KR20190075570A - 마찰 계수 산출 장치 - Google Patents

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주식회사 케이피에프
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Abstract

마찰 계수 산출 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 계수 산출 장치는, 너트와 와셔가 서로 접촉되도록 지지되는 지지부재; 지지부재가 삽입되는 관통공이 형성되어 관통공에 지지부재가 삽입되고, 지지부재에 의해 지지된 와셔가 접촉되는 장착대; 너트와 와셔 사이에 하중이 가해지도록 지지부재에 결합되어 지지부재에 하중을 제공하는 하중제공부재; 장착대에 결합되며, 너트와 와셔 사이에 하중이 가해지는 경우 지지부재의 축하중을 측정하는 하중센서; 너트에 결합되어 너트를 회전시키는 너트회전부재; 너트회전부재에 결합되어 너트 회전시의 토크를 측정하는 토크센서; 및 하중센서에서 측정된 하중과, 토크센서에서 측정된 토크로부터 너트와 와셔 사이의 마찰 계수를 산출하는 제어유닛을 포함한다.

Description

마찰 계수 산출 장치{APPARATUS FOR CALCULATING FRICTION COEFFICIENT}
본 발명은, 마찰 계수 산출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 볼트와, 너트와, 와셔의 각 부분에서의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있는 마찰 계수 산출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 각종 공구, 장치, 장비 등에서는 마찰력을 줄이고 쓸림 현상(Galling)을 방지하기 위해 윤활유를 사용하고 있다. 그리고, 볼트, 너트 및 와셔에도 윤활유가 사용된다. 윤활유는 표면 거칠기로 야기되는 볼트, 너트 및 와셔의 접촉을 방지하거나 줄여주는 장벽 역할을 하며, 낮은 전단응력으로 인해 윤활면 사이의 상대 운동을 용이하게 해주는 역할을 한다. 여기서, 볼트, 너트 및 와셔 사이의 가장 적합한 마찰 조건을 알기 위해서는 볼트와, 너트와, 와셔 사이의 마찰 계수를 정확하게 인식할 필요가 있다.
도 1은 일반적인 볼트와, 너트와, 와셔가 체결된 상태의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 볼트(1)가 너트(2)에 체결되고, 볼트(1)와 너트(2) 사이에 와셔(3)가 개재된다. 여기서, 너트(2)가 회전하면서 볼트(1)의 외측에 형성된 나사산(4)이 너트(2)의 내측에 형성된 나사선(미도시)에 결합되어 체결되는 경우 볼트(1)의 나사산(4)과 너트(2)의 나사산(미도시) 사이에 마찰이 발생한다. 또한, 너트(2)와 와셔(3)의 접촉면 사이에서도 마찰이 발생한다. 통상적으로 와셔(3)를 사이에 개재하여 볼트(1) 및 너트(2)가 체결되는 경우, 볼트(1), 너트(2) 및 와셔(3) 사이에서 발생되는 모든 마찰력을 100%로 가정하면, 볼트(1)의 나사산(4) 및 너트(2)의 나사산(미도시) 사이에서 대략 40% 정도의 마찰력이 발생하고, 너트(2) 및 와셔(3)의 접촉면 사이에서 대략 50% 정도의 마찰력이 발생하는 것으로 알려져 있다.
하지만, 도 1에서와 같이 종래 기술의 경우 볼트(1)와, 와셔(3)와, 너트(2)가 모두 체결된 상태에 마찰력이 측정되므로, 전술한 마찰력의 발생 비율, 즉, 볼트(1)의 나사산(4) 및 너트(2)의 나사산(미도시) 사이에서 대략 40% 및 너트(2) 및 와셔(3)의 접촉면 사이에서 대략 50%의 수치는, 면적, 체결힘 등의 여러 파라메터를 수학적 공식에 대입하여 이론적으로 계산한 값으로 추정값일 뿐이며, 볼트(1)의 나사산(4) 및 너트(2)의 나사산(미도시) 사이의 정확한 마찰력과, 너트(2) 및 와셔(3)의 접촉면 사이의 정확한 마찰력은 종래 기술에 의해서는 알 수가 없다.
여기서, 볼트, 너트 및 와셔 사이의 각각의 마찰 조건을 알기 위해서는 볼트(1)의 나사산(4) 및 너트(2)의 나사산(미도시) 사이의 정확한 마찰 계수와, 너트(2) 및 와셔(3)의 접촉면 사이의 정확한 마찰 계수를 각각 인식할 필요가 있고, 각각의 마찰 계수를 인식하기 위해서는 마찰 계수에 비례하는 각각의 마찰력을 알아야 한다. 즉, 각 부분의 마찰력을 통해 상기 각 부분의 마찰 계수를 알 수 있으며 이에 의해 적합한 마찰 조건 역시 알 수 있다. 하지만, 종래 기술의 경우 각 부분에서의 마찰력에 대한 이론적인 추정값만 알 수 있을 뿐이며, 각 부분에서의 정확한 마찰력 및 마찰 계수를 알 수 없다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 공개번호:제10-2006-0022875호(공개일자:2006년03월13일)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 너트 및 와셔의 접촉면 사이의 정확한 마찰 계수와, 볼트의 나사산 및 너트의 나사산 사이의 정확한 마찰 계수를 각각 산출할 수 있는 마찰 계수 산출 장치를 제공하는 것이다.
또한, 볼트, 와셔, 너트 사이의 각 부분에서의 정확한 마찰 계수를 산출하여 가장 적합한 마찰 조건을 인식하는데 사용될 수 있는 마찰 계수 산출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 너트와 와셔가 서로 접촉되도록 지지되는 지지부재; 상기 지지부재가 삽입되는 관통공이 형성되어 상기 관통공에 상기 지지부재가 삽입되고, 상기 지지부재에 의해 지지된 상기 와셔가 접촉되는 장착대; 상기 너트와 상기 와셔 사이에 하중이 가해지도록 상기 지지부재에 결합되어 상기 지지부재에 하중을 제공하는 하중제공부재; 상기 장착대에 결합되며, 상기 너트와 상기 와셔 사이에 하중이 가해지는 경우 지지부재의 축하중을 측정하는 하중센서; 상기 너트에 결합되어 상기 너트를 회전시키는 너트회전부재; 상기 너트회전부재에 결합되어 상기 너트 회전시의 토크를 측정하는 토크센서; 및 상기 하중센서에서 측정된 축하중과, 상기 토크센서에서 측정된 토크로부터 상기 너트와 상기 와셔 사이의 마찰 계수를 산출하는 제어유닛을 포함하는 마찰 계수 산출 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 지지부재는, 상기 너트에 형성된 너트 구멍과, 상기 와셔에 형성된 와셔 구멍에 삽입되는 지지축; 및 상기 지지축으로부터 연장형성되며, 상기 하중제공부재에 의해 상기 지지부재에 하중이 가해지는 경우 상기 너트에 접촉되어 상기 너트를 상기 장착대가 위치한 방향으로 가압하는 헤드를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 헤드와 상기 너트 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 상기 헤드와 상기 너트 사이에 개재되는 제1 베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지축에는 결합홈이 형성되고, 상기 하중제공부재에는 상기 결합홈에 결합될 수 있는 결합돌기가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 지지축은 측단면의 가장자리부가 직선 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 헤드는 상기 너트에 대응되는 형상으로 형성되고, 상기 헤드의 직경이 상기 너트의 맞변 거리보다 작게 마련될 수 있다.
그리고, 상기 장착대에는 상기 와셔가 안착될 수 있는 와셔안착부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지부재의 길이는 상기 장착대의 길이보다 길게 형성되며, 상기 지지부재는 상기 장착대의 관통공을 통과하여 상기 하중제공부재에 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 볼트가 삽입되는 관통공이 형성되어 상기 관통공에 상기 볼트가 삽입되고, 상기 볼트에 너트가 체결되어 상기 너트가 접촉되는 장착대; 상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산에 하중이 가해지도록 상기 볼트 헤드에 결합되어 상기 볼트에 하중을 제공하는 하중제공부재; 상기 장착대에 결합되며, 상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산 사이에 하중이 가해지는 경우 상기 볼트의 축하중을 측정하는 하중센서; 상기 너트에 결합되어 상기 너트를 회전시키는 너트회전부재; 상기 너트회전부재에 결합되어 상기 너트 회전시의 토크를 측정하는 토크센서; 및 상기 하중센서에서 측정된 축하중과, 상기 토크센서에서 측정된 토크로부터 상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산 사이의 마찰 계수를 산출하는 제어유닛을 포함하는 마찰 계수 산출 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 너트와 상기 장착대 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 상기 너트와 상기 장착대 사이에 개재되는 제2 베어링을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 하중제공부재에는 상기 볼트 헤드에 결합될 수 있는 결합돌기가 형성될 수 있다.
또한, 상기 볼트 헤드와 상기 너트는 상기 장착대를 중심으로 반대 방향에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 볼트없이 지지부재를 사용하여 너트 및 와셔의 접촉면 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 와셔없이 볼트와 너트만을 체결하여 볼트의 나사산 및 너트의 나사산 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 볼트, 와셔, 너트 사이의 각 부분에서의 정확한 마찰 계수를 산출하여 가장 적합한 마찰 조건을 인식하는데 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 볼트와, 너트와, 와셔가 체결된 상태의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 너트 및 와셔의 접촉면 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 분리도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
도 5는 도 4에서 너트와 와셔가 지지부재에 결합되어 있는 모습의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 볼트의 나사산 및 너트의 나사산 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 볼트와, 너트와, 와셔는 다양한 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 각종 볼트, 너트, 와셔를 포함하며, 볼트는 예를 들어, 핀테일과 브레이크 넥(노치)을 가진 TC 볼트일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 너트 및 와셔의 접촉면 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치의 개략적인 부분 단면도이고, 도 3은 도 2의 분리도이며, 도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이고, 도 5는 도 4에서 너트와 와셔가 지지부재에 결합되어 있는 모습의 부분 단면도이다.
마찰이란 어떤 물체가 다른 물체의 표면에 접하여 움직이려 하거나 운동을 하고 있을 때 그 접촉면에 운동을 방해하는 힘이 작용하는 현상을 의미하며, 이때 생기는 힘을 마찰력이라 한다. 여기서, 마찰력은 수직으로 가해지는 하중(수직항력, Normal Force)에 비례하는데, 이때의 비례상수를 마찰 계수라 한다. 이러한 관계를 F = μN 으로 나타낼 수 있으며, 여기서 F는 마찰력, N은 수직항력이며, 비례상수 μ가 마찰 계수이다. 즉, 마찰계수는 마찰력에 비례한다. 마찰 계수는 물질의 고유한 값은 아니며 주어진 시스템에 따라 달라지는데, 접촉면의 특성, 재질, 주변 환경 등에 의존하게 된다. 따라서, 볼트(830, 도 6 참조)와, 너트(810)와, 와셔(820) 사이 각 부분의 정확한 마찰 계수를 알 수 있다면 가장 적합한 형태의 마찰 조건을 인식할 수 있다.
이하에서는, 볼트(830)와, 너트(810)와, 와셔(820)의 체결시 대부분의 마찰력이 발생하는, (1) 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812) 사이와, (2) 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면 사이에서의 각각의 정확한 마찰 계수를 산출할 수 있는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 계수 산출 장치(10)에 대해 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 계수 산출 장치(10)는, 지지부재(100)와, 장착대(200)와, 하중제공부재(300)와, 하중센서(400)와, 너트회전부재(500)와, 토크센서(600)와, 제어유닛(700)을 포함한다.
지지부재(100)는 너트(810)와 와셔(820)를 지지한다. 여기서, 도 2 및 도 5를 참조하면, 너트(810)와 와셔(820)는 서로 접촉되도록 지지부재(100)에 결합된다. 지지부재(100)는 다양하게 제작되거나 형성될 수 있으며, 예를 들어, 지지축(110)과 헤드(120)로 구성될 수 있다. 이하, 지지축(110)과 헤드(120)에 대해 설명한다.
지지축(110)은 너트(810)에 형성된 너트 구멍(811)과 와셔(820)에 형성된 와셔 구멍(821)에 삽입될 수 있다. 도 2 및 도 5를 참조하면, 지지축(110)의 하나의 단부에 후술하는 헤드(120)가 형성되며, 먼저 너트(810)가 지지축(110)에 삽입되어 헤드(120) 방향으로 이동하고, 너트(810) 삽입 후 와셔(820)가 지지축(110)에 삽입되어 헤드(120) 방향으로 이동하며, 너트(810)와 와셔(820)는 지지축(110)에 각각 삽입된 상태에서 서로 접촉한다. 여기서, 너트(810)는 헤드(120) 방향으로 이동하여 헤드(120)에 접촉할 수도 있지만, 후술하는 너트회전부재(500)에 의해 너트(810)가 회전하면 너트(810)와 헤드(120) 사이에 마찰력이 발생될 수 있으므로 너트(810)와 헤드(120) 사이에 제1 베어링(840)이 개재되어 헤드(120)와 너트(810) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다. 본 실시예에서 관심의 대상은 너트(810)와 와셔(820) 사이의 마찰력이므로, 헤드(120)와 너트(810) 사이의 마찰은 가능한 최소화시키는 것이 바람직하다. 너트(810)와 헤드(120) 사이에 제1 베어링(840)이 반드시 개재되어야 하는 것은 아니지만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 너트(810)와 헤드(120) 사이에 제1 베어링(840)이 개재된 경우를 중심으로 설명한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 지지축(110)의 단부에는 결합홈(111)이 형성되어 하중제공부재(300)의 결합돌기(310)가 지지축(110)의 결합홈(111)에 결합되며, 하중제공부재(300)는 너트(810)와 와셔(820) 사이에 하중이 가해지도록 지지부재(100)에 힘을 제공한다. 하중제공부재(300)에 대한 상세한 설명은 후술한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 지지축(110)은 측단면의 가장자리부가 직선 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 지지축(110)에는 나사산이 형성되어 있지 않으며, 따라서 너트(810)는 지지축(110)에 체결될 수 없다. 지지부재(100)의 지지축(110)은 너트(810)와 와셔(820)를 지지하는 기능만을 가지므로, 너트(810)의 나사산(812)에서는 마찰력이 발생되지 않는다. 즉, 지지부재(100)를 사용하게 되면 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면에서의 마찰 계수만을 정확하게 산출할 수 있다.
헤드(120)는 지지축(110)의 단부로부터 연장형성된다. 헤드(120)는 지지축(110)과 일체로 제작될 수도 있고, 분리 제작된 후 지지축(110)에 용접 등에 의해 결합될 수도 있다. 헤드(120)는 하중제공부재(300)가 지지축(110)에 결합되어 하중을 제공하는 경우 제1 베어링(840)에 접촉되어 너트(810)를 장착대(200)가 위치한 방향, 즉 장착대(200)측으로 가압한다. 도 2에서와 같이, 예를 들어, 하중제공부재(300)가 지지축(110)에 결합된채 화살표 방향으로 힘을 제공하면, 헤드(120)가 제1 베어링(840)을 통해 너트(810)를 화살표 방향으로 가압한다. 즉, 헤드(120)와 하중제공부재(300) 사이에는 장착대(200)가 배치되어 있으므로, 헤드(120)가 도 2의 화살표 방향으로 힘을 받는 경우 너트(810)와, 너트(810)에 접촉된 와셔(820)는 헤드(120)와 장착대(200) 사이에서 가압된다. 이에 의해 일반적인 볼트와, 너트와, 와셔가 체결되었을 때 발생되는 축하중이 본 실시예의 너트(810)와 와셔(820)가 지지되어 있는 지지축(110)에서도 발생될 수 있다. 즉, 일반적인 볼트와, 너트와, 와셔의 체결에서는 볼트의 나사산이 너트의 나사산을 따라 이동하면서 힘을 받으므로 볼트의 축을 따라 축하중이 발생하지만, 본 실시예에서는 지지축(110)에 나사산이 형성되어 있지 않으므로 일반적인 방식으로는 지지축(110)에 축하중이 발생될 수 없다. 따라서, 하중제공부재(300)가 지지축(110)에 결합되어 소정 방향으로 힘을 제공하여 너트(810)와 와셔(820)가 지지된 지지축(110)에 축하중을 발생시킨다. 이에 의해, 볼트없이 너트(810)와 와셔(820)만 접촉된 경우에도 지지축(110)에 축하중이 발생되므로 일반적이 체결 조건과 동일한 조건을 만들 수 있으며, 따라서 정확한 마찰 계수의 산출이 가능해진다.
헤드(120)는 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 너트(810)에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 헤드(120)의 직경이 너트(810)의 맞변 거리(대변 거리, Width Across Flats)보다 작게 마련될 수 있다. 이는, 도 2에서와 같이 후술하는 너트회전부재(500)가 헤드(120)에 간섭되지 않으면서 너트(810)에 용이하게 결합되어 회전될 수 있도록 하기 위함이다. 다만, 헤드(120)의 직경이 너트(810)의 맞변 거리보다 큰 경우에도 너트회전부재(500)가 용이하게 너트(810)를 회전시킬 수 있다면, 헤드(120)의 직경이 너트(810)의 맞변 거리보다 크더라도 무방하다.
장착대(200)에는 지지부재(100)가 장착되고, 후술하는 하중센서(400)가 결합된다. 장착대(200)에는 관통공(210)이 형성되며, 지지부재(100)가 장착대(200)의 관통공(210)에 삽입된다. 여기서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 관통공(210)은 장착대(200)의 대략 중심부에서 가로방향으로 형성될 수 있다. 지지부재(100)의 지지축(110)은 헤드(120)와 장착대(200) 사이에 너트(810)와, 와셔(820)가 개재되도록 관통공(210)에 삽입된다. 여기서, 헤드(120)와 너트(810) 사이에는 제1 베어링(840)이 개재될 수 있다. 그리고, 너트(810)와 와셔(820)가 서로 접촉하고, 와셔(820)는 장착대(200)에 접촉하며, 제1 베어링(840)은 너트(810)와 헤드(120)에 접촉한다. 이 상태에서 하중제공부재(300)가 도 2의 화살표 방향으로 하중을 제공하면 너트(810)와 와셔(820) 사이에서 마찰력이 발생하고, 지지부재(100)의 지지축(110)에서는 축하중이 발생되는데, 상기 축하중은 후술하는 하중센서(400)에서 측정된다. 도 3을 참조하면, 장착대(200)에는 와셔(820)가 안착될 수 있는 와셔안착부(220)가 형성될 수 있다. 와셔안착부(220)에 의해 와셔(820)는 정확한 위치에서 장착대(200)에 안정적으로 접촉되어 하중을 받을 수 있다. 한편, 장착대(200)의 가로방향 길이는 지지부재(100)의 지지축(110)의 길이보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 지지부재(100)의 지지축(110)의 길이가 장착대(200)의 길이보다 길게 형성되며, 지지축(110)이 장착대(200)의 관통공(210)을 통과하여 장착대(200)를 중심으로 헤드(120)의 반대 방향에서 하중제공부재(300)에 결합될 수 있다.
하중제공부재(300)는 지지부재(100)에 하중을 제공한다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 참조하면, 하중제공부재(300)의 결합돌기(310)가 지지축(110)의 결합홈(111)에 결합되어 도 2의 화살표 방향으로 이동할 수 있으며, 이 경우 지지축(110)의 단부로부터 연장형성된 헤드(120) 역시 화살표 방향으로 힘을 받으므로 헤드(120)가 제1 베어링(840)에 접촉되어 너트(810)를 장착대(200)가 위치한 방향, 즉 장착대(200)측으로 가압한다. 그리고, 너트(810)에 접촉된 와셔(820)가 장착대(200)의 와셔안착부(220)에 안착되며 와셔(820) 역시 장착대(200)측으로 힘을 받는다. 이에 의해, 너트(810)와 와셔(820) 사이에 마찰력이 발생될 수 있다.
하중센서(400)는 장착대(200)에 결합되어 너트(810)와 와셔(820) 사이에 하중이 가해지는 경우 지지부재(100)의 지지축(110)의 축하중을 측정한다. 하중센서(400)는 예를 들어 로드셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 로드셀이 장착대(200)에 장착되며 하중제공부재(300)에 결합된 지지부재(100)의 지지축(110)에 의해 너트(810)와 와셔(820) 사이에 하중이 가해지는 경우 지지축(110)의 축하중을 측정한다. 이와 같이, 너트(810)와 와셔(820)가 볼트(830)에 결합되지 않은 경우에도 축하중의 측정이 가능하다.
너트회전부재(500)는 너트(810)에 결합되어 너트(810)를 회전시킨다. 일반적으로, 볼트가 너트에 체결되는 경우 너트가 회전하면서 볼트에 체결되므로 축하중뿐만 아니라 토크도 발생된다. 이와 같이 볼트와 너트의 체결시에 발생되는 토크를 생성하기 위해, 너트회전부재(500)가 너트(810)를 회전시킨다. 즉, 하중제공부재(300)에 의해 너트(810)와 와셔(820)가 접촉된 상태에서 지지부재(100)의 지지축(110)에 축하중이 발생될 뿐만 아니라, 너트회전부재(500)에 의해 너트(810)가 회전하므로 토크도 발생된다. 즉, 너트(810)와 와셔(820)가 볼트(830)에 체결되지 않은 상태에서도, 너트(810)와 와셔(820)가 볼트(830)에 체결된 상태와 마찬가지로 축하중과 토크가 발생되며, 이에 의해, 너트(810)와 와셔(820)가 볼트(830)에 체결될 때와 동일한 상태를 제공하여 정확한 마찰 계수를 산출할 수 있다. 너트회전부재(500)는 모터(M)와 같은 동력원에 결합되어 회전하도록 마련될 수 있으며, 모터(M)는 다양한 종류의 각종 모터(M)가 사용될 수 있다. 너트회전부재(500)는 다양한 방식으로 너트(810)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 너트회전부재(500)는, 도 2에서와 같이 'ㄷ'자 또는 육각 소켓 형상의 지그를 포함할 수 있으며 'ㄷ'자 또는 육각 소켓 형상의 지그가 너트(810)의 둘레에 결합되어 회전하도록 마련될 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이, 헤드(120)의 직경이 너트(810)의 맞변 거리보다 작게 형성될 수 있으므로 도 2에서와 같이 'ㄷ'자 또는 육각 소켓 형상의 지그가 너트(810)의 둘레에 결합되더라도 'ㄷ'자 형상 또는 육각 소켓의 지그와 헤드(120)가 간섭되거나 충돌하지 않는다.
토크센서(600)는 너트회전부재(500)에 결합되어 너트(810) 회전시의 토크를 측정한다. 토크센서(600)는 예를 들어 토크셀을 포함할 수 있다. 토크센서(600)는 다양한 방식으로 너트회전부재(500)에 결합될 수 있으며, 예를 들어 도 2에서와 같이 모터(M)와 너트회전부재(500)에 사이에 개재되어 모터(M)와 너트회전부재(500)에 각각 결합될 수 있다.
제어유닛(700)은 하중센서(400)에서 측정된 축하중과, 토크센서(600)에서 측정된 토크로부터 너트(810)와 와셔(820) 사이의 마찰 계수를 산출한다. 제어유닛(700)은 각종 컴퓨터 등의 연산 장치일 수 있으며, 이미 알려진 연산 방식에 의해 측정 하중과 측정 토크로부터 너트(810)와 와셔(820) 사이의 마찰 계수를 산출한다. 이미 알려진 연산 방식은 아래의 수식일 수 있다. 다만, 아래 수식은 하나의 예시일 뿐이며, 측정 하중과 측정 토크로부터 너트(810)와 와셔(820) 사이의 마찰 계수를 산출하는 방식은 보다 다양할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
[여기서, T : 전체 토크, F : 체결축력, P : 볼트(830)/너트(810) 나사피치,
Figure pat00004
: 볼트(830)/너트(810) 나사부 각도, d2 : 볼트(830)/너트(810) 나사부 유효경 지름, Db : 볼트(830)/너트(810) 머리부 평균 지름, Th : 볼트(830)/너트(810) 머리부 토크, Tth : 볼트(830)/너트(810) 나사부 토크]
상기 수식은 후술하는 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 산출하는 수식도 포함되어 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치(10)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 지지부재(100)의 지지축(110)에 제1 베어링(840)과, 너트(810)와, 와셔(820)가 순차적으로 삽입되며, 지지부재(100)의 헤드(120)와 너트(810) 사이에 제1 베어링(840)이 개재되고, 너트(810)와 와셔(820)가 접촉한다. 이 상태에서 도 2를 참조하면, 지지부재(100)의 지지축(110)이 장착대(200)의 관통공(210)에 삽입되어 통과 후 하중제공부재(300)에 결합된다. 도 2에서와 같이 하중제공부재(300)의 결합돌기(310)가 지지축(110)의 결합홈(111)에 결합되어 화살표 방향으로 지지축(110)에 힘을 가하면 너트(810)와 와셔(820) 사이에 하중이 가해져 너트(810)와 와셔(820) 사이에 마찰력이 발생한다. 그리고, 너트(810)와 와셔(820) 사이에 하중이 가해지는 경우 장착대(200)에 결합된 하중센서(400)에서 와셔(820)와 너트(810)가 결합된 지지축(110)의 축하중을 측정할 수 있다. 그리고, 너트회전부재(500)가 너트(810)에 결합되어 너트(810)를 회전시키면 너트회전부재(500)에 결합된 토크센서(600)가 너트(810) 회전시의 토크를 측정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 측정된 축하중과 토크로부터 제어유닛(700)은 너트(810)와 와셔(820) 사이의 마찰 계수를 산출할 수 있다.
이에 의해, 볼트없이 지지부재(100)를 사용하여 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다. 한편, 볼트(830)와 너트(810)만을 체결하여 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출하는 실시예에 대해서는 후술한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 볼트의 나사산 및 너트의 나사산사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치의 개략적인 부분 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치(10)의 작용 및 효과에 대해 설명하되, 전술한 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면 사이의 마찰 계수를 산출하는 마찰 계수 산출 장치(10)에서 설명한 내용과 공통되는 부분은 전술한 설명으로 대체한다.
도 6을 참조하면, 와셔없이 볼트(830)와 너트(810)만이 체결되어 있으며, 전술한 너트(810) 및 와셔(820)의 접촉면 사이의 마찰 계수를 산출하는 실시예에서 필요했던 지지부재(100)는, 본 실시예에서는 불필요하다.
도 6을 참조하면, 볼트(830)가 장착대(200)의 관통공(210)에 삽입되며, 볼트 헤드(831)는 하중제공부재(300)에 결합되고 볼트 헤드(831)의 반대측은 장착대(200)를 통과하여 너트(810)에 체결된다. 즉, 볼트 헤드(831)와 너트(810)는 장착대(200)를 중심으로 서로 반대 방향에 위치한다. 그리고, 볼트(830)에 체결된 너트(810)는 장착대(200)에 접촉된다. 여기서, 너트(810)와 장착대(200) 사이의 마찰을 감소시키기 위해 너트(810)와 장착대(200) 사이에는 제2 베어링(850)이 개재될 수 있다. 하중제공부재(300)는 도 6의 화살표 방향으로 힘을 제공하며, 이에 의해, 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812)에 하중이 가해져 볼트(830)의 나사산(832)과 너트(810)의 나사산(812) 사이에 마찰력이 발생한다. 여기서, 하중제공부재(300)에는 볼트 헤드(831)에 결합될 수 있는 결합돌기(310)가 형성될 수 있다. 그리고, 장착대(200)에 결합된 하중센서(400)는 볼트(830)의 나사산(832)과 너트(810)의 나사산(812)에 하중이 가해지는 경우 볼트(830)의 축하중을 측정한다. 그리고, 너트회전부재(500)는 너트(810)에 결합되어 너트(810)를 회전시키고 토크센서(600)는 너트회전부재(500)에 결합되어 너트(810) 회전시의 토크를 측정한다. 그리고, 제어유닛(700)은 하중센서(400)에서 측정된 축하중과, 토크센서(600)에서 측정된 토크로부터 볼트(830)의 나사산(832)과, 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 산출한다.
즉, 와셔없이 볼트(830)와 너트(810)만을 체결하여 볼트(830)의 나사산(832) 및 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마찰 계수 산출 장치(10)에 의하면, 전술한 바와 같이, 볼트없이 너트(810)와 와셔(820)가 지지부재(100)에 결합되어 너트(810)와 와셔(820)의 접촉면 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있고, 또한, 와셔없이 볼트(830)와 너트(810)만을 체결하여 볼트(830)의 나사산(832)과 너트(810)의 나사산(812) 사이의 마찰 계수를 정확하게 산출할 수 있으므로, 볼트(830), 와셔(820), 너트(810) 사이의 각 부분에서의 정확한 마찰 계수를 산출하여 가장 적합한 마찰 조건을 인식할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 마찰 계수 산출 장치 100 : 지지부재
110 : 지지축 111 : 결합홈
120 : 헤드 200 : 장착대
210 : 관통공 220 : 와셔안착부
300 : 하중제공부재 310 : 결합돌기
400 : 하중센서 500 : 너트회전부재
600 : 토크센서 700 : 제어유닛
810 : 너트 811 : 너트 구멍
812 : 너트의 나사산 820 : 와셔
821 : 와셔 구멍 830 : 볼트
831 : 볼트 헤드 832 : 볼트 나사산
840 : 제1 베어링 850 : 제2 베어링

Claims (12)

  1. 너트와 와셔가 서로 접촉되도록 지지되는 지지부재;
    상기 지지부재가 삽입되는 관통공이 형성되어 상기 관통공에 상기 지지부재가 삽입되고, 상기 지지부재에 의해 지지된 상기 와셔가 접촉되는 장착대;
    상기 너트와 상기 와셔 사이에 하중이 가해지도록 상기 지지부재에 결합되어 상기 지지부재에 하중을 제공하는 하중제공부재;
    상기 장착대에 결합되며, 상기 너트와 상기 와셔 사이에 하중이 가해지는 경우 지지부재의 축하중을 측정하는 하중센서;
    상기 너트에 결합되어 상기 너트를 회전시키는 너트회전부재;
    상기 너트회전부재에 결합되어 상기 너트 회전시의 토크를 측정하는 토크센서; 및
    상기 하중센서에서 측정된 축하중과, 상기 토크센서에서 측정된 토크로부터 상기 너트와 상기 와셔 사이의 마찰 계수를 산출하는 제어유닛을 포함하는 마찰 계수 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는,
    상기 너트에 형성된 너트 구멍과, 상기 와셔에 형성된 와셔 구멍에 삽입되는 지지축; 및
    상기 지지축으로부터 연장형성되며, 상기 하중제공부재에 의해 상기 지지부재에 하중이 가해지는 경우 상기 너트에 접촉되어 상기 너트를 상기 장착대가 위치한 방향으로 가압하는 헤드를 포함하는 마찰 계수 산출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 헤드와 상기 너트 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 상기 헤드와 상기 너트 사이에 개재되는 제1 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지축에는 결합홈이 형성되고, 상기 하중제공부재에는 상기 결합홈에 결합될 수 있는 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지지축은 측단면의 가장자리부가 직선 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 헤드는 상기 너트에 대응되는 형상으로 형성되고, 상기 헤드의 직경이 상기 너트의 맞변 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장착대에는 상기 와셔가 안착될 수 있는 와셔안착부가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재의 길이는 상기 장착대의 길이보다 길게 형성되며, 상기 지지부재는 상기 장착대의 관통공을 통과하여 상기 하중제공부재에 결합되는 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  9. 볼트가 삽입되는 관통공이 형성되어 상기 관통공에 상기 볼트가 삽입되고, 상기 볼트에 너트가 체결되어 상기 너트가 접촉되는 장착대;
    상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산에 하중이 가해지도록 상기 볼트 헤드에 결합되어 상기 볼트에 하중을 제공하는 하중제공부재;
    상기 장착대에 결합되며, 상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산 사이에 하중이 가해지는 경우 상기 볼트의 축하중을 측정하는 하중센서;
    상기 너트에 결합되어 상기 너트를 회전시키는 너트회전부재;
    상기 너트회전부재에 결합되어 상기 너트 회전시의 토크를 측정하는 토크센서; 및
    상기 하중센서에서 측정된 축하중과, 상기 토크센서에서 측정된 토크로부터 상기 볼트의 나사산 및 상기 너트의 나사산 사이의 마찰 계수를 산출하는 제어유닛을 포함하는 마찰 계수 산출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 너트와 상기 장착대 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 상기 너트와 상기 장착대 사이에 개재되는 제2 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 하중제공부재에는 상기 볼트 헤드에 결합될 수 있는 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 볼트 헤드와 상기 너트는 상기 장착대를 중심으로 반대 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 마찰 계수 산출 장치.

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