점착 현상의 원인은 무엇일까요? 점착 현상을 줄이는 방법은 무엇일까요?

바이올린 연주가 아닌 이상, 스티션(stiction) 또는 스틱-슬립(stick-slip)은 두 표면 사이의 정지 마찰과 동적 마찰의 차이로 인해 발생하는 바람직하지 않은 현상입니다. 선형 가이드에서 스티션이 발생하면 채터링(불규칙한 움직임), 동작 정지, 토크 요구량 변동 또는 오버슈팅 형태의 정확도 손실로 이어질 수 있습니다.

점착 현상의 원인은 무엇인가요?

두 표면 사이의 정지 마찰 계수(μs)는 거의 항상 동적 마찰 계수(μk)보다 높으며, 이러한 마찰 계수의 차이가 스틱-슬립 현상의 근본적인 원인입니다.

모든 표면에는 어느 정도의 거칠기가 있습니다. 아무리 정교하게 마감되고 광택 처리된 표면이라도 완벽하게 매끄럽지는 않습니다. 표면에는 돌출부(‘돌기’)와 골이 있어 두 표면의 유효 접촉 면적을 줄입니다. 다시 말해, 어떤 곳에서는 두 표면의 돌출부만 접촉하고, 다른 곳에서는 한 표면의 돌출부가 다른 표면의 골에 닿습니다. 그리고 어떤 곳에서는 두 표면이 전혀 접촉하지 않습니다.

개별 접촉 면적이 매우 작기 때문에 표면 사이의 압력이 극도로 높아지고(압력 = 힘 ÷ 면적), 이러한 지점에서 냉간 용접이라고 알려진 과정을 통해 접착이 발생합니다.

표면이 움직이려면 먼저 접착을 유발하는 결합이 끊어져야 합니다. 마찬가지로, 표면이 맞물리는 부분(한 표면의 봉우리가 다른 표면의 골짜기에 닿는 부분)에서는 마모 또는 소성 변형이 발생해야 맞물린 부분이 분리되어 표면이 움직일 수 있게 됩니다.

표면 사이의 결합을 끊고 정지 마찰력을 극복할 만큼 충분한 추진력이 생기면 운동이 시작됩니다. 하지만 운동 중에도 표면이 완벽하게 매끄럽지 않기 때문에 마모는 계속 발생합니다. 표면의 남은 거칠기로 인해 발생하는 운동 저항을 동적 마찰 또는 운동 마찰이라고 합니다.

마찰을 줄이는 방법

윤활을 사용하는 선형 베어링(거의 모든 순환식 베어링과 일부 일반 베어링)의 경우, 베어링 표면 사이의 움직임으로 인해 윤활유가 표면 사이의 미세한 공간으로 유입됩니다. 표면의 상대 속도가 증가함에 따라 윤활막이 두꺼워지고 표면 간 접촉이 줄어들어 표면 간 마찰이 감소합니다.

선형 베어링은 유한한 거리를 이동한 후 반대 방향으로 되돌아오기 때문에(반면 레이디얼 베어링은 같은 방향으로 무한히 회전할 수 있음), 마찰이 표면의 특성과 윤활유의 특성 모두에 의해 결정되는 혼합 윤활 상태에서 상당한 시간을 보냅니다. 따라서 적절한 윤활은 순환 베어링(및 일부 일반 베어링)에서 마찰로 인한 영향을 제어하거나 줄이는 가장 좋은 방법입니다.

스틱-슬립 현상, 즉 마찰 저항은 순환 베어링보다 일반 베어링에서 더 큰 문제가 되는 경우가 많습니다. 이는 일반 베어링에서 정지 마찰 계수와 동적 마찰 계수의 차이가 더 크기 때문입니다. 또한 일반 베어링의 마찰 계수는 적용 하중, 마모 및 환경 요인에 따라 달라질 수 있습니다.

원형 축에서 회전하는 일반 베어링의 경우, 스틱-슬립 현상을 방지하는 한 가지 방법은 가능한 한 표면 조도가 가장 높은(표면 거칠기가 가장 낮은) 축을 선택하는 것입니다. 또한, 모멘트 암 거리가 베어링 길이의 두 배를 넘지 않아야 한다는 2:1 비율(2:1 법칙 또는 바인딩 비율이라고도 함)을 준수하는 것은 일반 베어링에서 스틱-슬립 현상을 방지하는 데 매우 중요합니다.

스틱-슬립 현상을 최소화하거나 방지하는 또 다른 방법은 공기 베어링 가이드를 사용하는 것입니다. 공기 베어링의 경우 마찰은 오로지 운동으로 인한 공기 전단력에 의해서만 발생합니다. 따라서 공기 베어링 어셈블리에서 정지 마찰과 운동 마찰의 차이는 사실상 0에 가깝기 때문에 스틱-슬립 문제가 거의 해결됩니다.