Profesorská přednáška. Doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D.

Transkript

1 VELMI TENKÉ ELASTOHYDRODYNAMICKÉ MAZACÍ FILMY Profesorská přednáška Doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ 2006

2 Snad jednou, až se naplní čas, bude odhalení a studium režimu kapalinového mazání označovaného jako elastohydrodynamické, oceněno jako jeden z nejvýznamnějších objevů tribologie dvacátého století. Duncan Dowson, History of Tribology, 979

3 Obsah Historický vývoj problémů tření a mazání u strojů Elastohydrodynamické mazání Teorie hydrodynamického mazání Charakteristické znaky liniového a bodového kontaktu Vývoj tlouštěk mazacích filmů Interferometrie mazacích filmů Princip metody Techniky používané pro měření tenkých filmů Kolorimetrická interferometrie Měření velmi tenkých mazacích filmů Hladké povrchy Nehladké povrchy Reálné povrchy Další rozvoj elastohydrodynamického mazání a koncepce výuky

4 Historický vývoj problémů tření a mazání Doba kamenná Smyčcový vrták Ložisko hrnčířského kruhu období paleolitu Jericho, 2000 př.n.l. Curtis, E. S

5 Historický vývoj problémů tření a mazání Egypt, období Střední říše Nástěnný obraz z hrobu Džehutihotepa el-berša, 880 př.n.l

6 Historický vývoj problémů tření a mazání Římská říše Axiální kuličkové ložisko z římské lodě jezero Nemi, 54 až 44 př.n.l. Ucelli, G. Le Navi Di Nemi,

7 Historický vývoj problémů tření a mazání Leonardo da Vinci Studie tření Kotoučové ložisko Codex Atlanticus Codex Madrid I 7 Ložisková klec Harris, T. A. 200

8 Historický vývoj problémů tření a mazání První patenty valivých ložisek Válečkové ložisko Uložení nápravy pomocí kuličkových ložisek Garnett, J. 787 Pat. GB 580 Vaughan, P. Pat. GB 2006, 794 Varlo, C

9 Elastohydrodynamické mazání Teorie hydrodynamického mazání Towerův experiment s radiálním kluzným ložiskem Reynoldsův výpočet Tower, B. Proc. Instn mech. Engrs., Reynolds, O. Phil. Trans. R. Soc., 886

10 Elastohydrodynamické mazání Charakteristické znaky Martin, 96 tuhé povrchy, izoviskózní mazivo Hertz, 88 elastické povrchy, suchý kontakt Grubin, 949; Petrusevič, 95 elastické povrchy, piezoviskózní mazivo

11 Elastohydrodynamické mazání Liniový izotermický kontakt α E ' bezr. par. materiálů bezr. par. rychlosti H min = 2,65 uη 0 E 'R G 0,54U 0, 70 W 0,3 L w E 'R h bezr. tloušťka mazacího filmu R bezr. par. zatížení 8 Podmínky v EHD kontaktu: Tloušťka filmu závisí zejména na: viskozitě maziva ve vstupní oblasti kontaktu η0 průměrné rychlosti třecích povrchů ve směru pohybu u kluzně valivé tření doba průchodu maziva -4 s max. Hertzův tlak 0,5 až 4 GPa smykový spád 6 až 8 s

12 Elastohydrodynamické mazání Bodový izotermický kontakt 8 Rozložení tloušťky filmu Rozložení tlaku minimální tloušťka filmu druhé tlakové maximum

13 Elastohydrodynamické mazání Vývoj tlouštěk mazacích filmů 8 9 Hydrodynamická kluzná ložiska konec 9. století 0 μm až μm Kliková kluzná ložiska první polovina 20. století asi μm Elastohydrodynamicky mazané součásti druhá polovina 20. století μm až 0, μm Hydrodynamicky mazaná paměťová média konec 20. století 0,0 μm až 0,00 μm Mikroelektromechanické systémy (MEMS) počátek 2. století až 0,00 μm 2 3 4

14 Interferometrie mazacích filmů Princip měření tloušťky mazacího filmu Porovnávání Konvenční Spacer Proužky layer stejného interferometrie interfer. interferometrie chromat. barev řádu Gohar Spikes Westlake Johnston, Cann, a Cameron awayte Cameron a Hutchinson a963 Spikes Experimentální zařízení pro měření tloušťky filmu Cameron, A.; Gohar, R. Proc. R. Soc. Lond. A.,

15 Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně mikroskopový zobrazovací systém EHD simulátor

16 Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně skleněný, safírový disk 2 ocelová, WC kulička ø25.4 mm 7 3 servomotory 4 rotační enkodér mikroskop xenonová výbojka 7 digitální kamera

17 Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně Stanovení topografie povrchu Mirauův interferenční objektiv piezoelektrický posuv Stanovení tloušťky filmu mikroskopový objektiv

18 Interferometrie mazacích filmů Kolorimetrická interferometrie Monochromatický interferogram statického kontaktu Geometrie statického kontaktu Chromatický interferogram statického kontaktu L, a, b vs. tloušťka filmu Interferogram EHD kontaktu Rozložení tloušťky filmu Tloušťka vs. rychlost central film thickness, nm 00 0 Exp H-D rolling speed, m/s

19 Interferometrie mazacích filmů Interferometrie s řízenou změnou fáze Interferogramy povrchu kuličky α= 0 α2= π/2 α3= π α4= 3π/2 α5= 2π Stanovení výšky povrchových nerovností Schwider, J. et al. Applied Optics, 983 ć 2I2 ( x, y ) 2I4 (x, y ) ć λ h( x, y ) = arctg č 4π ř č 2I3 (x, y ) I5 (x, y ) I(x, y ) ř Rekonstrukce topografie povrchu kuličky detail rozvinutí

20 Měření velmi tenkých mazacích filmů Meze platnosti elastohydrodynamické teorie Hexadekan Naftenický základový olej η0 = 0,42 Pa s, α = 35 GPa- t = 40 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo η0 = 0,00 Pa s, α = 3 GPa- t = 25 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo 00 centrální tloušťka filmu, nm centrální tloušťka filmu, nm rychlost, m/s rychlost, m/s hc = Kα ,53 0,67 0 η u0,67

21 Měření velmi tenkých mazacích filmů Mezné filmy Oktamethylcyklotetrasiloxan Mobil Jet Oil II η0 = 0,0024 Pa s, α = 22 GPa- t = 25 C, ph=0,5 GPa, ocel-sklo η0 = 0,032 Pa s, α = 5 GPa- t = 25 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo 00 centrální tloušťka filmu, nm centrální tloušťka filmu, nm rychlost, m/s rychlost, m/s mezný film

22 Měření velmi tenkých mazacích filmů Nehladké povrchy Jamky na třecích površích 5 Defekt Modifikace povrchu důsledek průchodu znečišťujících částic kontaktní oblastí struktura vytvořená laserem, elektrochemicky či mechanicky vznik povrchových trhlin vedoucích k následnému únavovému poškození zlepšení tribologických vlastností vedoucí ke snížení tření a opotřebení

23 Měření velmi tenkých mazacích filmů Nehladké povrchy uměle vytvořený vtisk Poloha vtisku v kontaktu Geometrie vtisku hloubka, nm průměr ve směru valení = 73 μm vzdálenost, μm tloušťka mazacího filmu, nm vzdálenost, μm hloubka = 0,7 μm max. sklon = vzdálenost ve směru valení, µ m

24 Měření velmi tenkých mazacích filmů Nezávislé chování tloušťky filmu a nerovnosti 22 ukul = ukot ukul =,3ukot ukul =,7ukot ukul = 3ukot ukul = ukot ukul = 0,7ukot ukul = 0,6ukot ukul = 0,3ukot

25 Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - numerická simulace EHD kontakt mezi broušenou ocelovou koulí a deskou η0 = 0,0 Pa s, α = 5 GPa-, ph = 2,2 GPa, Rred =,6 μm, u = 7,5 m/s Rozložení tloušťky filmu Rozložení tlaku Zhu, D

26 Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - experiment Topografie povrchu Tloušťka mazacího filmu

27 Měření velmi tenkých mazacích filmů tloušťka mazacího filmu, nm Mikroelastohydrodynamické mazání 70 ukul = ukot tloušťka mazacího filmu, nm vzdálenost ve směru valení, µ m 70 ukul = 0,6ukot tloušťka mazacího filmu, nm vzdálenost ve směru valení, µ m 70 ukul = 0,3ukot vzdálenost ve směru valení, µ m

28 Další rozvoj elastohydrodynamického mazání Úkoly pro blízkou budoucnost Nanoelastohydrodynamika Gao, J. P. et al. Science, 995 Molekulární dynamická simulace tenkého filmu tvořeného molekulami hexadekanu mezi dvěma Au substráty vzdálenými 23,2 Å Experimentální úkoly Chování základových maziv a reaktivních filmů ve styku povrchových nerovností. MikroEHD mazání pro případ modifikovaných povrchů. Reologické vlastnosti tenkých filmů tvořených průmyslovými mazivy. Velikost prokluzu v blízkosti rozhranní kapalina-pevná fáze za vysokých tlaků. Fyzikální vlastnosti a kinetika utváření mezných filmů na třecích površích u protioděrových a vysokotlakých zušlechťujících přísad.

29 Koncepce výuky tribologie na FSI VUT v Brně Spolupráce s průmyslem The Timken Company, INA-Schaeffler KG, Eaton Corporation Doktorské studium Konstrukční a procesní inženýrství Výzkumné projekty Výzkumný záměr, GAČR, COST, Kontakt Navazující magisterské studium Konstrukční inženýrství Tribologie Bakalářské studium Části a mech. strojů I Tribologie Strojní inženýrství FSI VUT v Brně

30 Závěr Objasnění principu elastohydrodynamického mazání představuje bezesporu nejvýznamnější pokrok na poli výzkumu mazání, ne-li tribologie, v druhé polovině dvacátého století. Jeho důsledkem je zlepšení konstrukce mnoha součástí, jako např. valivých ložisek, ozubených převodů, vačkových mechanismů nebo variátorů. Mnoho součástí pracuje spolehlivě a efektivně za podmínek, kdy je tloušťka elastohydrodynamického mazacího filmu pouze několik jednotek či desítek nanometrů. Pozornost proto musí být věnována problémům ležícím na rozhranní mechaniky kontinua a molekulárního chování. Na FSI VUT v Brně byl etablován výzkumný tým zabývající se problémy tenkých elastohydrodynamických mazacích filmů a to jak na úrovni základního, tak i aplikovaného výzkumu

31 Poděkování doc. I. Křupkovi (FSI VUT v Brně) za dlouholetou spolupráci na poli Děkuji za pozornost výzkumu EHD mazání; prof. M. Liškovi za všestrannou podporu; dr. D. Zhu (Eaton Corporation) a ing. M. Urbancovi (Timken ČR) za laskavé svolení k využití výsledků jejich výzkumu v prezentaci.