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문제 정의
- 본 연구를 위해 자체 설계. 제작한 ER클리치는 ER클러치에 내장힌 유체에 인가한 전기장의 깅도의 변화에 대응하여 유체의 점성이 변화하고 이점성의 변화에 기인하여 종동축에 전달되는 원동축의 동력을 제어할 수 있도록 하였다 이러한 성능 실험을 위하여 입자 분산계 ER유체를 자체 제조하여 제올라이트의 무게 분율에 따른 전단 응력과 점성의 관계 및 전기장의 강도에 따른 항복진단 응력을 측정하고 결과를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 ER유체를 자체 제조하고 이유체로 동력을 전달함 수 있는 ER클러치를 설계.제작하여 ER유체의 특성과 클러치의 회전수 전달 특성에 관한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다
제안 방법
- Photo. 2에 ER유체의 내구성을 증가시키기 위해 제작한 ER클러치의 케이싱, 축, 키플링을 나타내었다, ER유체의 누설을 방지하기 위해서 클러치를 지지하고 있는 축베어링을 하우징 내부로 옮겨 제작하였으며, 벽면에 발생하는 마찰의 영향을 최대한 줄이기 위해서 연마제를 사용하어 표면조도를 향상시켰다. 내부 유동을 육안으로 관찰할 수 있도록 케이싱 부분을 투명한 아크릴 원통으로 제작하였다 또한 케이싱의 상부와 하부에 플러:2흘을 뚫어 펌프로부터 구동된 유체를 주입하거나 교체하는데 사용되도록 하였으띠, 클러치의 축회신시 발생할 수 있는 ER유체의 누유 문제를 해결하기 위하여 케이싱의 안쪽에 오일실을 장착하였다.
- 고 전압 발생에 의한 감전의 위험을 해결하기 위하여 실험장치의 베이스 부분과 각 요소의 결합 무분의 재료는 나일론 합성수지로 만든 재료를 사용하였다. 각 축 이음은 정확한 축 중심을 맞추기 어렵고 축 중심이 정확히 일치하지 않을 경우 축의회진시 실험장치의 진동이나 기계요소의 파손을 가져올 가능성이 있으므로 축을 각각 2개씩 가공하였다 축의인결은 사체직으로 커플링을 가공하여 축연 걸 무분에서 축 중심의 불일치로 인해 발생할 수 있는 문제점을 보완하였다. 클러치의 회전력 전달 부분에 정확하고 안전한 전기장 공급을 위해 구리전극을 이용한 브러쉬를 제작한 후 고전압 발생장치와 연결하여 전기장을 공급하였다.
- 전기장의 강도가 커지고 제올라이트의 무게분율이 많아질수록 항복전 단응력의 깂이 증가한다는 것을 알 수가 있다. 그림 에서 제올라이트의 두게분율이 35%인 ER 유치를 ER-SZ35로, 제올라이트의 무게분율이 25%인 ER유치 를 ER-SZ25로, 세올라이트의 무게분율이 15%인 ER 유체를 ER-SZ15로 효시하였다. 전기장의 강도 E= 0~2kV/mm까지 0.
- 2에 ER유체의 내구성을 증가시키기 위해 제작한 ER클러치의 케이싱, 축, 키플링을 나타내었다, ER유체의 누설을 방지하기 위해서 클러치를 지지하고 있는 축베어링을 하우징 내부로 옮겨 제작하였으며, 벽면에 발생하는 마찰의 영향을 최대한 줄이기 위해서 연마제를 사용하어 표면조도를 향상시켰다. 내부 유동을 육안으로 관찰할 수 있도록 케이싱 부분을 투명한 아크릴 원통으로 제작하였다 또한 케이싱의 상부와 하부에 플러:2흘을 뚫어 펌프로부터 구동된 유체를 주입하거나 교체하는데 사용되도록 하였으띠, 클러치의 축회신시 발생할 수 있는 ER유체의 누유 문제를 해결하기 위하여 케이싱의 안쪽에 오일실을 장착하였다.고 전압 발생에 의한 감전의 위험을 해결하기 위하여 실험장치의 베이스 부분과 각 요소의 결합 무분의 재료는 나일론 합성수지로 만든 재료를 사용하였다.
- 원동축의 동력원으로 사용된 모터는 전압 공급장치의 전압조절을 통해 0~550rpm으로 변속가능하게 하였다 회전 속도를 50ipm 간격으로 증가시키고 전기장은 직류고전압 발생 징치를 사용하여 LOkV/mm 간격으로 6 OkV/mm 까지 증가시키면서 이때 발생하는 원동축과 종동축의 회전수를 측정하였다 회전수의 측정은 원동축과 종동축에 부착한 타코메터(tachometer)로 히였다
- 탱크 내에 저장된 제을 라이트 입자의 침전을 방지하고 입사 분포를 균일하게 하기 위해서 전동식 교반기로 교반하였다. 유량을 공급하기 위한 펌프는 ER유체와 같이 유체 내의 작은 입자들이 포함되어 있는 특수한 형태의 유체를 이송시키기에 적합한 트로코이드 펌프가 사용되었다 실험은 펌프에서 공급된 유량이 ER클리치의 케이싱 입구로 조금씩 유입되게 해서 ER유체가 케이싱에 채워지면 출구 쪽의 밸브로 유량을 조절하여 전기장 강도에 따라 원동축회전수를 변화시키 먼 서원동축회전수와 종동축회 전수를 측정하였다
- 1은 본 연구에서 자체 제작한 ER클러치의 전체적인 형상을 나타 넨다. 제안된 ER클러치의 전극형상은 디스크 이 isk)형으로 구성하였으며, 직경 60mm, 두께 3mm이며 전기장인 가시ER효과가 최대가 되도록 하기 위해서 홈을 주어 ER유체의 유동단 면적이 최대가 되도록 실게. 제작하였다.
- 본 연구를 위해 자체 설계. 제작한 ER클리치는 ER클러치에 내장힌 유체에 인가한 전기장의 깅도의 변화에 대응하여 유체의 점성이 변화하고 이점성의 변화에 기인하여 종동축에 전달되는 원동축의 동력을 제어할 수 있도록 하였다 이러한 성능 실험을 위하여 입자 분산계 ER유체를 자체 제조하여 제올라이트의 무게 분율에 따른 전단 응력과 점성의 관계 및 전기장의 강도에 따른 항복진단 응력을 측정하고 결과를 고찰하였다.
- 원동축 클러치의 전극과 종동축 클러치의 전극은 고전압 전원장치와 연결되어 있어 ( + )전극과 (-) 전극으로 작용하며, 축으로 연결되어 베어링으로 지지된다. 직류고전압 발생장치와 각 클러치 전극과의 연결은 원동축 클러치의 전극에 ( + ) 전원을, 반대편 종동축 클러치의 전극에는 ( ) 전원을 두었으며, 클러치의 축이 전극으로 사용되므로 클러치의 간극은 1mm를 유지하이하우징과 비어링으로 고성하였다.
- 각 축 이음은 정확한 축 중심을 맞추기 어렵고 축 중심이 정확히 일치하지 않을 경우 축의회진시 실험장치의 진동이나 기계요소의 파손을 가져올 가능성이 있으므로 축을 각각 2개씩 가공하였다 축의인결은 사체직으로 커플링을 가공하여 축연 걸 무분에서 축 중심의 불일치로 인해 발생할 수 있는 문제점을 보완하였다. 클러치의 회전력 전달 부분에 정확하고 안전한 전기장 공급을 위해 구리전극을 이용한 브러쉬를 제작한 후 고전압 발생장치와 연결하여 전기장을 공급하였다.
대상 데이터
- 내부 유동을 육안으로 관찰할 수 있도록 케이싱 부분을 투명한 아크릴 원통으로 제작하였다 또한 케이싱의 상부와 하부에 플러:2흘을 뚫어 펌프로부터 구동된 유체를 주입하거나 교체하는데 사용되도록 하였으띠, 클러치의 축회신시 발생할 수 있는 ER유체의 누유 문제를 해결하기 위하여 케이싱의 안쪽에 오일실을 장착하였다.고 전압 발생에 의한 감전의 위험을 해결하기 위하여 실험장치의 베이스 부분과 각 요소의 결합 무분의 재료는 나일론 합성수지로 만든 재료를 사용하였다. 각 축 이음은 정확한 축 중심을 맞추기 어렵고 축 중심이 정확히 일치하지 않을 경우 축의회진시 실험장치의 진동이나 기계요소의 파손을 가져올 가능성이 있으므로 축을 각각 2개씩 가공하였다 축의인결은 사체직으로 커플링을 가공하여 축연 걸 무분에서 축 중심의 불일치로 인해 발생할 수 있는 문제점을 보완하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 전기장 증가에 따라 항복 전단응럭의 값이 증가하는 것을 알 수가 있다. 본 연구에서 ER클러치의 작동유체로는 ER효과가 큰 ER-SZ35를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 ER유체는 입자 분산 계유체로서, 용매는 전기절연성이 우수한 실리콘 오일(KF96-20, Korea Shmets Silicone Co)이, 분산된 미세입지는 800'C까지 가열하여 수분을 제거힌 -제올라이트 입자(Sigma Chemical Co)를 사용하였다
- 실험장치는 원동축 부분, 전기장을 공급하는 고전압 발생장치, 그리고 종동축 부분 등으로 구성되어 있다. 실험에 사용된 ER유체는 빙햄 특성실험에시 전기 장 인 가시항복선단 응력이 가장 뛰이 난 ER-SZ35를 사용하였다. 탱크 내에 저장된 제을 라이트 입자의 침전을 방지하고 입사 분포를 균일하게 하기 위해서 전동식 교반기로 교반하였다.
- 5는 자체 제작한 ER클러치의 성능 실험을 위한 전체적인 실험장치 구성을 나타낸 것이다. 실험장치는 원동축 부분, 전기장을 공급하는 고전압 발생장치, 그리고 종동축 부분 등으로 구성되어 있다. 실험에 사용된 ER유체는 빙햄 특성실험에시 전기 장 인 가시항복선단 응력이 가장 뛰이 난 ER-SZ35를 사용하였다.
성능/효과
- 1 ER유체는 전기장의 강도가 크고, 제올라이트 입자의 무게 분율이 많을수록 항복 전단 응력은 크게 됨을 알 수 있었다
- 2 ER클러치에서 ER유체에 인가되는 진기장의 강도가 클수록 원동축의 회전수를 종동축에 더 많이 전달하는 것을 알 수 있었으며, 기존의 클러치와 달리 단순한 구조로서 전기장의 강도만으로 회전력을 제어할 수 있었다
- 전기장의 강도가 3 0kV/mm(口)인 경우 원동축이 550rpm일 때 종동축은 485rpm으로 회전수의 진달이 약 88%로 나타났으며, 진기장의 강도가 6 0kV/mm(㊉)인 경우 원동축이 550rpm일 때 종동축은 540rpm으로 회전수의 전달이 약 98%가 됨을 알 수 있다. 따라서 ER클 러치는 기존 클러치와는 달리 진기장 강도에 따라 전달 회전수를 제어할 수 있음을 알 수 있다
- 전기징 강도가 6 0kV/mm(㊉)일 때 측정된 전류 밀 도는 악 27mA인 것을 알 수 있다. 모터의 회전속도 가 증가함에 따라 전류 밀도가 감소하는 경향을 나타내나, 모터의 회전 속도가 100rpm을 초과하면 전류 밀도는 더 이상 감소하지 않음을 알 수 있다. 이것은 클러치의 케이싱 내에 주입된 ER유체의 클러스터가 전기장인 가시 형성되었다가 모터의 회전 속도가 증가하면 파괴되기 때문이며, 회전 속도가 lOOrpm 이상에서는 피괴되는 클러스터의 수와 새로이 생성되는 클러스터의 수가 깉아지기 때문으로 생각된다
- 3은 온도 25℃에서 전기장 강도에 따른 항복 전단응릭의 크기를 나타낸 것이다. 전기장의 강도가 커지고 제올라이트의 무게분율이 많아질수록 항복전 단응력의 깂이 증가한다는 것을 알 수가 있다. 그림 에서 제올라이트의 두게분율이 35%인 ER 유치를 ER-SZ35로, 제올라이트의 무게분율이 25%인 ER유치 를 ER-SZ25로, 세올라이트의 무게분율이 15%인 ER 유체를 ER-SZ15로 효시하였다.
후속연구
- ER클리치의 작동 유체인 ER유체는 전기장의 강도에 따라 유체의 겉보기점도가 변하는 현상을 나타내는 기능성 유체이며, 비전도성 용매에 전도성의 입자가 분산된 현탁액이다 ER유체의 특성으로 전기장의 강도에 따른 빠른 반응성, 낮은 전력 소모 등의 장점을 들 수 있으며, 따라서 향후 이에 관한 응용연구가 많이 수행될 것으로 예상한다
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