천연 고무 번역(한국어 원본)천연 고무는 탄성 복원력, 진동 감쇠(vibration damping) 특성, 에너지 흡수성 등이 우수하여 자동차용 방진 부품 제작에 많이 사용되고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 보편화됨에 따라 해석 결과를 활용한 설계 기술이 널리 보급되었다.1-3) 하지만, 내구성능 예측과 관련된 해석적 방안은 아직까지 미미하게 활용되고 있다.
해석 결과를 사용한 고무 부품의 내구성능 예측과 관련된 연구는 1950년대 이후부터 꾸준하게 연구되어 왔다. 크게 결함(crack)의 결정화(crack nucleation) 시기를 예측하여 내구수명을 평가하는 방법과 결함의 성장(crack growth) 속도를 사용하여 수명을 예측하는 연구 방법이다.4-5)
기존의 해석적인 내구수명 예측 방법들은 주로 결정화와 관련된 접근방식이 사용되었다. 시편의 피로 시험 결과를 사용하여 내구수명 예측식을 정의한 후, 부품의 정적 변형(static deformation) 해석 결과를 대입하여 수명을 예측하는 방식이다. 이때, 사용되는 내구수명 예측식은 다양한 시험조건(평균변위, 변위진폭)에서 얻어진 결과들을 사용하여야 신뢰성을 확보할 수 있다. 따라서 피로 시험 횟수의 증가로 인한 시간적 비용적 문제들이 발생하게 된다. 금속 재료의 경우, 선행된 시험 결과들을 축척하고 활용하여 시험 시간 및 비용의 문제들을 해결할 수 있다. 하지만, 고무재료는 제법 및 제조과정이 비규격화 되어있고, 환경적 요인에 따른 특성변화가 크기 때문에 금속재료와 같은 해결방안이 제시되지 못한다. 이와 같은 원인으로 기존의 해석적 예측 방법들은 특정 부품들에 대하여 제한적으로 활용되고 있다.4, 6-8)
이러한 문제를 해결하기 위해 2002년 김호 등은 찢김에너지(tearing energy)를 사용하여 정의되는 내구수명 예측식의 정의 방법을 제안하였다.18) 제시된 방법은 비교적 간단하게 수행할 수 있는 찢김 시험 데이터만이 사용된다. 본 논문은 자동차용 방진 고무 재료들에 대한 찢김시험 결과에 대하여 기술하였다. 동적, 정적 상태에서의 찢김 시험을 수행하여 경도 변화에 따른 재료의 찢김 특성들을 평가하였다. 또한, 복잡한 형상을 가진 실제 부품에서의 찢김에너지를 계산하기 위해 가상의 균열을 포함하고 있다고 가정한 유한요소의 정식화에 대한 내용을 소개하였다. 마지막으로, 정식화를 통해 계산된 자동차용 모터 마운트의 찢김에너지와 찢김 시험을 통해 정의된 수명식을 사용하여 내구수명을 예측해 보았고, 실제 시험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가해 보았다.
정적 찢김 시험은 40~54의 경도를 가지는 자동차용 방진 고무에 대하여 실시하였다. 각 재료별 대표적인 성분과 그 비율은 Table 1과 같다.
각각의 고무 재료를 Single edge cut 시편과 Trouser 시편으로 가공하여 상온 상태에서 찢김 시험을 수행하였다. 모든 시편은 두께()는 2.3~2.5mm인 평판(sheet)에서 날카로운 칼날을 이용하여 가공하였다. 시험을 위해 사용된 UTM은 INSTRON 5882를 사용하였고, 20mm/min의 인장 속도를 사용하여 찢김 시험을 실시하였다. 크랙의 길이 변화는 금속현미경(OLYMPUS STM-MJ52)으로 관찰하였다.
Single edge cut 시편은 폭 20mm, 길이 80mm의 형상으로 제작한 후, 양쪽 끝단 부로부터 20mm의 길이를 지그에 장착(clamping) 한 후 찢김 시험을 실시하였다. 이때 사용한 초기 결함(initial crack)()의 길이는 2, 3, 4mm를 사용하였다. Trouser 시편의 경우, 폭 20mm, 길이 60mm로 제작하였고, 각 다리의 폭()은 10mm, 초기 결함의 길이는 약 30mm로 가공하였다. 또한, 다리 부분의 장착길이는 10mm가 되도록 하였다.
각각의 시편에 대한 찢김에너지는 다음과 같이 식에 의해 계산할 수 있다. Single edge cut 시편을 사용한 시험은 식 (5)와 같이 찢김에너지를 계산할 수 있다. |
천연 고무 번역(영어 번역본)Manufacture of automotive anti-vibration components often uses natural rubber due to its excellent elastic restoring force, vibration damping characteristics and energy absorption. Despite the wide spread of designing technologies using analysis outcome as a result of an increasingly common use of computer simulation technologies, analytical methods for estimating durability performance are scarcely used.
Research on estimating durability performance of rubber components using analysis outcome has been done steadily since the 1950s. Such research mainly focused on estimating endurance life by predicting the crack nucleation time or by using the speed of crack growth.4-5)
Existing methods of analytical estimation of endurance life have mainly used deterministic approaches. These involved first defining the estimation equation using fatigue test results on a specimen, then substituting static deformation analysis results of the component into the equation to estimate endurance life. Here, the endurance life estimation equation needs to account for various test conditions (average displacement, displacement amplitude, etc.) to obtain validity. This inevitably results in time and cost problems due to an increase in the number of fatigue tests. For metallic materials, accumulation and utilization of preexisting test results can solve such problems. For rubber materials on the other hand, due to non-standardized production formula and manufacture processes, as well as large changes in characteristics due to environmental factors, mentioned problems remain hard to solve. Thus pre-existing methods of analytical estimation have restricted uses for only certain components. 4, 6-8)
To resolve this problem, Kim et al. proposed a method of defining endurance life estimation equation using tearing energy. The proposed method only uses data from easily performable tearing tests. In this paper, we describe tearing test results of automotive anti-vibration rubber materials. We performed tearing tests in dynamic and static states and evaluated tearing characteristics of materials with varying degrees of hardness. In order to also calculate the tearing energy of actual components with complex shapes, we introduced formulation of a finite element with a simulated crack. Finally, we use formulation to calculate tearing energy of an automotive motor and define an endurance life equation through a tearing test, the results of which are used to estimate endurance life. The estimated endurance life is compared with real test results to evaluate validity of the equation.
A static state tearing test was performed on automotive anti-vibration rubber of 40~54 degrees of hardness. Each material’s main composition and component ratio are shown in Table 1. Rubber materials were manufactured into Single edge cut and Trouser specimens at room temperature for the test. All specimens were processed on sheets 2.3~2.5mm thick using a sharp knife. INSTRON 5882 was used as the UTM, and tearing tests were performed at the tensile speed of 20mm/min. A metallographic microscope (OLYMPUS STM-MJ52) was used to observe changes in length of the crack.
The Single edge cut specimen had a width of 20mm and a length of 80mm, and a length of 20mm from each end was clamped to the jigs. Lengths of the initial crack () were 2, 3 and 4 mm. The Trouser specimen had a width of 20mm and a length of 60mm. Each leg had a width () of 10mm and initial crack length of approximately 30mm. The clamping length was 10mm.
For each of the specimen, tearing energy can be calculated using equations as follows. Tearing energy can be calculated for the Single edge cut specimen experiment with Equation 5. |
