KR20010102631A - 캠과 지렛대를 이용한 프레팅마멸 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적인 구조를 이용하여 프레팅마멸 손상의 시험을 위한 장치에 관한 것으로서, 프레팅 시험조건에서 접촉물체의 상대 운동 진폭, 진동수 등을 능동적으로 쉽게 변경할 수 있도록 모터의 회전수 조절을 이용하여 진동수를 무단으로 변경할 수 있도록 함은 물론 캠 또는 편심원통을 이용하여 회전운동을 직선운동으로 바꾸며 지렛대 기구를 이용하여 진폭을 조절할 수 있도록 하는 것이다.

Description

캠과 지렛대를 이용한 프레팅마멸 시험장치{fretting wear tester using cam and lever}

본 발명은 기계적인 구조를 이용하여 프레팅마멸 손상의 시험을 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프레팅 상태의 모사에서 가장 중요한 접촉 물체의 상대 운동 진폭, 진동수 등을 시험 조건에 능동적으로 쉽게 변경할 수 있도록 하기 위해 모터의 회전수 조절로써 진동수를 변경하고, 캠 또는 편심원통을 이용하여 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸며 지렛대 기구를 이용하여 진폭을 조절할 수 있도록 하는 캠과 지렛대를 이용한 프레팅마멸 시험장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 프레팅마멸이란 기계구조물에 많이 존재하는 접촉부위(예를 들면 치차, 축의 커플링, 볼트 또는 키 등)에서 기계의 작동 중 접촉물체 상호 간에 발생하는 미세한 진폭의 상대운동이 있을 경우, 접촉면에 발생하는 마멸 손상을 일컫는다.

이와 같은 프레팅마멸은 접촉부에서의 틈새를 증가시켜 기밀을 유지하지 못하게 하거나, 설계에서 요구되는 체결 상태를 만족하지 못하게 하므로 기계의 수명과 직접 연관이 있다. 또한 프레팅마멸은 접촉 물체의 재질, 접촉부의 형상, 접촉부 주위의 분위기(온도, 압력, 윤활 등), 상대 운동의 조건(하중, 진동수, 진폭 등) 등에 영향을 받으므로, 시험(또는 실험, 이하 '시험'으로 통칭한다) 결과로부터 특정한 경우의 마멸 특성을 구하고 이를 설계에 반영하고 있다.

따라서, 프레팅마멸 시험장치는 기본적으로 두 물체에 접촉 하중을 가할 수 있어야 하며 하중이 가해진 상태에서 상대운동이 발생할 수 있도록 가진 기구 등을 부착하고, 시험 중에 접촉 하중, 상대 운동의 진동수, 진폭 등을 측정할 수 있는 장치가 부착되는 구조를 가져야 한다.

그러나, 프레팅 상태를 가져오는 접촉물체 상대운동은 진동수가 수 십 헤르츠 이상이고 특히 진폭이 대개 수 미크론에서 수 십 미크론 정도인 경우도 포함하므로 일반적인 기계 가공 공차 범위보다 작을 경우가 많아 기계적인 장치로 구현하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 프레팅 시험조건에서 접촉물체의 상대 운동 진폭, 진동수 등을 능동적으로 쉽게 변경할 수 있도록 모터의 회전수 조절을 이용하여 진동수를 무단으로 변경할 수 있도록 함은 물론 캠 또는 편심원통을 이용하여 회전운동을 직선운동으로 바꾸며 지렛대 기구를 이용하여 진폭을 조절할 수 있도록 하는 프레팅마멸 시험장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 캠과 지렛대를 이용한 프레팅마멸 시험장치를 보인 개략 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 캠을 보인 정면도.

도 3은 도 1에 도시된 캠이 대체될 수 있는 편심원통을 보인 정면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 프레팅마멸 시험장치 3 : 가진측 시편

5 : 고정측 시편 11 : 구동모터

13 : 구동축 15 : 캠

17 : 편심원통 19 : 동력전달봉

23 : 지렛대 25 : 힌지

27 : 힌지점 이송나사축 29 : 가진측 시편홀더

31 : 고정측 시편홀더 33 : 시편위치 조정나사축

35 : 로드셀 37 : 선형가변차동변환기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 회전속도가 가변가능한 구동모터와; 상기 구동모터의 회전운동을 직선왕복운동으로 변환시키는 왕복운동 변환수단과; 일단에 가진측 시편을 고정하면서 상기 왕복 운동수단에 의해 직선 왕복운동되는 가진측 시편홀더와; 상기 왕복운동 변환수단으로부터 상기 가진측 시편홀더로 전달되는 직선 왕복운동거리를 조절하는 진폭조절수단과; 일단에 상기 가진측 시편과 마주하는 고정측 시편을 고정하는 고정측 시편홀더를 포함하는 프레팅마멸 시험장치를 제공한다.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 왕복운동 변환수단은 상기 구동모터로부터 회전력을 전달받아 회전하는 캠, 상기 캠과 접하여 직선 왕복운동하는 동력전달봉으로 구성되고; 상기 진폭조절수단은 상기 동력전달봉과 나란하게 위치된 상기 가진측 시편홀더를 수직상으로 연결하는 지렛대, 상기 지렛대의 힌지점을 조정하는 힌지, 상기 힌지의 위치를 지정하기 위한 힌지점 이송나사축으로 구성되고; 상기 고정측 시편홀더는 시편위치 조정나사축에 의해 고정측 시편의 고정위치가 상기 가진측 시편의 왕복운동에 수직된 방향으로 변위가능하게 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프레팅마멸 시험장치(1)를 보인 것이다. 이 프레팅마멸 시험장치(1)는 가진측 시편(3)과 고정측 시편(5)에 하중이 가해진 상태에서 서로 상대운동을 발생할 수 있도록 한 상태에서 두 시편(3)(5)에 작용하는 접촉 하중, 상대 운동의 진동수, 진폭 등을 측정할 수 있도록 하는 것으로, 가진측 시편(3)은 가진측 시편홀더(29)에 고정되고, 고정측 시편(5)은 고정측 시편홀더(31)에 고정된 상태에서 시편위치 조정나사축(33)에 의해 가진측 시편(3)쪽으로 이동 가능하게 설치된다. 이때, 조정나사축(33)은 고정측 시편(5)의 고정위치가 가진측 시편(3)에 수직된 방향으로 변위가능하게 됨으로써 가진측 시편(3)과의 접촉 수직하중을 조절할 수 있도록 한다.

또한, 가진측 시편홀더(29) 측에는 가진측 시편(3)의 진동을 위한 진동발생 기구가 구비되는 바, 이때 진동발생 기구는 회전수가 가변되는 구동모터(11), 그 구동모터(11)의 구동축(13)에 장착되어 함께 회전하는 캠(15), 그 캠(15)에 접동되어 직선 왕복운동되는 동력전달봉(19), 그 동력전달봉(19)의 왕복운동을 가진측 시편홀더(29)에 전달하되 진폭을 가변시켜 전달하는 지렛대(23)로 구성된다. 즉, 구동모터(11)의 회전운동은 캠(15)과 동력전달봉(19)에 의해 직선왕복운동으로 변환되고, 그 직선 왕복운동은 지렛대(23)를 가진측 시편홀더(29)로 전달되도록 이루어진다.

이때, 캠(15)은 도 2에 도시되는 바와 같이 진원으로부터 돌출된 노우즈부(16)를 통해 동력전달봉(19)을 왕복운동시키게 되는 바, 그 노우즈부(16)의 폭(e1)은 동력전달봉(19)의 진폭이 된다. 또한, 캠(15)은 도 3에 도시되는 바와 같은 편심원통(17)으로 대체될 수 있는 바, 이 편심원통(17)은 중심으로부터 편심량(e2)의 2배가 동력전달봉(19)의 진폭이 된다. 그리고, 캠(15)의 단면 형상을 캠(15)의 축 방향으로 연속적으로 다르게 함과 동시에 지렛대(23)의 길이와 동력전달봉(19)의 위치를 연동시켜 변경시킴으로써 편심에 의해 동력전달봉(19)에 전달되는 직선 운동의 진폭 자체도 무단으로 할 수 있다. 또한, 동력전달봉(19)은 캠(15) 또는 편심된 원통(17)이 빠른 속도로 회전하더라도 안정된 접촉을 할 수 있도록 스프링(21)이 설치된다.

한편, 캠(15) 또는 편심된 원통(17)에 의해 전달되는 직선 운동은 그 진폭이 캠(15) 또는 편심원통(17)의 기계 가공 공차보다 작도록 제어하기 힘들며, 시편이 가진 되는 진폭을 다양하게 변화시키며 시험할 필요가 있다. 이에 따라, 동력전달봉(19)과 가진측 시편홀더(29)를 연결하는 지렛대(23)는 힌지점이 나사이송 등에 의해 위치 조절이 가능하도록 구성된다. 즉, 지렛대(23)를 지지하는 힌지(25)의 힌지점이 힌지점 이송나사축(27)에 의해 가진측 시편(3) 쪽으로 이동할 경우에는 시편 상호 간의 상대 운동의 진폭은 줄어들게 되는 바, 시편이 가진되는 진폭은 지렛대(23)의 길이와 힌지점의 위치에 의해 간단한 비례 계산으로부터 구할 수 있게 된다.

또한, 가진측 시편(3)의 홀더(29)에는 연결된 축에 두 시편간의 접촉 수직 하중 및 전단 하중을 측정할 수 있는 2 축 로드셀(load cell; 35) 및 진폭을 측정하는 선형가변차동변환기(LVDT; Linear Variable Differential Transducer; 37) 등이 설치된다. 특히, 선형가변차동변환기(37)는 최종적으로 시편이 가진되는 진폭을 측정할 수 있도록 하는 장치로서 입력되는 진폭(즉 지렛대 힌지점의 이동에 따라 결정된 진폭)이 여러 요인들(예를 들면 관성, 가공 오차 등)에 의해 다소 부정확하더라도 시편의 진폭을 정확히 알 수 있도록 한다. 이러한 로드셀(35)과 선형가변차동변환기(37) 등의 측정 장치들이 가진측 시편홀더(29)의 상부에 한쪽으로 몰리게 위치한 이유는 수중 시험 등에서 수분에 취약한 센서류가 물 속에 잠기지 않도록 하기 위함이다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 프레팅마멸 시험장치(1)를 이용하여 프레팅마멸을 시험하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 시험대상물인 가진측 시편(3)을 가진측 시편홀더(29)에 고정함과 동시에, 고정측 시편(5)을 고정측 시편홀더(31)에 고정시킨 다음, 시편위치 조정나사축(33)을 이용하여 고정측 시편홀더(31)를 가진측 시편홀더(29)쪽으로 이동시켜 고정측 시편(5)과 가진측 시편(3)의 접촉 수직하중을 조정하게 된다.

그 다음, 구동모터(11)를 구동시키게 되는 바, 이렇게 하여 구동되는 구동모터(11)의 구동축(13)과 같이 회전하는 캠(15) 또는 편심원통(17)은 동력전달봉(19)을 직선 왕복운동시키게 되며, 동력전달봉(19)은 가진측 시편홀더(29)에 왕복운동을 전달하여 고정측 시편(5)과 접촉된 가진측 시편(3)을 가진시키게 된다. 이때, 가진측 시편(3)의 홀더에 설치된 2 축 로드셀(35)은 가진측 시편(3)과 고정측 시편(5)의 접촉 수직 하중 및 전단 하중을 측정하게 되고, 선형가변차동변환기(37)는 가진측 시편(3)의 진폭을 측정하게 된다.

이러한 과정에서, 프레팅 상태의 모사에서 가장 중요한 접촉 물체의 상대 운동 진폭, 진동수 등을 시험 조건에 능동적으로 쉽게 변경할 수 있게 되는 바, 우선 시편의 진동수를 구동모터(11)의 회전수를 조절함으로써 무단으로 변경할 수 있게 되며, 또한 시편의 진폭은 캠(15) 또는 편심원통(17)과 동력전달봉(19)에 의해 변환된 직선 왕복운동을 가진측 시편홀더(29)에 전달하는 지렛대(23)의 힌지점 위치를 변경함으로써 역시 시편의 진폭을 무단으로 변경할 수 있게 된다.

이에 따라, 본 발명은 10 헤르츠 이상의 고속으로 시험할 수 있으며, 시편과 시편 고정구의 관성 등이 진폭에 미치는 영향과 관계없이 정확한 진폭을 측정할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 모터의 회전수 조절로써 진동수를 변경하고, 캠 또는 편심원통을 이용하여 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸며 지렛대 기구를 이용하여 진폭을 조절함으로써 프레팅 상태의 모사에서 가장 중요한 접촉 물체의 상대 운동 진폭, 진동수 등을 시험 조건에 능동적으로 쉽게 변경할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 회전속도가 가변가능한 구동모터와;

   상기 구동모터의 회전운동을 직선왕복운동으로 변환시키는 왕복운동 변환수단과;

   일단에 가진측 시편을 고정하면서 상기 왕복 운동수단에 의해 직선 왕복운동되는 가진측 시편홀더와;

   상기 왕복운동 변환수단으로부터 상기 가진측 시편홀더로 전달되는 직선 왕복운동거리를 조절하는 진폭조절수단과;

   일단에 상기 가진측 시편과 마주하는 고정측 시편을 고정하는 고정측 시편홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레팅마멸 시험장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 왕복운동 변환수단은 상기 구동모터로부터 회전력을 전달받아 회전하는 캠, 상기 캠과 접하여 직선 왕복운동하는 동력전달봉으로 구성되고;

   상기 진폭조절수단은 상기 동력전달봉과 나란하게 위치된 상기 가진측 시편홀더를 수직상으로 연결하는 지렛대, 상기 지렛대의 힌지점을 조정하는 힌지, 상기 힌지의 위치를 지정하기 위한 힌지점 이송나사축으로 구성되고;

   상기 고정측 시편홀더는 시편위치 조정나사축에 의해 고정측 시편의 고정위치가 상기 가진측 시편의 왕복운동에 수직된 방향으로 변위가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프레팅마멸 시험장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 캠은 상기 구동모터의 구동축과 편심되게 결합되는 편심원통으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레팅마멸 시험장치.
4. 회전속도가 가변가능한 구동모터와;

   상기 구동모터의 회전운동을 직선왕복운동으로 변환시키는 왕복운동 변환수단과;

   가진측 시편을 고정하면서 상기 왕복 운동수단에 의해 직선 왕복운동되는 가진측 시편홀더와;

   상기 왕복운동 변환수단으로부터 상기 가진측 시편홀더로 전달되는 직선 왕복운동거리를 조절하는 진폭조절수단과, 일단에 상기 가진측 시편과 마주하는 고정측 시편을 고정하는 고정측 시편홀더와;

   상기 가진측 시편과 고정측 시편간의 수직 하중 및 전단하중을 측정하는 2축 로드셀, 진폭을 측정할 수 있는 선형가변차동변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레팅마멸 시험장치.