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문제 정의
- 특히, 자동차 방진고무부품들은 차량 주행 중 반복하중에 의한 피로손상이 발생될 수 있는 부품으로 신뢰성 보증기간 확대 추세에 따라 피로내구성 평가가 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 설계 초기단계에서도 짧은 기간에 비교적 정확하게 부품의 피로수명을 예측할 수 있는 방법을 개발하여 개발소재의 피로내구성을 평가하였다.(7)
- 본 논문에서는 고무-점토 나노복합체를 이용하여 친환경적이며 기계적 물성이 우수한 방진고무소재를 개발하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (1) 고무-점토 나노복합체의 합성은 대량생산에 유리하고 용액을 사용할 필요가 없어 환경측면에서도 유리한 방법인 고분자를 용융상태에서 실리 케이트의 층간에 직접 삽입하는 용융삽입법 을 이용하여 고분자 층상 실리게이트로 개발 소재를 제조하였다.
- (3) 설계 초기단계에서도 짧은 기간에 비교적 정 확하게 고무부품의 피로수명을 예측할 수 있는 방법을 개발하여 개발소재의 피로내구성을 평가하였다.
- 고무부품의 피로수명을 예측하기 위해서는 우선 동일한 고무재료의 피로수명선도가 있어야 하므로 고무부품의 피로하중에 의한 최대 인장변형률을 재현할 수 있는 Fig. 11 과 같은 3 차원 피로시편을 설계, 제작하여 피로시험을 수행하여 부품의 내구 수명을 평가하는데 이용하였다.
- 기존 및 개발소재의 피로수명을 파악하기 위해 3 차원 피로시편에 대해 변위제어시험기를 이용하여 피로시험을 수행하였다.
- 나노 복합체의 합성은 대량생산에 유리하고 용액을 사용할 필요가 없어 환경측면에서도 유리한 방법인 고분자를 용융상태에서 실리케이트의 층간에 직접 삽입하는 용융삽입법을 이용하여 고분자 층상 실리게이트로 제조하였다.
- 다음은 개발소재에 대한 장기 열 노화물성을 파악하기 위해 70°C, 85°C, 100°C 에서 1, 2, 4, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 일 동안 열 노화시킨 후 일정 시간에서의 경도, 인장강도, 신율, 모듈러스 변화를 기존소재(NR)와 비교, 검토하였다.
- 본 연구에서 제안된 고무부품의 피로수명 예측 방법은 고무소재의 물성시험 결과를 이용하여 부품의 유한요소해석을 수행하고, 최대 그린-라그랑지 변형률과 변위와의 관계를 구한 다음에 부품과 같은 물성을 갖는 3 차원 피로시편에 대해 피로시험을 수행하여 최대 그린-라그랑지 변형률과 피로 수명과의 관계를 구한 후, 최종적으로 부품의 유한 요소 해석결과와 시편의 피로실험결과를 이용하여 부품의 피로수명을 예측하고, 예측된 피로수명과 부품의 피로시험결과를 비교하여 본 연구에서 제안된 피로수명 예측 절차의 타당성을 검증하였다.
- 앞에서 제안한 고무부품 피로수명예측 방법의 타당성을 검증하기 위해 자동차 방진고무부품으로 사용되고 있는 엔진마운트에 대한 유한요소 해석과 피로시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 배합에 사용된 고무는 니트릴 부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR)이고, 가황 활성제는 아연화(ZnO)와 스타일렌산(Stearic acid), 첨가제는 3C 를 사용하였다. 가황제는 순도 99,9%의 황(SP 325)을 사용하였고 가황촉진제로는 TT, CZ 를 사용하였다. 또한 보강 충진제는 카본블랙, 클레이, 나노 클레이를 사용하였다.
- 가황제는 순도 99,9%의 황(SP 325)을 사용하였고 가황촉진제로는 TT, CZ 를 사용하였다. 또한 보강 충진제는 카본블랙, 클레이, 나노 클레이를 사용하였다.
- 본 연구에서 배합에 사용된 고무는 니트릴 부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR)이고, 가황 활성제는 아연화(ZnO)와 스타일렌산(Stearic acid), 첨가제는 3C 를 사용하였다. 가황제는 순도 99,9%의 황(SP 325)을 사용하였고 가황촉진제로는 TT, CZ 를 사용하였다.
성능/효과
- (2) 개발된 소재에 대해 상온 및 노화 상태에서의 물성시험을 수행하여 인장강도, 신율 및 모듈러스 변화 등 기계적 물성이 개발소재가 기존소재 보다 월등히 우수함을 확인하였다.
- (4) 시편에 대한 피로수명예측 식을 이용하여 예측된 수명과 실제 엔진마운트에 대한 피로시험을 통해 얻어진 피로수명은 비교적 정확하게 예측됨을 확인 할 수 있었으며, 개발소재로 제작된 엔진마운트의 수명이 기존소재보다 길게 나타나 개발소재가 내구성이 향상된 고무 소재임을 알 수 있었다.
- Fig. 12(a)는 기존 및 개발소재에 대한 최대인장 변위와 피로수명과의 관계를 나타낸 선도로 인장 변위가 클수록 피로수명이 감소하여, 최대인장변위를 피로손상 변수로 하면 시험조건에 상관없이 피로수명을 잘 표현할 수 있음을 알 수 있었다. 피로시험 결과를 이용하여 구해진 최대인장 변위와 피로수명과의 선도를 피로시편에 대한 유한요소 해석으로부터 구해진 최대 인장변위와 최대 변형률과의 관계를 이용하여 Fig.
- Fig. 13(c)와 (d)는 엔진마운트의 피로시험 결과를 나타낸 것으로 피로균열은 해석에서 최대변형률이 발생하는 부위에서 발생하여 해석과 시험결과가 잘 일치하였으며 개발소재로 제작된 엔진마운트의 수명이 기존소재보다 길게 나타나 개발소재가 내구성이 향상된 고무소재임을 알 수 있었다.
- Fig. 6~10 은 기존 및 개발소재에 대한 50 일간 노화물성시험 결과를 나타낸 것으로 기존소재는 85°C 에서는 40 일, 100°C 에서는 20 일만 노화되어도 경화되어 시편이 파손되었으나, 개발소재는 모든 온도에서 50 일 동안 노화시켜도 파손되지 않아 개발소재의 내열성이 우수하였으며 인장강도, 신율 및 25% 모듈러스 변화 등 노화물성도 개발 소재가 월등히 우수함을 확인하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 기존소재보다 개발소재의 피로내구성이 우수함을 확인 할 수 있었다.
- 나노 클레이 종류 및 첨가제 배합비에 따라 개발된 NBR-1, NBR-2, NBR-3, NBR-4 나노 복합체의 기계적 물성(6)은 Fig. 1 에서와 같이 경도와 신율(Elongation at break)은 나노 클레이 종류에 따라 영향이 있음을 확인하였다.
- 따라서 본 논문에서는 고무-점토 나노복합체를 이용하여 친환경적이며 기계적 물성이 우수한 고무소재를 개발하였으며, 개발소재에 대한 상온 및 노화상태에서의 물성시험을 통해 내열성을 평가한 결과 기존 고무 소재보다 기계적 물성이 우수함을 확인하였다. 또한 설계 초기단계에서도 짧은 기간에 고무부품의 피로수명을 예측할 수 있는 방법을 개발하여 피로내구성을 평가한 결과, 피로수명예측 식을 이용하여 예측된 수명과 실제 엔진마운트에 대한 피로시험을 통해 얻어진 피로 수명은 비교적 정확하게 예측됨을 확인할 수 있었으며, 개발소재로 제작된 엔진마운트의 수명이 기존소재보다 길게 나타나 개발소재가 기계적 물성뿐만 아니라 피로내구성도 우수한 소재임을 알 수 있었다.
- 따라서 본 논문에서는 고무-점토 나노복합체를 이용하여 친환경적이며 기계적 물성이 우수한 고무소재를 개발하였으며, 개발소재에 대한 상온 및 노화상태에서의 물성시험을 통해 내열성을 평가한 결과 기존 고무 소재보다 기계적 물성이 우수함을 확인하였다. 또한 설계 초기단계에서도 짧은 기간에 고무부품의 피로수명을 예측할 수 있는 방법을 개발하여 피로내구성을 평가한 결과, 피로수명예측 식을 이용하여 예측된 수명과 실제 엔진마운트에 대한 피로시험을 통해 얻어진 피로 수명은 비교적 정확하게 예측됨을 확인할 수 있었으며, 개발소재로 제작된 엔진마운트의 수명이 기존소재보다 길게 나타나 개발소재가 기계적 물성뿐만 아니라 피로내구성도 우수한 소재임을 알 수 있었다.
- 또한 신율변화는 70°C 에서는 약 8.8%, 100°C 에서는 15.36%로 기존소재의 13.3%와 46.6%에 비해 현저하게 낮게 나타났으며 25% 모듈러스 변화도 작게 나타나 개발소재의 내열성이 기존소재 보다 우수함을 알 수 있었다.
- 예측된 고무부품의 피로수명을 검증하기 위해 고무시편에 대한 피로수명예측 식을 이용하여 예측된 수명과 실제 엔진마운트에 대한 피로시험을 통해 얻어진 피로수명과의 관계는 Fig. 14 와 같이 비교적 정확하게 예측됨을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- (5) 본 연구를 통해 고무부품의 설계, 해석 및 평가 등에 관한 제반 기술을 구축하여 관련기술의 고도화를 달성하였으며, 고무부품의 성능 및 신뢰성 향상에 크게 기여하리라 예상된다.
- 본 연구를 통해 개발된 고무부품에 대한 피로수명 예측방법을 활용하여 고무부품에 대한 유한요소 해석결과를 이용하면, 고무부품에 대한 피로시험을 하지 않고도 수명을 예측할 수 있어 개발에 소요되는 시간과 경비를 절약할 수 있으며, 고무 부품의 품질고도화 및 신뢰성을 달성할 수 있을 것으로 사료된다.
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