[논문]자동차 기관의 마운팅 고무에 대한 마찰특성 연구

이봉구; 오성모

doi:10.5762/kais.2010.11.4.1197

자동차 기관의 마운팅 고무에 대한 마찰특성 연구
A Study on the Friction Characteristics for Mounting Rubbers on the Automotive Engine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.4, 2010년, pp.1197 - 1202

이봉구 (원광대학교 기계자동차공학부) , 오성모 (원광대학교 기계자동차공학부)

초록
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우리는 자동차 엔진을 지지하기 위한 고무에 대한 마찰특성을 연구하였다. 본 논문은 실험실에서 개발된 테스트 장비를 사용하여 여러 고무의 마찰 마모 특성을 실험적 연구에 의해 분석하였다. 마찰특성은 하중과 온도, 속도 등과 같은 여러 가지 조건 하에서의 마찰력과 수직하중으로부터 측정되었다. 따라서 자동차는 물론 각종 구조용으로 사용되어 지고 있는 고무는 여러 조건에 따라 마찰특성의 관계를 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have studied on the frictional characteristics for mounting rubbers varieties structures on the automotive engine. This paper are using a test apparatus developed in the laboratory, friction and wear characteristics of various rubbers have been analyzed by experimental study. Frictional characteristics has been measured from the normal force and friction force under various operating conditions, such as, loads, speed and temperatures. Therefore, the rubbers are used in a several varieties structures as well as automotive, the relations between the various conditions and frictional characteristics have been investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 경도가 다른 천연고무 2종류와 합성고무 3종류에 대해 여러 가지 조건에서 마찰특성을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 자동차 엔진을 지지하기 위한 고무에 대한 마찰특성을 고찰 하였으며, 또한 향후 고무가 이용되는 기계요소나 기계시스템의 거동을 예측하고 성능과 수명을 개선하는데 이용하고자 공업용으로 많이 사용되는 천연고무(Natural Rubber)와 합성고무(Synthetic Rubber)를 대상으로 다양한 운전조건하에서의 마찰특성을 측정하였다. 시험에 이용된 고무재료는 NR(Natural Rubber:천연고무; A), ENR(Epoxyclized Natural Rubbers;에폭시화 천연고무 ; B)의 천연고무 2종류와 BR(Polybutadiene Rubber: 폴리부타디엔 고무; C), SBR(Styrene Butadiene Rubber:스티렌부타디엔 고무; D), NBR(Nitrile Butadiene Rubber:니트릴 부타디엔 고무; E)의 합성고무 3종류이다.

제안 방법

본 실험에는 초탄성체 고무류의 마찰특성을 측정하고자 자체 개발한 마찰․마모시험기(Fri WeT:Friction & Wear Tester)를 사용하였다(그림 1, 2).
시험에는 본 연구팀이 자체개발한 마찰·마모시험기를 이용하였다[13].
수직력(P)과 마찰력(F)을 A/D보드를 통하여 실시간으로 수집 저장하고 PC에서 마찰계수(μ=F/P)를 계산 처리한다. 이때 측정 온도, 부과 하중, 재질 및 형상 등을 동시에 기록 저장하고 동일한 조건에서 5회 이상 수행한 후 평균값과 표준편차를 0.15% 범위 이내에서 판정하여 계산한다.
항온조 위에 시편을 설치하고 팁을 통하여 수직 하중을 가한 상태에서 시편을 정․역회전 시켜 상대운동을 일으킨다. 접촉면적과 경도 등을 비교하기 위한 예비실험으로서, 온도 23.5℃에서 하중(N)을 10N, 30N, 50N으로 변화시켜 가며 테스터 볼과 시편의 접촉지름 및 접촉면적(A)을 측정하고, 이 값을 이용하여 접촉압력 계산식(P=N/A)에 의하여 계산하였다[표1].
시험에 이용된 고무재료는 NR(Natural Rubber:천연고무; A), ENR(Epoxyclized Natural Rubbers;에폭시화 천연고무 ; B)의 천연고무 2종류와 BR(Polybutadiene Rubber: 폴리부타디엔 고무; C), SBR(Styrene Butadiene Rubber:스티렌부타디엔 고무; D), NBR(Nitrile Butadiene Rubber:니트릴 부타디엔 고무; E)의 합성고무 3종류이다. 첨가제에 따른 경도 차이에 따라 각각 A, B, C, D, E로 분류하였다. 시험에는 본 연구팀이 자체개발한 마찰·마모시험기를 이용하였다[13].

대상 데이터

8mm/sec이다. 고무시편은 직경 150mm인 원판으로 두께가 1.5mm인 것을 사용하였다.
시편과 상대마찰을 하는 표준 시편은 직경이 8.7mm이고, 끝이 구의 형태이며, 재질은 베어링강이다. 시편이 설치되는 항온조의 표면온도는 상온과 40℃, 그리고 60℃로 조절된다.
본 연구에서는 자동차 엔진을 지지하기 위한 고무에 대한 마찰특성을 고찰 하였으며, 또한 향후 고무가 이용되는 기계요소나 기계시스템의 거동을 예측하고 성능과 수명을 개선하는데 이용하고자 공업용으로 많이 사용되는 천연고무(Natural Rubber)와 합성고무(Synthetic Rubber)를 대상으로 다양한 운전조건하에서의 마찰특성을 측정하였다. 시험에 이용된 고무재료는 NR(Natural Rubber:천연고무; A), ENR(Epoxyclized Natural Rubbers;에폭시화 천연고무 ; B)의 천연고무 2종류와 BR(Polybutadiene Rubber: 폴리부타디엔 고무; C), SBR(Styrene Butadiene Rubber:스티렌부타디엔 고무; D), NBR(Nitrile Butadiene Rubber:니트릴 부타디엔 고무; E)의 합성고무 3종류이다. 첨가제에 따른 경도 차이에 따라 각각 A, B, C, D, E로 분류하였다.

성능/효과

1) 접촉압력이 증가함에 따라 마찰계수는 약 0.2정도 미소한 감소현상을 보이고, 고 하중 일수록 경도 차이에 따른 마찰계수 차이는 줄어들었다. 그리고 상대속도가 증가할수록 마찰계수가 증가하였다.
2) 낮은 하중(20N)에서 고온으로 갈수록 합성고무 C의 마찰계수가 0.8정도로 가장 높았고, 같은 합성고무 D와 천연고무 B가 0.2∼0.4의 분포로 가장 낮은 마찰계수를 보였다.
3) 속도가 높은 경우 온도변화에 따른 마찰계수는 0.6∼1.6으로 변화하여 일관성을 찾을 수 없었으나 금속과는 달리 초점탄성에 기인하는 끌림 마찰현상이 발생하며, 이 경향은 특히 고속의 경우에 현저하였다.
4) 마찰계수는 온도, 속도, 하중 및 표면조도와 상대 재질에 따라 최고 70%이상까지 변화하므로, 정확한 마찰계수의 측정은 실제 사용 상태와 동일한 시험 조건하에서 수행되어야 한다.
결론적으로 대체로 고하중 고속 조건하에서 마찰계수의 평균값이 일정하지 않고, 상대운동이 계속됨에 따라 마찰력은 감소하고 이로 인하여 마찰계수 역시 선형적으로 미소하게 감소하거나 급격히 증가하는 현상이 관찰된다.
7 mm/sec 저속․저 하중 상온에서의 고무 시편 A, B, C, D, E의 일반적 거동을 보여주는 측정 결과이다. 그림에서 보이는 바와 같이 시험에 이용된 모든 재질이 일정한 크기의 낮은 정하중을 가하였을 때 수직력(P)과 마찰력(F)등은 초기이후 안정적인 형태가 나타났으나 이것은 고무의 일반적인 성질 가운데 점탄성에 기인된 떨림현상 즉 채터링 현상으로서 하중과 속도 및 온도 조건에 관계없이 stick-slip에 의한 것으로 추정되는 채터링 현상이 나타났다. 일방향상대 운동의 경우에도 마찰계수 값이 일정하지 않고 주기적으로 변화한다.
천연고무는 기계적 강도, 내마모성, 동적특성이 합성고무에 비해 우수하여 항공기 부품, 자동차 타이어, 방진용으로 사용되고 있다[1-5]. 기계적 특성은 탄성계수가 매우 작고 비선형적인 거동을 보이며, 파단까지의 신장율은 매우 크고, 응력 및 비틀림 변형이 쉬우며 전기 절연성과 내약품성을 지니고 있다. 고무재료의 동적 특성에 따른 내마모성은 금속 재료와는 달리 점탄성이 강하고 마찰 마모특성도 금속과는 매우 다른데[6], 고무 재료의 마찰특성은 온도와 하중 조건뿐만 아니라 마찰계면의 상태(표면 거칠기, 산화, 이착, 오염 등)와 마찰 방법(미끄러짐, 구름 등)에 따라서 크게 좌우된다[7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연고무의 특징은?	고무는 먼지의 유입을 방지하고 기밀을 유지하기 위한 밀봉 요소나 소음과 진동 방지를 위한 방진요소, 그리고 구조요소나 동력을 전달하기 위한 요소로 주로 사용되고 있다. 천연고무는 기계적 강도, 내마모성, 동적특성이 합성고무에 비해 우수하여 항공기 부품, 자동차 타이어, 방진용으로 사용되고 있다[1-5]. 기계적 특성은 탄성계수가 매우 작고 비선형적인 거동을 보이며, 파단까지의 신장율은 매우 크고, 응력 및 비틀림 변형이 쉬우며 전기 절연성과 내약품성을 지니고 있다.
	본 연구에서 경도가 다른 천연고무 2종류와 합성고무 3종류에 대해 여러 가지 조건에서 마찰특성을 측정한 결과는?	1) 접촉압력이 증가함에 따라 마찰계수는 약 0.2정도 미소한 감소현상을 보이고, 고 하중 일수록 경도 차이에 따른 마찰계수 차이는 줄어들었다. 그리고 상대속도가 증가할수록 마찰계수가 증가하였다. 2) 낮은 하중(20N)에서 고온으로 갈수록 합성고무 C의 마찰계수가 0.8정도로 가장 높았고, 같은 합성고무 D와 천연고무 B가 0.2∼0.4의 분포로 가장 낮은 마찰계수를 보였다. 3) 속도가 높은 경우 온도변화에 따른 마찰계수는 0.6∼1.6으로 변화하여 일관성을 찾을 수 없었으나 금속과는 달리 초점탄성에 기인하는 끌림 마찰현상이 발생하며, 이 경향은 특히 고속의 경우에 현저하였다. 4) 마찰계수는 온도, 속도, 하중 및 표면조도와 상대 재질에 따라 최고 70%이상까지 변화하므로, 정확한 마찰계수의 측정은 실제 사용 상태와 동일한 시험 조건하에서 수행되어야 한다.
	고무 재료의 마찰특성은 무엇에 영향을 받는가?	기계적 특성은 탄성계수가 매우 작고 비선형적인 거동을 보이며, 파단까지의 신장율은 매우 크고, 응력 및 비틀림 변형이 쉬우며 전기 절연성과 내약품성을 지니고 있다. 고무재료의 동적 특성에 따른 내마모성은 금속 재료와는 달리 점탄성이 강하고 마찰 마모특성도 금속과는 매우 다른데[6], 고무 재료의 마찰특성은 온도와 하중 조건뿐만 아니라 마찰계면의 상태(표면 거칠기, 산화, 이착, 오염 등)와 마찰 방법(미끄러짐, 구름 등)에 따라서 크게 좌우된다[7]. 이 때문에 고무의 특성이나 거동을 예측하기위해 필요한 마찰계수를 결정하기가 어렵고 해석이 곤란하다.

참고문헌 (13)

R. P Brown, "Physical Testing of Rubber" 3rd ed. Chapman & Hal. 1996.
A. Schallamach, "How does rubber slide?" Wear, Vol. 17, pp.301-312. 1971.

상세보기
M. Barquins and R. Courte, "Rubber friction and the rheology of viscoelastic contact" Wear, Vol. 32, pp.133-150. 1975.

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A. Schallamach, "The velocity and temperature dependence of rubber friction" Proc. Phys. Soc B, Vol. 66, pp.386-392. 1953.

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F. L. Roth, R. L. Driscoll and W. L. Holt, "Frictional properties of rubber" J. Res. Nat. Bur. Stand. USA, Vol. 28, pp.439-462. 1942.

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오성모, "물리적 증착 방법에 의한 TiC, TiN코팅에 따른 자동차 구조용 재료의 트라이볼로지 특성" 한국 산학기술학회논문지, 제8권, 제3호, pp. 432- 436, 2007.

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이봉구, 오성모, "자동차 타이어의 마찰 특성에 관한 연구", 한국산학기술학회논문지, 제9권, 제6호, pp. 1535-1540, 2008.

원문보기 상세보기
K. A. Grosch, Relation between friction and viscoelastic properties of rubber" Proc. R. Soc. London, Ser. A, Vol. 274, pp.21-39. 1963

상세보기
M. Barquins and A. D. Roberts, "Rubber friction variation with rate and temperature" some new observations, J. Phys. D, Vol. 19, pp. 547-563. 1986.

상세보기
A. D. Roberts and A. G. Thomas, "Static friction of smooth cleaned vulcanized rubber" NR Technology, Vol. 7, pp.38-42. 1976.
M. Barquins, "On a new mechanism of rubber friction" Wear, Vol. 97, pp.111-114. 1984.

상세보기
M. Barquins, R. Courtel and D. Maugis, "Friction on stretched rubber" Wear, Vol. 38, pp.385-389. 1976.

상세보기
오성모, 천길정, 이봉구, 김완두, "고무 마찰 시험기의 개발" 한국윤활학회 제 28회 추계학술대회, pp. 139-143, 1998.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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