KR910002648B1

KR910002648B1 - 점탄성 물질의 시험방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR910002648B1
Application number: KR1019880012936A
Authority: KR
Inventors: 딘 매스터스 토마스; 어거스틴 폴오스키 헨리
Original assignee: 몬산토 캄파니; 아놀드 하비콜
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1991-04-27
Also published as: KR890007067A; EP0313540A1; US4794788A; EP0313540B1; JPH01116436A; DE3888083T2; DE3888083D1; JP2735583B2; CA1317123C

Abstract

내용 없음.

Description

점탄성 물질의 시험방법 및 그 장치

제1도는 진동의 일 싸이클에 있어서의 복합탕성계수(S^*) 및 이의 구성분인 축적 탄성계수(S')와 손실 탄성계수(S")에 의하여 표시된 곡선의 그래프.

제2도는 본 발명의 시험장치를 개략적으로 나타낸 사시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 회전축 4 : 디스크

5,6 : LED 포토다이오드 7 : 타원공

8 : 연결판 10 : 편심안,

14,16 : 하, 상측다이 13,18 : 하, 상부축,

15 : 시료 17 : 톨크 변환기

본 발명은 점탄성 물질의 탄성변형의 특성을 측정하기 위한 시험방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것으로, 특히 점탄성 물질의 축적 탄성계수, 손실 탄성계수 또는 양 탄성계수의 값을 측정하기 위한 방법 및 이러한 값을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

고무와 같은 점탄성 물질의 변형에 대한 탄성은 금속 스프링 또는 액체에 비하여 그리 간단한 것은 아니며, 고무는 금속 스프링과 물과 같은 액체와의 사이에 존재하는 탄성을 가진 것이다.

금속 스프링은 변형량 또는 스프링에 부가된 스트레인에 비례하여 변형에 대하여 저항하며 또한 스프링의 변형은 변형이동의 완급에는 무관하지만, 이동되는 거리에는 관계가 있는 것이다.

물과 같은 액체는 변형률 또는 스트레인률에 비례하여 변형에 대하여 저항하며, 만약 물의 유동을 막는다면, 물의 정지에 의하여 저항력이 발생하게 되는 것이다.

고무가 변형될 시에는 변형에 대한 저항력의 어느 범위는 변형량에 비례하고, 또한 어느 범위는 변형률에 비례하게 된다.

고무의 변형량에 대한 저항력의 크기를 기술하는 데에 사용되는 상수는 G' 및 S'(G 프라임 및 S 프라임 이라 호칭함)이 사용된다.

G는 역학적으로 전단탄성계수를 의미하고, S는 고무의 "강성"을 의미하는 일반적인 용어이다.

고무가 강서을 가질수록 G' 및 S'의 값은 크게되며, 이러한 상수는 고무에 의하여 축적시킬 수 있는 에너지의 양을 가리키는 것이다.

또한, 고무의 변형률에 대한 고무의 저항력을 동일하게 나타내는 데에 사용되는 상수는 G" 및 S"(G 더블 프라임 및 S 더블 프라임이라 호칭함)이 사용되고, 이 상수는 에너지가 열로 전환되어 손실되는 에너지의 양을 나타내는 것이다.

따라서, 상기 두가지의 상수의 비(G"/G' 및 S"/S')는 고무의 특성에 매우 중요한 것이며, 이를 탄젠트 델타(Tan(δ))라 호칭한다.

점탄성 물질을 시험하기 위해 선행기술의 장치로서는 가류 측정장치 및 탄성계수 측정장치로 대별되고 이들은 가류를 받기 위해 배합고무의 특성을 측정하는데 사용토록 구성된 것이다.

상기와 같은 장치중의 하나는 가압으로 고무시료를 장착시킬 수 있는 진동 회전체와, 상기 고무시료에게 정현파의 주기를 갖는 진동을 부여하기 위하여 상기 회전체를 편심기구에 의하여 작동시키고, 이에 소요된 톨크를 측정하는 것이다.

상기와 같은 종류의 장치의 다른 것은 회전체를 사용하지 않고, 시료를 장착시키는 다이중에 일측의 다이를 작동시켜서 이 다이와 대향되는 또 다른 다이로 전달되는 톨크를 측정하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 장치에서는 전형적으로 시료의 최대변위시의 톨크의 값을 측정하여 이를 시료의 축적 탄성계수로 하고, 시료의 변형이 영 일때의 톨크를 손실 탄성계수로 하였으며, 다른 것은 시료의 최대변위시의 톨크의 값을 측정한 후에 최대톨크를 측정하여 손실 탄성계수는 피타고라스 정리를 사용하여 산출하였다.(즉, 손실 탄성계수는 최대 톨크의 값의 자승에서 최대 변위시의 톨크의 값의 자승을 뺀 값의 2승근과 같다).

상기와 같은 계산은 그 성질상 오차가 "산입"되어지기 때문에 점탄성 물질의 각 성분의 탄성계수를 계산 하는데에 있어서 보다 높은 정확도와 이를 수행하는 데에 특정화 시킬 필요성이 요망되어 왔었다.

따라서, 본 발명의 방법은 전술한 바와같은 계산상에 보다 높은 정확도를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명의 방법을 요약하면, 일 싸이클을 통하여 균등하게 배열된 적어도 3개소의 데이터 측정지점에서 정현파 진동에 대한 피시험재의 시료와 표준품의 시험결과를 각각 측정하고, 프리에의 불연속 변환과 같은 계산방식을 상기 시료와 표준품의 데이터 측정지점에서의 측정치에 각각 정용시켜서 상기 시료의 각 데이터 측정지점에서의 측정치를 축적 탄성계수 그리고/또는 손실 탄성계수로 나타낼 수 있는 값으로 전환시키며, 그리고 상기 표준품의 각 데이터 측정지점에서의 측정치를 비위상각(比位相角)에 있어서의 톨크로 나타낼수 있는 값으로 전환시키고, 상기 표준품의 톨크와 비위상각을 기준으로 상기 시료의 축적 탄성계수와 손실 탄성계수로 나타낸 값을 수정하여 상기 시료의 축적 탄성계수 그리고/또는 손실 탄성계수의 정확한 값을 얻을 수 있도록 구성된 점탄성 물질의 탄성계수를 결정하는 방법인 것이다.

또한, 본 발명의 시험장치를 요약하면, 회전운동을 정현파 주기를 갖는 진동운동으로 전환시키는 편심기구를 구비한 회전체와, 시료장착기구와, 시료에게 진동을 부여하는 수단과, 진동에 대하여 시험결과를 측정할 수 있는 수단과, 시험 측정치를 전환시키는 데이터 처리기구와, 상기 회전체의 각 회전에 대하여 사전에 설정된 다수의 간격과 하나의 기준점에서의 각각 시험결과를 얻을 수 있도록 상기 회전체와 연계되는 검출 기구로 구성된 것이다.

또한, 본 발명의 장치는 진동디스크식 탄성계수 측정장치(ODR)와 이동 다이식 탄성계수 측정장치(MDR)로 구별할 수가 있으며, 전자는 미합중국 특허 3,681,980에 개시된 바와 같이 회전체가 시료장착기구의 공간부에 위치되어서 시료에게 진동을 부여할 수 있도록 회전체가 진동으로 작동되는 것이며, 그리고 톨크 변환기는 회전체에 장착되어 진도에 대한 시료의 저항력을 측정하는 것이다.

후자(MDR)의 것은 미합중국 특허 4,343,190 및 4,552,025에 그 형식이 개시된 바와같이, 시료를 한쌍의 대향되는 다이 사이에 고정시켜서 일측의 다이를 진동시켜서 타측의 다이로 전달되는 힘을 측정하며, 이 장치에서도 톨크 변환기가 사용되도록 구성된 것이다.

또한, 본 발명의 방법에서 진동의 일 사이클에 대하여 적어도 4개소의 시험결과 검출지점을 설정하여 측정치를 검출하도록 하는 것이 바람직스럽고, 또한 상기 시험결과 검출지점을 8개소 내지 80개소로 설정하여도 되며, 가장 바람직 스러운 것은 상기 시험결과 검출지점을 16개소로 설정하는 것이다.

상기 시험결과 검출지점의 개수에는 이론상 제한이 없는 것이다. 실제면을 고려해야 하며, 상기한 시험결과 검출지점을 16개소 이상으로 설정하는 것이 그 복잡성 및 그 측정행위에 있어서의 비용이 더 들지만 오히려 잇점이 있는 것이다.

특히, 16개소의 시험결과 검출지점의 설정은 과도한 검출지점이 아니면서 본 방법에 고정도의 정확성을 제공하는 가장 적절한 방법인 것이다.

본 발명의 좀더 상세한 내용은 다음에 첨부도면을 참조하면서 설명하는 실시예를 통하여 충분히 이해될 것이다.

우선 본 발명의 방법은 피시험재인 점탄성 물질의 탄성계수의 각 성분 사이의 관계에 대하여 이를 장치의 기하학적인 특성과 연관지면서 수학적으로 설명한다.

본 발명의 장치인 탄성계수 측정장치는 정현파적으로 진동하여 이를 신호로서 톨크를 알려주게 되고, 이신호로서 송출되는 톨크는 다음식으로 표시된다.

S(_t)=(S^*)sin(wt+δ)

여기서, S_(t)는 시간 t에 있어서 신호로서 송출되는 톨크이고, S^*는 재료의 복합 탄성계수이며, w는 진동수, t는 시간, δ는 재료의 특성에 기인하는 변위로 부터의 위상변위이다.

상기 관계식은 다음식으로 나타낼 수 있다.

S_(t)=(S')(sin wt)+(S")(cos wt)

여기서, (S')는 톨크의 축적성분이고, (S")는 톨크의 손실 성분이다. 상기 식은

S^*2=S'²+S"²과 δ=tan-1(

)의 관계식을 전개시켜서 얻어진 것이다.

선행기술의 장치에서는 최대 스트레인일때의 2개소의 위치에서만 톨크를 측정하기 때문에 시험중에 단지 S'만 출력하게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 장치에서는 수정이 필요로 하게 되며, 이는 금속 스프링을 표준품으로써 이외 톨크를 사용하기 위하여 기계적인 설치 및 조정을 하여 수정작업을 행하여야 한다.

본 발명의 방법을 사용할 시에는 수정작업은 데이터 처리조정장치에 의하여 자동적으로 행해진다.

즉, 표준품의 톨크를 선행기술처럼 설정하며, 표준품의 톨크를 가동시킨 후에 컴퓨터에 기억시킨 표준품의 톨크에 대하여 톨크 검출기상에 톨크의 위치를 영의 위치에 놓고 수정작업을 시작한다.

이때에 표준품의 사전에 예상된 톨크의 값을 실제 측정치로 나눈 값이 탄성계수 측정장치의 수정인자가 되고, 이 인자를 컴퓨터에 역시 기억시키면 이 탄성계수 측정장치는 시료를 시험할 준비를 끝나게 되는 것이다.

본 발명의 방법은 각 싸이클마다 S'와 S"를 산출하기 위하여 16개소의 위치를 선정하여 이에 16개의 S_(t)값을 측정하는 위치는 일 싸이클상의 균등하게 배열된 16개소의 지점을 의미하는 것이다.

즉, 제1지점을 0도로 하면, 제2지점은 22.5도가 되고, 제3지점은 45도가 되는 식으로 배열하는 것이다.

본 방법은 각각의 S_(t)의 값에 이의 각 위치의 싸인을 곱함으로써 S'의 값을 산출하며, 모든 16개의 측정치는 합계가 되어 적분상수로 곱해져서 S'를 얻게 되고 S"는 싸인 대신에 코싸인을 대입하여 상기와 동일한 방식으로 산출할 수가 있다.

또한, 본 방법은 2개소의 지점에서 측정치를 검출하지 않고 16개소의 지점에서 측정치를 검출하기 때문에 "신호 대 잡음"의 비가 본질적으로 증가하는 장점을 가진 것이며, 이 "잡음"은 각 측정치를 검출지점에서의 오차의 자승의 합에 2승근에 역비례하는 것이다.

그리고 시료의 모든 톨크는 동일한 측정치 검출기에 의하여 검출되기 때문에 2개의 상이한 측정치 검출기로 인하여 검출되는 오차를 제거시킬 수가 있는 것이다.

또한, 본 방법의 계산은 프리에 변환의 계산방식을 사용하는 것이어서 이는 저역필터의 역할을 수행하게 되고, 이에 따라 본질적으로 "잡음"을 극소화시키게 되는 것이다.

더우기, 본 방법은 탄성계수 측정장치의 자가진단을 수행할 수 있도록 되어 있으며, 이는 출력의 크기가 높은 고주파로 될때 이것이 외부결함에 의하여 발생된 것으로 지시해 주는 것이다.

제1도는 일 싸이클에 있어서의 복합탄성 계수(S^*)는, 축적 탄성계수(S') 및 손실 탄성계수(S")를 나타내는 정현파 곡선이다.

새로좌표는 톨크를 나타낸 것으로 톨크의 영을 나타내는 선을 기준으로 상하로 각각 정의 톨크 값과 부의 톨크값을 나타내고, 가로좌표는 각 변위를 나타낸 것으로, 축의 일회전 360° 즉2π를 나타낸 것이다.

제2도는 본 발명의 장치의 일 실시예로서 탄성계수 측정장치의 주요부분을 나타낸 사시도이다.

여기서, 모터(2)는 회전축(3)을 회전시키고, 이 회전축(3)에 디스크(4)를 삽착시키며, 이 디스크(4)에는 16개의 관통공을 균등하게 배열 천설하되, 이 관통공의 배열중에 하나의 타원공(7)을 형성시키고, 상기 디스크(4)의 주연부 일측으로 피시험체인 시료검출용 LED 포토다이오드(5)와 표준품용 LED 포토다이오드(6)를 각각 설치한다.

또한, 상기 회전축(3)의 상단부에 연결판(8)을 고정시키고 이의 일측에 편심핀(9)을 설치하고, 이에 편심암(10)의 일단을 연결시키고 이의 타단을 작동판(12)의 일측에 고정된 또 다른 편심핀(11)에 연결시킨다.

상기 작동판(12)의 타측에는 하부축(13)을 입설하여 이 상단에 하측 다이(14)를 고정시키고, 이 하측 다이(14)와 사이를 띄어서 상측 다이(16)를 톨크 변환기(17)를 개재시켜서 상부측(18)에 고정시키며, 이 상부측(18)은 상방으로 설치된 지지체(19)에 공정되어 있다.

따라서, 피시험체인 점탄성물질의 시료(15)를 상기 하측 다이(14)와 상측 다이(16)사이에 장착시킨다.

다음에 작동을 설명하면, 모터(2)가 회전축(3)을 사전에 설정된 속도록 회전시키게 되면 이에 따라 디스크(4)도 회전하게 되며, LED 포토다이오드(5)(6)은 디스크(4)에 균등하게 배열 천설된 관통공이 통과되는 것을 기록하여 이를 시료에 대한 검출과 수정에 대한 각각의 펄스를 데이터 처리조정장치(도시 안됨)로 송출한다.

한편, 회전축(3)의 회전은 하측 다이(14)에게 편심암(10)을 통하여 진동작용을 부여하게 되어서 상기 시료에 대한 검출과 수정에 대한 펄스는 이의 진동싸이클에 있어서의 하측 다이(14)의 상대적인 위치를 가르켜 주게 되고, 톨크 변환기(17)에 의하여 발생된 톨크 신호 역시 데이터 처리조정장치로 송출하게 되며, 이 데이터 처리조정장치에서는 16개소의 위치에 있어서의 각각의 16개의 톨크 값을 프리에 변환 계산식을 적용하여 축적 탄성계수 및 손실 탄성계수의 값을 산출하게 되는 것이다.

그리고, 본 발명의 탄성계수 측정장치에는 열과 온도 조절기구(도시 안됨)을 설치하여 분위기를 조절하도록 구성된 것이다.

상기 시료(15)는 시험중에 가압으로서 장착시킨다.

제2도에 나타낸 장치는 이동 다이식 탄성계수 측정장치(MDR)이지만, 진동 디스크식 탄성계수 측정장치(ODR)의 구성으로서도 할 수 있으며, 이때에는 회전체를 시료 내부에 매설하여 작동시켜서 이 회전 체를 작동시키는 축의 톨크를 측정한다.

본 장치의 또 다른 실시예에서는 모터 축상에 설치된 펄스 엔코더(LED 포토다이오드가 설치된 디스크 대신에)에 의하여 검출작동을 수행한다.

상기 펄스 엔코더에서는 균등하게 배설된 각도상의 간격에서 펄스를 송출하며, 또한 일 회전당 기준 펄스를 추가로 송출하게 되는 것이다.

그리고, 펄스 엔코더는 일 회전당 2000 펄스를 발생하는 것을 전형적으로 사용하고, 이 펄스신호는 일정수(전형적으로 25-125)를 나눠지고, 데이터 처리장치에서 상기 저율(싸이클 당16-80 검출)에서 톨크를 검출하며, 싸이클의 초기에 있어서의 신호로서 기준펄스는 영을 사용한다.

본 발명은 전술한 실시예만 국한된 것이 아니며, 이에 수종의 변경 및 유형을 만들수 있는 것이며, 이는 본 발명의 기술사상 및 범위에 속하는 것이다.

Claims

A) 피시험재의 시료와 표준품의 양측에 각각 정현파 주기를 갖는 진동을 부여하는 공정과, B) 상기 진동의 일 싸이클을 통하여 균등하게 배설된 적어도 3개소의 검출지점에서의 시험결과를 측정하는 공정과, C) 상기 검출지점에서의 측정치에 각각 계산조작을 적용시켜서 i) 상기 피시험재의 측정치를 피시험재의 축적 탄성계수 그리고/또는 손실 탄성계수로 나타낼 수 있는 값으로 전환시키고, 그리고 ii) 상기 표준품의 측정치를 톨크와 위상각으로 나타낼 수 있는 값으로 전환시키는 공정과 ; D) 상기 피시험재의 축적 탄성계수 그리고/또는 손실 탄성계수의 정확한 값을 얻을 수 있도록 상기 표준품의 톨크와 위상각을 기준으로 상기 축적 탄성계수 그리고/또는 손실 탄성계수를 나타내는 값을 수정하는 공정으로 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
제1항에 있어서, 상기 시험결과는 균등하게 배설된 적어도 4개소의 검출지점에서 측정하며, 상기 계산조작은 프리에 불연속 변환으로 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
제2항에 있어서, 상기 시험결과를 균등하게 배설된 8-80개소의 검출지점에서 측정하도록 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
제3항에 있어서, 상기 시험결과를 균등하게 배설된 16개소의 검출지점에서 측정하도록 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
제1항에 있어서, 상기 표준품의 비틀림 스프링으로 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
제1항에 있어서, 검출된 고주파의 크기를 측정하여 처리하는 공정이 추가되어 구성된 점탄성 물질의 시험방법.
회전운동을 정현파의 주기를 갖는 진동운동으로 전환시키는 편심기구와, 시료 지지수단과, 상기 편심 기구에 설치되어 상기 시료 지지수단에 장착된 시료에게 진동을 부여하는 수단과, 상기 진동에 대하여 시험 결과를 측정하는 수단과, 상기 시험결과를 조정하는 수단을 구비한 것에 있어서, 사전에 설정된 다수의 간격에서 각각 시험결과를 검출할 수 있으며, 회전체의 매 회전마다 하나의 기준 검출결과를 송출할 수 있도록 회전체에 설치된 검출수단을 구비하여 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제7항에 있어서, 상기 진동을 부여하는 수단은 회전체로 구성되고, 상기 시험결과를 측정하는 수단은 상기 회전체에 장착된 톨크 변환기로 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제7항에 있어서, 상기 시료 지지수단은 가압으로 시료를 지지할 수 있음과 동시에 시료의 온도를 제어할 수 있도록 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제7항에 있어서, 상기 진동을 부여하는 수단은 상기 시료 지지수단의 일측으로 설치되어 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제10항에 있어서, 상기 시료 지지수단의 타측에는 상기 시험결과를 측정하는 수단이 설치되어 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제7항에 있어서, 상기 검출수단은 균등하게 배설된 관통공을 구비하고, 적어도 하나의 LED 포토다이오드와 연계작동 되는 디스크로 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제12항에 있어서, 상기 디스크는 균등하게 16개소에 배열 천설된 관통공과 하나의 기준공을 구비하고 상기 LED 포토다이오드가 2개로 설치되어 구성된 점탄성 물질의 시험장치.
제7항에 있어서, 상기 검출수단이 펄스 엔코더로 구성된 물질의 시험장치.