KR20050029292A - 정밀 마찰시험기 - Google Patents

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Abstract

정밀 마찰 시험기가 개시된다.
본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 수직하중을 부여하는 하중부여추; 다양한 형상의 시편을 이탈착 할 수 있는 시편 홀더가 장착되어 있는 시편 암; 상기 시편암과 연결되어 있으며, 상기 시편암에 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서가 장착되어 있는 회전축; 지지대 상에 있는 상대재홀더와 연결되어 있는 상부 구동축; 및 상기 상부 구동축과 자기커플링에 의해 연결되며 구동서보모터에 의해 구동되는 하부 구동축을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 시편 및 상대재의 탈착이 용이하여 다양한 소재의 마찰특성을 평가할 수 있으며, 최저 0.5mm/sec의 극저속 마찰특성을 평가할 수 있고, 마찰력과 수직하중을 200Hz 이상의 속도로 실시간으로 도식화 및 저장이 가능하므로 정밀 마찰특성을 분석할 수 있다. 또한, 자기커플링으로 구동축을 연결함으로써 마찰시험시 진동의 전가를 차단하여 시편과 상대재만의 마찰진동현상을 평가할 수 있다.

Description

정밀 마찰시험기 {Precision Friction Tester}
본 발명은 마찰시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 시편 및 상대재간의 마찰특성을 정밀하게 측정할 수 있는 정밀 마찰시험기에 관한 것이다.
대부분의 기계들은 회전구동부분을 가지고 있으며, 이러한 회전구동부분에서는 회전에 따른 마찰 및 마모가 발생하게 된다. 따라서, 회전구동요소를 설계하고 제작하는 데에는 이러한 마찰 및 마모를 감안해야 하며, 특히, 자동차, 기차, 이륜차, 엘리베이터 등에 사용되는 마찰재와 기타 베어링 등은 마찰특성을 정확히 측정하고 이를 평가하는 것이 필수적이다. 마찰시험기란 이처럼 회전구동요소의 마찰특성을 측정하기 위한 장치이며, 도 1에는 일반적인 패드-온-디스크(pad-on-disk) 형태의 마찰시험기의 개략도를 나타내었다. 이러한 마찰시험기는 벌크한 블록형 시편을 사용하는 것이 일반적인데, 마찰재는 블록형태이지만, 베어링은 구형이기 때문에 구형의 시편을 사용하는 것이 좀더 바람직함에도 종래의 마찰 시험기는 다양한 형상의 시편에 대한 마찰 특성을 측정하기에는 부족한 점이 있었다. 한편, 도 1에서 알 수 있듯이 통상의 마찰시험기는 모터와 구동축이 직접 연결되어 있기 때문에 모터의 진동이 상대재와 시편에 그대로 전달되며, 이로 인해 시편과 상대재만의 마찰특성을 정확히 평가하기에 어려움이 있었다. 또한 종래의 마찰 시험기는 마찰이 이루어지는 측면에 로드셀을 장착하여 마찰력의 크기를 측정하도록 설계되어 있기 때문에 마찰력의 진폭이 큰 경우에 실제 마찰력의 변화이외의 노이즈가 발생할 우려가 있어 마찰력의 진폭 변화를 정밀하게 측정하기 어려운 단점이 있었으며, 데이터 처리속도가 저속이었기 때문에 미소시간 단위로 마찰 특성을 정밀하게 분석하는데 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 다양한 형상의 시편의 사용이 가능하고, 모터의 진동에 영향이 없으며, 마찰력의 진폭 변화를 정밀하게 측정할 수 있고 데이터 처리속도가 빠른 정밀 마찰 시험기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해
수직하중을 부여하는 하중부여추;
다양한 형상의 시편을 이탈착 할 수 있는 시편 홀더가 장착되어 있는 시편 암;
상기 시편암과 연결되어 있으며, 상기 시편암에 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서가 장착되어 있는 토크축;
지지대 상에 있는 상대재홀더와 연결되어 있는 상부 구동축; 및
상기 상부 구동축과 자기커플링에 의해 연결되며 구동서보모터에 의해 구동되는 하부 구동축을 포함하는 정밀 마찰 시험기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 토크축은 마이크로미터를 통해 움직일 수 있도록 그 하부에 유동판이 구비되어 있는 것일 수 있다.
또한, 상기 토크축의 상부에는 수평을 조절하기 위한 수평조절추 및 수평여부를 확인하기 위한 수평게이지가 장착되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 마찰력과 수직하중이 200Hz 이상의 저장속도로 실시간으로 도식화 및 저장될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 최저 0.5mm/sec의 속도로 극저속 마찰특성을 평가할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 지지대 상에 밀폐 챔버를 더 구비함으로써 진공, 가스의 충전 및 온도조절이 가능하도록 되어 있는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하나 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기의 전체적인 구성도이다. 본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기를 크게 구분하면, 회전구동부, 시편 및 상대재 장착부, 하중부여 및 토크측정장치부, 데이터처리장치부로 구분할 수 있다.
회전구동부는 구동서보모터(1), 감속기(2), 하부구동축(3), 상부구동축(4), 자기커플링(5), 속도조절기(24)로 구성된다. 마찰시험시 하중부과에 따른 속도변화를 최소화하기 위해 구동장치는 서보모터를 사용하였으며 최소 0.5mm/sec의 극저속을 구현하기 위해 서보모터에 감속기를 장착하였다. 극저속 마찰시험 평가는 특히 스틱 슬립 측정이나 마찰표면의 거칠기에 따른 영향을 고찰하기 위해 필요한데, 스틱 슬립은 정마찰계수와 동마찰계수의 차이가 큰 재료에 있어서 저속 작동시에 주로 발생하는 현상이므로 이를 측정하기 위해서는 마찰 시험기가 극저속에서 작동될 것을 요한다.
본 발명에 따른 마찰 시험기에는 서보 모터를 사용하는데, 일반모터의 경우 극저속 구동시 일정한 속도로 연속적으로 구동되지 않는 단점이 있으나 서보모터를 사용할 경우에는 이러한 단점을 개선할 수 있다. 마찰 시험시의 회전속도는 가변저항을 이용하는 속도조절기를 통해 서보모터의 속도를 제어함으로써 조절할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 마찰 시험기는 서모모터와 연결되어 있는 하부구동축과 상대재 홀더와 연결되어 있는 상부구동축이 직접 연결되어 있는 것이 아니라 자기커플링에 의해 연결되도록 설계되어 있기 때문에 마찰 시험시 모터의 진동이 상대재에 직접 전달되는 것을 차단할 수 있으므로, 보다 정밀한 마찰평가가 가능하다.
시편 및 상대재 장착부는 상대재 홀더(6), 상대재(7), 시편(8), 시편 홀더(9), 시편암(10), 베어링(14), 수평게이지(15), 수평조절 추(16), 고정볼트(17), 마이크로미터(19), 유동판(20)으로 구성된다. 상대재(7)는 5∼8mm의 두께와 60∼100mm의 직경을 지닌 디스크 형태로 장착되며 상대재 홀더(6)에 의해 고정된다. 상대재 홀더(7)는 다양한 소재의 마찰특성을 측정할 수 있도록 탈착이 용이하게 설계되어 있다. 시편은 블록형태는 물론 베어링의 마찰특성을 측정할 수 있도록 구의 형태도 사용 가능하며 시편 홀더(9)를 통해 고정된다. 시편구는 2∼10mm 직경의 다양한 범위의 크기로 장착할 수 있으며 시편 블록은 최대접촉면적이 12×12mm2의 크기로 설계되었다. 특히 구와 블록형태의 시편은 다양한 소재로 제작할 수 있으므로 조성 및 함량에 따른 마찰특성을 분석할 수 있는 장점이 있다. 시편홀더(9)는 시편암(10)을 통해 수평조절 추(16)와 연결되어 있다. 시편암(10)은 베어링(14)을 통해 상하의 방향으로만 유동이 가능하며 수평을 유지하기 위해 수평조절 추(16)를 조절한 후 고정볼트(17)로 움직임이 없도록 고정할 수 있다. 시편암(10)의 수평여부는 수평게이지(15)를 통해 측정할 수 있다. 한편, 토크센서(18)가 구비되어 있는 토크축은 지지대(21) 상의 유동판(20) 상부에 위치하며 상기 유동판(20)은 마이크로 미터(19)에 의해 정밀하게 움직일 수 있도록 설계하였다. 마찰시험을 행하게 되면 마찰에 의해 상대재(7)의 표면이 미세하게 마모되므로, 교체해줄 필요가 있으나, 본 발명에 따른 마찰시험기는 마찰시험 이후에 마이크로미터(19)를 이용하여 토크축을 미세하게 이동시킴으로써 이미 마모된 부분 이외의 부분에 시편이 닿을 수 있도록 하여 별도로 상대재를 교체함 없이 반복적으로 마찰시험을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
하중부여 및 토크측정장치부는 로드셀(11), 하중부여 추(12), 고정핀(13), 토크센서(18)로 구성된다. 수직하중의 부여는 하중부여 추(12)를 이용한 정하중 방식을 적용하였으며 마찰시험시 고정핀(13)으로 고정된다. 수직하중은 최대 22N의 힘까지 가능하도록 설계하였다. 시편홀더(9) 상단에 로드셀(11)을 장착하여 마찰시험시 실시간으로 수직하중의 크기를 측정할 수 있다. 시편과 상대재간의 마찰력은 마찰시험시 토크가 발생되는 토크축에 토크센서(18)를 장착하여 측정할 수 있다. 토크센서(18)를 이용한 마찰력의 측정방법은 측면접촉에 의해 측정되는 마찰력의 수치보다 진폭크기를 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 마찰시험시 마찰력의 크기는 수직하중과 동시에 실시간으로 측정된다.
데이터처리장치부는 증폭여과기(23), 컴퓨터 데이터처리장치(25)로 구성된다. 로드셀(11)과 토크센서(18)로부터 얻어지는 수직하중과 마찰력의 신호는 증폭여과기(23)를 통해 200Hz이상의 저장속도로 컴퓨터 데이터처리장치(25)로 실시간 전송된다. 데이터처리장치에는 National Instruments사에서 제작된 컴퓨터 보드(Lab PC 1200)를 이용하여 데이터를 200Hz 이상의 저장속도로 측정할 수 있으며 LabVIEW 프로그램을 작성하여 모니터를 통해 도식화할 수 있도록 설계하였다. 마찰시험시 컴퓨터 프로그램에서는 수직하중, 마찰력, 마찰계수가 동시에 도식적으로 표시되며 마찰시험 종료시 데이터가 자동적으로 저장된다. 도 3에는 본 발명에 따른 정밀 마찰시험기를 이용하여 측정한 마찰시험결과의 일례를 나타내었다. 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기의 경우 수직하중, 마찰력 및 마찰계수가 실시간으로 표시되기 때문에 시험자가 이를 직접 관찰하며 마찰 시험을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 지지대 상에 밀폐 챔버를 더 구비함으로써 진공분위기 및 습도조절이 가능하도록 설계할 수 있는데, 지지대의 하부에 가스 주입구를 설치하여 가스를 주입함으로 원하는 압력조건을 맞추거나 내부 공기를 완전히 빼냄으로써 진공상태를 유지시킬 수도 있다. 한편, 밀폐 챔버내의 습도조절은 수증기 증발장치를 통해서 가능하며 마찰시험시 마찰계면의 온도는 열전대를 시편에 삽입하는 것보다는 비접촉식 적외선 온도계를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기의 작동방법은 다음과 같다.
측정하고자 하는 시편(8) 및 상대재(7)를 각각 시편홀더(9) 및 상대재 홀더(6)에 장착한 후 고정시킨다음, 시편암(10)이 수평이 되도록 수평조절 추(16)를 이용하여 조절한 후 수평게이지(15)를 통해 수평여부를 확인한다. 다음으로, 마이크로미터(19)를 이용하여 토크축을 원하는 상대재의 반경위치로 설정한 후 측정하고자 하는 마찰시험조건(하중 및 속도)을 설정한다. 마지막으로, 컴퓨터 데이터처리장치(25)에서 저장속도, 위치 및 마찰시험시간을 결정한 후 마찰시험을 수행한다.
본 마찰시험기는 최저 0.5mm/sec의 속도에서 극저속 마찰특성을 평가할 수 있으며 마찰력 및 수직하중의 크기를 200Hz 이상의 저장속도로 실시간으로 분석할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 측정하고자 하는 소재의 마찰계수의 크기를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 마찰시험조건에서의 마찰계수의 안정성, 스틱슬립에 기인한 마찰력의 떨림현상(진폭의 변화)과 같은 마찰특성을 정밀하게 분석할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 정밀 마찰 시험기는 시편 및 상대재의 탈착이 용이하여 다양한 소재의 마찰특성을 평가할 수 있으며, 최저 0.5mm/sec의 극저속 마찰특성을 평가할 수 있고, 마찰력과 수직하중을 200Hz 이상의 속도로 실시간으로 도식화 및 저장이 가능하므로 정밀 마찰특성을 분석할 수 있다. 또한, 자기커플링으로 구동축을 연결함으로써 마찰시험시 진동의 전가를 차단하여 시편과 상대재만의 마찰진동현상을 평가할 수 있다.
제 1도는 종래의 마찰 시험기를 나타내는 개략도이다.
제 2도는 본 발명에 의한 정밀 마찰시험기를 나타내는 개략도이다.
제 3도는 본 발명에 따른 정밀 마찰시험기를 이용하여 측정한 마찰시험결과의 일례를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 구동 서보모터 2: 감속기
3: 하부 구동축 4: 상부 구동축
5: 자기커플링 6: 상대재 홀더
7: 상대재 8: 시편
9: 시편 홀더 10: 시편 암
11: 로드셀 12: 하중부여 추
13: 고정핀 14: 베어링
15: 수평게이지 16: 수평조절 추
17: 고정볼트 18: 토크센서
19: 마이크로미터 20: 유동판
21: 지지대 22: 밀폐챔버
23: 증폭 여과기 24: 속도조절기
25: 컴퓨터 데이터처리장치 26: 토크축
30: 유압식 하중부여장치 40: 속도센서

Claims (6)

  1. 수직하중을 부여하는 하중부여추;
    다양한 형상의 시편을 이탈착 할 수 있는 시편 홀더가 장착되어 있는 시편 암;
    상기 시편암과 연결되어 있으며, 상기 시편암에 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서가 장착되어 있는 회전축;
    지지대 상에 있는 상대재홀더와 연결되어 있는 상부 구동축; 및
    상기 상부 구동축과 자기커플링에 의해 연결되며 구동서보모터에 의해 구동되는 하부 구동축을 포함하는 정밀 마찰 시험기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 회전축은 마이크로미터를 통해 움직일 수 있도록 유동판이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 정밀 마찰 시험기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 회전축의 상부에는 수평을 조절하기 위한 수평조절추 및 수평여부를 확인하기 위한 수평게이지가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 정밀 마찰 시험기.
  4. 제 1항에 있어서, 마찰력과 수직하중이 200Hz 이상의 저장속도로 실시간으로 도식화 및 저장될 수 있는 것을 특징으로 하는 정밀 마찰 시험기.
  5. 제 1항에 있어서, 최저 0.5mm/sec의 속도로 극저속 마찰특성을 평가할 수 있는 것을 특징으로 하는 정밀 마찰 시험기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 지지대 상에 밀폐 챔버를 더 구비함으로써 진공, 가스의 충전 및 온도조절이 가능한 것을 특징으로 하는 정밀 마찰 시험기.
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