[논문]하중 및 온도에 따른 습식 클러치 마찰재의 트라이볼로지 특성

박혜선; 정구현

doi:10.9725/kts.2019.35.1.30

하중 및 온도에 따른 습식 클러치 마찰재의 트라이볼로지 특성
Effect of Normal Force and Temperature on Tribological Properties of Wet Clutch Friction Material 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.1, 2019년, pp.30 - 36

Abstract ▼ AI-Helper

The tribological properties of paper-based friction materials are crucial to the performance of a wet clutch system. In this work, the friction and wear characteristics of a paper-based friction material in boundary lubrication state was experimentally investigated using a pin-on-reciprocating tribotester under various normal forces and temperatures. It was found that the wear rate of the friction material increased from $5.8{\times}10^{-6}mm^3/N/cycle$ to $5.5{\times}10^{-5}mm^3/N/cycle$ after 1,700 cycles of testing at $80^{\circ}C$ as normal force increased from 2 N to 7 N. The friction coefficient was also found to increase from 0.135 to 0.155 with increasing normal force from 2 N to 7 N. The increase in contact pressure with increasing normal force may be responsible for these results. In addition, as temperature increased from $20^{\circ}C$ to $80^{\circ}C$, the wear rate of the friction materials increased from $2.0{\times}10^{-5}mm^3/N/cycle$ to $3.6{\times}10^{-5}mm^3/N/cycle$ while the friction coefficient decreased from 0.163 to 0.146. This result may be associated with the decrease in the hardness of friction materials with increasing temperature. Furthermore, plastic deformation on the friction materials was mainly observed after the test. The outcome of this work may be useful to gain a better understanding of the tribological properties of friction materials, and therefore can contribute to the development of friction materials with enhanced performance for wet clutch systems.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 2. Force-displacement curve measurement result using DMA.
그림 Fig. 1. (a) SEM and (b) 3-dimensional confocal microscopy images of the specimen.
그림 Fig. 3. Schematic of tribo-tester.
그림 Fig. 4 Three-dimensional confocal microscopy images of the specimen after the tests under (a) 2 N, (b) 3 N, (c) 5 N, and (d) 7 N normal forces with 25.3 mm/s sliding speed at 80^oC, and (e) cross-sectional height profiles.
그림 Fig. 6. Three-dimensional confocal microscopy images of the specimen after the tests under 5N normal force with 25.3 mm/s sliding speed at (a) 20^oC, (b) 50^oC, (c) 80^oC, and (d) 100^oC, and (e) cross-sectional height profiles.
그림 Fig. 5 (a) Wear rate and (b) friction coefficient of the specimen with 25.3 mm/s sliding speed at 80^oC with respect to normal force.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수직 하중과 온도 변화에 따른 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 정량적으로 이해하기 위하여, pin-on-reciprocating plate tribo-tester롤 이용한 실험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 얻은 마찰 및 마모 특성 평가 결과로부터, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 이러한 결과는 향후 보다 우수한 신뢰성과 작동 성능을 가지는 클러치용 습식 마찰재의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 수직 하중과 온도 변화에 따른 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위하여, 수직 하중은 2N, 3N, 5N, 7N으로, 온도는 20C, 50C, 80℃, 100C로 변화시켰다. 수직 하중 조건은 기존 연구 결과 [4]와 예비 실험 등을 통하여, 기판의 영향을 배제하고 측정 가능한 마모량을 효과적으로 얻기 위하여 선정되었다.
본 연구에서는 자동변속기 클러치 시스템에 사용되는 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 실험적으로 이해하기 위하여, pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용한 실험을 수행하였다. 실험 시편으로는 실제 자동 변속기 용 클러치 시스템에 사용되는 습식 마찰재를 이용하였으며, 수직 하중과 온도 변화에 따른 마찰 및 마모 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 수직 하중과 온도 변화에 따른 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위하여, 수직 하중은 2N, 3N, 5N, 7N으로, 온도는 20C, 50C, 80℃, 100C로 변화시켰다. 수직 하중 조건은 기존 연구 결과 [4]와 예비 실험 등을 통하여, 기판의 영향을 배제하고 측정 가능한 마모량을 효과적으로 얻기 위하여 선정되었다. 또한, 실험 온도는 실제 습식 클러치의 작동 조건을 고려하여 결정하였다.

제안 방법

실험 후 습식 마찰재의 표면에 형성되어 있는 트랙을 공초점 현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한, 공초점 현미경 데이터로부터 마모 트랙의 평균 단면 프로파일을 얻었으며, 이로부터 마모 트랙의 단면적을 구하였다 [12]. 특히, 마모 트랙의 단면적 계산 시에는 마모 트랙 주변에 존재하는 버 (burr)의 영향이 포함되지 않도록 주의하였다.
미끄럼 속도는 시편의 중앙부에서 25mm/s가 되도록 일정하게 유지하였다. 또한, 실제 습식 마찰재의 마모가 경계 윤활에서 많이 발생할 수 있음을 고려하여 모든 실험은 경계 윤활에서 진행하였다. 상용화된 습식 마찰재로부터 얻은 시편의 크기를 고려하여 이송 거리는 16 mm로 설정하였다.
압입 시험 은 1N/min의 압입 속도, 3N의 최대 하중 조건으로 이루어졌으며, 직경 4mm의 구형 압입자가 이용되었다. 또한, 온도에 따른 습식 마찰재의 기계적 물성 변화를 파악하기 위하여 압입 시험은 상온(20C)과 습식 클러치의 작동 온도로 예상되는 80C에서 이루어졌다. Fig.
실험장치는 온도 조절시스템, 구동부, 마찰력을 측정하기 위한 센서, 그리고 데이터 수집장치 등으로 구성되어 있다. 수직하중은 dead weight를 이용하여 가하였으며, 시편과 크롬 강구사이의 마찰력은 load cell을 이용하여 측정하였다. 실험시 온도는 시편의 아래쪽에 위치한 heater를 이용하여 변화시켰으며, 습식 마찰재가 장착되어 있는 디스크에 위치시킨 thermocouple을 이용하여 온도를 측정하였다.
실험 후 습식 마찰재의 표면에 형성되어 있는 트랙을 공초점 현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한, 공초점 현미경 데이터로부터 마모 트랙의 평균 단면 프로파일을 얻었으며, 이로부터 마모 트랙의 단면적을 구하였다 [12].
수직하중은 dead weight를 이용하여 가하였으며, 시편과 크롬 강구사이의 마찰력은 load cell을 이용하여 측정하였다. 실험시 온도는 시편의 아래쪽에 위치한 heater를 이용하여 변화시켰으며, 습식 마찰재가 장착되어 있는 디스크에 위치시킨 thermocouple을 이용하여 온도를 측정하였다.
실험에 앞서, 습식 마찰재 시편의 기계적 물성을 이해하기 위하여 dynamic mechanical analyzer (DMA)를 이용한 압입(indentation) 시험을 수행하였다. 압입 시험 은 1N/min의 압입 속도, 3N의 최대 하중 조건으로 이루어졌으며, 직경 4mm의 구형 압입자가 이용되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 상용화된 클러치용 습식 마찰재를 이용하여 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 습식 마찰재는 디스크에 부착되어 있었으며, 실험 장치에 장착하기 위하여 일정 크기로 잘라서 사용하였다. Fig.
본 연구에서는 상용화된 클러치용 습식 마찰재를 이용하여 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 습식 마찰재는 디스크에 부착되어 있었으며, 실험 장치에 장착하기 위하여 일정 크기로 잘라서 사용하였다.
습식 마찰재와 상대운동을 하기 위한 소재로는 볼 베어링에 사용되는 크롬 강구를 사용하였다. 공초점 현미경을 이용하여 측정한 실험 전 크롬 강구의 반경은 1.
본 연구에서는 자동변속기 클러치 시스템에 사용되는 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 실험적으로 이해하기 위하여, pin-on-reciprocating tribo-tester를 이용한 실험을 수행하였다. 실험 시편으로는 실제 자동 변속기 용 클러치 시스템에 사용되는 습식 마찰재를 이용하였으며, 수직 하중과 온도 변화에 따른 마찰 및 마모 특성을 평가하였다. 이러한 연구 결과는 궁극적으로 보다 향상된 성능을 가지는 습식 마찰재 개발을 위한 기초적 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
3은 본 연구에 사용된 실험장치의 도식도를 나타낸다. 실험장치는 온도 조절시스템, 구동부, 마찰력을 측정하기 위한 센서, 그리고 데이터 수집장치 등으로 구성되어 있다. 수직하중은 dead weight를 이용하여 가하였으며, 시편과 크롬 강구사이의 마찰력은 load cell을 이용하여 측정하였다.
실험에 앞서, 습식 마찰재 시편의 기계적 물성을 이해하기 위하여 dynamic mechanical analyzer (DMA)를 이용한 압입(indentation) 시험을 수행하였다. 압입 시험 은 1N/min의 압입 속도, 3N의 최대 하중 조건으로 이루어졌으며, 직경 4mm의 구형 압입자가 이용되었다. 또한, 온도에 따른 습식 마찰재의 기계적 물성 변화를 파악하기 위하여 압입 시험은 상온(20C)과 습식 클러치의 작동 온도로 예상되는 80C에서 이루어졌다.
01 μm로 나타났다. 윤활유로는 자동 변속기에서 실제 사용되는 automatic transmission fluid (ATF)를 이용하였다.

이론/모형

특히, 마모 트랙의 단면적 계산 시에는 마모 트랙 주변에 존재하는 버 (burr)의 영향이 포함되지 않도록 주의하였다. 마모 트랙의 단면적과 이송 거리(16 mm)를 곱하여 시편의 마모 부피를 구하였으며, Archard의 마모 법칙에 기반하여, 마모율 (wear rate)을 정량적으로 얻었다 [13]. 시편의 측정 가능한 마모 부피를 얻기 위해 요구되는 왕복 운동 회수는 약 1, 700회 정도였으며, 이는 약 54 m의 미끄럼 거리에 해당하였다.
본 연구에서는 pin-on-reciprocating plate tribo-tester를 이용하여 실험을 수행하였다. Fig.

성능/효과

5(a)는 수직 하중 변화에 따른 습식 마찰재의 마모율 변화를 나타낸다. 수직 하중이 2N에서 7N으로 증가함에 따라 습식 마찰재의 마모율은 5.8x10-6 mm/ N/cycle에서 5.5x10" mm3/N/cycle로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 하중이 약 3.
7(a)는 온도변화에 따른 습식 마찰재의 마모율 변화를 나타낸다. 온도가 20C에서 100C로 증가함에 따라, 습식 마찰재의 마모율은 2.0x10" mm3/N/cycle에서 3.6x10" mm3/N/cycle로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 온도가 약 5배 정도 증가함에 따라 마모는 약 1.
1) 본 연구에 사용된 습식 마찰재의 마모율과 마찰계수는, 강구와 상대 운동하는 경우 각각 IO, ~10-6 mm3/ N/cycle과 0.135~ 0.163로 나타났다.
2) 수직하중 증가에 따른 접촉 압력의 증가는 마모율은 크게 상승시키는 것으로 나타났으나, 마찰계수의 증가는 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
4(a)~(d)에 표시한 바와 같이, 실험 후 마찰재 시편의 접촉부에는 마모 트랙이 형성되어 있음을 명확하게 알 수 있다. 2N 수직하중에서 형성된 마모 트랙의 깊이는 상대적으로 매우 작았으며, 수직하중이 증가할수록 마모 트랙의 폭과 깊이가 증가하는 것을 명확하게 알 수 있다. 특히, 7N 수직 하 중의 경우에는 마모 트랙의 주변에 버가 형성된 것을 알 수 있다.
3) 습식 마찰재의 마모율은 온도 증가에 따라 증가하였으나, 마찰계수는 약간 감소하는 것으로 나타났다. 온도 증가에 따른 습식 마찰재의 기계적 물성의 감소는 마모율의 증가를 유발하나, 소성 변형시 요구되는 전단 응력을 감소시키므로 마찰계수는 감소하는 것으로 생각된다.
4) 습식 마찰재의 주된 마모 기구는 소성 변형인 것으로 나타났으며, 이는 마찰재를 구성하는 재료 및 조합에 따른 경도, binder의 결합력 등을 향상시킴으로써, 마모 특성을 향상시킬 수 있음을 의미한다.
이러한 증가는 하중 증가에 따른 접촉 압력의 증가와 이에 따른 소성 변형시의 전단 응력 증가 때문으로 생각된다. Fig. 5(b)에 제시된 마찰 특성은 기존에 평가된 다른 습식 마찰재의 마찰계수와 비슷한 것으로쎄4], 결론적으로, 본 실험에 사용된 습식 마찰재는 클러치 부품으로써 요구되는 높은 마모 저항성과 함께 비교적 양호한 마찰 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
5(b)에 제시하였다. 수직하중이 2N에서 7N으로 증가함에 따라 마찰계수가 0.135에서 0.155로 미세하게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 증가는 하중 증가에 따른 접촉 압력의 증가와 이에 따른 소성 변형시의 전단 응력 증가 때문으로 생각된다.
7(b)는 5N의 수직하중에 온도변화에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸다. 온도가 20C에서 100C로 증가함에 따라, 마찰계수는 0.163에서 0.146으로 미세하게 감소하였다. 이는 온도 증가에 따라 소재의 기계적 물성이 감소하고, 이에 따라 소성 변형을 유발하는데 필요한 전단 응력이 감소하기 때문으로 생각된다.
2는 20C와 80C에서 얻은 force-displacement curve롤 나타내며, 온도가 20C와 80C로 증가함에 따라 3N 하중에서의 압입 깊이는 30μm에서 40μm로 30% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 온도가 증가함에 따라 경도가 크게 감소하는 것을 알 수 있으며, 온도에 따라 마모가 증가할 것을 예측할 수 있다.
4(e)에 제시한 마모 트랙의 평균 단면 프로파일로부터 확인할 수 있다. 이와 같은 결과로부터, 본 연구에 사용된 습식 마찰재의 경우, 접촉 미끄럼 운동으로 인하여 소성 변형이 발생하고, 이에 따라 그루브(groove)가 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 기존 연구 결과 [4]와 일치하는 것이었으나, 마찰재의 표면에 존재하는 섬유질이 끊어져 길이가 짧아지거나, 심각하게 압축되는 파손은 관찰되지 않았다.
6x10" mm3/N/cycle로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 온도가 약 5배 정도 증가함에 따라 마모는 약 1.8배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 수직하중에 비하여 온도의 영향이 상대적으로 적은 것을 알 수 있다.
5x10" mm3/N/cycle로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 하중이 약 3.5 배 정도 증가함에 따라 마모율은 약 10배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이, 수직 하중 증가에 따라 마모율이 증가하는 것은 접촉 압력의 증가에 기인하는 것으로 여겨진다.
6에 제시한 결과로부터, 온도 증가에 따라 습식 마찰재의 마모량이 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 온도가 20C에서 50C로 증가할 때의 마모량은 상대적으로 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이 온도가 증가함에 따라 습식 마찰재의 마모율이 증가하는 것은, Fig.

후속연구

[9-11]. 그러므로, 높은 동력전달 효율 및 내구성을 가지는 습식 마찰재를 개발하기 위해서는 다양한 형태를 가지는 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 다양한 조건에서 평가함으로써, 각 소재의 역할을 근본적으로 이해하고 최적의 조합을 제시하기 위한 데이터를 축적하는 것이 요구된다.
본 연구에서는 수직 하중과 온도 변화에 따른 습식 마찰재의 마찰 및 마모 특성을 정량적으로 이해하기 위하여, pin-on-reciprocating plate tribo-tester롤 이용한 실험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 얻은 마찰 및 마모 특성 평가 결과로부터, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 이러한 결과는 향후 보다 우수한 신뢰성과 작동 성능을 가지는 클러치용 습식 마찰재의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
실험 시편으로는 실제 자동 변속기 용 클러치 시스템에 사용되는 습식 마찰재를 이용하였으며, 수직 하중과 온도 변화에 따른 마찰 및 마모 특성을 평가하였다. 이러한 연구 결과는 궁극적으로 보다 향상된 성능을 가지는 습식 마찰재 개발을 위한 기초적 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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