이번에는 마찰차의 기초사항과 평마찰차에 대해 알아보겠습니다.
이 내용은 앞으로 설명할 다양한 마찰차에 대해서도
기본원리는 동일하게 적용됩니다.
1. 용어
[출처] terms.naver.com/entry.naver?docId=411882&cid=42327&categoryId=42327
- 마찰차 : 2개의 바퀴를 접촉시켜 마찰력을 이용하여 동력을 전달시키는 장치
- 원동차(축) : 외부에 동력을 받아 전달시키는 바퀴(축)
- 종동차(축) : 원동차의 힘으로 움직이는 바퀴(축)
- 2개의 바퀴는 구름 접촉(rolling contact)을 하여
접촉선 위의 2 바퀴의 표면속도는 같습니다.
2. 적용
- 전달해야 할 힘이 크지 않고 정확한 속도비가 중요하지 않은 경우
- 회전 속도가 커서 일반 기어를 사용할 수 없는 경우
- 양 축 사이의 동력을 자주 분리할 필요가 있는 경우
- 무단변속을 할 경우
3. 종류
[출처] http://c.doowon.ac.kr/book/MDesign/%EB%A7%88%EC%B0%B0%EC%B0%A8
/%EB%A7%88%EC%B0%B0%EC%B0%A8.htm
4. 평마찰차
(1) 회전비, 속비(velocity ratio), i
두 원통마찰차가 완전한 구름 접촉을 하여 미끄럼이 없다고 하면,
표면속도 v[m/s]는 서로 같습니다.
따라서 속비 i는
각속도 ω[rad/s]와 분당회전수 N[rpm], 지름 D[m]에 대해서 다음과 같습니다.
만약 속비 i < 1이면,
종동차 B가 원동차 A보다 각속도가 느리고, 지름은 크므로
감속 장치의 역할을 합니다.
그리고 속비 i > 1이면,
종동차 B가 원동차 A보다 각속도가 빠르고, 지름은 작으므로
증속 장치의 역할을 합니다.
(2) 중심거리, C
내접 마찰차와 외접마찰차에 대해
중심거리 C는 아래와 같습니다.
또한, 속비 i를 이용하면
원동차와 종동차의 지름에 대해서
아래와 같이 표현할 수 있습니다.
[출처] https://terms.naver.com/entry.naver?docId=411882&cid=42327&categoryId=42327
추가적으로
내접 마찰차의 경우, 원동차와 종동차의 회전방향이 다르며,
외접 마찰차의 경우, 원동차와 종동차의 회전방향이 같습니다.
(3) 마찰력, F
마찰력의 기본 사항에 대해서 알아보면,
마찰력 F[N]와 수직항력 P[N]에 대한 비를
마찰계수 μ로 나타냅니다.
또한, ρ를 마찰각이라고 합니다.
이를 마찰차에 적용하면,
마찰차를 미는 힘 P[N]로 밀어붙이면 접촉선에서 마찰력 F[N]가 생기고,
그에 대한 비를 마찰계수 μ로 표현합니다.
마찰차에 적용한 그림은 아래와 같습니다.
[출처] http://c.doowon.ac.kr/book/MDesign/%EB%A7%88%EC%B0%B0%EC%B0%A8
/%EB%A7%88%EC%B0%B0%EC%B0%A8.htm
추가로 마찰력에 대해서,
마찰력은 정지마찰력, 운동마찰력으로 나뉘어집니다.
(정지마찰력은
물체에 중력 P가 주어줬을 때,
물체를 당겼지만 최대 정지 마찰력을 넘지 못하여 움직이지 않는 상황,
운동마찰력은
물체에 중력 P가 주어줬을 때,
물체를 당겨 최대 정지 마찰력을 넘겨 움직이는 상황을 생각하면 이해하기 쉽습니다.)
[출처] terms.naver.com/entry.naver?docId=940880&cid=47338&categoryId=47338
(4) 토크, T
마찰력 F에서 알아봤듯이,
마찰차가 정지된 상태에서부터 최대 정지 마찰력까지는
종동차에 동력이 전부 전달됩니다.
하지만, 최대 정지 마찰력을 넘게되면 마찰차에 미끄럼이 발생하여
종동차에 동력이 전부 전달되지 않습니다.
따라서 최대 토크 T[J, N∙m]는 다음과 같습니다.
토크 T는 원동차와 종동차가 서로 다르며,
각각의 지름과 각속도의 영향을 받습니다.
만약 속비 i < 1이면,
종동차 B가 원동차 A보다 각속도가 느리고, 지름은 크므로
감속 장치 역할을 하며,
종동차 토크 T가 원동차의 토크 T보다 크므로
저속강력 절삭을 목적으로 사용하기도 합니다.
(5) 동력, H
토크 T와 같은 원리로, 최대 동력 H[W]는 다음과 같습니다.
하지만 토크 T와 다르게,
원동차와 종동차의 속도 v는 서로 같으므로
최대 동력 또한, 같습니다.
(6) 접촉선 상의 허용 응력, q
원동차와 종동차는 선으로 접촉합니다.
따라서 바퀴를 미는 힘 P[N]와 바퀴의 폭 b[mm]에 대해
접촉선 상의 허용응력 q[N/mm]은 다음과 같습니다.
(7) 설계
보통 최대값의 60% 정도로 허용하여 설계합니다.
하지만 아래의 표와 같이 마찰계수 μ, 접촉선 상의 허용응력 q로
설계하는게 좋다고 주장하는 사람도 있습니다.
[여러 가지 재료의 마찰계수]
[뢰트셀에 의한 마찰계수]
