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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김대은
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2019
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기어는 서로 맞물리는 힘을 통하여 기계시스템에 동력을 전달하는 기계요소이다. 특히, 폴리머 기어는 값싼 제조 단가, 가벼운 무게, 내부식성, 우수한 탄성 등으로 금속기어를 대체할 수단으로 주목받고 있다. 폴리머 기어의 낮은 관성과 댐핑 효과가 자동차의 연비 및 Noise-vibration-harshness 특성을 개선이 그 이유이다. 하지만 여러 장점에도 불구하고 폴리머 기어는 가혹한 환경에서 응용이 제한받는다. 폴리머의 취약한 기계적, 열적 특성이 가혹한 작동환경 속에서 심각한 마모를 유발한다. 따라서, 폴리머 기어의 재질 개선에 관련된 연구가 많이 이루어지고 있다. 특히, 유리 섬유 혹은 탄소 섬유와 같은 강화 섬유를 활용한 복합재료의 폴리머 기어가 개발된 사례가 있다. 이런 강화 섬유의 효과로 향상된 기계적 특성을 얻을 수 있었지만, 돌출된 강화 섬유로 인해 상대 기어에 마모를 유발하는 문제점이 보고되었다. 또한, 폴리머 기어의 내구성을 저하시키는 요소로 폴리머의 낮은 열전도율이 있다. 이로 인해, 작동 중 발생하는 열이 폴리머 기어 이빨에 축적되어 기어 이빨의 온도를 상승시킨다. 결과적으로, 상승된 열이 기어 이빨을 연화시켜 접촉부위의 마모를 가속화시킨다.
따라서 본 연구에서는 폴리머 기어의 트라이볼로지적 특성을 개선하기 위해 폴리머 기어에 Diamond-like carbon 코팅을 적용하였다. 기어 내구성 실험에 앞서 negative bias를 증착변수로 선정하여 실린더 형태의 폴리머 시편에 Diamond-like carbon 코팅을 증착했다. Pin-on-disk 타입의 마찰실험을 통해 증착된 실린더 형태 시편의 트라이볼로지적 특성을 평가했다. 실험결과, 40 V로 DLC 코팅된 Polyamide66가 시편들 중 가장 낮은 마찰계수를 보였으며, 0 V로 DLC 코팅된 Polyamide66이 가장 우수한 내마모성을 보였다. Pin-on-disk 결과를 바탕으로, 0 V의 DLC 코팅 조건을 polyamide66 기어에 적용하여 기어 내구성 실험을 진행했다. 기어 내구성 실험 결과, 코팅되지 않은 시편과 비교하여 약 73% 중량 손실을 저감한 효과를 보였다. 작동온도 역시 12 ℃가 감소했으며, 동력전달효율이 6% 개선되었다. 실험 후 기어의 뿌리 부근에 DLC 코팅이 부분적으로 마모된 것을 확인할 수 있었다. 이는 상대 기어와 맞물리면서 SUS304 기어의 날카로운 끝단이 초기 접촉 시 응력집중에 의한 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 폴리머 기어의 트라이볼로지적 특성을 개선하기 위해 폴리머 기어에 Diamond-like carbon 코팅을 적용하였다. 기어 내구성 실험에 앞서 negative bias를 증착변수로 선정하여 실린더 형태의 폴리머 시편에 Diamond-like carbon 코팅을 증착했다. Pin-on-disk 타입의 마찰실험을 통해 증착된 실린더 형태 시편의 트라이볼로지적 특성을 평가했다. 실험결과, 40 V로 DLC 코팅된 Polyamide66가 시편들 중 가장 낮은 마찰계수를 보였으며, 0 V로 DLC 코팅된 Polyamide66이 가장 우수한 내마모성을 보였다. Pin-on-disk 결과를 바탕으로, 0 V의 DLC 코팅 조건을 polyamide66 기어에 적용하여 기어 내구성 실험을 진행했다. 기어 내구성 실험 결과, 코팅되지 않은 시편과 비교하여 약 73% 중량 손실을 저감한 효과를 보였다. 작동온도 역시 12 ℃가 감소했으며, 동력전달효율이 6% 개선되었다. 실험 후 기어의 뿌리 부근에 DLC 코팅이 부분적으로 마모된 것을 확인할 수 있었다. 이는 상대 기어와 맞물리면서 SUS304 기어의 날카로운 끝단이 초기 접촉 시 응력집중에 의한 것으로 판단된다.
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