사다리꼴 나사 스핀들의 표면 최적화 – 마찰학 분석 및 적용

사다리꼴 나사산 스핀들은 무거운 하중에 이상적이며 리프팅 시스템에서 자주 사용됩니다. 생산 공학 및 공작 기계 연구소(IFW)와 Bornemann Gewindetechnik사 간의 협력 프로젝트의 일환으로 나사산 스핀들의 마찰 특성을 최적화하기 위해 나사산 소용돌이의 수정이 연구되었습니다. 소용돌이 모양의 미세 구조를 사용하면 마찰 손실을 25.5% 줄이고 접착 마모를 크게 줄일 수 있습니다.

1 소개

나사산 롤링 및 나사산 회전을 포함하여 리프팅 시스템에 자주 사용되는 긴 나사산 스핀들의 생산에는 다양한 제조 공정을 사용할 수 있습니다 [1]. 사다리꼴 나사산 스핀들과 같은 표준화된 기계 요소의 제조 공정을 설계할 때는 적용 동작과 서비스 수명을 고려하지 않습니다[2].

슬라이딩 마찰이 발생하는 표면을 설계할 때는 스트리벡 곡선[3]을 사용하여 분류되는 경계 마찰, 혼합 마찰 및 유체 마찰과 같은 마찰 체제를 고려하는 것이 중요합니다. 유체역학 상태에서는 윤활유 필름을 통해 힘이 전달되며, 윤활유의 내부 마찰에 의해 마찰력이 발생합니다[3-5]. 이는 접촉 면적, 윤활유의 점도, 윤활막 두께의 전단 속도에 비례합니다. 혼합 마찰의 경우 윤활막은 특정 지점에서 개별 거칠기 피크에 의해 중단되며, 이는 하중 전달에 기여합니다[4]. 특히 낮은 슬라이딩 속도에서는 유체 역학적 윤활 조건을 설정하고 유지한다는 측면에서 단점이 있습니다[6].

두 트리보 요소 사이의 직접적인 접촉은 에너지 소비를 증가시킬 수 있습니다 [7]. 미세 구조물은 다양한 메커니즘을 통해 유리한 효과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 미세 구조물은 윤활유 저장소 역할을 할 수 있으며[8], 윤활유 필름의 국부적인 상승은 윤활유가 그 위로 흐를 때 베어링 압력의 증가로 이어질 수 있습니다[9]. 유체역학적 압력은 정의된 미세 구조에 축적될 수 있습니다. 여기에는 캐비테이션 효과[4]와 연속적인 미세 구조에서 베어링 압력의 축적이 모두 중요한 역할을 합니다[10, 11]. 이러한 조사에 따르면 사다리꼴 나사산 스핀들의 표면 지형은 높은 하중을 받는 슬라이딩 접촉으로 인해 미세 구조를 통해 마찰을 줄일 수 있는 큰 잠재력을 제공합니다. 슬라이딩 접점의 마찰 손실을 줄이기 위한 미세 구조는 평면 황삭 또는 레이저 마킹과 같은 제조 공정을 통해 유도할 수 있습니다 [10, 12].

제조 공정으로서의 휘핑은 예를 들어 나사 밀링보다 훨씬 높은 생산성을 달성하기 때문에 공정 통합형 미세 구조화에 큰 잠재력을 제공합니다 [1, 13]. 지금까지 월링을 통한 표면 구조화에 대한 연구는 표면 구조의 공정 통합 기능화가 아닌 추가적인 구조화 공정으로만 수행되어 왔습니다 [14]. 별도의 제조 공정으로 미세 구조화를 위한 다양한 접근 방식이 있지만[12, 15], 추가 공정 단계로 인해 높은 통합 노력이 필요합니다. Denkena 등은 한 연구에서 미세 구조화를 통해 실린더 라이너와 같이 높은 열기계적 하중에 노출되는 표면의 마찰 특성이 개선되는 것을 보여주었습니다 [12]. 가공 생산 방법으로서 휘핑 공정은 나사산 측면에 생성되는 표면 구조로 인해 기능화에 대한 특별한 잠재력을 제공합니다(그림 1).

슬라이딩 마찰에 금속 트라이보커플을 사용할 때 특히 어려운 점은 윤활이 불충분하거나 과부하가 발생할 경우 접착력이 발생한다는 점입니다. 이로 인해 경도가 낮은 마찰 파트너의 접착 마모와 슬라이딩 접촉에서 경도가 높은 마찰 파트너로의 재료 이동이 발생할 수 있습니다[7, 17]. 슬라이딩 접촉의 표면 지형과 실제 접촉 면적은 앞서 설명한 불충분한 윤활로 인한 접착 위험에 결정적인 역할을 합니다[7, 16, 17]. 두 마찰 요소 사이의 직접 접촉은 접착의 기본 전제 조건이며 총 미세 접촉 수에 의해 정의됩니다.

높은 표면 압력을 받는 슬라이딩 접점에서는 윤활막 두께가 감소하여 혼합 마찰에서 경계 마찰로 전환되고 마찰 계수의 증가가 동반됩니다 [3]. Denkena 등은 또한 얕은 깊이의 표면 구조가 마찰 계수를 감소시키고 고체 마찰과 유체 마찰이 공존하는 혼합 마찰 체제로 전환할 수 있음을 보여주었습니다 [12]. 슬라이딩 마찰의 스틸 브론즈 트리오 요소의 경우, 2~5 μm의 표면 구조 깊이가 마찰을 줄이는 데 특히 유리한 것으로 나타났습니다 [16]. 윤활이 불충분하거나 상대 속도가 낮을 때 발생할 수 있는 또 다른 현상은 스틱 슬립 효과입니다. 이는 트라이보엘먼트가 짧은 시간 동안 서로 달라붙었다가 다시 슬라이딩 동작이 발생하는 현상입니다 [18]. 윤활유 부족으로 인해 스틱 슬립 효과가 자주 발생하면 접착 마모가 증가하여 부품의 조기 고장으로 이어집니다 [19].

고부하 상태에서 사다리꼴 나사 스핀들의 하중을 받는 나사산 측면에 대한 미세 구조의 영향은 아직 연구되지 않았지만 마찰 손실을 줄여 효율성을 높일 수 있는 큰 잠재력을 제공합니다. 또한 스핀들-너트 시스템의 미세 구조가 마모에 미치는 영향에 대해서는 아직 알려진 바가 없습니다. 따라서 이 백서의 목적은 이러한 격차를 해소하고 실제 조건에서 고하중 리프팅 장비의 고하중 사다리꼴 나사산 스핀들의 마찰 거동에 대한 나사산 회전에 의해 생성된 표면 구조의 영향을 조사하는 것입니다. 이 연구에서는 공정 통합 미세 구조화를 위해 특별히 개발된 소용돌이 공정을 살펴봅니다. 연구의 일환으로 다양한 표면 구조를 제시하고 전체 시스템의 마찰 감소에 미치는 영향과 표면에 윤활유를 유지하여 스핀들의 접착제 침착과 너트의 접착제 마모를 방지하는 능력을 평가할 것입니다.

2 실험 설정

2.1 마찰 테스트

그림 2에 표시된 테스트 장비는 마찰 거동과 관련하여 표면 지형이 나사산 측면에 미치는 영향을 조사하는 데 사용됩니다. Tr80×10mm 나사산이 있는 테스트 스핀들을 ν = 15°의 각도에서 f = 0.81Hz의 주파수로 진동시켰습니다. 하중 변화의 회전은 나사산 스핀들의 0.42mm의 병진 거리에 해당합니다. 이 설정에서 나사산 스핀들은 들어올리고 내리는 동안 FG = 91.3kN의 무게 하중을 받았습니다. 이는 중장비 리프팅 시스템에서 사다리꼴 스크류 드라이브의 최대 하중 범위 내에 있는 p = 5.0 N/mm²의 표면 압력에 해당합니다. 이 적용 분야에는 나사 너트 재료인 G-CuSn 7 ZnPb가 선택되었습니다. 윤활제는 특히 플레인 베어링 적용개소에 적합한 DGM HTF 940 그리스를 사용했습니다. 테스트 시퀀스에서 윤활은 1개월의 유지보수 간격을 기준으로 했습니다. 이 간격은 167주기마다 스핀들-너트 어셈블리를 윤활하는 것에 해당합니다. 테스트 장비는 힘 센서 인터페이스 125 kN과 토크 센서 SincoTec 1200 Nm의 제조업체인 Sincotec에서 설치했습니다.

다양한 표면 지형과 그에 따른 표면 구조의 마찰 특성을 특성화하기 위해 표면의 마모 상태를 분석했습니다. 이를 위해 스핀들을 컷오프 그라인더로 절단했습니다. 20,000회의 부하 주기를 통해 분석된 나사산 스핀들에 대해 10년의 서비스 수명을 실험적으로 매핑했습니다.

마찰 거동을 조사하기 위해 4개의 나사산 스핀들을 준비하여 다양한 공정 파라미터를 회전 공정을 사용하는 압연 스핀들과 비교했습니다(표 1). 소용돌이형 나사산 스핀들의 경우, 나사산 측면의 표면 구조 높이 사이에 정의된 그라데이션이 달성되는 방식으로 공정 파라미터가 선택되었습니다. 테스트 시리즈 1은 연속 압연 공정을 사용하여 제조된 압연 스레드 스핀들로 구성됩니다. 구체적인 공정 파라미터는 보네만의 경험을 바탕으로 설정되었습니다. 테스트 시리즈 2는 최신 기술에 부합하는 공정 파라미터로 회전되었으며 새로 개발된 표면 구조에 대한 추가 참조 자료로 사용됩니다.

테스트 시리즈 3과 4에서 이 연구에서 개발된 표면 구조는 표면 구조 높이 yf와 표면 구조 길이 sf를 모두 증가시키기 위해 두 단계로 제작되었습니다. 이 두 가지 구조 파라미터의 증가는 표면의 윤활유 보유량 증가로 이어집니다. 테스트 시리즈 3은 이론적 구조 높이 yf = 2.31μm, 구조 거리 sf = 3.67μm의 결과를 보여줍니다. 테스트 시리즈 4에서는 구조 파라미터가 yf = 3.61μm, sf = 4.59μm로 훨씬 더 뚜렷하게 나타납니다. 이는 와류 공정으로 인한 구조의 제한된 조정 가능성을 명확하게 보여줍니다. 구조 높이 yf의 증가는 필연적으로 구조 길이 sf의 증가로 이어집니다.

2.2 표면 구조 측정

실험적으로 생성된 3D 표면 지형을 분석하기 위해 Confovis GmbH의 광학 측정 시스템인 Duo Vario를 사용합니다. 표면 지형은 공초점 백색광 현미경을 사용하여 기록됩니다. 공초점 측정은 Nikon 20×/0.45-NA 대물렌즈로 수행되었습니다. 측면 표면을 분석하기 위해 0.20μm의 측면 측정 해상도를 사용했습니다. 너비 2.26mm, 길이 8.71mm의 측정 영역은 0.28μm의 해상도로 기록되었습니다. 실험적으로 생성된 나사산 스핀들은 나사산 측면에 직교하는 측정 위치에 정렬되었습니다.

3 표면 지형의 적용 및 특성화

다음 결과는 나사산 측면의 표면 지형을 소용돌이 공정을 사용하여 구체적으로 조정할 수 있는 방법과 나사산 압연 공정의 제한된 지형과 어떻게 다른지 보여줍니다. 그림 3은 사다리꼴 나사산 스핀들 압연 스레드 플랭크의 표면 지형을 소용돌이형 스레드 플랭크와 비교하여 보여줍니다.

테스트 시리즈 1의 표면 형상은 스레드 롤링 프로세스 중에 표면 텍스처가 생성되지 않음을 보여줍니다. 테스트 시리즈 2의 나사산 회전 스핀들은 테스트 시리즈 1과 비교하여 표면 형상에 큰 차이가 없으며 표면 텍스처도 인식할 수 없습니다. 소용돌이 공정을 특별히 조정함으로써 테스트 시리즈 3과 4에서는 훨씬 더 뚜렷한 표면 텍스처를 생성할 수 있었습니다. 이 테스트 시리즈에서는 텍스처 높이 yf와 텍스처 길이 sf를 연속적으로 증가시켜 피크 비율이 낮은 표면 텍스처를 생성함으로써 트라이보엘먼트의 표면 사이의 직접적인 솔리드 접촉을 최소화했습니다. 표면 텍스처의 피크 사이의 거리가 멀수록 거칠기 프로파일의 계곡에 윤활유를 유지할 수 있습니다.

가공 중 확률적 거칠기 효과가 발생하여 기술 표면에 4도 모양 편차로 영향을 미치기 때문에 테스트 시리즈 2의 덜 뚜렷한 표면 텍스처가 중첩됩니다. 이러한 중첩으로 인해 텍스처 파라미터를 결정하기 어렵고 텍스처 높이 yf = 0.82 μm, 텍스처 길이 sf = 1.63 mm로 낮습니다. 사실상 테스트 시리즈 2는 이 낮은 표면 텍스처로 인해 압연 샘플과 다르지 않습니다. 회전 공정 중 확률적 거칠기 효과는 주로 치핑이라고도 하는 회전 공구의 절삭 날의 거칠기 때문에 발생합니다. 이는 가공 중에 새로 생성된 표면에서 네거티브 몰드로 형성됩니다[20]. 테스트 시리즈 3과 4의 지형은 치핑에 의해 생성된 특징적이고 반복적인 홈을 보여줍니다. 텍스처 높이 yf가 회전 공구의 절삭 날에서 거칠기 Rz보다 작으면 텍스처가 중첩되어 회전 공정의 특징적인 텍스처가 발생하지 않습니다. 이는 스레드 측면의 거칠기 프로파일에서 확인할 수 있습니다(그림 4).

측정은 수학적으로 근사화된 실 형태가 표면 지형에서 차감되어 측정 범위의 가장자리에 있는 텍스처의 텍스처 높이가 약간 낮아진다는 사실로 인해 추가로 왜곡됩니다(그림 3 및 4).

4 마찰 평가

2.2절에 설명된 테스트 설정을 사용하여 중장비 리프팅 시스템용 사다리꼴 나사 스핀들의 스크류와 너트의 마찰 시스템에 대한 소용돌이 표면 텍스처의 영향을 분석했습니다. 사다리꼴 나사의 설계에서 마찰 계수는 단순화를 위해 일정하다고 가정하는 경우가 많습니다. 그러나 마찰 계수는 마찰 시스템의 모든 구성 요소의 영향을 받기 때문에 재료 특성으로 간주할 수 없습니다. 이 시스템에 대한 표면 지형의 영향을 특성화하기 위해 모든 영향 변수를 일정하게 유지합니다. 제조 공정에 의해 유도된 표면 텍스처만 테스트 시리즈에서 변경됩니다.

4.1 마찰 계수 조사

고하중 리프팅 시스템에서 이동 나사는 일반적으로 수직으로 배열되어 리프팅 및 하강 동작 중에 하중이 걸린 나사산 측면에 하중이 가해집니다. 경사면에서의 마찰은 사다리꼴 나사산의 마찰 계수를 계산하는 데 사용할 수 있습니다[21]. 정상 힘 FN은 기하학적 관계를 사용하여 회전 운동에 필요한 마찰 토크에서 무게 힘 FG와 마찰력 FR을 계산할 수 있습니다. 따라서 들어 올릴 때 필요한 마찰 토크가 훨씬 더 높아집니다. 테스트 설정에서 마찰 토크가 측정되고 무게 힘 FG가 일정한 값으로 설정되면 이러한 변수를 통해 마찰 계수 μ를 계산할 수 있습니다. 들어올리기 및 내리기 마찰 계수 μ의 별도 결정은 힘 구성 요소의 다른 방향을 고려함으로써 가능합니다. 테스트 시리즈 1에서 압연 스핀들에 대한 이 두 가지 유형의 움직임에 대한 마찰 계수의 예시적인 과정이 그림 5에 나와 있습니다. 서로 다른 힘의 방향을 고려할 때 두 가지 유형의 움직임은 마찰 계수에 대해 유사한 곡선을 보여줍니다. 리프팅에 필요한 더 높은 구동 토크에도 불구하고 사다리꼴 나사산 스핀들에서 20,000회 이상의 하중 사이클에서 발생하는 특징적인 마찰 계수 동작을 볼 수 있습니다. 두 유형의 움직임에 대한 평균 마찰 계수는 테스트 초반에 크게 증가하여 약 2000 사이클에서 최대치에 도달한 후 약 8000 사이클에서 일정한 수준으로 떨어집니다. 이 동작을 런인 단계라고 하며 마찰 시스템에 따라 전체 테스트 동안 마찰 계수의 일반적인 변화를 설명합니다[22]. 작은 각도 범위에 걸친 진동 동작은 하중 변화 중 짧은 거리의 상승 및 하강을 시뮬레이션합니다. 하중 변화의 결과 속도 프로파일은 가속 단계, 등속 단계 및 감속 단계로 구성되며, 각각 들어올리고 내리기 위한 단계로 구성됩니다. 저속에서 발생하는 스틱 슬립 효과는 특히 방향 반전의 전환점에서 선호됩니다. 이 효과는 표면이 잠시 달라붙은 후 트라이보 요소가 갑자기 미끄러지는 것으로 나타납니다. 이러한 움직임은 진동으로 이어질 수 있으며, 이는 마찰 계수의 더 큰 편차에 반영됩니다 [19]. 그림 5에서 이 효과는 처음 5000회 부하 주기 내에서 더 큰 편차의 형태로 관찰할 수 있습니다.

분석된 사다리꼴 스레드 Tr80× 10mm의 일정한 마찰 계수는 약 8000회 하중 사이클 후에 달성됩니다. 런인 단계에서는 압연 사다리꼴 스레드를 테스트할 때 마찰 계수가 처음에 증가하며, 이는 마찰 계수의 높은 편차와도 관련이 있습니다. 마찰 계수가 가장 높을수록 편차가 가장 크며, 이는 스틱-슬립 효과의 발생이 증가하여 접착 마모가 증가할 수 있음을 나타냅니다. 두 가지 유형의 움직임의 마찰 계수 곡선이 비슷하기 때문에 아래에서는 힘이 더 많이 드는 리프팅 움직임만 고려합니다.

그림 3에 표시된 표면의 마찰 계수 곡선에는 분명한 차이가 있습니다. 테스트 시리즈 1과 2는 스레드 롤링과 스레드 월링이라는 제조 공정이 다르지만 두 샘플 모두 표면 텍스처가 거의 없는 유사한 표면 지형을 가지고 있습니다(그림 3). 이러한 유사성은 마찰 계수 곡선에도 반영되어 있습니다(그림 6). 테스트 시리즈 1의 마찰 계수는 상당한 최대치를 보이지만, 테스트 시리즈 2에서는 테스트 기간 동안 최대치를 관찰할 수 없습니다. 그러나 두 테스트 모두 비슷한 수의 부하 사이클(L ≈ 8000) 후에 일정한 수준에 도달합니다.

전체 테스트 기간 동안의 평균 마찰 계수 μm도 두 테스트 모두 비슷한 값으로 가정합니다. 회전 스핀들과 롤링 스레드 스핀들 모두에서 런인 단계가 발생하여 μ = 0.1 수준에서 편차가 거의 없는 매우 일정한 마찰 계수가 발생합니다. 텍스처 높이가 yf = 2.31μm인 테스트 시리즈 3에서는 약 4500회 부하 사이클 후에 완료되는 상당히 짧은 런인 단계가 관찰됩니다. 테스트 시리즈 3에서 평균 마찰 계수는 μm = 0.098로 감소할 수 있으며, 이는 롤링(μm = 0.115) 및 텍스처가 없는 회전 스레드 측면(μm = 0.112)과 비교하여 14.6%의 마찰 계수 감소에 해당합니다. 테스트 시리즈 4(yf = 3.61 μm)에서는 표면 텍스처를 도입하면 런인 동작이 약 44% 감소하고 마찰 계수가 영구적으로 μm = 0.085로 낮아지며, 이는 롤 나사 스핀들에 비해 25.5% 감소에 해당합니다. 그러나 앞서 설명한 마찰 시스템에서 이 나사산으로는 런인 단계를 완전히 줄일 수 없었습니다.

4.2 접착 마모 분석

스핀들과 너트가 접촉할 때 발생하는 마모는 사다리꼴 스크류 드라이브의 수명에 결정적인 영향을 미칩니다. 가이드 스크루에서 발생하는 마모 메커니즘을 파악하기 위해 FG = 91.3kN의 하중과 윤활유를 정기적으로 공급한 상태에서 20,000회 하중 사이클을 수행한 후 부하가 걸린 나사산 측면의 표면을 검사했습니다(그림 7). 테스트 후, 테스트 시리즈는 로드된 스레드 플랭크의 표면 구조에 따라 뚜렷하게 다른 마모 패턴을 보였습니다. 나사산 측면에 표면 구조가 없이 테스트한 테스트 시리즈 1과 2는 나사산 스핀들의 나사산 측면에 뚜렷한 접착제 침착물을 보여줍니다. 이는 너트 재료의 상당한 침식 또는 접착제 마모로 인해 발생합니다. 구조물의 높이가 테스트 시리즈 3에서 테스트 시리즈 4로 증가함에 따라 접착제 마모 정도는 눈에 띄게 감소합니다(그림 7).

접착 침전물로 덮인 로드된 나사산 측면의 비율을 특성화하기 위해 현미경 이미지의 색상 분석을 수행하여 G-CuSn 7 ZnPb 소재의 구리 함량으로 인한 주로 붉은 침전물을 정량화했습니다. 로드된 나사산 측면의 면적 관련 접착 비율을 평가한 결과, 압연 사다리꼴 나사산 스핀들의 접착 비율이 36.3%로 가장 높은 것으로 나타났습니다(그림 8). 나선형 스레드 측면이 있는 테스트 시리즈 2는 27.4%의 커버된 면적 편차와 13.1%의 표준 편차로 가장 큰 편차를 보여줍니다. 실험적으로 에뮬레이트된 서비스 수명 후, 이 테스트 시리즈의 표면은 일부 영역에서 최대 45.4%의 접착 잔여물로 덮여 있습니다. 테스트 시리즈 4의 마모 패턴은 yf = 3.61μm의 구조 높이가 접착 마모의 비율을 감소시키고 거칠기 피크 영역으로 제한했음을 보여줍니다(그림 8a). 27.4%, 표준 편차 13.1%로, 나선형 실 측면이 있는 테스트 시리즈 2가 표면 덮임 면적에서 가장 큰 편차를 보였습니다. 실험적으로 시뮬레이션한 서비스 수명 후, 이 테스트 시리즈의 표면은 일부 영역에서 최대 45.4%의 접착제 잔여물로 덮여 있습니다. 테스트 시리즈 4의 마모 패턴은 yf= 3.61μm의 텍스처 높이가 거칠기 피크 영역에서 접착제 마모와 피크의 비율을 감소시킨다는 것을 보여줍니다(그림 8a).

미끄럼 속도가 낮고 마찰 접촉 시 표면 압력이 높기 때문에 마찰 시스템의 마찰은 고체 마찰과 혼합 마찰로 구분됩니다.

나사산 측면의 접착 마모는 압연 나사산 스핀들에 비해 테스트 시리즈 3에서 36.3%에서 13.6%로 감소했고, 테스트 시리즈 4에서는 나선형 측면 표면의 경우 10.1%로 더 감소했습니다. 뚜렷한 표면 질감을 가진 뚜렷한 거칠기 피크 사이에는 접착이 발생하지 않습니다. 접착 코팅의 특성으로 인해 경계 마찰 체제에서 혼합 마찰 체제로의 전환이 있다고 가정할 수 있습니다. Wang 등에 따르면 거칠기 피크의 수가 적거나 이 경우 표면 텍스처의 피크만 있으면 마찰 계수가 감소할 수 있습니다[4]. 이러한 영역에서는 소용돌이 프로세스에 의해 생성된 원래 표면이 그대로 유지됩니다.

마이크로 텍스처의 연속적인 배열은 [10]에서 설명한 것처럼 얇은 윤활막 형성에 유리할 수도 있습니다. 전체 접촉 표면의 고체 마찰이 감소하기 때문에 나사산 스핀들의 움직임에 더 낮은 마찰 토크가 필요합니다. 윤활제는 뚜렷한 표면 구조의 영역에 저장되어 윤활막 두께를 증가시키고 표면 사이의 직접적인 접촉을 방지하는 유체 마찰을 생성할 수 있습니다. 트라이보엘먼트의 거칠기 피크 사이의 직접적인 접촉은 접착 마모의 원인이 될 수 있습니다 [19].

더 뚜렷한 표면 질감(그림 9b)의 결과, 고체 마찰의 비율은 구조화되지 않은 표면 지형(그림 9a)과는 대조적으로 감소합니다. 스레드 측면의 표면 질감이 더 뚜렷하면 더 많은 양의 윤활제를 흡수할 수 있습니다.

서로 다른 금속으로 만들어진 마찰 요소가 접촉하면 응집력이 낮은 마찰체(이 경우 너트)에서 응집력이 높은 베이스체(이 경우 나사산 스핀들[3])로 재료가 전달됩니다. 마찰 접촉부에 윤활제를 추가하면 접촉 거칠기 피크의 수가 줄어듭니다. 로드된 나사산 측면에 접착제 침전물이 형성되는 것은 그림 9c에 개략적으로 나와 있습니다. 나사산 너트의 접촉 표면이 점진적으로 하중을 받으면 하중을 받은 나사산 측면의 접촉 거칠기 피크에 침착된 입자가 분리됩니다. 이러한 입자는 로딩된 나사산 측면의 접촉면에 점점 더 층을 형성하여(그림 10) 나사와 너트 재료 사이의 직접적인 접촉을 방지합니다. 이 과정은 정지 상태에 도달하고 너트의 표면 경계층에서 더 이상 재료가 로드된 스레드 플랭크로 전달되지 않을 때까지 계속됩니다. 이 과정은 런인 동작에 영향을 미치며 접촉 거칠기 피크가 접착제 침전물로 덮일 때 고정 상태로 변경됩니다. 이는 마찰 계수에 영향을 미칩니다. 그림 10은 침전물의 높이가 약 2μm이고 하중을 받은 나사산 측면의 초기 표면에 연마 마모가 없음을 보여줍니다.

5 결론 및 전망

이 연구의 일환으로 세 가지 표면 지형을 소용돌이 방법을 사용하여 조정하고 사다리꼴 나사 스핀들에서 마찰 특성을 조사했습니다. 마찰 계수를 측정하는 것 외에도 나사산 스핀들의 하중이 걸린 나사 측면의 마모 패턴을 분석하고 접착제 침전물을 정량화했습니다.

중장비 리프팅 시스템에 사용되는 나사산 스핀들은 압연 나사산 스핀들에 비해 하중을 받는 나사산 측면의 표면 구조가 상당한 부가가치를 제공하는 것으로 나타났습니다. 소용돌이 공정을 통해 보다 다양한 표면 구조를 생산할 수 있어 마찰 계수를 25.5% 감소시킬 수 있습니다. 이러한 마찰 계수의 감소는 효율이 스핀들과 너트 사이의 마찰 접촉에 의해 크게 영향을 받기 때문에 리프팅 시스템의 특정 베어링을 고려할 때 전체 시스템의 에너지 소비를 비례적으로 감소시킵니다. 또한, 실험적으로 시뮬레이션한 10년의 사용 수명 후에도 소용돌이 공정에 의해 질감이 생긴 나사산 스핀들의 원래 표면이 거의 손상되지 않았음을 알 수 있었습니다. 이는 스핀들과 너트의 거칠기 피크가 직접 접촉하는 고체 상태 마찰의 비율이 감소할 수 있음을 나타냅니다. 표면 질감이 제시된 경우, 나사산 측면의 접착 마모는 테스트 시리즈 4에서 10.1%로 감소한 반면, 압연 나사산 스핀들의 경우 36.3%로 감소했습니다.

테스트에서 나사산 스핀들의 전체 10년 사용 수명을 모방했지만 나사산 너트의 사용 수명은 표시되지 않았습니다. 스핀들의 일부만 마찰 접촉에 노출되는 반면 너트의 내부 나사산은 지속적인 하중을 받기 때문에 마찰 상호작용에 훨씬 더 오래 노출됩니다. 향후 연구에서는 특히 너트의 마모를 측정하는 데 어려움이 있으므로 마찰 시스템의 이러한 측면에 더 초점을 맞출 수 있습니다. 뚜렷한 표면 구조를 가진 나사산 스핀들의 또 다른 긍정적인 효과는 역마찰 바디(이 경우 너트)의 마모 감소일 수 있습니다.

참조

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인정

저자들은 자금을 지원해 준 연방 경제 및 기후 보호부(BMWK)와 건설적이고 긴밀한 협력을 제공한 프로젝트 파트너인 Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG의 건설적이고 긴밀한 협력에 감사드립니다.

프로모션

이 연구는 중앙 혁신 촉진 프로그램의 일환으로 연방 경제 및 기후 보호부(BMWK)의 재정 지원을 받았습니다.

저자의 기여

B. 덴케나는 B. 버그만과 함께 원고를 검토하고 편집했습니다. C. Wege는 이 연구의 개념을 개발하고, 실험을 수행하고, 데이터를 분석하고, 원고를 작성했습니다. M. 폰 소덴과 H. 게레케-보르네만은 도구를 제작하고 실험 설정을 제공했습니다.

프로모션

오픈 액세스 펀딩은 DEAL 프로젝트에 의해 가능해지고 조직되었습니다.

이해 상충

B. 덴케나, B. 베르그만, C. 웨게, M. 폰 소덴, H. 게레케-보르네만은 이해 상충이 없음을 선언합니다.

오픈 액세스

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게시자 참고 사항

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• Springer Nature, 24.05.2024