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두 재료 조각을 서로 문지르고 몇 가지 값을 측정하는 시험을 설계하는 일이 무엇보다 간단해 보일 수 있습니다. 그러나 트라이볼로지에서 다루는 것은 재료의 단일한 ‘물성’이 아니라, 복잡한 시스템 안에서 재료가 어떻게 거동하는가 입니다. 마찰과 마모는 재료 자체에 고유한 물성이 아니라, 그 재료가 작동하는 시스템의 특성입니다. 따라서 시험기에서 측정한 값 역시 해당 시험 시스템의 특성입니다. 올바르게 교정된 시험기에서 얻은 데이터는 유효하지만, 그 유효성은 그 시험기 안에서 나타난 재료의 거동에 한정됩니다.
<아래 그림>

<위 그림>

<아래 그림>

이 세 가지 예에서 핵심은 각각이 서로 다른 마찰 마모 시스템이라는 점입니다. 그러나 고려할 사항은 여기서 끝나지 않습니다.
단단한 디스크 위에서 연한 핀을 운동시키면 마모가 주로 연한 핀에 집중됩니다. 그러나 두 재료의 경도가 비슷하다면 마모가 두 접촉면에 어떻게 분담되는지 고려해야 합니다.
예를 들어 지름 10 mm의 핀이 원주 길이 100 mm인 디스크의 궤적을 따라 운동한다고 가정해 보겠습니다. 디스크가 한 바퀴 회전하는 동안 핀 위의 한 지점은 100 mm의 미끄럼 거리를 경험합니다. 반면 디스크 위의 한 지점은 핀이 한 번 지나가기 때문에 미끄럼 거리가 10 mm에 불과합니다. 궤적의 원주 길이를 두 배로 늘리면 핀 위의 한 지점은 회전당 200 mm를 미끄러지지만, 디스크 위의 한 지점이 경험하는 미끄럼 거리는 여전히 10 mm입니다.
지름 10 mm인 핀을 디스크 위의 원주 길이 100 mm인 궤적에서 시험한다고 해보겠습니다. 디스크가 한 바퀴 돌 때:
핀의 한 지점은 디스크가 한 바퀴 도는 내내 접촉하지만(100mm), 디스크의 한 지점은 폭 10 mm인 핀이 지나가는 동안만 접촉하기 때문입니다. 이 예에서 디스크/핀의 미끄럼 거리 비율은 약 0.1입니다.
디스크 궤적의 원주 길이를 200 mm로 늘리면 핀은 한 바퀴당 200 mm를 미끄러지지만, 디스크의 한 지점은 여전히 약 10 mm만 접촉합니다. 비율은 0.05로 줄어듭니다. 따라서 시험 궤적을 바꾸면 두 시편에 미끄럼이 가해지는 정도가 달라지고, 마모 결과도 달라질 수 있다는 뜻입니다.
Czichos의 **‘오버랩 파라미터(overlap parameter)’**는 한 접촉체(body)의 미끄럼 거리를 상대 접촉체(counter body)의 미끄럼 거리로 나눈 비율입니다. 스러스트 와셔 시험에서는 이 값이 1이고, 프레팅 시험에서는 1에 가깝습니다. 핀 온 디스크 시험에서는 조건에 따라 달라지지만 일반적으로 0.05보다 작습니다.
오버랩 파라미터는 왕복운동 시험에도 적용됩니다. 다만 왕복운동 시험에서는 핀 온 디스크 시험의 궤적 지름을 바꾸는 것처럼 스트로크를 임의로 바꾸기보다는, 일반적으로 동일한 스트로크를 유지합니다.
실제 엔진에서는 피스톤 링과 라이너에 대체로 비슷한 양의 마모가 발생합니다. 그러나 왕복운동식 실험실 시험에서는 예상대로 링보다 라이너 시편에 훨씬 많은 마모가 발생합니다.
접촉 길이가 3 mm인 링, 스트로크가 100 mm인 엔진, 스트로크가 15 mm인 실험실 시험을 가정해 보겠습니다. 10,000사이클 동안 엔진에서 링의 미끄럼 거리는 다음과 같습니다.
2 × 10,000 × 100 mm = 2,000 m
라이너의 특정 지점에서 미끄럼 거리는 다음과 같습니다.
2 × 10,000 × 3 mm = 60 m
따라서 링/라이너 미끄럼 거리의 비율은 33.3입니다.
실험실 시험에서는 다음과 같습니다.
링의 미끄럼 거리:
2 × 10,000 × 15 mm = 300 m
라이너의 특정 지점에서 미끄럼 거리:
2 × 10,000 × 3 mm = 60 m
따라서 링/라이너 미끄럼 거리의 비율은 5입니다.
라이너의 특정 지점을 기준으로 보면, 링이 지나가는 횟수와 미끄럼 거리는 엔진과 실험실 시험에서 같습니다. 이 점에서는 실제 상황을 올바르게 모사합니다. 그러나 실험실 시험에서 링 시편의 미끄럼 거리는 실제 엔진의 **15%**에 불과합니다. 윤활유 유입, 마모 과정의 변화, 열확산율 등의 문제를 무시한다면, 실험실 시험이 링 마모를 85% 과소평가할 수 있다고 생각할 수 있습니다.
이는 크기 비례 관계에서 생기는 효과입니다. 모델을 정확히 맞추려면 접촉 길이도 알맞게 축소해야 합니다. 따라서 스트로크 100 mm, 링 접촉 길이 3 mm인 엔진을 스트로크 15 mm의 시험기로 모사하려면, 시험기에는 접촉 길이가 0.45 mm인 링 시편을 사용해야 합니다.
핀을 위에서 아래의 디스크에 눌러 접촉시키는 핀 온 디스크 시험기에서는, 발생한 마모입자가 디스크 표면에 쌓이는 경향이 있습니다. < 아래 그림>

동일한 시편 구성을 위아래로 뒤집으면 다른 거동이 나타납니다. < 아래 그림>

(위 그림)>
이 경우 마모입자가 디스크 표면에서 떨어질 수 있으므로, 앞의 경우와 다른 마찰 마모 성능을 보일 수 있습니다.
마모입자가 표면에 남아 접촉부로 들어갈 수 있다면, 입자의 형상 크기 상대 경도에 따라 적어도 두 가지 서로 다른 마모 메커니즘이 발생할 수 있습니다. <아래 그림>

<위 그림>
연한 디스크나 판 위에서 단단한 핀을 운동시킬 때에는 주의가 필요합니다. 끝이 볼 형태인 핀을 사용하면 정렬 문제는 없어집니다. 그러나 시험 시작 시 헤르츠 접촉압력이 높아 연한 디스크에 소성변형과 가공경화가 발생합니다.
끝이 평평한 핀을 사용하면 높은 접촉압력과 가공경화 문제를 피할 수 있습니다. 대신 핀의 정렬 상태와 접촉면 Edge 가장자리에 특히 주의를 기울여야 합니다. 두 경우 모두 핀이 연한 재료에 홈을 ‘가공’하듯 만들지 않도록 하기 위해서입니다. 정렬을 개선하는 한 가지 방법은 아래 그림처럼 GIMBAL 효과가 생기는 탄두 모양의 구동부와 자체 정렬식 버튼형 시편을 사용하는 것입니다.
**가장자리 효과(edge effect)**는
시편의 접촉면 중앙과 가장자리에서 압력이나 변형이 다르게 나타나, 마찰 마모 결과에 영향을 주는 현상입니다.
첨부 자료의 스러스트 와셔 시험에서는 위쪽 시편이 아래쪽보다 작습니다. 위쪽 시편이 더 단단하면 그 안쪽·바깥쪽 원형 모서리가 아래쪽의 부드러운 표면을 파고들 수 있습니다. 그러면 측정된 마찰이나 표면 손상에 가장자리의 영향이 크게 섞입니다.
쉽게 말해, 와셔의 평평한 면끼리 고르게 문지르는 시험을 기대했는데, 모서리가 표면을 긁거나 누르거나 파고드는 효과까지 측정되는 것입니다.

또 다른 자체 정렬 방식으로는 핀에 반구형 시편을 사용하는 방법이 있습니다. <아래 그림>

또는 구형 핀 지지대를 사용할 수도 있습니다. <아래 그림>

두 경우 모두 접촉부의 중심과 구면 받침부의 중심이 일치해야 합니다. <위 그림 2개>
Edge 가장자리가 재료를 ‘가공’하듯 깎는 일을 막으려면, 핀 접촉면 둘레의 날카로운 모서리를 일정하고 재현 가능한 방식으로 완만하게 처리해야 합니다. < 아래 그림>

스러스트 와셔 시험 형상에서는 두 시험 표면이 계속 접촉합니다. 따라서 핀 온 디스크나 핀 온 플레이트 형상에서 나타나는 날카로운 선행 Edge 가장자리의 문제를 피할 수 있습니다. <아래 그림>

그러나 접촉이 연속적이더라도 Edge 가장자리 효과를 고려해야 합니다. 특히 한 시편의 외경이 다른 시편보다 작고 내경은 더 큰 경우가 그렇습니다. <아래 그림>

외경이 작은 시편(그림의 위쪽 시편)이 외경이 큰 시편보다 단단하면, 위쪽 시편이 아래쪽 시편의 표면을 파고듭니다. 이때 접촉부의 마찰 거동은 원주 방향 가장자리 Edge 효과에 의해 좌우 됩니다. <아래 그림>

위쪽의 작은 시편이 아래쪽의 큰 시편보다 연하면 이러한 가장자리 효과는 없어집니다. 그러나 연한 재료의 탄성변형으로 인해 겉보기 접촉면적이 달라질 수 있습니다. <아래 그림>

고무 또는 다른 탄성체 시편을 단단한 표면과 접촉시켜 시험하는데에는 특별한 어려움이 있습니다. <아래 그림>

단단한 볼과 평평한 연질 고무 시편의 조합은 건식 미끄럼과 윤활 미끄럼 모두에서 상당한 문제를 일으킵니다. 단단한 볼이 연한 표면을 탄성변형시키고, 시간이 지나면서 재료의 이완이 일어납니다. <아래 그림>

상대 미끄럼이 발생하면 운동 방향의 앞쪽에는 연한 러버 재료가 밀려 올라오는 선수파가 형성되고, 뒤쪽에는 변형에서 회복되는 재료가 남습니다. 이때 운동을 저지하는 힘의 방향과 크기를 명확하게 정하기 어려우며, 그 힘이 마찰에 의해서만 발생하는 것도 아닙니다. <위 그림>
저자들이 권장하는 해결책은 Allen Roberts 박사(전 MRPRA 소속)와 공동으로 개발한 단단한 평면 위의 고무 구 또는 반구 시편 형상입니다. <아래 그림>

이 형상에서는 고무 시편이 스스로 위치를 잡으므로 시편 정렬, 윤활 시험에서의 유체 유입, 재료의 히스테리시스 효과와 관련된 문제를 최소화할 수 있습니다. 운동을 저지하는 힘의 벡터를 명확하게 결정할 수 있으며, 그 힘은 마찰에 의해 발생합니다. <위 그림>
구에 가해지는 하중이 지나치게 크지 않고 미끄럼 속도가 지나치게 높지 않다면, 고무 구와 단단한 평면 사이에서 속도 차이를 수용하는 메커니즘에는 Schallamach 박리파가 관여할 가능성이 있습니다. 이 파는 접촉부의 선행 가장자리에서 발생하여 후행 가장자리까지 이동합니다. <위 그림 >
Schallamach 박리파는 고무가 단단한 표면 위를 미끄러질 때, 접촉면의 앞쪽에서 작은 부분이 떨어졌다가 다시 붙는 움직임이 뒤쪽으로 전파되는 현상입니다. 고무가 표면 전체에서 한꺼번에 미끄러지지 않고, 부분적인 박리와 재접촉을 반복하는 것입니다.

<위 그림>
평평한 고무 시편을 단단한 판에 문질러 시험할 수도 있고 고무 구 또는 반구 시편의 대안이 될 수 있습니다. 하지만 고무 시편이 움직이면서 기울거나 휘어질 수 있어, 실제로 닿는 면적이 예상과 달라집니다. 또 매끄럽게 움직이지 않고 *붙었다가 갑자기 미끄러지는 현상(스틱슬립)*이 크게 나타날 수 있습니다.
Schallamach 파가 시작되는 가장자리의 조건이 자체 정렬식 형상과 크게 다릅니다. 고무 ‘버튼’ 시편의 지지 길이도 큰 영향을 미칩니다. 시편과 지지대가 탄성 외팔보처럼 거동하여 큰 스틱슬립 현상을 일으키기 때문입니다. 또한 시편이 상대면 위를 움직일 때 기울어지는 경향이 있어, 실제 접촉면적이 예상보다 작을 수 있습니다.
다양한 마찰마모윤활 시험기 리스트 : 한미산업 사이트
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