KR101470457B1 - 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고하중의 구조물을 잭업(jack up)하는 장치에 사용되는 랙과 피니언의 시험 장치에 관한 것이다. 본 발명의 시험장치는 프레임 상에서 직선 방향으로 이동 가능하게 지지되는 랙과, 상기 랙에 맞물리는 피니언을 시험하기 위한 장치로써; 상기 랙(R)의 일단부에 연결되어 유압에 의하여 이동하는 피스톤로드(22)가 랙을 직선 이동시킬 수 있는 유압실린더(20)와, 피니언(P)을 구동시킬 수 있는 회전력을 발생시키는 구동모터(40), 상기 구동모터의 회전을 감속시키는 감속기(42,44), 상기 감속기에 의하여 회전하고, 피니언과 동축의 회전축을 가지는 기어(46,48); 그리고 상기 회전축에 설치되어 토오크를 측정할 수 있는 토오크미터(50)를 포함하고 있다. 상기 구동모터(40)의 출력축에는 제동장치가 설치되고, 랙(R)의 타단부에는 로크 너트 실린더가 설치되어, 제동장치가 동작하는 중 로크 너트 실린더가 랙에 힘을 가하여 제동 시험을 할 수 있다.

Description

랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치{Testing device for rack and pinion and braking device}

본 발명은 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고하중의 구조물의 잭업(jack up)을 위한 장치에 사용되는 랙과 피니언을 시험하는 시험 장치 및 이러한 시험장치에 부착되는 브레이크의 시험을 위한 제동시험장치에 관한 것이다.

직선형태를 가지는 랙과 원형의 기어인 피니언은, 회전운동을 직선 운동으로 변환하는 장치라고 할 수 있다. 그리고 이러한 랙과 피니언은 여러 가지 기술분야에서 널리 사용되고 있다. 그 중에서 선박과 같은 고하중의 물체 또는 구조물을 들어올리는(jack up) 경우에도 사용된다.

예를 들면 해상에서 구조물을 구축하는 작업을 수행하는 경우, 선박이 고정되지 않으면 선박에서 구조물을 설치하는 작업이 불가능하다. 이러한 경우 랙과 피니언을 이용하여 선박을 잭업(jack up)하는 장치로 사용하게 된다. 그리고 선박과 같이 고하중의 구조물을 들어올리는 장치는 실제로 엄청난 하중으로 인하여 안전이 문제시 될 수 있기 때문에, 이러한 장치에 대한 정확한 시험은 필수적이라고 할 수 있다.

그리고 이러한 고하중의 구조물을 잭업한 상태에서는, 이렇게 들어올려진 상태를 유지할 수 있는 브레이크가 필요하게 된다. 이러한 브레이크는 고하중의 구조물이 들어올려진 상태를 유지해야 하기 때문에 그 신뢰도는 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 이러한 장치에서의 브레이크 장치의 테스트는 안전과 직결되는 중요한 것이라고 할 수 있다.

그러나 상술한 바와 같이 고하중의 구조물을 잭업하는 경우에 사용되는 랙은 그 길이가 수십미터에 이르는 등 대형의 구조물이어서 이에 대한 적절한 시험장치가 마련되어 있지 않다. 또한 이러한 랙과 피니언을 이용한 시험장치에서 구조물이 잭업된 상태에서, 제동장치가 정확하게 동작하는가의 여부를 테스트할 수 있는 장치 역시 정확하게 시험되어야 하는 것은 당연하다고 할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 랙과 피니언에 대한 정확한 시험을 수행할 수 있는 장치의 제공 및 이러한 장치에 적용되는 브레이크의 제동력을 테스트하는 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 상술한 바와 같은 시험 및 제동시험 장치를 간단하면서도 최대한 경량화할 수 있도록 하는데 있다고 할 수 있다.

이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 시험 및 제동시험 장치는 프레임 상에서 직선 방향으로 이동 가능하게 지지되는 랙과, 상기 랙에 맞물리는 피니언을 시험하기 위한 장치이고, 상기 랙의 일단부에 연결되어 유압에 의하여 이동하는 피스톤로드가 랙을 직선 이동시킬 수 있는 유압실린더와, 상기 랙의 타단부와 연결되고, 상기 유압실린더와는 반대 방향의 힘을 유압을 이용하여 랙에 전달하는 로크 너트 실린더, 상기 피니언을 구동시킬 수 있는 회전력을 발생시키는 구동모터, 상기 구동모터의 출력축의 회전을 감속시키는 감속기, 상기 감속기에 의하여 회전하고, 피니언과 동축의 회전축을 가지는 기어, 상기 회전축에 설치되어 토오크를 측정할 수 있는 토오크미터; 그리고 상기 구동모터의 출력축에 장착되어 출력축을 제동시킬 수 있는 제동장치를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 기어는 상기 감속기에 의하여 회전하는 제1기어와, 상기 제1기어와 맞물리는 제2기어로 구성되고; 상기 피니언은 제1기어와 동축으로 연결되는 제1피니언과 상기 제2기어와 동축으로 연결되는 제2피니언으로 구성될 수 있다.

그리고 상기 유압실린더 내부의 유압을 측정할 수 있는 유압게이지를 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 감속기는, 다수 개의 기어가 내장된 제1감속기와, 상기 제1감속기와 연결되고, 유성기어감속기로 구성되는 제2감속기를 포함하도록 구성하여, 충분한 감속비가 얻어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 랙과 피니언 시험장치에 의하면, 고하중을 지지해야 하는 랙과 피니언에 대한 정확한 시험이 가능하고 더욱이 정지 상태에서 랙과 피니언 사이의 제동력을 시험할 수 있기 때문에, 실제로 선박 등과 같은 고하중의 구조물을 들기 위한 장치로써 정확한 검증이 가능하게 되는 장점을 기대할 수 있을 것이다.

그리고 상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 상대적으로 간단한 구성을 가지면서도 아주 높은 토오크 및 힘을 인가할 수 있도록 구성되기 때문에 랙과 피니언의 시험 뿐만 아니라 제동력을 시험하는 시험장치로써도 최대한의 신뢰도를 확보하고 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 시험장치의 평면도.
도 2는 본 발명에 의한 시험장치의 정면도.
도 3은 본 발명에 의한 시험장치의 배면도.
도 4는 본 발명에 의한 시험장치의 부분 평면도.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

먼저 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시험장치는, 랙(R)과 피니언(P)을 시험하는 장치라고 할 수 있고, 랙(R)의 직선운동 및 피니언(P)의 회전운동 사이에서 힘의 관계 및 관련 토오크 등을 측정하는 것이라고 할 수 있다. 그리고 본 발명의 제동시험 장치는 정해진 힘으로 상기 랙을 밀었을 경우, 시험장치에 부착되어 있는 브레이크의 정상 동작여부 및 그 한계값 등을 측정하는 것이라고 할 수 있고, 이러한 제동시험 장치는, 시험장치에 부착되어 사용된다.

상기 랙(R)은 본 발명 시험장치의 프레임(10)에서 일정 구간 상부로 이격된 상태로 지지되고 있다. 그리고 상기 랙(R) 상에는 피니언(P)이 맞물려 있어서, 피니언(P)의 회전운동은 랙(R)의 직선운동으로 변환될 수 있다. 그리고 이러한 랙(R)의 직선 운동은 상술한 바와 같이 고하중의 구조물을 잭업시키는데 이용되는 것이라고 할 수 있다. 그리고 선박과 같은 고하중의 구조물인 경우에는, 상기 랙(R)은 다수 개가 이용되고 있다.

도시한 실시예에 있어서, 상기 피니언(P)은 한 쌍(Pa,Pb)으로 구성되고 있다. 그리고 상기 피니언(P)의 일측 단부에는 유압실린더(20)가 설치되어 있다. 유압실린더는 공급되는 유압을 구동원으로 하여 큰 힘을 발생시키는 것이고, 유압의 출입에 의하여 피스톤로드(22)가 도면을 기준으로 할 때 좌우 방향으로 이동하게 된다. 그리고 상기 피스톤로드(22)는 죠인트(24)를 통하여 랙(R)의 일단부와 연결되어 있다. 따라서 상기 피스톤로드(22)의 수평방향의 이동에 의하여 상기 랙(R)도 동일하게 수평방향으로 이동하게 됨을 알 수 있다.

그리고 상기 피스톤로드(22)가 연결되어 있는 랙(R)의 반대측 단부에는 로크너트 실린더(lock nut cylinder)(60)가 설치되어 있다. 상기 랙(R)이 프레임(10)에 의하여 지지되고 있고, 상기 로크 너트 실린더(60)도 프레임(10)에 지지되어 있고, 상기 랙(R)이 반대방향으로는 밀리지 않도록 지지되고 있다. 따라서 상기 로크 너트 실린더(60)가 랙(R)에 힘을 가하게 되면 상기 랙(R)은 도면상 우측으로 밀릴 수 있게 되고, 이때 좌측 방향으로의 밀림은 발생하지 않도록 프레임(10)에 의하여 지지되고 있어야 한다.

여기서 로크 너트 실린더(60)는, 핸드펌프에 의하여 유압을 공급할 수 있는 것으로, 그 변화스트로크는 짧으나 아주 큰 힘을 발생할 수 있도록 구성되는 것으로, 에너팩(ENERPAC) 이라는 회사에서 생산하여 시판중에 있는 것이다. 이러한 에너팩 사의 제품 중에서, CLP 시리즈, 팬케익 형태의 로크 너트 실린더는, 그 사양에 따라서 스트로크는 50mm 정도로 짧지만, 500톤 정도의 힘을 발생시킬 수 있고, 이는 에너팩 사의 제품 및 그 홈페이지(www.enerpac.com)에서 확인할 수 있다.

이러한 로크 너트 실린더(60)를 사용하는 것은, 일반적인 유압실린더에 비하여 현저하게 큰 힘을 발생할 수 있기 때문이고, 이를 제동시험 장치에서 이용하고자 한다. 그리고 제동시험 장치에 대한 부분은, 시험장치를 살펴본 후에 다시 상세하게 설명하기로 한다.

그리고 상기 랙(R) 상에는 피니언(P)이 맞물려 있어서, 상기 랙(R)의 직선운동은 상기 피니언(P)의 회전운동으로 전달될 것이다. 상술한 바와 같이 상기 피니언(P)은 한 쌍으로 구성되어 있으며, 각각의 피니언(Pa,Pb)은 베어링(32,34)에 의하여 원활한 회전이 가능하도록 지지되어 있다. 물론 상기 베어링(32,34)은 피니언(Pa,Pb)와 연결되는 중심축을 지지하게 된다.

본 발명의 시험장치는, 상기 피니언(Pa,Pb)을 회전시키기 위한 구동원으로써 구동모터(40)를 구비하고 있다. 상기 구동모터(40)의 출력은 출력축을 통하여 제1감속기(42) 및 제2감속기(44)로 전달되어 충분히 감속된다. 상기 제1감속기(42)는 다수 개의 기어로 구성되는 기어를 이용한 감속기이고, 제2감속기(44)는 높은 감속비를 얻을 수 있는 유성치차감속기이다. 상기 제1감속기(42) 및 제2감속기(44) 자체의 구성은 알려진 것이어서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 본 발명의 시험장치에서 제1감속기(42) 및 제2감속기(44)를 통하여 높은 감속비를 가지도록 구동모터(40)의 회전수를 감소시키는 것은, 상술한 바와 같이 본 발명의 시험 대상인 랙과 피니언이 고하중의 구조물을 들어올리는 장치에 사용되기 때문에, 높은 토오크를 가져야 하는 원래의 사용 환경에 대응하도록 하기 위한 것이라고 할 수 있다.

그리고 유성기어감속기로 구성되는 제2감속기(44)에서의 출력은 회전축을 통하여 제1기어(46)로 전달된다. 여기서 제1기어(46)의 회전축은 제1피니언(Pa)를 회전시키게 된다. 이와 같은 구성은 상기 제1기어(46)와 제1피니언(Pa)를 동축으로 연결시키는 것에 의하여 연동하도록 하는 것도 가능하고, 제1기어(46)의 회전축을 제1피니언(Pa)의 회전축과 연결하여 연동하여 회전시키도록 구성하는 것도 가능하다.

그리고 상기 제1기어(46)는 제2기어(48)과 맞물려 있고, 상기 제2기어(48)의 중심축은 제2피니언(Pb)를 같이 회전시키게 된다. 도시한 실시예에서와 같이 제1기어(46) 및 제2기어(48)의 회전에 따라서, 제1피니언(Pa) 및 제2피니언(Pb)이 회전하게 되면, 이러한 피니언(P)의 회전력은 그 회전수에 대응하도록 랙(R)을 직선 운동시키게 된다.

다음에는 본 발명의 시험장치를 이용한 시험에 대하여 살펴보기로 한다. 상기 유압실린더(20)의 동작에 의하여 피스톤로드(22)가 도면상 좌우 방향으로 움직임은 상술한 바와 같다. 예를 들어 상기 유압실린더(20) 내부로 출입하는 유압에 의하여, 피스톤로드(22)가 랙(R)을 미는 힘은, 유압과 유압실린더 내부에서 유압의 압력을 받는 부분의 단면적에 의하여 계산될 수 있다. 그리고 상기 유압실린더(20)의 내부에 걸리는 유압은, 유압실린더(20)에 부착되는 압력게이지(도시 생략)에 의하여 측정될 수 있다. 따라서 상기 피스톤로드(22)가 랙(R)을 미는 힘은, 유압실린더(20) 내부에서 유압을 받는 부분의 단면적과 상기 압력게이지에서 측정된 압력의 곱으로 계산될 수 있을 것이다.

그리고 상기 구동모터(40)를 구동원으로 하여, 감속된 회전수를 가지고 상기 피니언(P)을 회전시키는 토오크는, 상기 제1기어(46)와 제1피니언(Pa) 또는 제2기어(48)와 제2피니언(Pb)를 연결하는 회전축에 부착되는 토오크미터에 의하여 측정될 수 있다. 도 4에 도시한 실시예에서와 같이, 상기 제2기어(48)의 회전축에 설치되어 있는 토오크미터(50)에 의하여 제2기어(48) 및 제2피니언(Pb)의 회전축에 걸리는 토오크를 측정하는 것이 가능하다.

이와 같이 상기 구동모터(40)에 의하여 피니언(P)을 회전시키는 회전축에 걸리는 회전축의 토오크와, 유압실린더(20)의 피스톤로드(22)가 랙(R)을 미는 힘을 각각 측정할 수 있기 때문에, 본 발명의 시험장치를 이용하게 되면 랙(R)과 피니언(P)에 각각 작용하는 힘 및 이러한 힘들의 합력에 의한 랙(R)의 이동 등에 대한 측정이 가능하게 된다. 예를 들면 상기 랙(R)의 이동은, 유압실린더(20)가 랙(R)을 좌측으로 미는 힘과 구동모터(40)에 의하여 랙(R)이 우측으로 밀리는 힘의 차이에 대응하는 값으로 나타나게 될 것이다.

다음에는 본 발명의 시험장치에 적용되는 브레이크에 대한 제동시험 장치에 대하여 살펴보기로 한다. 여기서 브레이크는, 상술한 바와 같이 랙과 피니언을 부품으로 이용하여, 선박과 같은 고하중의 구조물을 잭업(jack up)한 경우, 이를 원하는 높이에서 지지될 수 있도록 이를 유지하는 기능을 수행하는 것이라고 할 수 있다.

이와 같은 브레이크는, 고정된 상태의 랙(R)에 대하여 피니언(P)이 회전하지 않도록 함으로써, 구조물이 정해진 위치를 유지할 수 있도록 하는 것이다. 그리고 피니언(P)은 제1기어(46) 및 감속기(42,44)를 통하여 구동모터(40)의 출력축과 연결되어 있기 때문에, 구동모터(40)의 출력축에 브레이크를 설치함으로써, 구조물이 정지된 상태를 유지할 수 있을 것이다. 그리고 구동모터(40)의 출력축 이외에도 감속기(42,44)의 출력축 또는 입력축에 브레이크를 설치하는 것도 가능함은 당연하다고 할 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 구동모터(40)의 출력축에 브레이크, 즉 제동장치를 설치한다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 이러한 제동장치는 공지된 것 중에서 선택될 수 있을 것이다. 예를 들면 솔레노이드 원리를 이용하여 구동모터(40)의 출력축을 제동할 수 있는 전자식 브레이크를 사용하는 것도 가능할 것이고, 이러한 제동장치 자체는 공지된 것이어서 그 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

즉, 본 발명에 의하면 상기 구동모터(40)의 출력축에 공지된 제동장치 중에서 어느 하나를 선택하여 설치하는데, 솔레노이드 원리를 이용한 전자식 제동장치를 장착하는 것이 더욱 바람직할 것으로 기대된다. 그리고 이러한 제동장치는 실질적으로 고정된 상태의 랙(R)에 대하여 피니언(P)이 멈춘 상태를 유지할 수 있도록 설치되는 것임은 상술한 바와 같다. 그리고 상술한 바와 같이 상기 랙(R)의 좌측단부에는, 랙(R)을 미는 힘을 발생시킬 수 있는 로크 너트 실린더(60)가 프레임(10)에 의하여 지지되고 있고, 랙(R)의 우측단부에는 유압실린더(20)와 연결되어 있다.

그리고 본 발명에서의 랙과 피니언의 시험에 대한 부분은 상술한 바와 같고, 이하에서는 제동시험에 대하여 살펴보기로 한다. 본 발명의 랙과 피니언 시험장치에서 제동장치는, 구동모터(40)의 출력축에 설치되는데 이러한 제동장치는 솔레노이드 원리를 이용한 전자식 제동장치를 사용하는 것이 바람직함은 상술한 바와 같다. 이와 같이 구동모터(40)의 출력축에 설치된 제동장치가 구동되면 실질적으로 구동모터(40)의 구동축이 회전이 불가능한 상태가 되고, 이러한 상태에서 상기 랙(R)은 외력에 의하여 이동하지 않아야 한다.

즉, 구동모터(40)의 출력축에 장착된 제동장치가 설정된 외력에 대해서도 이동하지 않고 유지될 수 있어야만, 상술한 바와 같은 고하중의 구조물이 안전하게 지지되는 것이라고 할 수 있다. 이와 같이 일정한 외력에 의하여 랙(R)이 이동하는지의 여부를 시험하기 위해서는 상술한 로크 너트 실린더(60)를 동작시킴으로써 랙(R)이 이동하는지를 판단하여야 한다.

따라서 핸드펌프 또는 유압펌프를 이용하여 상기 로크 너트 실린더(60)에 유압을 가하게 되면, 상기 로크 너트 실린더(60)는 도면상 우측으로 밀리는 힘을 받게 된다. 상기 로크 너트 실린더(60)는 비록 스트로크는 작지만 유압실린더(20)와 비교할 때 엄청 큰 힘을 발생시키는 것임은 상술한 바와 같다.

그리고 상기 로크 너트 실린더(60)에 의하여 랙(R)에 일방향의 힘이 가해지면, 먼저 랙(R)과 피니언(P), 그리고 각 감속기(42,44) 사이의 백래쉬에 해당하는 만큼은 랙(R)이 이동하게 될 것이고, 그 이후 랙(R)의 이동 여부에 의하여 제동장치의 안전성 유무를 판단하는 것이 가능하게 될 것이다. 그리고 상기 로크 너트 실린더(60)의 스크로크가 짧기 때문에, 필요하다면 다수 개의 로크 러느 실린더(60)를 직렬로 설치하여 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어 제동장치의 시험을 위하여 필요한 스트로크가 100mm 라고 가정하면, 하나의 로크 너트 실린더(60)가 50mm의 스크로크를 가진다고 할 때 두 개의 로크 너트 실린더(60)를 사용하는 것으로 충분할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 시험장치를 이용함으로써, 고하중의 구조물을 들어올리는 장치의 부품으로 사용되는 랙과 피니언을 충분히 테스트할 수 있음을 알 수 있고, 고하중의 구조물이 잭업된 상태에서의 제동력 시험도 간단하게 수행될 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 유압실린더와 구동모터 및 감속기를 이용하여, 랙과 피니언에 걸리는 여러 가지 부하 및 이동량 등을 시험할 수 있도록 구성하고, 더욱이 제동장치의 구동여부도 시험할 수 있도록 구성하는 것을 기본적인 기술적 요지로 하고 있음을 알 수 있다. 그리고 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것임은 자명하다고 할 수 있다.

10 ..... 프레임
20 ..... 유압실린더
22 ..... 피스톤로드
32, 34 ..... 베어링
40 ..... 구동모터
42, 44 ..... 감속기
46 ..... 제1기어
48 ..... 제2기어
60 ..... 로크 너트 실린더
P ..... 피니언
R ..... 랙

Claims (5)

1. 프레임 상에서 직선 방향으로 이동 가능하게 지지되는 랙과, 상기 랙에 맞물리는 피니언을 시험하기 위한 장치로써;
   상기 랙의 일단부에 연결되어 유압에 의하여 이동하는 피스톤로드가 랙을 직선 이동시킬 수 있는 유압실린더와,
   상기 랙의 타단부와 연결되고, 상기 유압실린더와는 반대 방향의 힘을 유압을 이용하여 랙에 전달하는 로크 너트 실린더;
   상기 피니언을 구동시킬 수 있는 회전력을 발생시키는 구동모터,
   상기 구동모터의 출력축의 회전을 감속시키는 감속기,
   상기 감속기에 의하여 회전하고, 피니언과 동축의 회전축을 가지는 기어;
   상기 회전축에 설치되어 토오크를 측정할 수 있는 토오크미터; 그리고
   상기 구동모터의 출력축에 장착되어, 출력축을 제동시킬 수 있는 제동장치를 포함하여 구성되는 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기어는 상기 감속기에 의하여 회전하는 제1기어와, 상기 제1기어와 맞물리는 제2기어로 구성되고; 상기 피니언은 제1기어와 동축으로 연결되는 제1피니언과, 상기 제2기어와 동축으로 연결되는 제2피니언으로 구성되는 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유압실린더 내부의 유압을 측정할 수 있는 유압게이지를 더 포함하는 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 감속기는, 다수 개의 기어가 내장된 제1감속기와, 상기 제1감속기와 연결되고, 유성기어감속기로 구성되는 제2감속기를 포함하는 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치.
   
5. 제 3 항에 있어서, 상기 랙의 이동방향을 따라 이를 가이드하기 위한 가이드수단을 더 포함하여 구성되는 랙과 피니언 시험 및 제동시험 장치.
   
   
   
   
   
   
   

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