Elastomers and Composites Vol. 50, No. 4, pp. 251~257 (December 2015) Print ISSN 2092-9676/Online ISSN 2288-7725 DOI: http://dx.doi.org/10.7473/EC.2015.50.4.251 Simulation and Experiment of Elastomer Seal for Pneumatic Servo Cylinder Shin Hur † , Kyung Jun Song, and Chang Su Woo Division of nano-convergence mechanical system, Korea Institute of Machinery and Materials, Daejeon 305-343, Korea (Received August 19, 2015, Revised August 28, 2015, Accepted August 31, 2015) Abstract: The rubber seal is a part inserted into servo cylinder to keep the air pressure constant. In order for efficient move- ments of the servo cylinder, the frictional coefficient of the rubber seal needs to be minimized while the sealing is main- tained. In this work the friction characteristics of rubber seal specimen are tested on metal plate at various conditions. The experimental conditions include roughness level, applied pressure, lubrication, and rubbing speed. The design of experiment approach is taken to assess the effect of each parameter. The nonlinear frictional response of the rubber is applied to the FEM model simulating the servo cylinder movement. The result demonstrates that precise optimization of the servo cylinder movement must be preceded by preliminary experiments coupled with the theory and FEM model. Keywords: elastomers seal, mechanical properties, finite element analysis (FEA) friction test, deformation behaviors Introduction 공기압 서보실린더의 핵심은 피스톤에 설치된 고무실에 공 기압이 작용할 때, 공기의 누출을 최소화하면서 서보실린더 보어와 고무실 사이의 마찰을 최소화하는 것이다. 이런 마찰 은 고무실의 마모 및 수명과 밀접한 관계가 있으며, 마모의 영 향인자는 서보실린더 보어의 표면 조도, 공기 압력, 윤활, 작 동속도 등이 있으므로 이를 고려하여 설계해야 한다. 또한 고 무실의 동적 안정성은 락킹(rocking) 을 제거하고 밀봉 접촉점 에서 립을 밀봉 표면에 효과적으로 접촉시키기 위한 중요한 인자이다. 1 일반적으로 공기압 서보실린더에는 립 형상(lip type) 의 고무실을 많이 사용하고 있고 그 단면 형상의 설계가 중요하다. 2 고무실에 대한 유한요소해석의 연구는 Peng, Sun 및 Albertson (1996) 가 정적하중 조건하에서 U-cup 유압 실에 대한 성능을 해석하여 마찰력을 얻고 고무실 내에 생성된 응 력을 분석하였다. 3 Claus (2002) 의 연구는 유한요소해석을 사 용하여 새로운 피스톤 고무실의 개발 및 설계를 검증하기 위 한 시험을 수행하였다. 이와 같은 연구결과는 설계자에게 고 무실을 평가하는데 도움이 되었지만 동적조건에 대한 고무실 의 응답을 나타내는 설계도구로서는 유용하지 않았다. 4 그래 서 고무실의 동적운동을 해석할 수 있는 연구가 더 효과적인 고무실 설계를 위해서 필요하다. 본 연구에서는 저마찰 및 공 기압 서보실린더의 성능에 큰 영향을 미치는 립 형상의 고무 실의 특성을 연구하기 위해서 고무실 소재의 비선형 물성 시 험을 수행하고, 공기압 서보실린더의 성능에 영향을 주는 지 배 인자를 예측하기 위하여 공기 압력, 피스톤 속도, 조도, 윤 활의 작동 조건을 변화시키면서 고무실의 특성을 시험하였다. 또한 공기압 서보실린더 내의 고무실의 변형거동, 응력, 마찰 특성에 대한 시뮬레이션을 통해서 운전조건에 대한 고무실의 거동특성 및 설계기술을 확보하였다. Experimental 1. 고무실 소재의 비선형 물성시험 Figure 1(a) 는 피스톤에 설치되는 NBR (Nitrile Butadiene Rubber) 소재의 고무실(PGY, Sakagami 사, 일본) 을 나타내고, Figure 1(b) 는 고무실의 단면을 보이고 있다. 고무실의 유한요소 해석을 위해서는 비선형 물성시험을 통 한 재료상수 확보가 필수적이다. 이러한 실의 물성은 변형률 에너지함수의 계수 값으로 표현되는데, 이 계수 값들은 여러 † Corresponding author E-mail: shur@kimm.re.kr Figure 1. Structure of piston seal (PGY-20); (a) Shape of piston seal, (b) Cross section.