윤활
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1. 개요
윤활은 물체가 서로 접촉하여 운동할 때 발생하는 마찰을 줄여 기계의 마모를 방지하고 효율을 높이는 기술이다. 윤활 상태는 건조 마찰, 경계 마찰, 유체 마찰, 혼합 윤활로 분류되며, 각 상태에 따라 마찰 계수가 다르다. 윤활 메커니즘에는 유체 윤활 시스템(정압 윤활, 유체 동역학적 윤활, 탄성 유체 동역학적 윤활), 경계막 윤활, 혼합 윤활이 있으며, 윤활제는 윤활유나 그리스를 사용하여 마찰을 줄이는 역할을 한다.
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| 윤활 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 상대 운동하는 표면 사이의 마찰을 줄이는 과정 또는 기술 |
| 목적 | 마찰, 마모 및 열을 줄여 표면의 움직임을 더 효율적으로 만듦 |
| 적용 분야 | 기계 산업 생물학 |
| 윤활의 종류 | |
| 유체 윤활 | 두 표면 사이에 액체 윤활막을 형성하여 직접적인 접촉을 방지 |
| 경계 윤활 | 표면의 돌출부가 접촉하여 마찰이 발생하는 조건 |
| 혼합 윤활 | 유체 윤활과 경계 윤활이 혼합된 형태 |
| 탄성 유체 윤활 | 고압 조건에서 윤활유와 접촉면의 탄성 변형을 고려 |
| 고체 윤활 | 흑연, MoS2 등의 고체 물질을 사용하여 윤활 |
| 자기 윤활 | 재료 자체에 윤활 성분이 포함된 경우 |
| 윤활제 | |
| 종류 | 액체 윤활제 (윤활유, 물) 고체 윤활제 (흑연, MoS2, 테프론) 반고체 윤활제 (그리스) 기체 윤활제 (공기) |
| 첨가제 | 윤활제의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 화학 물질 |
| 윤활 방식 | |
| 수동 윤활 | 사람이 직접 윤활제를 공급 |
| 자동 윤활 | 기계 장치에 의해 자동으로 윤활제 공급 |
| 오일 배스 윤활 | 윤활 부품이 오일에 잠겨 윤활 |
| 오일 미스트 윤활 | 오일을 미세한 입자로 분사하여 윤활 |
| 그리스 윤활 | 그리스를 사용하여 윤활 |
| 윤활의 중요성 | |
| 마찰 감소 | 에너지 손실을 줄이고 효율성을 향상 |
| 마모 감소 | 기계 부품의 수명을 연장 |
| 열 발생 감소 | 과열로 인한 손상 방지 |
| 진동 및 소음 감소 | 작동 환경 개선 |
| 부식 방지 | 습기 및 오염 물질로부터 표면 보호 |
| 윤활 시스템 설계 고려 사항 | |
| 작동 조건 | 온도, 하중, 속도 등을 고려 |
| 윤활제 선택 | 작동 조건에 맞는 적절한 윤활제 선택 |
| 윤활 방식 | 효율적인 윤활 방식 선택 |
| 윤활 시스템 유지 보수 | 정기적인 점검 및 교체 |
| 생체 윤활 | |
| 특징 | 생물학적 시스템 내에서 마찰을 줄이는 윤활 작용 |
| 예시 | 관절액: 관절의 움직임을 부드럽게 함 눈물: 눈 표면을 윤활 타액: 음식물의 섭취를 도움 |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 마찰 마모 윤활유 그리스 베어링 |
2. 마찰과 윤활
물체가 서로 접촉하여 상호 운동하고 있는 상태를 마찰이라고 한다. 회전하거나 운동하는 기계류는 많은 부위에서 마찰이 일어나고 있으며, 마찰에 의한 악영향을 줄이기 위해 적절한 윤활이 필요하다.
마찰면의 윤활 상황은 다음과 같이 분류된다.
- 건조 마찰: 윤활제가 없고 두 고체 표면이 직접 접촉하여 운동하고 있는 상태. 금속 기기에서 이 상태가 되면 금속끼리의 미세한 응착이 생겨나 심한 마모나 트러블의 원인이 된다.
- 경계 마찰: 물체의 표면에 흡착된 윤활 성분 분자에 의해 표면이 일단 보호되고 있는 상태. 기계의 기동 · 정지 시에는 이 상태가 된다.
- 유체 마찰: 윤활제(액체)에 의해 상대 운동하는 물체가 완전히 격리된 상태. 이 상태에서의 마찰 저항은 액체의 점성 저항과 일치한다.
- 혼합 윤활: 유체 마찰과 경계 마찰의 중간 단계
기술적으로는 이러한 상태를 설명하는 것으로서, 스트라이벡 곡선이라는 세로축에 마찰 계수, 가로축에 좀머펠트 수라는 무차원 파라미터를 사용한 그림이 알려져 있다.
각각의 마찰 계수는 경계 마찰에서 0.1 정도, 혼합 마찰에서 0.1~0.01, 유체 마찰에서 0.01 정도가 되는 것으로 알려져 있다. 스트라이벡 곡선의 가로축이 큰 쪽에서는 유체 윤활 상태에서의 마찰 계수가 점점 커지는데, 이는 유체의 전단 저항이 커지기 때문이다.
2. 1. 윤활 상태
2. 1. 1. 건조 마찰
윤활제가 전혀 없는 상태로, 금속 부품 간 직접 접촉으로 인해 심각한 마모와 손상을 유발한다.2. 1. 2. 경계 마찰
경계 마찰은 물체 표면에 흡착된 윤활 성분 분자가 표면을 보호하는 상태를 말한다. 이러한 상태는 주로 기계 작동이 시작되거나 정지될 때 발생한다.2. 1. 3. 유체 마찰
유체 마찰은 윤활유와 같은 윤활제에 의해 두 물체가 완전히 분리되어 있을 때 발생한다. 이때의 마찰 저항은 매우 낮다.2. 1. 4. 혼합 윤활
혼합 윤활은 유체 마찰과 경계 마찰의 중간 상태로, 부분적인 유체 윤활과 부분적인 경계 윤활이 혼재한다.2. 2. 스트라이벡 곡선
3. 윤활 메커니즘
3. 1. 유체 윤활 시스템
유체 윤활은 점성력을 통해 하중이 서로 상대적으로 움직이는 부품 사이의 공간 또는 틈새 내 윤활제에 의해 완전히 지지되는 윤활 체제이며, 접촉을 피할 수 있다.[2]- '''유체 동역학적 윤활'''에서 접촉면의 움직임과 베어링의 설계는 윤활 막을 유지하기 위해 베어링 주변에 윤활제를 펌핑한다. 이러한 베어링 설계는 윤활 막이 파괴될 때 시작, 중지 또는 반전될 때 마모될 수 있다. 유체 동역학적 윤활 이론의 기초는 레이놀즈 방정식이다. 유체 동역학적 윤활 이론의 지배 방정식과 몇 가지 해석적 해는 참고 문헌에서 찾을 수 있다.[3]
- '''탄성 유체 동역학적 윤활''': 주로 비적합 표면 또는 더 높은 하중 조건의 경우, 물체는 접촉에서 탄성 변형을 겪는다. 이러한 변형은 유체가 통과할 거의 평행한 틈새를 제공하는 하중 지지 영역을 생성한다. 유체 동역학적 윤활과 마찬가지로, 접촉하는 물체의 움직임은 접촉 영역에 걸쳐 베어링 힘으로 작용하는 유도된 압력을 생성한다. 이러한 고압 체제에서 유체의 점도는 상당히 상승할 수 있다. 완전 유체 탄성 유체 동역학적 윤활에서 생성된 윤활 막은 표면을 완전히 분리한다. 윤활제의 유체 동역학적 작용과 접촉 고체의 탄성 변형 사이의 강한 결합으로 인해, 이 윤활 체제는 유체-구조 상호 작용의 예이다.[4] 고전적인 탄성 유체 동역학적 이론은 이 윤활 체제에서 압력과 변형을 해결하기 위해 레이놀즈 방정식과 탄성 변형 방정식을 고려한다.[5][6] 솟아오른 고체 특징 또는 ''돌기'' 사이의 접촉도 발생할 수 있으며, 혼합 윤활 또는 경계 윤활 체제로 이어진다.
3. 1. 1. 정압 윤활
정압 윤활에서 외부 압력은 유체 윤활제 막을 유지하기 위해 베어링 내 윤활제에 가해지며, 그렇지 않으면 짜낼 것이다.[2]3. 1. 2. 유체 동역학적 윤활
유체 동역학적 윤활에서 접촉면의 움직임과 베어링의 설계는 윤활 막을 유지하기 위해 베어링 주변에 윤활제를 펌핑한다. 이러한 베어링 설계는 윤활 막이 파괴될 때 시작, 중지 또는 반전될 때 마모될 수 있다. 유체 동역학적 윤활 이론의 기초는 레이놀즈 방정식이다. 유체 동역학적 윤활 이론의 지배 방정식과 몇 가지 해석적 해는 참고 문헌에서 찾을 수 있다.[3]3. 1. 3. 탄성 유체 동역학적 윤활 (EHL)
주로 비적합 표면 또는 더 높은 하중 조건의 경우, 물체는 접촉에서 탄성 변형을 겪는다. 이러한 변형은 유체가 통과할 거의 평행한 틈새를 제공하는 하중 지지 영역을 생성한다. 유체 동역학적 윤활과 마찬가지로, 접촉하는 물체의 움직임은 접촉 영역에 걸쳐 베어링 힘으로 작용하는 유도된 압력을 생성한다. 이러한 고압 체제에서 유체의 점도는 상당히 상승할 수 있다. 완전 유체 탄성 유체 동역학적 윤활에서 생성된 윤활 막은 표면을 완전히 분리한다. 윤활제의 유체 동역학적 작용과 접촉 고체의 탄성 변형 사이의 강한 결합으로 인해, 이 윤활 체제는 유체-구조 상호 작용의 예이다.[4] 고전적인 탄성 유체 동역학적 이론은 이 윤활 체제에서 압력과 변형을 해결하기 위해 레이놀즈 방정식과 탄성 변형 방정식을 고려한다.[5][6] 솟아오른 고체 특징 또는 ''돌기'' 사이의 접촉도 발생할 수 있으며, 혼합 윤활 또는 경계 윤활 체제로 이어진다.3. 2. 경계막 윤활
경계막 윤활에서 유체 동역학적 효과는 무시할 수 있다.[8] 물체는 돌기(높은 지점)에서 더 가까이 접촉하게 되며, 국부 압력에 의해 발생하는 열은 스틱-슬립 현상을 유발하고, 일부 돌기가 부러진다.[8] 상승된 온도 및 압력 조건에서 윤활제의 화학 반응성 성분은 접촉 표면과 반응하여 움직이는 고체 표면에 하중을 지지하고 주요 마모 또는 파손을 방지할 수 있는 끈적한 층 또는 막(경계막)을 형성한다.[8] 이는 초고분자량 폴리에틸렌을 "자가 윤활"하게 만드는 효과이다.[7] 경계 윤활은 하중이 윤활제보다는 표면 돌기(높은 지점)에 의해 지지되는 체제로 정의된다.[7]3. 3. 혼합 윤활
혼합 윤활은 완전 유체 탄성 유체 동역학적 윤활과 경계 윤활의 중간 영역에 해당한다.[9] 생성된 윤활 막은 물체를 완전히 분리하기에는 충분하지 않지만, 유체 동역학적 효과가 어느 정도 작용한다.[9]4. 윤활제의 역할
윤활을 좋게 하기 위해서는 윤활유나 그리스 등의 윤활제가 사용된다.
5. 윤활 적용 사례
참조
[1]
서적
Fundamentals of fluid film lubrication
https://www.worldcat[...]
Marcel Dekker
2004
[2]
간행물
Introduction to pump rotordynamics, Part i. Introduction to hydrodynamic lubrication
http://phn.tamu.edu/[...]
MEEN626 Lubrication Theory Class:Syllabus FALL2006
2007-12-11
[3]
뉴스
Hydrodynamic Lubrication
http://www.tribonet.[...]
2017-02-23
[4]
논문
Fluid–Structure Interaction Modeling of Elastohydrodynamically Lubricated Line Contacts
https://asmedigitalc[...]
2021-09-01
[5]
뉴스
Elastohydrodynamic Lubrication (EHL)
http://www.tribonet.[...]
2017-02-23
[6]
논문
On the history of elastohydrodynamics: The dramatic destiny of Alexander Mohrenstein-Ertel and his contribution to the theory and practice of lubrication
2015
[7]
서적
Microscopic Mild Wear in the Boundary Lubrication regime
Laboratory for Surface Technology and Tribology, Faculty of Engineering Technology, University of Twente, P.O. Box 217, NL 7500 AE Enschede, The Netherlands
[8]
웹사이트
Boundary Lubrication
https://www.tribonet[...]
[9]
논문
On a Model for the Prediction of the Friction Coefficient in Mixed Lubrication Based on a Load-Sharing Concept with Measured Surface Roughness
2015-05-31
[10]
웹사이트
7/21ページ タイヤのハイドロプレーニング現象と計算力学 ３．タイヤのハイドロプレーニング現象
https://www.jsme.or.[...]
[[日本機械学会]]計算力学部門
2021-05-24
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