마찰력의 원인은 무엇인가요? 마찰력을 줄이는 방법은 무엇인가요?

바이올린을 연주하지 않는 한, 스틱션(stick-slip) 또는 스틱 슬립(stick-slip)은 두 표면 사이의 정적 마찰과 동적 마찰의 차이로 인해 발생하는 원치 않는 현상입니다. 리니어 가이드에서 스틱션이 발생하면 떨림("갑작스러운") 동작, 고착(seized) 동작, 토크 요구량 변동 또는 오버슈팅(overshooting)으로 인한 정확도 저하로 이어질 수 있습니다.

끈적거림의 원인은 무엇인가?

두 표면 사이의 정적 마찰 계수(μs)는 거의 항상 동적(운동) 마찰 계수(μk)보다 높으며, 이러한 마찰 변화가 스틱 슬립의 근본 원인입니다.

모든 표면에는 어느 정도의 거칠기가 있습니다. 고도로 마감되고 광택이 나는 표면조차도 완벽하게 매끄럽지는 않습니다. 표면의 유효 접촉 면적을 줄이는 뾰족한 부분("거칠기"라고 함)과 골이 있기 때문입니다. 다시 말해, 어떤 부분에서는 두 표면의 뾰족한 부분만 접촉하고, 다른 부분에서는 한 표면의 뾰족한 부분이 다른 표면의 골에 닿습니다. 그리고 어떤 부분에서는 두 표면이 전혀 접촉하지 않습니다.

개별 접촉 면적이 매우 작기 때문에 표면 사이의 압력이 매우 높고(압력 = 힘 ÷ 면적), 이러한 지점에서는 냉간 용접이라고 알려진 공정을 통해 접착이 발생합니다.

표면이 움직이려면 이러한 접착을 유발하는 결합이 끊어져야 합니다. 마찬가지로, 표면이 맞물리는 경우(한 표면의 봉우리가 다른 표면의 골에 닿는 경우), 이러한 맞물린 부분을 깨고 표면이 움직일 수 있도록 마모 또는 소성 변형이 발생해야 합니다.

표면 사이의 결합을 끊고 정지 마찰력을 극복할 만큼 구동력이 높아지면 운동이 시작됩니다. 하지만 운동 중에도 표면이 완벽하게 매끄럽지 않기 때문에 약간의 마모는 여전히 발생합니다. 남아 있는 표면 거칠기로 인한 운동 저항을 동적 마찰 또는 운동 마찰이라고 합니다.

스틱션을 줄이는 방법

윤활을 사용하는 선형 베어링(거의 모든 순환 베어링과 일부 플레인 베어링)의 경우, 베어링 표면 사이의 움직임은 윤활유를 표면 사이의 미세한 공간으로 끌어당깁니다. 표면의 상대 속도가 증가함에 따라 윤활막이 두꺼워지고 표면 간 접촉이 감소하여 표면 사이의 마찰이 감소합니다.

하지만 리니어 베어링은 유한한 거리를 이동한 후 반대 방향으로 돌아오기 때문에(같은 방향으로 무한히 회전할 수 있는 레이디얼 베어링과는 대조적으로), 표면의 특성과 윤활제의 특성 모두에 의해 마찰이 결정되는 혼합 윤활 상태로 상당한 시간을 보냅니다. 따라서 적절한 윤활은 재순환 베어링(및 일부 플레인 베어링)에서 마찰의 영향을 제어하거나 줄이는 가장 좋은 방법입니다.

스틱슬립(stick-slip) 또는 스틱션(stiction)은 재순환 베어링보다 플레인 베어링에서 더 큰 문제를 일으키는 경우가 많습니다. 플레인 베어링은 정적 마찰 계수와 동적 마찰 계수의 차이가 더 크기 때문입니다. 플레인 베어링의 마찰 계수는 가해지는 하중, 마모 및 환경 요인에 따라 달라질 수 있습니다.

원형 축에 사용되는 플레인 베어링의 경우, 스틱 슬립 현상을 방지하는 한 가지 방법은 가능한 한 표면 조도가 가장 높은(표면 거칠기가 가장 낮은) 축을 선택하는 것입니다. 플레인 베어링 적용 시 스틱 슬립 현상을 방지하기 위해서는 모멘트 암 거리가 베어링 길이의 두 배를 넘지 않아야 한다는 2:1 비율(2:1 규칙 또는 바인딩 비율이라고도 함)을 준수하는 것이 매우 중요합니다.

스틱 슬립을 최소화하거나 방지하는 또 다른 방법은 에어 베어링 가이드를 사용하는 것입니다. 에어 베어링의 경우, 마찰은 운동으로 인한 공기 전단력에 의해서만 결정됩니다. 따라서 에어 베어링 어셈블리에서 정적 마찰과 동적 마찰의 차이는 거의 없으므로 스틱 슬립 문제는 사실상 사라집니다.