[논문]대변형 접촉을 고려한 고무 마찰 예측 연구

남승국

doi:10.9725/kts.2018.34.1.1

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This paper presents the analysis of friction master curves for a sliding elastomer on rough granite. The hysteresis friction is calculated using an analytical model that considers the energy spent during the local deformation of the rubber due to surface asperities. The adhesion friction is also con...

This paper presents the analysis of friction master curves for a sliding elastomer on rough granite. The hysteresis friction is calculated using an analytical model that considers the energy spent during the local deformation of the rubber due to surface asperities. The adhesion friction is also considered for dry friction prediction. The viscoelastic modulus of the rubber compound and the large-strain effective modulus are obtained from dynamic mechanical analysis (DMA). We accurately demonstrate the large strain of rubber that contacts with road substrate using the GW theory. We found that the rubber block deforms approximately to 40% strain. In addition, the viscoelastic master curve considering nonlinearity (at 40% strain) is derived based on the above finding. As viscoelasticity strongly depends on temperature, it can be assumed that the influence of velocity on friction is connected to the viscoelastic shift factors gained from DMA using the time-temperature superposition. In this study, we apply these shift factors to measure friction on dry granite over a velocity range for various temperatures. The measurements are compared to simulated hysteresis and adhesion friction using the Kluppel friction theory. Although friction results in the low-speed band match well with the simulation results, there are differences in the predicted and experimental results as the velocity increases. Thus, additional research is required for a more precise explanation of the viscoelastic material properties for better prediction of rubber friction characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 공학적으로 적용 가능한 마찰 계수 예측 모델을 구축하는 것을 목적으로 하여, Kluppel의 마찰 모델을 바탕으로 노면 요철과의 접촉으로 인해 고무에 걸리는 대변형을 고려하여 실제로 계측한 점탄성 특성이나 노면 표면의 자기 아파인 거칠기 특성을 이용하여 타이어 고무와 노면간의 마찰계수 예측을 실시한다.

가설 설정

하지만 노면 요철로 인해 고무에 걸리는 실제 변형률을 계측하는 것은 불가능하다고 판단하여, 이에 대한 파악을 위해, Greenwood-Williamson의 접촉 이론을 이용하였다. GW(Greenwood-Williamson) 접촉 모델은 Fig. 3와 같이 매끄러운 평면과 접촉하는 거칠기를 갖는 표면이 모두 같은 곡률 반경 R을 갖는 반구형의 정점으로 구성된다고 가정하며, 거칠기의 정점 높이 혹은 거칠기 최고점은 평균 정점 평면에 불규칙 하게 퍼져 있고 반구의 높이 z은 정규 분포를 따른다고 가정한다. 그리고 각 정점의 접촉모델에는 Hertzian 모델을 이용한다.

이론/모형

3와 같이 매끄러운 평면과 접촉하는 거칠기를 갖는 표면이 모두 같은 곡률 반경 R을 갖는 반구형의 정점으로 구성된다고 가정하며, 거칠기의 정점 높이 혹은 거칠기 최고점은 평균 정점 평면에 불규칙 하게 퍼져 있고 반구의 높이 z은 정규 분포를 따른다고 가정한다. 그리고 각 정점의 접촉모델에는 Hertzian 모델을 이용한다.
마찰 평가는 선형마찰시험기를 이용하여 Dry granite 노면에서 속도 15개 조건, 온도 4개 조건에서 시험을 수행하였다. 이를 통해 Fig.
아스팔트와 같은 거친 도로 표면과 고무가 접하게 될 경우, 일반적으로 고무는 매우 커다란 변형을 하게 된다. 하지만 노면 요철로 인해 고무에 걸리는 실제 변형률을 계측하는 것은 불가능하다고 판단하여, 이에 대한 파악을 위해, Greenwood-Williamson의 접촉 이론을 이용하였다. GW(Greenwood-Williamson) 접촉 모델은 Fig.

성능/효과

GW 접촉 모델을 이용하여 노면과의 접촉으로 인해 고무에 걸리는 적절한 변형의 수준을 파악하였으며 이는 약 ε ≈ 0.4의 변형이 고무에 가해짐을 알 수 있었다.
9의 적색 서클로 표현한 그래프는 실제 실험한 마찰 결과이며 청색 실선으로 표현된 그래프는 Kluppel의 마찰 이론을 이용하여 예측한 결과이다. 낮은 속도 대역에서의 마찰 결과는 잘 일치하는 것으로 보여지나 고속으로 갈수록 예측과 실험 결과에 차이가 증가되는 것으로 보여진다. 이러한 차이가 발생되는 이유에 대해서는 아마 외삽을 통해 구현한 고주파 대역의 점탄성 곡선이 이러한 차이를 만든 것 같다는 생각이 든다.

후속연구

Kluppel이 제시한 마찰 이론을 이용하여 고무 마찰을 예측하였으며, 이 결과와 마찰 시험 결과를 서로 비교하였다. 낮은 속도 대역에서의 마찰 결과는 잘 일치하는 것으로 보여지나 고속으로 갈수록 예측과 실험 결과에 차이가 보여지고 있어, 더욱 정확한 비선형 점탄성 모델을 구현하기 위한 추가적인 연구가 필요함을 고찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노면에서 미끄러지는 고무의 역학적 상호작용에 대한 이해가 어려운 이유는 무엇인가?	그 중요성에도 불구하고 노면에서 미끄러지는 고무의 역학적 상호작용(구름 저항 또는 미끄럼 마찰)을 완전히 이해하고 있다고는 말할 수 없다. 그러한 이유로는 연질 고무의 접동면과 거친 노면의 피접동면과의 사이의 진실접촉면적을 계측하는 것이 매우 어렵기 때문이며, 그 진실접촉면적에 부수하여 나타나는 고무의 다중 물리적 제반 현상 (히스테리시스 로스, 응착력, 스틱/슬립 진동, 마모, 및미끄럼면의 온도확산 등)이 마찰력이라는 일원화된 역학량으로 집약되기 때문이다.
	타이어의 연구 개발에 있어서 마찰 계수의 설정의 현실은 무엇인가?	기존의 마찰 모델에서는 단 하나의 스케일에서 본 노면의 표면 거칠기 만을 고려하고 있어서, 실질적인 마찰 계수에 대한 정확한 예측이 불가능하다. 따라서 타이어의 연구 개발에 있어서 마찰 계수의 설정은 실험값을 이용하고 있는 것이 현실이다. 그러나 실험에 의해 얻어진 마찰 계수는 분석 정확도에 문제가 있을 수 있으며, 또한 실험은 많은 비용과 시간을 요구한다.
	표면 거칠기란 어떻게 정의되는가?	표면 거칠기는 그 이상적인 형태로부터 실제 표면의 수직 편차 z=h(x,y)으로 정의되고 정량화된다. 이편차가 클수록 표면은 더 거친 것으로 간주되며 편차가 작다면 표면은 매끄러운 것으로 분류된다.

참고문헌 (16)

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