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문제 정의
- 본 연구는 자기유변탄성체의 마찰, 마모특성에 대하여 연구하였다. 여러가지 실험 조건에서 자기유변탄성체의 왕복 마찰을 측정하였고 총 왕복 실험거리는 1,800 mm, 자기장의 세기는 0.
- 본 연구에서는 왕복 실험기를 이용하여 자기유변탄성체의 마찰제어연구 및 적용가능성에 대한 실험을 진행하였다. 자기유변탄성체의 마찰 및 마모에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위하여 자기장 작용 유무, 속도, 하중 및 이동거리와 같은 다양한 조건에서 실험을 진행하였다.
제안 방법
- Fig. 1(b)는 마찰계수의 측정을 위하여 사용된 핀이며, 높이 18 mm, 지름은 10 mm이고, 마찰 특성을 잘 보이기 위하여 한 쪽 끝에는 반구형으로 제작하였으며, 지속적인 자기장으로 인한 실험 오류를 방지하기 위하여 자기장의 영향을 받지 않는 알루미늄 재질로 제작하였다. 사용된 자기유변탄성체는 천연고무나 실리콘, 고무와 같은 폴리머 재료 안에 MR 유체와 유사하게 자기력에 의해 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 탄성체이다[10].
- Table 1은 마찰계수측정실험에서 각각의 경우에 적용한 조건으로써, 자기장을 인가했을 때와 인가하지 않았을 때의 두 상태로 나누어 실험을 진행하였다. 단일 스트로크길이와 총 왕복실험거리는 각 10 mm와 1,800 mm로 일정하며, 여러번의 초기시험을 통하여 마찰특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 하중인가조건과 상대마찰속도를 결정하여 각각 2 N, 3 N과 10, 15, 20 mm/s로 변화시켰다.
- Table 1은 마찰계수측정실험에서 각각의 경우에 적용한 조건으로써, 자기장을 인가했을 때와 인가하지 않았을 때의 두 상태로 나누어 실험을 진행하였다. 단일 스트로크길이와 총 왕복실험거리는 각 10 mm와 1,800 mm로 일정하며, 여러번의 초기시험을 통하여 마찰특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 하중인가조건과 상대마찰속도를 결정하여 각각 2 N, 3 N과 10, 15, 20 mm/s로 변화시켰다. 이때 인가한 자기력은 0.
- 언급한 조건에 대한 실험을 통해 각 조건에서의 마찰계수 값을 비교 및 분석하였다. 또한 현미경을 이용하여 자기유변탄성체의 표면 이미지와 절단면을 촬영하여 마모 상태를 관찰 및 분석하였다. 스마트 재료인 자기유변탄성체의 마찰 및 마모에 관한 실험결과를 통해 추후 자동차 및 로봇 산업에 있어서 마찰제어를 통해 구동시스템의 최적 성능을 얻을 수 있을 것이다.
- 2는 실험에 쓰인 왕복 실험기이며 전자석, 로드셀, 자기유변탄성체 시편 받침으로 구성되어 있다. 본 실험에서는 특정한 자기장 인가조건에서 속도를 변화시킬 때 위에 있는 핀과 아래 있는 자기유변탄성체 사이의 마찰계수 변화를 측정하였다. 이는 핀을 제작할 때와 같은 이유로 알루미늄 재료로 실험장치를 제작하였다.
- 자기유변탄성체의 마찰 및 마모에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위하여 자기장 작용 유무, 속도, 하중 및 이동거리와 같은 다양한 조건에서 실험을 진행하였다. 언급한 조건에 대한 실험을 통해 각 조건에서의 마찰계수 값을 비교 및 분석하였다. 또한 현미경을 이용하여 자기유변탄성체의 표면 이미지와 절단면을 촬영하여 마모 상태를 관찰 및 분석하였다.
- 본 연구는 자기유변탄성체의 마찰, 마모특성에 대하여 연구하였다. 여러가지 실험 조건에서 자기유변탄성체의 왕복 마찰을 측정하였고 총 왕복 실험거리는 1,800 mm, 자기장의 세기는 0.2T로 설정해서 속도와 하중을 변화하였을 때의 마찰계수의 변화를 측정하였다. 자기장을 인가한 조건에서는 속도와 하중의 증가에 따라 마찰계수가 증가하고 있으며, 자기장을 인가하지 않은 조건에서는 마찰계수가 크게 변화하지 않는다.
- 본 연구에서는 왕복 실험기를 이용하여 자기유변탄성체의 마찰제어연구 및 적용가능성에 대한 실험을 진행하였다. 자기유변탄성체의 마찰 및 마모에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위하여 자기장 작용 유무, 속도, 하중 및 이동거리와 같은 다양한 조건에서 실험을 진행하였다. 언급한 조건에 대한 실험을 통해 각 조건에서의 마찰계수 값을 비교 및 분석하였다.
- 표면 파괴로 생긴 파괴의 총량을 측정하기 위하여 자기유변탄성체를 반으로 절단하고 그 절단면을 촬영하여 실험 전후의 마모 깊이를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 1(a)는 본 실험에서 사용한 자기유변탄성체로써 높이 15 mm, 지름은 59.5 mm로 제작하였다. Fig.
- 1(b)는 마찰계수의 측정을 위하여 사용된 핀이며, 높이 18 mm, 지름은 10 mm이고, 마찰 특성을 잘 보이기 위하여 한 쪽 끝에는 반구형으로 제작하였으며, 지속적인 자기장으로 인한 실험 오류를 방지하기 위하여 자기장의 영향을 받지 않는 알루미늄 재질로 제작하였다. 사용된 자기유변탄성체는 천연고무나 실리콘, 고무와 같은 폴리머 재료 안에 MR 유체와 유사하게 자기력에 의해 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 탄성체이다[10].
- 이는 핀을 제작할 때와 같은 이유로 알루미늄 재료로 실험장치를 제작하였다. 자기유변탄성체에 자기장을 인가하기 위해 전자석(지름:60 mm, 높이:60 mm, 자기력의 세기:0.2T)을 사용하였다. 하중을 인가할 때는 Pin 위에 분동을 올려놓아서 하중을 인가한다.
성능/효과
- 3(b)와 Fig. 4(b) 각각 같은 하중에서 자기장이 인가되었을 때와 인가되지 않았을 때의 두가지 경우 서로 비교를 해보면 모두 속도의 증가에 따라 마찰계수가 증가한다는 결과가 나타났다. Test 4에서 핀이 400 mm~600 mm 움직였을 때 표면파괴가 발생하여 마찰계수가 갑자기 크게 증가하였으며 움직인 거리가 600 mm를 넘어설 경우에 마모의 속도가 감소하며 마찰계수가 천천히 감소하고 있다.
- 4(b) 각각 같은 하중에서 자기장이 인가되었을 때와 인가되지 않았을 때의 두가지 경우 서로 비교를 해보면 모두 속도의 증가에 따라 마찰계수가 증가한다는 결과가 나타났다. Test 4에서 핀이 400 mm~600 mm 움직였을 때 표면파괴가 발생하여 마찰계수가 갑자기 크게 증가하였으며 움직인 거리가 600 mm를 넘어설 경우에 마모의 속도가 감소하며 마찰계수가 천천히 감소하고 있다.
- 4의 결과를 통해서 자기장을 인가했을때, 높은 하중이 적용되거나 속도가 증가할 경우에 마찰계수가 증가한다. 반면에 자기장을 인가하지 않았을 때는 하중이나 속도가 증가해도 마찰계수가 크게 변화하지 않는다는 것을 관찰하였다.
- 실험 후에 자기유변탄성체의 절단면을 관찰하여 파괴량을 확인해보니 자기장의 인가 유무에 따라 자기유변탄성체의 파괴 깊이를 서로 비교하여 자기장을 인가하지 않을 때보다 인가할 때가 상당량 더 깊은 것을 확인하였다. 시험에 사용된 MR탄성체는 원래 연성이 있는 재질이라서 마찰에 대한 회복력이 있으므로 표면마모를 잘 일으키지 않으나, 자기장 인가 시 강성이 증가하여 마찰계수가 증가하여 마모가 더 크게 나타나므로, 마모발생에 대한 마찰계수의 한계치에 관련이 있는 것을 확인하였다. 이러한 연구를 바탕으로 자기유변탄성체의 마찰제어는 자동차, 로봇 등 다양한 구동시스템의 마찰계수를 효율적으로 제어하여 최적의 제동 및 구동성능을 구현할 수 있다.
- 자기장을 인가하였을 경우 약 6배 정도 마모가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. 실험 결과, 표면 파괴는 자기유변탄성체에 자기장을 인가하지 않을 때보다는 자기장을 인가할 때 발생하는 경향이 큰 것을 알 수 있다.
- 이현상은 표면 파괴로 인하여 일어나는 것으로 추측된다. 실험 후에 자기유변탄성체의 절단면을 관찰하여 파괴량을 확인해보니 자기장의 인가 유무에 따라 자기유변탄성체의 파괴 깊이를 서로 비교하여 자기장을 인가하지 않을 때보다 인가할 때가 상당량 더 깊은 것을 확인하였다. 시험에 사용된 MR탄성체는 원래 연성이 있는 재질이라서 마찰에 대한 회복력이 있으므로 표면마모를 잘 일으키지 않으나, 자기장 인가 시 강성이 증가하여 마찰계수가 증가하여 마모가 더 크게 나타나므로, 마모발생에 대한 마찰계수의 한계치에 관련이 있는 것을 확인하였다.
- 시험에 사용된 MR탄성체는 원래 연성이 있는 재질이라서 마찰에 대한 회복력이 있으므로 표면마모를 잘 일으키지 않으나, 자기장 인가 시 강성이 증가하여 마찰계수가 증가하여 마모가 더 크게 나타나므로, 마모발생에 대한 마찰계수의 한계치에 관련이 있는 것을 확인하였다. 이러한 연구를 바탕으로 자기유변탄성체의 마찰제어는 자동차, 로봇 등 다양한 구동시스템의 마찰계수를 효율적으로 제어하여 최적의 제동 및 구동성능을 구현할 수 있다.
후속연구
- 또한 현미경을 이용하여 자기유변탄성체의 표면 이미지와 절단면을 촬영하여 마모 상태를 관찰 및 분석하였다. 스마트 재료인 자기유변탄성체의 마찰 및 마모에 관한 실험결과를 통해 추후 자동차 및 로봇 산업에 있어서 마찰제어를 통해 구동시스템의 최적 성능을 얻을 수 있을 것이다.
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