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문제 정의
- 본 논문에서는, Fig. 1에서와 같이 충격 에너지를 흡수 또는 소산시키는 완충 장치를 구성하여 디스크 스프링의 적층 배열에 따른 감쇠에 관하여 연구하였다. 이 장치는 비선형 특성을 갖는 디스크 스프링의 변형과 고무링의 마찰력에 의하여 충격 에너지를 소산시키는 구조로 되어 있다.
제안 방법
- 이 장치는 비선형 특성을 갖는 디스크 스프링의 변형과 고무링의 마찰력에 의하여 충격 에너지를 소산시키는 구조로 되어 있다. 고무링의 마찰력을 측정하였으며, 디스크 스프링의 로딩과 언 로딩 시 발생하는 디스크 스프링의 이력현상을 측정하였다. 디스크 스프링의 적층 배열을 변화 시키면서 이력현상을 측정하였다.
- 고무링의 마찰력을 측정하였으며, 디스크 스프링의 로딩과 언 로딩 시 발생하는 디스크 스프링의 이력현상을 측정하였다. 디스크 스프링의 적층 배열을 변화 시키면서 이력현상을 측정하였다. 고무링의 마찰력이 추가된 상태에서도 이력현상을 측정하였다.
- 디스크 스프링의 적층 배열을 변화 시키면서 이력현상을 측정하였다. 고무링의 마찰력이 추가된 상태에서도 이력현상을 측정하였다. 각각의 측정된 이산 데이터를 다항식으로 근사하여 이력곡선을 구하고 소산되는 에너지의 양을 구하였다.
- 고무링의 마찰력이 추가된 상태에서도 이력현상을 측정하였다. 각각의 측정된 이산 데이터를 다항식으로 근사하여 이력곡선을 구하고 소산되는 에너지의 양을 구하였다. 소산되는 에너지의 양과 고무링의 마찰력을 고려하여 네 가지 형태의 감쇠 모델을 구성한 후, 각 경우의 충격 응답을 구하여 감쇠 현상을 고찰하였다.
- 각각의 측정된 이산 데이터를 다항식으로 근사하여 이력곡선을 구하고 소산되는 에너지의 양을 구하였다. 소산되는 에너지의 양과 고무링의 마찰력을 고려하여 네 가지 형태의 감쇠 모델을 구성한 후, 각 경우의 충격 응답을 구하여 감쇠 현상을 고찰하였다.
- 완충장치에서 사용된 고무링의 마찰력을 측정하였다. 측정에 사용된 하중 시험기는 500 kgf의 하중까지 측정이 가능하며 측정 속도는 0~300 mm/min.
- 샤프트에 고무링을 한 개, 두 개, 세 개씩 추가하면서, 추가함에 따른 마찰력을 측정하였다. 속도가 마찰력에 미치는 영향을 고려하기 위해 속도를 변화시키면서 마찰력의 변화를 측정하였다.
- 샤프트에 고무링을 한 개, 두 개, 세 개씩 추가하면서, 추가함에 따른 마찰력을 측정하였다. 속도가 마찰력에 미치는 영향을 고려하기 위해 속도를 변화시키면서 마찰력의 변화를 측정하였다. 속도를 200 mm/min.
- 까지 20 mm/min.씩 증가시키면서 각속도 별로 5회 측정 후, 평균값을 구하였다. 건 마찰시 발생하는 스틱-슬립(stick-slip) 현상을 방지하기 위해 그리스 윤활 후, 측정을 실시하였다.
- 씩 증가시키면서 각속도 별로 5회 측정 후, 평균값을 구하였다. 건 마찰시 발생하는 스틱-슬립(stick-slip) 현상을 방지하기 위해 그리스 윤활 후, 측정을 실시하였다.
- 고무링이 실린더 내부에 충분히 잠기면 하중을 제거 하였다가 다시 가하여 마찰력을 측정하였다. 고무링이 실린더 내부에 잠겨있지 않은 상태에서 측정을 실시하면, 고무링이 실린더 내부로 삽입되려는 순간에, 마찰력보다 더 큰 힘을 필요로 하게 되므로 정확한 측정이 어렵다.
- 디스크 스프링의 하중-변형 특성을 측정하기 위한 실험 장치를 모터, 감속기, 인디게이터, 캠, 로드 셀, 변위센서, DAQ(data acquisition unit) 장비를 이용하여 구성하였다. 실험 장치에 사용된 실험장비들의 제원은 다음과 같다.
- 완충장치 내의 직렬조합으로 적층된 디스크 스프링의 변위를 제어하기 위해 캠이 회전할 때 그 형상에 따라 최대 30 mm까지 수직변위를 가할 수 있도록 캠을 제작하였다. 제작된 캠 형상에 의한 변위를 측정한 결과, 최대 수직변위가 29.
- 디스크 스프링에 하중을 가하여 그에 따른 변형을 측정하였다. 디스크 스프링의 하중-변형 특성을 측정하기 위해 디스크 스프링에 그리스 윤활 후 실린더 내부에 놓고 그 위에 하중을 전달하기 위한 팔각기둥이 장착된 원통형 샤프트를 놓았다.
- 디스크 스프링에 하중을 가하여 그에 따른 변형을 측정하였다. 디스크 스프링의 하중-변형 특성을 측정하기 위해 디스크 스프링에 그리스 윤활 후 실린더 내부에 놓고 그 위에 하중을 전달하기 위한 팔각기둥이 장착된 원통형 샤프트를 놓았다.
- 완충장치에 쓰인 디스크 스프링 스택의 하중-변형 특성을 알아보기 위해 1, 2, 4, 6, 8, 10 장의 직렬 스택을 만들어 실험을 하였다. 매 실험 당 모터의 회전속도는 30 rpm의 동일조건에서 실시하였다.
- 매 실험 당 모터의 회전속도는 30 rpm의 동일조건에서 실시하였다. 먼저 고무링의 마찰을 배제하고 0~30 mm 변위 내에서의 스프링의 하중-변형 특성을 측정해 본 후, 고무링의 개수를 1~3개씩 증가시키며 고무링의 마찰력이 추가되었을 때 0~20 mm의 변위동안 발생되는 이력현상을 측정해 보았다. 각각의 실험을 10회 반복하여 평균값을 구하여 비교하였다.
- 본 연구에서는 디스크 스프링이 로딩 될 때와 언 로딩 될 때의 이산데이터에 대하여, 5차 다항식을 근사식으로 가정하여, 최적곡선을 구한 후 적분을 하여 폐곡선의 면적을 구하였다. Fig.
- 지금까지의 실험 결과를 토대로, 네 가지의 감쇠 모델을 구성한 후, 이를 단순 해석 모델에 적용하여 충격 응답을 구하고 감쇠를 비교 분석하였다.
- 두 번째 감속기에서 입력받은 토크를 10 : 1의 감속비로 증가시켜 출력샤프트로 내보낸다. 출력 샤프트에는 캠을 장착하여 토크를 캠 팔로워 와 로드 셀을 통해 수직 압축하중으로 전달함과 동시에, 로드 셀을 통해 압축하중을 측정하였다. 로드 셀을 통해 측정된 하중은 1 kgf 단위로 인디게이터에 디지털 신호로 표시된다.
대상 데이터
- 디스크 스프링에 하중을 가하기 위하여 실험 장비에 사용된 모터는 단상 모터이며 최대출력은 2200 W, 회전수는 1750 rpm, 출력은 3 HP이다. 컨트롤 박스의 인디게이터를 통하여 모터 출력속도의 조절이 가능하다.
- 실험에 사용된 디스크 스프링은 독일 무베아 사의 제품으로, 그 형상은 Fig. 3에서 보는 바와 같다. 디스크 스프링의 제원은 외경 125 mm, 내경 64 mm, 두께 3.
- 3에서 보는 바와 같다. 디스크 스프링의 제원은 외경 125 mm, 내경 64 mm, 두께 3.5 mm, 자유높이 4.5 mm이다. Fig.
성능/효과
- 고무링이 한 개 일 때 마찰력은 약 140 N, 고무링이두 개일 경우에는 약 280 N, 세 개일 경우에는 약 400 N으로 측정되었으며, 고무링의 개수의 증가에 따라 비례적으로 증가함을 알 수 있었다. 고무링의 개수가 늘어날수록, 실린더 내부에 고무링의 접지 압력이 증가함에 따라, 마찰력이 증가하게 된 것으로 판단된다.
- 측정된 마찰력은 속도와 무관하며, 편차를 보이는 이유는 실린더 내부와 샤프트, 고무링의 그리스 윤활에 따라 차이를 보이는 것으로 판단된다.
- 8에 나타내었다. 여기에서 보면, 고무링의 쿨롱 감쇠는 매우 작음을 알 수 있으며 완충장치의 감쇠에 큰 영향을 미치지 못하고, 디스크 스프링의 이력현상에 의한 감쇠가 지배적이라는 것을 알 수 있다. 고무링에 의한 쿨롱 감쇠는 응답에 큰 영향을 미치지는 못하나, 고무링의 개수에 따라서 시스템에 요구되는 감쇠력을 조절하는데 이용될 수 있다.
- 1. 고무링의 마찰력을 측정한 결과, 마찰력은 측정 속도에 영향을 받지 않으며 고무링의 개수에 비례적으로 증가한다.
- 2. 적층된 디스크 스프링의 개수가 많아질수록 스프링의 변형이 증가한다. 최대 작용 하중은 일정하지 않고, 스프링의 개수가 증가함에 따라 조금씩 증가한다.
- 3. 디스크 스프링의 이력현상에 의한 감쇠가 지배적이며, 고무링의 마찰력에 의한 감쇠는 큰 영향을 미치지 못하나, 고무링의 개수에 따라 감쇠력을 조절하는데 사용할 수 있다고 판단된다.
- 4. 쿨롱 감쇠와 점성 감쇠가 혼합된 감쇠모델이 현실성에 가장 잘 부합되지만 해석시간이 타 모델에 비해 장시간이므로 비효율적이다.
- 5. 고무링의 마찰력과 디스크 스프링의 이력현상에 의한 총 에너지 소산을 등가 점성 감쇠로 구성한 감쇠 모델이 가장 적절하다고 판단된다.
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