KR20160045396A - 마찰재 접촉 강성 측정 방법 - Google Patents

마찰재 접촉 강성 측정 방법 Download PDF

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KR20160045396A
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Abstract

본 발명은 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 마찰재의 압축도/인장도를 측정하는 만능 시험기와 압입자를 이용하여 마찰재의 하중-압축변위 결과를 측정하고, 마찰재의 압축변위와 압입자의 직경으로부터 도출된 상기 압입자의 접촉면적을 이용하여 마찰재의 압력-접촉 강성 결과를 도출하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법의 일 실시 예는, 만능 시험기와 압입자를 이용하여 만능 시험기에 의한 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)를 측정하는 하중-압축변위 도출단계; 상기 마찰재의 압축변위(δ) 및 상기 압입자의 직경(L)을 이용하여 상기 마찰재와 압입자의 접촉면적(A)을 계산하는 접촉면적 계산단계; 상기 접촉면적(A)을 이용하여 만능 시험기에 의한 압력(P)과 마찰재의 압축변위(δ) 사이 관계를 도출하는 압력-압축변위 도출단계; 및 상기 압력-압축변위 사이의 관계로부터 마찰재의 접촉강성(Kn)을 도출하는 접촉강성 도출단계; 를 포함할 수 있다.

Description

마찰재 접촉 강성 측정 방법{METHOD FOR MEASURING CONTACT STIFFNESS OF FRICTIONAL MATERIAL}
본 발명은 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 마찰재의 압축도/인장도를 측정하는 만능 시험기와 압입자를 이용하여 마찰재의 하중-압축변위 결과를 측정하고, 마찰재의 압축변위와 압입자의 직경으로부터 도출된 상기 압입자의 접촉면적을 이용하여 마찰재의 압력-접촉 강성 결과를 도출하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 관한 것이다.
마찰재의 접촉 강성(Kn)은 차량용 브레이크의 스퀼 소음 발생 유무를 진단하는데 사용되는 중요 지표이다. 따라서, 마찰재 표면에 따른 접촉 강성(Kn)을 손쉽고 정확하게 측정하는 것이 매우 중요한 일이다.
도 1 은 종래 기술에 의한 강성 시험기를 보인 사시도이다.
도 1 을 참조하면, 종래에는 마찰재 접촉 강성(Kn)을 측정하기 위해 강성(Stiffness) 시험기를 이용하였다. 그러나, 상기 강성 시험기는 가격이 매우 높으므로, 일반적, 보편적으로 사용되기 어렵다는 문제점이 있다. 그리고, 상기 강성 시험기는 표면 거칠기에 따른 접촉 강성을 연속적으로 정확하게 측정하는데 한계가 있다는 문제점도 있다.
따라서, 마찰재의 강성을 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 마찰재 접촉 강성 측정 장치 및 측정 방법의 개발이 요구된다.
KR 2014-0087735 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 값비싼 강성 시험기를 사용하지 아니하고, 마찰재의 압축도/인장도 를 측정하는 만능시험기와 압입자를 이용하여 보다 간이하고 저렴하며 연속적으로 마찰재의 접촉 강성을 확인할 수 있는 마찰재 접촉 강성 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법의 일 실시 예는, 만능 시험기와 압입자를 이용하여 만능 시험기에 의한 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)를 측정하는 하중-압축변위 도출단계; 상기 마찰재의 압축변위(δ) 및 상기 압입자의 직경(L)을 이용하여 상기 마찰재와 압입자의 접촉면적(A)을 계산하는 접촉면적 계산단계; 상기 접촉면적(A)을 이용하여 만능 시험기에 의한 압력(P)과 마찰재의 압축변위(δ) 사이 관계를 도출하는 압력-압축변위 도출단계; 및 상기 압력-압축변위 사이의 관계로부터 마찰재의 접촉강성(Kn)을 도출하는 접촉강성 도출단계; 를 포함할 수 있다.
이때, 상기 하중-압축변위 도출단계에서는, 상기 만능 시험기의 측정위치에 상기 마찰재를 배치하고 상기 마찰재 상에 상기 압입자를 배치한 후 상기 만능 시험기가 가하는 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 압입자는 구형 스틸 재질의 압입자인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 압축변위-압력 도출단계에서, 상기 압력(P)는 다음 식,
Figure pat00001
에 의해 도출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 접촉강성 도출단계에서는, 상기 압력-압축변위 사이의 관계를 나타내는 그래프의 기울기 값으로부터, 상기 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)을 도출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 의하면, 보다 간이하고 저렴한 설비로 마찰재의 접촉 강성을 측정할 수 있으며 압축력 변화에 따라 마찰재의 접촉 강성을 연속적으로 확인할 수 있으므로, 마찰 시 발생하는 진동-소음과 관련이 있다고 알려진 마찰재의 접촉 강성을 저렴하고 용이하게 분석할 수 있게 한다.
도 1 은 종래 기술에 의한 강성 시험기를 보인 사시도.
도 2 는 본 발명에 이용되는 만능 시험기를 보인 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법을 보인 흐름도.
도 4 는 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법 중 만능 시험기 위에 배치된 마찰재 시편 및 구형 압입자를 보인 사시도.
도 5 는 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법 중 접촉 강성 측정시험을 보인 모식도.
도 6 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 높이 분포를 보인 다이어그램.
도 7 은 만능 시험기에 하중이 가해지는 경우 또는 하중이 제거되는 경우 마찰재의 변위와 하중을 보인 다이어그램.
도 8 은 만능 시험기에 하중이 제고되는 경우 마찰재의 변위와 하중을 보인 다이어그램.
도 9 는 표면 거칠기가 다른 마찰재의 변위와 압력을 보인 다이어그램.
도 10 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 압력과 접촉 강성을 보인 다이어그램.
도 11 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 압력과 접촉 강성, 모재 강성 및 표면강성을 보인 다이어그램.
도 12 는 하중-압축변위 그래프에서 마찰재의 접촉 강성(Kn)을 압력-접촉 강성 그래프에서 모재강성(Km)과 표면강성(Ks)로 나타낸 다이어그램.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위하여 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적이거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경·균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법의 일 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2 는 본 발명에 이용되는 만능 시험기를 보인 사시도이고, 도 3 은 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법을 보인 흐름도이다. 또한, 도 4 는 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법 중 만능 시험기 위에 배치된 마찰재 시편 및 구형 압입자를 보인 사시도이고, 도 5 는 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법 중 접촉 강성 측정시험을 보인 모식도이다. 또한, 도 6 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 높이 분포를 보인 다이어그램이고, 도 7 은 만능 시험기에 하중이 가해지는 경우 또는 하중이 제거되는 경우 마찰재의 변위와 하중을 보인 다이어그램이며, 도 8 은 만능 시험기에 하중이 제고되는 경우 마찰재의 변위와 하중을 보인 다이어그램이고, 도 9 는 표면 거칠기가 다른 마찰재의 변위와 압력을 보인 다이어그램이다. 또한, 도 10 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 압력과 접촉 강성을 보인 다이어그램이고, 도 11 은 표면 거칠기가 다른 마찰재의 압력과 접촉 강성, 모재 강성 및 표면강성을 보인 다이어그램이다.
도 2 내지 11 을 참조하면, 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법의 일 실시 예는, 하중-압축변위 도출단계(S100), 접촉면적 계산단계(S200), 압력-압축변위 도출단계(S300) 및 압력-접촉 강성 도출단계(S400)을 포함할 수 있다.
상기 하중-압축변위 도출단계(S100)에서는, 만능 시험기(10)와 압입자(30)를 이용하여 만능 시험기에 의한 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)(2)를 측정한다. 특히, 상기 하중-압축변위 도출단계(S100)에서는, 상기 만능 시험기(10)의 측정위치(11)에 상기 마찰재(20)를 배치하고 상기 마찰재(20) 상에 상기 압입자(30)를 배치한 후 상기 만능 시험기(10)가 가하는 하중(N)(1)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)(2)를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 압입자(30)는 직경(3)이 10mm인 구형의 스틸 재질 압입자일 수 있으며, 상기 압입자(30)의 직경, 형태 및 재질에는 제한이 없다.
더욱 상세하게는, 상기 하중-압축변위 도출단계(S100)에서는, 만능시험기(10), 마찰재(20), 압입자(30)를 준비한다. 상기 만능 시험기(10)는 상기 마찰재(20)의 압축도/인장도를 측정할 수 있는 장치로 일반적으로 사용되는 장비를 준비한다. 상기 마찰재(20)는 본 발명에 의한 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 따른 접촉 강성을 측정하기 위한 대상물로, 자동차용 마찰재(30)를 45mm x 18mm x 7mm 의 크기로 5 개체를 준비하고 상기 5 개체의 마찰재 표면을 거칠기가 다른 연마지(P100,P220, P600, P1200, P2000)를 이용하여 다음 표와 같은 거칠기를 가지도록 연마한다.
Ra(㎛) Rq(㎛) Rp(㎛) Sm(㎛) σ(㎛)
P 100 23.4 34.8 110.0 136.8 34.65
P 220 20.4 30.1 77.1 80.96 21.61
P 600 15.4 20.8 30.76 85.71 20.82
P 1200 8.49 12.39 18.01 45.76 12.40
P 2000 2.04 3.05 6.61 47.02 3.05
연마된 마찰재 시편(21)(22)(23)(24)(25)의 표면이 도 6 과 같이 다른 높이 분포를 가지는 것을 확인할 수 있다. 상기 압입자(30)는 상기 만능 시험기의 하중(1)에 의한 상기 마찰재(30)의 압축변위(2)를 형성하고, 평평한 마찰재 시편(21)을 접촉하였을 때 발생할 수 있는 정렬 불량으로 인한 오차를 회피하기 위하여 사용된다.
상술한 바와 같이, 준비된 상기 만능시험기(10), 마찰재(20), 압입자(30)를 다음과 같이 배치한다. 도 4 및 5 와 같이, 상기 만능 시험기의 측정 위치(11)에 상기 마찰재 시편(21)(22)(23)(24)(25)을 배치하고 상기 마찰재 시편(21)(22)(23)(24)(25) 위에 압입자(30)를 배치한다. 그리고 상기 만능 시험기(10)로 상기 압입자(30) 위에 하중(1)을 가한다. 이때, 상기 만능 시험기(10)에 최대 압축 하중은 100 N, 압축 속도는 1 mm/min 일 수 있다.
상기 마찰재 시편(21)(22)(23)(24)(25) 각각에 대하여 상기 만능 시험기에 의한 하중(1)에 따른 마찰재의 압축변위를 측정하면 도 7 과 같은 하중-압축변위 결과(2)를 도출할 수 있다. 그런데, 도 7 과 같이, 상기 만능 시험기(10)에 의해 하중(1)이 가해질 때는 마찰재(20)의 탄성 변형(unloading 하는 경우)뿐만 아니라, 소성 변형(loading 하는 경우)도 함께 일어날 수 있다, 반면, 도 8 과 같이, 상기 만능 시험기(10)에 의해 하중(1)이 제거될 때는 마찰재(20)의 탄성 성질에만 의한 것이므로, 만능 시험기(10)에 의해 하중(1)이 제거될 때의 결과만을 마찰재의 접촉 강성(8) 도출을 위하여 이용할 수 있다.
상기 접촉면적 계산단계(S200)에서는, 상기 마찰재의 압축변위(δ)(2) 및 상기 압입자의 직경(L)(3)을 이용하여 상기 마찰재(20)와 압입자(30)의 접촉면적(A)(4)을 계산한다. 즉, 상기 접촉면적 계산단계(S200)에서는, 상기 만능 시험기(10)에 의한 하중(1)에 의해 마찰재(20)와 상기 압입자(30)가 접촉하는 부분에서 상기 마찰재(30)는 압축되게 되므로, 상기 마찰재의 압축변위(2) 및 상기 압입자의 직경(3)을 이용하여 상기 마찰재(20)와 상기 압입자(30)의 접촉면적(4)을 계산할 수 있다. 여기서, 상기 압입자(30)는 직경(3)이 10mm인 구형의 스틸 재질 압입자일 수 있다.
상기 압력-압축변위 도출단계(S300)에서는, 상기 접촉면적(A)(4)을 이용하여 만능 시험기(10)에 의한 압력(P)(5)과 마찰재의 압축변위(δ)(2) 사이 관계(6)를 도출한다. 즉, 상기 압력-압축변위 도출단계(S300)에서는, 만능 시험기(10)에 의한 압력(5)이 다음 식,
Figure pat00002
에 의하여 도출될 수 있으므로, 상기 접촉면적(A)(4) 및 상기 하중-압축변위 도출단계(S100)에서 도출한 만능 시험기에 의한 하중(1)에 따른 마찰재의 압축변위(2)를 이용하여 만능 시험기(10)에 의한 압력(P)(5)과 마찰재의 압축변위(δ)(2) 사이 관계(6)를 도출할 수 있다. 여기서, 상기 P 는 만능 시험기가 가하는 하중에 의한 압력(5)이고, 상기 N 은 만능 시험기가 가하는 하중(1)이며, 상기 A 는 상기 마찰재와 압입자의 접촉면적(4)일 수 있다.
상기 압력-접촉 강성 도출단계(S400)에서는, 상기 압력-압축변위 사이의 관계(6)로부터 상기 만능 시험기에 의한 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)을 도출한다. 즉, 상기 압력-접촉 강성 도출단계(S400)에서는, 상기 압력-압축변위 사이의 관계(6)를 나타내는 그래프의 기울기(7) 값으로부터, 상기 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)(8) 을 나타내는 다이어그램을 도출할 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 접촉면적 계산단계(S200)에서 계산된 접촉면적(4) 및 상기 하중-압축변위 도출단계(S100)에서 도출한 만능 시험기에 의한 하중(1)에 따른 마찰재의 압축변위(2)를 이용하여, 도 9와 같은, 만능 시험기(10)에 의한 압력(P)(5)과 마찰재의 압축변위(δ)(2) 그래프를 도출할 수 있다. 상기 압력-압축변위 결과(2)에서 기울기(7) 값은 상기 마찰재의 접촉 강성(8)을 의미하므로, 상기 도출된 압력(P)(5)과 마찰재의 압축변위(δ)(2) 그래프로부터 상기 기울기(7)를 연산함으로써, 도 10 과 같이, 상기 만능 시험기(10)의 압력(5)에 따른 연속적인 상기 마찰재의 접촉 강성(8) 다이어그램을 도출할 수 있다.
도 10 을 참조하면, 마찰재(20)의 표면 거칠기가 마찰재(20)의 접촉 강성(8)에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있으므로, 예를 들면, 자동차의 제동 압력 범위에서 마찰재의 접촉 강성(8)에 대한 마찰재의 거칠기의 효과를 알 수 있다. 즉, 표면 거칠기가 다른 마찰재 시편(21)(22)(23)(24)(25)에 따라 마찰재의 접촉 강성(8)이 다름을 알 수 있는 것이다.
추가적으로, 도 10 내지 도 12의 그래프로부터 마찰재 접촉 강성(Kn)(8)의 구성을 알아보면 다음과 같다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 압력에 따른 각 마찰재 시편(21)(25)의 접촉 강성을 나타내는 곡선(41)(45)은, 다음 식에 의하여 표면강성과 모재강성이 직렬로 연결되어 있다.
Figure pat00003
그리고, 상기 [수학식 2]로 부터 다음 식을 도출할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, 상기 Kn 은 마찰재의 접촉 강성(8)이고, 상기 Ks 는 마찰재의 표면 강성(압력-접촉 강성 그래프에서 초기 기울기)이며, 상기 Km 은 마찰재의 모재 강성 또는 마찰재의 내구 강성(압력-접촉 강성 그래프에서 말기 기울기)이다.
도 11 의 곡선 그래프로 부터, 표 2 와 같이, 모재강성(Kn=KmP+C)과 표면강성(Kn=KsP)를 결정하는 절편(C)와 기울기 값(Km)(Ks)을 계산하여 도출할 수 있다.
P100 P220 P600 P1200 P2000
Slope(기울기) : Ks [m-1] 0.83 × 105 1.37× 105 2.12× 105 2.33× 105 2.8× 105
Slope(기울기) : Km [m-1] 0.88× 104
Intercept: C [N/m/cm2)] 1.07× 107
여기서, P100 으로 연마한 마찰재 시편의 마찰재 접촉 강성 곡선(41) 및 P2000 으로 연마한 마찰재 시편의 마찰재 접촉 강성 곡선(45)에서, 마찰재(20)의 표면 거칠기에 따라 표면 강성(Ks) 값은 다르나 모재 강성(Km) 값은 일치하는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능하고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
1 : 만능 시험기에 의한 하중(N)-힘
2 : 만능 시험기에 의한 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)
3 : 압입자의 직경(L)
4 : 마찰재와 압입자의 접촉면적(A)
5 : 만능 시험기의 의한 압력(P)
6 : 만능 시험기에 의한 압력(P)과 마찰재의 압축변위(δ) 사이 관계
7 : 만능 시험기에 의한 압력(P)과 마찰재의 압축변위(δ) 사이 관계에서 기울기
8 : 만능 시험기의 의한 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)
10 : 만능 시험기 11 : 만능 시험기의 측정 위치
20 : 마찰재
21 : P100 으로 연마한 마찰재 시편
22 : P220 으로 연마한 마찰재 시편
23 : P600 으로 연마한 마찰재 시편
24 : P1200 으로 연마한 마찰재 시편
25 : P2000 으로 연마한 마찰재 시편
30 : 압입자

Claims (5)

  1. 마찰재 접촉 강성 측정 방법에 있어서,
    만능 시험기와 압입자를 이용하여 만능 시험기에 의한 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)를 측정하는 하중-압축변위 도출단계;
    상기 마찰재의 압축변위(δ) 및 상기 압입자의 직경(L)을 이용하여 상기 마찰재와 압입자의 접촉면적(A)을 계산하는 접촉면적 계산단계;
    상기 접촉면적(A)을 이용하여 만능 시험기에 의한 압력(P)과 마찰재의 압축변위(δ) 사이 관계를 도출하는 압력-압축변위 도출단계; 및
    상기 압력-압축변위 사이의 관계로부터 상기 만능 시험기에 의한 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)을 도출하는 압력-접촉 강성 도출단계;
    를 포함하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하중-압축변위 도출단계에서는,
    상기 만능 시험기의 측정위치에 상기 마찰재를 배치하고 상기 마찰재 상에 상기 압입자를 배치한 후 상기 만능 시험기가 가하는 하중(N)에 따른 마찰재의 압축변위(δ)를 측정하는 것을 특징으로 하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압입자는 구형 스틸 재질의 압입자인 것을 특징으로 하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축변위-압력 도출단계에서,
    상기 압력(P)는 다음 식,
    Figure pat00005

    (여기서, 상기 P 는 만능 시험기가 가하는 하중에 의한 압력이고, 상기 N 은 만능 시험기가 가하는 하중이며, 상기 A 는 상기 마찰재와 압입자의 접촉면적임)
    에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력-접촉 강성 도출단계에서는,
    상기 압력-압축변위 사이의 관계를 나타내는 그래프의 기울기 값으로부터, 상기 압력(P)에 따른 마찰재의 접촉 강성(Kn)을 도출하는 것을 특징으로 하는 마찰재 접촉 강성 측정 방법.
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