자동차 엔진 변속기 마찰과 마모에 대해서

자동차 엔진 변속기 마찰과 마모에 대해서

마찰과 마모는 자동차뿐만 아니라 기계, 물리, 화학 등 모든 분야의 산업에너지로 불필요하게 소모되는 것이다. 또 접촉면을 구성하는 재료의 조합이 무수히 많으며 조합마다 그리고 작동 조건마다 마찰 특성은 모두 다르다. 특히 자동차에서는 마찰과 마모가 엔진 및 변속기 등과 밀접하므로 매우 중요하다고 할 수 있다.

(참고) Bowden, F. P. and Tabor , D, The Friction and Lubrication of Solids, Pt Oxford Univ. Press

마찰(friction)

표면접촉을 하고 있는 두 고체가 상대운동을 하려고 할 때는 항상 그 운동에 대한 저항이 생기는데 이러한 현상을 마찰(friction)이라고 한다. 이 때의 저항력을 마찰력(friction force)이라 한다. 에너지의 많은 부분이 마찰 손실로 소비되는 것을 생각한다면 제품의 소재와 더불어 설계 개선 또는 윤활제 등을 통해 마찰을 줄일 수 있다.

특히 자동차는 마찰로 인한 손실이 비교적 크기 때문에 자동차를 유지하면서 마찰손실에 관한 것을 염두해야만 한다. 물론 마찰이 필요한 경우도 있는데 우리가 일상생활 가운데 많은 부분이 적당한 마찰을 필요로 하며 경우에 따라서는 충분한 마찰을 유지하는 것이 필요할 때도 있다. 예를 들어 걸을 때, 자동차가 정지하거나 커브 길에서 속도를 줄일 때, 또는 손으로 어떤 물체를 잡을 때 마찰이 너무 작다면 목적하는 바를 수행할 수 없게 된다. 따라서 마찰을 필요로 하는 곳은 충분한 마찰을 유지해야 하고 불필요한 마찰이 있을 때는 이를 줄여야 한다.

실제 자동차에서는 필요한 시간 동안 필요한 양만큼 마찰을 유지하는 일이 더 많이 작용하기도 한다. 브레이크가 마찰력을 설명할 수 있는 좋은 예가 될 수 있다. 마찰력이 너무 작으면 원하는 시간 내에 제동이 되지 않을 것이고 반대로 마찰력이 너무 크다면 바퀴가 순식간에 잠김으로서 더 위험한 상황을 초래할 수 있다. 이처럼 바퀴가 잠기지 않도록 대부분의 자동차가 ABS(Anti-lock Brake System)을 사용한다. ABS가 작동하는 것은 결국 타이어와 노면 사이에 마찰력이 발생할 수 있도록 한다는 의미이다. 그러나 간과할 수 없는 점은 마찰력이 지나치게 강해서 발생되는 진동이다. 간혹 마찰계수가 적절치 않은 일부 메탈브레이크패드를 사용 시 소음과 진동이 발생하고 브레이크 페달로부터 전해오는 불쾌한 진동을 경험해 본 사람이라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 마찰로 인한 진동은 기계 부품간의 접촉부분에서 끽끽거리는 마찰음을 유발한다. 그래서 자동차 엔진오일 광고카피중 소리의 중요성을 강조하기도 한다. 그만큼 소리가 좋다는 것은 마찰이 작고 부드러운 작동이 가능하다는 점에서 의의를 찾을 수 있다.

마모(wear)

‘연필이 닳아서 더 이상 못 쓰게 되었다.’ 이 의미는 연필이 더 이상 쓸모가 없게 되었다는 뜻이다. 어떤 물체가 그것의 가치를 잃는 데는 크게 나누어 세 가지 이유를 생각해 볼 수 있는데 그것은 첫째 그 물건이 시대에 뒤떨어지게 된 퇴화하는 것(obsolescence), 둘째 그 물건이 파괴되는 것(brekage), 셋째 그 물건이 마모되어 기능을 상실하는 것(wear)이다. 여기서 자동차는 마모를 피할 수 없게 되는데 마모란 상대운동의 결과로 접촉면의 물질이 제거되는 현상으로 정의할 수 있다. 이러한 마모가 어떠한 메커니즘(역학구조)에 의하여 이루어지느냐 하는 것은 많은 연구의 대상이 되어왔고 따라서 적지 않은 의견들이 있지만 아래에서 마모의 형태에 대해 살펴보겠다.

1) 표면피로마모(surface fatigue wear)

한 궤도를 따라 반복적인 상대운동이 있을 때 발생하는 마모를 표면피로마모라고 한다. 이 반복적인 하중은 표면 혹은 아래에 균열(crack)을 형성하게 되는데 이 균열이 결과적으로 그 표면의 파괴를 야기하게 된다. 겉으로 보이는 표면이 정상일지도 내부에 균열이 발생하는 경우도 있다. 즉 피로강도는 말 그대로 반복되는 피로에 따라서 변하는 강도라고 이해하면 될 것이다.

2) 연삭마모(abrasive wear)

연삭마모란 거칠고 단단한 표면이나 혹은 거친 입자를 포함한 연한 표면이 연한 표면과 상대운동을 할 때 이 표면의 물질이 제거되는 형태의 마모를 말한다. 또한 연삭마모는 두 접촉면 사이에 단단한 입자들이 어떤 경로에 의하여 침투됨으로써 일어나기도 한다. 그라인딩, 호닝, 그리고 밸브를 래핑하는 것도 모두 연삭이라고 볼 수 있다.

3) 부식마모(corrosive wear)

이 형태의 마모는 상대운동이 부식적인 환경에서 일어남으로써 접촉표면을 둘러싸고 있는 주위 환경과 접촉표면과의 화학적인 작용으로 생긴 화합물이 표면으로부터 떨어져 나가는 것을 말한다. 엔진오일과 같은 윤활제의 존재는 부식 환경으로부터 언제나 표면을 보호한다. 그러나 오일 안에 물과 같은 부식 요인이 윤활유 안에 용해되기도 하는데 이렇게 되면 윤활유는 동시에 품질이 떨어지고 점진적으로 부식작용이 더 커지게 된다.

4) 응착마모(adhesive wear)

가시적으로 매끈하게 보이는 표면은 분자 크기의 거칠기를 갖으며 이러한 두 표면이 함께 접촉이 될 때 상대적으로 거의 분리되지 않는 돌기를 형성한다는 사실은 이미 잘 알려져 있다. 수직 하중이 작동되면 돌기에서의 국부 압력은 극단적으로 높아진다. 응착마모란 두 표면이 접촉하여 상대운동을 할 때 두 표면의 원자들 간의 존재하는 인력(引力, 떨어져 있는 두 물체가 끌어당기는 힘)에 의하여 두 접촉면이 응착되어서 한 접촉면으로부터 파편이 떨어져 나오는 형태의 마모를 말한다.