KR100264869B1 - 공압식 충격 시험기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기압실린더로 충격체를 가속시켜서 기계 구조물에 충돌시키므로써, 기계 구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 그리고, 적은 비용으로 시험하기 위한 공압식 충격 시험기에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 기계구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 시험하는 공압식 충격 시험기에 있어서, 충격을 완충하는 받침부(15,16)의 상부의 중심에 고정된 고정대(14)와, 상기 고정대(14)의 "T"자 슬롯(14')에 결합되어 시험편(9)을 지지하는 지지바(11)와, 가속도계(6)가 부착된 충격부(8)와, 상기 충격부(8)를 가이드축부(4)의 내부에서 수직방향으로 발사시키는 피스톤축(20)이 상판(18)의 중심을 관통하게 결합된 공기압실린더부(2)와, 상기 공기압실린더부(2)에 공기압을 공급하는 공압력탱크부 와, 상기 상판(18)의 하면에서 상기 피스톤축(20) 및 상기 충격부(8)를 잠금 및 해제작동시키는 전자석부(3)와 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 공기압실린더부(2)와 전자석부(3)를 제어하여 상기 충격부(8)를 상기 시험편(9)에 충돌시키며, 상기 시험편(9)의 충격량을 센서부(51,52,71,72,73,74) 및 상기 가속도계(6)에서 측정하는 것을 특징으로 하는 공압식 충격 시험기가 제공된다.

Description

공압식 충격 시험기

본 발명은 공압식 충격 시험기에 관한 것이며, 특히 고압의 공기압을 사용하여 충격을 가한 기계구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 시험하는 공압식 충격 시험기에 관한 것이다.

산업이 발달하면서 기계 구조는 정적인 하중 뿐만 아니라 충격과 같은 동적인 하중하에 기계 부재의 특성을 이해하는 것이 필요하게 되었다.

따라서, 동적인 하중하에서 기계 부재의 충격특성을 시험하는 충격시험은 구조적인 안전성을 실험하기 위해서 골프채, 낚싯대, 건축용 비계, 비닐하우스용 강관, 전봇대, 레저, 스포츠용품 및 산업 전반에서 널리 사용된다.

특히, 자동차 산업은 기계 공학의 핵심적 연구대상으로 자동차 구조 분야에서는 자동차의 차체 성형과 구조 해석 및 충돌시 차체의 변형과 충격 특성에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 또한 자동차 구조용 재료는 대량 생산의 관점에서 볼 때 높은 생산성을 가져야 하므로 가공성과 성형성이 좋아야 하며, 구조적으로 안전하고 강도가 높을 필요성이 있으며, 차체는 충돌시 외부로부터 강한 충격 하중을 받게 되므로 충격 흡수 특성이 양호하여야 한다.

따라서, 자동차 구조 분야에서는 고속으로 운행시에 돌발할 수 있는 사고에 대한 안전성을 검증받아야 하기 때문에 충격시험은 필수적이라 할 수 있다. 따라서, 자동차 구조 분야에서는 안전한 차체를 개발하고 더욱 신뢰성 있는 차체 구조를 개발하기 위해서 많은 노력과 연구가 이루어지고 있다. 또한, 이렇게 유사시에 돌발할 수 있는 사고에 운전자의 생명을 보호하기 위한 안전한 차체는 사고시에 가해지는 충격에 자체적으로 강인하게 견디거나, 순간적으로 파괴되므로써 충격랑을 소멸시킬 수 있게 설계된다. 이렇게 안전한 차체를 설계하기 위해서는 차체를 소정속도에서 가속시켜서 직접적으로 충돌시킴으로써 차체에 가해지는 충격량을 계산하는 직접 충격 실험이나 슈퍼컴퓨터를 사용한 모의 실험(simulation)이 수행된다.

종래 기술에 따른 충격 시험기는 진자(pendulum)를 자유낙하시켜서 진자의 해머가 시험편을 절단하는 진자 충격 시험기가 사용된다. 이런 진자 충격 시험기는 상기와 같은 기계 부재의 충격특성을 시험하기 위해서 진자의 해머가 통상적으로 5m/s의 속도로 자유낙하하여 시험편에 충격을 가하며, 부착된 센서로 충격량을 계산하계 된다.

그러나, 자유낙하를 이용한 종래의 진자 충격 시험기는 충격속도를 크게 변화시킬 수 없으며, 짧은 시간에 상대적으로 큰 충격량을 가속시킬 수 없기 때문에 충격시험에 한계가 있다. 또한 자동차와 같은 가속도를 갖는 큰 구조물의 순간적인 충격량을 계산할 수 없는 단점이 있다.

또한, 이렇게 자동차와 같은 움직이는 기계 구조물의 충격 흡수 특성을 측정할 수 있는 종래의 자동차용 충격 시험에는 실제 차체를 임의적으로 가속시킬 수 있는 충격수단과 가속도센서 변형센서와 같은 다양한 센서부의 측정신호를 계산할 수 있는 제어부로 구성되어 있다. 또한, 이런 자동차용 충격 시험기의 충격수단은 정규 자동차의 충돌 시험 속력인 13.4m/s(48.3km/h)의 속력으로 실제 차체를 움직일 수 있게 되어 있다. 이런 자동차용 충격 시험에는 차체 구조의 충격 특성을 측정하기 위해서 실제 차체를 소정속도로 가속시킨 후에 벽면에 충돌시키며, 이때, 차체에 설치한 다양한 센서에 의해서 차체에 가해지는 충격량을 분석할 수 있게 되어 있다. 또한, 종래의 자동차용 충격 시험에는 차체에 가해지는 충격량을 분석하기 위해서 차체의 정면 충돌 시험과 측면 충돌 시험을 한다.

그러나, 정면 충돌 시험은 차체를 고정된 벽에 부딪히게 하는 시험으로, 일회 시험에 드는 비용은 수 천 만원이 소요되며, 측면 충돌 시험은 차량 대 차량(car v.s. car) 시험이기 때문에 일회 시험에 더 많은 비용이 소요되게 된다. 이런 충돌 시험은 비용이 많이 드는 단점과 함께 차체의 여러 부재의 에너지 흡수를 한번에 측정하기 때문에, 차체의 각각의 부재가 흡수하는 에너지는 알 수 없는 단점이 있다. 그러므로, 차체의 충격 흡수를 높이기 위해서 차체의 부재의 설계를 바꾸게 되면, 실차 시험을 하기 전에는 차체의 전체 성능 향상을 알기가 어렵다. 또한, 슈퍼컴퓨터를 사용한 모의 실험(simulation)은 운전자의 생명이 직접적으로 관련이 있는 차체의 구조의 안전성을 신뢰성 있게 보장할 수 없으며, 모의 실험후에라도 실차 시험을 해야만 모의 실험의 결과가 증명되는 불확실성을 갖는다.

따라서, 상기와 같이 안전하고 신뢰성 있는 차체 구조를 설계 하기 위한 자동차 구조 분야에서는 적은 비용으로 차체의 각각의 부재에 가해지는 에너지를 계산하여 신뢰성 있는 설계를 하기 위한 많은 연구와 노력이 기울여 지고 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공기압실린더로 충격체를 가속시켜서 기계 구조물에 충돌시키므로써, 기계 구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 그리고, 적은 비용으로 시험하기 위한 공압식 충격 시험기를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 공압식 충격 시험기의 구성을 설명하기 위한 정면도.

도 2는 도 1에 도시된 공압식 충격 시험기의 결합관계를 설명하기 위한 측면도.

도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 공압식 충격 시험기의 성능을 설명하기 위한 그래프.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 공압력탱크 2 : 공기압실린더

3 : 전자석 4 : 가이드축

6 : 가속도계 8 : 충격체

11 : 지지바 13 : 납괴

14 : 고정대 15 : 받침판

16 : 받침대 17 : 기둥

18 : 상판 51,52,73,74 : 광센서

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 기계구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 시험하는 공압식 충격 시험기에 있어서, 충격을 완충하는 받침부의 상부의 중심에 고정된 고정대와, 상기 고정대의 "T"자 슬롯에 결합되어 시험편을 지지하는 지지바와, 가속도계가 부착된 충격부와, 상기 충격부를 가이드축부의 내부에서 수직방향으로 발사하는 피스톤축이 상판의 중심을 관통하게 결합된 공기압실린더부와, 상기 공기압실린더부에 공기압을 공급하는 공압력탱크부와, 상기 상판의 하면에서 상기 피스톤축 및 상기 충격부를 잠금 및 해제작동시키는 전자석부와 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 공기압실린더부와 전자석부를 제어하여 상기 충격부를 상기 시험편에 충돌시키며, 상기 시험편의 충격량을 센서부 및 상기 가속도계에서 측정하는 것을 특징으로 하는 공압식 충격 시험기가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 충격부의 충격력에 의한 상기 고정대의 파손을 막기 위해서 상기 시험편의 하향으로 상기 고정대의 상면에 납괴가 고정되어 있는 것이 바람직하다.

아래에서, 본 발명에 따른 공압식 충격 시험기의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 공압식 충격 시험기의 구성을 설명하기 위한 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 공압식 충격 시험기의 결합관계를 설명하기 위한 측면도이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따른 공압식 충격 시험기는 지면에 고정된 내충격성이 우수한 재료로 완충작용을 하는 받침대(16)와 받침판(15)이 배치되어 있다. 이런 받침판(15)의 상향에는 "T"자 슬롯(14')이 형성된 고정대(14)가 배치되어 있다. 또한 이런 고정대(14)의 상부에는 세장부재(slender member)와 같은 시험편(9)을 안착시킬 수 있게 지그의 역할을 하는 "Y"자 형상의 지지바(11)들과, 충격체(8)를 보호하기 위한 납괴(13)가 배치되어 있다. 이런 고정대(14)는 상기 지지바(11)들을 교환할 수 있는 것이며, 이런 고정대(14)에 배치되는 지지바(11)들은 시험편(9)의 종류에 따라서 다양한 형상을 갖는다. 따라서, 이런 지지바(11)들을 교환하여 상기 세장부재가 아닌 다른 형태의 부재들에 대해서도 시험할 수 있다.

또한, 이런 "T"자 슬롯(14')이 형성된 고정대(14)의 주위에는 상기 받침판(15)과 수직한 방향으로 세워진 네개의 "L"자형 단면의 가이드축(4)들이 배치되어 있다. 이런 가이드축(4)들의 내부에는 상기 공기압실린더(2)의 피스톤축(20)의 왕복작동에 따라 상하방향으로 움직이는 충격체(8)가 배치되어 있다. 또한, 가이드축(4)들의 정면의 하부는 상기 충격체(8)가 상기 가이드축(4)들의 내부로 삽입될 수 있게 형성되어 있다.

또한, 다수의 광센서(51,52,73,74)들은 충격체(8)의 속도를 측정할 수 있게 상기 가이드축(4)들과 상기 받침판(15)의 센서거치대(71)에 배치되어 있다. 또한, 이런 센서거치대(71)의 반대편에는 시험편(9)을 충돌한 충격체(8)의 속도를 측정할 수 있게 광반사타입의 광센서(73,74)들을 위한 반사판(72)이 배치되어 있다.

또한, 이런 네개의 가이드축(4)들의 외부에서 상기 받침판(15)과 수직한 방향으로 네개의 기둥(17)들이 배치되어 있으며, 이런 기둥(17)들의 상부에는 상판(18)이 배치되어 있다.

또한, 이런 상판(18)의 상방향으로 그 중심에는 대기압보다 6배 정도의 공기압력으로 피스톤축(20)을 상하방향으로 왕복작동시키는 공기압실린더(2)가 배치되어 있으며, 이런 공기압실린더(2)에 고압의 공기를 공급하는 공압력탱크(1)가 설치되어 있다. 또한, 상기 공기압실린더(2)가 배치된 상판(18)의 하면에는 자기력을 이용하여 공기압실린더(2)의 피스톤축(20)을 움직이지 않게 충격체(8)를 잠금, 해제시킴으로써 충격체(8)가 소정의 가속도로 급강하 할 수 있게 하는 전자석(3)이 배치되어 있다. 상기와 같이 배치된 공기압실린더(2)는 통상적인 업계에 널리 알려진 양방향으로 작동하는 액츄에이터형식의 실린더로 윗부분으로 공기가 공급되면 피스톤축(20)을 하강시키고, 밑부분으로 공기가 공급되면 피스톤축(20)을 승강시키게 형성되어 있다. 이런 공기압실린더(2)의 외부에는 피스톤축(20)의 작동제어와 상기 전자석(3)의 잠금, 해제작동 및 상기 광센서(51,52,73,74)들의 신호를 측정하는 제어부(도시안됨)가 배치되어 있다.

이렇게 배치된 제어부는 직류형 앰프와 제어컴퓨터로 구성되어 있고, 다수의 광센서(51,52,73,74)들과 가속도계(6)의 측정신호를 자동 저장하게 되어 있으며, 충격체(8)의 충격 흡수 에너지를 계산하게 되어 있다. 또한, 제어부는 충격체(8)가 5∼20m/s의 속도로 하방향으로 이동할 수 있게, 공기압실린더(2)와 전자석(3)을 제어할 수 있으며, 정규 자동차 충돌 시험 속력인 13.4m/s의 속도로 충격체(8)를 움직일 수 있게 되어 있다.

아래에서 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 공압식 충격 시험기의 결합관계에 대해서 설명하겠다.

먼저, 지면에 고정된 받침대(16)의 상면에는 받침판(15)이 부착되어 있으며, 이런 받침판(15)의 중앙에는 "T"자 슬롯(14')이 형성된 고정대(14)가 고정되어 있다. 이렇게 고정된 고정대(14)의 "T"자 슬롯(14')에는 시험편(9)을 안착시킬 수 있는 "Y"자형상의 지지바(11)들의 하부가 고정되어 있다. 또한, 납괴(13)는 충격체(8)와 상기 고정대(14)를 보호하기 위해서 상기 시험편(9)의 하방향으로 고정대(14)의 상면에 고정되어 있다.

또한, 가이드축(4)들은 상기 고정대(14)가 놓인 받침판(15)과 상판(18)의 사이에서 수직하게 고정되어서 내부에 배치된 충격체(8)가 상하방향으로 이동할 수 있게 결합되어 있다. 또한, 이런 가이드축(4)들에는 충격체(8)의 속도를 측정할 수 있게 제1 및 제2광센서(51,52)가 부착되어 있으며, 광반사타입의 제3 및 제4광센서(73,74)는 반대편에 설치된 반사판(72)에서 광선이 반사될 수 있게 센서거치대(71)에 부착되어 있다. 또한, 충격체(8)에는 충격체(8)의 가속도를 측정하기 위한 스트레인 게이지(strain gauge)형 가속도계(6)가 부착되어 있다.

또한, 상기 가이드축(4)들의 외부에 배치된 네개의 기둥(17)들은 상판(18)을 받침판(15)에 수직방향으로 지지할 수 있게 결합되어 있다. 이런 기둥(17)들이 지지하는 상판(18)의 중심에 상방향으로 수직하게 공기압실린더(2)가 결합되어 있으며, 이런 공기압실린더(2)의 피스톤축(20)은 하향으로 상기 상판(18)을 관통하여 가이드축(4)들의 내부에 배치된 충격체(8)를 하방향으로 밀어낼 수 있게 결합되어 있다. 또한, 이런 공기압실린더(2)를 좌우로 흔들리지 않게 고정하는 보강대(21)는 상판(18)과 상기 공기압실린더(2)의 상부에 고정되어 있다. 또한, 상기 가이드축(4)들의 내부로 상기 상판(18)의 하면에는 외부에 배치된 제어부와 전기적으로 접속된 전자석(3)이 부착되어 있으며, 이런 전자석(3)은 상기 충격체(8)를 임의적으로 고정시키거나 해제시킬 수 있게 되어 있다.

또한, 이런 상판(18)의 상향으로 공기압실린더(2)의 주위에는 공압력탱크(1)가 고정되어 있으며, 이런 공압력탱크(1)는 외부에서 고압의 공기를 공급하는 압축기와 같은 공기공급원과 연결되어 있다. 이렇게 연결된 공압력탱크(1)는 상기 공기압실린더(2)에 고압의 공기를 공급하여 공기압실린더(2)의 피스톤축(20)이 승강 및 하강할 수 있게 연결되어 있다.

또한, 외부에 배치된 제어부는 충격체(8)의 속도와 가속도를 측정하여 시험편(9)에 가해지는 충격량을 제어할 수 있게 다수의 광센서(51,52,73,74)들과 가속도계(6)에 전기적으로 접속되어 있으며, 충격체(8)에 가속도를 줄 수 있게 잠금, 해제작동하는 전자석(3)을 제어할 수 있게 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 이런 제어부는 충격체(8)를 하방향으로 이동시키는 공기압실린더(2)를 제어할 수 있게 전기적으로 접속되어 있다.

아래에서, 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 공압식 충격 시험기의 작동방법에 대해서 설명하겠다.

먼저, "Y"자 형상의 지지바(11)에 충격 특성을 측정하기 위한 시험편(9)을 설치한다. 그런 다음 사용자는 공압식 충격 시험기의 전원을 ON한다. 이럴 경우, 제어부는 공기압 실린더(2)의 피스톤축(20)을 상향으로 올려서 충격체(8)가 상판(18)의 하면에 위치한 전자석(3)과 접촉하게 한다. 이런 다음 전자석(3)에 전원이 들어와서 충격체(8)는 전자석(3)에 붙게 된다. 이때, 공기압 실린더(2)의 밑부분의 공기압이 배출되고 윗부분의 공기압은 계속 유지되어 실린더(2)의 피스톤(20)은 하강하는 힘을 받게 되지만 전자석(3)에 의해 붙잡혀 있게 된다.

이때, 제어부는 전자석(3)을 오프(OFF)시켜서 충격체(8)가 자유롭게 된다. 또한, 공기압 실린더(2)의 피스톤축(20)은 상기와 같은 공기압으로 상기 충격체(8)를 하방향으로 밀어내며, 이런 충격체(8)는 가이드축(4)들의 하향에 배치된 시험편(9)을 향해 발사된다.

이렇게 발사된 충격체(8)는 가이드축(4)들을 따라 급강하 하며, 지지바(11)에 안착된 시험편(9)에 충격을 가한다. 이때, 시험편(9)에 가해진 충격은 지지바(11)를 따라 지면에 고정된 고정대(14)와 받침판(15)과 받침대(16) 및 납괴(13)에서 완충된다. 또한 시험편(9)에 충돌한 충격체(8)는 고정대(14)의 상부에 고정된 납괴(13)에 충돌한다. 이때, 납괴(13)는 상기 고정대(14)와 충격체(8)에 가해진 충격을 완충시켜서, 고정대(14)와 충격체(8)를 보호한다.

도 3 및 도 4에 보이듯이, 상기와 같이 시험편(9)에 충격을 가하는 본 발명의 공압식 충격 시험기의 다수의 광센서(51,52,73,74)들과 가속도계(6)는 0.1초(100 msec)이내에 도면과 같은 속도와 가속도를 측정하여 제어부에 측정신호를 보내며, 제어부의 제어컴퓨터에 자동으로 저장된다. 따라서, 이런 제어부는 상기 측정신호를 바탕으로 에너지를 측정하게 된다. 또한, 제어부는 공압실린더(2)에 가해지는 공기압을 조정하여 충격체(8)가 시험편(9)에 가하는 충격량의 세기를 조절하게 된다. 상기와 같이 시험편(9)에 충격량을 작용시킨 다음 작업자에 의해서 제어부는 공기압실린더(2)의 피스톤축(20)을 원위치시키며, 전자석(3)을 잠금시키게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 공압식 충격 시험기는 차량의 부재에 부딛치는 충력체를 가속시켜서 각각의 부재에 인가되는 충격량을 구할 수 있기 때문에, 차량의 부재의 설계 변경시에 실차 시험을 하기 전에 알수 없는 차량의 충격특성을 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 공압식 충격 시험기는 신차 모형의 개발시에 수행하는 실차 시험의 횟수를 줄이기 때문에 신차 모형의 개발 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 공압식 충격 시험기는 충격체의 속도와 가속도를 측정하여 시험편에 가해지는 충격량을 정확하게 계산하기 때문에, 자동차 분야 뿐 아니라 산업 전반에 걸쳐 사용되는 레저, 스포츠 용품 및 건축 구조물 등에도 응용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 공압식 충격 시험기에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 기계구조물의 충격 흡수 특성을 효율적으로 시험하는 공압식 충격 시험기에 있어서,

   충격을 완충하는 받침부(15,16)의 상부의 중심에 고정된 고정대(14)와, 상기 고정대(14)의 "T"자 슬롯(14')에 결합되어 시험편(9)을 지지하는 지지바(11)와, 가속도계(6)가 부착된 충격부(8)와, 상기 충격부(8)를 가이드축부(4)의 내부에서 수직방향으로 발사시키는 피스톤축(20)이 상판(18)의 중심을 관통하게 결합된 공기압실린더부(2)와, 상기 공기압실린더부(2)에 공기압을 공급하는 공압력탱크부(1)와, 상기 상판(18)의 하면에서 상기 피스톤축(20) 및 상기 충격부(8)를 잠금 및 해제작동시키는 전자석부(3)와 제어부를 포함하며,

   상기 제어부는 상기 공기압실린더부(2)와 전자석부(3)를 제어하여 상기 충격부(8)를 상기 시험편(9)에 충돌시키며, 상기 시험편(9)의 충격량을 센서부(51,52,71,72,73,74) 및 상기 가속도계(6)에서 측정하는 것을 특징으로 하는 공압식 충격 시험기.
2. 제1항에 있어서, 상기 충격부(8)의 충격력에 의한 상기 고정대(14)의 파손을 막기 위해서 상기 시험편(9)의 하향으로 상기 고정대(14)의 상면에 납괴(13)가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 공압식 충격 시험기.