KR100716280B1 - 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크 - Google Patents

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소상균
이영기
노종호
유진산
류광호
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한밭대학교 산학협력단
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    • F16D2125/46—Rotating members in mutual engagement
    • F16D2125/50—Rotating members in mutual engagement with parallel non-stationary axes, e.g. planetary gearing

Abstract

본 발명은 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크에 관한 것으로서, 특히 자기유변유체를 이용한 브레이크에 있어서, 외주연에 기어를 구비하는 회전판이 중앙부에 고정 설치되는 회전축과; 내부에 공간부가 형성되고, 상기 공간부의 일측에 복수의 고정축이 형성되는 하우징과; 상기 하우징의 고정축에서 회전 가능하도록 고정되고, 상기 회전판의 기어와 결합되는 복수의 유성치자기어와; 원판 형태로 형성되되, 상기 유성치자기어가 치합되도록 중앙부에 원형의 기어홀이 형성되고, 상기 하우징 내부에 설치되는 디스크와; 상기 하우징의 공간부에 충진되는 자기유변유체; 및 상기 하우징의 공간부 외측 테두리에 설치되는 전자 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 회전축과 디스크 사이에 유성치차기어를 삽입하여 회전축이 고속으로 회전되어도 디스크가 감속되어 회전되도록 함으로써 회전축이 고속으로 회전시에도 안정적으로 디스크의 제동이 이루어질 수 있다.
자기유변유체, 브레이크, 회전축, 유성치자기어, 디스크, 감속

Description

자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크{Rotary break for using magnetorheological fluid}
도 1은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 구성을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 회전축과 디스크의 감속 관계를 설명하기 위한 설명도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크중 디스크의 구성을 나타낸 평면도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110 : 회전축 120 : 하우징
130 : 유성치자기어 140 : 디스크
150 : 자기유변유체 160 : 전자 코일
본 발명은 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크에 관한 것으로서, 상세하게는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크에 따르면, 회전축과 디스크 사이에 유성치차기어를 삽입하여 회전축이 고속으로 회전되어도 디스크가 감속되어 회전되도록 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크에 관한 것이다.
최근의 회전 기계 기술의 응용 분야를 살펴보면, 회전 기계 시스템의 고출력 및 고속회전과 같은 성능의 향상뿐만 아니라 회전체의 정밀한 위치 제어, 회전기계에 걸리는 부하 변동시의 정속도 유지, 회전 시스템의 운전 중 발생하는 진동의 효과적인 억제가 큰 관심의 영역이 되고 있다.
통상적으로 자동차나 자전거의 제동장치에서는 회전하는 물체에 제동을 걸어야 하는 경우, 보통 브레이크 드럼에 금속이나 고무 패드를 회전체에 직접 마찰시키는 방법으로 제동력을 가한다. 또한, 동력전달 장치의 모의 실험 등과 같은 부하장치에서는 발전기의 원리를 응용하여 기계적인 회전 에너지를 전기 에너지로 강제로 변환시키는 방법으로 회전 시스템에 부하를 가한다.
그러나, 상기와 같은 방법을 사용한 제동장치는 기계적 마찰을 이용하게 되므로 마찰열에 의한 재질의 변화가 일어난다.
즉, 제동장치의 속도 및 토크를 감속시키기 위해 기계적 마찰을 이용할 경우 소실되는 에너지는 모두 열 에너지로 변화되기 때문에 마찰이 일어나는 부분에서의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이러한 온도 상승은 시스템을 구성하는 재질의 변화를 초래할 수 있다. 또한, 이러한 재질변화는 제품의 성능을 떨어뜨리고, 극단적으로는 제품의 파단까지 초래할 수 있다.
또한, 상기와 같은 방법을 사용한 부하장치는 발전기의 비선형성 때문에 원하는 부하를 정확하게 걸어 줄 수 없고, 또한 큰 부하를 걸어 주기 위해서는 발전 기의 용량도 커져야 하므로 전체 부피가 매우 커지게 된다. 또한, 상황에 따라 걸어주는 부하를 달리해야 하는 경우가 생길 때, 발전기 원리를 이용한 방식은 장치의 하드웨어를 다시 교체해야 하는 불편함이 있기 때문에 임의로 원하는 부하를 변화시키는데에는 많은 어려움이 따른다.
따라서, 상기의 단점들을 해소시키기 위해서 기존의 유압장치나 모터보다 매우 안정되고 효과적이며 시스템의 반응속도가 빠른 지능형 재료(smart material)중 자기유변유체가 사용된다.
여기에서, 자기유변유체(Magnetorheological fluid)는 10-4 ∼10-3㎝크기의 강자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로 자기장을 인가하지 않을 경우 상온에서 0.20∼0.30Pa-sec의 점성을 가지고 150∼250㎄/m(2∼3kOe)의 자기장이 가해지면 50∼100㎪의 높은 항복응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체는 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복 응력이 제한되기는 하지만, 빠른 응답시간[1∼2msec(msec ; 10-3sec)]을 가지며, 또한 -40∼150℃의 작동 범위와 유입되는 불순물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다.
이런 특성을 갖는 자기유변유체는 자기장이 가해질 경우에 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복 응력이 변화하게 된다. 따라서, 자기장 비인가 시에 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만 자기장 인가 시에는 유체중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가 하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다. 즉, 자기유변유체는 자기장 비인가시 액체 상태이던 것이 자기장 인가시 젤 상태로 변하게 된다.
종래의 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 감쇠장치로는 예를 들면, 자기유변댐퍼의 미국특허 제4,200,003호와, 직선운동을 제한하기 위해 영구자석 및 전자 코일 사용한 미국특허 제4,942,947호와, 자기유변유체의 설계방법중 밸브모드를 이용한 미국특허 제5,284,330호와, 자기유변유체를 이용한 부하장치로 왕복운동을 제한하는 미국특허 제5,492,312호 및 회전디스크와 솔레노이드에 의한 자기장을 발생시켜 자기유변유체의 점성을 변화시킨 토크로드 시뮬레이터 시스템인 미국특허 제5,598,908호 등이 있다.
통상적으로 이런 종래의 자기유변유체를 이용한 감쇠장치중에서 회전 기계에 사용되는 제동장치는 외부에서 전달된 회전력이 인가되는 디스크를 포함하는 회전축과, 상기 디스크를 감싸는 자기유변유체가 채워진 본체부와, 이런 본체부의 자기유변유체에 자기장을 작용시켜 직접전단모드로 점성을 변화시킬 수 있는 전자코일로 구성되어 있다.
그러나, 상기 다수의 자기유변유체를 이용한 시스템들은 단순히 점성을 변화시키는 자기장을 발생시켜 단순히 왕복운동이나 회전운동을 억제시키는 감쇠장치 및 제동장치, 즉 브레이크로만 사용되고 있을 뿐이다.
또한, 브레이크로 이용하는 경우 자기유변유체의 특성상 고속 회전의 경우에는 성능이 나오지 않기 때문에 100~200RPM 내의 저속에서만 사용하거나 고속인 경우는 별도로 감속기를 부착하여 100~200RPM으로 감속시켜야만 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전축과 디스크 사이에 유성치차기어를 삽입하여 회전축이 고속으로 회전되어도 디스크가 감속되어 회전되도록 함으로써 회전축이 고속으로 회전시에도 안정적으로 디스크의 제동이 이루어지도록 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
자기유변유체를 이용한 브레이크에 있어서, 외주연에 기어를 구비하는 회전판이 중앙부에 고정 설치되는 회전축과; 내부에 공간부가 형성되고, 상기 공간부의 일측에 복수의 고정축이 형성되는 하우징과; 상기 하우징의 고정축에서 회전 가능하도록 고정되고, 상기 회전판의 기어와 결합되는 복수의 유성치자기어와; 원판 형태로 형성되되, 상기 유성치자기어가 치합되도록 중앙부에 원형의 기어홀이 형성되고, 상기 하우징 내부에 설치되는 디스크와; 상기 하우징의 공간부에 충진되는 자기유변유체; 및 상기 하우징의 공간부 외측 테두리에 설치되는 전자 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 디스크는 100~500RPM의 회전 속도를 유지하도록 상기 회전축에 대한 감속비를 갖는다.
여기에서 또한, 상기 디스크는 측면에 등간격을 가지며 형성되는 복수의 침전 방지홀을 구비한다.
여기에서 또, 상기 침전 방지홀은 그 배치가 사각 형상으로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 침전 방지홀은 그 배치가 별 형상으로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 회전축과 디스크의 감속 관계를 설명하기 위한 설명도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크중 디스크의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크(100)는, 회전축(110)과, 하우징(120)과, 유성치자기어(130)와, 디스크(140)와, 자기유변유체(150)와, 전자 코일(160)로 구성된다.
먼저, 회전축(110)은 시스템의 회전축(미도시)과 연결되고, 중앙부에 외주연에 기어(113)를 구비하는 회전판(111)이 고정 설치가 형성된다.
그리고, 하우징(120)은 내부에 그 단면이 사각 형태인 공간부(121)가 형성되고, 공간부(121)의 일측에 복수의 고정축(123)이 형성된다. 여기에서, 하우징(120)에는 하기에서 설명할 자기유변유체(150)의 이탈을 방지하기 위하여 오링 등을 이용하여 실링 처리하는 것은 공지의 구성으로 그 설명은 생략한다.
또한, 유성치자기어(130)는 하우징(120)의 고정축(123)에서 회전 가능하도록 고정되고, 회전판(111)의 기어(113)와 결합된다. 여기에서, 유성치자기어(130)는 안정적인 고정을 위하여 등간격으로 3개 또는 4개가 설치되고, 하우징(120)의 고정축(123)에서 회전이 가능하도록 중앙부에 베어링(미도시)이 설치되는 것이 바람직하다. 한편, 디스크(140)를 회전축(110)과 동일 방향으로 회전시키기 위해 한쌍의 유성치자기어(130)를 상호 치합시켜 설치할 수도 있다.
또, 디스크(140)는 원판 형태로 형성되되, 유성치자기어(130)가 치합되도록 중앙부에 원형의 기어홀(141)이 형성되고, 하우징(120) 내부에 설치된다. 여기에서, 디스크(140)는 100~500RPM의 회전 속도를 유지하도록 회전축(110)에 대한 감속비를 갖는다. 여기에서 또한, 디스크(140)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 측면에 등간격을 가지며 형성되는 복수의 침전 방지홀(143)을 구비하는 데, 침전 방지홀(143)은 사각 형상 또는 별 형상으로 배치된다. 여기에서, 침전 방지홀(143)을 사각 형상 또는 별 형상으로 형성하는 이유는 디스크(140)가 회전하면서 침전 방지홀(143)의 위치가 가변되도록 하여 하기에서 설명할 자기유변유체(150)를 유동시키도록 하기 위함이다.
한편, 자기유변유체(150)는 하우징(120)의 공간부(121)에 충진된다.
그리고, 전자 코일(160)은 하우징(120)의 공간부(121) 외측 테두리에 설치된다.
이하, 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
회전축(110)이 회전되어 회전판(111)이 회전되는 상태에서 유성치자기어(130)는 하우징(120)의 고정축에 고정되어 있기 때문에 제자리에서 회전을 하게 된다.
그러면, 유성치자기어(130)와 치합된 디스크(140)가 회전축(110)의 반대 방향으로 회전을 하게 되는 데, 유성치자기어(130)에 의해 회전축(110)의 회전 속대 대비 감속비만큼 감속되어 회전되게 된다. 일예를 들어 설명하면, 회전축(110)이 2000RPM으로 회전되는 경우 디스크(140)의 감속비를 1/4~1/20으로 설정하여 디스크(140)가 100~500RPM으로 회전되도록 한다.
이러한 상태에서 전자 코일(160)에 전원이 인가, 즉 제동이 이루어지면 자기유변유체가 젤 상태로 변화되면서 디스크(140)가 회전되지 못하여 제동이 이루어진다.
또한, 디스크(140)에 침전 방지홀(143)이 형성되어 있기 때문에 자기유변유체(150)가 하우징(120)의 공간부(121) 하단에 침전되는 것을 막고, 침전 방지홀(143)로 인해 디스크(140)의 제동력이 증대된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크에 따르면, 회전축과 디스크 사이에 유성치차기어를 삽입하여 회전축이 고속으로 회전되어도 디스크가 감속되어 회전되도록 함으로써 회전축이 고속으로 회전시에도 안정적으로 디스크의 제동이 이루질 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (5)

  1. 자기유변유체를 이용한 브레이크에 있어서,
    외주연에 기어를 구비하는 회전판이 중앙부에 고정 설치되는 회전축과;
    내부에 공간부가 형성되고, 상기 공간부의 일측에 복수의 고정축이 형성되는 하우징과;
    상기 하우징의 고정축에서 회전 가능하도록 고정되고, 상기 회전판의 기어와 결합되는 복수의 유성치자기어와;
    원판 형태로 형성되되, 상기 유성치자기어가 치합되도록 중앙부에 원형의 기어홀이 형성되고, 상기 하우징 내부에 설치되는 디스크와;
    상기 하우징의 공간부에 충진되는 자기유변유체; 및
    상기 하우징의 공간부 외측 테두리에 설치되는 전자 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크는,
    100~500RPM의 회전 속도를 유지하도록 상기 회전축에 대한 감속비를 갖는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스크는,
    측면에 등간격을 가지며 형성되는 복수의 침전 방지홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 침전 방지홀은,
    그 배치가 사각 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 침전 방지홀은,
    그 배치가 별 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 로터리 브레이크.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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