KR100321580B1

KR100321580B1 - 고무 마찰시험기

Info

Publication number: KR100321580B1
Application number: KR1019990019864A
Authority: KR
Inventors: 김완두
Original assignee: 황해웅; 한국기계연구원
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2002-03-18
Also published as: KR20000075336A

Abstract

본 발명은 고무의 마찰특성을 측정하는 고무마찰 시험기에 관한 것임. 고무마찰 시험기는 기대에 고정된 메인 암(12)의 일측에 웨이트(13)가 설치된 발렌싱 암(14)을 설치하고 타측에 테스트 암(16)을 설치하여 테스트 암에 로드 셀(28)에 수직으로 연결된 마찰 핀(15)을 설치하여서된 측정장치(1)와 시편을 고정하게된 회전할수 있는 턴테이블을 포함하는 시편 작동장치(2)로 구성되고 마찰 핀(15)의 중간 부분에 에 변형율을 측정하기 위한 스트레인 게이지(56)가 설치되었음. 본 발명에 의하면 시편의 운동에 의한 관성력이 마찰시험 데이타에 포함되지 아니하므로 정확한 마찰특성 데이타가 얻어짐.

Description

고무 마찰시험기{Friction tester for Rubber}

본 발명은 탄성소재, 특히 고무의 마찰특성을 시험하는 탄성 소재 마찰시험기에 관한 것이다.

최근 고무 재료의 성능이 다양하게 개선됨에 따라 공업용 재료로서 고무의 용도가 광범위하게 개발되고 있다. 고무는 비선형성을 갖는 종탄성 계수가 작고 파단까지의 신장율은 매우크며, 비틀림 변형이 쉽고 전기 절연성과 내약품성을 갖고 있어서 먼지나 수분의 침투를 방지하기 위한 밀봉 재료와 소음과 진동을 방지하기 위한 방진 재료로 널리 사용되고 잇음은 물론이고 구조 요소나 동력 전달 소재로 널리 사용되고 있다.

고무는 마찰 및 마모특성이 금속과 달라서 용도에 맞는 마찰 특성에 적합하도록 배합을 달리하여야 하므로 마찰 특성을 측정하는 것이 대단히 중요시되고 있다. 고무의 마모 마찰 특성은 고무소재 생산업자와 사용자들이 독자적으로 개발한 시험기에 의하여 사용 목적에 맞는 특성을 시험하고 있으나 국제표준규격은 정하여지지 않았다.

고무의 마찰 특성에 관계되는 마찰계수를 측정하기 위하여는 시편과 신호를 내보내는 테스트 암 사이에 상대적인 직선 또는 회전 마찰운동이 나타나도록 하여 전술한 시편과 테스트 암 사이에서 작용하는 수직력과 마찰력을 측정하여 측정치로부터 계산한다. 따라서 정확한 마찰력을 측정하기 위하여는 시편과 테스트 암 사이에 안정적인 수직력이 작용하는 상태에서 상대적인 운동이 이루어져야 하고 이러한 상대운동이 일어나도록 하기 위하여는 상대 운동과 운동상태를 조절하고 감시하여 그 결과가 측정되는 마찰력에 반영되도록 하여야 한다. 이와 같이 측정된 데이터는 제어기에서 계산되어 요구하는 마찰계수로 나타났다.

종래의 마찰시험기는 시편과 테스트암이 접촉표면에서 상대적인 직전 운동 또는 원운동만을 할 때 테스트 암에 가하여지는 수직력과 마찰력만을 측정하고 이 데이터로부터 마찰계수를 측정하도록 되었다. 에를 들면, 헤리돈형 마찰 측정기에서는 발렌서와 중량추에 의하여 로드셀에 연결된 테스트 암에 시편이 일정한 속도로 접촉 이동하도록 하므로서 테스트 암에 가하여지는 수직력과 마찰력을 측정하여 마찰계수를 계산하도록 되었으며, 라프라 마찰시험기에서는 로드셀에 연결된 지지편에 시편을 고정하고 시편의 반대편에 웨이트를 설치하여 수직력을 측정하면서 고정된 마찰면에 시편이 접촉하면서 이동하도록 되었다. 이러한 종래의 마찰시험기는 측정되는 힘에 시편의 운동에 의한 관성력이 포함되므로 사용하는 기종에 따라 마찰력이 다르게 나타나게되어 정확한 데이터를 얻기 어려웠다.

본 발명자들은 전술한 종래 고무 마찰시험의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과 시편과 테스트 암의 상대운동은 시편의 회전운동으로하고 수직력 측정은 로드셀에 의하며 마찰력 측정은 굽힘변형을 이용한 등가력으로 구현시키므로서 마찰력에 시편의 상대운동에 의한 관성력이 포함되지 않도록 하므로서 전술한 문제점들이 해결됨을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 정확한 마찰계수를 측정할 수 있는 마찰 측정기를 제공하는 것이다.

최근 고무 재료의 성능이 다양하게 개선됨에 따라 공업용 재료로서 고무의 용도가 광범위하게 개발되고 있다. 고무는 비선형성을 갖는 종탄성 계수가 작고 파단까지의 신장율은 매우 크며, 비틀림 변형이 쉽고 전기 절연성과 내약품성을 갖고있어서 먼지나 수분의 침투를 방지하기 위한 밀봉 재료와 소음과 진동을 방지하기 위한 방진 재료로 널리 사용되고 있음은 물론이고 구조 요소나 동력 전달 소재로 널리 사용되고 있다.

본 발명은 기대에 고정된 메인 암, 메인 암의 일측에 연결된 발렌싱 암과 메인 암의 타측에 연결된 테스트 암 및 중간부분에 스트레인 게이지를 갖는 마찰 마찰 핀을 포함하는 마찰 시험기로 구성된다.

본 발명에 의하면 마찰 핀의 단부에 마찰력으로 인한 집중 하중이 작용하므로 핀에 굽힘 모멘트와 전단력이 나타나게 되는바, 이 굽힘 모멘트와 전단력은 스트레인 게이지에 의하여 측정되고 마찰력 계산에 이용된다. 그리고 전술한 마찰 핀은 시편의 상방에서 수직으로 시편에 접촉하도록 되었기 때문에 수직력이 핀을 통하여 수직으로 전달되므로 핀에는 마찰력에 의한 힘과 수직력에 의한 힘이 모두 작용하게되어 수직력이 작용하는 상태에서 마찰력이 추가로 발생하면 스트레인 게이지에 의하여 측정되는 변형율과 응력은 마찰력과 수직력의 영향을 모두 포함하게 된다. 이때 스트레인 게이지를 이용하여 마찰력을 계산할 때 나타나는 오차는 오토 발란싱의 조절에 의하여 무시할수 있는 정도로 보상될수 있으므로 상대 운동에 의하여 발생하는 마찰력만이 신호로서 검출되게 된다.

도1은 본 발명에 의한 마찰시험기의 일부 절개 정면도,

도2는 본 발명에 의한 측정장치의 부분 단면도,

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

측정장치...1 시편 작동기...2 메인 암...12 웨이트...13 발렌싱 암...14

마찰핀...15 테스트 암...16 지지 프레임...20 회전축...21 턴테이블...22

14 : 밸런싱 암 15 : 마찰핀

회전체...46 고정 핀...52 원륜상 홈...58 모우터...64 플렉시블 조인트...66

온도 조절기...70

종래의 마찰시험기는 시편과 테스트암이 접촉표면에서 상대적인 직진 운동 또는 원운동만을 할 때 테스트암에 가하여지는 수직력과 마찰력만을 측정하고 이 데이터로부터 마찰계수를 측정하도록 되었다. 예를 들면, 헤리돈형 마찰 측정기에서는 밸런서와 중량추에 의하여 로드셀에 연결된 테스트암에 시편이 일정한 속도로 접촉 이동하도록 함으로써 테스트암에 가하여지는 수직력과 마찰력을 측정하여 마찰계수를 계산하도록 되었으며, 라프라 마찰시험기에서는 로드셀에 연결된 지지편에 시편을 고정하고 시편의 반대편에 웨이트를 설치하여 수직력을 측정하면서 고정된 마찰면에 시편이 접촉하면서 이동하도록 되었다. 이러한 종래의 마찰시험기는 측정되는 힘에 시편의 운동에 의한 관성력이 포함되므로 사용하는 기종에 따라 마찰력이 다르게 나타나게되어 정확한 데이터를 얻기 어려웠다.

본 발명자는 전술한 종래 고무 마찰시험의 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과 시편과 테스트암의 상대운동은 시편의 회전운동으로하고 수직력 측정은 로드셀에 의하며 마찰력 측정은 굽힘변형을 이용한 등가력으로 구현시킴으로써 마찰력에 시편의 상대운동에 의한 관성력이 포함되지 않도록 함으로써 전술한 문제점들이 해결됨을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

도2에 따르면, 측정장치(1)의 메인 암(12)은 사각 관상체로 형성되었으며 기대(24)에 고정된 지지대(26)에 볼트(27)로 고정시키도록 되었다. 발렌싱 암(14)은메인암(12)에 슬라이딩되게 결합되어 볼트로 고정하게 되었으며, 외단부에 웨이트(13)가 슬라이딩되게 결합된 지지간(13a)를 갖고 있다. 발렌싱 암(14)은 메인 암(12)에 슬라이딩되게 결합되어 볼트로 고정되게 되었으며, 외단부에는 로드셀(28)에 연결된 마찰 핀(15)이 회전할수 있게 설치되었다. 이 마찰 핀(15)은 모우터(32)에 의하여 벨트(34)로 회전할 수 있도록 되었다. 마찰 핀15)은 테스트 암(16) 내에 설치된 다단식 원통형 지지구(40) 내에 회전할 수 있게 설치되고, 이 마찰 핀(15)의 상단은 테스트 암(16) 상면에 설치된 로드 셀(28)에 연결되도록 설치되었다. 이 마찰 핀(15)은 원주상으로 형성되고 하단의 접촉 단부에 구형 마찰편(15a)이 형성되었으며, 마찰 핀(15)의 상단은 로드 셀(28)의 케이스(30) 저면에 고정된 베아링(44)와 지지구(40)의 내주면에 설치된 베어링(45a)(45b)에 회전할수 있게 지지되고 상단에는 모우터(32)의 풀리(33)에 벨트(34)로 연결되는 회전체(46)가 설치 고정되었다. 이 회전체(46)의 내부에는 지지 프레임(40)의 상단부 외주면을 지지하는 베아링(50)이 고정되어 있어서 벨트(34)를 통하여 전달되는 모우터(32)의 회전력에 의하여 마찰 핀(15)이 회전되게 되었다. 전술한 지지구(40)과 마찰 핀(15)에는 고정 핀(52)이 삽입되는 구멍이 형성되어 있어서 마찰 핀(15)을 회전시키고자 할 때는 고정 핀(52)을 빼내고 마찰 핀(15)를 회전시키지 않을 때는 핀(52)을 삽입하여 고정시키도록 되었다. 그리고 마찰 핀(15)의 단부에는 필요시 원판을 설치하여 원통형 시료에 대한 마찰력을 측정할 수 있도록 고정키(54)가 설치될 수도 있다. 전술한 마찰 핀(15)은 중간 부분에 스트레인 게이지(56)가 설치되었다. 본 발명의 장치에 의하여 마찰력을 측정할 때 오차를 최소한도로 하기 위하여는 전술한 스트레인 게이지(56)가 마찰 단부로부터 멀리 떨어지도록 하고 게이지 부착 부분의 직경을 적게 하기 위하여 원륜상 홈(58)이 형성되도록 하고 시편과 점촉하는 단부(60)의 직경을 작게 하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명의 목적은 시편을 턴테이블에 고정시켜 회전운동을 할 수 있도록 하고 시편과 접촉하는 테스트암에 연결된 메인 암과 밸런싱 암에 의하여 마찰력이 측정되도록 한 본 발명의 마찰 시험기에 의하여 달성된다.

본 발명은 기대에 고정된 메인 암, 메인 암의 일측에 연결된 밸런싱 암과 메인 암의 타측에 연결된 테스트암 및 중간부분에 스트레인 게이지를 갖는 마찰 핀을 포함하는 마찰 시험기로 구성된다.

본 발명에 의하면 마찰 핀의 단부에 마찰력으로 인한 집중 하중이 작용하므로 핀에 굽힘 모멘트와 전단력이 나타나게 되는바, 이 굽힘 모멘트와 전단력은 스트레인 게이지에 의하여 측정되고 마찰력 계산에 이용된다. 그리고 전술한 마찰 핀은 시편의 상방에서 수직으로 시편에 접촉하도록 되었기 때문에 수직력이 핀을 통하여 수직으로 전달되므로 핀에는 마찰력에 의한 힘과 수직력에 의한 힘이 모두 작용하게되어 수직력이 작용하는 상태에서 마찰력이 추가로 발생하면 스트레인 게이지에 의하여 측정되는 변형율과 응력은 마찰력과 수직력의 영향을 모두 포함하게 된다. 이때 스트레인 게이지를 이용하여 마찰력을 계산할 때 나타나는 오차는 오토 밸런싱의 조절에 의하여 무시할수 있는 정도로 보상될 수 있으므로 상대 운동에 의하여 발생하는 마찰력만이 신호로서 검출되게 된다.

Claims

기대에 고정된 메인 암(12)의 일측에 웨이트(13)가 설치된 밸런싱 암(14)을 설치하고 타측에 테스트암(16)을 설치하여 테스트암(16)의 로드 셀(28)에 테스트암(16)의 전계 방향에 수직한 방향으로 연결된 마찰 핀(15)을 설치하여서된 측정장치(1)와, 시편을 고정할 수 있도록 된 회전할 수 있는 턴테이블을 포함하는 시편 작동장치(2)로 구성된 마찰력 시험기.
제1항에서, 마찰 핀(15)에 스트레인 게이지(56)가 연결되었음을 특징으로 하는 시험기.
제1항에서, 마찰 핀(15)이 중간 부분에 원륜상 홈(58)으로 형성된 소수경부를 갖고 있고 스트레인 게이지(56)가 전술한 원륜상 홈(58)에 설치되었음을 특징으로 하는 시험기.
제1항에서, 마찰 핀(15)이 테스트 암(16)에 고정된 지지구(40)에 회전할 수 있게 지지되고 마찰 핀(15)의 상단부에 회전체(46)가 부착되었으며, 이 회전체는 테스트 암(16)에 설치된 모우터(32)에 벨트(34)로 연결되었음을 특징으로 하는 시험기.
제1항에서, 마찰 핀(15)이 고정핀(52)에 의하여 지지구(40)에 고정되게 되었음을 특징으로 하는 시험기.
제1항에서, 턴테이블(22)이 프레임(36)내에 설치된 모우터(64)에 의하여 회전할수 있게되었음을 특징으로 하는 시험기.
제1항에서, 시편 작동장치(2)가 턴테이블(22) 상면에 온도 조절기(36)를 갖고 있음을 특징으로 하는 시험기.

도1은 본 발명에 의한 마찰 시험기의 개략도로서, 마찰 시험기는 지지 프레임(10)에 고정된 메인 암(12), 메인 암의 일측에 고정된 웨이트(13)를 갖는 밸런싱 암(14) 및 외팔보 형태로 메인 암(12)에 연결되고 외단부에 수직으로 부착된 마찰핀(15)를 갖는 테스트암(16)을 갖는 측정장치(1)와지지 프레임(20)에 회전할 수 있게 설치된 회전축(21)에 설치된 턴테이블(22) 및 턴테이블 상에 고정된 시편 취부판(23)을 갖는 시편 작동 장치(2)로 구성되었다.

도2에 따르면, 측정장치(1)의 메인 암(12)은 사각 관상체로 형성되었으며 기대에 고정된 지지대(26)에 볼트(27)로 고정시키도록 되었다. 밸런싱 암(14)은 메인암(12)에 슬라이딩되게 결합되어 볼트로 고정하게 되었으며, 외단부에 웨이트(13)가 슬라이딩되게 결합된 지지간(13a)를 갖고 있다. 밸런싱 암(14)은 메인 암(12)에 슬라이딩되게 결합되어 볼트로 고정되게 되었으며, 외단부에는 로드셀(28)에 연결된 마찰 핀(15)이 회전할 수 있게 설치되었다. 이 마찰 핀(15)은 모우터(32)에 의하여 벨트(34)로 회전할 수 있도록 되었다. 마찰 핀(15)은 테스트암(16) 내에 설치된 다단식 원통형 지지구(40)내에 회전할 수 있게 설치되고, 이 마찰 핀(15)의 상단은 테스트암(16) 상면에 설치된 로드 셀(28)에 연결되도록 설치되었다. 이 마찰 핀(15)은 원주상으로 형성되고 하단의 접촉 단부에 구형 마찰편(15a)이 형성되었으며, 마찰 핀(15)의 상단은 로드 셀(28)의 케이스(30) 저면에 고정된 베어링(44)과 지지구(40)의 내주면에 설치된 베어링(45a)(45b)에 회전할 수 있게 지지되고 상단에는 모우터(32)의 풀�(33)에 벨트(34)로 연결되는 회전체(46)가 설치 고정되었다. 이 회전체(46)의 내부에는 지지구(40)의 상단부 외주면을 지지하는 베어링(50)이 고정되어 있어서 벨트(34)를 통하여 전달되는 모우터(32)의 회전력에 의하여 마찰 핀(15)을 회전되게 되었다. 전술한 지지구(40)과 마찰 핀(15)에는 고정 핀(52)이 삽입되는 구멍이 형성되어 있어서 마찰 핀(15)을 회전시키고자 할 때는 고정 핀(52)을 빼내고 마찰 핀(15)를 회전시키지 않을 때는 핀(52)을 삽입하여 고정시키도록 되었다. 그리고 마찰 핀(15)의 단부에는 필요시 원판을 설치하여 원통형 시료에 대한 마찰력을 측정할 수 있도록 고정키(54)가 설치될 수도 있다. 전술한 마찰 핀(15)은 중간 부분에 스트레인 게이지(56)가 설치되었다. 본 발명의 장치에 의하여 마찰력을 측정할 때 오차를 최소한도로 하기 위하여는 전술한 스트레인 게이지(56)가 마찰 단부로부터 멀리 떨어지도록 하고 게이지 부착 부분의 직경을 적게 하기 위하여 원륜상 홈(58)이 형성되도록 하고 시편과 점촉하는 단부(60)의 직경을 작게 하는 것이 바람직하다.

시편 작동장치(2)는 원통형 프레임(20)에 회전할 수 있게 설치된 회전축(21)에 고정된 턴 테이블(22)과 턴 테이블(22)의 상면에 고정된 온도조절기(36) 및 온도 조절기 위에 고정된 시편 취부판(23)으로 구성된다. 도4에 따르면 시편 작동장치(2)의 지지 프레임(20)은 대구경 원통(62)과 소구경 원통(63)이 볼트(61)로 연결되고 내부에 모우터(64)에 플렉시블 조인트(66)로 연결된 회전축(21)이 설치되었다. 이 회전축(21)은 베어링(68a),(68b)에 의하여 회전할 수 있게 지지되었으며, 상단에는 턴테이블(22)이 설치되고 턴테이블의 상면에 온도 조절기(36)가 설치되고 이 온도 조절기(36)의 상면에 시험할 시편이 고정되게 되었다. 전술한 온도 조절기(36)는 내부가 빈 밀폐된 상자형으로 형성되고 내부에 온도 조절용 매체를 주입할 수 있는 주입구(도시하지 않았음)를 갖고 있다.

전술한 본 발명의 장치는 온도 조절기(36)상면에 고정된 마찰 핀(15)을 고정핀(52)으로 고정시키고 시편 취부판(23)에 시편을 고정시킨 다음 턴테이블(22)를 회전시키거나 또는 턴테이블(22)을 고정시키고 고정핀(52)을 빼낸 다음 모우터(32)로 마찰 핀(15)을 회전시키면서 로드셀(28)에서 나오는 수직력 측정치와 스트레인 게이지(56)에서 나오는 변형율 신호를 중앙 연산장치로 보내어 마찰력을 측정한다.