 마찰 운동 요소의 구름 마찰 및 마모 시험 장치.
2. 제1항에 있어서, 지지 로드(16)의 일단부가 회전가능하게 고정되고 지지 로드(16)의 타단부에 하중봉(14)에 의해 외부 시험 하중이 가해지며, 지지 로드(16)의 중간부에는 회전 관성체(18)에 시험 하중을 전달하기 위한 볼(17)이 설치된 것을 특징으로 하는 구름 마찰 및 마모 시험 장치.
3. 제1항에 있어서, 회전 관성체(18) 내부에 구름 접촉 운동에 따른 수직 방향의 진동량을 측정하기 위한 진동 센서(26)가 설치된 것을 특징으로 하는 구름 마찰 및 마모 시험 장치.
4. 제1항에 있어서, 구름 마찰 및 마모 시험을 위한 구름 마찰 운동 요소로서 기존의 드러스트 베어링을 사용하거나, 또는 이 드러스트 베어링의 상부 레이스(23)를 교체하여 평판형 디스크 단체 시편을 사용하는 것을 특징으로 하는 구름 마찰 및 마모 시험 장치.