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[기계공학] 로드셀 측정기를 이용한 마찰실험

서론1. 실험 목적본 실험은 회전하는 디스크와 시편과의 반복적인 접촉을 통한 마찰측정으로 마찰의 이론에 기초를 둔, 회전하는 디스크와 막대 시편사이의 마찰의 상태와 디스트의 건조상태, 윤활상태와 물체의 하중에 따른 마찰의 정도를 파악하기 위함이다.2. 실험 이론2.1 마찰(friction)1) 마찰이란?어떤 물체가 그것이 접해 있는 면에 따라 움직이려고 할때는 항상 그 운동을 방해하려는 반대방향의 힘이 작용하게 된다. 이 힘을 마찰력이라고 한다. 마찰의 원인에 대해서는 여러 가지 설이 있으나 현재까지는 "서로 접한 물체 표면의 분자간의 응집력(분자 상호간에 끌어 당기는 힘) 또는 부착력이 움직임을 막고 있다" 라고 생각하고 있다. 따라서 이 분자간의 인력은 고체와 고체, 고체와 액체가 접하는 모든 경우에 다 작용하며, 이 힘의 크기(마찰력의 크기)는 접하고 있는 두 물체의 성질과 표면의 상태에 따라 달라진다. 또한 액체 자체도 흐름에 따라 마찰을 하게 되는데 이는 액체가 구성된 분자량에 따라 달라지며 윤활유에 있어서 점도가 높을수록 마찰이 크다2) 마찰의 종류?우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 마찰현상의 대표적인 것은 다음과 같은 것들이 있으며,마찰의 방법에 따라 마찰력의 크기가 달라진다.유체 마찰(Fluid friction) : 마찰력이 가장 작다. 마찰계수는 0.01~0.001 정도.경계 마찰(Boundary friction) : 마찰력이 비교적 작다. 마찰계수는 0.1~0.01 정도.고체 마찰(Solid friction) : 마찰력이 크다. 마찰계수는 0.2~1.0 정도.따라서 가장 작은 힘으로 물체를 움직이기 위해서는 유체 마찰이나 경계 마찰과 같은고체와 고체간의 접촉마찰을 마찰이 가장 작은 유체마찰로 바꾸어야 한다. 따라서 마찰이 발생되는 두 물체 사이에서 마찰을 감소시켜주는 것을 윤활이라고 하고 윤활에 사용되는 모든 물질을 윤활제라고 한다3)마찰계수(Coeffient of Friction)마찰계수는 두 미끄럼 물체 혹은 상대운동이 임박한 두 물체 사이의 수직력에 대한마찰력의 비이다. 마찰계수는로 주어진다.여기서= 마찰계수= 상대운동 방향에 접하는 마찰력= 두 물체의 접촉면에 수직한 힘이다.마찰력을 물체가 움직일 때 측정하면를 동마찰계수(coefficient of kinetic friction,) 혹은 미끄럼마찰계수(coefficient of sliding friction,)라고 한다. 상대운동이 없고 마찰력을 미끄럼을 시작할 때 측정하면를 정마찰계수(coefficient of static friction)라고 한다. 고체-고체 접촉에서 정마찰계수는 보통 동마찰계수보다 높다. 접선력을 물체에 가할 경우에만 마찰력이 존재한다. 수직력에 마찰계수를 곱하면 미끄럼을 시작할 때의 마찰력 즉, 운동에 대한 가용 저항을 얻는다.2.2 윤활(Lubrication)1) 윤활이란?움직이는 두 물체의 접촉면에 적당한 물질을 주입하여 마찰 저항을 줄여 그 움직임을 원활하게 하는 것을 말한다. 이때 가장 많이 사용하는 물질이 액체 윤활유다. 윤활유는 윤활작용을 함에 있어 다음과 같은 기능을 갖고 있다.① 마찰의감소- 마찰 저항이 큰 고체마찰을 마찰저항이 작은 유체마찰로 변환시키는 기능을 말한다.② 냉각-마찰이 일어나는 부위에서는 반드시 마찰열이 발생한다. 이 열을 제거하지 않으면 마찰부위에 큰 손상을 가져온다. 따라서 윤활유가 순환하는 과정에서 이 열을외부로 방출하는 역할을 한다.③하중의 분산작용-부분접촉을 하는 부위에는 국부적으로 높은 하중이 걸린다. 그러나 윤활유가 존재하면 부분접점 없이 액면의 전체에 골고루 하중이 걸리므로 하중을 분산시키는역할을 한다.2) 윤활의 목적서로 상대운동을 하는 두 표면을 전단력이 작은 물질로써 분리하여 마찰과 마멸을 줄이고 표면의 손상을 방지하는 것이다. 즉, 윤활은 접촉과 마찰이 개재되는 기계 및 각종 장치의 기본문제로서 베어링, 기어, 캠, 시일 등의 기계요소 및 운활유 절삭유, 작동유, 등에 관한 제반문제와 압연, 절삭, 펴면처리 등의 가공기술, 더 나아가서는 기계 및 장치류의 신뢰성 유지, 수명증대 및 성능향상에 관한 기본기술이며, 이와 관련된 응용기술에 이르기까지 모든 대상으로 하고 있다.3) 윤활의 종류① 유체윤활(Hydrodynamics Lubrication)유체윤활에서는 표면들이 윤활막으로 인하여 완전히 분리된다. 표면을 가까이 밀어붙이려고 하는 하중은 표면들의 상대적인 운동으로 인해 발생하는 유압으로 인하여완전히 지탱된다. 표면 마멸은 일어나지 않으며 마찰 손실은 오직 윤활막 안에서만생긴다. 제일 얇은 곳에서의 전형적인 막의 두께는 0.008부터 0.020mm(0.0003부터0.0008in)이다. 마찰계수()의 전형적인 값은 0.002부터 0.010이다.② 혼합윤활(Mixed-film Lubrication)혼합윤활에서는 표면의 최고점들이 간헐적으로 서로 맞닿으며 부분적으로 유체윤활의 지원을 받는다. 제대로 설계하면, 표면 마멸이 적다. 마찰계수()는 보통 0.004부터 0.10이다.③ 경계윤활(Boundary Lubrication)경계윤활에서는 표면 접촉이 계속적으로 광범위하게 일어난다. 윤활제는 표면위에 계속 “발려지고”, 마찰과 마멸을 감소시키는 흡착표면 막이 계속 새롭게 제공된다. 마찰계수()의 전형적인 값은 0.05부터 0.20이다.④ 극압윤활(Extreme Pressure lubrication)하중이 더욱 증가되어 윤활상태가 가혹하게 되면 유막의 두께가 더욱 얇아지고, 심한 마찰로 온도가 높아지게 되며, 결국 흡착유막으로서는 하중을 지탱할 수 없게 되므로 국부적으로 금속의 융착과 전단이 반복되어 유막이 파단되어 금속대 금속의 접촉이 발생하게 된다. 이와 같이 금속끼리 접촉되는 부위의 온도는 매우 높으며, 이로 인해 금속의 융착소부현상, 즉, 타서 눌어붙는 현상이 발생된다. 이때에는 오일의 점도나 유성으로서는 해결할 수 없고, 극압(EP)첨가제를 첨가하여 마찰저항이 작은 금속피막을 형성하므로서 윤활면에 손상이 없는 윤활이 가능하다. 이러한 화합물 즉, 극압첨가제는 금속면의 돌출부 간에서 발생되는 높은 마찰열에 의해 첨가제가 화학적으로 반응하므로서 발열부위에 피막을 형성하는 것이다.4) 유체윤활의 Reynolds의 이론적 해석-유체가 뉴톤유체, 비압축성, 일정한 점도, 관성이나 중력을 받지 않는다.-유체는층류 흐름이고, 경계면에서는 미끄럼이 없다.-유막은 너무 얇기 때문에 두께 방향으로 압력 변화는 무시한다.위의 가정들을 취할 때, 1차원 유동을 위한 전형적인 Reynolds 식은이다.여기서,= 유막의 두께= 유체의 점성= 압력 구배= 유체의 표면속도이다.2.3 로드 셀(Load Cell)로드셀은 해상 구조물 및 대형 기계 구조물의 하중 측정, 고급 재료시험기의 하중 감지소자, 힘 자동제어 및 측정장치, 각종 하중 측정시스템, 원자재 강도시험 및 댐, 터널 등의 토목 구조물의 구조 해석용 하중 감지소자로 산업현장에 널리 응용되고 있는데 그것의 응용범위가 확장되면 될수록 사용목적 및 설치 환경에 적합한 형태 및 크기의 로드셀이 필요하게 된다.o Principle of Load Cell일반적으로 로드셀이라 함은 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환 기의 총칭으로 Strain guage식 로드셀을 의미한다. 따라서 Stringuage를 금속 탄성체에 점착하고 그 탄성체에 하중을 가했을 때 탄성체의 Strain을Strain gauge의 저항값의 변화로서 가해진 하중의 크기에 비례한 전기적 출력신호를얻을 수 있다.실 험 방 법준비물: 시편막대 1개(아크릴), 로드셀 측정기, 물(윤활유), 종이, 펜,각 무게의 추(200g,600g,1000g), 사포■ 건마찰시1. 시편물이 실험장치의 디스크와 맞닿는 면이 수평이 되도록 하기 위하여 사포를이용하여 시편물을 평형하게 갈아준다. 시편물과 디스크가 맞닿는면이 수평이아니면 실험간 시편물이 디스크와의 마찰에 의해 소음이 발생되고 또는 마찰면도일정하지 않아 단위면적당 작용하는 힘이 일정하지 않는다. 그러므로 실험 기간동안의 일정한 마찰면을 유지하기 위하여 시편물을 갈아준다.2. 수평판의 무게에 의한 하중을 제거하기 위하여 평형을 맞춘다. 시편물을 고정시킨 상태에서 수평포를 이용하여 수평판의 수평을 맞춘다.3. 수평을 맞춘 수평판의 상태에서 시편물과 디스크가 맞닿은 상태가 되도록 시편물의 위치를 조정한후 지그나사를 대각선 방향을 조여서 수평을 맞춘 수평판의 시편물과 디스크가 평형을 맞추게 한다.4. 로드셀의 갑작스런 충격을 방지하기 위하여 끼워둔 주사기를 제거한다.5. 정해진 무게의 추(600g, 200g, 1000g)를 수평판에 올려놓고 디스크의 회전속도를 조절한 후 실험장치를 작동시킨다.6. 디스크 회전 대략 30초(시편물의 안정된 하중을 가하는 상태까지의 시간)후에로드셀의 대략적인 평균하중값을 기록한다.7. 실험값을 이용하여 마찰계수를 구한다.■ 윤활마찰시1. 윤활유(물)를 디스크 높이까지 붓는다. 디스크 표면에 물이 고여있지는 않지만그러나 시편과 디스크 사이의 물의 유막형성에 의해 윤활상태를 유지한다.2. 건마찰시의 실험과정 5～6을 반복한다.※ 윤활마찰시 주의물(윤활)의 관찰시 디스크의 높이가 낮아 높이가 균일하지 않아 물이 튀는 경우가발생한다.실 험 결 과■ 실험측정 데이터속도(RPM)무게(kg)마찰력(F)평균마찰력마찰계수(μ)건조상태300.60.102~0.1240.1883330.113500.20.032~0.0370.17250.03457010.340~0.3800.360.36윤활상태300.60.316~0.3390.5466670.328500.20.079~0.0870.2650.0537010.428~0.4750.4520.452■ 실험측정 데이터(그래프)o 건조상태o 윤활상태토의o 오차가 나온 이유에 대하여 이야기 해 보겠습니다. 실험 과정에서 무게의 추로 균형을 잡을때 아무리 정확하게 잡는다고 하여도 정확한 중심을 잡기가 어려웠습니다. 중심이 정확하게 잡히지 않으므로 정확한 무게가 실험에 가해지지 않았습니다.o 아크릴이 정확하게 수평을 이루어 샤프트와 정확한 접촉이 있어야 했지만 사포로

공학/기술| 2005.08.28| 8페이지| 1,000원| 조회(657)

로드셀, 윤활마찰, 마찰실험

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