[논문]자기장 영향에 따른 자기유변탄성체의 구름 마찰 특성 연구

연성룡; 이광희; 김철현; 이철희

doi:10.9725/kstle.2014.30.4.234

[국내논문] 자기장 영향에 따른 자기유변탄성체의 구름 마찰 특성 연구
A Study on Rolling Friction Characteristics of Magneto-Rheological Elastomer under Magnetic Fields 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.4, 2014년, pp.234 - 239

연성룡 (인하대학교 기계공학과) , 이광희 (인하대학교 기계공학과) , 김철현 (장암칼스 주식회사) , 이철희 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Magneto-rheological elastomer (MR elastomer) is a smart material, because it has mechanical properties that change under a magnetic field. An MR elastomer changes its stiffness characteristics when the inner particles (iron particles) align along the direction of a magnetic field. There has been much research to make use of this characteristic to control vibration issues in various mechanical systems, such as for mounting systems in the automotive field, home appliances, etc. Furthermore, the friction and wear properties of MR elastomer have been studied, as these relate to the durability of the material needed to meet engineering requirements. Rolling friction (or rolling resistance) is one of these friction properties, but has not yet been studied in the context of MR elastomers. In this study, an MR elastomer is fabricated in the shape of a hollow cylinder to evaluate the rolling friction characteristic under a magnetic field. The test apparatus is setup and a strain gauge is used to calculate the rolling resistance under test conditions. Permanent magnets are used to supply the magnetic field during tests. The load and rolling speed conditions are also considered for the tests. The test results show that rolling friction characteristic has a different trend under different magnetic field, load, and rolling speed conditions. It is assumed that the stiffness change of an MR elastomer under a magnetic field has an effect on the rolling friction characteristic of the MR elastomer. For the future work, the rolling friction characteristics of MR elastomers will be controlled by adjusting the strength of the magnetic field using electromagnets.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 실리콘 기반 자기유변탄성체의 구름마찰 특성을 분석하기 위해 타이어 형태의 자기유변탄성체와 구름 마찰 시험기를 제작하여 자기장의 유무에 따른 구름 마찰실험을 진행하여 구름마찰계수의 변화를 분석하였다.

제안 방법

이 때 자기유변탄성체의 부드러운 성질 때문에 왕복 운동시 하중에 의해 스트레인 게이지 상하방향의 전단력이 생겨 정확한 마찰계수를 측정할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 스트레인 게이지의 양 쪽을 조인트 형태로 만들어 스트레인 게이지 상하방향의 변형을 없애 정확한 데이터를 구할 수 있게 하였다. 영구자석은 자기유변탄성체 시편의 중간 파이프에 위치하며, 슬라이더와 알루미늄 판 사이에는 스트레인 게이지가 위치하여 마찰계수를 구하기 위한 변형률 데이터를 수집한다.
자기장을 부하할 때 자기유변탄성체 파이프의 중간에 영구자석을 삽입하여 실험을 진행하며, 자기장을 부하하지 않을 때에는 영구자석과 같은 중량의 환봉을 삽입하여 실험을 진행한다. 자기장의 조절은 자기장을 On-Off 하는 방식으로 실험을 진행한다.

대상 데이터

연구에 사용된 자기유변탄성체는 실리콘 기반으로 제작하였고, 사용된 철 입자의 크기는 10 µm이며 투입비율은 79.8±2%이다. 제작 시 140℃의 온도로 60분 동안 경화하고 80℃의 온도로 냉각시켰다.

이론/모형

영구자석은 자기유변탄성체 시편의 중간 파이프에 위치하며, 슬라이더와 알루미늄 판 사이에는 스트레인 게이지가 위치하여 마찰계수를 구하기 위한 변형률 데이터를 수집한다. 수집된 변형률 데이터는 DAQ Board를 통해 PC로 전송되며, 구름마찰계수는 아래 식 (1) 쿨롱 힘의 법칙을 통해 계산할 수 있다[28-29].

성능/효과

자기장을 부하한 조건에서 마찰계수에 영향을 주는 탄성 히스테리시스가 감소되어 자기유변탄성체의 구름 마찰계수가 자기장을 가하지 않은 조건보다 전체적으로 작게 나타났다. 또한 자기장을 가하지 않을 때 하중의 증가에 따른 접촉면적이 커져 자기유변탄성체의 구름 마찰계수가 증가하는 반면, 자기장을 가하면 자기유변탄성체의 강성이 커져 하중이 증가해도 자기장을 가하지 않은 자기유변탄성체와 달리 접촉면적이 크게 변화하지 않아 구름 마찰계수가 감소하는 것을 확인하였다.
하중이 증가할수록 자기장을 부하할 때와 부하하지 않을 때의 자기유변탄성체의 구름 마찰계수 차이가 크다. 반면에 속도에 따른 자기장을 부하할 때와 부하하지 않을 때의 자기유변탄성체의 구름 마찰계수 차이가 크지 않는 것을 확인하였다.
자기장을 부하한 조건에서 마찰계수에 영향을 주는 탄성 히스테리시스가 감소되어 자기유변탄성체의 구름 마찰계수가 자기장을 가하지 않은 조건보다 전체적으로 작게 나타났다. 또한 자기장을 가하지 않을 때 하중의 증가에 따른 접촉면적이 커져 자기유변탄성체의 구름 마찰계수가 증가하는 반면, 자기장을 가하면 자기유변탄성체의 강성이 커져 하중이 증가해도 자기장을 가하지 않은 자기유변탄성체와 달리 접촉면적이 크게 변화하지 않아 구름 마찰계수가 감소하는 것을 확인하였다.
하중이 증가할수록 자기장을 부하할 때와 부하하지 않을 때의 자기유변탄성체의 구름 마찰계수 차이가 크다. 반면에 속도에 따른 자기장을 부하할 때와 부하하지 않을 때의 자기유변탄성체의 구름 마찰계수 차이가 크지 않는 것을 확인하였다.

후속연구

향후 자기장의 세기를 조절함으로써 구름마찰계수의 능동제어에 대한 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기유변탄성체(MR Elastomer)란?	자기유변탄성체(MR Elastomer)는 자력을 가하면 재료의 성질이 변하는 특성을 가진 자기유변재료의 하나이며, 고체 형태인 자기유변탄성체는 천연고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 자기유변물질이다. 기존의 자기유변유체와 같은 성질을 가지고 있으면서도 고체의 성질을 가지고 있기 때문에 사용이 편리하여 다양한 공학영역에서 연구와 응용이 가능하다.
	자기유변탄성체는 어떤 분야에서 연구되고 있는가?	현재 개발되고 있는 자기유변탄성체는 아직 기초적인 수준에 머물러 있으나 마찰 특성의 변화와 자기유변유체의 미세한 표면 가공의 연구[1-8], 자기유변탄성체를 이용한 진동 감쇠기에 대한 연구[9], 자기유변탄성체 및 유체의 특성 연구와 모델링에 대한 연구[10-11], 터치 디스플레이 햅틱 가상 표면특성에 대한 연구, 자기유변탄성체의 감쇠 성능에 대한 연구, 프로펠러 샤프트 센터 베어링용 진동감쇠장치, 마찰제어 로봇패드 등[12-27] 다양한 분야에서 연구되고 있다. 또한, 재료의 마찰 및 마모 특성은 제품 수명, 안전성과 큰 관련이 있기 때문에 연구 및 응용에 있어서 상당히 중요하다.
	자기장을 가하지 않을 때 하중의 증가에 따라 마찰계수가 증가하는 이유는 무엇인가?	4(a)-(c)를 비교해 보면, 자기장을 가하지 않을 때 하중의 증가에 따라 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 가한 하중이 커지면 부드러운 자기유변탄성체와 알루미늄 판의 접촉면적이 커져 구름 마찰계수가 증가하기 때문이다. 또한 점도가 큰 자기유변탄성체의 표면과 알루미늄 판의 접촉면에서는 하중이 클수록 응착현상이 커져 마찰계수가 증가하는 것도 확인할 수 있다.

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