[논문]노면 특성을 고려한 고무 마찰 예측 연구

남승국; 오염락; 전성희

doi:10.7467/ksae.2014.22.4.105

노면 특성을 고려한 고무 마찰 예측 연구
The Prediction of Rubber Friction considering Road Characteristics 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.4, 2014년, pp.105 - 110

남승국 (한국타이어 중앙연구소) , 오염락 (한국타이어 중앙연구소) , 전성희 (한국타이어 중앙연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the hysteresis friction of a sliding elastomer on various types of surfaces. The hysteresis friction is calculated by means of an analytical model which considers the energy spent by the local deformation of the rubber due to surface asperities. By establishing the fractal character of the surfaces, the contribution to rubber friction of roughness at different length scales is accounted for. High resolution surface profilometer is used in order to calculate the main three surface descriptors and the minimal length scale that can contribute to hysteresis friction. The results show that this friction prediction can be used in order to characterize in an elegant manner the surface morphology of various surfaces and to quantify the friction coefficient of sliding rubber as a function of surface roughness, load and speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 노면의 자기 아파인 프랙탈 특성을 이용하여 정량화 하고 이를 이용하여 여러 가지 노면에서 미끄러지는 고무의 마찰을 예상하는 데에 마찰 예측 모델을 적용하는 것을 제시하였다. 결과를 보면 마찰 예측 결과와 측정 결과 간에 절대 값의 차이는 있었으나 둘 간의 상관성은 높은 상관성을 본 논문에서는, 자기 아파인 표면에 관해서 먼저 소개한 다음, Heinrich와 Kluppel³⁾이 개발한 접근법에 기초하여 노면에 대한 고무 마찰 히스테리시스의 일반화된 모델링을 소개한다. 세 가지 종류의 노면에서 고무가 미끄러질 때의 상호작용을 분석한다.
실제 마찰 표면의 특성을 조사하기 전에, 마이크로 거칠기와 진폭이 상관 함수의 형태에 미치는 영향을 입증하기 위하여, 이 절에서는 세 가지 서로 다른 정현파 프로파일을 조사한다. 프로파일에 연관된 함수를
가설 설정
- 후)히스테리시스(hysteresis)의">히스테리시스 (hysteresis)의 존재를 강조하였다.²⁾ 점착 성분은 도로와 타이어 표면 사이의 분자 간 접합지점의 전단 때문에 발생한다. 이 성분은 도로가 매끄러울 때 특히 더 중요하다.

제안 방법

2.2 이론을 LAT-100 커런덤 노면에 응용

LAT-100 마찰장비에서 제공하는 세 가지 종류의 노면(커런덤 #24, 커런덤 #60, 커런덤 #180)을 프랙탈 이론을 이용하여 분석한다. (참고 : 숫자가 높을수록 점점 더 Smooth 함.
후)커런덤#180을">커런덤 #180을 사용한다. 노면 거칠기는 비접촉식 거칠기 측정 장비를 사용하여 프로파일을 얻었다. 이 프로파일의 길이는 150mm이며 매 0.
">연구 과제이다. 본 연구에서는, 마찰 표면이 고무 마찰에 기여하는 부분을 조사하였으며, 이를 위해 LAT-100 마찰 장비에서 제공해주는 다양한 커런덤 노면을 활용하였다(Fig. 2). 이 장비는 속도, 하중, 온도 등을 조절하는 것이 가능하며 Dry, Wet, Ice 조건에서 마찰 평가가 가능한 장비이다.
후)프랙탈성질이">프랙탈 성질이 규명되었다. 본 접근법에서는 마찰 표면의 자기 아파인 특성을 이용한다. 자기 후)히 스테리시스의">히스테리시스의 일반화된 모델링을 소개한다. 세 가지 종류의 노면에서 고무가 미끄러질 때의 상호작용을 분석한다.
대상 데이터
- 노면 거칠기는 비접촉식 거칠기 측정 장비를 사용하여 프로파일을 얻었다. 이 프로파일의 길이는 150mm이며 매 0.01mm마다 샘플링을 하였다.

데이터처리

후)식(13)의">식 (13)의 마찰 모델을 이용하여 실리카 필러가 보강된 고무의 히스테리시스 마찰 성능 예측을 실시했으며, 이 결과를 젖은 노면에서의 LAT-100 마찰 시험 결과와 비교하였다.

성능/효과

후)정량화하고">정량화 하고 이를 이용하여 여러 가지 노면에서 미끄러지는 고무의 마찰을 예상하는 데에 마찰 예측 모델을 적용하는 것을 제시하였다. 결과를 보면 마찰 예측 결과와 측정 결과 간에 절대 값의 차이는 있었으나 둘 간의 상관성은 높은 상관성을 보여 주었으며 이로 미루어 보아 마찰 예측 모델은 각 인자에 대한 효과들을 분리하는 데에 적합한 도구이며, 따라서 고무 마찰의 기초적인 원리를 좀 더 분명하게 이해하는 데에 도움을 줄 수 있다고 판단 을 내릴 수 있었다. 하지만 점착의 영향이 마찰 예측 정확도에 영향을 주었다라고 판단되어 이에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
마찰 예측 결과와 측정 결과 간에 절대 값의 차이는 있었으나 둘 간의 상관성은 높은 상관성을 보여주었다. 하지만 #60, 그 중요성에도 불구하고 노면에서 미끄러지는 고무의 히스테리시스를 정량적으로 예측하는 것은 여전히 만만치 않다. 실험에서 얻은 결과를 보면, 마찰은 노면 형태의 다양한 길이 척도에 따라 달라지며, 또한 미끄럼 속도, 하중 및 온도와 같은 여러 가지 변수에 크게 의존한다. 실제 응용에서 이 효과들의 영향과 기여를 분리하기 어렵기 때문에, 수학적 모델은 이러한 효과들을 분리하는 데에 적합한 도구이며, 따라서 고무 마찰의 기초적인 원리를 좀 더 분명하게 이해하는 데에 도움을 준다.
후)높이차상관">높이차 상관 함수를 보여준다. 위의 결과를 기초로 하여, 커런덤 #24 노면의 경우, 마크로 거칠기 뿐만 아니라 마이크로 거칠기에서도 가장 크게 표면의 기복이 있다는 것을 알 수 있다. 그렇기 때문에 고무가 이 높이차 상관 함수를 활용하면 표면의 거칠기 특성을 명쾌하고도 시각적으로 비교하고 표현하는 것이 가능할 뿐 만 아니라, 그 다음 절에서는 프랙탈 표현이 고무-노면 상호작용의 마찰 특성을 결정하는 데에 특히 더 적합함을 설명할 것이다.
정현파 트랙의 미세 구조를 증가시키면, 1mm보다 작은 길이 척도에서 높이차 상관 함수가 이동할 뿐만 아니라 3 ~ 10mm 범위에서 심하게 진동하는 거동을 보임을 알 수 있다.
후속연구
- 후)판단을">판단 을 내릴 수 있었다. 하지만 점착의 영향이 마찰 예측 정확도에 영향을 주었다라고 판단되어 이에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초기 연구에서 차량의 노면 마찰의 주요 성분은 무엇인가?	노면 마찰 관점에서 차량 주행 중 안정성을 확보하기 위해 가장 중요한 것 중 하나는 큰 마찰을 주어 차량의 미끄러짐을 최소화하는 능력이다.1) 초기 연구에서는 노면 마찰의 두 주요 성분으로서 점착(adhesion)과 히스테리시스 (hysteresis)의 존재를 강
	히스테리시스는 어떻게 발생되게 되는가?	그렇지만, 도로가 거칠고 젖어 있는 경우에, 점착은 큰 의미가 없어진다.2) 히스테리시스는 골재의 마이크로 거칠기 및 아스팔트 콘크리트 노면의 마크로 거칠기 특성에 의하여 타이어 고무가 주기적으로 변형하는데에서 생겨난다. 두 가지의 표면 구조, 곧 마이크로 거칠기(1μm ~ 0.
	도로 상태에 따라 점착 성분의 중요도가 어떻게 달라지는가?	2) 점착 성분은 도로와 타이어 표면 사이의 분자 간 접합지점의 전단 때문에 발생한다. 이 성분은 도로가 매끄러울 때 특히 더 중요하다. 그렇지만, 도로가 거칠고 젖어 있는 경우에, 점착은 큰 의미가 없어진다.2) 히스테리시스는 골재의 마이크로 거칠기 및 아스팔트 콘크리트 노면의 마크로 거칠기 특성에 의하여 타이어 고무가 주기적으로 변형하는데에서 생겨난다.

참고문헌 (10)

Y. N. Lee and S. J. Park, "Measurement of Friction Coefficients for Motorcycles Sliding in Various Conditions," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2588-2596, 2012.
D. F. Moore, The Friction of Pneumatic Tyres, Elsevier, New York, 1975.
M. Kluppel and G. Heinrich, "Rubber Friction on Self Affine Road Tracks," Rubber Chemistry & Technology, Vol.73, No.4, pp.578-606, 2001.
K. A. Grosch, "Relation between the Friction and Visco-elastic Properties of Rubber," Proceedings at Royal Society London, A274, Vol.274, No.1356, pp.21-39, 1963.
K. A. Grosch, "Rubber Friction and Its Relation to Tire Traction," Rubber Chemistry and Technology, Vol.80, No.3, pp.379-411, 2007.

상세보기
B. N. J. Persson, Sliding Friction: Physical Principles and Applications. Springer Verlag, Berlin, 2001.
B. N. J. Persson, "Theory of Rubber and Contact Mechanics," Journal of Chemical Physics, Vol.115, No.8, pp.3840-3861, 2001.

상세보기
G. M. Kluppel and T. A. Vilgis, "Evaluation of Self-affine Surfaces and Their Implication for Frictional Dynamics as Illustrated with a Rouse Material," Computational and Theoretical Polymer Science, Vol.10, No.1, pp.53-61, 2000.

상세보기
A. Le Gal and M. Kluppel, "Investigation and Modelling of Rubber Stationary Friction on Rough Surfaces," J. Phys. Condens. Matter, Vol.20, No.1, pp.1-13, 2008.
S. Westermann, F. Petry, R. Boes and G. Thielen, "Experimental Investigations into the Predictive Capabilities of Current Physical Rubber Friction Theories," KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe, Vol.57, No.12, pp.645-650, 2004.

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