초탄성 재료인 고무는 타이어의 주 원료인데, 주행 중 다양한 형태의 하중을 받는다. 그와 같은 하중에 의하여 타이어에 변형률에너지가 축적되어 파손에 이르게 된다. 일반적으로 초탄성재료인 고무는 금속과 다른 응력연화 특성을 갖고 있기 때문에 금속의 시험법을 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 조성비가 다른 2 종의 타이어용 고무에 대한 피로특성을 평가하기 위하여, ASTM D4482 규격에서 요구하는 변형률 범위를 확장하여 인장 및 피로시험을 진행하였으며, 실험 결과를 이용하여 피로수명식을 제안하였다.
초탄성 재료인 고무는 타이어의 주 원료인데, 주행 중 다양한 형태의 하중을 받는다. 그와 같은 하중에 의하여 타이어에 변형률에너지가 축적되어 파손에 이르게 된다. 일반적으로 초탄성재료인 고무는 금속과 다른 응력연화 특성을 갖고 있기 때문에 금속의 시험법을 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 조성비가 다른 2 종의 타이어용 고무에 대한 피로특성을 평가하기 위하여, ASTM D4482 규격에서 요구하는 변형률 범위를 확장하여 인장 및 피로시험을 진행하였으며, 실험 결과를 이용하여 피로수명식을 제안하였다.
Rubber, a hyperelastic material, is the main material used in tires. During the operation of a car, the tire receives various types of loads. The accumulation of strain energy due to such loads induces tire failure. Generally, because rubber materials used for tires have stress softening characteris...
Rubber, a hyperelastic material, is the main material used in tires. During the operation of a car, the tire receives various types of loads. The accumulation of strain energy due to such loads induces tire failure. Generally, because rubber materials used for tires have stress softening characteristics, unlike metals, test methods used for metals cannot be applied to rubber. Therefore, in this study, for the evaluation of the fatigue properties of two types of specimens that have different material components, a tensile test and a fatigue test according to the extended strain range dissimilar to ASTM D4482 are performed, and fatigue life equations are proposed based on the test results.
Rubber, a hyperelastic material, is the main material used in tires. During the operation of a car, the tire receives various types of loads. The accumulation of strain energy due to such loads induces tire failure. Generally, because rubber materials used for tires have stress softening characteristics, unlike metals, test methods used for metals cannot be applied to rubber. Therefore, in this study, for the evaluation of the fatigue properties of two types of specimens that have different material components, a tensile test and a fatigue test according to the extended strain range dissimilar to ASTM D4482 are performed, and fatigue life equations are proposed based on the test results.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 타이어와 같이 복잡한 하중이 작용하는 다축 하중문제에 적용이 용이한 변형률 에너지밀도를 적용하여 카본블랙을 보강제로 사용한 고무의 인장과 피로특성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 자동차 타이어에 사용되는 화학적 조성비가 다른 고무재료인 스틸벨트화합물(steel belt compound)과 캡플라이화합물(capply compound)을 가지고 ASTM D4482 의 피로시험법에 따라 실험을 수행하였으며, 최대 신장률의 범위를 확대하여 인장실험을 수행하였다.
제안 방법
(3) 피로시험에 의한 결과로부터 ASTM 에서 요구하는 최대 신장률범위에서 얻은 결과와 최대 신장률의 범위를 확대하여 얻은 결과를 비교하였으며, 또한 피로수명식을 제안하였다.
고무의 특성상 내구성시험 중 원래대로 되돌아가지 않고 남는 영구변형(permanent set)이 발생하게 되는데 ASTM D4482 시험법의 절차에 따라 1000 사이클 일 때 시험기를 정지한 후 시험편의 영구변형이 발생한 길이만큼 보정하였으며, 다시 10,000 사이클을 반복한 후 재 보정하였다. 그 후로는 매 24 시간마다 시험편의 늘어난 길이를 보정하면서 피로시험을 수행하였다.
4 와 같은 파형을 사용하도록 제시하고 있다. 그러나 Mars(19)등의 연구에 의하면 주파수와 파형에 따른 큰 영향이 없다고 하였기 때문에, 본 연구에서는 주파수는 1.93Hz 로 하였으며, 정현파형으로 피로시험을 진행하였다. 또한 최저 변형률을 0 으로 일정하게 유지하는 변위 제어 시험을 수행하였으며, 하나의 시험장치에 10 개의 시험편을 설치하여 피로시험을 수행하였습니다.
또한 시험 수행에 앞서 각각의 변형률에 대해서 시험편을 30 회씩 늘린 후 시험을 수행하였다.
93Hz 로 하였으며, 정현파형으로 피로시험을 진행하였다. 또한 최저 변형률을 0 으로 일정하게 유지하는 변위 제어 시험을 수행하였으며, 하나의 시험장치에 10 개의 시험편을 설치하여 피로시험을 수행하였습니다.
이를 위하여 자동차 타이어에 사용되는 화학적 조성비가 다른 고무재료인 스틸벨트화합물(steel belt compound)과 캡플라이화합물(capply compound)을 가지고 ASTM D4482 의 피로시험법에 따라 실험을 수행하였으며, 최대 신장률의 범위를 확대하여 인장실험을 수행하였다. 또한 피로시험을 실시한 후 변형률에너지밀도를 이용한 피로 수명 식을 제안하였다.
시편의 파단 시까지의 반복횟수를 근접센서 (proximity sensor)와 카운터를 사용하여 측정하였다. 고무의 특성상 내구성시험 중 원래대로 되돌아가지 않고 남는 영구변형(permanent set)이 발생하게 되는데 ASTM D4482 시험법의 절차에 따라 1000 사이클 일 때 시험기를 정지한 후 시험편의 영구변형이 발생한 길이만큼 보정하였으며, 다시 10,000 사이클을 반복한 후 재 보정하였다.
시험속도는 50mm/min 으로 하였으며, ASTM 의 최대신장률 범위내인 최대변형률이 1.36, 0.96 인 경우와 이 범위 밖인 2.29, 1.74, 0.54, 0.45 에 대하여 시험을 수행하였다.
본 연구에 사용된 시험편의 재질은 타이어에 사용되는 고무재질의 스틸벨트화합물과 캡플라이화합물이며, 사용된 고무 재질의 조성비는 Table 1 과 같다. 시험편을 제작하기 위하여 몰드를 제작 후 두께가 1.4mm 인 평판 가류 고무를 우선 제작 하였으며 ASTM D4482 에 따라 Fig. 1 와 같은 형상으로 다이커터(die cutter)를 사용하여 시험편을 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 타이어와 같이 복잡한 하중이 작용하는 다축 하중문제에 적용이 용이한 변형률 에너지밀도를 적용하여 카본블랙을 보강제로 사용한 고무의 인장과 피로특성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 자동차 타이어에 사용되는 화학적 조성비가 다른 고무재료인 스틸벨트화합물(steel belt compound)과 캡플라이화합물(capply compound)을 가지고 ASTM D4482 의 피로시험법에 따라 실험을 수행하였으며, 최대 신장률의 범위를 확대하여 인장실험을 수행하였다. 또한 피로시험을 실시한 후 변형률에너지밀도를 이용한 피로 수명 식을 제안하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시험편의 재질은 타이어에 사용되는 고무재질의 스틸벨트화합물과 캡플라이화합물이며, 사용된 고무 재질의 조성비는 Table 1 과 같다. 시험편을 제작하기 위하여 몰드를 제작 후 두께가 1.
피로 시험은 인장시험과 같은 시편을 사용하였다. ASTM D4482 에서는 1.
이론/모형
시편의 파단 시까지의 반복횟수를 근접센서 (proximity sensor)와 카운터를 사용하여 측정하였다. 고무의 특성상 내구성시험 중 원래대로 되돌아가지 않고 남는 영구변형(permanent set)이 발생하게 되는데 ASTM D4482 시험법의 절차에 따라 1000 사이클 일 때 시험기를 정지한 후 시험편의 영구변형이 발생한 길이만큼 보정하였으며, 다시 10,000 사이클을 반복한 후 재 보정하였다. 그 후로는 매 24 시간마다 시험편의 늘어난 길이를 보정하면서 피로시험을 수행하였다.
본 연구에서는 변형률에너지밀도를 얻기 위하여 시마즈사의 전기모터식 시험기를 사용하여 ASTM D4482 의 시험법에 따라 인장시험을 수행하였다.
초탄성 재료인 고무는 반복적인 부하를 통해서 소성변형이 일어나게 되며, 이에 따라 변형률에너지가 축적되어 파손이 일어나는 양상을 가지게 된다. 인장시험으로부터 얻은 응력-변형률 선도에면적을 구하는 수치해석법의 적분공식중의 하나인 사다리꼴 공식을 적용하여 변형률에너지밀도 값을 구하였다. 또한 Yeoh 모델을 같은 인장시험결과에 적용하여 식 (6)의 계수 값을 회귀분석에 의하여 Table 2 와 같이 구한 후, 이를 이용하여 변형률에너지밀도를 구하였다.
성능/효과
(1) 스틸벨트화합물과 캡플라이화합물에 대한 인장시험 결과 캡플라이화합물이 스틸벨트 화합물보다 인장응력이 크게 나타났으며, 최대변형률의 증가에 따라 최대인장응력이 증가하는 유사한 경향을 보였다.
(2) 인장시험 결과를 바탕으로 사다리꼴 공식과 Yeoh 모델을 이용하여 변형률에너지밀도 값을 구해 비교해본 결과, 거의 일치하였으며, 캡플라이화합물 시험편이 스틸벨트화합물 시험편보다 변형률 에너지밀도 값이 높게 나타났다.
(4) ASTM 에 제시된 범위보다는 본 연구의 확장된 범위에서 얻은 수명식을 활용하는 것이 타이어용 고무 내구성 평가에 적합하다고 판단된다.
ASTM 에서 요구하는 최대 신장률범위에서 얻은 실험식과 최대 신장률의 범위를 확대하여 얻은 실험식을 비교했을 때, 응력연화현상이 큰 스틸벨트 화합물의 경우 비슷한 경향을 나타내고 있지만, 응력연화현상이 적은 캡플라이 화합물은 차이가 있음을 알 수 있다. 또한 Yeoh 모델을 적용하여 피로수명을 예측해 본 결과와 비슷한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
29 인 경우 캡플라이 화합물 시험편이 스틸벨트화합물 보다 높게 나타남으로써 응력연화 현상이 적게 나타남을 알 수 있었다. 또한 변형률이 커질수록 두 재료에서 발생하는 응력의 차이가 증가함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 스틸벨트부에 피로가 많이 가해지므로 피로에 대한 특성이 높아야 하기 때문에 적절한 결과로 판단된다.
사다리꼴 공식과 Yeoh 의 모델에 따른 변형률에너지밀도 값이 각 변형률에 따라 미세하게 차이가 발생하지만, 전체적인 변형률 선도의 경향에는 큰 차이가 발생하지 않았다. 또한 보강제가 적은 캡플라이화합물 시험편이 스틸벨트 화합물 시험편보다 변형률에너지밀도 값이 높게 나타남을 알 수 있다.
또한 자동차 주행 중 타이어에 작용하는 다양한 하중이나 변형이 ASTM 에서의 범위에 비하여 더 넓은 범위에서 작용하기 때문에, 본 연구에서의 확장된 최대신장률 범위에 의한 변형률에너지밀도와 피로수명과의 관계를 활용하는 것이 타이어용 고무 내구성 평가에 신뢰도가 높아질 것이라 판단된다.
서로 다른 조성비를 갖는 스틸벨트화합물과 캡플라이화합물에 대한 인장시험 결과 캡플라이 화합물이 스틸벨트화합물 보다 인장응력이 크게 나타났으나 최대변형률의 증가에 따라 응력이 증가하는 유사한 경향을 가지고 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Mullins 효과는 어떤 현살인가?
고무는 배합성분에 따라 큰 차이를 나타내는데 강도를 향상시키기 위하여 카본블랙과 같은 보강제를 사용하게 되면 응력 연화 현상(stress softening), 영구변형(permanent set), 히스테리시스(hysteresis) 주파수의존 응답현상이 나타나는 비탄성(inelastic) 특징을 보이게 된다. 특히 하중을 가하고 제거하는 과정이 반복될 때 응력이 초기 하중을 가한 것에 비해 작아지게 되는 응력 연화현상인 Mullins 효과(4)가 나타나기 때문에 단순인장 시험이라 할지라도 ASTM D4482(5)에서는 30 회 반복 후 시험을 수행하게 하고 있다.
고무의 피로특성 평가에는 어떤 어려움이 있는가?
(1,2) 이를 위해서는 타이어의 주재료로 사용되는 초탄성 재료인 고무의 피로특성 평가가 중요하다. 그러나 고무가 일반적인 금속과는 다른 응력연화특성을 가지고 있기 때문에 금속에 적용되는 평가 방법을 적용할 수 없다.
고무재료에 카본블랙과 같은 보강제를 사용하게 되면 어떤 특징을 보이게 되는가?
고무는 배합성분에 따라 큰 차이를 나타내는데 강도를 향상시키기 위하여 카본블랙과 같은 보강제를 사용하게 되면 응력 연화 현상(stress softening), 영구변형(permanent set), 히스테리시스(hysteresis) 주파수의존 응답현상이 나타나는 비탄성(inelastic) 특징을 보이게 된다. 특히 하중을 가하고 제거하는 과정이 반복될 때 응력이 초기 하중을 가한 것에 비해 작아지게 되는 응력 연화현상인 Mullins 효과(4)가 나타나기 때문에 단순인장 시험이라 할지라도 ASTM D4482(5)에서는 30 회 반복 후 시험을 수행하게 하고 있다.
참고문헌 (19)
Park, G. Y., Choi, J. W., Lee, K. C. and Jin, Y. K., 2006, "Certification Technological Trends in Aerospace tire," Korea Aerospace Research Institute, Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 4, No. 2, pp. 68-75
Hong, S. J. and Lee, H. G., 2005, "Investigation of Market Status of Imported Tires and Quality Evaluation," Transactions of KSAE, Vol. 13, No. 6, pp. 1-6.
Kim, W. D., Woo, C. S., Kim, K. S. and Kwon, J. D., 2002, "An Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Rubber Isolator," Elastomer, 37, 183.
Mullins, L. 1969, "Softening of Rubber by Deformation," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 42, No. 1, pp. 339-362.
ASTM D4482 "Standard Test Method for Rubber Property-Extension Cycling Fatigue."
Woo, C. S., Kim, W. D. and Kwon, J. D., 2004, "Fatigue Life Prediction and Evaluation of Rubber Components" The Korea Society of Automotive Engineers, KSAE 04-S0273, pp.1712-1717
Woo, C. S., Kim, W. D., Kim, W. S. and Kwon, J. D., 2004, "Effects of Maximum Strain and Aging Conditions on the Fatigue Life of Vulcanized Natural Rubber," the Korea Society of Automotive Engineers, KSAE, Vol. 12 No. 4, pp.181-190.
Zine, A., Benseddiq, N. and Nait Abdelaziz, M., 2011, "Rubber Fatigue Life Under Multiaxial Loading: Numerical and Experimental Investigations," International Journal of Fatigue, Vol. 33, No. 10, pp.1360-1368.
Koo, J. M. and Choy, Y. S., 1991, "A New Mixed Mode Fracture Criterion: Maximum Tangential Strain Energy Density Criterion," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 39, No. 3, pp. 443-449.
Lee, H. Y. and Lee, J. H., 2004, "Development and Verification of Micro-Indentation Technique for Material Property Evaluation of Hyper-elastic Rubber," The Korean Society of Mechanical Engineers Spring Conference, pp.132-137.
Hwang, K. M., Oh, J. S. and Lee, H. Y., 2009, "Enhanced Spherical Indentation Techniques for Rubber Property Evaluation," Transactions of the KSME A, Vol.33 No.12, pp.1357-1365.
Rivlin, R. S., 1956, "Large Elastic Deformations in Rheology: Theory and Application," Academic Press, New York. Vol. 1.
Ogden, R. W., 1972, "Large Deformation Isotropic Elasticity-On the Correlation of Theory and Experiment for Incompressible Rubber-like Solids," Proceedings of Royal Society of London, Vol. A 326, pp.565-584.
Yeoh, O. H., 1990, "Characterization of Elastic Properties of Carbon-Black-Filled Rubber Vulcanizates," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 63, No. 5, pp.792-805.
Yeoh, O. H., 2002, "Relation Between Crack Surface Displacements and Strain Energy Release Rate in Thin Rubber Sheets," Mechanics of Materials, Vol. 34, No. 8, pp.459-474.
Woo, C. S., Kim, W. D. and Kwon, J. D., 2008, "A Study on the Material Properties and Fatigue Life Prediction of Natural Rubber Component," Materials Science and Engineering : A, Vol. 483-484, pp.376-381.
Mars, W. V., 2004, "Factors that Affect the Fatigue Life of Rubber : A Literature Survey," Journal of Rubber Chemistry and Technology, Vol. 77, No. 3, pp.391-412.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.