[논문]마찰 곡선에 따른 마찰 소음 특성

남재현; 강재영

doi:10.5050/ksnve.2013.23.5.423

마찰 곡선에 따른 마찰 소음 특성
Characteristics of Friction Noise with Respect to Friction Curve 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.5, 2013년, pp.423 - 430

남재현 (Division of Automotive & Mechanical Engineering, Kongju National University) , 강재영 (Division of Automotive & Mechanical Engineering, Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of friction noise due to the friction-velocity curve is experimentally investigated through the pin-on-disk setup. The rotation speed of the disk is controlled in order to produce the sliding speed variation. Then, the friction coefficient and the corresponding friction noise are simultaneously measured with respect to the sliding speed between the steel disk and aluminum pin. The experimental results show that the negative friction-velocity slope is essential in generating friction noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문은 주요한 소음 메커니즘 중 하나인 마찰 곡선에 의한 소음 특성을 확인하고자 가장일반적인 형태의 마찰 시험기인 pin-on-dick를 설계하고 제작하였다. 이 시스템에서의 마찰 곡선을 확인하였으며, 마찰 곡선의 기울기의 변화가 진동 특성에 미치는 영양에 대해 연구하였다.
초기 디스크를 20 rpm으로 장시간 회전시켜 인위적으로 소음을 발생시켰다. 시간에 따른 마찰계수의 변화에 따라 소음 및 진동의 특성의 변화에 대해 확인하였다. 인위적으로 소음을 발생시킨 후 0~120 rpm까지 초당 2 rpm 씩 증가 후에 다시 0 rpm까지 초당 2 rpm 씩 감소한다.
실험은 이 시스템에서의 마찰 곡선을 연구하고 기울기의 변화가 진동 특성에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 따라서 음의 기울기가 존재할 때와 양의 기울기가 존재할 때의 마찰 소음진동 특성을 분석하였다.
이 논문은 마찰 소음 진동 시험에 일반적으로 사용되는 pin-on-disk를 직접 제작 하여 시험 하였다. 미끄럼 속도의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 계측하였고 기울기의 변화에 따른 소음진동 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 논문은 음의 기울기에 의한 진동 특성을 연구하기 위함이다. Fig.
따라서 이 논문은 주요한 소음 메커니즘 중 하나인 마찰 곡선에 의한 소음 특성을 확인하고자 가장일반적인 형태의 마찰 시험기인 pin-on-dick를 설계하고 제작하였다. 이 시스템에서의 마찰 곡선을 확인하였으며, 마찰 곡선의 기울기의 변화가 진동 특성에 미치는 영양에 대해 연구하였다.
그 후 토크를 계측하여 마찰 계수로 환산하였다. 이때 음의 기울기가 발생하는 한 구간과 양의 기울기가 발생하는 한 구간을 설정하여 기울기의 변화가 마찰에 의한 소음 진동에 어떠한 영향을 미치는지 연구하였다.

제안 방법

소음은 마이크로폰을 마찰 방향과 근접하게 설치하여 진동과 동시 계측하였다. 각 신호는 PC와 연동하여 계측장비 및 연산 프로그램을 통하여 데이터화하였다.
마찰 곡선에 따른 진동 특성 분석은 초기 소음이 발생하지 않을 때, 인위적으로 소음을 발생시키기 위해 약 20 rpm으로 장시간 마찰 시켰다. 그 후 토크를 계측하여 마찰 계수로 환산하였다. 이때 음의 기울기가 발생하는 한 구간과 양의 기울기가 발생하는 한 구간을 설정하여 기울기의 변화가 마찰에 의한 소음 진동에 어떠한 영향을 미치는지 연구하였다.
6의 μ – v선도를 확인해 보면 0~20 rpm 구간은 음의 기울기가 존재하고 있지만 20 rpm 이후 40 rpm을 지나면서 기울기가 양의 기울기로 변화한다. 따라서 양의 기울기가 존재할 때, 소음 및 진동 특성을 확인해 보기 위해 20 rpm에서의 시험과 동일한 조건에서 양의 기울기가 존재하는 40 rpm에서의 진동 및 소음 특성을 분석하여 보았다. 결과는 Fig.
실험은 이 시스템에서의 마찰 곡선을 연구하고 기울기의 변화가 진동 특성에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 따라서 음의 기울기가 존재할 때와 양의 기울기가 존재할 때의 마찰 소음진동 특성을 분석하였다. 혼합 마찰 초기 소음이 발생하지 않을 때부터 주기적인 소음이 발생한 후까지 계측하였다.
마찰 곡선에 기울기의 변화에 의한 진동 특성을 계측하기 전에 이 시스템 및 환경 조건에 의한 소음을 마이크로폰으로 계측하였다. 측정 위치는 마찰시험과 동일 한 위치에서 계측 하였으며, 결과는 Fig.
이 논문은 마찰 소음 진동 시험에 일반적으로 사용되는 pin-on-disk를 직접 제작 하여 시험 하였다. 미끄럼 속도의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 계측하였고 기울기의 변화에 따른 소음진동 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
0~10 kHz까지 계측에 사용되는 장비이다. 소음은 마이크로폰을 마찰 방향과 근접하게 설치하여 진동과 동시 계측하였다. 각 신호는 PC와 연동하여 계측장비 및 연산 프로그램을 통하여 데이터화하였다.
음의 기울기가 소음이 발생할 때 존재하고 있는지 확인하기 위하여 시간에 따른 마찰 곡선의 변화를 측정하였다. 시험 조건은 앞의 시험과 동일하며, 마찰재만 교체하여 시험하였다. 초기 디스크를 20 rpm으로 장시간 회전시켜 인위적으로 소음을 발생시켰다.
음의 기울기가 소음이 발생할 때 존재하고 있는지 확인하기 위하여 시간에 따른 마찰 곡선의 변화를 측정하였다. 시험 조건은 앞의 시험과 동일하며, 마찰재만 교체하여 시험하였다.
이 논문에서 사용된 시험기는 일반적으로 마찰시험에서 사용되는 pin-on-disk를 Fig. 1과 같이 직접 제작하여 데이터를 계측하였다. 추를 이용하여 하중을 부과하였고, 스텝 모터로 회전판을 회전 시켜 마찰재와 디스크의 마찰을 유도하였다.
진동은 1축 가속도계를 핀 근방에 부착하여, 핀과 가까운 위치에서 마찰방향의 진동을 계측하였고, 3축 가속도계를 pin-on-disk 몸체에 부착하여 3축 방향 진동을 계측하였다. 일반적으로 1축 가속도계는 1.
이후 핀을 접촉 시켜 1 kg의 하중을 가하여 디스크의 회전에 따른 마찰을 유도하였다. 초기 소음이 발생한 후부터 토크센서를 이용하여 마찰계수를 확인 하였으며, 주기적인 소음이 발생 할 때 속도를 변화시키면서 마찰계수의 변화를 계측한 결과 Fig. 6과 같다.
1과 같이 직접 제작하여 데이터를 계측하였다. 추를 이용하여 하중을 부과하였고, 스텝 모터로 회전판을 회전 시켜 마찰재와 디스크의 마찰을 유도하였다. 마찰력은 토크센서를 이용하여 토크가 계측되며, 수학적인 연산을 거쳐 마찰계수로 환산하였다.
따라서 음의 기울기가 존재할 때와 양의 기울기가 존재할 때의 마찰 소음진동 특성을 분석하였다. 혼합 마찰 초기 소음이 발생하지 않을 때부터 주기적인 소음이 발생한 후까지 계측하였다. 이 시험에서 사용된 계측 장비 및 연산 과정은 Fig.
하중은 1 kg의 추를 사용하였으며, 몸체 후방의 평행 추를 이용하여 평형 상태를 유지하였다. 혼합 마찰을 가정한 시험을 수행하기 위해 초기 윤활제를 얇게 도포 한 후 지속적인 윤활제의 추가 공급없이 시험을 수행하였다. 이는 불안정 혼합 윤활상대(mixed lubrication)에서 음의 기울기가 잘 나타나는 특성을 이용하기 위함이다.

대상 데이터

실험 환경은 습도 20 % 온도 18℃에서 측정하였으며, 시편은 직경 150 mm 두께 5 mm의 스틸 디스크와 직경 2.15 mm의 알루미늄 핀을 사용하였다. 하중은 1 kg의 추를 사용하였으며, 몸체 후방의 평행 추를 이용하여 평형 상태를 유지하였다.

성능/효과

(1) 이 시스템 및 초기 조건에서의 실험 결과 20 rpm 근방에서 음의 기울기를 확인할 수 있으며, 이후 40 rpm 근방에서부터 양의 기울기를 확인 할 수 있었다.
(2) 음의 기울기가 존재하는 20 rpm 이하 구간에서는 소음 및 진동이 발생하고 있으며, 이후 양의 기울기가 존재하면 소음 및 진동이 사라지는 것을 확인 할 수 있었다.
(3) 마찰계수와 미끄럼 속도에 따른 기울기 변화는 마찰 소음의 매우 중요한 인자이며, 꼭 고려해야 할 대상임을 확인 하였다.
(a)의 마찰 방향 진동은 20 rpm 구간과 다르게 3 kHz의 시스템의 모터 진동은 계측 되지만, 다른 주파수 영역이나 20 rpm에서 계측이 되었던 8~10 kHz의 주파수 영역에서 진동이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. (b)의 3축 가속도계 또한 진동이 계측되지 않음을 확인할 수 있으며, (c)의 마찰 방향에 설치된 마이크로폰 또한 시스템 자체의 환경 소음 외 다른 소음은 발생하지 않았다.
(a)에서 시간에 따른 마찰계수의 평균 변화를 살펴보면, 10 sec근방에서 음의 기울기를 확인할 수 있으며, 20 sec이후에는 양의 기울기가 발생하고, 다시 110 sec에서 음의 기울기가 존재하는 것을 확인하였다. (b)의 마찰 방향의 진동은 음의 기울기가 나타나는 10 sec까지 진동이 발생하며, 양의 기울기가 발생하는 구간에서는 진동이 사라지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 음의 기울기가 110 sec에서 다시 존재할 때, 진동이 다시 발생하였다.
3 kHz부근과 4 kHz 근방에서 발생하는 시스템 자체의 구조적인 모터 작동 소음이 주기적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
(c)의 마찰 방향에서 마이크로폰을 이용한 소음측정 결과 8~10 kHz로 가속도계와 같았다. 따라서 미끄럼 속도가 20 rpm일 때, 동일 조건에서 마찰에 의한 진동은 8~10 kHz의 주파수 대역의 영역에서 소음 및 진동이 발생함을 확인하였다.
(b)의 3축 가속도계 또한 진동이 계측되지 않음을 확인할 수 있으며, (c)의 마찰 방향에 설치된 마이크로폰 또한 시스템 자체의 환경 소음 외 다른 소음은 발생하지 않았다. 따라서 시험 결과 마찰 곡선의 음의 기울기를 가지는 구간에서 소음이 발생하였다.
또한 40 rpm 구간에서 양의 기울기가 존재함을 확인할 수 있으며, 기울기가 양 이거나 변화가 거의 없을 경우 소음 및 진동이 사라짐을 확인 할 수 있다. 따라서 이 실험에서의 초기 조건 및 시스템은 20 rpm 구간에서 음의 기울기가 존재하며, 음의 기울기가 존재할 때 소음 및 진동이 발생하는 기초 이론 모델과도 일치하였다. 따라서 음의 기울기는 마찰 소음진동에 꼭 고려해야할 대상임을 확인하였다.
10의 결과 초기 소음 실험과 유사한 마찰계수의 변화를 보이고 있으며, 20 rpm 구간에서 시스템의 음의 기울기 및 소음이 발생하고 있다. 또한 40 rpm 구간에서 양의 기울기가 존재함을 확인할 수 있으며, 기울기가 양 이거나 변화가 거의 없을 경우 소음 및 진동이 사라짐을 확인 할 수 있다. 따라서 이 실험에서의 초기 조건 및 시스템은 20 rpm 구간에서 음의 기울기가 존재하며, 음의 기울기가 존재할 때 소음 및 진동이 발생하는 기초 이론 모델과도 일치하였다.
식 (5)에서 λ는 μ – v 선도의 기울기를 의미하며, 기울기가 음일 경우 negative damping term이 증가하여 불안정성이 커지는 것을 예측 할 수 있다. 또한 기울기의 정도에 따라 불안정성이 영향을 받고 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동과 소음을 유발하는 원인은 무엇인가?	접촉한 두 물체의 상대운동의 결과로 이들 재료의 마찰이 발생하며, 진동과 소음을 유발하는 매우 중요한 원인이 된다. 마찰 소음 현상은 기계의 신뢰성을 결정하는 매우 중요한 요소이다.
	상대운동에서 발생하는 마찰력은 무엇의 영향을 받는가?	상대운동에서 발생하는 마찰력은 두 물체의 물리적 특성 및 복합 환경적인 요소의 영향을 받는다. 그 외 실험 방법의 조건 변화에 따라 다르게 측정될 수 있으며, 많은 인자들에 의해 변화하는 특성을 지닌다.
	본 연구에서 기울기의 변화에 따른 소음진동 특성을 분석한 결과는 무엇인가?	(1) 이 시스템 및 초기 조건에서의 실험 결과 20 rpm 근방에서 음의 기울기를 확인할 수 있으며, 이후 40 rpm 근방에서부터 양의 기울기를 확인 할 수 있었다. (2) 음의 기울기가 존재하는 20 rpm 이하 구간에서는 소음 및 진동이 발생하고 있으며, 이후 양의 기울기가 존재하면 소음 및 진동이 사라지는 것을 확인 할 수 있었다. (3) 마찰계수와 미끄럼 속도에 따른 기울기 변화는 마찰 소음의 매우 중요한 인자이며, 꼭 고려해야 할 대상임을 확인 하였다.

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