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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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사판식 피스톤 펌프의 피스톤 슈는 사판 위를 정압 베어링으로 동작하면서 미끄러져 움직인다. 이러한 피스톤 슈 베어링은 피스톤과 볼 조인트로 연결되어 있기 때문에 회전축과 경사진 사판 위를 미끄러져 움직이면서 피스톤이 실린더 블록 내에서 왕복 운동을 하며 펌핑 작용을 할 수 있게 한다. 일반적인 피스톤 슈 베어링은 펌프의 회전 속도가 고속으로 회전하여 정유압 부양력 이외에 추가적인 동유압 부양력을 발생하기 전에는 사판과 고체 마찰과 윤활이 동시에 일어나게 된다. 저속 영역에서 사판과 고체 마찰이 일어나는 이유는 피스톤 슈에 작용하는 정유압 부양력이 수직력보다 작게 설계 되어 있기 때문인데, 이러한 피스톤 슈를 불완전 평형 피스톤 슈 베어링이라고 한다. 만약, 피스톤 슈의 정유압 부양력이 수직력보다 켜지도록 설계된 완전 평형 피스톤 슈는 부양력과 수직력이 평형을 이루도록 자동 조정되며, 이 때 일정한 윤활막의 두께, 즉, 틈새 높이가 결정된다. 그러나 완전 평형 피스톤 슈 베어링은 고속의 회전 영역에서 발생하는 추가적인 동유압 부양력에 의해 틈새 높이가 더욱 켜져 누설에 의한 동력 손실에 매우 취약하다는 단점이 있다. 만약, 완전 평형 피스톤 슈 베어링의 오리피스의 크기를 작게 줄여 누설량을 제한하더라도 작은 오리피스에 의한 오일 오염에 취약하다는 추가적인 문제가 발생한다. 불완전 평형 피스톤 슈 베어링이 저속의 경계 윤활 조건에서 회전 할 때, 사판과의 고체 접촉은 피스톤 슈의 한 점이 접촉한 상태에서 기울어져 회전하게 된다. 결과적으로 사판과 한 점이 접촉하며 기울어진 틈새에서의 오일 누설과 고체 마찰에 의한 마찰력이 발생하며, 마찰에 의한 마모가 발생하게 된다.
만약, 사판식 피스톤 펌프를 electro-ydrostatic actuator(이하, EHA)에 사용한다면, 펌프는 일정한 속도로 회전하지 않고, 급격한 감가속 회전, 방향전환, 제어 오차 보상 또는 내부 누설에 의한 저속 회전 등의 움직임을 반복적으로 수행하게 된다. 본 연구에서는 저속의 경계 윤활 조건에서 피스톤 슈 베어링의 동력 손실을 규명하는 것이 목표이다. 이를 위해서 먼저, 피스톤 슈의 설계 변수를 정의하고, 이론 해석을 통해 계산된 부양력, 복원 모멘트가 실험을 통해 측정된 마찰 토크, 누설량에 미치는 영향을 간접적으로 분석하였다. 설계 변수에 따른 동력 손실의 관계를 독립적으로 관찰하기 위해서 두 개의 설계 변수를 분리하여 실험 모델을 제작하였다. 나아가 피스톤 슈와 사판의 고체 접촉 성분을 고려한 사판식 피스톤 펌프의 동역학 해석 모델을 사용하여 피스톤 슈 베어링의 거동을 관찰하였다. 이 때 피스톤 슈 베어링을 포함한 사판식 피스톤 펌프의 동역학 모델 계산을 간단하게 수행하기 위해서 피스톤 슈 베어링의 등가 모델을 사용하였다.[17]
피스톤 슈 베어링의 마찰 토크를 측정하기 위하여 제작된 시험 장치는 피스톤 압력에 의한 횡방향 힘을 보상하기 위해 정유압 베어링이 사용되었으며, 10~100 의 회전 속도 범위 내에서 측정되었다.
마찰에 의한 동력 손실을 감소시키기 위해서는 평형 계수를 크게 하거나 리세스 비를 작게 하는 것이 유리하였다. 단, 평형 계수를 크게 하였을 때는 마찰에 의한 동력 손실은 감소하나 누설에 의한 동력 손실은 증가하였다. 반대로 리세스 비를 작게 하는 경우에는 마찰과 누설에 의한 동력 손실이 모두 감소하였다. 리세스 비를 작게 하였을 때는 복원 모멘트가 증가하므로 고체 접촉에 의한 마찰 토크 성분과 틈새 높이 감소에 의해 마찰 토크와 누설량이 감소하였다.
만약, 사판식 피스톤 펌프를 electro-ydrostatic actuator(이하, EHA)에 사용한다면, 펌프는 일정한 속도로 회전하지 않고, 급격한 감가속 회전, 방향전환, 제어 오차 보상 또는 내부 누설에 의한 저속 회전 등의 움직임을 반복적으로 수행하게 된다. 본 연구에서는 저속의 경계 윤활 조건에서 피스톤 슈 베어링의 동력 손실을 규명하는 것이 목표이다. 이를 위해서 먼저, 피스톤 슈의 설계 변수를 정의하고, 이론 해석을 통해 계산된 부양력, 복원 모멘트가 실험을 통해 측정된 마찰 토크, 누설량에 미치는 영향을 간접적으로 분석하였다. 설계 변수에 따른 동력 손실의 관계를 독립적으로 관찰하기 위해서 두 개의 설계 변수를 분리하여 실험 모델을 제작하였다. 나아가 피스톤 슈와 사판의 고체 접촉 성분을 고려한 사판식 피스톤 펌프의 동역학 해석 모델을 사용하여 피스톤 슈 베어링의 거동을 관찰하였다. 이 때 피스톤 슈 베어링을 포함한 사판식 피스톤 펌프의 동역학 모델 계산을 간단하게 수행하기 위해서 피스톤 슈 베어링의 등가 모델을 사용하였다.[17]
피스톤 슈 베어링의 마찰 토크를 측정하기 위하여 제작된 시험 장치는 피스톤 압력에 의한 횡방향 힘을 보상하기 위해 정유압 베어링이 사용되었으며, 10~100 의 회전 속도 범위 내에서 측정되었다.
마찰에 의한 동력 손실을 감소시키기 위해서는 평형 계수를 크게 하거나 리세스 비를 작게 하는 것이 유리하였다. 단, 평형 계수를 크게 하였을 때는 마찰에 의한 동력 손실은 감소하나 누설에 의한 동력 손실은 증가하였다. 반대로 리세스 비를 작게 하는 경우에는 마찰과 누설에 의한 동력 손실이 모두 감소하였다. 리세스 비를 작게 하였을 때는 복원 모멘트가 증가하므로 고체 접촉에 의한 마찰 토크 성분과 틈새 높이 감소에 의해 마찰 토크와 누설량이 감소하였다.
목차
요 약 ⅰ목 차 ⅱList of Symbols vList of Figures viiList of Tables xii제 1 장 서 론 11.1 연구 개요 및 현황 11.2 연구 목적 및 주요 연구 내용 9제 2 장 Piston shoe hydrostatic bearing의 이론 해석 102.1 Hydrostatic bearing 이론 해석 102.2 이론 해석 검증을 위한 실험 및 CFX 해석 40제 3 장 Piston shoe 정압 베어링의 동역학 해석 483.1 Piston shoe 정압 베어링의 등가 모델 및 동역학 해석 48제 4 장 Piston shoe의 동력 손실 측정 584.1 실험 장치 구성 584.2 Piston shoe 마찰 토크, 누설 측정 결과 644.2.1 Piston shoe의 마찰 토크 측정 결과 644.2.2 Piston shoe의 누설 측정 결과 684.3 Piston shoe의 마찰 토크, 누설에 의한 동력 손실 결과 74제 5 장 결 론 77REFERENCES 79부록 A. 공급 압력 150 에서 설계 변수에 따른 마찰 토크 실험 결과 82부록 B. 공급 압력 150 에서 설계 변수에 따른 전체 누설 유량 실험 결과 84부록 C. 공급 압력 100 에서 설계 변수에 따른 마찰 소비 동력 실험 결과 86부록 D. 공급 압력 100 에서 설계 변수에 따른 누설 소비 동력 실험 결과 88부록 E. 공급 압력 150 에서 설계 변수에 따른 마찰 소비 동력 실험 결과 90부록 F. 공급 압력 150 에서 설계 변수에 따른 누설 소비 동력 실험 결과 92SUMMARY 94
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