도어 웨더스트립 표면 코팅에 따른 스틱-슬립 거동에 관한 연구 :

김성원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성원 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 서종환

발행연도: 2023

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

도어 웨더스트립 표면 코팅에 따른 스틱-슬립 거동에 관한 연구

김성원 기계공학과 2023.01 학위논문

2021

트라이볼로지 기반 도장면, 도어트림, 웨더스트립의 표면특성과 스퀵 노이즈의 상관관계 연구

김성원 , 윤범용 , 이상현 외 1명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2021.06 학술대회자료

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도어, 트렁크, 후드 등 차량의 무빙 파트는 외부로부터 비와 먼지 등의 이물질의 유입을 막고 외부로부터 노면 소음, 풍절음과 같은 소음을 차단하기 위해 웨더스트립이 장착된다. 차량의 차체와 도어 파트 사이에 위치하는 도어 웨더스트립은 일반적으로 EPDM 발포(Foam) 고무로 제조되며, 금속 소재의 차체 도장면 및 플라스틱 소재의 도어 트림과 접촉하여 이종 소재 간 계면(Interface)을 형성한다. 이 때 엔진 진동, 노면 가진 등에 의해 차체와 도어 파트 간 상대 변위(상대 속도)가 발생할 경우 계면에서 마찰에 의한 소음인 스퀵 이음(Squeak noise)의 원인 중 하나인 스틱 슬립 현상이 유발될 수 있다. 특히 외장 심미성을 위해 적용되는 무광 도장면의 경우 유광 도장면보다 표면거칠기가 높은 차이점을 보이며 더 큰 마찰 소음을 야기하는 문제점이 발생한 바 있어 이에 대한 원인 규명 및 개선이 필요하다.
이러한 소음 문제 해결 및 스틱 슬립 현상의 개선을 위해 웨더스트립 부품은 표면에 실리콘과 우레탄 레진으로 이루어진 코팅제를 도포하여 사용한다. 이에 따라 본 연구에서는 표면 코팅제의 실리콘과 우레탄 레진 함량을 달리한 웨더스트립과 유광 및 무광 도장면의 표면에너지, 표면거칠기를 측정하고 각 계면에서 스틱 슬립 거동을 비교 분석하여 상관관계를 파악하고자 하였다. 더불어 스틱 슬립 현상과 밀접한 연관이 있는 Adhesion 마찰의 기여도와 실접촉면적을 해석적 모델을 활용하여 정량적으로 예측하고자 하였다.
웨더스트립 코팅제 사양에 따른 마찰계수 시험 결과, 표면에너지가 6.57 mN/m로 가장 낮았던 Si 50 샘플이 유광, 무광 도장면과의 계면 모두에서 가장 낮은 마찰계수, Sigma, SSH 값을 나타낸 반면, 표면에너지가 21.5 mN/m로 가장 높은 Si 0 샘플의 경우 유, 무광 도장면과 마찰에서 가장 높은 마찰계수, Sigma, SSH 값을 보여 웨더스트립의 표면에너지가 마찰 특성(마찰계수, 스틱 슬립 인자)과 연관이 있음을 확인하였다. 나아가 상관관계를 정량적으로 분석하고자 각 계면에서의 점착일을 계산하여 점착일에 따른 두 스틱 슬립 인자를 비교해본 결과, Sigma, SSH가 각각 높은 R2 값을 보이며 점착일에 선형 비례함을 도출하였다.
해석적 모델을 활용하여 속도에 따른 실접촉면적과 마찰계수를 Adhesion과 Hysteresis 마찰로 나누어 정량적으로 예측한 결과 시험 값과 잘 매칭되어 해석적 모델의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 또한 표면거칠기와 마찰계수 시험 결과로부터 예측한 바와 같이 무광 도장면에서 실접촉면적이 평균 약 83% 낮은 것을 확인하였다.
결론적으로 피마찰재의 표면거칠기, 계면에서의 점착일 및 실접촉면적이 주요한 인자임을 도출하였으며 해당 인자에 대한 설계를 통해 웨더스트립과 도장면 간 스퀵 이음을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

Moving parts of automotive such as door, trunk, and hood are assembled with weatherstrip to prevent rain or dust from the outside and to block noise such as road and wind noise. Door weatherstrip located between the body and door parts is generally made of EPDM foam rubber, making interface with heterogeneous materials (steel and plastic). When relative displacement (relative velocity) is generated from engine vibration or road excitation in this interface, the stick slip phenomenon could occur resulting in squeak noise. In particular, the matt body, which is applied for exterior aesthetics, there have been issues with higher surface roughness compared to glossy painted surfaces, leading to increased friction noise. Therefore, it is necessary to investigate and improve the causes of these issues.
To address this noise issue and improve stick-slip phenomena, weatherstrip surface is coated using silicone and urethane resin. Therefore in this study, three types of weatherstrip samples with different silicone and urethane resin contents (Si 0, Si 50, Si 100) and matt, glossy body were evaluated by measuring surface energy and surface roughness. Also the stick-slip behavior at each interface was compared and analyzed to identify correlations according to surface properties. In addition, Adhesion friction coefficient and real contact area was predicted by applying analytical model.
For the analysis of stick-slip behavior at each interface, Sigma, the value of standard deviation of dynamic friction coefficient, and Stick-slip height, the maximum difference in stick-slip friction coefficient, were used to quantify the stick slip motion.
As a results, first the Si 50, which had the lowest surface energy of 6.57 mN/m, showed the lowest friction coefficient, Sigma, and SSH at both the glossy and matt body. On the other hand, the Si 0 specimen, with the highest surface energy of 21.5 mN/m, showed the highest friction coefficient, Sigma, and SSH. These results suggest that there is relation between the surface energy and friction characteristics (friction coefficient, stick-slip factor). To quantify this relation, the work of adhesion was calculated at each interface, and the two stick-slip factors were compared according to this work of adhesion. The work of adhesion values at each interface are linearly proportional to factor of sigma and SSH with higher R2.
In the case of body surface, even though the interfaces with glossy have lower work of adhesion values, the coefficient of friction maesured much higher than interfaces of matt, meaning opposite tendency. It can be thought that the surface roughness affects on the real contact area. The surface roughness of glossy body, 10 times smooth than matt one, makes the real contact area wider, resulting in preventing transition stick motion to slip motion. And it is confirmed with sigma, SSH values showing that 11.1%, 28% lower results on the glossy body respectively which is considered quite reasonable analysis.
Using the analytical model, the real contact area and friction coefficient according to slip velocity were quantitatively predicted as a summation of adhesion and hysteresis. As a result, the reliability of the analytical model was confirmed by matching well with the experimental results. In the case of friction between the weather strip and the painted surface, the hysteresis friction coefficient was negligible showing about 5 ~ 20 x 10E-7, indicating that the adhesion friction was dominant. The low slip velocity range of test and quite small loss modulus value of EPDM foam rubber mainly affect making μ_hys negligible.
In conclusion, the surface roughness of counterpart, work of adhesion and real contact area at interface were derived as the main key factors in terms of stick-slip behavior. and it is expected that the squeak noise between weatherstrip and body surface could be controlled through designing those factors.

#도어 웨더스트립 #표면 코팅 #스틱 슬립 #스퀵 이음 #실접촉면적

제1장 서론 1
1.1. 연구 배경 및 목적 1
1.2. 이론 3
1.2.1. 스틱 슬립(Stick-slip) 메커니즘 3
1.2.2. 고무 마찰 메커니즘 5
1.2.3. 해석적 모델 (Analytical model) 6
제2장 재료 및 실험 9
2.1. 재료 9
2.1.1. 웨더스트립 9
2.1.2. 도장면 10
2.2. 실험 조건 및 방법 11
2.2.1. 접촉각 시험 (Contact angle test) 11
2.2.2. 표면거칠기 시험 (Surface roughness test) 13
2.2.3. 점탄성 시험 (Dynamic mechanical analysis, DMA) 14
2.2.4. 포아송 비 시험 (Poisson ratio test) 17
2.2.5. 마찰 시험 (Friction test) 18
2.2.6. 안정성 시험 (Stability test) 20
제3장 결과 및 고찰 23
3.1. 표면 특성 시험 결과 23
3.1.1. 접촉각 시험 결과 23
3.1.2. 표면거칠기 시험 결과 25
3.2. 웨더스트립 물성 시험 결과 26
3.2.1. 점탄성 시험 결과 26
3.2.2. 포아송 비 시험 결과 29
3.3. 마찰 시험 결과 30
3.3.1. 마찰계수 결과 분석 30
3.3.2. 스틱 슬립 거동 분석 33
3.3.3. 점착일과 스틱 슬립 거동 간 상관관계 34
3.4. 해석적 모델 예측 결과 36
3.4.1. 마찰계수 예측 결과 36
3.4.2. 실접촉면적(Real contact area) 예측 결과 40
3.5. 안정성 시험 결과 41
제4장 결론 45
참고문헌 48
Abstract 52

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