Magnetorheological elastomers (MREs) are a type of “smart” material, and their properties can be controlled rapidly and reversibly under the influence of an external stimulus. The application of an external magnetic field can change the shear modulus, hardness, and friction coefficient...
Magnetorheological elastomers (MREs) are a type of “smart” material, and their properties can be controlled rapidly and reversibly under the influence of an external stimulus. The application of an external magnetic field can change the shear modulus, hardness, and friction coefficient of MREs. The friction can cause vibration; moreover, the vibration can affect friction. The change of friction depends on the relative motion, normal force, roughness of the rubbing surfaces, material type, temperature, lubrication, relative humidity, and vibration condition. As MREs are a type of “smart material,” their friction coefficient can be reduced by applying an external magnetic field—the applications of this feature in engineering have been widely studied. However, the friction properties of MREs under vibration have not been tested to date. In this study, MRE samples and a reciprocating friction tester were fabricated. The friction coefficient was measured to evaluate the friction properties under various vibration conditions; subsequently, the wear depth and wear surface profile of the MRE were observed in order to evaluate the wear properties. The results show that the friction coefficient of the MREs decreased when a magnetic field was applied. Moreover, the friction coefficient decreased when the vibrational amplitudes increased. The wear depth of the MRE also decreased as the vibrational amplitudes increased.
Magnetorheological elastomers (MREs) are a type of “smart” material, and their properties can be controlled rapidly and reversibly under the influence of an external stimulus. The application of an external magnetic field can change the shear modulus, hardness, and friction coefficient of MREs. The friction can cause vibration; moreover, the vibration can affect friction. The change of friction depends on the relative motion, normal force, roughness of the rubbing surfaces, material type, temperature, lubrication, relative humidity, and vibration condition. As MREs are a type of “smart material,” their friction coefficient can be reduced by applying an external magnetic field—the applications of this feature in engineering have been widely studied. However, the friction properties of MREs under vibration have not been tested to date. In this study, MRE samples and a reciprocating friction tester were fabricated. The friction coefficient was measured to evaluate the friction properties under various vibration conditions; subsequently, the wear depth and wear surface profile of the MRE were observed in order to evaluate the wear properties. The results show that the friction coefficient of the MREs decreased when a magnetic field was applied. Moreover, the friction coefficient decreased when the vibrational amplitudes increased. The wear depth of the MRE also decreased as the vibrational amplitudes increased.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 진폭의 진동 조건에서 자기유변탄성체의 마찰 특성을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 실험을 진행하기 위하여 자기유변탄성체 시편과 진동 상태에서 구동 가능한 왕복 마찰 실험기를 제작하였다.
본 연구에서는 진동 조건을 부여할 수 있는 마찰 시험 장치를 구축하여 다양한 진동 조건에 따른 마찰 실험을 진행하였다. 마찰 특성을 고찰하기 위하여 각 조건 하의 마찰계수를 측정 및 분석하였으며 마모량을 측정하여 각 조건하의 마모 특성을 고찰하였다.
또한 자기장 유무 조건 하의 마찰에 대해 많은 연구가 진행되고 있으나, 진동 상태 하의 마찰 특성에 대한 연구는 현재 미비한 실정이다. 이 때문에 본 연구에서는 진동 상태 조건하에 자기유변탄성체의 마찰 특성을 고찰하였다.
제안 방법
1은 본 실험에 사용된 자기유변탄성체이다. 다양한 주성분 재료별 자기유변탄성체 중에서 실리콘 기반 자기유변탄성체의 자기 영향이 가장 크게 나오기 때문에 이번 실험에서 실리콘 기반 자기유변탄성체를제작하여 실험하였다[8, 9]. 자기유변탄성체의 철 입자 사이즈는 10 µm이며 중량비는 79.
진행하였다. 마찰 특성을 고찰하기 위하여 각 조건 하의 마찰계수를 측정 및 분석하였으며 마모량을 측정하여 각 조건하의 마모 특성을 고찰하였다.
진폭을 측정하기 위하여 레이저 거리 센서를 설치하였으며, 진동 제어기를 통하여 진동을 가한다. 마찰 특성을 보다 정밀하게 확인하기 위하여 핀의 한 쪽 끝을 반구형으로 제작하였으며, 자기장의 영향을 받지 않는 알루미늄을 사용하여 제작하였다.
총 이동 거리는 2000 mm 이다. 마찰 표면 온도가 마찰특성에 큰 영향을 줄 수 있으므로 비접촉식 온도 측정기 (testo 835)를 이용하여 온도를 측정하였다. 실험 오차를 줄이기 위하여 각 조건에서 두 번 이상의 실험을 진행하고 평균 값을 산출하였다.
자기유변탄성체 위에 있는 핀이 슬라이더에 의하여 좌우 왕복 운동을 수행한다. 수직 방향과 수평 방향에 로드 셀을 하나씩 설치하여 수직 방향과 수평 방향의 실시간 힘을 측정하여 마찰계수를 구한다. 실시간으로 구해진 마찰계수 데이터가 LabVIEW를 통하여 personal computer(PC)에 전송된다.
마찰 표면 온도가 마찰특성에 큰 영향을 줄 수 있으므로 비접촉식 온도 측정기 (testo 835)를 이용하여 온도를 측정하였다. 실험 오차를 줄이기 위하여 각 조건에서 두 번 이상의 실험을 진행하고 평균 값을 산출하였다.
실험을 진행하기 위하여 자기유변탄성체 시편과 진동 상태에서 구동 가능한 왕복 마찰 실험기를 제작하였다. 결과는 다음과 같다.
우선 진동이 없는 상태에서 실험을 진행하여 베이스라인 데이터로 지정한 다음, 100 Hz 진폭의 다양한 진동을 가한 상태에서 (1, 2, 4 µm) 자기장 (80 mT) 의 유무 조건하에 실험을 진행하였다. 부하한 하중은 1.
전자석에서 생성되는 자기력을 균일하게 작용시키기 위하여 자기유변탄성체를 원통형으로 제작하였으며 지름은 60 mm로 정하였다. 시편이 너무 얇으면 빨리 파괴될 가능성이 크며, 너무 두꺼우면 마찰 표면과 전자석의 간격이 커져 작용하는 자기력이 많이 감소될수 있기 때문에 두께는 15 mm로 정하였다.
진동 상태에서 자기유변탄성체의 마모 특성을 평가하기 위하여 마모 깊이를 측정하여 분석하였다. 마모 깊이를 비접촉식 레이저 위치 센서로 측정하여 Fig.
실시간으로 구해진 마찰계수 데이터가 LabVIEW를 통하여 personal computer(PC)에 전송된다. 진폭을 측정하기 위하여 레이저 거리 센서를 설치하였으며, 진동 제어기를 통하여 진동을 가한다. 마찰 특성을 보다 정밀하게 확인하기 위하여 핀의 한 쪽 끝을 반구형으로 제작하였으며, 자기장의 영향을 받지 않는 알루미늄을 사용하여 제작하였다.
데이터처리
600 mm 이후에 마찰계수의 변화가 안정하게 유지되기 때문에 이 구간의 마찰계수를 이용하여 평균 마찰계수를 구하였으며 결과는 Fig. 6과 같다. 자기장을 인가하지 않았을 때보다 인가하였을 때 마찰계수가 감소함을 볼 수 있다.
성능/효과
1. 자기장을 인가하였을 때 진동이 있을 때와 없을 때 모두 마찰계수와 마모량이 감소하였다.
2. 진동을 가하였을 때 표면 온도가 상승되어 마찰계수와 마모량이 증가하였다.
3. 진동 진폭의 증가에 따라 자기유변탄성체와 핀의 분리가 커지게 되어 마찰계수와 마모량이 감소한다. 본 연구 결과는 진동, 진폭의 변화에 따라 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성이 변화하는 경향을 관찰할 수 있으며, 다양한 외부 환경에서의 마찰 마모 연구 및 스마트 재료로써의 실제 응용에 도움이 될 것으로 예상된다.
각 조건하의 평균 마찰계수 표준편차 값을 관찰해보면 진동상태에서 표준편차 값이 증가되는 것을 볼 수 있다. 표준편차 값의 증가가 가능한 이유는 진동을 가하면 간헐적인 접촉이 생겨 마찰계수의 변화가 크기 때문이다.
후속연구
진동 진폭의 증가에 따라 자기유변탄성체와 핀의 분리가 커지게 되어 마찰계수와 마모량이 감소한다. 본 연구 결과는 진동, 진폭의 변화에 따라 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성이 변화하는 경향을 관찰할 수 있으며, 다양한 외부 환경에서의 마찰 마모 연구 및 스마트 재료로써의 실제 응용에 도움이 될 것으로 예상된다.
참고문헌 (16)
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