고무재질의 마찰소음 해석 프로세스

이번 호에서는 고무재질과 같이 소프트한 재질에서 발생되는 스틱-슬립 현상에 대해 아바쿠스(Abaqus)를 이용하여 해석적으로 분석하고 분석된 결과를 이용하여 소음해석을 진행하는 프로세스에 대해 소개한다.

■ 이대인 | 다쏘시스템코리아의 과장으로, 시뮬리아COE(Center Of SIMULIA Excellence) 팀의 솔루션 컨설턴트이다. 한국산업기술대학교 기계설계공학부 및 서울과학기술대학교 대학원 기계설계학과를 졸업하고 MAHLE KOREA NVH 해석 엔지니어를 거쳤다. 관심 분야는 소음진동 해석이다.
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두 물체간의 표면에서 발생되는 마찰현상을 이해하는 것은 공학분야에서 중요하고 흥미로운 분야 중 하나이다. 하지만 이러한 현상은 수 많은 요소들(재질, 강성, 마찰, 감쇠특성 등)에 의해 발생되기 때문에 예측하기 매우 어려운 현상 중 하나이다.
대표적인 마찰현상 중 하나로 스틱-슬립 현상을 들 수 있다. 스틱-슬립 현상은 두 물체가 접촉면에서 마찰에 의한 자려진동에 의해 발생하며, 정지상태인 스틱과 미끌림 상태인 슬립을 반복하는 현상을 의미한다. 바이올린 현과 활의 진동, 차량 브레이크에서의 소음, 와인잔의 울림, 타이어 소음 등 대부분의 마찰현상에서 발생할 수 있다. 스틱-슬립 음은 최대 정지 마찰력에서 동 마찰력으로 전환되면서 미끄럼이 순간 발생되어 스틱-슬립 음이 생성된다고 알려져 있고 접촉상태 및 강성, 속도 등 여러 조건에 의한 영향으로 발생된다. 또한 소재간의 친화성에 따른 영향이 높아 어떠한 소재를 조합하느냐에 따라 다른 결과를 얻을 수 있다.
이러한 스틱-슬립 소음이 구조기인 소음으로 다른 연결부위에서 발생되는 소음 및 진동에 직/간접적으로 영향을 미치게 되고, 이러한 영향으로 제품에 불필요한 떨림이나 소음이 유발하여 제품을 파손시키거나 사용자에게 불쾌감을 주는 악영향을 미치게 된다. 그 중 고무재질에서 발생되는 스틱-슬립 현상은 접촉영역에 불안정 진동 및 노이즈를 발생시켜 부싱 및 기타 조립제품간에 소음문제를 발생시키게 된다.

1. 고무재질에서의 스틱-슬립 현상
고무재질에서 발생되는 마찰소음 중 대표적인 예로 <그림 1>과 같이 차량의 타이어에서 발생하는 스틱슬립 현상으로 인한 소음이 있다. 주행중 타이어와 지면은 마찰력에 의한 영향으로 속도를 증가/감소시킬 수 있고 정지할 수도 있다. 이렇게 지면과 붙어있는 동안 마찰로 인한 스틱슬립 현상이 발생되고 이로 인해 소음이 발생된다. 또한 주행속도가 빠르면 빠를수록 더 큰 스틱슬립 소음이 발생한다.

그림 1. 고무재질에서의 마찰소음 발생 예