자동차 인너벨트 웨더스트립용 EPDM/PP thermoplastic vulcanizates 재료설계인자에 따른 점탄성과 글라스 마찰 소음 상관관계 연구 :Analysis of correlation between squeak noise and viscoelastic properties of EPDM/PP thermoplastic vulcanizates for innerbelt weatherstrip

조승현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조승현 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 서종환

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

자동차 인너벨트 웨더스트립용 EPDM/PP thermoplastic vulcanizates 재료설계인자에 따른 점탄성과 글라스 마찰 소음 상관관계 연구

조승현 고분자공학과 2021.01 학위논문

전기차 인너벨트 웨더스트립용 EPDM/PP Thermoplastic Vulcanizates 재료설계인자에 따른 점탄성과 글라스 마찰 소음 상관관계 연구

조승현 , 윤범용 , 이상현 외 3명 Composites Research 2021.01 학술저널

2020

자동차 인너벨트 웨더스트립용 열가소성 탄성체의 점탄성과 글라스 마찰이음의 상관관계에 관한 연구

조승현 , 윤범용 , 이상현 외 3명 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2020.11 학술대회자료

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차량 인너벨트 웨더스트립(Innerbelt weatherstrip)의 소재로 사용되는 EPDM/PP thermoplastic vulcanizates (TPV)는 열경화성 탄성체의 탄성과 열가소성 플라스틱의 용융가공성을 동시에 지니고 있지만, 낮은 소재 댐핑(Damping) 특성을 가지고 있어 도어 글라스 승하강 시 인너벨트 웨더스트립과 마찰에 의한 소음을 발생시키는 문제가 있다.
소재의 댐핑은 점탄성(Viscoelastic)에 의해 나타나는 특성이므로, 본 연구에서는 글라스 마찰 소음을 개선하고자 EPDM/PP TPV의 재료설계인자(EPDM/PP 비율, EPDM 가교밀도, Process oil 함량)에 따른 기계적 물성, 소재 댐핑 특성, 영구압축줄음율을 분석하였다.
EPDM/PP 비율에 따른 분석을 통해 PP 비율이 낮을수록 소재가 연화되고, 탄성회복력(Resilence)이 증가하여 기계적 물성은 약화되지만, 댐핑 특성과 영구압축줄음율은 개선되는 것을 확인하였다. EPDM의 가교밀도에 따른 영향은 EPDM의 가교밀도가 높을수록 소재의 강직성(Rigidity)가 증가하지만 EPDM particle의 크기가 감소하여 기계적 물성, 댐핑 특성 및 영구압축줄음율 모두 개선되어 인너벨트 웨더스트립의 씰링 성능과 마찰 소음을 모두 개선할 수 있는 설계인자로 판단된다. Process oil 함량에 따른 영향은 process oil 함량이 높을수록 가소화(Plasticization)에 의해 기계적 물성은 약화되지만 소재 댐핑 특성은 향상된다. Process oil 함량은 영구압축줄음율에는 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
재료설계인자에 따른 물성 분석을 바탕으로 최적 소재(35/14 wt%/wt%의 EPDM/PP 비율, ENB 함량 8.9 wt%, process oil 함량 36.0 wt%)를 배합한 결과 소재 댐핑 특성은 기존 소재 대비 13.2 % 증가하였으며, 영구압축줄음율은 35 % 개선되었다.
설계된 소재의 글라스 마찰 소음 개선 효과를 확인하기 위해 마찰 시험과 유한요소해석을 통해 마찰 소음을 평가하였다. 소재 댐핑 특성이 향상됨에 따라 마찰시험과 유한요소해석 결과 모두 마찰 진동의 가속도 peak가 감소하였으며, 각각 97 %, 75 % 감소하였다. 이러한 결과들로부터 재료설계인자에 따른 소재 댐핑 특성 향상을 통해 인너벨트 웨더스트립의 글라스 승하강에 의한 마찰 소음을 개선할 수 있음을 확인하였으며, 향후 소재 재료설계인자에 따른 물성 제어를 통해 부품의 요구 성능에 맞는 다양한 재료설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

EPDM/PP thermoplastic vulcanizates (TPV), is used for innerbelt weatherstrip, has both elasticity of thermoset elastomer and melt-processability of thermplastic. but low material damping property of EPDM/PP TPV causes friction noise beteew innerbelt weatherstrip and door glass.
Since material damping property is exhibited by viscoelasticity of polymers, to improve friction noise, mechanical and viscoelastic properties and compression set were analyzed according to material design variables of EPDM/PP TPV (EPDM/PP ratio, crosslink density of EPDM and process oil content).
Through the analysis according to the EPDM/PP ratio, it was confirmed that the lower PP ratio, the weaker mechanical properties, but the material damping property and compression set are improved. The mechanical properties, material damping and compression set are all improved with increasing crosslink density of EPDM. So the crosslink density of EPDM is main design variable that can improve both the sealing performance and friction noise of innerbelt weatherstrip. The effect of process oil content is that with increasing process oil content the mechanical properties are decreased, but the material damping property is increased. it was confirmed that the process oil content didn’t affect the compression set.
Based on the analysis of material properties according to material design variables, the optimum EPDM/PP TPV (35/14 wt%/wt% of EPDM/PP ratio, 8.9 wt% of ENB content and 36.0 wt% process oil content) is obtained. It is found that material damping property and compression set were improved 13.2 %, 35 % respectively compared to conventional material.
Friction noise was evaluated through friction test and finite elment analysis (FEA) to confirm the effect of improving the friction noise of the optimal material. The acceleration peaks of friction vibration were reduced with increasing material damping property. Friction test and FEA showed 97 % and 75 % redeced acceleration peak respectively. From these results, it was comfirmed that friction noise caused by innerbelt weatherstrip and door glass can be improved by increasing the material damping property according to the material design variables. It is expected that this research can be used in various material design that is suitable for performance of parts.

#인너벨트 웨더스트립(Innerbelt weathestrip) #EPDM/PP TPV #마찰 소음(Friction noise) #소재 댐핑 특성(Material damping property) #유한요소해석(Finite element analysis)

제1장 서론 1
1.1. 연구배경 및 목적 1
1.2. 이 론 2
1.2.1. 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer, TPE) 2
1.2.2. 열가소성 고무가황체(Thermoplastic vulcanizates, TPV) 3
1.2.3. 인너벨트 웨더스트립(Innerbelt weatherstrip) 6
1.2.4. 점탄성(Viscoelasiticity) 7
1.2.5. 동적기계적분석(Dynamic mechanical analysis, DMA) 8
1.2.6. BSR (Buzz, Squeak, Rattle) 10
1.2.7. Stick-slip 11
제2장 실험 12
2.1. 실험 재료 및 재료설계인자 12
2.1.1. EPDM/PP 비율(경도) 12
2.1.2. EPDM 가교밀도(ENB (Etylidene norbornene) 함량) 14
2.1.3. Process oil 함량 14
2.2. 제조 방법 15
2.3. 특성 분석 15
2.3.1. 인장시험(Tensile test) 15
2.3.2. 동적기계적분석(Dynamic mechanical analysis) 16
2.3.3. 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 16
2.3.4. 영구압축줄음율(Compression set) 17
2.3.5. Stick-slip 시험 17
2.4. 유한요소해석(Finite elment analysis, FEA) 18
제3장 결과 및 고찰 21
3.1. 기계적 물성 21
3.1.1. EPDM/PP 비율(경도) 21
3.1.2. EPDM 가교밀도(ENB 함량) 22
3.1.3. Process oil 함량 23
3.2. 점탄성 분석 24
3.2.1. Temperature-sweep test 24
3.2.2. Frequency-sweep test 33
3.3. 영구압축줄음율 34
3.3.1. EPDM/PP 비율(경도) 34
3.3.2. EPDM 가교밀도(ENB 함량) 35
3.3.3. Process oil 함량 36
3.4. 마찰소음평가 37
3.4.1. Stick-slip 시험 37
3.4.2. 유한요소해석(Finite element analysis, FEA) 39
제4장 결론 45
참고문헌 48
Abstract 51

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