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부하의 계산
1. 부하의 계산에 대하여
부하의 계산방법에는 유압, 공기압의 차이가 없다. 그러나 공기압은 그 특성상 관성부하는 유압구동의 경우보다 세밀히 계산할 필요가 있다.
또 공기압 구동에는 유압과 같이 부하가 예상보다 크기 때문에, 릴리프 밸브를 조정하여 작용압력을 올리는 것은 불가능한 경우가 많다. 이와 같은 점에서도 공기압 구동쪽이 부하를 세밀히 검토할 필요가 있다.
유, 공압 회로의 설계시에, 계산의 기초가 되는 것은 부하이다. 그러나 부하라고 하는 것은 대부분의 경우, 설계시점에서 알지 못하던 것도 적지 않지만, 어떠한 방법으로 가능한 한 정확한 부하를 산출할 필요가 있다. 그렇지만 부하계산이라 하는 것은 의외로 곤란한 것이고, 정확한 값이 얻어지기 어려운 것이다.
어떤 경우는 설계시점에서, 부하계산을 토대로한 각종 계산 값도, 정확한 값이 아닌 추정 값을 사용하는 경우가 많고, 엄밀히 고려하면 할수록 설계가 어려워져 가는 것이다. 또, 기계부품의 사상정밀도, 조립에서의 오차에 의해서만 상당부분 변화하는 것이다.
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[그림 1] 슬라이드의 습동정항은 슬라이드의 중량, 체결 토오크, 일의 내용 및 정밀도에 따라 변화한다.
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예를 들면 [그림 1]에 표시한 슬라이드의 습동저항은 번잡한 계산이 필요하지만 계산은 가능하다. 그러나 조립시의 조정상태에 따라 저항 값이 대폭적으로 변화하는 것이다.
따라서, 이와 같이 마찰저항은 엄밀히 계산하여도 그다지 효과적인 값이 얻어지지 않는다.
그러나, 정확히 계산할 수 없기 때문이라고 하는 무책임한 견적에서 부하를 결정하면 큰 실수를 범하는 경우도 많다.
그러므로, 거의 실제 값에 근사한 값을 산출하는 것이 가능하면 좋다.
일반적으로 부하는 다음의 3종류로 구분된다.
(1) 사양상 출력으로서의 요구되는 추력(회전력)
(2) 마찰저항에 의한 손실
(3) 관성저항에 의한 손실
2. 사양상 출력으로서 요구되는 추력(회전력)
이 출력은 기계, 장치의 구조와 그 작동사양에서 역학적인 계산을 하면 좋다. 마찰과 관성에 의한 손실은 별도로 계산한다.
이 계산은 기계장치와 그 작동사양이 천차만별이기 때문에, 그 방법도 획일적으로 서술할 수 없다. 방법은 전문서적을 참조바란다. 자주 사용되는 요소의 설계예를 [그림 2]에 표시했다.
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[그림 2] 사양에 의해 출력으로 요구되는 추력 fο에 예(마찰, 관성등에 의한 저항을 무시한 상태)
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3. 마찰저항값의 계산방법
[그림 3]에서 물체의 중량을 W. 물체에 작용하는 수직력을 N으로 한 경우, 이 물체에 F라는 외력을 가하여 수평면 위를 미끄럼 이동시키려면, 외력 F는
F ≥ μ (W+N) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,(2.1)
이 되지 않으면 물체는 움직이지 않는다. μ는 마찰계수라 불리는 정수이고, 미끄럼 면의 파손, 윤활체의 유무외 그 종류와 양, 미끄럼 면의 재질과 그 조합, 기타 조건에 의해 결정된다.
마찰저항은 식(2.1)에서도 알 수 있듯,
(a) 접촉면 사이에 가해지는 수직력에 비례하고, 접촉하는 면적의 크기에는 무관하다.
(b) 마찰은 미끄럼 속도의 크기에는 무관하다. (매우 느린 속도에서는 변화한다)
(c) 일반적으로 정지하고 있는 물체가 움직이기 시작할 때의 마찰(정지마찰)은 운동하고 있을 때의 마찰(운동마찰)보다 크다.
(d) 볼베이링과 같은 회전마찰은 본질적으로, 미끄럼 마찰과 다르지만, 계산을 간단히 하기 위해서, 회전마찰에도 식(2.1)을 적용(마찰계수는 당연히 다르다)하는 경우도 많다.
따라서 일반적으로 기계적인 마찰부분에는 다소 윤활제가 존해하고, 그 상태는 동일하지 않지만 마찰저항의 계산에는
F = μ (W+N).................. (2.2)
를 적용하는 것이 편리하다. 이와 같은 설계를 한 경우, 미끄럼 면의 파손, 윤활유의 상태 등에 따라 마찰계수를 달리하면 정확한 값을 계산할 수 없지만 이 마찰계수를 적절히 고려하는 것은 어려운 일이다.
또 [그림 2.1]의 슬라이드와 같이 조립조정의 상태에서도 마찰저항은 크게 변화하는 것이고, 어려운 일이므로, 계산에서는 완전한 실제값을 구하는 것은 곤란하다.
따라서 설계값과 실제값과는 어느 정도의 차이가 발생하는 것은 부득이한 것이다.
유압 구동장치에서는 다소의 부하가 변하여도 대응할 수 있기 때문에 마찰저항의 계산은 근사치를 구하면 충분하다.
그러므로 [표 2.1]마찰손실 계산도표를 이용하여, 근사치의 저항값을 구하면 충분하다. 또, 이 도표에는 [그림 4]에 표시한 운동부분의 탄성부족에 의한 마찰저항의 증가를 포함되어 있지 않다.
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| [그림 4] GUIDE의 평행도가 일치하지 않으면 마찰저항이 증가한다. | |
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