[논문]자기-아핀 표면 특성을 고려한 유기탄성체 복합재료 마찰 이론 및 타이어 트레드/노면 마찰 응용

윤범용; 장윤진; 김백환; 서종환

doi:10.7234/composres.2023.36.3.141

[국내논문] 자기-아핀 표면 특성을 고려한 유기탄성체 복합재료 마찰 이론 및 타이어 트레드/노면 마찰 응용
Sliding Friction of Elastomer Composites in Contact with Rough Self-affine Surfaces: Theory and Application 원문보기

Composites research = 복합재료, v.36 no.3, 2023년, pp.141 - 153

윤범용 (Center for Composite Materials and Concurrent Design, Sungkyunkwan University) , 장윤진 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 김백환 (Department of Polymer Science and Engineering, Sungkyunkwan University) , 서종환 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

초록
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본 리뷰 논문에서는 일반 접촉 역학 이론과 더불어 유기탄성체 마찰에 관한 이론 및 배경을 소개한다. 특히 Greenwood & Williamson 접촉 역학 이론을 확장하여 거친 표면을 자기-아핀(self-affine) 특성으로 고려한 접촉 역학 및 마찰의 수학적 모델을 제시한 Klüppel & Heinrich 이론을 중심으로 유기탄성체 복합재료의 마찰 거동에 대해 살펴본다. 자기-아핀 특성에 의한 노면의 멀티스케일 거칠기로 인해 미끄러짐 마찰 시 유기탄성체 복합재료는 다양한 주파수에 따른 동적 변형이 가해지며 이때 재료가 나타내는 점탄성이 마찰 거동에 주요한 영향을 미친다. 따라서 유기탄성체 복합재료의 비선형 점탄성을 고려하여 광범위한 주파수 영역에서의 점탄성 거동인 마스터커브를 구축하는 원리 및 방법을 제시하였다. 마지막으로 유기탄성체 복합재료 마찰 이론을 타이어 트레드 컴파운드와 노면 간의 마찰에 응용한 실험적 결과와 그 물리적 의미를 이론과 접목하여 설명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This review paper presents an introduction of contact mechanics and rubber friction theory for sliding friction of elastomer composites in contact with rough surfaces. Particularly, Klüppel & Heinrich theory considers the self-affine (or fractal) characteristic for rough surfaces to predict adhesion and hysteresis frictions of elastomers based on the contact mechanics of Greenwood & Williamson. Due to dynamic excitation process of elastomer composites while sliding in contact with multiscale surface roughness (or asperity), viscoelastic properties in a wide frequency range becomes major contributor to friction behaviors. A brief description and examples are provided to construct a viscoelastic master curve considering nonlinear viscoelasticity of elastomer composites. Finally, application of rubber friction theory to tire tread compounds in traction with road surfaces is discussed with several experimental and theoretical results.

Keyword

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Schematic representation of (a) a rough surface, (b) the Hertz model, and (c) the Greenwood-Williamson model
그림 Fig. 4. Height- and summit height-distributions of a rough surface in contact with an elastomer
그림 Fig. 2. (a) Stylus measurement of the profile and (b) corresponding height-difference correlation function of the granite surface [9]
그림 Fig. 3. (a) Height-difference correlation function with two scaling ranges and (b) corresponding power spectral density
그림 Fig. 5. Measurement of profile length with different yardsticks
그림 Fig. 6. (a) Storage modulus G' verses frequency at 0.5% strain of the unfilled S-SBR sample for various temperatures, (b) master curves of G' and G'' at T₀=20ºC after horizontal shifting, (c) discontinuous master curves of G' and G'' of the S-SBR sample with 60 phr N339 after horizontal shifting with shift factors from the unfilled sample, and (d) Arrhenius plot of the vertical shift factors, necessary to get continuous master curves of G' and G'' for the same sample. The inset illustrates part of the filler network with glassy-like polymer bridge [15]
그림 Fig. 7. Schematic representation of glass-rubber interface indicating likely region of high strain during the peeling apart of surfaces [21]
그림 Fig. 8. Effective surface energy Δγ_eff as a function of the sliding velocity v [22]
그림 Fig. 9. Greenwood-Williamson functions of a self-affine surface with respect to sliding velocity v
그림 Fig. 10. Schematic view of tire tread blocks in the contact area in longitudinal slippage with identifications of regions: stationary and non-stationary; and friction components: adhesion and hysteresis [26]
그림 Fig. 11. Schematic representation of the tribological device for sliding friction measurement [28]
그림 Fig. 12. (a) Friction master curves for fine granite at different load levels, as indicated. The reference temperature is 70ºC. (b) Fitting of friction master curves for fine granite by the sum of adhesion and hysteresis contributions for 1 bar load [28]
표 Table 1. Comparison of the activation energy values obtained at 0.5% and 3.5% strains for the differently filled composites. The results from frequency sweeps of G' and G", indicated as WLF sweeps, and the directly estimated activation energies of G' from temperature sweeps are shown [9]
그림 Fig. 13. Stationary friction curves (symbols) for (a) carbon black-and (b) silica-filled S-SBR samples on a granite surfaceat 12.3 kPa load under dry and wet conditions, as indi-cated [9]
그림 Fig. 14. Wet friction results and simulated hysteresis friction for (a) carbon black- and (b) silica-filled S-SBR 5025 on rough granite at 12.3 kPa load [10]
그림 Fig. 15. Constructed viscoelastic master curves of the composites for (a) storage modulus (G') and (b) loss modulus (G'') measured at 3.0% with a reference temperature of 20ºC [29]
그림 Fig. 16. Dry and wet friction master curves with friction model fitting curves by the sum of adhesion and hysteresis contributions for (a) Dry-RHS-Si and (b) Wet-RHS-Si composites [29]
표 Table 2. The ratio between the dynamic moduli (G' and G") at the glassy and rubbery states [29]

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 접촉 역학(contact mechanics)과 더불어 표면 거칠기의 자기-아핀(self-affine) 특성을 유기탄성체의 점탄성과 연계한 Klüppel & Heinrich 마찰 이론을 기반으로 유기탄성체 복합재료 마찰 모델을 소개하고 이를 타이어 트레드와 노면 간의 마찰 예측에 응용한 원리 및 사례를 분석하고자 한다.
본 논문에서는 유기탄성체 복합재료의 거친 노면에서의 마찰 거동에 대한 현재까지의 이론을 종합하여 Hertz와 Greenwood & Williamson의 접촉 역학 이론에서부터 자기-아핀 노면 특성을 도입한 Klüppel & Heinrich의 마찰 이론까지 그 대략적인 이론적 배경과 내용을 설명하였다

제안 방법

아울러 접촉 역학 및 마찰 이론을 바탕으로 타이어 트레드 컴파운드가 일반 도로에서 겪는 마찰을 이해하고 예측하기 위한 응용 연구 사례를 살펴보았다. 트레드 컴파운드의 마찰은 타이어의 견인, 핸들링, 제동 성능 등에 기여하는 바가 상당히 크고 특히 ABS 영역에서의 마찰계수를 높임으로써 차량 제동 거리를 감소시킬 수 있기 때문에 해당 속도 영역에서의 마찰 거동 파악이 재료 측면에서 매우 중요하다고 할 수 있다.

대상 데이터

본 연구는 2021년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구(20015898)이며, 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2022R1A2C3011968).

성능/효과

결과적으로 1 mm/s 이상의 마찰속도에서 실리카 컴파운드가 보이는 더 높은 히스테리시스 마찰계수는 잘 알려진 실리카 타이어의 우수한 젖은 노면 제동력(wet traction)에 기여하는 것으로 판단된다.
Klüppel & Heinrich의 마찰 이론을 통해 점착과 히스테리시스 마찰의 기여도를 정량적으로 구분하여 분석할 수 있고 이는 각 메커니즘이 영향을 미치는 마찰 속도에서의 마찰 거동의 제어가 재료의 점탄성을 설계함으로써 가능하다는 것을 의미한다.

후속연구

트레드 컴파운드의 마찰은 타이어의 견인, 핸들링, 제동 성능 등에 기여하는 바가 상당히 크고 특히 ABS 영역에서의 마찰계수를 높임으로써 차량 제동 거리를 감소시킬 수 있기 때문에 해당 속도 영역에서의 마찰 거동 파악이 재료 측면에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 이론적 접근을 통해 특정 컴파운드의 점착 및 히스테리시스 마찰 거동을 정량적으로 분석하고 이를 재료 설계를 통해 제어할 수 있다면 향후 전 기차에서 더욱 중요해지는 제동, 마모, 소음 등의 성능을 최적화하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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