[논문 리뷰] Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction with application to hydraulic seals

Michele Scaraggi, Julian Benedikt Angerhausen외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 06.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유압 시스템의 고무 시일에서 유막 윤활 조건 하에서 이방성 표면 거칠기의 영향을 모델링하기 위해 다스케일 평균장 이론을 제안한다. 얇은 필름 윤활 모델을 이방성 거칠기 매개변수를 포함하도록 확장함으로써, 실험적으로 검증된 바에 따르면 마찰 계수는 표면 텍스처의 정렬 방향에 따라 크게 달라지며, 제어된 이방성 거칠기 특성을 가진 스틸 표면에서 이동하는 나일론 고무 O링에 대한 실험 결과와 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

Machine elements and mechanical components have often surfaces with anisotropic roughness, which may result from the machining processes, e.g. grinding, or from wear. Hence, it is important to understand how surface roughness anisotropy affects contact mechanics properties, such as friction and the interface separation, which is important for lubricated contacts. Here we extend and apply a multiscale mean-field model to the lubricated contact between a soft (e.g. rubber) elastic solid and a rigid countersurface. We consider surfaces with anisotropic surface roughness, and discuss how the fluid flow factors and friction factors depend on the roughness. We present an experimental study of the lubricated sliding contact between a nitrile butadiene rubber O-ring and steel surfaces with different types of isotropic and anisotropic surface roughness. The good quantitative comparison between the experimental results and the theory predictions suggests that the multiscale lubrication mechanisms are accurately captured by the theory.

연구 동기 및 목표

• 기계 가공된 부품에서 흔히 볼 수 있는 이방성 표면 거칠기가 공학적 응용 분야에서 윤활된 고무 마찰에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 부드럽고 점탄성 특성을 가진 접촉에서 이방성 거칠기를 고려할 수 있도록 다스케일 평균장 윤활 이론을 확장하기 위해.
• 박막 필름 윤활에서 유체의 유동 및 전단 응력 요인에 대한 표면 텍스처의 이방성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이sovotropic 및 이방성 거칠기 특성을 가진 스틸 표면에서 이동하는 고무 O링의 실험 데이터를 활용해 이론적 예측을 보정하고 검증하기 위해.
• 동적 시일의 표면 텍스처를 최적화하여 마찰과 마모를 최소화할 수 있는 예측 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 각도 스펙트럼과 거칠기 비대칭 매개변수를 사용하여 다스케일 평균장 이론의 얇은 필름 윤활 모델을 이방성 표면 거칠기 요소를 포함하도록 수정한다.
• 스ライ딩 방향과 표면 텍스처의 상대적 정렬에 따라 달라지는 유동 및 전단 응력 요인(φ_fp, φ_fs)을 도입하며, 이는 통계적 표면 특성에서 유도된다.
• 유체의 점탄성 거동이 압력에 의존하지 않는 조건에서, 고무의 점탄성 거동을 유한 변형과 함께 반무한체 근사 모델로 모델링한다.
• O링에 일반적으로 적용되는 선형 접촉 기하구조를 적용하여, 다양한 슬라이딩 속도 범위에서 Stribeck 곡선을 통해 마찰 계수를 계산한다.
• 이sovotropic 및 이방성 거칠기 특성을 가진 스틸 표면에서 이동하는 나일론 부타디엔 고무 O링의 실험 데이터를 활용하여 모델의 보정 및 검증을 수행한다 (γ = 0.1, 1, 10).
• 이론적 예측된 마찰 계수 및 압력 기울기 값을 실험 측정값과 비교하여 모델 정확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 거칠기의 이방성(예: 슬라이딩 방향에 수직 또는 평행한 긁힘이 있는 경우)이 윤활된 고무 접촉에서 마찰 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 박막 필름 윤활에서의 유체 유동 및 전단 응력 요인이 표면 거칠기의 각도 분포에 얼마나 의존하는가?
• RQ3 확장된 다스케일 평균장 모델이 이방성 스틸 표면에서 이동하는 고무 O링의 실험 마찰 거동을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 표면 텍스처의 비대칭성(γ로 정량화)은 Stribeck 곡선의 형태와 윤활 제도 전환 시점을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 부드러운 에라스토머틱 접촉에서 이방성 거칠기 조건에서 인터페이스 압력 기울기와 속도에 따라 변화하는 점성 응력은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 이론적 모델은 표면 텍스처의 이방성에 따라 마찰 계수가 크게 달라지며, 긁힘이 슬라이딩 방향에 수직일 때 마찰 계수가 가장 낮게 나타남(γ = 0.1)을 예측한다.
• γ = 10일 경우(스크래치가 슬라이딩 방향과 평행), 마찰 계수가 증가하며, 이는 더 높은 유체 흐름 저항과 증가한 전단 응력 요인 때문임.
• 모델은 다양한 슬라이딩 속도 범위에서 실험적 Stribeck 곡선을 정량적으로 잘 예측하며, 마찰 계수 값에서도 일치함(예: γ = 0.1일 때 τ_f = 10 MPa, γ = 1일 때 5 MPa, γ = 10일 때 2.5 MPa).
• 유동 및 전단 응력 요인(φ_fp, φ_fs)은 슬라이딩 방향과 표면 텍스처의 상대 정렬에 따라 강하게 의존하며, 등방성 조건과의 차이가 뚜렷함.
• 모델은 경계 윤활과 혼합 윤활 제도 간의 전이를 잘 포착하며, 이방성 거칠기가 윤활 제도 전환에 대한 임계 슬라이딩 속도를 변화시킴을 보여줌.
• 실험적 검증 결과, 윤활된 고무 시일에서 표면 거칠기의 이방성이 마찰에 결정적인 영향을 미치며, 낮은 슬라이딩 속도에서도 측정 가능한 영향이 있음.