KR102549499B1 - 구동 부하 시험 장치 - Google Patents

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KR102549499B1
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김지석
한승철
이하준
강대겸
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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치는 구동 축을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부; 상기 부하 전달부에 대해 상기 구동 축에 수직한 제 1 회동 축을 중심으로 회동 가능하게 연결되 제 1 링크; 일측은 상기 제 1 링크에 대해 상기 제 1 회동 축에 평행한 제 2 회동 축을 매개하여 회동 가능하게 연결되고, 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠을 구비하는 캠 링크; 상기 제 2 회동 축으로부터 상기 캠 링크의 길이 방향으로 평행하게 이격된 제 1 고정 축을 중심으로 상기 캠 링크를 회동 가능하게 지지하는 제 1 고정부; 일측은 상기 캠 링크의 상기 캠에 접촉하여 회전가능하게 연결되는 캠 팔로워와, 타측은 상기 구동 축과 상기 제 1 회동 축에 수직한 탄성력 방향을 따라서 탄성력을 제공하는 부하 스프링을 구비하는 탄성 지지부; 및 상기 탄성 지지부 중 돌출되는 상기 부하 스프링의 단부를 고정적으로 지지하는 제 2 고정부를 포함할 수 있다.

Description

구동 부하 시험 장치{DRIVE LOAD SIMULATING APPARATUS}
이하의 설명은 구동 부하 시험 장치에 관한 것이다.
유도탄(guided missile)과 같은 비행체는 비행시 자세, 궤도 또는 추력을 조절하기 위한 구동기를 구비하고 있으며, 구체적으로, 유도탄의 날개의 각도 제어, DACS(Divert and Attitude Control System)와 같은 자세 및 궤도 제어, 또는 기타 추력 제어 등 여러 종류의 구동 시스템에 따라 사용되는 구동기의 구동 방식과, 구동에 따라 발생하는 구동 부하역시 상이하게 형성될 수 있다.
특히, 자세 및 궤도 제어를 위한 추력 시스템에 사용되는 구동기는 추력기의 추력을 정밀하게 제어하기 위해, 연소관 내부의 핀틀 구조물을 노즐 내부에서 선형 구동시켜 노즐목의 면적을 조절하는 방식이 사용된다.
이 경우, 핀틀 구조물을 조절하는 구동기의 구동 단부에 형성되는 구동 부하는, 도 1의 그래프에 도시된 것과 같이, 특정 지점에서는 구동 부하가 0이되고, 특정 지점을 중심으로 구동 단부를 양의 방향 또는 음의 방향으로 이동시킬 경우, 해당 움직임을 도와주는 방향으로 점차 구동 부하의 크기가 증가하는 특징을 나타낸다.
따라서, 이상과 같은 구동 부하의 프로파일을 같는 구동 시스템에 사용되는 구동기의 성능을 검증하기 위해서, 연소 시험이나 공압 시험 등 고비용 및 고위험 환경의 시험 조건을 똑같이 재현할 필요없이 보다 안전하고, 비용 효율적인 방식으로 구동 부하를 모사할 수 있는 장치에 대한 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 선형 구동되는 구동기의 성능을 검증하기 위해, 안전하고 비용 효율적인 방식으로 구동 부하를 모사할 수 있는 구동 부하 시험 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치는 구동 축을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부; 상기 부하 전달부에 대해 상기 구동 축에 수직한 제 1 회동 축을 중심으로 회동 가능하게 연결되 제 1 링크; 일측은 상기 제 1 링크에 대해 상기 제 1 회동 축에 평행한 제 2 회동 축을 매개하여 회동 가능하게 연결되고, 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠을 구비하는 캠 링크; 상기 제 2 회동 축으로부터 상기 캠 링크의 길이 방향으로 평행하게 이격된 제 1 고정 축을 중심으로 상기 캠 링크를 회동 가능하게 지지하는 제 1 고정부; 일측은 상기 캠 링크의 상기 캠에 접촉하여 회전가능하게 연결되는 캠 팔로워와, 타측은 상기 구동 축과 상기 제 1 회동 축에 수직한 탄성력 방향을 따라서 탄성력을 제공하는 부하 스프링을 구비하는 탄성 지지부; 및 상기 탄성 지지부 중 돌출되는 상기 부하 스프링의 단부를 고정적으로 지지하는 제 2 고정부를 포함할 수 있다.
상기 구동 축은 지면에 평행한 수평 방향으로 연장되고, 상기 제 1 고정부 및 상기 제 2 고정부는 지면에 수직한 수직 방향을 따라서 이격되어 있고, 상기 부하 전달부에 상기 수평 방향으로의 힘이 인가되지 않는 중립 상태에서, 상기 캠 링크 및 상기 탄성 지지부는, 상기 수직 방향을 따라서 동일 선상으로 정렬될 수 있다.
상기 중립 상태를 기준으로, 상기 부하 스프링의 탄성력에 의해 상기 부하 전달부에 상기 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 방향은, 상기 부하 전달부의 병진 변위의 방향과 동일하게 형성되고, 상기 부하 전달부에 상기 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 크기는, 상기 부하 전달부의 병진 변위의 크기와 서로 비례할 수 있다.
상기 제 1 고정 축과 상기 제 2 회동 축 사이의 거리는, 상기 제 1 고정 축과 상기 캠의 방사상 중심 사이의 거리보다 작을 수 있다.
상기 캠 팔로워는, 상기 제 1 회동 축에 평행한 중심 축을 기준으로 상기 캠의 원형의 원주 표면에 접촉된 상태로 회전가능하게 구동하는 원형의 롤러 형태일 수 있다.
상기 중립 상태를 기준으로, 상기 캠 링크가 상기 제 1 고정 축을 중심으로 회전될 경우, 상기 캠 팔로워는 상기 부하 스프링의 탄성력에 의해 상기 캠에 접촉된 상태로 회전하게되어, 상기 부하 스프링으로부터 상기 캠에 전달되는 탄성력의 방향이 상기 캠 팔로워의 회전 각도에 비례하여 변화할 수 있다.
일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치는 구동 축을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부; 상기 부하 전달부의 병진 운동 경로를 가이드하는 구동 가이드; 상기 부하 전달부에 대해 회동 가능하게 연결되는 제 1 링크; 상기 구동 가이드에 대하여 상대적으로 고정된 일 지점을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 일측은 상기 제 1 링크에 대하여 회동 가능하게 연결되고, 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠을 구비하는 캠 링크; 및 상기 캠에 접촉된 상태로 수축 또는 확장 가능하고, 상기 캠 링크가 설정 상태를 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 탄성력을 제공하는 탄성 지지부를 포함할 수 있다.
상기 구동 축을 따라서 상기 부하 전달부가 스트로크의 중심에 위치할 때 상기 탄성 지지부는 가장 높은 탄성 위치 에너지를 갖고, 상기 부하 전달부가 스트로크의 중심으로부터 멀어질수록 상기 탄성 지지부의 탄성 위치 에너지가 낮아질 수 있다.
상기 부하 전달부의 탄성 위치 에너지가 가장 높을 때, 상기 캠 링크 및 상기 탄성 지지부는 서로 동일 선상으로 평행하게 배열될 수 있다.
일 실시 예의 구동 부하 시험 장치에 의하면, 구동 부하의 방향이 특정 지점을 기준으로 반전되며, 특정 지점을 기준으로 구동 변위의 크기에 비례하게 구동 부하가 증가하는 선형 구동기의 구동 특성을 링크, 스프링 및 캠 연결 구조를 통해 모사할 수 있다.
도 1은 유도탄 구동기에 구동 변위에 따른 구동 부하의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 중립 상태에 있는 모습을 도시하는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 일 방향으로 구동된 상태의 모습을 도시하는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 타 방향으로 구동된 상태의 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치의 부하 전달부의 변위에 따른 구동 부하의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 유도탄 구동기에 구동 변위에 따른 구동 부하의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 중립 상태에 있는 모습을 도시하는 도면이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 일 방향으로 구동된 상태의 모습을 도시하는 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치가 타 방향으로 구동된 상태의 모습을 도시하는 도면이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치의 부하 전달부의 변위에 따른 구동 부하의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치(1)은 비행체에 탑재되는 구동기의 구동 부하를 모사할 수 있다. 예를 들어, 구동 부하 시험 장치(1)는 유도탄과 같은 비행체에 탑재되는 선형 운동을 구동 단부를 갖는 구동기에 있어서, 그 구동 단부가 구동되는 변위에 따라 상이하게 형성되는 구동 부하를 모사할 수 있다.
한편, 구동 부하 시험 장치(1)는 유도탄 뿐만 아니라, 기타 다른 미사일, 로켓, 항공기의 구동 장치는 물론, 기타 다른 분야에서 활용될 수 있는 핀틀 노즐 기술을 적용한 추진기관의 구동기의 성능을 검증하는데 사용될 수 있다는 점을 밝혀둔다.
구동 부하 시험 장치(1)는 구동기에 인가되는 구동 부하의 방향이 특정 지점을 기준으로 반전되며, 특정 지점을 기준으로 구동 변위의 크기에 비례하게 부하의 크기 역시 증가하는 프로파일을 갖는 구동 부하를 형성할 수 있다.
구동 부하 시험 장치(1)는, (i) 시험 대상 구동기의 구동 단부(예: 핀틀)에 연결 가능하며, 구동 축(x)을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부(11)와, (ii) 쌍안정 메커니즘을 포함할 수 있다.
여기서, "쌍안정 메커니즘"은, 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심에 위치할 때 가장 높은 탄성 위치 에너지를 갖고, 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심으로부터 멀어질수록 탄성 위치 에너지가 낮아질 수 있다. 예를 들어, 쌍안정 메커니즘은, (i) 구동 축(x)을 따라서 부하 전달부(11)의 병진 운동 경로를 가이드하는 구동 가이드(13)와, (ii) 부하 전달부(11)에 대해 회동 가능하게 연결되는 제 1 링크(12)와, (iii) 일측은 제 1 링크(12)에 회동 가능하게 연결되고 타측은 원형 윤곽의 캠(151)이 형성되어 있는 캠 링크(15)와, (iv) 캠 링크(15)를 회동 가능한 상태로 고정하는 제 1 고정부(16)와, (v) 일측은 캠(151)에 접촉하여 회전 가능하게 연결되고, 타측은 부하 전달부(11)의 병진 운동 방향에 수직한 방향(탄성력 방향)을 따라서 탄성 운동을 하는 탄성 지지부(14)와, (vi) 일측이 캠 링크(15)로부터 연결되는 탄성 지지부(14)의 타측을 고정적으로 지지하는 제 2 고정부(17)를 포함할 수 있다.
여기서, "탄성 지지부(14)"는, 캠 링크(15)가 설정 상태를 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 탄성력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 탄성 지지부(14)는, (i) 캠 링크(15)의 캠(151)에 맞물려 회전 가능하게 구동하는 캠 팔로워(141)와, (ii) 캠 링크(15)에 탄성력을 제공하는 부하 스프링(142)을 포함할 수 있다.
먼저, 부하 전달부(11)는, 구동 축(x)을 따라서 선형 구동하는 구동기의 구동 단부에 연결되어 구동 단부에 구동 축(x)을 따라서 힘을 인가할 수 있다. 예를 들어, 구동 축(x)은 지면과 수평한 방향으로 형성될 수 있다.
부하 전달부(11)가 구동기에 연결될 경우, 부하 전달부(11)가 병진 운동을 수행하는 축은 구동기의 구동 단부가 선형 구동되는 구동 축(x)과 동일하다
구동 가이드(13)는, 부하 전달부(11)가 구동 축(x)을 따라서 병진 이동할 수 있도록 구동 축(x)을 따라서 부하 전달부(11)의 병진 이동 경로를 가이드할 수있다. 예를 들어, 구동 가이드(13)는 부하 전달부(11)와 물리적으로 간섭하여 구동 축(x) 이외의 방향의 움직임을 구속할 수 있다. 예를 들어, 도시된 것처럼 각 부재들의 연결 축(C1, C2, D1)들이 서로 평행하도록 설치하고, 구동 가이드(13)가 부하 전달부(11)의 상측 및 하측을 각각 지지하도록 설치함으로써 부하 전달부(11)가 구동 축(x)으로만 움직이도록 할 수 있다.
제 1 링크(12)는, (i) 일측은 부하 전달부(11)에 대해 구동 축(x)에 수직한 제 1 회동 축(C1)을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, (ii) 타측은 캠 링크(15)에 대해 구동 축(x)에 수직한 제 2 회동 축(C2)을 중심으로 회동 가능하게 연결되는 링크 부재일 수 있다.
제 1 회동 축(C1)은 구동 축(x)에 수직하고 동시에 지면과 수평한 방향으로 연장된 회전 축으로서, 제 1 링크(12)와 부하 전달부(11)는 제 1 회동 축(C1)을 기준으로 서로에 대해 1축 관절 구동될 수 있다.
제 2 회동 축(C2)은 구동 축(x)에 수직하고 동시에 지면과 수평한 방향으로 연장된, 다시 말하면 제 1 회동 축(C1)에 평행하게 연장되는 회전 축으로서, 제 1 링크(12)와 캠 링크(15)는 제 2 회동 축(C2)을 기준으로 서로에 대해 1축 관절 구동될 수 있다.
캠 링크(15)는, (i) 일측은 제 1 링크(12)에 대해 제 1 회동 축(C1)을 매개하여 회동 가능하게 연결되고, (ii) 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠(151)을 통해 캠 팔로워(141)와 맞물린 상태로 연결될 수 있다.
캠(151)은 탄성 지지부(14)를 향해 돌출된 캠 링크(15)의 단부가 구동 축(x)에 수직한 중심을 기준으로 반원 형상의 윤곽을 갖도록 돌출형성될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이 제 1 회동 축(C1) 또는 제 2 회동 축(C2)과 평행한 방향에서 바라봤을 때, 캠(151)은 캠 링크(15)의 말단부에서 반원형의 원주 표면을 갖도록 형성되고, 탄성 지지부(14)의 원형의 캠 팔로워(141)의 원주 표면에 접촉할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이 원형의 윤곽을 갖는 캠(151)의 원주 반경은 "R"로 표기된다.
예를 들어, 제 1 고정 축(D1)과 제 2 회동 축(C2) 사이의 거리(A)는, 제 1 고정 축(D1)으로부터 캠(151)의 방사상의 중심 사이의 거리(B)보다 작을 수 있다. 이는 도 2의 중립 상태를 기준으로 부하 전달부(11)의 구동 변위(x)의 증가에 따라 구동 부하의 크기 역시 증가되는 특성을 모사하여야 하기 때문에, 부하 전달부(11)의 복원력(f)에 의한 모멘트를 증대시키기 위함이다.
제 1 고정부(16)는 구동 가이드(13)에 대해 상대적으로 고정된 지점에서 구동 축(x)에 수직한 제 1 고정 축(D1)을 중심으로 캠 링크(15)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.
제 1 고정 축(D1)은, 구동 축(x)에 수직하고 동시에 지면과 수평한 방향으로 연장된, 다시 말하면 제 1 회동 축(C1) 또는 제 2 회동 축(C2)에 평행하게 연장되며 고정되어 있는 회전 축으로서, 제 1 고정부(16)는 캠 링크(15)가 제 1 고정 축(D1)을 중심으로 회전되도록 지지할 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 캠 링크(15)의 부분 중 제 1 고정 축(D1)에 연결되는 지점은, 캠 링크(15)의 부분 중 각각 제 2 회동 축(C2) 및 캠(151)이 위치하는 지점 사이에 위치할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 고정 축(D1)으로부터 제 2 회동 축(C2) 사이의 간격은 "A"로 표기되고, 제 1 고정 축(D1)으로부터 캠(151)의 방사상의 중심 사이의 간격은 "B"로 표기된다.
예를 들어, 탄성 지지부(14)는, 캠(151)에 접촉된 상태로 수축 또는 확장 가능하고, 캠 링크(15)가 설정 상태를 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 탄성력을 제공할 수 있다.
예를 들어, 탄성 지지부(14)는, (i) 일측은 캠 팔로워(141)를 통해 캠 링크(15)에 맞물려 연결되고, (ii) 타측은 부하 스프링(142)을 통해 탄성 고정부(17)에 대해 연결될 수 있다.
캠 팔로워(141)는 캠 링크(15)에 연결되는 탄성 지지부(14)의 단부에 회동 가능하게 설치되는 원형의 접촉 부재일 수 있다. 예를 들어, 캠 팔로워(141)는 제 1 회동 축(C1) 또는 제 2 회동 축(C2)에 평행한 중심 축을 기준으로 캠 링크(15)의 캠(151)에 맞물려 회전 가능하게 접촉하는 롤러 형태의 부재일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이 캠 팔로워(141)의 반경은 "r"로 표기된다.
부하 스프링(142)은 탄성력 방향을 따라서 탄성 변형 가능한 탄성체를 포함할 수 있다.
탄성 지지부(14)는 일측이 탄성 고정부(17)에 고정된 상태로 구동 축(x) 및 각 부재들의 회동 축(C1, C2, D1)에 수직한 "탄성력 방향"을 따라서 병진 이동될 수 있고, "탄성력 방향"은 부하 스프링(142)이 탄성 압축 또는 복원되는 방향과 동일한 것으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 도시되지는 않았지만 탄성 지지부(14)는 탄성력 방향에 따른 병진 운동 방향이 가이드될 수 있도록 별도의 가이드 부재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄성 지지부(14)는 서로에 대해 길이 방향을 따라서 슬라이딩 가능한 피스톤 및 실린더를 포함하고, 피스톤 및 실린더 사이에서 탄성력을 제공하는 스프링이 피스톤의 주변을 따라 개재되는 구조를 포함할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 도 2 내지 도 4에 도시되는 바와 같이, 캠 링크(15)가 제 1 고정 축(D1)을 중심으로 회전할 경우, 탄성 지지부(14)는 캠 링크(15)의 회전 각도와 무관하게 캠 팔로워(141)를 통해 캠(151)에 접촉된 상태를 유지하여, 부하 스프링(142)의 탄성력을 캠 링크(15)에 전달할 수 있다.
중립 상태를 기준으로, 부하 스프링(142)의 탄성력에 의해 부하 전달부(11)에 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 방향은, 부하 전달부(11)의 병진 변위의 방향과 동일하게 형성되고, 부하 전달부(11)에 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 크기는, 부하 전달부(11)의 병진 변위의 크기와 서로 비례할 수 있다.
구동 축을 따라서 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심에 위치할 때 탄성 지지부(14)는 가장 높은 탄성 위치 에너지를 갖고, 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심으로부터 멀어질수록 탄성 지지부(14)의 탄성 위치 에너지가 낮아질 수 있다.
중립 상태를 기준으로, 캠 링크(15)가 제 1 고정 축(D1)을 중심으로 회전될 경우, 캠 팔로워(141)는 부하 스프링(142)의 탄성력에 의해 캠(151)에 접촉된 상태로 회전하게되어, 부하 스프링(142)으로부터 캠(151)에 전달되는 탄성력의 방향이 캠 팔로워(141)의 회전 각도에 비례하여 변화될 수 있다.
제 2 고정부(17)는 탄성 지지부(14)의 부하 스프링(142)의 단부를 고정적으로 지지할 수 있다. 예를 들어, 제 2 고정부(17)와 제 1 고정부(16)는 구동 축(x)에 수직한 방향, 다시 말하면 탄성력 방향을 따라서 연장된 동일 선상에 위치할 수 있다.
도 2와 같이 부하 전달부(11)가 전체 스트로크의 중앙에 위치하는 "중립 상태"에서 부하 스프링(142)은, 구동 범위 내에서 최대로 압축된 길이를 가질 수 있다(즉, 가장 높은 탄성 위치 에너지를 가질 수 있다). 이 경우 부하 스프링(142)의 길이는 "L"로 표기될 수 있다.
구동 부하 시험 장치(1)에 의하면, 구동 축(x)을 따라 부하 전달부(11)가 병진 이동하는 변위에 따라서, 부하 스프링(142)의 탄성력에 의해 부하 전달부(11)에 인가되는 구동 부하(F)의 방향과 크기가 변화될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 캠 링크(15) 및 탄성 지지부(14)가 수직 방향(탄성력 방향)을 따라서 동일 선상으로 정렬되고, 부하 스프링(142)의 탄성력(f)이 구동 축(x)에 수직한 방향으로만 형성되는 상태를 "중립 상태"라 할 수 있고, 이 경우, 부하 스프링(142)은 최소 길이(L)를 갖도록 압축될 수 있다.
이상의 중립 상태에서 부하 전달부(11)가 위치된 지점을 기준으로, 부하 전달부(11)를 구동 축(x)을 따라서 양 방향으로 각각 병진 이동시켰을 경우의 모습이 도 3 및 도 4를 통해 나타난다.
구동 축(x)을 따라서 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심에 위치할 때 탄성 지지부(14)는 가장 높은 탄성 위치 에너지를 갖고, 부하 전달부(11)가 스트로크의 중심으로부터 멀어질수록 탄성 지지부(14)의 탄성 위치 에너지가 낮아질 수 있다.
부하 전달부(11)의 탄성 위치 에너지가 가장 높을 때, 즉, 중립 상태일 때 캠 링크(15) 및 탄성 지지부(14)는 서로 동일 선상으로 평행하게 배열될 수 있다.
도 2의 중립 상태에서 부하 스프링(142)은 미리 압축되어 있기 때문에, 중립 상태에서 전체 링크 구조는 불안정한 상태에 놓이게 되며, 이후 도 3 또는 도 4와 같이 양 방향으로 중립 위치를 벗어나는 순간부터 압축되었던 부하 스프링(14)이 신장함에 따라 안정적인 상태를 찾아가게 된다.
따라서, 도 3 및 또는 4와 같이, 구동 부하 시험 장치(1)가 중립 상태에서 벗어나는 양쪽 방향으로 구동되면서 갈수록 안정되는 '쌍안정(bistable)' 시스템을 형성하고, 이 쌍안정성(bistability)으로 인해 도 1에 도시된 바와 같은 구동 부하의 프로파일을 구현할 수 있게 된다.
따라서, 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치(1)에 의하면 부하의 방향이 중립 상태를 기준으로 반전되며, 중립 상태를 기준으로 부하의 크기가 점점 커지는, 도 1에 도시된 구동 부하의 프로파일과 유사한, 구동 부하의 특성을 모사할 수 있게 된다.
구동 축(x)을 기준으로, 부하 전달부(11)의 구동 변위(x)에 따른 구동 부하를 도출하는 과정이 이하에 상세히 후술될 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 중립 상태를 벗어나서 부하 전달부(11)가 일 방향(x축의 음의 방향)으로 병진 구동될 경우, 서로 관절 연결된 제 1 링크(12) 및 캠 링크(15)가 회동함으로써, 상기 일 방향을 따라서 부하 전달부(11)에 구동 부하(F2cosβ)가 인가될 수 있다.
중립 상태를 기준으로, 캠 링크(15)가 제 1 고정 축(D1)을 중심으로 회전된 각도를 "θ"라 할 수 있고, 이 경우 구동 축(x)에 제 1 링크(12)가 회전되어 있는 각도를 "β"라 할 수 있으며, 부하 스프링(142)의 탄성력이 캠 팔로워(141)를 통해 캠(151)에 전달되는 방향의 각도, 즉 캠 팔로워(141)의 회전 각도는 "α"라 할 수 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 캠 링크(15)의 회전 각도(θ)와 캠 팔로워(141)의 회전 각도(α)의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 기하학적 관계식으로 도출될 수있다.
Figure 112021066151972-pat00001
Figure 112021066151972-pat00002
Figure 112021066151972-pat00003
(여기서, R: 캠의 반경, r: 캠 팔로워의 반경, L: 중립 상태에서의 부하 스프링의 길이, α: 캠 팔로워의 회전 각도, β: 제 1 링크의 회전 각도, θ: 캠 링크의 회전 각도, B: 제 1 고정 축과 캠의 중심 사이의 간격)
중립 상태를 기준으로 부하 스프링(142)이 최대로 압축된 상태에서 복원되어 중립 상태에서의 길이(L)보다 추가적인 증가량(λ) 만큼 증가된 길이(L+λ)를 갖게되며, 부하 스프링(14)의 길이 증가량(λ)과, 캠 링크(15)의 회전 각도(θ)와 캠 팔로워(141)의 회전 각도(α)의 관계는 아래의 수학식 2와 같이 정리될 수있다.
Figure 112021066151972-pat00004
Figure 112021066151972-pat00005
(여기서, R: 캠의 반경, r: 캠 팔로워의 반경, L: 중립 상태에서의 부하 스프링의 길이, α: 캠 팔로워의 회전 각도, β: 제 1 링크의 회전 각도, θ: 캠 링크의 회전 각도, B: 제 1 고정 축과 캠의 중심 사이의 간격, λ: 부하 스프링의 길이 증가량)
이어서, 구동 축(x)에 대한 제 1 링크(12)의 회전 각도(β)와 캠 링크(15)의 회전 각도(θ)의 관계식은 아래의 수학식 3과 같이 도출될 수 있다.
Figure 112021066151972-pat00006
Figure 112021066151972-pat00007
Figure 112021066151972-pat00008
(여기서, α: 캠 팔로워의 회전 각도, β: 제 1 링크의 회전 각도, θ: 캠 링크의 회전 각도, A: 제 2 회동축과 제 1 고정축 사이의 간격, B: 제 1 고정 축과 캠의 중심 사이의 간격, C: 제 1 회동축과 제 2 회동축 사이의 간격 λ: 부하 스프링의 길이 증가량)
이제, 캠 링크(15)에 인가되는 힘을 구동 축(x)에 평행한 수평 방향(x) 성분과, 구동 축(x)에 수직한 수직 방향(y) 성분으로 나누어 정리하면 아래의 수학식 4과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112021066151972-pat00009
Figure 112021066151972-pat00010
Figure 112021066151972-pat00011
(여기서, F1x: 제 1 고정 축에 인가되는 수평 방향 힘, F1y: 제 1 고정 축에 인가되는 수직 방향 힘, F2: 제 2 회동 축에 인가되는 힘, Fc: 캠에 인가되는 힘, α: 캠 팔로워의 회전 각도, β: 제 1 링크의 회전 각도, θ: 캠 링크의 회전 각도, A: 제 2 회동축과 제 1 고정축 사이의 간격, B: 제 1 고정 축과 캠의 중심 사이의 간격)
한편, 부하 스프링(142)에 형성되는 탄성력(FS)과 캠 링크(15)에 전달되는 탄성력(FC)의 관계는 아래의 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112021066151972-pat00012
Figure 112021066151972-pat00013
(여기서, Fs: 캠 팔로워에 인가되는 힘, Fc: 캠에 인가되는 힘, k: 부하 스프링의 스프링 계수, Ls: 부하 스프링의 압축 전 길이, L:중립 상태에서의 부하 스프링의 길이, λ: 부하 스프링의 길이 증가량)
이어서, 수학식 5에서 도출된 탄성력의 관계식을 수학식 4에 대입하면 아래의 수학식 6과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112021066151972-pat00014
(F2: 제 2 회동 축에 인가되는 힘, Fc: 캠에 인가되는 힘, α: 캠 팔로워의 회전 각도, β: 제 1 링크의 회전 각도, θ: 캠 링크의 회전 각도, A: 제 2 회동축과 제 1 고정축 사이의 간격, B: 제 1 고정 축과 캠의 중심 사이의 간격, k: 부하 스프링의 스프링 계수, Ls: 부하 스프링의 압축 전 길이, L:중립 상태에서의 부하 스프링의 길이, λ: 부하 스프링의 길이 증가량)
최종적으로 이상의 수학식 1 내지 6의 식을 통해, 부하 전달부의 구동 변위(x)와 구동 부하(F2cosβ) 사이의 관계식을 도출할 수 있으며, 이를 통해 중립 상태를 기준으로 구동기의 구동 단부가 부하 전달부를 선형 구동시키는 구동 변위(x)에 따라서, 구동 단부에 인가되는 구동 부하(F2cosβ)의 크기의 변화량이 도 5의 그래프와 같이 도시되는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 일 실시 예에 따른 구동 부하 시험 장치(1)를 통해 도 1에 도시된 구동 부하의 프로파일과 동일한 형태의 구동 부하의 프로파일을 모사할 수 있다는 점을 확인할 수있고, 나아가 별도의 구동원을 사용하지 않고 스프링과 링크의 관절 연결 구조만을 사용하여 이를 달성할 수 있는 이점이 존재한다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 구동 축을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부;
    상기 부하 전달부에 대해 상기 구동 축에 수직한 제 1 회동 축을 중심으로 회동 가능하게 연결되 제 1 링크;
    일측은 상기 제 1 링크에 대해 상기 제 1 회동 축에 평행한 제 2 회동 축을 매개하여 회동 가능하게 연결되고, 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠을 구비하는 캠 링크;
    상기 제 2 회동 축으로부터 상기 캠 링크의 길이 방향으로 평행하게 이격된 제 1 고정 축을 중심으로 상기 캠 링크를 회동 가능하게 지지하는 제 1 고정부;
    일측은 상기 캠 링크의 상기 캠에 접촉하여 회전가능하게 연결되는 캠 팔로워와, 타측은 상기 구동 축과 상기 제 1 회동 축에 수직한 탄성력 방향을 따라서 탄성력을 제공하는 부하 스프링을 구비하는 탄성 지지부; 및
    상기 탄성 지지부 중 돌출되는 상기 부하 스프링의 단부를 고정적으로 지지하는 제 2 고정부를 포함하는 구동 부하 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 축은 지면에 평행한 수평 방향으로 연장되고, 상기 제 1 고정부 및 상기 제 2 고정부는 지면에 수직한 수직 방향을 따라서 이격되어 있고,
    상기 부하 전달부에 상기 수평 방향으로의 힘이 인가되지 않는 중립 상태에서, 상기 캠 링크 및 상기 탄성 지지부는, 상기 수직 방향을 따라서 동일 선상으로 정렬되는 구동 부하 시험 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중립 상태를 기준으로, 상기 부하 스프링의 탄성력에 의해 상기 부하 전달부에 상기 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 방향은, 상기 부하 전달부의 병진 변위의 방향과 동일하게 형성되고, 상기 부하 전달부에 상기 구동 축을 따라서 인가되는 힘의 크기는, 상기 부하 전달부의 병진 변위의 크기와 서로 비례하는 것을 특징으로 하는 구동 부하 시험 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 고정 축과 상기 제 2 회동 축 사이의 거리는, 상기 제 1 고정 축과 상기 캠의 방사상 중심 사이의 거리보다 작은 구동 부하 시험 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 캠 팔로워는, 상기 제 1 회동 축에 평행한 중심 축을 기준으로 상기 캠의 원형의 원주 표면에 접촉된 상태로 회전가능하게 구동하는 원형의 롤러 형태인 것을 특징으로 하는 구동 부하 시험 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 중립 상태를 기준으로, 상기 캠 링크가 상기 제 1 고정 축을 중심으로 회전될 경우, 상기 캠 팔로워는 상기 부하 스프링의 탄성력에 의해 상기 캠에 접촉된 상태로 회전하게되어, 상기 부하 스프링으로부터 상기 캠에 전달되는 탄성력의 방향이 상기 캠 팔로워의 회전 각도에 비례하여 변화하는 것을 특징으로 하는 구동 부하 시험 장치.
  7. 구동 축을 따라서 병진 구동하는 부하 전달부;
    상기 부하 전달부의 병진 운동 경로를 가이드하는 구동 가이드;
    상기 부하 전달부에 대해 회동 가능하게 연결되는 제 1 링크;
    상기 구동 가이드에 대하여 상대적으로 고정된 일 지점을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 일측은 상기 제 1 링크에 대하여 회동 가능하게 연결되고, 타측은 원형의 윤곽을 갖는 캠을 구비하는 캠 링크; 및
    상기 캠에 접촉된 상태로 수축 또는 확장 가능하고, 상기 캠 링크가 설정 상태를 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 탄성력을 제공하는 탄성 지지부를 포함하는 구동 부하 시험 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동 축을 따라서 상기 부하 전달부가 스트로크의 중심에 위치할 때 상기 탄성 지지부는 가장 높은 탄성 위치 에너지를 갖고, 상기 부하 전달부가 스트로크의 중심으로부터 멀어질수록 상기 탄성 지지부의 탄성 위치 에너지가 낮아지는 구동 부하 시험 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하 전달부의 탄성 위치 에너지가 가장 높을 때, 상기 캠 링크 및 상기 탄성 지지부는 서로 동일 선상으로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 구동 부하 시험 장치.
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