<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2015.39.7.681 ISSN 1226-4873(Print) 2288-5226(Online)
금속 재질별 건성 마찰소음 실험적 특성 연구
백 종 수*· 강 재 영*†
* 공주대학교기계자동차공학부
An Experimental Investigation of Dry Friction Noise for Several Metallic Materials
Jongsu Baek* and Jaeyoung Kang*†
* Dept. of Mechanical Engineering, Kongju Nat’l Univ.
(Received December 30, 2014 ; Revised April 21, 2015 ; Accepted April 27, 2015)
1. 서 론
두 부품의 마찰에 의하여 발생하는 마찰소음은 마찰이 발생할 때 접촉표면의 손상에 의한 불안정 성에 의해 나타난다. 이러한 마찰소음은 현재 기 계부품의 품질을 결정하는 주요 요소이다. 그리하 여 마찰소음 문제에 대한 예측 및 해결을 위하여 많은 연구들이 실시되었다.
상호 마찰에 의한 마찰소음에 대해 Jibiki 등(1)은 기초 마찰실험을 통하여 마찰소음과 마모율 사이의 상관관계가 있음을 실험적으로 검증하였고, Autay 등
(2)은 왕복마찰운동 중 강의 마찰 및 마모 특성을 실 험하였으며, 또한 Chen 등(3)은 왕복운동 중 마찰소음 에 따른 효과적인 표면형태를 확인하였다. Choi 등(4,5) 은 왕복운동실험장치를 통하여 왕복운동 중 마찰계 수 변화에 따른 소음특성을 연구하였고, 또한 고유
주파수 변화에 따른 소음 및 진동 특성에 대하여 심 층적인 연구를 하였다. Kang(6)은 음의 기울기가 마찰 소음에 중요한 메커니즘임을 이론적으로 검증하였으 며, Nam 등(7,8)은 회전운동 실험을 통해 음의 기울기 가 소음에 중요한 인자임을 확인하였고, 또한 회전 운동 실험장치와 유한요소해석 모델을 통하여 마찰 곡선이 음의 기울기를 가질 때 발생하는 불안정성에 대하여 확인하였다. 또한 Kang(9)은 단순 빔 모델에 대해 스퀼 융합모델을 이용하여 동적 불안정성도 예 측하였다. 이 연구를 통해서 왕복운동(90°)에서 실수 부가 크게 나타나 가장 불안정한 상태임을 알 수 있 고, 회전운동(0°) 안정적인 마찰계수 측정에 우수함 을 확인하였다.(Fig. 1)
이러한 Kang(9)의 연구결과를 토대로 본 연구에 서 왕복운동 실험장치를 통하여 소음 발생순서를 파악하고, 회전운동 실험장치를 통하여 속도에 따 른 마찰특성을 연구하고자 하였다. 또한 재질에 따른 마찰소음특성을 시스템 파라미터 변화에 따 라 연구를 실시하였다.
Key Words: Squeak Noise(마찰소음), Reciprocating System(왕복운동장치), Pin-on-disk System(회전운동장치), Friction(마찰), Negative Slope(음의 기울기)
초록: 본 연구는 steel 재질의 판과 Cu, Ni, Al, Mg 재질의 핀 간에 발생하는 마찰에 의한 마찰소음 특성을 왕복운동 및 회전운동 실험장치를 통하여 연구하였다. 실험 결과 미끄럼 속도에 대한 마찰곡선의 음의 기울기가 소음발생시점에 영향을 주었다. 특히 Cu 가 소음발생시점과 음의 기울기 측면에서 마찰소음방 지에 가장 우수한 재질임을 확인하였다.
Abstract: The onset characteristics of friction-induced noise for a steel plate and 4 metallic pins (Cu, Ni, Al, Mg) were studied through the pin-on-disk machine and the reciprocating testing machine. The results showed that the negative slope of the friction curve was related to the onset time of friction noise. Particularly, Cu was found to be the best metallic material for preventing squeak noise in terms of the onset time and the negative friction slope.
† Corresponding Author,[email protected]
Ⓒ2015 The Korean Society of Mechanical Engineers
682
(a)FEM model of the b
Fig. 1 Numerical estimation of squeak nois
2.1 실험장치 본 논문은 2(a)의 왕복운동 실험장치를 을 연구하였다 실험장치로 동 실험장치보다 한 회전운동 하였다.(9) 따라서 를 측정하는데 도에 따른 마찰계수
왕복운동 한 방향에서 에서 마찰력을 이용된 센서로는 로드센서는 측정하였고, 착하여 소음발생 험장치는 마찰 여 회전운동 생하며, 토크센서 였다. Fig. 2
(a)FEM model of the b
(b)Real parts of eigenvalues Numerical estimation of squeak nois
2.
실험장치
논문은 연구실에서 왕복운동 실험장치와
이용하여 금속 연구하였다. 마찰소음구현에
마찰소음 특성을 실험장치보다 안정적인 회전운동 실험장치를
따라서 회전 측정하는데 회전운동
마찰계수 변화율을 실험장치는 방향에서 하중을 가하여
력을 발생시킨다 센서로는 로드센서와 로드센서는 빔의 뒷부분에
, 가속도센서는 소음발생 시점을
마찰 면에 수직한 회전운동 하는 디스크
토크센서를 이용하여 2(c)는 실험에
(a)FEM model of the beam structure
Real parts of eigenvalues Numerical estimation of squeak nois
. 본 론
연구실에서 직접 설계 실험장치와 Fig. 2
금속 재질 별 마찰소음구현에 용이한
특성을 연구하였고 안정적인 마찰계수
실험장치를 통하여 마찰특성을 속도변화에
회전운동 실험장치를 변화율을 측정하였다 실험장치는 판과 핀의
가하여 왕복운동 발생시킨다. 이때, 왕복운동
로드센서와 가속도센서가 뒷부분에 장착하여 가속도센서는 핀과 수직한
을 파악하였다 수직한 방향으로 디스크와 핀 상에서
이용하여 마찰계수를 에 사용된 핀들과
백 종
eam structure
Real parts of eigenvalues Numerical estimation of squeak noise
설계 제작한 2(b)의 회전운동 별 마찰소음 특성 용이한 왕복운동 연구하였고, 왕복운 마찰계수 측정이 가능 마찰특성을 파악 따른 마찰계수 실험장치를 사용하여
측정하였다.
마찰 면에 수직 왕복운동 하는 판
왕복운동 실험에 가속도센서가 있는데 장착하여 마찰계수를
수직한 방향에 파악하였다. 회전운동
방향으로 하중을 가하 상에서 마찰이 마찰계수를 측정하
핀들과 판 그리고
종 수 · 강 재
Fig.
회전운동 특성 왕복운동
왕복운 가능 파악 마찰계수 사용하여 속 수직 판 상 실험에 있는데 마찰계수를 방향에 장 회전운동 실 가하 마찰이 발 측정하 그리고
Material
change change
디스크의 2.2 Table 험장치의
재 영
Table 1 Test condition of reciprocating system Material Pin
Plate Test for the change of weigh
Test for the change of velocity
(a)
(c) Test samples Fig.
디스크의 사진이다 2.2 왕복운동마찰실험 Table 1 은 마찰소음구현에 험장치의 실험방법에
Test condition of reciprocating system Pin Cu
Plate weight
Weigh
(Velocity : 0.15 velocity
Velocity : 0.1
(a) Reciprocating system
(b) Pin-on-disk system
Test samples (plate, disk and pins) Fig. 2 Test set-up
사진이다.
왕복운동마찰실험 마찰소음구현에 실험방법에 대한
Test condition of reciprocating system Ni Al
Steel Weight : 500 g, 1000g
(Velocity : 0.15 Velocity : 0.1 m/s, 0.15 (Weight : 1000
eciprocating system
disk system
(plate, disk and pins) up and samples
마찰소음구현에 용이한 왕복운동 표이다. 실험에 Test condition of reciprocating system
Al Mg
g, 1000g , 1500 g m/s) m/s, 0.2 m/s : 1000 g)
(plate, disk and pins) and samples
왕복운동 실 실험에 사용한 실 사용한
핀의 재질은 이며, 마찰표면은 로 처리하였다
실험방법은
Fig. 3
Fig.
Fig. 5 Power spectrum of squeak noise 1500g and 0.15m/
재질은 Cu, Ni, Al, Mg 마찰표면은 동일 처리하였다.
실험방법은 무게변화에
3 Friction noise
Fig. 4 Friction noise at
Power spectrum of squeak noise 1500g and 0.15m/
Ni, Al, Mg 이고 판의 거칠기의 사포와 무게변화에 따른 실험과
oise at 1500g and 0.15m/s
Friction noise at 1000g and 0.1m/s
Power spectrum of squeak noise 1500g and 0.15m/
판의 재질은 steel 사포와 아세톤으 실험과 속도변화에
1500g and 0.15m/s
1000g and 0.1m/s
Power spectrum of squeak noise graph of Al steel 아세톤으 속도변화에 따
of Al at 른 험에서는 고 무게를 각
른 실험에서는 미끄럼속도를 각
생하는 Fig. 3 얻은 시점 소음이 로 선형 도가 시스템이 는
마찰소음발생시점이 서
마찰소음에 수
각
Fig.
실험으로 나누어 험에서는 미끄럼속도를
무게를 각각 재질당 실험을
실험에서는 무게를
미끄럼속도를 0.1 m/s, 0.15 m/s, 0.2 m/s 재질당 실험을
생하는 시점까지 Fig. 3 과 Fig. 4 얻은 가속도 데이터이다 시점(critical time, Tcr) 소음이 발생할
감지하여 센서의 선형 안정성 이론에 도가 지수함수적으로 시스템이 불안정해졌다고
그 시점을 마찰소음발생시점 마찰소음발생시점이
우수하므로 재질 마찰소음에 대한
있다고 판단된다 재질 별 마찰소음
(a)
(b) Critical time vs sliding speed Fig. 6 Critical time
나누어 실시하였다 미끄럼속도를 0.15 m/s
500 g, 1000 g, 1500 g 실험을 실시하였다
무게를 1000 g
0.1 m/s, 0.15 m/s, 0.2 m/s 실험을 실시하였다
시점까지 5 분 단위로 Fig. 4 의 그래프는
데이터이다. 그래프에 (critical time, Tcr)은 판과
때 나타나는 센서의 변위가 이론에 따르면 지수함수적으로 증가하며
불안정해졌다고 볼 마찰소음발생시점 마찰소음발생시점이 늦을수록
재질 별 마찰소음 대한 재질의 상대적 판단된다. 그리하여 마찰소음 발생시점을
(a) Critical time vs we
Critical time vs sliding speed
Critical time with respect to system parameters 실시하였다. 무게변화에
0.15 m/s 로 일정하게 500 g, 1000 g, 1500 g 으로
실시하였다. 반대로 속도변화에 1000 g 으로 일정하게 0.1 m/s, 0.15 m/s, 0.2 m/s 로
실시하였다. 실험시간은 단위로 실시하였다.
그래프는 왕복운동 그래프에 표시된 판과 핀 사이의 나타나는 불안정성을
급변하는 시점을 면 소음발생시점에서 증가하며 급등하는
볼 수 있다.
마찰소음발생시점(Tcr)으로 늦을수록 소음발생시점
마찰소음 발생시점을 상대적 내구성의
그리하여 왕복운동실험장치로 발생시점을 측정하였다
Critical time vs weight
Critical time vs sliding speed
with respect to system parameters 무게변화에 따른 실
일정하게 유지하 변화를 주어 속도변화에 따 일정하게 유지하고 변화를 주어 실험시간은 소음이 발
.
실험을 통해 표시된 소음발생 마찰에 의해 불안정성을 가속도센서 시점을 말한다 소음발생시점에서 가속 급등하는 시점에서 . 본 연구에서 으로 정의하였다 소음발생시점 측면에 발생시점을 통하여 내구성의 지표가 될 왕복운동실험장치로
측정하였다.
Critical time vs sliding speed
with respect to system parameters 실 유지하 주어
따 유지하고
주어 발 통해 소음발생
의해 가속도센서
말한다.
가속 시점에서 연구에서 정의하였다.
측면에 통하여
될 왕복운동실험장치로
684
Fig. 3 과 0.15m/s 속도조건 건하에서 계측한 5 그래프는 도로 실험한
Hz, 2500 Hz, 5000 Hz 는 것을 볼
Fig. 6 은 과를 마찰소음 이터이다. 그래프에서 날수록 소음발생시점 따라서 소음발생시점 고 Mg 과
수 있다.
2.3 Pin-on Fig. 7 은
회전운동 실험장치의 그래프이다.
서와 동일한 을 가해주고 동안 주기적으로 을 실시하였다
Fig. 8 은
Fig. 7 Rotating speed
Fig. 8 Friction curve 과 Fig. 4 는 속도조건 및 1000 g
계측한 마찰소음 1500 g 의 하중에 실험한 Al 의 마찰소음주파수 Hz, 2500 Hz, 5000 Hz 에서
수 있다.
Table 1 에 마찰소음 발생시점
그래프에서
소음발생시점 측면에서 소음발생시점 측면에서
Al 이 상대적으로
on-disk 마찰실험방법 은 속도에 따른
실험장치의 . 핀과 디스크
동일한 재질을 사용하였으며 가해주고 미끄럼속도를
주기적으로 미끄럼속도에 실시하였다.
시간에 따른
Rotating speed variation in the pin
Friction curve due to change of rotating speed 재질 별로
1000 g 하중에 마찰소음 데이터를
하중에 0.15 m/s 마찰소음주파수
에서 불안정 주파수가
제시된 모든 발생시점(Tcr) 기준으로
소음발생시점이 측면에서 우수한 측면에서 Cu 상대적으로 열악하다는
마찰실험방법
따른 마찰특성파악에 실험방법에
디스크는 왕복운동 사용하였으며, 1000g 미끄럼속도를 0rpm~60rpm
미끄럼속도에 변화를 따른 마찰계수
variation in the pin
due to change of rotating speed 백 종
1500 g 하중에 하중에 0.1 m/s 속도조 데이터를 보여준다.
0.15 m/s 의 미끄럼속 마찰소음주파수 그래프로 1500
주파수가 나타나 모든 조건의 시험결 기준으로 정의한 소음발생시점이 늦게 나타
우수한 재질이다 Cu 가 가장 우수하 열악하다는 것을
마찰특성파악에 용이한 대한 회전속도 왕복운동 실험장치에 , 1000g 의 하중 0rpm~60rpm 까지 30
변화를 주어 실험
변화에 대한
variation in the pin-on-disk test
due to change of rotating speed
종 수 · 강 재 하중에
속도조 . Fig.
미끄럼속 1500 나타나 시험결 정의한 데 나타 재질이다.
우수하 것을 알
용이한 회전속도 실험장치에
하중 30 분 실험 대한 그
disk test
due to change of rotating speed
래프이다 증가하다가 상
Fig.
재 영
래프이다. Ni 과 증가하다가 일정
증 가하 지 않 고
Fig. 9 Friction curve at 29 cycle to measure the negative slope
과 Al 은 실험 일정 마찰계수
않고 수렴하는
(a) Cu
(b) Ni
(c) Al
(d) Mg
Friction curve at 29 cycle to measure the negative 실험 시작부터
이후 마찰계수가 수렴하는 것을 볼
Cu
Ni
Al
Mg
Friction curve at 29 cycle to measure the negative 마찰계수가 마찰계수가 더 이 볼 수 있다.
Friction curve at 29 cycle to measure the negative 마찰계수가 이 .
Friction curve at 29 cycle to measure the negative
반면 Cu 와 Mg 은 일정한 마찰계수 값을 가지고 증감하는 것을 볼 수 있다. 또한 Cu 의 경우를 제 외하고 마찰계수의 최대값과 최소값의 폭은 음의 기울기를 의미하는데 Mg 의 경우 실험 시작 시점 부터 음의 기울기가 크게 나타나는 것을 볼 수 있 으며, Ni 과 Al 은 실험이 진행되면서 음의 기울기 가 점점 뚜렷이 나타나는 것을 볼 수 있다. 반면 Cu 는 상대적으로 마찰계수 변화폭이 작고 음의 기울기가 나타나지 않는다.
Fig. 9 는 Cu, Ni, Al, Mg 에 대한 29 번째 사이클 에서의 실험데이터 그래프이다. Fig. 9 에서 확인할 수 있듯이 Cu 의경우 미끄럼속도 변화에 따른 마 찰곡선의 기울기가 양의 기울기를 나타내는 것을 볼 수 있다. 반면, Ni, Al, Mg 의 경우 미끄럼 속도 변화에 따른 마찰곡선의 기울기가 음의 기울기를 나타내는 것을 볼 수 있다. 그 중에서 Mg 의 마찰 곡선 기울기가 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있 다. 여기서 음의 기울기가 클수록 Negative damping 항이 증가하여 불안정성이 커지는 것을 예측할 수 있다.
따라서 이러한 음의 기울기를 통한 시스템 불안 정성 척도를 구체적으로 비교하기 위하여 각 재질 의 실험으로 얻은 마찰곡선의 기울기를 모아 Fig.
10 와 같은 사이클 증가에 대한 마찰곡선 기울기 그래프를 나타내었다. 그래프에서 마찰곡선 기울 기 값이 음수가 될 때 음의 기울기를 갖는데 Fig.
10 에서 Cu 는 실험시작부터 종료까지 양의 기울 기를 나타내는 것을 볼 수 있고, 나머지 3 개의 재 질 중 Mg 의 음의 기울기가 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 따라서 음의 기울기 측면에서도 Cu 가 가장 우수하고 Mg 이 가장 열악한 것을 예 측 할 수 있다.
Fig. 10 Friction-velocity slope with respect to cycle at 0.15m/s
3. 결 론
본 연구에서는 금속 재질 별 마찰소음 특성을 파악하기 위하여 Cu, Ni, Al, Mg 의 핀과 steel 재질 의 판에 대해서 왕복운동 실험장치와 회전운동 실 험장치를 통하여 실험적으로 연구하였다. 이와 같 은 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 마찰소음에서 소음시작시점을 통해 마찰소 음특성을 파악 할 수 있다.
(2) 마찰소음에서 음의 기울기 정도를 통해 마 찰소음특성을 파악 할 수 있다.
(3) 상기 방법론에 근거하여 Cu, Ni, Al, Mg 중 Cu 가 steel 판에 미끄러지는 건성마찰상태에서 squeak 마찰소음 방지에 가장 우수하다고 판단된다.
앞으로, 이와 같은 재질 별 마찰소음 특성에 대 하여 여러 재질을 통해 연구를 계속할 계획이며 또한 부식 및 윤활에 따른 마찰소음특성에 대해서 도 연구를 진행할 예정이다.
후 기
이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임 (No. NRF-2014R1A1A1002092)
참고문헌
(References)
(1) Jibiki, T., Shima, M., Akita, H. and Tamura, M., 2001,
“A Basic Study of Friction Noise Caused by Fretting,”
Wear, Vol. 251, No. 1-12, pp. 1492~1503.
(2) Autay, R., Kchaou, M. and Dammak, F., 2012,
“Friction and Wear Behavior of Steels under Different Reciprocating Sliding Conditions,” Tribology Transactions, Vol. 55, No. 5, pp. 590~598.
(3) Chen, G. X., Zhou, Z. R. and Leo, V., 2002, “Effect of Surface Topography on Formation of Squeal under Reciprocating Sliding,” Wear, Vol. 253, No. 3-4, pp.
411~423.
(4) Choi, H. and Kang, J., 2013, “Experimental Study under Reciprocating Sliding on the Friction Noise,”
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 7, pp. 640~644.
(5) Choi, H. and Kang, J., 2014, “Characteristics of Friction Noise with Changes of the Natural Frequencies in the Reciprocating Motion,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 4, pp. 332~338.
(6) Kang, J., 2012, “Effect of Friction Curve on Brake Squeal Propensity,” Transactions of the Korean
백 종 수 · 강 재 영 686
Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 22, No. 2,. pp. 163~169.
(7) Nam, J. and Kang, J., 2012, “A Basic Experimental Study on the Squeak Noise Using the Pin-on-disk,”
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 22, No. 8,. pp. 736~741.
(8) Nam, J. and Kang, J., 2012, “Investigation of Friction Noise with Respect to Friction Curve by Using FEM
and Its Validation,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 1,.
pp. 28~34.
(9) Kang, J., 2014, “Investigation on Friction Noise in Beam Structure Under Mode-Coupling by Using Analytical Finite-Element Squeal Model,” Trans.
Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 5, pp.
545~550.
