Vysoké u ení technické v Brn

Transkript

1 Vysoké u ení technické v Brn Brno University of Technology Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor konstruování stroj Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design / Department of Machine Design Chování EHD mazacího filmu p i náhlých zm nách rychlosti a zatížení EHD lubrication film behaviour under rapid change of velocity and load Diserta ní práce Dissertation Thesis Autor práce: Ing. Martin Zimmerman Author Brno 211

2

3 Vysoké u ení technické v Brn Brno University of Technology Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor konstruování stroj Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design / Department of Machine Design Chování EHD mazacího filmu p i náhlých zm nách rychlosti a zatížení EHD lubrication film behaviour under rapid change of velocity and load Diserta ní práce Dissertation Thesis Autor práce: Ing. Martin Zimmerman Author Vedoucí práce: prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. Supervisor Brno 211

4

5 Tato práce je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpo tem eské republiky.

6

7 PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svému školiteli prof. Martinu Hartlovi a školiteli specialistovi prof. Ivanu Křupkovi za cenné rady a připomínky v průběhu řešení této disertační práce a po celou dobu doktorského studia. Také bych rád poděkoval Evě, rodičům, rodině a přátelům za podporu při studiu. 7

8 PROHLÁŠENÍ O SAMOSTATNOSTI Prohlašuji, že jsem předloženou disertační práci vypracoval samostatně na základě uvedené literatury a za podpory školitele prof. Ing. Martina Hartla, Ph.D. V Brně dne Martin Zimmerman BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ZIMMERMAN, M. Chování EHD mazacího filmu při náhlých změnách rychlosti a zatížení. Brno, s. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav konstruování. Vedoucí práce prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. 8

9 ABSTRAKT Tato disertační práce je zaměřena na experimentální studium chování mazacího filmu při náhlých změnách provozních parametrů. Ve většině reálných tribologických uzlů dochází v průběhu pracovního cyklu ke změně provozních podmínek jako jsou rychlost, zatížení a poloměry křivosti stýkacích se ploch. Změna provozních podmínek může představovat zvýšené riziko porušení mazacího filmu. Přímý dotyk kontaktních těles, v okamžiku porušení mazacího filmu, s sebou nese zvýšení tření a opotřebení. Pro sledování dynamických změn v kontaktu byla použita vysokorychlostní CMOS kamera. Z nasnímaných interferogramů, s pomocí metody optické interferometrie, byla provedená zpětná rekonstrukce mazacího filmu. Bylo potvrzeno, že provozní parametry mají zásadní vliv na utváření mazacího filmu a na jeho tloušťku a pro jistou kombinaci okrajových podmínek může dojít k porušení spojitosti vrstvy maziva. KLÍČOVÁ SLOVA: EHD mazání, tloušťka mazacího filmu, nestacionární podmínky, mazací film. 9

10 ABSTRACT This dissertation is focused on experimental study of lubricant film behavior under transient conditions. For real machine parts such as gears, roller bearings and cam mechanism the operating conditions such as speed, load and radius of curvature of rubbing surfaces are vary during the working cycle. Change in operating conditions may pose an increased risk of the lubricating film breakdown. Direct contact of rubbing surfaces at the time of the lubricating film breakdown causes an increase in friction and wear. The high-speed CMOS camera was used to record the dynamic changes in lubricating film thickness during the experiment. The optical interferometry method has been used for reverse reconstruction of lubricating film thickness of the recorded interferograms. It was confirmed that the operating parameters have a major impact on the formation of lubricant film and its thickness and a certain combination of boundary conditions can cause lubricating film rupture. The obtained results showed, that modified topography of the rubbing surfaces can help to increase the lubrication film thickness especially in critical phases of working cycle. KEYWORDS: EHL, film thickness, non-steady state condition, lubrication film. 1

11 OBSAH OBSAH 1 Úvod 13 2 Přehled současného stavu poznání Studium EHD mazaných kontaktů při změně zatížení Studium EHD mazaných kontaktů při změně rychlosti třecích povrchů Studium EHD mazaných kontaktů při simulaci kontaktu vačky a zdvihátka Analýza a vyhodnocení poznatků Cíle disertační práce 43 4 Metody přístupu a návrh způsobu řešení Experimentální zařízení Úprava experimentálního zařízení pro potřebu proměnného zatížení Návrh SW a HW vybavení pro řízení experimentu Návrh nového experimentálního zařízení Optická interferometrie Určení reologických vlastností testovaného maziva Výsledky a diskuse Experimentální studium chování mazacího filmu při dynamické změně rychlosti třecích povrchů Popis experimentu Maziva s nízkou viskozitou HPO Maziva s vysokou viskozitou LSBS Experimentální studium chování mazacího filmu při dynamické změně zatížení třecích povrchů Popis experimentu Kruhový kontakt Eliptický kontakt Význam nově získaných poznatků Závěr 83 Seznam použitých zdrojů 89 Publikace autora k dané problematice 95 Seznam zkratek a použitých veličin 97 Seznam příloh 99 11

12

13 ÚVOD 1 ÚVOD Tribologie, jakožto vědní disciplína zabývající se mazáním a interakcí povrchů v relativním pohybu, byla v počátku svého vzniku v oblasti strojírenství přednostně zaměřena na výzkum chování maziva v kluzných ložiscích, které pracujících v hydrodynamickém režimu. Postupem času vyvstala potřeba popisu chování maziva v kontaktu nekonformně zakřivených a vysoce zatížených těles jako jsou boky zubů ozubeného soukolí, kontakt vačky a zdvihátka nebo kontakt valivých elementů s oběžnými drahami valivých ložisek. Cílem bylo využít nové znalosti ke zlepšení návrhu těchto strojích uzlů tak, aby docházelo k menším ztrátám na přenášeném výkonu a zároveň aby, došlo ke snížení opotřebení součástí v kontaktu. První práce zabývající se studiem elastohydrodynamického (EHD) mazaného kontaktu byly zaměřeny především na teoretické studium daného problému za ustálených provozních podmínek, kdy rychlost, zatížení a zakřivení kontaktních ploch byly uvažovány jako parametry v čase neměnné. V průběhu šedesátých let 2. století byly publikovány první studie zabývající se vlivem nestacionárních provozních podmínek na chování mazacího filmu v EHD mazaném kontaktu. Bylo zjištěno, že neustálené provozní podmínky mají významný vliv na mechanismus utváření mazacího filmu v EHD kontaktu. Prezentovaná práce si proto klade za cíl navázat na již známá fakta a rozšířit oblast výzkumu EHD mazaných kontaktů za nestacionárních podmínek o nové poznatky, zejména pak pro případ dynamické změny rychlosti a zatížení kontaktních ploch. Disertační práce se zabývá studiem vlivu časově proměnných parametrů rychlosti a zatížení na utváření mazacího filmu u vysoce zatěžovaných strojních součástí. V technické praxi je běžné, že se zmiňované parametry při provozu strojů mění. Přestože je známo, že nestacionární provozní podmínky mají zásadní vliv na utváření mazacího filmu, není tato oblast dostatečně experimentálně popsána a doposud publikované práce se převážně zaměřují na jednoduché případy změny provozních podmínek, přičemž složitější průběhy zůstávají opomíjeny. V rámci řešení disertační práce byl v případě změny parametru rychlosti zkoumán ve zjednodušené formě kontakt vačky a zdvihátka, který je specifický náhlou změnou rychlostí ve velice krátkém časovém úseku. Studie daného problému byla dále rozšířena o problematiku vlivu topografie třecích povrchů na chování maziva uvnitř kontaktu. Za účelem zjištění chování maziva v EHD mazaném kontaktu při změně zatížení byly použity dva typy zátěžného pulzu pro různé konfigurace kontaktních těles. Tato disertační práce předkládá ucelený soubor poznatků získaných na základě experimentálního studia. Obdržené výsledky zhodnocují chování maziva v EHD mazaném kontaktu při dynamické změně rychlosti popř. zatížení kontaktních povrchů. Pro dané okrajové podmínky byl prokázán pozitivní vliv cíleně vytvořené textury na jednom z kontaktních povrchů na tloušťku mazacího filmu. 13

14

15 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Většina strojních součástí, jako jsou např. valivá ložiska, ozubené soukolí aj., pracuje za podmínek elastohydrodynamického (EHD) mazání, které se vyznačuje tenkým mazacím filmem oddělujícím elasticky deformovaná kontaktní tělesa. EHD mazání je definováno jako režim mazání vyskytující se ve styku dvou nekonformních těles, při kterém jsou elastické deformace kontaktních povrchů srovnatelné s tloušťkou mazacího filmu. Vlivem vysokého tlaku, způsobeným vysokou hodnotou zatížení přenášeného malou plochou, dochází k elastické deformaci kontaktních těles a ke značnému nárůstu viskozity maziva. Nárůst viskozity je zapříčiněn viskóznětlakovým chováním maziva. Při relativním pohybu kontaktních těles dochází k vytvoření souvislého mazacího filmu, který tato tělesa odděluje, snižuje tření a opotřebení těchto těles [1]. V současné době je velmi dobře jak analyticky, tak numericky prozkoumána oblast chování mazacího filmu při stacionárních provozních podmínkách. V technické praxi však existuje značné množství strojních součástí pracujících za podmínek neustáleného EHD mazání, kde alespoň jeden ze základních provozních parametrů je v čase proměnný. Teprve nedávno byly publikovány první práce zabývající se experimentálním výzkumem vlivu přechodových jevů na tloušťku a utváření mazacího filmu v elastohydrodynamicky mazaném (EHL) kontaktu. Tyto studie lze dle zaměření rozdělit do tří hlavních oblastí. První, a z časového hlediska zároveň nejstarší, dvě oblasti se zabývají vlivem změny rychlosti popř. zatížení kontaktních povrchů na chování maziva uvnitř kontaktu. Třetí oblast je zaměřena na experimentální výzkum chování maziva v kontaktu vačky a zdvihátka. Obr. 2.1 Profil mazacího filmu a rozložení kontaktního tlaku v EHD mazaném kontaktu [2]. 2.1 Studium EHD mazaných kontaktů při změně zatížení Jednu z prvních experimentálních vědeckých prací využívající optickou interferometrii jakožto metodu pro studium chování mazacího filmu v EHL kontaktu za 15

16 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ nestacionárních podmínek publikoval Ren a kol. [3]. Článek popisuje chování mazacího filmu v liniovém a bodovém kontaktu při působení proměnného zatížení. Změny chování mazacího filmu byly zaznamenávány pomocí vysokorychlostní kamery na světlo citlivý film a průběhy hodnot zatížení a rychlosti kontaktních těles byly zaznamenány na magnetickou pásku. Pro snazší identifikaci a přiřazení interferometrických snímků k průběhu zatížení byl na obě média nahráván synchronizační signál. Obr. 2.2 Schéma experimentální aparatury [3]. Z obr. 2.2, který schematicky zobrazuje použitou experimentální aparaturu, je patrné, že experiment byl proveden za předpokladu čistého valení, kde poháněným tělesem byl skleněný disk. Výsledné proměnné zatížení použité pro oba typy experimentu se sestávalo ze dvou složek, kde statická složka zatížení F 1 byla vyvozena závažím umístěným na pákovém mechanismu. Dynamická síla F 2 (t) byla generována elektromagnetickým excitátorem s frekvencí 4 khz. Na obr. 2.3 jsou zobrazeny nasnímané interferogramy pro bodový i liniový kontakt. Pro oba typy experimentu byly použity shodné hodnoty rychlosti kontaktních ploch a změny zatížení kontaktu. Z prezentovaných výsledků je patrné, že v případě Obr. 2.3 Série interferogramů bodového a liniového kotnaktu [3]. 16

17 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ bodového kontaktu je profil mazacího filmu v centrální rovině ve směru valení značně odlišný od profilu, který může být pozorován v EHL kontaktu při ustálených podmínkách. V průběhu experimentu bylo pozorováno lokální navýšení tloušťky maziva. Se zvyšující se hodnotou zatížení, v důsledku elastických deformací, bylo pozorováno zvětšení kontaktní oblasti, aniž by došlo k výrazné změně minimální tloušťky mazacího filmu. U liniového kontaktu byly změny centrální a minimální tloušťky mazacího filmu v průběhu experimentu pouze nepatrné. Vysokou míru shody mezi profily mazacího filmu při ustálených a neustálených provozních podmínkách pro liniový kontakt autoři vysvětlují vyšší relativní tuhostí těles oproti bodovému kontaktu, a tedy i sníženou citlivostí na změnu zatížení. Navazující práce, kterou publikoval v roce 1995 Nishikava a kol. [4], se zaměřila na studium vtlačeného filmu za podmínek kvazistatického kontaktu. Jedná se o druh experimentu, kde jediným pohybem kontaktních ploch je jejich vzájemné přiblížení, a tudíž hodnota střední rychlosti maziva na vstupu do kontaktu je v průběhu experimentu rovna nule. Pro kvantitativní popis okrajových podmínek byl použit parametr λ označovaný také jako squeeze number, který je definován vztahem λ = η ( ) ω a 2 (2.1) E R B kde η je dynamická viskozita při atmosférickém tlaku, ω je úhlová rychlost zatěžovacího ramena při cyklickém pohybu, a je poloměr Hertzovy kontaktní oblasti pro maximální kontaktní zatížení, R B je poloměr ocelové kuličky a E označuje redukovaný modul pružnosti kontaktních těles. Bylo zjištěno, že v průběhu zatěžovací části cyklu dochází k uzavření části maziva v centrální oblasti kontaktu a k postupnému poklesu tloušťky maziva na okrajích kontaktní oblasti, jak popisuje obr Při procesu odlehčení dochází k zachování hodnoty centrální tloušťky maziva za současného zúžení oblasti uzavřeného mazacího filmu. Pro vyšší hodnoty parametru λ a nižší hodnoty amplitudy zatížení bylo v důsledku výskytu vzduchových bublin v okrajové části kontaktu ve fázi odlehčování pozorováno prolomení mazacího filmu. Vliv parametru λ a hodnoty amplitudy zatížení je popsán na obr Obr. 2.4 Rozložení kontaktního tlaku a tloušťky mazacího filmu, a) fáze zatěžování, b) fáze odlehčování, c) rozložení kontaktního tlaku, λ =8, ,S =9, 1 μm,ϖ =39, 2N,T =, 54 s [4]. 17

18 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 2.5 Centrální tloušťka mazacího filmu; a) změna parametru λ, S =9, 1 μm,ϖ =38, 6N, (1) λ =2, , (2) λ =8, , (3) λ =1, ; b) vliv amplitudy zatížení kontaktu, λ =8, ,ϖ =39, 8N, (1) S =9, 1 μm, (2) S =12, 3 μm, (3) S =23, 1 μm [4]. V roce 24 navázal na výzkum chování mazacího filmu v kvazistatickém kontaktu svou prací Sakamoto a kol. [5]. Současně s kvazistatickým kontaktem byla práce zaměřena na výzkum chování mazacího filmu při náhlé změně zatížení za podmínek čistého valení popř. podmínek kluz valení. Experimentální aparatura je schematicky zobrazena na obr Jako kontaktní tělesa byla použita ocelová kulička o průměru 25,4 mm a skleněný disk o průměru 18 mm a tloušťce 12 mm. Za účelem zvýšení kontrastu snímaných interferogramů byla kontaktní disku opatřena polopropustnou vrstvou chromu. Změna zatížení kontaktu byla generována elektromagnetem a průběh změny zatížení byl měřen dvěma tenzometry. Pro experiment byla použita maziva s různými hodnotami hustoty, viskozity a viskózně-tlakového koeficientu s označením BS, ST1 a TN32. Obr. 2.6 Schéma měřicí aparatury a systému zatěžování [5]. Pro případ mazaného Hertzova kontaktu byl použit olej BS. Průběh zatížení kontaktu je zobrazen na obr. 2.7 spolu s odpovídajícími profily mazacího filmu v centrální rovině kontaktu pro vyznačené body. Z vyhodnocených interferogramů je patrné, že při náhlém nárůstu zatěžující síly dochází k uzavření části maziva v okrajové části kontaktu. Jedná se o mazivo z okolí kontaktu, jehož viskozita prudce vzrostla v důsledku stlačení mezi kontaktními povrchy. Obdobný jev byl sledován i u zbývajících druhů olejů, přičemž pro zvyšující se hodnoty viskózně-tlakového koeficientu docházelo k navýšení maximální tloušťky mazacího filmu spolu s množstvím maziva 18

19 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 2.7 Průběh zatížení s odpovídajícími centrálními profily filmu, olej BS [5]. Obr. 2.8 Vliv w min a rychlosti zatěžování na h max, olej BS [5]. zachyceného v okrajové části kontaktu. Vliv velikosti předzatížení kontaktu w min a rychlosti zatěžování na maximální tloušťku mazacího filmu zobrazuje obr Z naznačeného průběhu je patrné, že nejvyšších hodnot tloušťky mazacího filmu je dosaženo pro nízké hodnoty předzatížení spolu s vysokou rychlostí zatěžování kontaktu. Při náhlém zvýšení zatížení kontaktu, pro případ čistého valení, dochází k zachycení části maziva na vstupu do kontaktu. Oblast se zvýšenou tloušťkou maziva prochází kontaktem rychlostí srovnatelnou se střední rychlostí maziva na vstupu do kontaktu. Pro případ pulzujícího zatížení dochází v okamžiku odlehčení ke zmenšení plochy kontaktu a k tvorbě vzduchových bublin v oblasti vtoku maziva, což má za následek pokles tloušťky mazacího filmu na vstupu do kontaktu. Zároveň byl pozorován útlum vlivu dynamické změny zatížení na tloušťku mazacího filmu s rostoucí rychlostí kontaktních povrchů. Pro případ skokového zatížení za podmínek čistého valení popř. podmínek kluz valení dochází k vytvoření oblasti se zvýšenou tloušťkou maziva ve tvaru srpku. Pro Obr. 2.9 Průběh zatížení a odpovídající centrální profily filmu, olej BS [5]. 19

20 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ případ čistého valení je množství zachyceného maziva závislé na rozdílu maximální a minimální zatěžující síly. Pro případ kluz valení je množství zachyceného maziva závislé na poměru kluz valení, který je možno vyjádřit vztahem Σ= 2(u D u B ) u D + u B (2.2) kde u D je obvodová rychlost disku v místě kontaktu a u B je obvodová rychlost kuličky v místě kontaktu. Oblast experimentálního výzkumu vlivu náhlé změny zatížení na tloušťku mazacího filmu pro Hertzův mazaný kontakt, kvazistatický kontakt a pro podmínky čistého valení rozšířil svými pracemi Kaneta a kol. [6] a Nishikawa a kol. [7]. Studie se zabývají posouzením jedno a dvoustupňové změny zatížení jednotlivých typů kontaktů na tvar a tloušťku mazacího filmu. Experimentální zařízení použité pro oba typy experimentů, jedno i dvoustupňové změny zatížení, je schematicky zobrazeno na obr Jako budič proměnného zatížení byl použit lineární peizo-motor a kontaktní tělesa jsou tvořena ocelovou kuličkou a skleněným diskem. Obr. 2.1 Schéma měřicí aparatury [6]. Pro případ kvazistatického kontaktu byl pozorován vliv počáteční mezery mezi kontaktními tělesy na maximální tloušťku maziva a její pozici v ploše kontaktu. Z obr je patrná závislost maximální a centrální tloušťky mazacího filmu na počáteční mezeře mezi tělesy. Je zřejmé, že zmenšením počáteční vzdálenosti dochází k poklesu centrální i maximální tloušťky filmu. V jistém bodě nastává rozdělení průběhu sledovaných veličin. Tento bod popisuje okamžik, kdy vlivem elastických deformací kontaktních těles je oblast maximální tloušťky mazacího filmu vytlačena do okrajové části plochy kontaktu. Na obr jsou zobrazeny profily mazacího filmu pro různé hodnoty vzdálenosti těles v okamžiku 5 ms po zatížení. Pro případ mazaného Hertzova kontaktu byl zkoumán vliv rychlosti zatěžování, na množství maziva zachyceného v okrajové části kontaktu. Z obr je patrné, že pro vyšší rychlosti změny zatížení dochází v důsledku viskózně-tlakového chování maziva k uzavření většího množství maziva v okrajové části kontaktu. Pro nižší rychlosti má mazivo více času uniknout z oblasti kontaktu. 2

21 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Závislost mezi h a h ini [6]. Obr Vliv h ini na profil mazacího filmu [6]. V případě čistého valení byl pozorován efekt vytvoření oblasti se zvýšenou tloušťkou maziva na vstupu do kontaktu. Oblast zvýšené tloušťky mazacího filmu prochází plochou kontaktu rychlostí srovnatelnou se střední rychlostí maziva na vstupu do kontaktu. Skoková změna zatížení nemá vliv na tloušťku maziva, které se nacházelo v kontaktu před navýšením zatížení. Tento jev je způsoben vysokou viskozitou maziva uvnitř kontaktu. Vliv dvoustupňové změny zatížení kontaktu na tvar mazacího filmu byl zkoumán zejména pro případ kvazistatického kontaktu. Z obr je patrné, že chování maziva při první změně zatížení je srovnatelné s chováním, které pozoroval Kaneta a kol. [7] pro případ jednostupňové změny zatížení. Při druhém stupni zatížení dochází vždy k uzavření maziva v okrajové části kontaktu a tloušťka maziva v této oblasti je nezávislá na počáteční mezeře mezi tělesy, což dokumentuje obr Byla provedena řada experimentů jednostupňového zatížení kontaktu s maximálními hodnotami zatížení w max,1 a w max,2. Sečtením tlouštěk mazacího filmu obou experimentů byl získán výsledný profil zobrazený na obr Ze srovnání profilů z obr a obr je možno konstatovat, že sečtením výsledků dvou experimentů pro jednostupňové zatížení je možno obdržet shodný profil tloušťky mazacího filmu Obr Mazaný Hertzův kontakt [6]. Obr Změna zatížení čisté valení [6]. 21

22 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Kvazistatický kontakt dvoustupňová změna zatížení [7]. Obr Závislost h max na h ini [7]. Obr Změna zatížení čisté valení [7]. pro dvoustupňovou změnu zatížení při srovnatelných okrajových podmínkách. Problematiku rázového zatížení kvazistatického kontaktu dále rozšířil Kaneta a kol. [8] svou prací, která s využitím numerické simulace popisuje chování kvazistatického kontaktu pro dané okrajové podmínky. Nově je popsán, mimo dříve zkoumaného vlivu počáteční mezery na tvar mazacího filmu, také vliv viskozity, rychlosti zatěžování, maximálního zatížení a průběhu zatížení na tvar mazacího filmu v kontaktu. Bylo zjištěno, že pro vyšší rychlosti změny zatížení dochází k vytlačování polohy maximální tloušťky mazacího filmu směrem k okraji kontaktu. Zároveň pro vyšší hodnoty viskózně-tlakového koeficientu bylo zjištěno zachycení většího množství maziva, viz obr Obr Vliv rychlosti zatěžování a koeficientu α na profil mazacího filmu 5 ms po zatížení, w max =13N,w t1 = 2 N/ms, w t2 = 1 N/ms, w t3 = 5 N/ms, w t4 = 25 N/ms, w t5 = 1 N/ms, w t6 =5N/ms,w t7 = 2,5 N/ms [8]. 22

23 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Vliv maximální zatěžující síly na profil mazacího filmu je zobrazen na obr Je zřejmé, že hodnota centrální tloušťky mazacího filmu je vůči změně maximální hodnoty zatížení necitlivá, zatímco množství zachyceného maziva narůstá se zvětšující se hodnotou maximálního zatížení vlivem zvětšení kontaktní oblasti. Z uvedených výsledků vylívá, že centrální tloušťka mazacího filmu se tvoří v počáteční fázi zatěžování a jako taková je citlivá na rychlost změny zatížení. Naopak profil mazacího filmu v okrajové části kontaktu silně závisí na koncové fázi zatěžování, která je definována maximální hodnotou zatížení. Obr Vliv maximálního zatížení na profil mazacího filmu v čase 5 ms po zatížení, α = 24 GPa 1, w t =1N/ms, w max1 =1N, w max2 =3N, w max3 =65N, w max4 = 13 N [8]. Numerické řešení kvazistatického kontaktu prezentoval také Chu [9] ve své práci, která je zaměřena na výzkum chování maziva pro případ, kdy oba kontaktní povrchy jsou opatřeny adsorpční vrstvou. Případ uvažované geometrie kontaktních těles je uveden na obr Předmětem výzkumu byl zejména popis chování mazacího filmu uvnitř kontaktu spolu s vývojem a distribucí kontaktního tlaku v průběhu zatěžování vzhledem k viskozitnímu poměru η a tloušťce adsorpční vrstvy. Viskozitní poměr je definován vztahem η = η f (2.3) η b kde η f je dynamická viskozita maziva a η b je dynamická viskozita adsorpční vrstvy. Na obr je zachycen vývoj tlaku a profilu mazacího filmu pro jednotlivé fáze procesu zatěžování. Je patrné, že rozložení tlaku nad kontaktní oblastí je necitlivé Obr. 2.2 Geometrie kontaktních těles s adsorpčními vrstvami [9]. 23

24 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Vliv viskozitního poměru na sledované parametry, a) tloušťka mazacího filmu, b) kontaktní tlak [9]. vůči změně viskozitního poměru. Nejvyšší hodnota tlaku se nachází v centru kontaktní oblasti a své maximální hodnoty dosáhne v čase 8,5 ms od začátku zatěžování pro dané okrajové podmínky. Dále pak, vlivem pomalého úniku maziva s vysokou viskozitou z centra kontaktu, dochází k pozvolnému poklesu hodnoty kontaktního tlaku. Změna profilu mazacího filmu je zobrazena na obr a). Z obrázku je patrno, že vyšších tlouštěk mazacího filmu bylo dosaženo pro nižší hodnoty viskozitního poměru. Pro dané okrajové podmínky byla maximální tloušťka mazacího filmu pozorována v centrální oblasti kontaktu, zatímco minimální tloušťka se nachází v jeho okrajové části. Zřetelněji lze pozorovat vliv viskozitního poměru na tloušťku mazacího filmu na obr a). Souběžně byl zkoumán vliv tloušťky adsorpční vrstvy na centrální a minimální tloušťku mazacího filmu. Z obr b) je patrné, že pro vyšší hodnoty tloušťky adsorpční vrstvy byla pozorována vyšší tloušťka mazacího filmu. Obr Závislost kontaktního tlaku a tloušťky mazacího filmu v čase, a) při změně viskozitního poměru, b) při změně tloušťky adsorpční vrstvy [9]. 24

25 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 2.2 Studium EHD mazaných kontaktů při změně rychlosti třecích povrchů Jako nejčastěji zkoumané jevy, v rámci výzkumu vlivu časově proměnné rychlosti na tloušťku mazacího filmu v EHL kontaktu, je možno označit náhlé zastavení třecích povrchů, střídavé zastavení a rozběh třecích povrchů a řízená periodická změna smyslu otáčení těchto povrchů. Jedná se o kritické fáze provozního cyklu, kdy vlivem zastavení třecích povrchů popř. vlivem periodické změny vstupu a výstupu maziva z kontaktu dochází k redukci tloušťky mazacího filmu. Snahou je simulovat reálné provozní podmínky, které se vyskytují v reálných tribologických uzlech, jako jsou např. valivá ložiska nebo kontakt vačky a zdvihátka. V roce 1998 publikoval Sugimura a kol. [1] práci, jejímž cílem bylo objasnit působení výše uvedených okrajových podmínek experimentu na chování mazacího filmu. Pro případ střídavě zrychleného a zpomaleného pohybu byl zjištěn nárůst tloušťky mazacího filmu v okamžiku nárůstu hodnoty střední rychlosti a naopak pokles tloušťky filmu při poklesu hodnoty střední rychlosti. Z obr je patrné, že frekvence změny rychlosti má značný vliv zejména na tloušťku mazacího filmu ve fázi zpomalování třecích povrchů. Zároveň byly pozorovány vyšší tloušťky mazacího filmu pro danou rychlost ve fázi zpomalování než ve fázi zvyšování rychlosti třecích povrchů. Tyto výsledky byly později, pro shodné okrajové podmínky, potvrzeny numerickou simulací [11]. Obr Závislost tloušťky mazacího filmu na rychlosti povrchů, a),2 Hz, b) 2 Hz [1]. Pro případ jednosměrného stop start pohybu byl sledován vliv proměnné rychlosti na minimální a centrální tloušťku mazacího filmu v kontaktu. V průběhu experimentu byl v okamžiku zastavení pozorován pokles tloušťky maziva v celém kontaktu, jak je zobrazeno na obr Dalším ze zkoumaných jevů byl vliv recipročního pohybu na mazací film. Bylo zjištěno, že v okamžiku změny smyslu otáčení kontaktních ploch dochází k poklesu tloušťky mazacího filmu v kontaktu. Tento pokles je srovnatelný s poklesem tloušťky filmu u jednosměrného stop start pohybu. Obnovení tloušťky filmu je však podstatně pomalejší. Tento jev autoři vysvětlují náhlou změnou vstupní a výstupní oblasti maziva a náhlým nedostatkem maziva na novém vstupu maziva do kontaktu. Trend vývoje tloušťky mazacího filmu v průběhu experimentu pro dva tipy maziv je uveden na obr Na výše citovanou studii dále navázal v roce 22 Sugimura prací [12], která se mj. detailněji zabývá náhlým zastavením třecích povrchů. Bylo experimentálně prokázáno, že při náhlém zastavení třecích povrchů dochází k poklesu tloušťky mazacího 25

26 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Časová změna rychlosti [1]. Obr Časová změna centr. a min. tloušťky filmu [1]. Obr Časová změna centr. a min. tloušťky filmu; a) PFPEA, u max =4mm s 1 ; b) PFPEZ, u max = 123 mm s 1 [1]. filmu napříč kontaktem. Snižování tloušťky mazacího filmu je možno rozdělit do dvou fází. První fáze je charakteristická rovnoměrným snižováním tloušťky mazacího filmu napříč celým kontaktem. V druhé fázi dochází k ustálení tloušťky mazacího filmu v okrajových částech kontaktu a pokračuje vytlačování maziva ze středu kontaktu. Popsaná situace je názorně zobrazena na obr a obr Další práce, které se zabývaly náhlým zastavením popř. řízeným zpomalením kontaktních ploch, publikovali Glovnea a Spikes [13], [14], [15]. Pro experiment byla jako kontaktní tělesa použita ocelová kulička a skleněný disk. Experimenty byly provedeny pro případ čistého kluzu, při kterém se otáčela pouze ocelová kulička, a za podmínek čistého valení, které byly použity pouze pro případ řízeného snižování Obr Časová změna centr. a min. tloušťky filmu [12]. Obr Časová změna profilu mazacího filmu [12]. 26

27 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ rychlosti kontaktních těles. Vyhodnocení série experimentů ukázalo, že pro případ náhlého zastavení kontaktních ploch dochází v první fázi k náhlému poklesu tloušťky mazacího filmu v celé ploše kontaktu a poté k pozvolnému úbytku maziva z jeho centrální oblasti. Bylo také prokázáno, že hodnota tloušťky mazacího filmu, která se nachází v kontaktu po první fázi úbytku maziva, je nezávislá na počáteční a střední rychlosti třecích povrchů. Pro hodnoty střední rychlosti nižší než, 1m s 1 nebyla pozorována první fáze úbytku maziva, viz obr Nízká rychlost poklesu tloušťky filmu v druhé fázi je zapříčiněna vysokou viskozitou maziva v centrální oblasti kontaktu. Obr Časová změna centr. tloušťky filmu [14]. Obr. 2.3 Časová změna centr. a min. tloušťky filmu [14]. Vyhodnocením série experimentů, zaměřených na řízené snižování hodnoty střední rychlosti povrchů pro případ čistého kluzu, byla zjištěna závislost mezi mírou zpomalení a ustálenou tloušťkou maziva v kontaktu. Výsledky šesti měření pro různé hodnoty zpomalení, které jsou zobrazeny v grafu na obr. 2.31, naznačují, že k ustálení tloušťky mazacího filmu na vyšších hodnotách dochází při vysokých hodnotách zpomalení. Naopak při řízeném zpomalování v rámci delšího časového úseku dochází při pohybu kuličky k vytlačování maziva z kontaktu, a tudíž k ustálení tloušťky maziva na podstatně nižších hodnotách. Pro získání komplexnějšího pohledu na chování maziva při snižování hodnoty střední rychlosti povrchů byly provedeny experimenty i pro podmínky čistého valení. Obr Změna tloušťky filmu čistý kluz [14]. Obr Změna tloušťky filmu čisté valení [14]. 27

28 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Z důvodu vysokého momentu setrvačnosti skleněného disku byly pro experimenty použity pouze nižší hodnoty zpomalení tak, aby byla zajištěna podmínka současného zastavení obou třecích povrchů. Výsledky, zobrazené na obr. 2.32, naznačují obdobné chování, jaké bylo zjištěno za podmínek čistého kluzu. Mnohem komplikovanější model dynamické změny rychlosti pro svůj experiment použili Glovena a Spikes [16] jejichž hlavním cílem byla zjednodušená simulace kontaktu mezi vačkou a zdvihátkem spalovacího motoru. Pro experiment byl použit pouze jeden časově proměnný parametr a to rychlost třecích povrchů. Pro potřeby experimentu byla uvažována vačka, jejíž tvar je popsán polynomem čtvrtého stupně a pro kterou jsou na obr vykresleny hodnoty rychlosti vačky, kontaktního bodu a střední rychlosti povrchů. Bod A označuje místo, kde bok vačky otevírající ventil přichází do kontaktu se zdvihátkem. Bod C označuje okamžik, kdy střední rychlost maziva na vstupu do kontaktu je rovna nule a dále přechází do záporných hodnot. V tomto okamžiku dochází k záměně vstupu a výstupu maziva z popř. do kontaktu. Bod D popisuje kontakt vrcholu vačky se zdvihátkem. Střední rychlost a rychlost jednotlivých prvků experimentálního řetězce použité při experimentu jsou zobrazeny na obr Tyto byly voleny tak, aby v daném měřítku odpovídaly teoretickému průběhu rychlostí z obr V použitém rychlostním profilu se nacházejí dva důležité momenty. Jedním je průchod hodnoty střední rychlosti maziva na vstupu do kontaktu skrze nulovou hranici v bodech C a D. Druhým popisovaným okamžikem je náhlý nárůst a pokles rychlostí simulující styk boku vačky se zdvihátkem. Z obr. 2.35, který zobrazuje teoretickou a experimentálně zjištěnou centrální tloušťku maziva, je patrné, že při prudkém nárůstu rychlosti jsou hodnoty centrální tloušťky filmu o cca 2% vyšší než ty, které byly teoreticky odvozeny s využitím vzorců pro případ stacionárního EHL kontaktu. Zároveň nejvyšší tloušťky mazacího filmu byly pozorovány pro nejvyšší hodnoty střední rychlosti povrchů. V případě bodu C, kdy střední rychlost povrchů prochází nulovou hranicí, byl pozorován náhlý pokles tloušťky mazacího filmu. Zatímco v případě teoretického výpočtu tloušťka mazacího filmu klesá k nule, tak pro obě experimentální pozorování, pro 7 ms a 35 ms cyklus, došlo v tomto okamžiku k ustálení centrální tloušťky mazacího filmu na hodnotě cca 15 nm. Tento jev je možno srovnávat s jevem, který byl pozorován při náhlém zastavení povrchů [12] [15], kdy pro různé hodnoty Obr Ideální průběh rychlostí pro jednu otáčku vačky [16]. Obr Průběhy rychlostí použité při experimentu [16]. 28

29 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ střední rychlosti bylo po náhlém zastavení třecích povrchů, a tedy i pro nulovou hodnotu střední rychlosti povrchů, pozorováno ustálení tloušťky mazacího filmu na nenulové hodnotě. V okamžiku druhého průchodu střední rychlosti přes nulovou hranici v bodě E byla pozorována nejnižší tloušťka mazacího filmu. Trend vývoje tloušťky filmu jasně naznačuje, že v tomto bodě nedochází k dalšímu poklesu, nýbrž k setrvání na hodnotě tloušťky filmu, která byla pozorována v úseku DE. Vysvětlení je opět možno hledat v návaznosti s výsledky pro náhlé zastavení povrchů [12], kde pro nízké hodnoty střední rychlosti povrchů nebyl pozorován náhlý úbytek maziva v kontaktu. Bylo tedy prokázáno, že dynamická změna rychlosti má značný vliv na tloušťku mazacího filmu, avšak v okamžiku průchodu střední rychlosti povrchů nulovou hodnotou nenastává prolomení mazacího filmu, jak předpovídá teoretický model pro stacionární EHD mazání, nýbrž je možno pozorovat jev zachycení maziva v kontaktu, který byl pozorován v případech náhlého zastavení třecích povrchů. Další prací Glovena a Spikes navázali na výzkum chování maziva v případě nulové střední rychlosti povrchů [17]. Pro obvyklou konfiguraci kontaktních povrchů, ocelová kulička a skleněný disk, byly navrženy dva podobné průběhy střední rychlosti povrchů. V prvním případě, který je zobrazen na obr. 2.36, se jednalo o čistý kluz, kde byl skleněný disk fixován a kulička konala rotační vratný pohyb. V druhém případě, který je zobrazen na obr. 2.37, se disk otáčel konstantní rychlostí v jednom směru a otáčky kuličky byly řízeny tak, aby průběh střední rychlosti byl podobný, zrcadlově převrácený, vzhledem k prvnímu případu. Srovnáním numericky a experimentálně zjištěného průběhu centrální tloušťky mazacího filmu lze usuzovat, že v případě naměřených hodnot nedochází k výskytu nejmenší tloušťky mazacího filmu v okamžiku nulové střední rychlosti povrchů, ale v okamžiku, kdy dochází ke změně smyslu otáčení ocelové kuličky. V tomto okamžiku dochází k záměně vstupu a výstupu maziva z popř. do kontaktu a nedostatek maziva ve vstupní oblasti zapříčiní náhlý pokles tloušťky filmu. V případě experimentu s konstantní rychlostí otáčení disku byla zaznamenána jistá nesymetričnost chování mazacího filmu v průběhu cyklu. Nižší tloušťka filmu odpovídá části cyklu, ve které dochází ke snižování hodnoty střední rychlosti povrchů, a vyšší tloušťka odpovídá té části cyklu, při které dochází ke zvyšování hodnoty střední rychlosti povrchů. Práce se zároveň zabývá vlivem změny frekvence zrychlení a zpomalení třecích povrchů na shodu mezi numericky a experimentálně získanými průběhy centrální Obr Střední teoretická a měřená tloušťka maziva, a) 7 ms cyklus, b) 35 ms cyklus [16]. 29

30 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Časová změna rychlosti třecích povrchů a centr. tloušťky mazacího filmu 5 Hz [17]. tloušťky mazacího filmu. Potvrzena byla vysoká míra shody pro případy nízkých frekvencí, kdy nedocházelo k projevu vlivu zachyceného maziva uvnitř kontaktu. Pro vysoké frekvence viz obr a obr je patrný rozdíl mezi naměřenými hodnotami a hodnotami, které byly získány numerickou simulací, právě v důsledku uzavření části maziva o vysoké viskozitě v oblasti kontaktu. Další z prací, kterou publikovali Spikes a Glovnea [18], se zabývá studiem vlivu viskózně-tlakového koeficientu na chování mazacího filmu v EHL kontaktu při časově proměnné rychlosti třecích povrchů. Pro experiment byla jako kontaktní tělesa použita ocelová kulička a safírový disk. Kulička i disk byly řízeny nezávisle, přičemž v čase proměnná byla pouze rychlost kuličky a to s frekvencí 5 Hz a 5 Hz. Experimentálně zkoumány byly dva typy maziv PAO a 5P4E, které mají podobnou závislost viskozity na teplotě, ale odlišnou hodnotu viskózně-tlakového koeficientu. Naměřené hodnoty byly srovnány s hodnotou tloušťky mazacího filmu vypočtenou pro stacionární EHD. V grafech je pak zaznamenán podíl hodnoty naměřené a teoretické vypočtené pro stacionární EHD. Na obr a) je zobrazen průběh střední rychlosti pro frekvenci změny 5 Hz a 5 Hz spolu s podílem tloušťky mazacího filmu, vypočtené dle Hamrock Dowsonových rovnic pro okamžitou hodnotu střední rychlosti vzhledem k tloušťce filmu zjištěné pro stacionární EHD. Pro případ změny s frekvencí 5 Hz je možno pozorovat pouze nepatné odchylky. V případě změny s frekvencí 5 Hz je rozdíl tloušťky mazacího filmu znatelnější, přičemž je patrný nárůst tloušťky filmu ve fázi snižování střední rychlosti. Obr Časová změna rychlosti třecích povrchů a centr. tloušťky mazacího filmu 5 Hz [17]. 3

31 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Při použití oleje PAO, pro případ změny rychlosti s frekvencí 5 Hz, je možno pozorovat mírný pokles tloušťky mazacího filmu v okamžiku zvýšení střední rychlosti a naopak nárůst tloušťky v okamžiku snižování střední rychlosti. Pro frekvenci změny střední rychlosti 5 Hz byl pozorován výrazný pokles naměřené tloušťky filmu vzhledem k hodnotám pro stacionární EHD. Pokles byl pozorován v okamžiku snižování hodnoty střední rychlosti a k návratu na původní hodnotu dochází při zrychlení. V případě maziva 5P4E bylo pozorováno inverzní chování vzhledem k chování maziva PAO. Pro pokles hodnoty střední rychlosti byl pozorován nárůst tloušťky mazacího filmu a v případě nárůstu střední rychlosti byl pozorován pokles tloušťky mazacího filmu. Míra odchýlení hodnot tloušťky filmu od hodnot vypočtených pro stacionární EHD roste se vzrůstající frekvencí změny střední rychlosti viz obr c). Bylo prokázáno, že viskózně-tlakový koeficient má zásadní vliv na tloušťku mazacího filmu za podmínek proměnné střední rychlosti třecích povrchů, zejména pak pro vyšší frekvence změny střední rychlosti. Na výzkum vlivu proměnné střední rychlosti povrchů na tloušťku mazacího filmu navázali svou prací Wang a kol. [19] detailním výzkumem vlivu frekvence změny střední rychlosti povrchů na sílu efektu hladovění, který dále ovlivňuje formování mazacího filmu uvnitř EHL kontaktu. Práce zároveň poskytuje srovnání experimentálních výsledků s numerickým řešením. Měření bylo provedeno pro dvě frekvence změny střední rychlosti 7,78 Hz a 14,4 Hz. Experiment byl realizován za podmínek čistého valení. Z obr je zřejmé, že zvyšující se frekvence změny rychlosti má vliv na tloušťku mazacího filmu, která roste se vzrůstající frekvencí. Pro vyšší hodnoty frekvence změny otáčení byl pozorován výraznější projev hladovění, jehož následkem je náhlý pokles tloušťky mazacího filmu na vstupu do kontaktu v okamžiku reverzace. Obrázek, mimo rozložení tlaku v cen- Obr Vliv proměnné střední rychlosti povrchů na tloušťku mazacího filmu, a) stacionární EHD, b) mazivo PAO, c) mazivo 5P4E [18]. 31

32 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ trální rovině ve směru valení, také podává informaci o míře shody mezi výsledky získanými numerickou simulací, jak pro matematický model s popř. bez uvažování efektu hladovění, a výsledky, které byly získány vyhodnocením experimentálního měření. Je patrné, že použitý matematický model je, pro dané okrajové podmínky, schopen spolehlivě predikovat vývoj tloušťky mazacího filmu. V roce 28 publikovali Venner a Hagmeijer výsledky svého výzkumu [2], jenž přímo navazoval na práci publikovanou Spikesem a Glovneaou [18]. Snahou bylo navázat na předchozí experimentální výzkum s cílem ověřit použitelnost numerických metod pro predikci chování mazacího filmu v EHL kontaktu v případě proměnné střední rychlosti pro maziva s různou hodnotou viskózně-tlakového koeficientu. Bylo zjištěno, že pro maziva s nízkou hodnotou viskózně-tlakového koeficientu, příklad maziva PAO, lze navrhovaný numerický model použít k přesné predikci chování maziva. Pro oleje s vysokým viskózně-tlakovým koeficientem, ve studii reprezentované 5P4E, nestačí k popisu maziva pouze viskozita, hustota a viskózně-tlakový koeficient. Zahrnutím nenewtonského modelu maziva se podařilo autorům potlačit rozdíl mezi experimentálními a numerickými výsledky pro shodné okrajové podmínky. 2.3 Studium EHD mazaných kontaktů při simulaci kontaktu vačky a zdvihátka Kontakt vačky a zdvihátka, který je možno pozorovat např. u spalovacích motorů, je často označován jako komplexní příklad EHD mazání, kde v průběhu jednoho pracovního cyklu dochází spojitě ke změně všech tří základních provozních parametrů jako jsou rychlost, zatížení a poloměr křivosti stýkajících se ploch. Snahou výzkumu v oblasti mazání vačkového mechanismu, konkrétně kontaktu vačky a zdvihátka, je snížení výkonových ztrát a zároveň snížení opotřebení povrchu součástí v kontaktu. První práce zabývající se výše zmíněnou problematikou popisují vývoj tloušťky mazacího filmu spolu s kontaktním tlakem v průběhu jednoho pracovního cyklu. Práce, kterou publikoval Hamilton [21], je zaměřena na experimentální výzkum a pro určení Obr Srovnání profilů mazacího filmu a) 7,78 Hz, b) 14,4 Hz [19]. 32

33 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ tloušťky mazacího filmu využívá kapacitní metodu. Použitá experimentální aparatura je zobrazena na obr Kontaktními tělesa tvoří vačka, jejíž profil je tvořen oblouky kružnic, a upravené zdvihátko, pro které byla, z hlediska zjednodušení experimentu, zamezena rotace kolem svislé osy. Naměřené hodnoty z kapacitního snímače pro jednotlivé polohy vačky jsou zobrazeny na obr Závislost tloušťky mazacího filmu na úhlu natočení vačky, pro jednotlivé úrovně otáček vačkové hřídele, je zobrazena na obr. 2.42, kde nulový úhel označuje kontakt vrcholu vačky se zdvihátkem. Z obrázku je patné, že největší tloušťky mazacího filmu byly pozorovány v okamžiku kontaktu boku vačky se zdvihátkem, tedy v okamžiku, kdy střední rychlost povrchů dosahuje své maximální hodnoty. Naopak minimální tloušťky mazacího filmu byly pozorovány v okamžiku kontaktu vrcholu vačky se zdvihátkem. Zkoumána byla také závislost tloušťky mazacího filmu na rychlosti otáčení vačkové hřídele pro dvě odlišné hladiny zatížení. Výsledky měření jsou shrnuty na obr Z obrázku je patrné, že v průběhu pracovního cyklu byla ve většině případů pozorována větší tloušťka mazacího filmu na boku vačky, který zajišťuje otevření ventilu. Návrat k původní myšlence studia výkonových ztrát na rozhraní kontaktu vačky a zdvihátka prezentovali ve svých pracích Dowson a kol. [22], [23]. První z prací je členěna do dvou částí. Úvodní díl popisuje kinematiku řešeného uzlu spolu s výpočtovou analýzou, která je zaměřena na stanovení závislosti veličin tlaku, zatížení, rychlosti kontaktního bodu a tloušťky mazacího filmu na úhlu natočení vačky pro dané okrajové podmínky. Výsledky numerického řešení vykazují vysokou míru shody s experimentálním měřením publikovaným Hamiltonem [21] a za kritickou fázi provozního cyklu je označen kontakt vrcholu vačky s plochou zdvihátka. Jedná se o úsek cyklu se zápornou hodnotou střední rychlosti, pro který byla zjištěna nejmenší tloušťka mazacího filmu. Situaci dokumentuje obr Práce zároveň prostřednictvím tabulek obecně sumuje znalosti získané analýzou vačkového mechanismu a popisuje vliv změny jednotlivých provozních parametrů na minimální tloušťku filmu, maximální Hertzův tlak a výkonové ztráty. Obr. 2.4 Schéma experimentální aparatury [21]. Obr Záznam výstupního signálu z kapacitního snímače [21]. 33

34 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Závislost tl. filmu na úhlu natočení vačky [21]. Obr Závislost tl. filmu na rychlosti a zatížení [21]. Experimentální část práce je zaměřena na zhodnocení výkonových ztrát v závislosti na frekvenci otáčení vačkové hřídele. Autoři použili experimentální zařízení zobrazené na obr. 2.45, jehož součástí je vačka, jejíž geometrii leze popsat polynomem čtvrtého stupně, a ploché zdvihátko. Dle grafu na obr lze pozorovat shodu mezi numericky určenou a experimentálně naměřenou hodnotou výkonové ztráty. Bylo prokázáno, že s narůstajícími otáčkami vačkového hřídele narůstá i ztrátový výkon. Na experimentální výzkum dále navázali van Leeuwen a kol. [24] svou prací, která zkoumá průběh změny tloušťky mazacího filmu a teploty kontaktních ploch v průběhu operačního cyklu. Pro výzkum bylo použito experimentální zařízení zobrazené na obr Změny pozorovaných veličin byly sledovány pomocí snímačů napařených na ploše zdvihátka. V důsledku zpřesnění měření byla plocha zdvihátka snímána zvlášť pro pravou a pro levou část kontaktu viz obr Vyhodnocené výsledky změny tloušťky mazacího filmu v průběhu jednotlivých cyklů jsou zobrazeny na obr Z obrázku je patrná disproporce rozložení mazacího filmu v pravé a levé části kontaktu. Tento jev byl autory vysvětlen jako důsledek odchylky slícování vačky a zdvihátka v řádu 1 4 rad, která zapříčinila změnu tvaru kontaktu a zároveň rozložení zatížení. Dvojitý pokles tloušťky mazacího filmu byl pozorován v okamžiku přechodu kontaktního bodu z boku vačky na její vrchol. Zároveň bylo Obr Numerická analýza, a) závislost střední rychlosti, b) závislost tloušťky mazacího filmu [22]. 34

35 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Konstrukce experimentální aparatury [22]. Obr Závislost výkonové ztráty na rychlosti [22]. zjištěno, že s narůstajícím zatížením kontaktu dochází pouze ke snižování minimální tloušťky mazacího filmu. Pro jednotlivé pozice snímačů byla zaznamenána změna teploty na povrchu zdvihátka. Z obr. 2.5 je patrné, že průběh změny teploty má stejný trend pro pravou i levou část kontaktu. Maximální pozorovaná změna teploty pro danou pozici na ploše zdvihátka byla 14,5 C. Další navazující práce zabývající se problematikou kontaktu vačky a zdvihátka jsou převážně zaměřeny na numerické řešení daného problému. Bylo prokázáno, že kvazistatická analýza není vhodná pro kompletní popis chování maziva v kontaktu vačky a zdvihátka [25]. Tato totiž neuvažuje efekt vtlačeného filmu a předpokládá pokles tloušťky mazacího filmu na nulu v okamžiku, kdy je střední rychlost povrchů rovna nule. Z tohoto důvodu Dowson a kol. představili tranzientní analýzu, která uvažuje i efekt vtlačeného filmu a jejíž výsledky podstatně lépe odpovídají experimentálně zjištěným hodnotám. Zároveň bylo demonstrováno, že nejmenší tloušťka mazacího filmu se vyskytuje v kontaktu v okamžiku druhého průchodu střední rychlosti povrchů skrze nulovou hodnotu. Využitím tranzientní analýzy a numerického Obr Experimentální aparatura, 1) vačkový hřídel, 2) zdvihátko, 3) hydrostatické ložisko, 4) snímač zatížení [24]. Obr Umístění snímačů na ploše zdvihátka [24]. 35

36 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Změna tl. mazacího filmu [24]. Obr. 2.5 Změna teploty plochy zdvihátka pro polohu snímače 3,8 mm pod středovou rovinou [24]. přístupu pro stacionární EHD mazání bylo popsáno chování minimální tloušťky mazacího filmu pro případ kontaktu vačky a ventilového vahadla [26]. Vyšší hodnoty minimální tloušťky maziva byly pozorovány pro případ ventilového vahadla, kde jako kontaktní plocha slouží vnější kroužek valivého ložiska. Další model tranzientní elastohydrodynamické analýzy, umožňující řešit kontakt vačky a zdvihátka, představili Messé a Lubrecht [27]. Tato analýza využívá multi-grid, multi-level a multiintegration techniky pro snížení časové náročnosti výpočtu. Profil mazacího filmu zobrazený na obr prezentuje schopnost navržené metody řešit i kritická místa cyklu, které odpovídají průchodu hodnoty střední rychlostí povrchů skrze nulovou hranici. Vedle prací, zabývajících se vlivem provozních podmínek na mazání, tření a opotřebení vačkového mechanismu, byly publikovány také práce, jež především sledovaly chování mazacího filmu pro různé tvary a drsnosti povrchu kontaktních těles [28], [29], [3]. Mimo studií, které jsou přímo zaměřeny na výzkum chování maziva, byly také publikovány práce zabývající se návrhem vhodné experimentální aparatury, která by umožňovala přímé pozorování kontaktu vačky a zdvihátka [31]. Dle současných měřítek je nejvhodnější, a zároveň nejrozšířenější metodou používanou pro přímé pozorování a popis chování mazacího filmu v EHD kontaktu, optická interferometrie. Obr Změna tl. mazacího filmu, a) zobrazení cyklu pro jednu otáčku vačkové hřídele, b) detail pozice 1 pro okamžik nulové střední rychlosti povrchů [27]. 36

37 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Využitím této metody jsou na navrhované zařízení kladeny omezující podmínky, které zajišťují nepřetržité snímání kontaktní oblasti, jejíž poloha se v průběhu cyklu mění ve dvou osách, spolu s požadavkem na redukci vlivu setrvačných sil, vyvozených např. pohybujícími se hmotami mikroskopu a vysokorychlostní kamery, na samotný experiment. Práce popisuje hlavní dva konstrukční návrhy, které uvažují rozdílné uložení kontaktních těles. První navrhovaná varianta předpokládá pouze otočné umístění vačkového hřídele. Vzhledem k pohybu kontaktní oblasti ve dvou osách, viz obr. 2.52, bylo navrženo zařízení s dvěma vačkami shodného tvaru, přičemž první vačka bude použita jako kontaktní těleso a druhá vačka byla navržena pro řízení vertikální polohy kamery. Navrhovaná varianta, zobrazená na obr. 2.53, uvažuje s dvěma variantami kontaktních těles. Ocelová vačka a skleněný disk budou sloužit k pozorování změn tloušťky mazacího filmu, zatímco kontakt ocelové vačky a ocelového disku bude sloužit k výzkumu tření a opotřebení. Nevýhodou navrhované varianty jsou příliš velké setrvačné síly vyvolané vertikálním pohybem snímacího zařízení, a tyto by měly za následek vznik parazitních vibrací, které mohou ovlivnit průběh měření. Obr Změna polohy kontaktního bodu [31]. Obr Varianta č.1 [31]. Druhá z navrhovaných variant uvažuje otočné a zároveň posuvné uložení vačkového hřídele. Snahou tohoto konceptu je omezit pohyb kontaktní plochy ve vertikální rovině a tím vyloučit pohyb mikroskopu a snímací techniky. Navržené zařízení umožňuje změnu materiálu kontaktní plochy, která simuluje plochu zdvihátka za účelem studia mazacího filmu popř. míry opotřebení a energetických ztrát. Snímání provozního zatížení je realizováno snímači, které jsou uloženy pod komorou s kontaktními tělesy (obr. 2.54). Nevýhodou navrhovaného řešení je v principu jiné chování mechanismu v porovnání s vačkovým mechanismem používaným u spalovacích motorů, kde rotační pohyb vykonává vačková hřídel a zdvihátko vykonává posuvně rotační pohyb. Zároveň setrvačný pohyb ramene se závažím může změnit navržené schéma zatížení, zvláště pak při vyšších otáčkách vačkového hřídele. Na výše citovanou práci navázali Vela a kol. [32] experimentálním výzkumem kontaktu mezi vačkou a zdvihátkem za použití modifikované druhé varianty experimentálního zařízení z obr Práce je zaměřena na ověření funkčnosti navr 37