KR101788071B1 - 수중베어링 테스트 시스템 - Google Patents

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Abstract

캔드 타입 전동식 워터펌프에 사용되는 베어링의 성능을 정확히 평가할 수 있는 수중베어링 테스트 시스템이 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따른 수중베어링 테스트 시스템은 베이스, 모터, 회전축, 베어링 하우징, 반경방향 하중부가부, 수조, 축방향 하중부가부를 포함한다. 모터는 베이스 위에 배치되어 회전력을 제공한다. 회전축은 모터의 축에 연결되어 회전하며 테스트되는 수중베어링에 의해 지지된다. 베어링 하우징은 원통형으로 형성되어 피테스트 수중베어링을 감싼다. 반경방향 하중부가부는 베어링 하우징에 반경 방향 하중을 가한다. 수조는 베이스 위에 배치되며 냉각수로 채워져 피테스트 수중베어링이 냉각수에 잠긴 상태에서 테스트되게 한다. 축방향 하중부가부는 베어링에 축방향 하중을 가한다.

Description

수중베어링 테스트 시스템{Underwater bearing test system}
본 발명은 수중베어링 테스트 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 캔드 타입 전동식 워터 펌프에 사용되는 수중베어링의 성능을 테스트하는 시스템에 관한 것이다.
베어링은 자동차뿐만 아니라 공작기기, 가전기기 등 모든 기술 분야에서 널리 사용된다. 특히나 고속으로 회전하는 기기들은 베어링에 의해 지지되기 때문에 베어링의 성능은 기기의 운전 신뢰성에 매우 중요한 영향을 미친다.
한편, 차세대 친환경 고효율 차량의 핵심적인 전장부품 중 하나인 전동식 워터펌프에 있어서 수중베어링은 매우 중요한 역할을 한다. 펌프가 가동되는 동안 수중베어링은 지속적으로 기계적 반복 하중과 화학적 변화를 겪게 되므로, 자동차나 기계장비의 수명조건을 만족하기 위해서는 고내구성의 수중베어링을 개발할 필요가 있다.
그런데, 수중베어링의 수명은 육안검사나 이론적인 분석을 통해서는 파악하기가 매우 어렵다. 그리고 기존의 마찰력 시험기, 베어링 성능시험기로는 차량용 캔드 타입 수중펌프에 사용되는 베어링의 성능을 정확히 평가할 수 없다.
따라서, 차량용 캔드 타입 전동식 워터펌프에 사용되는 수중베어링의 성능을 정확히 평가할 수 있는 시스템이 요구된다.
대한민국등록특허공보 제10-1579282호(2015. 12. 15. 등록)
본 발명은 캔드 타입 전동식 워터펌프에 사용되는 베어링의 성능을 정확히 평가할 수 있는 수중베어링 테스트 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 수중베어링 테스트 시스템은 베이스, 모터, 회전축, 베어링 하우징, 반경방향 하중부가부, 수조, 축방향 하중부가부를 포함한다. 모터는 베이스 위에 배치되어 회전력을 제공한다. 회전축은 모터의 축에 연결되어 회전하며 테스트되는 수중베어링에 의해 지지된다. 베어링 하우징은 원통형으로 형성되어 피테스트 수중베어링을 감싼다. 반경방향 하중부가부는 베어링 하우징에 반경 방향 하중을 가한다. 수조는 베이스 위에 배치되며 냉각수로 채워져 피테스트 수중베어링이 냉각수에 잠긴 상태에서 테스트되게 한다. 축방향 하중부가부는 베어링에 축방향 하중을 가한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 모터의 축과 회전축은 커플링을 이용하여 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 반경방향 하중부가부는 베어링 하우징의 둘레에 둘러진 와이어, 와이어의 일단에 설치된 로드셀, 와이어의 타단에 설치된 분동 및 와이어를 지지하는 가이드롤러로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 축방향 하중부가부는 구형의 강구와 강구를 베어링의 축방향으로 미는 탄성부재로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 캔드 타입 전동식 워터펌프에 사용되는 베어링의 성능을 정확히 평가할 수 있게 된다. 이를 통해 캔드 타입 전동식 워터펌프에 사용되는 베어링의 형상 및 재질을 최적화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수중베어링 테스트 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 수중베어링 테스트 시스템이 동작할 때 작용하는 힘들을 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 수중베어링 테스트 시스템에 의해 테스트되는 수중베어링의 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 수중베어링의 단면도이다.
도 5는 도 1의 수중베어링 테스트 시스템에 의해 수중베어링이 테스트되는 것을 도시한 단면도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 후술하는 실시 예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 구성요소들의 형상이나 크기 등은 실제보다 과장될 수 있다. 그리고 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그 공지 기술에 대한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예들을 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수중베어링 테스트 시스템의 사시도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 수중베어링 테스트 시스템(100)은 베이스(110), 모터(120), 회전축(130), 베어링 하우징(140), 반경방향 하중부가부(160), 수조(150), 축방향 하중부가부(170)를 포함한다.
베이스(110)는 직사각형의 금속판일 수 있다. 예를 들어, 베이스(110)는 SM45C로 제작될 수 있다.
모터(120)는 베이스(110) 위에 배치되어 회전력을 제공한다. 모터(120)는 서보모터일 수도 있으며, 스텝모터일 수도 있다. 구체적으로 산요전기의 AC서보모터일 수 있다. 본 수중베어링 테스트 시스템에 의해 테스트되는 베어링은 캔드 타입(canned type) 전동식 워터펌프에 설치되는 것일 수 있다. 캔드 타입 전동식 워터펌프에 설치되는 베어링은 최대 6000rpm의 축 회전 속도에 노출될 수 있으므로, 모터(120)는 최대 6000rpm의 회전 속도를 낼 수 있어야 한다.
회전축(130)은 모터(120)의 축에 연결되어 회전하며 피테스트 수중베어링(B)에 의해 지지된다. 회전축(130)은 피테스트되는 수중베어링(B)이 실제로 설치될 로터와 동일한 직경과 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어 회전축(130)은 STS304로 제작될 수 있다.
피테스트 수중베어링(B)은 도 3 내지 도 4에 도시된 것과 같이 중공 원통형으로 형성되어 회전축을 지지하면서 테스트되게 된다. 피테스트되는 수중베어링(B)은 예를 들어 내경이 10㎜, 외경은 18㎜일 수 있다. 또한 높이는 10㎜일 수 있다.
베어링 하우징(140)은 원통형으로 형성되어 피테스트 수중베어링(B)을 감싼다. 따라서 베어링 하우징(140)은 내부가 빈 형상일 수 있다. 베어링 하우징(140)은 우레탄 재질로 제작될 수 있다.
반경방향 하중부가부(160)는 베어링 하우징(140)에 반경 방향 하중을 가한다. 캔드 타입 전동식 워터펌프에 설치되는 베어링은 실제 사용 환경에서 반경방향 하중을 받는다. 반경방향 하중부가부(160)는 이러한 실제 작동 환경과 동일한 조건에서 수중베어링을 테스트하기 위해 베어링 하우징(140)에 반경 방향 하중을 가한다.
축방향 하중부가부(170)는 베어링(B)에 축방향 하중을 가한다. 캔드 타입 전동식 워터펌프에 설치되는 베어링은 실제 사용 환경에서 축방향 하중을 받는다. 축방향 하중부가부(160)는 이러한 실제 작동 환경과 동일한 조건에서 수중베어링을 테스트하기 위해 베어링 하우징(140)에 축방향 하중을 가한다.
캔드 타입(canned type) 전동식 워터펌프에 설치되는 수중베어링은 축 방향으로 최대 4kgf, 반경 방향으로 최대 6kgf의 하중을 받을 수 있다. 따라서 반경방향 하중부가부 및 축방향 하중부가부는 이러한 하중을 부가할 수 있어야 한다.
수조(150)는 냉각수로 채워져 피테스트 수중베어링(B)이 냉각수에 잠기게 한다. 실제 환경에서 수중베어링은 냉각수에 잠긴 상태로 작동되므로 실제의 사용 환경과 동일한 조건에서 테스트를 하기 위해 수조(150)에 냉각수를 채워 테스트를 하게 된다. 수조(150)는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하기 위한 순환식 항온수조일 수 있다. 따라서 수조(150)에는 냉각수를 순환하기 위한 튜브(151)가 설치될 수 있다.
한편, 냉각수는 프로필렌글리콜(propylene glycol:PG)과 물을 50:50의 비율로 희석한 부동액이 될 수 있다. 그리고 냉각수의 온도는 90℃가 될 수 있다.
도 5는 도 1의 수중베어링 테스트 시스템에 의해 수중베어링이 테스트되는 것을 도시한 단면도이다.
전술한 바와 같이 이루어진 수중베어링 테스트 시스템을 이용하여 베어링의 성능을 테스트하는 과정을 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 테스트하고자 하는 베어링(B)을 베어링 하우징(140)에 끼운 후, 조립된 피테스트 베어링(B)을 회전축(130)에 끼운다. 그리고 베어링 하우징(140)에 반경방향 하중을, 베어링에 축방향 하중을 가한 후 모터(120)를 돌려 시스템을 가동시킨다. 이 때 모터의 회전속도는 2000rpm일 수 있다. 이 후 반경 방향 하중을 2, 4, 6kgf로 변경하고, 각각의 하중에서 축의 회전 속도를 1000, 2000, 4000, 6000rpm으로 변경하고, 정지-구동을 반복하면서 테스트를 할 수 있다. 그리고 테스트 전후 시험한 베어링의 내경 및 무게를 측정하고, SEM(scanning electron microscope) 촬영, EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy) 측정 및 3D Scan을 통해 마모량 등을 확인하여 성능을 평가할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았지만 모터(120)의 축과 회전축(130)은 커플링(미도시)을 이용하여 연결될 수 있다. 모터의 축과 회전축이 커플링을 이용하여 연결되는 경우 모터(120)로부터 회전축(130)으로의 열전달이 최소화되므로 외부 조건에 의해 테스트 결과가 왜곡되는 것을 막을 수 있다. 커플링은 예를 들어 미즈미(Musimi)社의 커플링일 수 있다.
또한, 반경방향 하중부가부(160)는 베어링 하우징(140)의 둘레에 둘러진 와이어(164), 와이어(164)의 일단에 설치된 로드셀(161), 와이어(164)의 타단에 설치된 분동(163) 및 와이어를 지지하는 가이드롤러(162)로 이루어질 수 있다.
와이어(164)는 예를 들어 직경 0.2㎜의 텅스텐 와이어일 수 있다. 그리고 가이드롤러는 미즈미(Misumi)사의 롤러일 수 있다. 와이어의 일단에 로드셀(161)을 설치하고 와이어의 타단에 분동을 설치함으로써, 회전축과 베어링 사이의 마찰력을 측정할 수 있다. 회전축과 베어링 사이의 마찰력을 측정하는 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 회전축이 회전할 때의 회전축(130)과 베어링(B) 사이의 마찰계수(μ)는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016045560708-pat00001
여기서, FN은 베어링의 수직항력이고, FT는 축과 베어링 사이의 마찰력이다.
그리고 모멘트는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016045560708-pat00002
FL은 로드셀이 받는 힘으로 회전축이 회전할 때 와이어가 받는 장력의 합계이며, Ra는 축의 반지름, Rb는 베어링 하우징의 반지름이다.
정리하면 축과 베어링 사이의 마찰력 Ft는 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure 112016045560708-pat00003
FN은 회전축과 베어링 사이의 마찰력 FT와 수직 관계에 있다. 따라서 FN은 추의 무게인 mg와 로드셀 하중 FL을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016045560708-pat00004
Figure 112016045560708-pat00005
Figure 112016045560708-pat00006
위와 같은 과정을 거쳐 마찰계수(μ)를 계산 할 수 있으며, 계산된 식은 아래와 같다.
Figure 112016045560708-pat00007
위와 같은 과정을 통해 마찰계수를 측정할 수 있으며, 최적의 마찰계수를 갖는 베어링의 형상 및 재질을 도출할 수 있다.
또한, 축방향 하중부가부(170)는 구형의 강구(171)과 강구(171)을 베어링의 축방향으로 미는 탄성부재(172)로 이루어질 수 있다. 강구(171)은 예를 들어 직경이 30㎜일 수 있다. 그리고 탄성부재(172)는 정밀한 축방향 하중을 가하기 위해 코일스프링과 내부에 나사산이 가공된 스프링 하우징으로 이루어질 수 있다.
축방향 하중부가부(170)가 상기와 같이 이루어지는 경우 베어링 하우징과 스프링의 마찰을 최소화하며 와이어 장력에 최소한의 영향을 미쳐 정확한 실험을 실시할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 수중베어링 테스트 시스템 110: 베이스
120: 모터 130: 회전축
140: 베어링 하우징 150: 수조
151: 튜브 160: 반경방향 하중부가부
161: 로드셀 162: 가이드롤러
163: 분동 164: 와이어
171: 강구 172: 탄성부재

Claims (4)

  1. 베이스;
    상기 베이스 위에 배치되어 회전력을 제공하는 모터;
    상기 모터의 축에 연결되어 회전하며 테스트되는 수중베어링에 의해 지지되는 회전축;
    원통형으로 형성되어 상기 테스트되는 수중베어링을 감싸는 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징에 반경 방향 하중을 가하는 반경방향 하중부가부;
    상기 베이스 위에 배치되며 냉각수로 채워져 상기 테스트되는 수중베어링이 냉각수에 잠긴 상태에서 테스트되게 하는 수조; 및
    상기 베어링에 축방향 하중을 가하는 축방향 하중부가부를 포함하고,
    상기 축방향 하중부가부는 구형의 강구와 상기 강구를 베어링의 축방향으로 미는 탄성부재를 포함하며,
    상기 탄성부재는 코일스프링과 내부에 나사산이 가공된 스프링 하우징 포함하는 수중베어링 테스트 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터의 축과 상기 회전축은 커플링을 이용하여 연결된 것을 특징으로 하는 수중베어링 테스트 시스템.
  3. 제1항에 있어서
    상기 반경방향 하중부가부는 상기 베어링 하우징의 둘레에 둘러진 와이어, 상기 와이어의 일단에 설치된 로드셀, 상기 와이어의 타단에 설치된 분동 및 상기 와이어를 지지하는 가이드롤러로 이루어진 것을 특징으로 하는 수중베어링 테스트 시스템.
  4. 삭제
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