KR20020083245A

KR20020083245A - 고무재료 압축시험 장치

Info

Publication number: KR20020083245A
Application number: KR1020010022642A
Authority: KR
Inventors: 김완두
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-02
Also published as: KR100387978B1

Abstract

본 발명은 고무재료 압축시험 장치에 관해 제시한다. 본 발명은 고무재료를 두 압축판 사이에 놓고 압축하중을 가하여 하중에 따른 재료의 변형을 측정하는 고무재료 압축시험 장치에 있어서, 고무재료에 접촉하는 압축판의 접촉면이 고무시편과 압축판간의 마찰계수 값만큼 중앙을 향해 원추형으로 경사지게 구성된다. 압축판의 접촉면 중앙 부위가 편평하게 형성되어 시험초기 시편 중앙의 국부적 눌림을 방지한다. 압축판의 접촉면 중앙에 압축 시 고무시편에 침입하는 위치 고정핀이 더 구비되어 압축 시 시편이 옆으로 미끄러지는 것을 방지한다. 고무재료의 압축시험 시 압축판과 시편 사이에 발생되는 마찰력이 압축판의 경사면에 의해 상쇄되어 시편의 변형억제 현상이 발생되지 않는 바, 시험오차가 최소화되어 정확한 재료상수를 결정할 수 있게 됨은 물론 압축판과 시편간에 별도의 윤활제를 개입시킬 필요도 전혀 없어 고무재료 압축시험의 신뢰성과 정밀도 향상에 크게 기여하게 된다.

Description

고무재료 압축시험 장치{Rubber compression tester}

본 발명은 각종 기계기구장치의 방진부품 등으로 널리 사용되고 있는 고무재료의 물성을 측정하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고무시편을 여러 가지 다른 하중 상태로 압축하면서 고무재료의 탄성거동을 살피기 위한 고무재료 압축시험 장치에 관한 것이다.

일반적으로 각종 탄성재료는 하중을 가했다가 제거하면, 하중과 변형이 선형적인 관계를 유지하는 범위 내에서 원래의 상태로 되돌아오는 탄성거동을 나타낸다. 이 중 고무재료는 하중과 변형이 비선형 관계를 보이는 대변형 범위에서도 탄성거동을 나타내는 초탄성 특성을 지니며, 이러한 고무재료의 특성은 변형률에너지함수를 이용하여 표현한다. 변형률에너지함수의 상수, 즉 고무재료 상수는 고무재료시험에서 얻은 응력-변형률의 관계 선도로부터 결정된다.

한편, 최근 들어 전산기의 기술발전과 비선형·대변형 해석 프로그램의 보급 등으로 각종 고무부품의 설계 및 특성예측 등에 유한요소해석 기술이 널리 이용되고 있는 추세이다. 고무재료상수는 유한요소해석에 필수적인 물성 데이터로서 이 값의 변화에 따라 해석결과는 큰 차이를 나타내며, 풀이의 안정성 및 수렴성에도 큰 영향을 끼치게 된다. 또한, 고무는 비압축성 재료로서 다축 방향으로 변형이 쉽게 발생되므로 정확한 물성을 구하기 위해서는 여러 가지 다른 하중 상태에서의 재료시험을 실시하여 재료상수를 결정하여야 하며, 실제 부품에 가해지는 하중상태와크기 등을 고려하여 재료시험을 실시할 응력 및 변형률 크기가 결정된다.

고무재료상수 결정을 위한 재료시험에는 단축 인장·압축 시험과 2축 인장시험 및 전단시험 등이 있으나, 시험의 편의성을 고려하여 일반적으로 인장·압축 시험과 전단시험이 실시된다.

각 재료시험의 방법 및 절차는 규격화되어 있는데, 이 시험은 일반적으로 강도 및 연신율 등과 같은 고무재료의 기본적인 물성평가를 위한 시험이다. 따라서, 재료상수의 결정을 위해서는 하중-변위, 또는 응력-변형률 선도 데이터가 필요하게 된다. 이 때, 정확한 변형률에너지함수 결정을 위해서는 각 시험하중 조건에 따라 시편내에 균일한 응력 및 변형률 분포를 가져야 하기 때문에 시험 시 세심한 주의가 요구된다.

도 1에 이를 위한 일반적인 고무재료 압축시험 방법을 개략적으로 도시하였는데, 이것은 고무시편(R)을 두 편평한 압축판(1)(2) 사이에 놓고 실린더(3) 등으로 압축하중을 가하면서 하중에 따른 고무시편(R)의 변위를 측정하고 있다.

그런데, 이러한 압축시험 방법은 편평한 압축판(1)(2)을 사용하므로 특히, 디스크형 원형시편의 압축시험에서는 압축판(1)(2)들과 시편(R) 사이의 마찰력 때문에 도 1b에 나타낸 바와 같이 고무시편(R)에 배럴링(barreling) 현상이 발생되어 균일한 응력 및 변형률 분포를 얻기 어려우며, 이 시험데이터로 재료상수를 결정할 경우 큰 오차를 포함하게 된다. 즉, 편평한 압축판(1)(2)을 이용하여 압축시험을 실시할 때 압축판(1)(2)과 고무시편(R)간에 마찰력이 존재할 경우, 도 2에 도시한 바와 같이 시편(R)에는 압축력(Fp)과 마찰력(Fr)이 동시에 작용하여 이들의합력(F)이 시편(R)의 변형을 억제하는 방향으로 작용하게 됨으로써 고무시편(R)에 배럴링 현상이 나타나게 되므로 균일하고 정확한 응력 및 변형률 분포를 얻을 수 없게 되는 것이다. 이러한 시편(R)의 배럴링 현상은 마찰력이 커질수록 힘(압축력과 마찰력의 합력)의 방향이 더욱 어긋나 변형을 강하게 억제하게 되는 바, 더욱 심해지게 된다.

도 3에는 마찰계수 변화에 따른 하중-변위 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내었는데, 도시한 바와 같이 0.1 이하의 작은 마찰계수에서도 마찰계수가 0인 경우와 비교해 볼 때 큰 오차가 있음을 알 수 있으며, 마찰계수가 커질수록 그 오차가 더욱 커짐을 알 수 있다. 이에 따라 마찰력을 줄이기 방안으로서 압축판(1)(2)과 시편(R) 사이에 윤활제를 개입시키는 방법이 이용되고 있으나, 천연고무와 금속판간의 마찰계수가 오일 윤활의 경우 약 0.05∼0.1, 그리이스 윤활의 경우 약 0.15, 고체 윤활제의 경우 0.2~0.3 값을 나타내고 있어 윤활제의 사용만으로는 시험오차를 줄이는데 한계가 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 발명된 것으로서, 고무재료의 압축시험 시 압축판과 시편 사이에 발생되는 마찰력을 상쇄시켜 줌으로써 시험오차를 최소화하고 정확한 재료상수를 결정할 수 있는 고무재료 압축시험 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 압축판과 시편간에 별도의 윤활제를 개입시키지 않고서도 양자간의 마찰력에 의한 시편의 변형억제 현상을 제거할 수 있는 고무재료압축시험 장치를 제공하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 고무재료의 압축시험 상태를 나타낸 측면도들,

도 2는 종래의 편평한 압축판을 이용할 때의 압축시편의 하중분포를 나타낸 개략도,

도 3은 마찰계수 변화에 따른 고무재료 압축시험의 하중-변위 선도,

도 4는 본 발명에 의한 고무재료 압축시험 장치를 개략적으로 나타낸 사시도,

도 5는 본 발명에 의한 압축시험 장치의 경사진 압축판을 이용할 때의 하중분포의 개략도,

도 6a 및 도 6b는 압축판과 고무시편의 접촉면에 작용하는 힘의 관계를 나타낸 프리 바디 다이어그램,

도 7은 마찰계수 변화에 따른 압축응력-변형률 선도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11, 12: 압축판11a, 12a: (압축판의) 접촉면

13, 14: (압축판의) 위치고정핀θ: (압축판의) 접촉면 경사각

Fp: 압축력Fr: 마찰력

F: (압축력과 마찰력의) 합력μ: 마찰계수

이와 같은 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 의한 고무재료 압축시험 장치는, 고무재료를 두 압축판 사이에 놓고 압축하중을 가하여 하중에 따른 재료의 변형을 측정하는 고무재료 압축시험 장치에 있어서, 고무재료에 접촉하는 압축판의 접촉면이 고무시편과 압축판간의 마찰계수 값만큼 중앙을 향해 원추형으로 경사지게 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, 압축판의 접촉면 중앙 부위가 편평하게 형성되어 시험초기 시편 중앙의 국부적 눌림을 방지한다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 압축판의 접촉면 중앙에 압축 시 고무시편에 침입하는 위치 고정핀이 더 구비되어 압축 시 시편의 미끄러짐을 방지한다.

이에 따라 본 발명은, 고무재료의 압축시험 시 압축판과 시편 사이에 발생되는 마찰력이 압축판의 경사면에 의해 상쇄되어 시편의 변형억제 현상이 발생되지 않는 바, 시험오차가 최소화되어 정확한 재료상수를 결정할 수 있게 됨은 물론 압축판과 시편간에 별도의 윤활제를 개입시킬 필요도 전혀 없어 고무재료 압축시험의 신뢰성과 정밀도 향상에 크게 기여하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 고무재료 압축시험 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 4 및 도 5에서, 본 발명에 의한 고무재료 압축시험 장치는 서로 대향하도록 간격을 두고 위치되어 고무시편(R)에 압축하중을 가하는 두 압축판(11)(12)의 고무시편(R)과 접촉하는 면(11a)(12a)이 그 중앙을 향해 일정각도로 경사진 원추형으로 형성된다. 이 때, 접촉면(11a)(12a)들의 경사각(θ)은 고무시편(R)과 압축판(11)(12)간의 마찰계수(μ) 값에 대응하는 값으로 설정된다. 예컨대, 마찰계수 μ= 0.1일 때 압축판(11)(12)의 접촉면(11a)(12a) 경사각(θ)은 5.7°가 된다.

이 경우, 압축판(11)(12)에 의한 압축력(Fp)과 접촉면에서의 마찰력(Fr)의 합력(F)이 고무시편(R)에 수직한 압축방향으로만 일정하게 작용하게 되어 마찰력(Fr)에 의한 고무시편(R)의 변형억제 현상이 발생되지 않으며, 이에 따라 고무시편(R)의 시험오차가 최소화된다.

즉, 고무시편(R)을 압축판(11)(12)들 사이에 놓고 하중을 가하면 고무시편(R)이 탄성 변형되어 늘어나게 되는데, 이 때 압축판(11)(12)의 접촉면(11a)(12a)에는 도 6a에 도시한 바와 같이 시편(R)의 변형력(d)에 대항하여 그 변형을 억제하는 항력인 마찰력(Fr)이 변형력(d)의 작용방향과 반대방향으로 동일 크기로 작용하게 되어 실제로 시편(R)에 작용하는 힘은 압축력(Fp)과 마찰력(Fr)의 합력(F)이 된다. 그런데, 마찰력(Fr)은 양자간의 마찰계수(μ)에 비례하여 접촉면(11a)(12a)을 따라 발생하게 되고, 압축력(Fp)은 접촉면(11a)(12a)에 수직하게 작용하는 바, 압축력(Fp)과 마찰력(Fr)의 합력(F)은 접촉면(11a)(12a)의 경사각(θ)에 의해 시편(R)에 수직한 압축방향으로만 작용하게 되는 것이다.

이를 보다 상세히 설명하면, 접촉면(11a)(12a)의 질점(particle)에 작용하는 압축력(Fp)과 마찰력(Fr)의 합력(F)은 힘의 평행사변형법에 의해 두 힘의 시작점과끝점들이 만나는 점을 연결한 벡터(voctor)가 되는데, 압축판(11)(12)의 접촉면(11a)(12a)이 마찰계수(μ) 값에 대응하는 경사각(θ)을 가지므로 도 6b에 도시한 바와 같이 압축력(Fp)과 마찰력(Fr)의 합력(F)이 고무시편(R)에 수직한 압축방향으로 작용하게 되어 마찰력(Fr)을 상쇄시켜 주는 효과를 얻게 된다. 여기서, 압축력(Fp)이 커지면 마찰력(Fr)도 압축력(Fp)에 비례하여 증가하게 되므로 합력(F)은 압축하중의 변화에 관계없이 항상 시편(R)에 수직하게 작용한다.

따라서, 압축하중에 따른 시편(R)의 변위를 마찰력(Fr)에 구애받지 않고 정확하게 측정할 수 있어 시험오차가 최소화되므로 정확한 재료상수를 결정할 수 있게 된다.

도 7에는 이 같은 본 발명의 경사 압축판과 통상의 편평한 압축판을 사용하여 고무시편(R)의 압축시험을 실시한 경우의 압축응력과 압축변형률과의 관계를 나타내고 있다. 여기에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 편평한 압축판을 사용하여 시험할 때 마찰력이 존재하는 경우는 마찰력이 없는 경우와 큰 차이를 보이고 있지만, 마찰계수 값만큼 접촉면에 기울기를 부여한 압축판을 사용할 경우 마찰력이 존재하는 경우에도 마찰력이 없는 경우와 거의 일치하는 경향을 보이고 있다. 그러므로, 본 발명의 경사 압축판(11)(12)은 접촉면의 경사각(θ)이 마찰력(Fr)을 상쇄시켜 주고 있음을 알 수 있다.

한편, 압축판(11)(12)의 접촉면(11a)(12)이 도 5와 같이 완전히 원추형으로 구성될 경우, 압축시험 시 압축하중을 부여하는 초기 과정에서 시편(R)의 중앙부위만 국부적으로 심하게 눌리는 현상이 되는 바, 압축판(11)(12)의 접촉면(11a)(12a)중앙부위는 도시된 바와 같이 적정 지름만큼 편평하게 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 압축시험 결과의 정확성을 더욱 높일 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 경사 압축판(11)(12)을 사용하는 장치에 있어서도 시편(R)과의 마찰력(Fr)을 극소화시키기 위해 압축판(11)(12)과 시편(R) 사이에 윤활제를 사용할 수도 있는데, 이 경우 압축판(11)(12)의 압축면(11a)(12a)이 경사지게 구성되어 있기 때문에 압축하중을 가하면 시편(R)이 옆으로 미끄러지는 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 이러한 미끄러짐을 방지하기 위해 압축판(11)(12)의 중앙에는 압축 시 시편(R)내로 침투하는 위치고정핀(13)(14)을 구비하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고무재료의 압축시험 시 압축판과 시편 사이에 발생되는 마찰력이 압축판의 경사면에 의해 상쇄되어 힘이 시편에 수직인 순수 압축방향으로만 균일하게 작용하게 되므로 종래와 같은 마찰력에 의한 시편의 변형억제 현상이 발생되지 않으며, 이에 따라 시험오차가 최소화되어 정확한 재료상수를 결정할 수 있게 된다.

또한, 압축판과 시편간에 별도의 윤활제를 개입시키지 않고서도 정확성 높은 시험결과를 얻을 수 있음은 물론 윤활제 사용을 겸할 경우 마찰력이 극소화되어 더욱 정확한 시험결과를 얻을 수 있게 된다.

그러므로 본 발명은, 고무재료 압축시험의 높은 신뢰성과 정밀도를 보장할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims

고무재료를 두 압축판 사이에 놓고 압축하중을 가하여 하중에 따른 재료의 변형을 측정하는 고무재료 압축시험 장치에 있어서,

상기 고무재료에 접촉하는 압축판의 접촉면이 고무시편과 압축판간의 마찰계수 값만큼 중앙을 향해 원추형으로 경사지게 구성된 것을 특징으로 하는 고무재료 압축시험 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 압축판의 접촉면 중앙 부위가 편평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고무재료 압축시험 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 압축판의 접촉면 중앙에 압축 시 고무시편에 침입하여 압축시 그 미끄러짐을 방지하는 위치고정핀이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고무재료 압축시험 장치.