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문제 정의
- 본 연구에서는 정확한 타이어의 성능을 예측하기 위해 다양한 하중, 속도 등의 시험 조건을 구현하여 실제 타이어 평가와 유사한 마찰 특성 결과를 확보할 수 있는 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하였다. Table 1에 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기의 주요 사양을 요약하였다.
- 본 연구에서는 타이어의 실차 평가와 유사한 시험 조건에서 트레드 고무의 마찰 거동을 분석하기 위하여 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하였다. 시험기의 기본 성능에 대한 연구는 완료되었으며, 시험 데이터의 신뢰성 확보를 위한 고무 블록의 마찰 시험도 약 200회 이상 수행되었다.
- 본 연구의 목적은 고정밀도와 신뢰성을 갖는 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하여 타이어 트레드 고무의 마찰 계수를 추출하고, 특성 정량화에 활용하여 고성능 타이어 개발을 위한 기초 연구를 수행하는데 있다.
제안 방법
- 3장에서 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기의 신뢰성을 검증하기 위해 고무 블록을 이용한 마찰 시험을 수행하였다.
- 3 m의 노면을 이동하며 약 1,200 N의 하중을 부가할 수 있다. Fig. 2에 냉동 컨테이너 안에 설치된 Vienna 대학의 마찰시험기를 제시하였다.
- 시험에는 동일한 트레드 고무 재질이 사용되었고, 타이어 회사의 TBT 사양에 맞게 Table 3과 같은 시험 조건을 설정하였다. 또한 결과의 신뢰성을 위해 각각의 조건에서 5회 반복하여 시험을 수행하였다. Fig.
- 시험기의 주 프레임은 강성을 확보하기 위해 50 mm의 SM45C 재질을 사용하였고, 전 둘레 용접을 실시하여 제작되었다. 또한 시험기 설치의 정도 향상을 위해 하단부의 면 가공을 실시하였다.
- 오스트리아 Vienna 대학은 공압실린더를 사용하여 하중을 부가하며, 한 개의 3축 로드셀(3-axis Load Cell)로 하중을 검출할 수 있다. 또한, 리니어 모터(Linear Motor)를 이용하여 시편부를 이송하는 방식을 적용하였다. 눈 연구에 특성화된 Vienna 대학의 마찰시험기는 냉동 컨테이너 안에 설치되며, 작업자는 외부에서 시험기의 동작을 모니터링하며 마찰 시험을 수행한다.
- 시험기 최대 사양에서의 마찰 시험에 앞서 속도 조건을 0.1 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s, 5.0 m/s, 7.0 m/s으로 다양하게 변화를 주어 시험하였으며, 가속도는 45.0 m/s2으로 동일하게 유지하였다.
- 앞에서 언급된 시험 조건과 목표 사양을 기초로 고속 마찰 특성 평가시험기를 기안하였다. 기안된 마찰시험기는 주 프레임과 하중 부가부, 시편 이송부, 노면 장착부 및 노면 레벨 조정부 등으로 구성되었다.
- 앞에서 언급한 것과 같이 개발된 마찰시험기에 사용될 여러 종류의 노면 제작은 완료되었으나, 기존 데이터와의 검증을 위해 타이어 제조사의 마찰 설비에서 사용되고 있는 동일한 규격의 샌드페이퍼(Sand Paper, #120) 위에서 마찰 시험을 먼저 수행하였다. 시험에는 동일한 트레드 고무 재질이 사용되었고, 타이어 회사의 TBT 사양에 맞게 Table 3과 같은 시험 조건을 설정하였다.
- 트레드 고무의 종류, 노면의 종류, 하중 및 속도/가속도 조건에 따른 다양한 시험에 활용하기 위해 타이어 제조사가 보유하고 있는 마찰 특성 데이터와 정량적인 비교가 선행되어야 한다. 이를 위해 타이어 제조사가 보유하고 있는 시험기와 동일한 조건에서 마찰 시험을 수행하였다.
- 노면 장착부에 설치되는 노면은 제작 방법의 한계로 인하여 시편 이송부와 수평을 유지하지 않는 경우가 빈번하다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 노면 길이 방향의 양쪽에 노면의 레벨을 조정할 수 있는 메커니즘을 추가하였다.
- 시험을 위한 노면은 중량물이기 때문에 빈번한 노면의 교체는 시험의 효율성을 떨어뜨린다. 이와 같은 점을 반영하여 여러 재질을 조합하여 마찰 시험을 위한 노면을 구축하였다.
- 1에 제시된 핀란드 Aalto 대학의 마찰시험기는 공압실린더를 사용하여 최대 1,500 N의 하중을 부가하며, 1축 로드셀(1-axis Load Cell)을 사용하여 하중을 검출한다. 최대 시험 속도는 1.2 m/s이며 서보 모터(Servo Motor)와 감속기를 이용하여 1.15 m의 얼음 노면 위에서 시편을 이송하는 방식을 적용하였다.
대상 데이터
- Fig. 8의 기안에서 볼 수 있는 것과 같이, 마찰 시험기에 사용될 노면은 다섯 종의 재질로 분할 제작되었으며, 각각의 분할 노면은 120×2,000 mm의 크기를 갖는다.
- 앞에서 언급된 시험 조건과 목표 사양을 기초로 고속 마찰 특성 평가시험기를 기안하였다. 기안된 마찰시험기는 주 프레임과 하중 부가부, 시편 이송부, 노면 장착부 및 노면 레벨 조정부 등으로 구성되었다. Fig.
- 리니어 모터는 AB사의 LX200800F15N모델로서 Table 2에 모터의 사양을 정리하였다.
- 시험기의 주 프레임은 강성을 확보하기 위해 50 mm의 SM45C 재질을 사용하였고, 전 둘레 용접을 실시하여 제작되었다. 또한 시험기 설치의 정도 향상을 위해 하단부의 면 가공을 실시하였다.
- 앞에서 언급한 것과 같이 개발된 마찰시험기에 사용될 여러 종류의 노면 제작은 완료되었으나, 기존 데이터와의 검증을 위해 타이어 제조사의 마찰 설비에서 사용되고 있는 동일한 규격의 샌드페이퍼(Sand Paper, #120) 위에서 마찰 시험을 먼저 수행하였다. 시험에는 동일한 트레드 고무 재질이 사용되었고, 타이어 회사의 TBT 사양에 맞게 Table 3과 같은 시험 조건을 설정하였다. 또한 결과의 신뢰성을 위해 각각의 조건에서 5회 반복하여 시험을 수행하였다.
성능/효과
- 78 ~ 0 m/s의 시험 속도가 요구된다. 2.1절에서 언급한 유럽의 마찰시험기들은 낮은 속도 조건에서만 시험이 가능하며, 타이어 실차 평가와 유사한 속도의 시험 조건에서 고무 마찰을 시험하는 것은 불가능하다. 또한, 다양한 노면의 종류 및 온도 조건에 따른 고무 마찰 시험을 수행할 수 없다.
- TBT와 개발된 마찰시험기에서 수행된 마찰 시험 결과를 통해 Sliding시 마찰 계수가 매우 유사함을 알 수 있었다. 또한 개발된 마찰시험기의 표준 편차 및 시험 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- TBT와 개발된 마찰시험기에서 수행된 마찰 시험 결과를 통해 Sliding시 마찰 계수가 매우 유사함을 알 수 있었다. 또한 개발된 마찰시험기의 표준 편차 및 시험 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- 비록 TBT 장비의 최대 속도가 0.375 m/s 이고, 최대 노면의 길이가 600 mm 인 한계로 인하여 다양한 속도에서의 마찰 시험 결과를 비교하지는 못하였으나, 개발된 마찰시험기의 저속에서의 신뢰성은 검증되었다고 판단된다.
- 시험 결과 P12 트레드 고무의 마찰 계수는 속도 및 하중 조건에 따라 1.150 ~ 1.493 정도로 측정되었으며, 시험 속도가 증가함에 따라 미끄러짐(Sliding) 마찰 계수는 증가하였고, 수직 방향의 하중이 증가하면 마찰 계수는 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 타이어의 실차 평가와 유사한 시험 조건에서 트레드 고무의 마찰 거동을 분석하기 위하여 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하였다. 시험기의 기본 성능에 대한 연구는 완료되었으며, 시험 데이터의 신뢰성 확보를 위한 고무 블록의 마찰 시험도 약 200회 이상 수행되었다. 타이어 회사에서 보유한 TBT 장비와의 비교 시험에서 유사한 마찰 계수가 측정되었고, 개발된 설비의 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- 시험기의 기본 성능에 대한 연구는 완료되었으며, 시험 데이터의 신뢰성 확보를 위한 고무 블록의 마찰 시험도 약 200회 이상 수행되었다. 타이어 회사에서 보유한 TBT 장비와의 비교 시험에서 유사한 마찰 계수가 측정되었고, 개발된 설비의 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다. 타이어 실차 평가에서 주행, 조종, 제동 시 요구되는 시험 속도는 다양하다.
후속연구
- 타이어 실차 평가에서 주행, 조종, 제동 시 요구되는 시험 속도는 다양하다. 개발된 고속 마찰시험기를 이용하여 젖은 노면을 비롯한 다양한 노면 조건과 하중 및 속도 조건에서의 체계적인 마찰 시험 수행이 가능할 것으로 판단된다.
- 고속 마찰 특성 평가시험기의 최대 속도의 설계치는 10.0 m/s이지만 안전을 고려하여 7.0 m/s까지 검증한 상태이고, 향후 10.0 m/s까지 성능 검증을 수행할 예정이다.
- 데이터의 검출에는 다수의 로드셀 조합이 고려되었다. 압전식(Piezo Type) 3축 로드셀 네 개를 조합하여 X, Y, Z축 각각의 하중과 모멘트를 실시간으로 취득할 수 있으며, 이를 통해 고무 마찰 특성 데이터의 활용도를 높일 것으로 기대된다.
- 영하의 온도 조건에서 시험이 가능하도록 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기는 향후 냉동 실험실에 설치될 예정이다. 가혹한 시험 조건에서는 기계 부품의 수축, 팽창이나 전장품의 오류가 발생할 수 있다.
- 가혹한 시험 조건에서는 기계 부품의 수축, 팽창이나 전장품의 오류가 발생할 수 있다. 이에 대한 적절한 연구가 병행될 것이며, 추가적으로 고무 시편의 자동 교체 장치와 노면의 자동 청소 장치의 개발과 같은 마찰 시험의 자동화를 위한 연구도 계속 진행될 예정이다.
- 이 때문에 고속 마찰 시험을 통해 얻은 데이터를 비교하고 분석하기는 매우 어렵다. 지속적인 마찰 시험을 수행하고 타이어 제조사에서 축적하고 있는 저속에서의 마찰 데이터와의 면밀한 비교, 분석을 통해 고속 마찰 시험의 신뢰성을 확보하는 것이 향후 연구의 나아갈 방향이다.
- 노면을 수조형 케이스 안에 장착한 후, 물 공급 장치(Water Unit)를 연결하여 수분을 공급 및 순환을 시키면 젖은 노면에서의 마찰 시험도 가능하다. 최종적으로 눈과 얼음 노면을 노면 케이스에 장착하여 겨울용 타이어 개발을 위한 마찰 연구도 수행할 예정이다.
- 향후 지속적으로 타이어 제조사가 보유하고 있는 기존 마찰 데이터와 면밀하게 비교, 분석하여 개발된 시험기의 신뢰성을 확보할 예정이다.
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