영상기술 기반 축계 토크 측정 연구

Abstract

Torque is a fundamental property of rotational force that is constantly reviewed throughout the process of modeling and inspecting mechanical engines. Engine manufacturers use torque data to calculate numerous engine qualities such as power consumption, efficiencies and failures. It is a core element that enables comparing modeled computational data to manufactured engine data. Recently, torque meter such as Kyma Shaft Power meter (KPM) is broadly used in ship industries. It has been a reliable source of measuring torque, yet it is very expensive and large in size. A relatively inexpensive and lighter torque sensing method that is not restricted to shaft diameter is in demand.

Many theories and methods for torque measurement have been proposed. One of them is to use Particle Image Velocimetry (PIV). Unlike conventional measurement methods for torque is to use contact type torque sensors, PIV is a non-contact method. The advantage of non-contact measurement method for torque is that it is not limited to diameter of the shaft. Conventional torque sensors are not universally applicable for different size of shafts.

Torque of a shaft is related to torsional angle and torsional stiffness. When a shaft rotates, the load in the shaft twists the shaft and creates torsional angle variations. The magnitude of this angle is related to the diameter, the length, and the material of the shaft. Therefore, if the torsional angle and the material property of the shaft are given, the magnitude of the torque can be measured. PIV is able to verify the pattern of the image displacements by applying patterns on the shaft. This method allows us to effectively measure the torsional angle of a running shaft, and has the potential of becoming mainstream torque measurements. However, it is questionable if it is as reliable as contact type torque sensors. In this paper, the performances of a torque measurement system based on PIV and a contact type measurement system are compared. The torque results obtained by PIV method in this study reach up to 96% of the results obtained by contact type torque sensor. |토크(Torque)는 여러 공업 분야에서 다양하게 사용되는 기계적 표현법이다. 특히 석박 및 자동차 분야에서 토크란 엔진의 설계 및 검증 시 필수적으로 검토해야하는 변수중 하나이다. 엔진 설계 시 토크를 우선적으로 선정하여야 엔진의 성능 및 힘을 결정 할 수 있으며 제작된 엔진의 검증 또한 토크 측정으로부터 시작된다. 엔진으로부터 힘의 전달을 담당하는 축계의 안전성 검토 및 향상 또한 토크가 필요하다. 토크는 엔진 설계부터 검증까지 폭넓게 사용되기 때문에 토크는 여러 가지 방식으로 측정되어왔으며 이는 축의 비틀림 각 측정이 필수이다.

지금까지 여러 가지 토크 측정방식이 제기되어 왔으며 본 노문에서는 가시화를 활용한 토크 측정법에 대하여 설명하고 있다. 전통적인 신뢰성이 높은 토크 측정 방식은 접촉식이다. 가시화를 통한 토크 측정법은 카메라를 활용하기 때문에 비접촉식이며 여러 가지 크기의 축 직경에 사용 가능함으로 범용성이 접촉식보다 좋다.

축의 토크는 축이 회전함에 따라 발생되는 비틀림 각과 축의 물성치인 비틀림 강성에 연관성을 가진다. 따라서 비틀림 각과 비틀림 강성을 구한다면 축게 가해지는 토크를 살출할 수 있다. 가시적 토크 측정 방식은 입자영상유속계를 활용하여 축에 설치된 랜덤 패턴을 인식하여 축의 여러 지점에서 축의 이동 량을 확인할 수 있다. 하지만 가시화를 통한 토크 측정법은 새로운 측정법이기 때문에 접촉식 토크 측정법에 비해 신뢰도 평가가 부족하다. 따라서 본 논문에서는 PIV를 활용한 가시적 토크 측정법과 접촉식 토크 측정법의 토크 측정 결과를 비교 분석한다. 가시적 토크 측정 결과는 접촉식에 비해 최대 96%의 동일성을 가지는 것을 확인 했으며 이는 가시적 토크 측정법이 접촉식 토크 측정법을 대체할 수 있는 가능성을 확인하였다.