KR101267389B1 - 3 자유도 가진 시험 장치 - Google Patents
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Abstract
전자기식 선형 액추에이터를 구비한 3 자유도 선형 가진 시험 장치에 관한 것으로, 시편의 반대방향을 향해 x축, y축 및 z축에 각각 마련된 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각에 마련된 한 쌍의 유연 조인트, 베이스에 장착되고, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터를 각각 고정하는 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각의 구동부에 고정되고, 상기 한 쌍의 유연 조인트의 일 측에 결합된 암 및 상기 한 쌍의 유연 조인트의 다른 측에 결합되고, 가진하고자 하는 시편의 일부에 고정되는 연결 부재를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 3 자유도 가진 시험 장치를 이용하는 것에 의해, 종래의 유압 액추에이터에 비하여 부대시설이 적어 적은 공간에 효율적으로 설치할 수 있고, 친환경적이며, 소음이 적고, 유압방식으로 구현하지 못하는 고정밀도의 고속 가진이 가능하다.
상기와 같은 3 자유도 가진 시험 장치를 이용하는 것에 의해, 종래의 유압 액추에이터에 비하여 부대시설이 적어 적은 공간에 효율적으로 설치할 수 있고, 친환경적이며, 소음이 적고, 유압방식으로 구현하지 못하는 고정밀도의 고속 가진이 가능하다.
Description
본 발명은 3 자유도(3-degree of freedom) 선형 가진 시험 장치에 관한 것으로, 특히 전자기식 선형 액추에이터를 구비한 3 자유도 선형 가진 시험 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에서 각 구성부품의 형상이나 각 부품간의 결합위치에 미세한 오차가 발생한 경우 차량의 주행성능과 관계없이 이상 진동이 발생한다.
이와 같은 이상 진동은 차량에 따라 각기 다른 고유의 진동을 갖는 한편, 그 크기에 있어서도 각 구성부품의 형상이나 각 부품 간의 결합위치에 대한 오차에 따라 각기 다른 양상을 갖게 된다.
또한 자동차의 보증 기간이 증가함에 따라 높은 내구성을 가지는 자동차 부품의 개발 및 제작이 요구되고 있다.
특히, 연소실에 배출되는 고온/고압의 배기가스를 종합하는 배기 다기관, 배기가스에 포함된 유해물질을 정화하는 촉매 컨버터, 배기가스를 대기중으로 배출하는 배기 파이프, 배기 소음을 저하시키는 소음기 등으로 구성되는 배기계 부품의 경우 높은 온도와 압력 그리고 엔진과 노면을 통해 전달되는 진동 등 열악한 환경조건에 상시 노출되어 있다.
따라서, 용접부의 경우 지속적인 진동 및 압력에 의해 파손되는 등 내구성에 한계가 발생하므로, 이러한 환경조건을 견딜 수 있는 내구성을 가지는 부품인지를 판별하기 위한 시험을 통해 부품에 대한 신뢰도를 확보하고 있다.
예를 들어, 특정의 부품에 대하여 10만㎞ 내구성 보증이 제공되는 경우 해당 부품이 장착된 완성차로 실제 도로를 10만㎞ 주행한 다음 해당 부품을 탈거하여 측정자의 육안이나 별도의 분석장치를 이용하여 내구성의 이상 유무를 판단하는 방법이 있다.
문제점과 비포장 도로 및 포장도로 등의 운행경로 및 운행시간에 따라 내구성이 불규칙적으로 나타나는 문제점이 발생하며, 완성차의 실제 도로 운행을 통해 이루어지므로 개별 부품만의 평가에 비효율적인 문제점이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 가진(Exciter) 시험 장치가 개발되었으며, 가진 시험 장치는 이러한 이상 진동을 인위적으로 발생, 예를 들어 모터 및 실린더 등의 구동에 의하여 편심진 량을 회전시킴으로써, 기계부품 등의 피대상물로 일정 주파수를 갖는 진동을 발생시켜 피대상물의 내구성을 시험하는 장치를 의미하며, 그 적용 분야와 목적에 따라 다양한 형태로 개발되었다.
예를 들어, 엔진 및 기타부품은 차량이 정차한 상태나 차량에 장착 전의 상태에 가진 시험 장치를 사용하여 특성 시험을 통해 내구성 시험을 한다.
이러한 가진 시험 장치에서는 자유도 변위를 일으키기 위하여, 축 방향과 다른 방향의 하중이 입력되는 선형 액추에이터가 축 방향과 다른 방향의 변위를 필요로 하며, 이 변위를 구현하기 위하여 선형 액추에이터의 구동부 또는 고정부에 회전이 가능한 조인트를 결합한다.
상술한 조인트는 통상 구면베어링, 유니버설 조인트 등 소정의 간극을 포함한 회전 조인트로 구성된다.
또한 상기 선형 액추에이터로는 유압 액추에이터를 이용한 저속 가진 시험기이므로, 고속 가진 시험에 적용할 수 없다는 문제가 있었다.
즉 최근 가진 시험에 요구되는 고속 가진 시, 이때 발생하는 소음이 문제로 되고, 고정밀도를 유지하지 못한다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 전자식 선형 액추에이터를 이용하여 3축(x축, y축, z축) 가진 시험을 위한 기구의 소음이 적고, 유압방식으로 구현하지 못하는 고정밀도의 고속 가진이 가능한 3 자유도 가진 시험 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시험대상인 시편에 입력되는 축 하중을 정확히 측정 할 수 있는 3 자유도 가진 시험 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치는 시편의 반대방향을 향해 x축, y축 및 z축에 각각 마련된 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각에 마련된 한 쌍의 유연 조인트, 베이스에 장착되고, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터를 각각 고정하는 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각의 구동부에 고정되고, 상기 한 쌍의 유연 조인트의 일 측에 결합된 암 및 상기 한 쌍의 유연 조인트의 다른 측에 결합되고, 가진하고자 하는 시편의 일부에 고정되는 연결 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 있어서, 상기 시편에 인가되는 축 하중을 계측하는 다축 로드 셀, 상기 베이스에 장착되고, 상기 다축 로드 셀의 높이를 조절하는 다축 로드 셀 마운트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 있어서, 상기 베이스는 에어 마운트에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 있어서, 상기 유연 조인트는 상기 구동부 또는 고정부를 지지하는 스트럿바, 상기 스트럿바의 장착되어 길이 방향으로 조정되는 커플링, 상기 선형 액추에이터에 의한 축 하중을 받는 판 스프링 및 상기 판 스프링과 커플링을 결합하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 있어서, 상기 판 스프링은 상기 선형 액추에이터에 의한 축 하중을 받는 제1 판 스프링 및 상기 제1 판 스프링과 직각으로 마련된 제2 판 스프링을 포함하고, 상기 커넥터는 상기 제1 판 스프링과 제2 판 스프링을 결합하는 제1 커넥터 및 상기 제2 판 스프링과 커플링을 결합하는 제2 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 의하면, 전자식 선형 액추에이터를 구비하므로, 종래의 유압 액추에이터에 비하여 부대시설이 적어 적은 공간에 효율적으로 설치할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 의하면, 폐유 등의 방출이 없어 친환경적이며, 소음이 적고, 특히, 유압방식으로 구현하지 못하는 고정밀도의 고속 가진이 가능하다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 의하면, 저렴한 제품 공급이 가능하여 부품시험 제반시설 보급에 적합하다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에 의하면, 하부 다축 로드셀을 구비하여 시험대상인 시편에 입력되는 축 하중을 정확히 측정할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 유연 조인트의 구조를 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 유연 조인트의 구조를 나타내는 사시도,
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도 1 및 도 2에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치의 사시도 이고, 도 2는 도 1에 도시된 유연 조인트의 구조를 나타내는 사시도 이다.
본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 시편의 반대방향을 향해 x축, y축 및 z축에 각각 마련된 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12), 베이스(20)에 장착되고, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)를 각각 고정하는 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트(30,31,32), 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)의 각각에 마련된 한 쌍의 유연 조인트(40,40'), 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)의 각각의 구동부(13)에 고정되고, 상기 한 쌍의 유연 조인트(40,40')의 일 측에 결합된 암(50) 및 상기 한 쌍의 유연 조인트(40,40')의 다른 측에 결합되고, 가진하고자 하는 시편(60)의 일부에 고정되는 연결 부재(140)를 포함하여 구성된다.
한편, 도 1에서 상기 제1의 전자기식 선형 액추에이터(10)는 x축에 배치되고, 상기 제2의 전자기식 선형 액추에이터(11)는 x축에 직각 방향인 y축에 배치되며, 상기 제3의 전자기식 선형 액추에이터(12)는 xy 평면에 수직인 z축에 배치된다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 시편(60)은 x축, y축, z축의 교점인 위치에 배치되며, 각각의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)의 각각의 구동부(13)는 시편의 반대방향을 향하게 배치된다.
따라서, 각각의 구동부(13)를 시편(60)에서 멀어지게 함으로써, 당해 축 방향 힘에 대해 직각방향으로 전해지는 힘에 의한 충분한 변위를 일으키게 된다. 예를 들어, x축 방향 축 방향 힘 전달과 동시에 직각방향 힘인 y, z축 방향 힘이 작용할 때, y, z 방향으로 시편(60)이 움직이는 만큼 유연한 변위가 필요하다.
상술한 바와 같은 전자기식 선형 액추에이터에 대해서는 '2010 대한전기학회 전기기기 및 에너지변환 시스템부문회 추계학술대회 논문집, 2010.10, " 피로내구 시험용 전자기식 선형 액추에이터의 추력 및 체적 최적화 연구", 손 율규, 백 수황, 권 병일 저'에 기재되어 있으므로, 그 구체적인 구성에 대한 설명은 생략한다.
또, 각각의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)는 높이 조절이 가능한 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트(30,31,32)에 의해 고정된다. 즉, 제1의 전자기식 선형 액추에이터(10)는 제1의 액추에이터 마운트(30)에 장착되고, 제2의 전자기식 선형 액추에이터(11)는 제2의 액추에이터 마운트(31)에 장착되고, 수직방향(z축)의 제3의 전자기식 선형 액추에이터(12)는 제3의 액추에이터 마운트(32)에 장착되며, 이 제3의 액추에이터 마운트(32)는 베이스(20)에 마련된 수직 액추에이터 고정 구조물(80)에 고정된다. 상기 수직 액추에이터 고정 구조물(80)은 고유진동수 회피 및 충분한 강성을 보장하는 재질로 형성된다.
한편, 상기 제1 내지 제2의 액추에이터 마운트(30,31) 및 수직 액추에이터 고정 구조물(80)은 베이스(20)에 용접 또는 볼트 체결 등의 통상의 결합 수단에 의해 고정되며, 특정 방법에 한정되는 것은 아니다. 또 상기 제3의 액추에이터 마운트(32)도 수직 액추에이터 고정 구조물(80)에 용접 또는 볼트 체결 등의 수단에 의해 고정된다.
또 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(10,11,12)의 구동부(13)에는 암(50)이 고정되며, 상기 암(50)에는 시편(60)을 향하여 힘을 전달할 수 있도록 한 쌍의 유연 조인트(40,40')가 연결된다. 도 1에서는 제2 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터(11,12)에서도 구동부 및 유연 조인트의 결합 관계가 제1의 전자기식 선형 액추에이터(10)와 동일하므로, 설명의 편의상 제1의 전자기식 선형 액추에이터(10)에만 부호를 부여하여 도시하였다.
상기 유연 조인트(40)는 연결 부재(140)를 사용하여 변위를 일으키며 거동하고, 최소 2축 방향 변위를 가지게 하기 위해 한 쌍의 유연 조인트(40,41)가 마련된 것이다. 즉, 상기 유연 조인트(40)의 다른 끝은 연결 부재(140)에 연결되어 집중된 힘을 전달할 수 있도록 구성된다. 상기와 같은 연결 부재(140)는 단순히 힘 전달부품 역할뿐만 아니라 단축 하중을 계측할 수 있는 로드 셀 기능도 구비한다. 이러한 유연 조인트(40)의 구성에 대해서는 후술한다.
한편, 3축 방향의 연결 부재(140)는 가진하고자 하는 시편(60)의 일부분에 고정되며, 시편(60) 중 가진하고자 하는 부분을 제외한 고정부분은 시편 고정 지그(61)에 고정된다.
또한 본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치에는 시편(60)에 인가되는 축 하중을 계측하도록 시편 고정 지그(61)의 하부 마련된 다축 로드 셀(70)과 베이스(20)에 장착되고, 상기 다축 로드 셀(70)의 높이를 조절하는 다축 로드 셀 마운트(71)가 구비된다. 상기 다축 로드 셀(70)의 높이는 다축 로드 셀 마운트(71)에 마련된 모터에 의해 구동되는 볼 스크류로 조절되거나, 공압 에어 실린더로 조절된다. 상기 다축 로드 셀 마운트(71)도 베이스(20)에 용접 또는 볼트 체결 등의 통상의 결합 수단에 의해 고정된다.
한편 상기 베이스(20)는 시험 장치의 가진 주파수와 공진 주파수를 회피하며, 충분한 강성을 보장하는 재질로 형성되며, 사용자가 필요 시, 간이 설치를 위해 에어 마운트에 의해 지지되는 구조로 하여도 좋다.
다음에, 도 1에 도시된 3 자유도 가진 시험 장치에서 암(50)과 연결 부재(140) 사이에 마련된 유연 조인트(40) 구조에 대해 도 2에 따라 설명한다.
상기 유연 조인트(40)는 구동부에서 전달하는 축방향 하중에는 최대한의 강성을 가지며, 축 방향 이외에서 입력되는 다른 방향의 하중에 유연성을 가지기 위해 마련되며, 서로 직각방향의 판 스프링을 연결한 구조를 구비한다.
이러한 유연 조인트(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 지지부재로서 기능하는 스트럿바(strut bar, 41), 상기 스트럿바(41)의 장착되어 유연 조인트(40)의 길이 방향으로 조정되는 커플링(42), 상기 선형 액추에이터(10)에 의한 축 하중을 받는 판 스프링(43) 및 상기 판 스프링(43)과 커플링(42)을 결합하는 커넥터(44)를 구비한다.
또한 상기 판 스프링(43)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스트럿바(41)의 양측에 마련된다. 상기 판 스프링(43)은 암(50)과 연결 부재(140)의 각각에 의한 축 하중을 받는 제1 판 스프링(431) 및 상기 제1 판 스프링(431)과 직각으로 마련된 제2 판 스프링(432)으로 이루어진다. 도 2의 구조에서는 제1 판 스프링(431)이 수평 방향으로 마련되고 제2 판 스프링(432)이 수직 방향으로 마련된 구조를 나타내었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 판 스프링(431)이 수직 방향으로 마련되고 제2 판 스프링(432)이 수평 방향으로 마련된 구조를 채용할 수도 있다.
또 상기 커넥터(44)는 상기 제1 판 스프링(431)과 제2 판 스프링(432)을 결합하는 제1 커넥터(441) 및 상기 제2 판 스프링(432)과 커플링(42)을 결합하는 제2 커넥터(442)로 이루어진다. 이러한 커넥터(44)의 구조는 특별히 한정되는 것은 아니며, 제 1 및 제2 판 스프링(431,432)과 커플링(42)을 결합할 수 있는 구조이면 된다. 즉, 도 2에서는 제 1 및 제2 판 스프링(431,432)의 양측을 고정하는 구조를 나타내었지만, 어느 한쪽만을 고정하여 결합할 수 있는 구조로 하여도 좋다.
상술한 바와 같은 판 스프링(43)은 대략 평판 형상의 2매의 스프링 강이 적층된 구조이며, 이 평판의 중앙 부분에는 슬롯이 형성된 구조를 사용한다. 그러나, 이러한 구조는, 예를 들어 스프링 강의 탄성력, 판 스프링에 인가되는 하중 등을 고려하여 적층되는 판 스프링의 수를 가감할 수 있으며, 슬롯의 크기도 조정 가능하다.
상술한 바와 같이, 간극이 없는 제1 판 스프링(431) 및 제2 판 스프링(432)을 마련하는 것에 의해 축 방향 하중에는 최대한의 강성을 가지며, 축 방향 이외에서 입력되는 다른 방향의 하중에 대해 유연성을 갖게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 3 자유도 가진 시험 장치는 부품 또는 부품의 조립체의 내구성의 이상 유무를 판단하는 기술에 적용된다.
10,11,12 : 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터
20 : 베이스
30,31,32 : 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트
40 : 유연 조인트
50 : 암
60 : 시편
70 : 다축 로드 셀
80 : 수직 액추에이터 고정 구조물
140 : 연결 부재
20 : 베이스
30,31,32 : 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트
40 : 유연 조인트
50 : 암
60 : 시편
70 : 다축 로드 셀
80 : 수직 액추에이터 고정 구조물
140 : 연결 부재
Claims (5)
- 시편의 반대방향을 향해 x축, y축 및 z축에 각각 마련된 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터,
상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각에 마련된 한 쌍의 유연 조인트,
베이스에 장착되고, 상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터를 각각 고정하는 제1 내지 제3의 액추에이터 마운트,
상기 제1 내지 제3의 전자기식 선형 액추에이터의 각각의 구동부에 고정되고, 상기 한 쌍의 유연 조인트의 일 측에 결합된 암,
상기 한 쌍의 유연 조인트의 다른 측에 결합되고, 가진하고자 하는 시편의 일부에 고정되는 연결 부재,
상기 시편에 인가되는 축 하중을 계측하는 다축 로드 셀,
상기 베이스에 장착되고, 상기 다축 로드 셀의 높이를 조절하는 다축 로드 셀 마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 자유도 가진 시험 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 베이스는 에어 마운트에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 3 자유도 가진 시험 장치. - 제1항에 있어서,
상기 유연 조인트는
상기 구동부 또는 고정부를 지지하는 스트럿바,
상기 스트럿바의 장착되어 길이 방향으로 조정되는 커플링,
상기 선형 액추에이터에 의한 축 하중을 받는 판 스프링 및
상기 판 스프링과 커플링을 결합하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 자유도 가진 시험 장치. - 제4항에 있어서,
상기 판 스프링은 상기 선형 액추에이터에 의한 축 하중을 받는 제1 판 스프링 및 상기 제1 판 스프링과 직각으로 마련된 제2 판 스프링을 포함하고,
상기 커넥터는 상기 제1 판 스프링과 제2 판 스프링을 결합하는 제1 커넥터 및 상기 제2 판 스프링과 커플링을 결합하는 제2 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3 자유도 가진 시험 장치.
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Applications Claiming Priority (1)
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2011
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