본 연구에서는 자동차 내장재에서 발생되는 스퀵 소음을 줄이기 위한 목적으로 마찰내구 및 온도환경 마찰실험을 하여 마찰소음의 특성을 분석하였다. 대상 재료는 자동차 내장재로 많이 사용되고 있는 ABS 플라스틱과 천연가죽을 사용하였다.
기초 마찰실험을 통하여 소음과 진동이 서로 상관관계가 있음을 확인하였으며, 마찰내구 실험을 통하여 진동 주파수에 따른 마찰소음의 특성을 분석하였다. 또한 마찰계수-속도와의 관계에서 마찰소재에 따라 음의기울기가 어느 시점에서 발생하는지를 찾았다. 그리고 온도 환경 조건에서의 마찰특성 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
-30℃~80℃의 온도환경 실험을 통해 마찰소음의 특성을 분석한 결과 마찰내구 이전의 플라스틱 소재는 ?30℃일 때 천연가죽 소재는 50℃, 80℃일 때 음의 기울기가 발생되었다. 마찰내구 이후의 플라스틱 소재는 ?30℃, 0℃, 25℃일 때 천연가죽 소재는 ?30℃, 25℃, 50℃ 일 때 음의 기울기가 발생되어 마찰소음이 발현될 수 있는 것을 확인하였다. 음의 기울기는 마찰소음의 발생시점을 결정짓는 중요한 메카니즘이다. 또한 음의 기울기가 아니더라도 지속적으로 마찰을 하면 마찰계수가 높아지면서 마찰소음이 발생한다. 마찰계수 증가로 인해 서로 인접한 두 모드의 모드연성 메카니즘 때문에 마찰소음이 발생하는 것이다.
온도환경 변화에 따라 마찰내구 실험을 하기 전과 후의 마찰계수 크기의 변화를 분석해 보면 ?30℃일 때 플라스틱 > 플라스틱과 천연가죽 > 천연가죽 순으로 마찰계수가 크게 나타났다. 0℃ ~ 80℃일 때 마찰내구 이전에는 플라스틱과 천연가죽 > 플라스틱 > 천연가죽 순으로, 마찰내구 이후에는 플라스틱과 천연가죽 > 천연가죽 > 플라스틱 순으로 마찰계수가 크게 나타났다.
플라스틱 소재는 마찰내구 및 온도변화에 따라 마찰계수 값의 변화량은 거의 없지만, 천연가죽의 경우에는 마찰내구가 진행되고 온도가 높을수록 마찰계수가 커지는 것을 확인하였다. 이것은 재료 특성상 저온에서 수축되고 고온에서 팽창되는 현상 때문이며, 플라스틱 소재보다 천연가죽 소재가 온도에 따른 마찰소음의 영향이 큰 것을 확인하였다.
마찰내구가 지속될수록 속도에 따른 마찰계수 기울기가 어느 순간 음의 부호를 가지게 되는데 이 때 마찰소음이 발생되는 시점임을 예측할 수 있었다.
플라스틱 소재는 20mm/s일 때 약 50,000cycle에서, 천연가죽 소재는 25mm/s일 때 약 73,000cycle 에서, ABS와 천연가죽 소재는 10mm/s일 때 약 130,000cycle에서 마찰소음이 발생되는 것을 예측할 수 있었다.
이러한 마찰곡선의 기울기는 기본적으로 재료의 물리적인 특성에 의해 결정되지만 접촉조건, 윤활조건, 환경조건에 따라서 불규칙하게 발생된다. 가장 큰 원인은 마찰에 의해 발생되는 마모입자(wear debris)이다. 마모입자가 마찰의 불안정성을 생성시켜서 음의 기울기가 발생된다. 따라서 마모입자가 발현되는 시점을 늦출 수 있도록 최적의 재료 선정, 코팅, 윤활, 엠보싱 처리 등으로 내구수명을 연장시킬 수 있는 방안이 필요하다.
마찰내구 실험결과 플라스틱 소재의 경우 천연가죽 소재보다 68% 정도 빠르게 마찰소음이 발생하는 것을 확인하였다. 플라스틱 소재는 평면 대 평면 접촉을 하고 있어서 재료간의 접착성이 강해서 스틱슬립 현상이 일어날 가능성이 매우 높은 소재이다. 천연가죽 소재는 마찰내구가 진행되면서 거친 표면이 마찰에 의해 마모가 된 후 평면 대 평면 형태의 접촉이 발생된다. 따라서 플라스틱 소재가 천연가죽 소재보다 스틱슬립에 의한 마찰소음이 빠르게 발생되었다.
본 연구를 통하여 자동차 내장재에서 발생하는 마찰소음을 실험적으로 분석하였으며, 외부 온도환경 조건을 달리하면서 마찰특성을 확인하였다. 이 결과는 자동차 내장재의 소재선정과 온도가 다른 지역을 고려한 설계의 기초자료로 활용되어질 수 있을 것이다. 앞으로 본 연구를 기초로 하여 다양한 소재의 마찰특성에 대한 DB를 확보할 예정이며, 그 결과는 소재로 인한 소음의 클레임을 예방하고, 자동차 내장부품의 내구 수명을 증가 시킬 수 있을 것이다.

In this study, characteristics of friction noise are analyzed by conducting friction endurance and temperature environment friction experiment for the purpose of reducing squeak noise generated in automotive interior materials. ABS plastic, and natural leather, which are used extensively as automotive interior materials, were used as the testing subject materials.
Through the basic experiment, it was confirmed that there is a correlation between noise and vibration. In addition, characteristics of friction noise according to the vibration frequency were analyzed through the results of a friction endurance experiment. Moreover, it was found that negative slope occurs in accordance with the friction material in the friction coefficient-speed relationship. It was possible to reach the following conclusions through the friction characteristics analysis under temperature environmental conditions.
As a result of having analyzed the characteristics of friction noise through the temperature environment experiment with a temperature range of -30℃~80℃, negative slope occurred when the temperature prior to friction endurance is ?30℃ for plastic materials, and 50℃ and 80℃ for natural leather materials. On the other hand, negative slope occurred when the temperature after friction endurance is ?30℃, 0℃, and 25℃ for plastic materials, and ?30℃, 25℃, and 50℃ for natural leather materials, thereby confirming manifestation of friction noise. Negative slope is an important mechanism that determines the time of occurrence of friction noise. In addition, even if there is no negative slope, friction noise is generated due to increases in the friction coefficients of friction that are applied continuously. That is friction noise is generated due to the mode-coupling mechanism between the two neighboring modes due to the increases in the friction coefficient.
When the changes in the friction coefficient prior to and after the friction endurance experiment in accordance with the changes in the temperature environment are analyzed, the values of the friction coefficients were in the order of plastic > plastic and natural leather > natural leather when the temperature is ?30℃. In addition, they were in the order of plastic and natural leather > plastic > natural leather prior to the frictional endurance, and in the order of plastic and natural leather > natural leather > plastic after the frictional endurance in the temperature range of 0℃ ~ 80℃.
Although plastic materials do not display any changes in the friction coefficient in accordance with changes in friction endurance and temperature, it was confirmed that the friction coefficient increases as friction endurance progresses and temperature increases in the case of natural leather. This is due to the phenomenon of contraction at low temperatures and expansion at high temperatures, depending on the characteristics of the materials. It was confirmed that the effects of friction noise in accordance with the temperatures are larger for the natural leather materials in comparison to plastic materials.
As friction endurance continues, the friction coefficient slope according to the speed suddenly becomes negative, which can be predicted as the time at which friction noise is generated.
It was possible to predict that friction noise is generated at about 50,000 cycles at the speed of 20mm/s for the plastic materials, at about 73,000 cycles at the speed of 25mm/s for the natural leather materials and at about 130,000 cycles at the speed of 10mm/s for ABS and natural leather materials.
Although such slopes in the friction curves are determined due to the physical characteristics of the materials fundamentally, it also occurs irregularly according to various conditions such as contact, lubrication, and environmental conditions. The most important cause is the wear debris generated by friction. Wear debris induces instability of friction to generate negative slope. Therefore, there is a means of increasing the endurance lifespan through the selection of the best material, coating, lubrication, and embossing finish, etc. in order to delay the time of manifestation of wear debris as much as possible.
In the case of plastic materials as the result of the friction endurance experiment, it was confirmed that friction noise occurs about 68% more rapidly than the natural leather materials. Plastic is a material with a very high possibility of occurrence of the slip-stick phenomenon due to strong adhesion between the materials, since it is in plane-to-plane contact. In the case of natural leather materials, plane-to-plane types of contact are made after the rough surface is worn out due to friction with progressing friction endurance. Therefore, plastic materials displayed generation of friction noise due to slip-stick more rapidly in comparison to the natural leather materials.
In this study, friction noise generated in automotive interior materials was experimentally analyzed, and friction characteristics were checked by changing the external temperature environment. As such, the results of this study can be utilized as the basic data for selection of automotive interior materials and for designs with considerations given to regions with different temperatures. In addition, it is deemed possible to prevent noise claims due to the material characteristics and to increase the durability lifespan of the automotive interior components if DB for the friction characteristics of a diverse range of materials can be secured with this study as the foundation.