KR20060089295A

KR20060089295A - 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기

Info

Publication number: KR20060089295A
Application number: KR1020050009891A
Authority: KR
Inventors: 류승훈; 이해무
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-09

Abstract

본 발명은 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기에 관한 것으로서, 시험시에 축방향 하중이 가해지는 박판시편을 측방에서 지지하도록 된 좌굴방지 가이드가 구비됨으로써, 박판시편이 압축하중에 의해 측방향으로 휘는 현상, 즉 좌굴의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 박판시편을 대상으로 보다 정확한 피로시험 데이터를 확보할 수 있는 피로시험기에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 의하면, 인장 및 피로물성 DB 확보를 통한 내구해석 기술의 신뢰성 향상이 기대되고, 단품 내구시험 스펙 설정을 위한 기초 자료 확보가 가능해지며, 부품의 최적 설계 및 경량화가 가능해짐은 물론 경량화를 위한 대체재 적용에 대한 적극적인 대응이 가능해진다.

피로시험기, 박판시편, 좌굴방지, 가이드

Description

박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기{Fatigue tester having anti-buckling guide for thin sheet specimens}

도 1은 본 발명에 따른 피로시험기를 도시한 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드를 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드에 시편이 결합된 상태를 도시한 사시도,

도 4a는 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드를 도시한 정면도,

도 4b는 도 4a의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 피로시험기에서 좌굴방지 가이드를 이용하여 시편이 장착된 상태를 도시한 요부 사시도,

도 6은 본 발명의 피로시험기에 사용되는 박판시편의 형상을 예로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 피로시험기 2 : 박판시편

14 : 그립부 15 : 어퍼 그립

16 : 로어 그립 25 : 좌굴방지 가이드

26 : 가이드 부재 27 : 메인부

28 : 체결부 28a : 체결홀

29a : 볼트 29b : 너트

31 : 가이드 패드

본 발명은 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시험시에 축방향 하중이 가해지는 박판시편을 측방에서 지지하도록 된 좌굴방지 가이드가 구비됨으로써, 박판시편이 압축하중에 의해 측방향으로 휘는 현상, 즉 좌굴의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 박판시편을 대상으로 보다 정확한 피로시험 데이터를 확보할 수 있는 피로시험기에 관한 것이다.

오늘날 자동차 산업의 당면과제로는 개발기간 단축, 원가 절감, 경량화 등을 들 수 있으며, 차량 개발의 초기단계에서 내구해석을 통한 차량 내구력 검증이 필수화되어 있다.

또한, 내구해석 기술의 향상을 위한 당면과제로, 내구해석 평가기술의 신뢰성 부족으로 정량적인 내구수명 예측이 어렵고, 그 중에서도 재료의 정확한 인장 및 피로특성 데이터가 없어서 내구수명 예측이 어렵기 때문에, 정확한 금속재료의 역학특성(인장 및 피로특성) 평가가 선행되어져야 한다.

한편, 실제 기계나 구조물은 단순 하중을 받기보다는 반복되는 응력 또는 변형을 받아서 파괴를 일으키며, 이처럼 반복 하중 또는 진동을 받고 생기는 파괴를 피로파괴라 한다.

통상 피로파괴는 단순 하중을 받고 일어나는 파괴에 필요한 응력보다 낮은 응력상태에서 장시간 사용한 후에 일어나는 것이 보통이다.

피로는 자동차에서 빈번히 발생되는 파괴로서, 특별한 경고 없이 큰 변형이 수반되지 않는 상태에서 갑자기 일어나는 까닭에 파괴학적인 중요성이 더욱 크다고 할 수 있겠다.

따라서, 어떤 재료를 부품 소재로 적용하기 위해서는 피로파괴까지의 수명을 예측하기 위한 시험이 필수적으로 선행되어야 하는 것이다.

재료의 피로시험은 일반적으로 단면이 원형 또는 사각형인 평행부를 갖는 규정된 형상과 치수의 시험편을 그 축의 방향으로 파단이 일어날 때까지 서서히 인장하중을 가하면서 하중과 변형을 측정하는 시험이다.

피로특성을 구하기 위한 피로시험을 실시함에 있어서, 원형 또는 사각형 단면을 가지는 시편을 사용하는 경우에는 반복시험을 하여도 좌굴이 잘 일어나지 않기 때문에 시험을 하는 것이 그리 어렵지 않다.

그러나, 자동차 차체의 경우 잘 알려진 바와 같이 박판으로 이루어져 있으며, 이에 따라 원형 단면봉의 시편을 이용하여 구한 피로특성을 사용하는 경우에는 차체 피로 해석시에 오차가 있을 수 있고, 피로수명의 정량적인 판단이 어렵게 된다.

특정 재료의 부품을 설계하기 위해서는 그 재료를 사용한 매우 많은 수의 시편에 대해 피로시험을 실시하여 데이터를 축적해야 하고, 무엇보다도 신뢰성 있는 데이터의 확보가 중요하다.

그럼에도 불구하고, 아직까지 박판시편을 사용하여 피로특성을 구하는 시험이 정례화된 것이 없으며, 인장하중과 압축하중이 특정 주기로 반복 부여되는 피로시험에 있어서 시험 대상이되는 시편이 박판으로 이루어져 있기 때문에, 압축하중에 의한 좌굴이 발생하여 피로특성 곡선을 구하기가 힘든 실정이다.

이에, 박판시편의 사용이 가능하도록 하면서 이를 대상으로 정확한 피로시험 데이터를 확보하기 위한 방안이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 시험시에 축방향 하중이 가해지는 박판시편을 측방에서 지지하도록 된 좌굴방지 가이드가 구비됨으로써, 박판시편이 압축하중 부여시 측방향으로 휘는 현상, 즉 좌굴의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 박판시편을 대상으로 보다 정확한 피로시험 데이터를 확보할 수 있는 피로시험기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 시편 양단을 잡아주어 정위치에 고정하는 어퍼 그립(15) 및 로어 그립(16)을 포함하여 구성되고, 상기 그립(15,16)에 의해 고정된 시편에 축방향 하중을 부여하여 피로특성을 시험하는 피로시험기(1)에 있어서,

박판시편(2)을 가운데에 개재한 상태로 하여 상호 결합되는 2개 한 쌍의 금속재 가이드 부재(26)로 구성되고, 상호 결합된 상태에서 축방향 하중이 부여된 박판시편(2)의 면을 슬립 가능한 상태로 측방 지지하여 박판시편(2)의 휨 발생을 방지하도록 된 좌굴방지 가이드(25)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 좌굴방지 가이드(25)의 각 가이드 부재(26)는 상대 가이드 부재와의 사이에 개재된 박판시편(2)을 지지하게 되는 중앙의 메인부(27)와, 이 메인부(27)의 상단과 하단에 각각 측방으로 돌출 형성되고 상대 가이드 부재와의 결합을 위한 체결부(28)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 부재(26)의 각 체결부(28)에 체결홀(28a)이 형성 구비되어, 상기 양측의 가이드 부재(26)가 상호 대응되는 체결부(28)의 체결홀(28a)에 삽입된 볼트(29a) 및 이 볼트(29a)에 체결된 너트(29b)에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 부재(32)에서 박판시편(2)을 지지하게 되는 안쪽면에 박판시편(2)의 면과 슬립 가능하게 접촉되는 마찰저감용 가이드 패드(31)가 부착된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 피로시험기를 도시한 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드에 시편이 결합된 상태를 도시한 사시도이다.

또한, 첨부한 도 4a는 본 발명에 따른 피로시험기의 좌굴방지 가이드를 도시한 정면도이고, 도 4b는 도 4a의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.

또한, 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 피로시험기에서 좌굴방지 가이드를 이용하여 시편이 장착된 상태를 도시한 요부 사시도이며, 도 6은 본 발명의 피로시험기에 사용되는 박판시편의 형상을 예로 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 피로시험기(1)는 박판시편용 좌굴방지 가이드(25)를 포함하는 것이며, 나머지 각 구성은 종래와 동일하므로 주요 구성에 대한 설명을 간단히 기술하기로 한다.

인장하중과 압축하중이 특정 주기로 반복 부여되는 피로시험에 있어서, 상기 좌굴방지 가이드(25)는 특히 압축하중 부여시에 박판시편을 축방향으로 눌렀을 때 측방향 휨, 즉 좌굴이 발생하지 않도록 박판시편을 측방 지지하면서 잡아주는 구성요소이다.

우선, 도 1을 참조하여 각 구성부에 대해 설명하면, 상이한 길이의 시편(2)이 이용될 수 있도록 상측의 크로스헤드(crosshead;12)가 본체(10) 좌우 양쪽에 수직 설치된 컬럼(column;11)을 따라 상하 이동될 수 있게 장착되며, 이 크로스헤드(12)는 시험시에 상하 이동되어 시편(2)의 길이에 맞게 높이가 조절될 수 있도록 되어 있다.

또한, 크로스헤드(12)의 상하 이동을 위하여 크로스헤드를 승/하강시키기 위한 유압 리프트(hydraulic crosshead lift;13)가 좌우 양쪽에 수직 설치되어 상단이 크로스헤드(12)와 연결된다.

그리고, 장치 중앙에는 시험 동안에 시편(2) 양단을 잡아주어 정위치에 고정하는 그립부(14)가 장착되며, 이 그립부(14)는 시편(2) 상단을 잡아주는 어퍼 그립(upper grip;15)과, 시편(2) 하단을 잡아주는 로어 그립(lower grip;16)을 포함한 구성으로 되어 있다.

도 1에는 유압작동식의 그립부가 도시되어 있으나, 시편을 고정하기 위하여 유압작동식이 아닌 여러 종류의 장치가 채용될 수 있다.

또한, 본체(10) 내에는 유압 리프트(13)에 의한 크로스헤드(12)의 승/하강을 제어하면서 유압 록(hydraulic locks)으로 장치에 대해 록킹(locking)/언록킹(unlocking) 제어를 수행하는 컨트롤 모듈(17)이 내장되며, 이 컨트롤 모듈(17)에는 유압을 즉시 해제할 수 있도록 비상스톱 스위치(emergency stop switch) 등이 구비된다.

또한, 본체(10) 내에 유압게이지 등이 구비되어 있으면서 그립부(14)의 클램핑(clamping)/언클램핑(unclamping) 제어를 수행하는 그립 컨트롤 모듈(18)이 내장된다.

또한, 진동 차단을 위한 차단 패드(isolation pad;19)가 장치와 바닥 사이에 개재된다.

도 1에서 도면부호 21과 22는 통상의 피로시험기에 장착되는 하중 측정을 위 한 포스센서(force sensor;하중센서)와 백 래쉬 제거 및 다른 부품의 피로 방지를 위한 스파이럴 워셔(spiral washer)를 각각 나타내며, 도면부호 23과 24는 커넥터 스터드(connector stud)와 축방향 하중을 부여하는 액튜에이터(예, 인장 및 압축하중 반복)를 각각 나타낸다.

위에서 언급한 피로시험기(1)의 각 구성요소는 이미 공지된 구성요소이다.

한편, 본 발명의 피로시험기(1)에서 추가 구비되는 좌굴방지 가이드(25)는 도 2에 도시한 바와 같이 2개 한 쌍의 금속재 가이드 부재(26)로 구성되며, 도 3에 도시한 바와 같이 두 가이드 부재(26)가 박판시편(2)을 가운데에 개재한 상태로 상호 결합된다.

상기 각 가이드 부재(26)는 도 2, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이 상대 가이드 부재와의 사이에 개재된 박판시편(2)을 지지하게 되는 중앙의 메인부(27)와, 이 메인부(27)의 상단과 하단에 각각 양 측방으로 돌출 형성되어 상대 가이드 부재와의 결합을 위한 체결부(28)로 구성된다.

도 2를 참조하면, 각 가이드 부재(26)에서 메인부(27)의 상단과 하단에 좌우 양 측방으로 돌출된 구조의 체결부(28)가 각각 2개씩 총 4개가 형성되어 있음을 볼 수 있다.

상기 두 가이드 부재(26)는 박판시편(2)을 개재한 상태에서 체결부(28)를 상대 가이드 부재의 체결부와 체결수단을 이용하여 체결함으로써 박판시편에 조립 및 장착되도록 되어 있다.

상기 체결수단의 예로서, 볼트(29a) 및 너트(29b)의 사용이 가능하며, 볼트 및 너트의 사용을 위하여 상기 각 체결부(28)에는 볼트(29a)가 삽입되는 체결홀(28a)이 형성 구비된다.

그리고, 상기 가이드 부재(26)에서 박판시편(2)을 지지하게 되는 면, 즉 박판시편(2)의 면이 접촉하게 되는 안쪽면에는 마찰저감용 가이드 패드(31)가 부착된다.

이 가이드 패드(31)는 시편(2)과 가이드(25)간에 마찰저항을 줄이는 역할을 하는 것으로, 시험시에 박판시편(2)을 슬립 가능한 상태로 직접 접촉 지지하는 부분이 되며, 상기 가이드 패드(31)로는 테플론(Teflon;Polytetrafluoroethylene)을 재질로 하여 제작된 것이 사용 가능하다.

상기와 같이 이루어진 좌굴방지 가이드(25)를 시편(2)에 조립하는데 있어서, 두 가이드 부재(26) 사이에 박판시편(3)을 위치시킨 뒤 상호 대응되는 체결부(28)끼리 볼트(29a) 및 너트(29b)로 체결하게 되는데, 볼트(29a)를 대응되는 양측 체결부(28)의 체결홀(28a)에 삽입한 후 반대쪽에서 너트(29b)를 상기 볼트(29a)에 체결한다.

이때, 시편(2) 앞뒤로 위치하는 두 가이드 부재(26)가 시편(2)을 강하게 압착하는 형태로 조립되는 것은 아니며, 단순히 시험시 압축하중에 의해 좌굴이 발생되지 않도록 시편을 측방 지지하는 형태가 될 수 있도록 한다.

즉, 가이드 부재(26)가 장착됨으로 해서 시험에 영향을 주는 것을 배제하기 위하여, 시편(2)과의 조립시에 상기 볼트(29a) 및 너트(29b)의 조임력에 의해 두 가이드 부재(26)가 시편(2)을 압착하지 않도록 하고, 시편(2)이 가이드 부재(26)로 부터 하중을 받지 않도록 시험시에 좌굴방지 가이드가 시편에서 흘러내리지 않을 정도로만 가이드 패드(31)가 시편(2)을 살짝 눌러주는 상태가 되도록 조립하며, 시편(2)에 인장 및 압축하중을 부여할 경우 시편(2)의 면과 가이드 패드(31)의 면간에 슬립 발생 가능하도록 조립한다.

한편, 도 6과 다음의 표 1은 본 발명에 따른 피로시험기의 시험시에 사용 가능한 박판시편(2)의 규격을 일 예로서 나타낸 것이다.

상기와 같이 시편(2)에 좌굴방지 가이드(25)가 장착된 상태에서 시편(2)의 상단을 어퍼 그립(15)에 고정하고, 시편(2)의 하단은 로어 그립(16)에 고정하며, 시험시 축방향 하중, 특히 압축하중이 부여될 때 시편(2)은 상기 좌굴방지 가이드(25)에 의해 측방향 휨 발생이 방지될 수 있게 된다.

도 5에서 도면부호 32는 어퍼 그립(15)과 로어 그립(16)의 대향면에 장착되는 'ㄱ'자 형상의 별도 가이드 부재로서, 이는 축방향 하중이 가해질 때 박판시편(2)을 측방에서 별도 지지하는 부재이며, 볼트(33)에 의해 어퍼 그립(15)의 하부면과 로어 그립(16)의 상부면에 각각 장착된다.

즉, 상기 각 'ㄱ'자 가이드 부재(32)에는 슬롯(32a)이 형성 구비되어 있으며, 각 'ㄱ'자 가이드 부재(32)가 상기 슬롯(32a)을 통해 볼트(33)로 체결되는데, 슬롯(32a)에 볼트(33)의 몸체가 관통 삽입되어 어퍼 그립(15)의 하부면 및 로어 그립(16)의 상부면에 체결됨으로써 고정된다.

도 5에서 화살표는 인장시의 하중방향을 나타낸다.

이하, 상기한 본 발명의 피로시험기(1)를 이용하여 실시하는 시험의 절차를 설명하면 다음과 같다.

우선, 해당 규격(도 6 참조)에 따라 박판시편(2)을 가공하고, 가공된 시편의 치수를 측정한다.

이후, 토크 드라이버를 이용하여 박판시편(2)에 좌굴방지 가이드(25)를 장착하고, 시험조건에 적합하도록 시험기를 세팅하며, 시편(2)이 하중을 받지 않도록 하면서 좌굴방지 가이드(25)가 장착된 시편(2)을 시험기(1)에 설치한다(도 3 및 도 5 참조).

이후, 변형률 제어 피로시험을 시작한다.

이때, 설정된 파손기준(failure criteria)에 도달할 때까지 변형률 제어 피로시험을 계속하며, 시험 완료 후 결과를 해석한다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 피로시험기(1)에 따르면, 시험시에 박판시편(2)을 측방에서 지지하도록 된 좌굴방지 가이드(25)가 구비됨으로써, 압축하중이 부여될 때 박판시편(2)의 좌굴 발생을 방지할 수 있게 되고, 따라서 박판시편(2)을 대상으로 한 정확한 피로시험 데이터를 확보할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기에 의하면, 시험시에 축방향 하중이 가해지는 박판시편을 측방에서 지지하도록 된 좌굴방지 가이드가 구비됨으로써, 박판시편이 압축하중 부여시 측방향으로 휘는 현상, 즉 좌굴의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 박판시편을 대상으로 보다 정확한 피로시험 데이터를 확보할 수 있는 효과가 있게 된다.

결국, 인장 및 피로물성 DB 확보를 통한 내구해석 기술의 신뢰성 향상이 기대되고, 단품 내구시험 스펙 설정을 위한 기초 자료의 확보가 가능해지며, 부품의 최적 설계 및 경량화가 가능해짐은 물론 경량화를 위한 대체재 적용에 대한 적극적인 대응이 가능해진다.

Claims

시편 양단을 잡아주어 정위치에 고정하는 어퍼 그립(15) 및 로어 그립(16)을 포함하여 구성되고, 상기 그립(15,16)에 의해 고정된 시편에 축방향 하중을 부여하여 피로특성을 시험하는 피로시험기(1)에 있어서,

박판시편(2)을 가운데에 개재한 상태로 하여 상호 결합되는 2개 한 쌍의 금속재 가이드 부재(26)로 구성되고, 상호 결합된 상태에서 축방향 하중이 부여된 박판시편(2)의 면을 슬립 가능한 상태로 측방 지지하여 박판시편(2)의 휨 발생을 방지하도록 된 좌굴방지 가이드(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기.
청구항 1에 있어서,

상기 좌굴방지 가이드(25)의 각 가이드 부재(26)는 상대 가이드 부재와의 사이에 개재된 박판시편(2)을 지지하게 되는 중앙의 메인부(27)와, 이 메인부(27)의 상단과 하단에 각각 측방으로 돌출 형성되고 상대 가이드 부재와의 결합을 위한 체결부(28)로 구성되는 것을 특징으로 하는 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기.
청구항 2에 있어서,

상기 가이드 부재(26)의 각 체결부(28)에 체결홀(28a)이 형성 구비되어, 상기 양측의 가이드 부재(26)가 상호 대응되는 체결부(28)의 체결홀(28a)에 삽입된 볼트(29a) 및 이 볼트(29a)에 체결된 너트(29b)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가이드 부재(32)에서 박판시편(2)을 지지하게 되는 안쪽면에 박판시편(2)의 면과 슬립 가능하게 접촉되는 마찰저감용 가이드 패드(31)가 부착된 것을 특징으로 하는 박판시편용 좌굴방지 가이드를 구비한 피로시험기.