ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ. V Brně dne..

Transkript

1 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně, za použití uvedené literatury, pod odborným vedením pana doc.ing. Ivana Křupky, Ph.D. V Brně dne..

2 PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svému vedoucímu práce panu doc. Ing. Ivanu Křupkovi, Ph.D. za cenné rady a odborné vedení. Dále bych chtěl poděkovat všem, kteří se podíleli na mé diplomové práci a pomohli mi s její realizací.

3 ANOTACE Diplomová práce se zabývá posouzením vlivu cílené modifikace topografie třecích povrchů u nekonformně zakřivených těles. Byly uskutečněny experimenty zohledňující hloubku vtisků a odladěn postup přípravy vzorků a vytváření vtisků na jejich površích i postup při realizaci vlastních měření únavového poškozování třecích povrchů. Ze získaných výsledků lze usuzovat, že vhodně navržená textura cílené modifikace topografie třecích povrchů nemusí nutně způsobit zvýšené riziko únavové poškození třecích povrchů. ANOTATION Diploma thesis describes a study of influence of surface texturing on non-conformal curved solids. Experiments reflecting the micro-dent depth have been realized. Procedure of sample preparation had been proved. Procedure of creation of micro-dents on sample surfaces has also been determined and proved, as well as process of realization of inherent measurements. From gained results we can decide, that suitably designed texture of surface texturing should not necessarily evoke the risk for fatigue failure of surfaces in contact. KLÍČOVÁ SLOVA Cílená modifikace topografie, kontaktní únava, EHD mazání KEY WORDS Surface texturing, contact fatigue, EHD lubrication BIBLIOGRAFICKÁ CITACE: ŠAMÁNEK, O. Vliv povrchových nerovností na funkci mazaných kontaktů strojních částí. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Ivan Křupka, Ph.D.

4 OBSAH ÚVOD Režimy mazání Mezné mazání Smíšené mazání Elastohydrodynamické mazání Hydrodynamické mazání Cílená modifikace topografie třecích povrchů Konformní povrchy Modifikace topografie s využitím laseru (LST) Nekonformní povrchy Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Experimentální zařízení Návrh upínacího přípravku Návrh leštícího přípravku a postup leštění Výpočet kontaktu disk vzorek (hřídel) Parametry kontaktních prvků Výpočet Model vtisku mikrodůlků pomocí mkp Parametry výpočtu Popis výsledků Experimentální studium kontaktní únavy Postup měření geometrie vtisku Vliv geometrie vtisku na kontaktní únavu třecího povrchu...38 ZÁVĚR...42 Seznam použitých zdrojů...43 Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin...46 Seznam obrázků a grafů...47 Seznam tabulek...48 Seznam příloh...49 Seznam Výkresové kokumentace

5 ÚVOD ÚVOD Funkce mazaných kontaktů u strojních součástí (valivých ložisek, ozubených kol a pod.) je značně ovlivňována provozními podmínkami. Jedním z důležitých faktorů je topografie třecích povrchů. Třecí povrchy nejsou ideálně hladké, ale obsahují povrchové nerovnosti, nejen jako důsledek dokončovacích metod obrábění (mikro-nerovnosti), ale i opotřebení vznikající za provozu součástí (makronerovnosti). V současné době lze rozlišit dva přístupy ke zkoumání vlivu makronerovností na funkci a životnost součástí. Prvním je studium chování defektů na třecím povrchu součásti, vzniklých například v důsledku kontaminace maziva tuhými částicemi [1]. Druhým přístupem je cílená modifikace topografie třecích povrchů a její přínos ke snížení tření a opotřebení součásti. Tomuto tématu se věnuje i tato diplomová práce. Cílenou modifikací lze rozumět vytvoření požadované textury na třecím povrchu. Povrchy některých strojních součástí jsou opatřovány soustavou důlků, které mají pozitivní vliv na utváření mazacího filmu. Přítomnost textury v mazaném kontaktu však také významně ovlivňuje rozložení tlaku v mazacím filmu. Proto je nutné při studiu cílené modifikace topografie třecích povrchů zohlednit i její vliv na únavové poškozování třecích povrchů. Cílem práce je posoudit vliv povrchových nerovností na vlastnosti a funkci kontaktů strojních částí, tj. vliv cílené modifikace topografie na únavové poškozování třecích povrchů. To předpokládá navržení postupu přípravy vzorků pro studium tohoto poškozování a vlastní realizaci experimentů s vyhodnocením získaných poznatků. 12

6 Režimy mazání 1 REŽIMY MAZÁNÍ 1 Mazání má zásadní vliv na trvanlivost valivého kontaktu. Mazivem pak nazýváme látku, která plně odděluje třecí povrchy a výrazně tak napomáhá snížit tření a opotřebení. V závislosti na materiálu a geometrii třecích povrchů, vlastnostech maziva a provozních podmínkách můžeme rozlišit čtyři základní režimy mazání (Obr.1): 1. Mezné mazání 2. Smíšené mazání 3. Elastohydrodynamické mazání 4. Hydrodynamické mazání Obr.1: Závislost součinitele tření f na parametru mazání [2] Životnost třecích povrchů nezávisí pouze na tloušťce mazacího filmu, ale i na jejím poměru k redukované drsnosti třecích povrchů [3]. Toto lze vyjádřit pomocí parametru mazání Λ. Rovněž počet kontaktů mezi povrchovými nerovnostmi závisí na tomto parametru, který je dán vztahem: Λ = h R min red = R h 2 a1 min + R 2 a2 13

7 Režimy mazání kde h min je minimální tloušťka mazacího filmu, R red je redukovaná drsnost třecích povrchů a R a1 a R a2 jsou střední aritmetické úchylky profilů třecích povrchů. Orientační hodnoty parametru mazání pro jednotlivé mazací režimy jsou uvedeny v tab.1. Tab.1: Hodnoty parametru mazání [3] Režim mazání Parametr mazání Mezné <1 Smíšené 1 3 Elastohydrodynamické 3 10 Hydrodynamické Mezné mazání Třecí povrchy se při tomto typu mazání nacházejí v bezprostřední blízkosti. Dochází tedy k jejich vzájemné interakci (Obr.2). Vzniká v podmínkách, které nedovolí utvoření kapalinové vrstvy. Je-li přívod maziva nedostatečný nebo kapalinná vrstva nedostatečně únosná, dojde k takovému přiblížení těles, že jejich vzájemnému styku brání jen mezná vrstva maziva. Velikost třecí síly je závislá nejen na vlastnostech maziva, ale též na druhu materiálu a drsnosti povrchu těles v místech tření. Zatížení není přenášeno hydrodynamickým působením mazacího filmu, ale prostřednictvím velmi tenkého mezného filmu [4]. Při tomto druhu mazání dochází k poměrně značnému opotřebení třecích povrchů. Obr.2: Mezné mazání [5] Smíšené mazání Je založeno na utváření tenkého nesouvislého mazacího filmu. Jedná se o přechod mezi hydrodynamickým a mezným mazáním. Tento režim mazání rovněž plně neodděluje třecí povrchy, takže dochází k jejich vzájemné interakci. K tomuto druhu mazání dochází zejména při malých rychlostech třecích povrchů, změnách jejich pohybu a při velkém zatížení. Zatížení třecích povrchů je přenášeno částečně interakcí jejich drsností a částečně hydrodynamickým působením mazacího filmu [4]. 14

8 Režimy mazání 1.3 Elastohydrodynamické mazání 1.3 Elastohydrodymanické mazání je typ mazání, který nastává během deformace nekonformních povrchů. Při jejich vysokém zatížení. Tento režim se nachází na rozmezí mezi hydrodynamickým a smíšeným mazáním (Obr.1). Vysoké zatížení, které je přenášeno malou plochou, jako je například mezi kuličkou a kroužkem valivého ložiska, způsobuje zvýšení viskozity maziva, které zachyceno mezi lehce deformované protilehlé povrchy. Velikost elastických deformací povrchů je řádově stejně velká jako tloušťka hydrodynamického mazacího filmu [4]. Tento druh mazání lze rozdělit na mazání souvislým elastohydrodynamickým mazacím filmem (EHD) a na mazání nesouvislým elastohydrodynamickým mazacím filmem [4]. Tomuto typu mazání odpovídá experiment na zařízení R-Mat. 1.4 Hydrodynamické mazání 1.4 Hydrodynamické mazání založeno na vytvoření tlustého mazacího filmu s určitým geometrickým profilem (obvykle tvaru klínu Obr.3). Tloušťka mazacího filmu je závislá na relativním pohybu třecích povrchů. Třecí povrchy jsou plně odděleny mazacím filmem a nedochází proto k jejich vzájemné interakci. Chování tohoto filmu určují vlastnosti maziva (viskozita) a relativní rychlost třecích povrchů. Nedochází zde k výrazným deformacím třecích povrchů. Tvar mazacího filmu lze určit řešením Reynoldsovy rovnice [4]. Obr.3: Princip hydrodynamického mazání [6] 15

9 Cílená modifikace třecích povrchů 2 2 CÍLENÁ MODIFIKACE TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ Výše uvedený popis jednotlivých režimů mazání se věnoval jejich základní charakteristice při ustálených podmínkách. Za těchto podmínek je optimálním mazacím režimem hydrodynamické nebo EHD mazání. Tento druh mazání ale není vždy dosažitelný. Změna provozních podmínek totiž může vést k nárůstu opotřebení. Například snižováním rychlosti třecích povrchů nebo zvyšováním jejich zatížení. To znamená, že i při ustálených podmínkách může dojít k nedostatečnému mazání (např. ložisko se nepohybuje za dostatečných otáček, potřebných k tomu aby se vytvořil dostatečný mazací film). Tím pádem sice vzniká EHD film ale dochází i k mazání smíšenému, posléze meznému. EHD, smíšené i mezné mazání závisí na rychlosti třecích povrchů a zatížení, tj. při stejných podmínkách při snižování rychlosti dochází ke ztenčování mazacího filmu. Nejprve dochází k plnému EHD mazání, poté ke styku částí povrchů (smíšené mazání), a posléze k mazání meznému prakticky celé třecí povrchy jsou v kontaktu. Na druhé straně se může vyskytnout nedostatečné mazání, pak nastává tzv. hladovění. Režim hladovění se týká neustálených provozních podmínek. Tento pojem popisuje nedostatečné mazání. To znamená, že mazivo se nenachází v kontaktu, který má být mazán. Přestože je dostatečná rychlost, tak mazivo tam není nebo je jeho množství nedostatečné a tím pádem může dojít ke kolapsu mazacího filmu. Tento jev může nastat například při rozběhu nebo reversibilním pohybu součástí. Existuje řada způsobů, jak snížit tření a opotřebení a napomoci celkovému mazání třecích povrchů součástí. Lze například obohatit mazivo speciálními přísadami nebo opatřit třecí povrchy různými povlaky a přísadami vytvářejícími tenké mazací (mezné) filmy. Jednou z moderních metod úpravy povrchu pomocí vytváření vrstev je například nanášení speciálních povlaků pomocí nástřiku plazmovým proudem (sprejem). Tato technologie (Obr.4) je schopna produkovat řadu rozdílných povrchových struktur a vrstev. Ale je určena především ke zlepšení celkových vlastností součástí. Obr.4: Princip metody plazmového nanášení povlaků [8] Další z možných variant jak napomoci zlepšení z hlediska mazání, snížení tření a opotřebení je cílená modifikace topografie třecích povrchů, které se věnuje tato diplomová práce. 16

10 Cílená modifikace topografie třecích povrchů Cílenou modifikací topografie rozumíme vytváření mikrodůlků na třecích površích. Napomáhá ke zlepšení mazání a snížení tření a opotřebení třecích povrchů. Mikrodůlky mají (mimo jiné) funkci posunout mazací režim o stupeň výš (na vyšší mazací režim). Například při režimu hladovění, kapsy s mazivem napomáhají při utváření mazacího filmu při rozběhu součásti. Mazivo je uchováváno uvnitř těchto kapes a rozběhem je transportováno do mazaného kontaktu. Tyto mikrodůlky tak napomáhají v podmínkách, kdy není dostatek maziva při přivádění nebo za rozběhu či reversibilního pohybu. Modifikace povrchů jako usnadnění tribologických vlastností je známá již řadu let. Základní výzkum na různých formách a typech povrchové úpravy pro tribologické aplikace je prováděna v několika výzkumných skupinách po celém světě pomocí různých texturovacích technik. Tyto techniky zahrnují například texturování za pomoci obrábění, úpravu povrchu pomocí proudu iontů nebo modifikaci povrchu laserovým paprskem. Téměř všechny tyto práce jsou zaměřeny na modifikaci povrchů pomocí mikrodůlků k napomáhání mazání strojních součástí [8]. Hlavním cílem metody cílené modifikace topografie je určitým způsobem vytvořit soustavu mikrodůlků na třecích površích. Obecně se dá metoda rozlišit na cílenou modifikaci topografie konformních povrchů a nekonformních povrchů. 2.1 Konformní povrchy 2.1 Konformní povrchy jsou takové, které se dotýkají na poměrně velké ploše. Jejich zatížení bývají převážně malá. Příkladem těchto povrchů jsou například kluzná ložiska. U konformních povrchů nastává převážně hydrodynamické mazání, ale se změnou provozních podmínek může docházet i ke smíšenému až meznému mazání. V současné době existuje řada metod cílené modifikace topografie u konformních povrchů. Jednou z hlavních je například modifikace topografie třecích povrchů s využitím laseru (LST z anglického Laser Surface Texturing) Modifikace topografie s využitím laseru (LST) Modifikace topografie třecích povrchů s využitím laseru (LST) je v současné době velmi efektivní metodou pro zlepšení tribologického procesu z hlediska mazání strojních součástí. Tato technologie je již přes 10 let využívanou metodou v oblasti magnetického průmyslu [9] hlavně při prevenci zadírání při rozběhu. Velká část práce na LST technologii byla provedena v Německu a započala zhruba před 10 lety. Většina německých publikací, týkajících se modifikace povrchu laserem však není citována ani uváděna v anglicky psaných článcích. Několik vyjímek tvoří články skupiny vedené M. Geigerem na University of Erlangen-Nuremberg [8,10]. Tato skupina prováděla modifikaci topografie laserem pomocí prosvícení masky s požadovanou texturou. Touto metodou dospěli ke zvýšení celkové životnosti součástí [8]. Další články byly věnovány studiu LST technologií za použití různých typu laserů (např. CO 2 laser, YAG laser). Studiem a experimenty [11] s LST technologiemi se od roku 1996 zabývá rovněž společnost SurfTech. V technologii společnosti SurfTech je využit laserový paprsek k vytvoření tisíců mikrodůlků na povrchu součásti. Pozice mikrodůlků je předem přesně stanovena 17

11 Cílená modifikace topografie třecích povrchů (Obr.7). Tyto mikrodůlky vytvářejí hydrodynamický tlak mezi mazanými třecími povrchy. Společnost SurfTech provedla experiment s laserovou modifikací povrchu pro zvýšení výkonu mechanických kroužků [11]. Pomocí modifikace topografie třecího povrchu kroužku se podařilo výrazně snížit kroutící moment, teplotu interagujícího povrchu kroužku a jeho opotřebení. Jak můžeme vidět na obr.5, LST technologie byla aplikována na spodní kroužek. Při experimentu vrchní kroužek rotoval, zatímco axiálně zatížený spodní kroužek se nepohyboval. Použitý vzorek lze vidět na obr.6 před aplikací LST technologie a s již aplikovanou LST technologií. Na obr.5 je hydrodynamický tlak obsažený v mikrodůlcích reprezentován pomocí svislých (žlutých) šipek. Tento tlak působí proti vnějšímu zatížení a zabraňuje kontaktu třecích povrchů kroužků. Obr.5: Princip pokusu společnosti SurfTech [8,11] Technika a základní výzkum LST technologie od mezného až po hydrodynamický režim mazání konformních povrchů byly provedeny v Argonne National Laboratory v USA [12]. Měření bylo provedeno měřením tření na válcovém konformním styku. 18

12 Cílená modifikace topografie třecích povrchů LST technologie byla použita pro rozšíření rozsahu hydrodynamického mazacího režimu, dále pak pro snížení součinitele tření při stejných provozních podmínkách ve srovnání s netexturovanými povrchy. Zajímavých výsledků dosáhla společnost SurfTech s modifikací jednoho nebo obou třecích povrchů. Při modifikaci jednoho z třecích povrchů (Obr.5), bylo dosaženo snížení tření až o 40 % oproti netexturovaným povrchům. Naproti tomu modifikací obou třecích povrchů se tření zvýšilo o 100% oproti původním nemodifikovaným povrchům [8,13]. Obr.6: Vzorek před a po aplikaci LST technologie [11] Příklad velikosti a uspořádání mikrodůlků při aplikacích LST technologie je na obr.7 a 8 a v tab.2. Rozměry mikrodůlků samozřejmě závisí na velikosti posuzované součásti a na zařízení na kterém je tato technologie aplikována. 19

13 Cílená modifikace topografie třecích povrchů Obr.7: Rozmístění mikrodůlků při LST technologii [11] Tab.2: Rozměry mikrodůlků při aplikaci LST technologie [14] Parametr Standardní LST Hloubka (µm) Drsnost mezi jednotl. mikrodůlky Průměr (µm) Vzdálenost mezi mikrodůlky (µm) LST se zvýšenou hustotou mikrodůlků Standardní LST - neleštěná LST se sníženou hustotou mikrodůlků 5,5 5 6,5 4 0,03 0,06 0,07 0,

14 Cílená modifikace topografie třecích povrchů Obr.8: Umístění mikrodůlků při různých LST technologiích [14] 2.2 Nekonformní povrchy 2.2 Nekonformní povrchy mají vzájemnou dotykovou plochu velmi malou. Zatížení přenášená těmito povrchy bývají velká, je tedy zřejmé, že se zvyšováním zatížení vzrůstá i kontaktní plocha [15]. Příkladem těchto povrchů jsou například valivá ložiska. Při mazání nekonformních povrchů je optimálním mazacím režimem oblast elastohydrodynamického mazání při co nejnižším součiniteli tření, kdy jsou třecí povrchy odděleny souvislým mazacím filmem. Studium vlivu textury povrchu na funkci mazaného kontaktu nekonformně zakřivených těles je většinou založeno na předpokladu, že tvar textury ve formě mikrodůlků vytváří mikrokapsy podporující mazání třecích povrchů. M. Dumont a kol. [16] popsali chování povrchů s modifikovanou topografií za podmínek nedostatečného mazání a ukázali, že zvolený postup má pozitivní vliv na životnost třecích povrchů. J. Zhao a F. Sadeghi [17] studovali vliv mikrostruktur na mazaný kontakt při rozběhu třecích povrchů, tj. za podmínek, kdy ještě není v kontaktu vytvořen souvislý mazací film. Zjistili, že mikrostruktury vytvářejí mikrozásobníky maziva, které je do kontaktu dodáváno v kritických fázích provozu strojních částí. 21

15 Cílená modifikace topografie třecích povrchů Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na tloušťku mazacího filmu je studován i na Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. V rámci experimentů je stanovována tloušťka mazacího filmu v okolí vtisků. Na obr.9 je uveden příklad chromatického interferogramu a odpovídající průběh tloušťky mazacího filmu za podmínek čistého valení. Z obrázku je zřejmý vliv vtisku na tvar mazacího filmu. Na obr.10 jsou uvedeny obdobné výsledky pro případ prokluzu třecích povrchů. Obr.9: Chromatický interferogram a tloušťka mazacího filmu bez prokluzu [18] Obr.10: Chromatický interferogram a tloušťka mazacího filmu s prokluzem [18] Z obr.10 je zřejmé, že v místě vtisku dochází ke znatelnému nárůstu tloušťky mazacího filmu. V oblasti za vtiskem však tloušťka filmu i klesá. Z obr.11 je patrné, že se zvyšováním hloubky vtisku dochází k navyšování místního poklesu tloušťky filmu. Tzn. čím více zvyšujeme hloubku vtisku, tím se snižuje minimální tloušťka mazacího filmu. 22

16 Cílená modifikace topografie třecích povrchů 60 místní pokles tloušťky, nm Σ = 0 Σ = hloubka vtisku, nm Obr.11: Závislost hloubky vtisku na místním poklesu tloušťky filmu [18] Této problematice se věnuje i Mourier [19], který studoval vliv vtisku na tloušťku mazacího filmu a dospěl v podstatě ke stejným výsledkům. Mimoto je z jeho výsledků numerické simulace zřejmé, že se zvyšující se hloubkou vtisku roste tlaková špička (Obr.12). Obr.12: Tlakové špičky při různých hloubkách vtisku [19] S nárůstem tlaku v mazaném kontaktu je spojen i nárůst podpovrchového napětí a zvýšené nebezpečí únavového poškození třecích povrchů. Experimentálním studiem vlivu vtisku a jeho působení na EHD kontakt se mimo jiné zabývali F. Ville a D. Nelias [20], kteří posuzovali vliv kontaminovaného maziva na opotřebení mechanismu, způsobené kontaktní únavou. Předchozí studie těchto procesů vedly ke snaze popsat vliv vtisku a jeho vlastností v procesu valivé kontaktní únavy. K posuzování používali dvou-diskový stroj (Obr.13), v němž ke kontaktu dochází mezi dvěma navzájem se odvalujícími disky. Na obr.14 je uveden příklad únavového poškození třecího povrchu u vtisku o průměru 250 µm. Je zřejmé, že přítomnost vtisku v mazaném kontaktu může vést k dramatickému poškození třecích povrchů. Vzhledem k tomu, že by obdobné důsledky mohla mít i cílená modifikace třecích povrchů, je na tuto problematiku zaměřena tato diplomová práce. 23

17 Cílená modifikace topografie třecích povrchů Obr.13: Model experimentálního zařízení [21] Obr.14: Tvar vtisku před a po experimentu [21] 24

18 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu 3 VLIV CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ NA KONTAKTNÍ ÚNAVU 3 Jedním z hlavních problémů experimentálního studia kontaktní únavy na přirozeně poškozených površích je fakt, že se poškození s každým měřením podstatně mění [22]. Ačkoli je možné kontrolovat počet generovaných vtisků, jejich pozice a tvar se neustále mění. To znamená, že není jednotná pro všechny vtisky. Toto je také hlavním důvodem proč jsou preferovány vtisky umělé. U těchto je možné kontrolovat jejich počet, tvar i pozici. Zároveň nám to poskytuje provést studii únavového života a určit vztah mezi geometrií vtisku a provozními podmínkami. Jak již bylo uvedeno výše, cílem diplomové práce bylo uskutečnit experimenty zaměřené na studium únavového poškozování třecích povrchů zohledňující cíleně modifikovanou topografii třecích povrchů. To předpokládalo posoudit vliv vtisků o různé hloubce a výsledky porovnat s experimenty zaměřenými na studium změn v tloušťce mazacího filmu. Proto bylo nezbytné navrhnout přípravky pro zhotovení vtisků na zkušebních vzorcích a pro dolešťování vzorků. Dále byla spočítána velikost kontaktní oblasti pro případ experimentálního zařízení R-Mat, aby bylo možné zohlednit velikost vtisku k velikosti kontaktní oblasti. Mimo to bylo rovněž provedeno numerické modelování vytváření vtisků do ocelové kuličky, aby bylo možné stanovit zatížení potřebné pro získání vtisku o požadované hloubce. 3.1 Experimentální zařízení 3.1 K vlastnímu měření byl použit dvou-diskový stroj R-Mat (Obr.15 a 18). Stroj je sestaven ze dvou disků z nichž každý je umístěn na nezávisle uložených hřídelích. Jeden disk je poháněn elektromotorem a na druhý disk se pohon přenáší přes kontakt na zkoumaném vzorku. Poháněný motor je pevně umístěn na stroji, zatímco druhý motor je výkyvný a jeho kontakt se vzorkem zajišťuje přítlačná síla působící na tento motor. Oba disky jsou mazány a mazivo svým pohybem přenáší na celou soustavu. Výkyvný motor je přitlačován k poháněnému motoru přes kladku pomocí závaží. Obr.15: Experimentální zařízení 25

19 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Zkoumaným vzorkem je v našem případě hřídel o průměru 9,6mm (Obr.16). Vzorek je vyroben z oceli s drsností povrchu Ra 0,1. Odvalující se disky pak vytváří kontaktní zatížení na tomto vzorku. Obr.16: Zkoumaný vzorek Princip experimentu, vysvětlený ve výše uvedeném textu lze reprezentovat jednoduchým schématem (obr.17). Obr.17: Princip experimentálního zařízení 26

20 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.18: Model experimentálního zařízení Návrh upínacího přípravku V rámci diplomové práce bylo navržen přípravek na upínání zkoumaných vzorků (Obr.19a) pro vytváření vtisků. Podmínkou pro konstrukci bylo jeho umístění na polohovacím stojanu Newport M-PO80N (Obr.19b). Základní rozměry stojanu byly převzaty z katalogu firmy Newport [23]. Navržený přípravek slouží k pevnému uchycení zkoumaného vzorku tak, aby se do něj mohly vyrážet vtisky. Rozměry byly voleny dle rozměrového výkresu podstavce Newport M-PO80N (viz. přílohy). Při konstrukci byl brán ohled na snadnou rozebíratelnost a vyměnitelnost součástí. Konstrukčních návrhů bylo několik, vybrán byl návrh z konstrukčního hlediska nejpřijatelnější (Obr.20). Výkresová dokumentace a zobrazení jednotlivých dílů je uvedena v příloze. V příloze jsou také uvedeny ostatní, nepoužité konstrukční návrhy a rozměry podstavce Newport M-PO80N. 27

21 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.19: a) sestava upínacího zařízení b) podstavec Newport M-PO80N [23] Samotný upínací přípravek je sestaven z pěti jednoduchých dílů (Obr.19a a 20). Obr.20: Celkové sestavení přípravku se vzorkem Návrh leštícího přípravku a postup leštění Podmínkou pro návrh přípravku na leštění vzorků byla konstrukční jednoduchost, částečná ergonomie a nízká výrobní složitost. Vše s ohledem na podmínky výroby. Bylo provedeno několik konstrukčních návrhů. Ze všech uvádím tři příklady (Obr. 21b,c,d), ostatní jsou uvedeny v příloze. Z těchto byl vybrán návrh na Obr.21b. Toto leštící zařízení slouží ke zlepšení struktury povrchu nerovnosti zkoumaného vzorku. Vzorek je broušen na drsnost Ra 0,1. S ohledem na srovnání s experimenty 28

22 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu zaměřenými na studium tloušťky mazacího filmu bylo rozhodnuto dosáhnout velmi hladký povrch i v případě vzorku pro studium kontaktní únavy. Vzhledem k ustavení leštícího přípravku na soustruh, byly na finálním návrhu následně ještě provedeny úpravy (Obr.21a). Obr.21: Vybrané leštící přípravky; a) konečný návrh e) leštící sestava Při leštění vzorků je leštící přípravek upnut v soustruhu a za nízkých otáček je vzorek leštěn páskem lešticí tkaniny (Obr.21e). Před samotným leštěním se na povrch vzorku i na lešticí tkaninu nanese leštící diamantová pasta. Vzorek je leštěn při otáčkách 140 až 150 za minutu. Doba leštění je zhruba 3 minuty. Poté se proces opakuje s tím, že na kontaktní plochy je nanesena pasta nižší drsnosti. Postup se opakuje s celkem pěti pastami s odstupňovanými drsnostmi. Pasty jsou nanášeny od nejvyšší drsnosti po nejnižší. Tímto postupem dosáhneme drsnost nižší než Ra 0,01. Mezi jednotlivými fázemi leštění je vzorek čištěn v acetonu pomocí ultrazvukové čističky. 3.2 Výpočet kontaktu disk vzorek (hřídel) 3.2 V experimentálním zařízení R-mat mají kontaktní tělesa různé poloměry křivosti v ortogonálních (kolmých) rovinách. Jedním tělesem je zkoumaný vzorek hřídel reprezentovaný ve výpočtu válcem a disk stroje, tvarem v kontaktu podobným anuloidu (Obr.22). Analytické řešení kontaktní oblasti zahrnuje řešení eliptických integrálů prvního a druhého stupně. Pro numerické řešení byla využita zjednodušující tabulka [19]. Poloměry křivosti jednotlivých povrchů jsou brány za kladné, jestliže jejich středy křivosti leží uvnitř součásti. Na obr.23 jsou tyto poloměry všechny kladné. 29

23 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.22: Modelové zobrazení kontaktu Parametry kontaktních prvků Disk: Poloměry zaoblení: R 11 = 72,5 mm R 12 = 4,5 mm Modul pružnosti: E 1 = 2, MPa Poissonův poměr: µ 1 = 0,3 Vzorek: Poloměry zaoblení: R 21 = 4,8 mm R 12 = mm Modul pružnosti: E 2 = MPa Poissonův poměr: µ 2 = 0,3 Zatížení: Fw = 933,9 N Vzájemný úhel os rotací obou prvků: F = 0, z toho tedy plyne: cos(f) = 1. Redukovaný modul pružnosti: π 2 2 (1 µ 1 ) (1 µ 2 ) + E E π 2 2 (1 0,3 ) (1 0,3 ) MPa ,983MPa 5 E red = = = 3, MPa 30

24 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.23: Teoretické zobrazení eliptického kontaktu [24] Výpočet ( A + B) = R R R 21 = , ,5 + 1 = 0,222 4, ( A B) = cos( 2φ ) 2 R11 R12 R21 R11 R12 R = = 2 72,5 4,5 + 4,8 + 2 cos(0) 72,5 4,5 4,8 = 4, Velikost mezery mezi tělesy v kontaktu: ( B) 4, cosθ = = ( A + B) 0,222 5 A 4 = 2, Dle tab. McGraw Hill [30] volíme hodnoty: α 1 := 1 β 1 := 1 λ 1 := 1 θ 1 := 0.0 α 2 := 1.07 β 2 := λ 2 := θ 2 := 0.1 mm α y = α 2 α θ θ = = 1, θ θ 0,1 0 4 ( 1) (cos 1) (1,07 1) (2, )

25 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu α = α y + α1 = 1 α = 1 β y ( β1 β 2 ) ( θ 2 cosθ ) = θ θ 2 1 (1 0,396) (0,1 2, = 0,1 0 4 ) = 0,603 β = β y + β 2 = 0,999 β = Hlavní poloosy: b = α π 4 E red Fw ( A + B) 3π 933,9 = 5 4 3, ,222 = 0,306mm b = 0,306 mm a = β π 4 E a = 0,306 mm red Fw ( A + B) 3π 933,9 = 5 4 3, ,222 = 0,306mm Maximální tlak: P 3 Fw 3 933,9 = = = 4,764 2π a b 2π 0,306 0,306 3 max 10 MPa Z uvedeného výpočtu vyplývá, že řešený eliptický kontakt, je kruhový. Délky hlavních poloos se navzájem rovnají. 32

26 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu 3.3 Model vtisku mikrodůlků pomocí mkp 3.3 K vlastnímu modelování byl využit mkp (metoda konečných prvků) program ANSYS. Jde o tzv. kontaktní úlohu. Z tohoto důvodu byly k modelování použity typy prvků: PLANE82, CONTACT172 a TARGET169. Modelován byl vtisk diamantového indentoru kuželového tvaru do ocelové kuličky. Získané výsledky posloužily jako podklady k volbě zátěžné síly při vytváření vtisků Parametry výpočtu Výpočet byl proveden pro úhel indentoru 120 při různých zatíženích (3N, 5N, 7,5N, 10N, 12,5N a 15N) a s různými koeficienty tření. Každý případ byl vyhodnocen zvlášť a bylo provedeno jejich souhrnné posouzení. Indentor: Modul pružnosti: E = MPa Poissonoův poměr: µ = 0,2 Vzorek kulička: Modul pružnosti: E = MPa Poissonoův poměr: µ = 0,3 Jelikož se jedná o plastický materiál, bylo potřeba zadat jeho materiálovou charakteristiku do ANSYSu pomocí reprezentace tahovým diagramem. Hodnoty z tahového diagramu byly získány na základě předchozích výzkumů Ústavu konstruování v Brně. Úloha je řešena jako rovinná symetrická, pro zjednodušení výpočtu a zkrácení výpočtového času Popis výsledků Modelové výsledky pro případ zatížení indentoru silou 10N a úhlu sklonu kužele 120 při součiniteli tření 0,1 jsou ukázány na obr.24. Výsledky ostatních měření jsou v příloze. Obr.24: Celkový posuv ve stavu při plném zatížení 33

27 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Stav po odlehčení byl zpracován statisticky do tabulek pro jednotlivé součinitele tření. V následující ukázce je uvedena tabulka maximálních hodnot posuvů pro součinitel tření 0,1 (Tab.3) a zatěžující síly 3N, 5N, 7,5N, 10N, 12,5N a 15N. Na obrázku (Obr.25) je provedena vizualizace dat z tabulky. Jednotlivé hodnoty byly vybírány tak, aby jejich výsledný graf udával závislost celkového posunutí na jednotlivých zatěžujících silách. To znamená, že v diagramu můžeme vidět geometrii jednotlivých vtisků při různých zatíženích a jednotném součiniteli tření 0,1. Dále pak byl proveden výpočet pro různé součinitele tření u každé zatěžující síly. Výpočet byl proveden pro součinitele 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 a 0,3. součinitel tření 0,1 2,00E-04 0,00E+00-2,00E ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12-4,00E-04-6,00E-04-8,00E-04-1,00E-03 3N 5N 10N 15N 7,5N 12,5N -1,20E-03-1,40E-03-1,60E-03 Obr.25: Tvar vtisku při součiniteli tření 0,1 Tab.3: Maximální posuvy při daném zatížení a součiniteli tření 0,1 Nód Souřadnice 3N 5N 10N 15N 7,5N 12,5N ,60E-04-3,64E-04-9,15E-04-1,47E-03-6,38E-04-1,19E-03 Po porovnání jednotlivých výsledků bylo zjištěno, že vliv součinitele tření na geometrii vtisku není zásadní. Změny hodnot u jednotlivých zatěžujících sil se liší řádově v setinách mikrometrů. Srovnání jednotlivých vtisků při různých součinitelích tření je zobrazeno v příloze. 34

28 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu 3.4 Experimentální studium kontaktní únavy 3.4 Experiment proběhl ve dvou laboratořích. Samotné měření na stroji R-mat proběhlo v dílnách Ústavu konstruování, vyrážení vtisků a studium jejich chování pak v tribologické laboratoři na Ústavu konstruování, použitím tribometru (Obr.26), který zároveň slouží k experimentálnímu výzkumu tenkých mazacích filmů. K vyrážení bylo použito vnikací tělísko (rockwell) s diamantovým hrotem s poloměrem zaoblení 0,2 mm. Tímto způsobem jsme schopni zajistit vyražení mikrodůlku s velmi dobře definovaným tvarem. Vtisky byly vyráženy s různými zatěžovacími silami. K odečítání velikosti jednotlivých sil byl použit tenzometrický snímač na němž je vnikací tělisko připevněno. Rozteč vtisků byla volena na přibližně 100 µm na kuličce a na hřídeli byla jejich pozice volena podle vzdálenosti jednotlivých stop měření na stroji R-mat. Obr.26: Model tribometru [25] K experimentálnímu měření bylo využito interferometrie s řízenou změnou fáze. Ta nám umožnila získat plnou informaci o geometrii daného vtisku Postup měření geometrie vtisku Po samotném vyražení vtisku je třeba zjistit jeho geometrii. Zjišťování geometrie vtisku probíhá v několika krocích. Po ustavení vzorku jsou interferenční obrazce kontaktní oblasti zaznamenány digitální kameru s vysokým rozlišením. Digitální CCD kamerou snímáme pět snímků (Obr.27a-e) pro odstupňované vzdálenosti referenčního zrcadla a studované plochy (po 68nm). 35

29 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.27: Snímky zachycené CCD kamerou vtisky do kuličky Z takto získaných snímků posléze pomocí software vyhodnocujeme geometrii jednotlivých vtisků. Takto získané výsledky jsou pro případ vtisků na kuličce ukázány na obr.28 a hloubka (nm) N 12,7N 6,5N 3,87N 17,5N 10N šířka (nm) Obr.28: Geometrie vtisku v horizontálním směru 36

30 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu hloubka (nm) ,87N 6,5N 10N 17,5N 12,7N 16N šířka (nm) Obr.29: Geometrie vtisku ve vertikálním směru Z obr. 28 a 29 je zřejmé, že vtisky nejsou symetrické. To je způsobeno tím, že vtisky se nepodaří vrazit vždy přímo do vrchlíku kuličky. Z obrázku tvaru vtisku v horizontálním směru (Obr.28) měření lze vidět, že došlo k navršení materiálu na jedné straně vtisku. Rovněž modelové zobrazení hloubky se liší od experimentu (Obr.30). Na modelovaném zobrazení vtisků je závislost síly na hloubce vtisku téměř lineární. Tedy například při vtisku mikrodůlku silou 10N odpovídá jeho hloubka zhruba 1µm. Tato závislost je však odlišná u změřených výsledků, kde hloubka vtisku nevykazuje lineární závislost na síle vyrážení, ale je menší. Pro srovnání můžeme uvést příklad měření zatížení silou 10N. V modelovaném případě má tvar výsledné geometrie vtisku hloubku 915nm. Ve výsledcích experimentálního měření má vtisk hloubku 734nm. Na odchylky měření a výpočtového modelu má vliv několik faktorů. Z předchozích obrázků je patrné, že chyba měření roste s rostoucí zatěžující sílou. Měření je rovněž do jisté míry ovlivněno provozními podmínkami. Vyrážení mikrodůlků je ovládáno lidským faktorem, čili zde může dojít k odchylkám. Rovněž velikost síly se nepodaří dodržet pokaždé přesně stejnou jako v modelovém případě. Vliv na výsledek modelového případu může mít i materiálová charakteristika použitých materiálů, respektive charakteristika použitého diamatu. Posouzení materiálových vlastností různých diamantů je uvedeno v příloze. Nicméně pro účely vytváření vtisků o definované hloubce jsou získané výsledky dostačující. 37

31 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.30: Porovnání modelu vtisků a experimentálního měření Vliv geometrie vtisku na kontaktní únavu třecího povrchu Měření vlivu povrchové modifikace na tvorbu únavového poškození (pittingu) na vzorku (hřídel) byla prováděna na stroji R-mat. Celá zkouška byla ukončena tehdy, když na povrchu vzorku došlo k iniciování zásadního poškození. Zkušební vzorek (hřídel) byl posuzován v rámci odolnosti vůči kontaktní únavě v několika případech. Nejprve se měření testovalo na nemodifikovaném povrchu na broušeném a posléze leštěném povrchu. Leštění probíhalo dle postupu uvedeném výše. Výsledky těchto zkoušek reprezentuje tabulka (Tab.4). Posléze se na leštěném povrchu vyrazily tři vtisky pro zkušební test. Pro tento test byly na vzorek vtisky vyraženy silami 16.35N, 17.08N a 17N. Statistické zpracování výsledků těchto zkoušek uvádí tabulka (Tab.5). Po studiu vlivu námi vytvořených mikrodůlků se zatěžujícími silami 3N až 17N se dospělo k závěru, že mikrodůlky, vytvořené takto nízkými zatěžovacími silami nemají vliv na tvorbu únavového poškození. Respektive, k tvorbě poškození ve formě pittingu dojde, ale nelze určit, zda vyražený vtisk měl či neměl na jeho iniciování vliv. Je to z toho důvodu, že vtisk nelze pod mikroskopem nalézt. Jeho velikost byla totiž při těchto zatíženích podstatně menší než velikost vzniklého porušení. V několika případech došlo k rozválcování vtisku kontaktní stopou a tvorbě pittingu na zcela jiném místě než byl vtisk. Tab.4: Výsledky zkušebních testů nemodifikovaného povrchu Povrch Stopa Čas do porušení (min) Porušení broušený pitting pitting (kotouč) pitting pitting (kotouč) leštěný pitting pitting pitting 38

32 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Tab.5: Výsledky zkušebních testů s modifikovaným povrchem Zatěžující Čas do Povrch Stopa síla (N) porušení (min) Leštěný s vtisky Porušení 9 16, pitting 10 17, pitting (kotouč) pitting Proto bylo přistoupeno ke zvýšení zatěžující síly na 40N a statistickému zpracování výsledků. Při zatížení silou 40N byla hloubka a tvar vtisku příliš velká pro měření interferometrickou metodou (interferenční proužky byly příliš blízko sebe), proto nebylo možné efektivně změřit geometrii vtisku na vzorku (hřídeli). Vizualizaci dat získaných modelem v mkp programu tohoto zatížení lez vidět na Obr.31. součinitel tření 0,1 5,00E-04 0,00E ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12-5,00E-04-1,00E-03 Hloubka (mm) -1,50E-03-2,00E-03-2,50E-03-3,00E-03 40N -3,50E-03-4,00E-03-4,50E-03 šířka (mm) Obr.31: Geometrie vtisku při zatížení 40N Jednotlivá měření takto modifikovaných povrchů byla (oproti předchozím měřením) zatěžována na předem stanovený počet minut. Stroj byl vypnut po stanoveném časovém úseku a byl posuzován vliv vtisku na tvorbu poškození v závislosti na době měření. Tento přístup byl zvolen proto, abychom byli schopni získat přibližný časový úsek, za který doje k tvorbě pittingu a to právě při zatížení silou 40N. Pro první posouzení byly časové úseky stanoveny na 180 minut, 360 minut a 630 minut. Po každé z těchto zkoušek byl vzorek vyjmut ze stroje a prozkoumán pod mikroskopem. Po posouzení této první série zkoušek se dospělo k závěru, že vtisk silou 40N zatížený na experimentálním stroji na dobu 180 minut (tj.3 hodiny) nemá vliv na tvorbu únavového poškození a tvorbu pittingu. Po této zatěžovací době byl vtisk měřenou stopou pouze lehce rozválcován, nedošlo však k iniciování poškození. Podobně tomu bylo i u dvou zbývajících časů zatěžování. Při čase 360 minut (6 hodin) rovněž nedošlo k tvorbě pittingu v oblasti vtisku. Rozválcování vtisku bylo srovnatelné s předchozím měřením. Ani po zatížení vzorku na 630 minut (10.5 hodin) nedošlo k vytvoření poškození. Tvar vtisku byl rozválcován stopu podobně jako ve dvou předchozích případech (Obr.32). Na obrázku lze vidět srovnání vtisků podrobených experimentu (Obr.32a,e) s vtiskem na hladkém povrchu bez měřící stopy (Obr.32f). 39

33 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.32: Geometrie vtisků po měření a-e ve srovnání s neměřeným vzorkem Druhá série zkoušek byla provedena pro časové úseky 900 a 1440 minut. Vtisky byly opět vyráženy do leštěného povrchu silou 40N a byly umisťovány mezi stopy předchozího měření. Výsledkem bylo zjištění, že až do měřícího času 900 minut jednotlivá měření neprokázala iniciování únavového poškození. Avšak při posledním měření této série bylo v čase 1212 minut pozorováno poškození pittingem (viz ilustrační obrázek Obr.33). Výsledky této série měření jsou uvedeny v tabulce (Tab.7). Tab.6: Výsledky druhé série měření Čas měření Povrch Stopa (min) leštěný Porušení Zatěžující síla (N) nic 41, nic 40, nic 40, nic 40,65 Po prozkoumání jednotlivých měřících stop pod mikroskopem se dospělo k závěru, že až do času 360 minut nedochází k iniciování pittingu v žádném místě stopy. Vtisky jsou měřenou stopou pouze lehce rozválcovány (Obr.31). V čase 630 minut již lze pozorovat tvorbu mikropittingů rozmístěných v měřící stopě. Tyto však nedosahují velikosti samotného vtisku. Ani po dalších časových úsecích nedojde ke znatelnému poškození v okolí vtisku Únavové poškození ale již v těchto stopách vzniká, ale na jiných místech, něž jsou vyraženy vtisky. Obecným zhodnocením předchozích měření lze dopět k závěru, že nemodifikovaný broušený povrch dosahuje větší odolnosti proti tvorbě porušení než povrch leštěný. Pro hloubky vtisků použité v této práci nebyl pozorován vliv na zvýšení rizika kontaktní únavy. Cílenou modifikací leštěného povrchu jsme dospěli k časovému úseku při kterém se začne iniciovat pitting. Pro další sérii zkoušek, proto byl zvolen broušený povrch vzorku (tedy s drsností okolo Ra 0.1). Síla vyrážení vtisků se pohybovala kolem 45N, vyraženo bylo celkem 10 vtisků pro 10 měřících stop. Časové úseky pro tato měření byla stanovena z předchozího výzkumu, tedy přibližně na 1440 a více minut. 40

34 Vliv cílené modifikace topografie třecích povrchů na kontaktní únavu Obr.33: Ilustrační obrázek: mikropitting stopa 5-6 V současné době probíhá měření vzorku s broušeným povrchem. Pro další posouzení by bylo vhodné provést stejnou zkoušku (za stejných podmínek) i na povrchu leštěném s různými zatěžovacími silami. Dále provést úpravy na měřícím zařízení R- mat a uzpůsobit ho tak pro citlivější a přesnější měření. 41

35 ZÁVĚR ZÁVĚR Cílená modifikace topografie třecích povrchů u nekonformně zakřivených těles představuje perspektivní způsob zlepšení tribologických vlastností mazaného kontaktu. Přítomnost textury v mazaném kontaktu však nutně ovlivňuje rozložení tlaku v mazacím filmu a může zapříčinit únavové poškození třecích povrchů. V rámci diplomové práce byly uskutečněny experimenty zaměřené na studium únavového poškozování třecích povrchů zohledňující hloubku vtisků reprezentujících texturu cíleně modifikované topografie třecích povrchů. Byl odladěn postup přípravy vzorků a vytváření vtisků na jejich površích i postup při realizaci vlastních měření únavového poškozování třecích povrchů. Mimo to bylo rovněž provedeno numerické modelování vytváření vtisků. Tak se podařilo úspěšně realizovat všechny plánované dílčí etapy nezbytné k úspěšnému studiu vlivu cílené modifikace třecích povrchů na únavové poškozování třecích povrchů. Ze získaných výsledků lze usuzovat, že vhodně navržená textura cílené modifikace topografie třecích povrchů nemusí nutně způsobit zvýšené riziko únavového poškození třecích povrchů. Na jejich základě byla naplánována série experimentů, která umožní kvantifikovat míru tohoto rizika. 42

36 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] VILLE, F. NÉLIAS, D.: An Experimental Study on the Concentration and Shape of Dents Cause by Spherical Metallic Particles in EHL Contacts, Tribology Transactions, Jan 1999; 42, 1; ProQuest Science Journals, pg. 231 [2] HAMROCK, B. J.: Fundamentals of Fluid Lubrication. New York, McGraw- Hill, Inc.1994, s.42 [3] MISCHLER, S., Tribology and implants, EPFL, Institut des Matériaux, Laboratoire de Métallurgie Chimique Cours Biomatériaux, [4] KŘUPKA, I., Posouzení validity experimentálního výzkumu elastohydrodynamicky mazaných bodových kontaktů, Teze disertační práce, Brno, 1994 [5] VUT v Brně, Ústav Konstruování, prezentace předmětu Tribologie, přednáška 8, Mezné mazání URL: (cit ) [6] BRYANT, Hydrodynamic lubrication, ME383S, February 15, 2005 [7] SURFACE TEXTURING Ceramicoat URL: (cit ) [8] ETSION, I.: State of the Art in Laser Surface Texturing, Trans ASME Journal of Tribology 2005; 127: [9] RANJAN, R. - LAMBETH, D. N. - TROMEL, M. - GOGLIA, P. - LI, Y., 1991, Laser Texturing for Low-Flying-Height Media, J. Appl. Phys., 69~8!, pp [10] GEIER, M. - ROTH, S. - BECKER, W., 1998, Influence of Laser-Produced Microstructures on the Tribological Behavior of Ceramics, Surf. Coat. Technol., , pp [11] Surface Technologies Ltd., LASER SURFACE TEXTURING, Tel.: , web@surface-tech.com URL: (cit ) [12] KOVALCHENKO, A. - AJAYI, O. - ERDEMIR, A. - FENSKE, G. - ETSION, I., 2004, The Effect of Laser Texturing of Steel Surfaces and Speed- Load Parameters on the Transition of Lubrication regime from Boundary to Hydrodynamic, Tribol. Trans., 47~2!, pp

37 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [13] HOPPERMANN, A. - KORDT, M., 2002, Tribological Optimisation Using Laser-Structured Contact Surfaces, O1P, Oelhydraulik und Pneumatik, 46~4!, Vereinigte Fachverlage Mainz, ISSN [14] KOVALCHENKO, A. - AJAYI, O. - ERDEMIR, A. - FENSKE, G. - ETSION, I., The effect of laser surface texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact, Tribology International 38 (2005) [15] VUT v Brně, Ústav Konstruování, prezentace předmětu Konstruování stojů, přednáška 4, Tření, mazání a opotřebení URL: (cit ) [16] DUMONT, M. - LUGT, P. M. - TRIPP, J. H. (2002), Surface feature effects in starved circular EHL contacts, Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 124, pp [17] ZHAO, J. X. - SADEGHI, F. (2004), The effects of a stationary surface pocket on EHL line contact start-up, Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 126, pp [18] KŘUPKA, I. - HARTL, M.: The effect of surface texturing on thin EHD lubrication films, Tribology International (2006), doi: / j.triboint [19] L. MOURIER et. al., Transient increase of film thickness in micro-textured EHL contacts, Tribol. Int., 39(12), 2006, [20] VILLE, F. NÉLIAS, D.: Early Fatigue Failure Due to Dents in EHL Contacts, Tribology transactions, Oct 1999; 42, 4; ProQuest Science Journals, pg. 795 [21] QUERLIOZ, E. VILLE, F. LENON, H. LUBRECHT, T., Experimental investigations on the contact fatigue life under starved conditions, Tribology Transactions; Nov 2006 [22] COULON, S. - VILLE, F. LUBRECHT, A. A.: Effect of a dent on the pressure Distribution in dry point contacts, J. Tribology, 2002, 124(1), [23] NEWPORT.COM URL: (cit ) [24] TANAKA, N., A New Calculation Method of Hertz Elliptical Contact Pressure, 4 th Department, Mechanical Engineering Research Laboratory, Hitachi, Ltd., 502 Kandatsu, Tsuchiura, Ibaraki , Japan 44

38 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [25] Prezentace odborné skupiny Tribologie, Ústav Konstruování, Technická univerzita Brno URL: (cit ) 45

39 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN a [mm] - rozměr hlavní poloosy kontaktní oblasti b [mm] - rozměr hlavní poloosy kontaktní oblasti E1 [MPa] - Youngův modul pružnosti disku E2 [MPa] - Youngův modul pružnosti vzorku (hřídele) E red [MPa] - redukovaný modul pružnosti Fw [N] - zatěžující síla h min [mm] - tloušťka mazacího filmu R a1 [µm] - střední aritmetická úchylka profilu třecího povrchu R a1 [µm] - střední aritmetická úchylka profilu třecího povrchu R 11,R 12 [mm] - poloměry zaoblení disku R 21,R 22 [mm] - poloměry zaoblení vzorku (hřídele) R red [µm] - redukovaná drsnost třecích povrchů P max [MPa] - maximální stykový tlak v kontaktu α,β,λ,θ [-] - přepočetní koeficienty Λ [-] - parametr mazání µ1 [-] - Poissonův poměr disku µ2 [-] - Poissonův poměr vzorku (hřídele) Φ [ ] - úhel os rotací těles v kontaktu EHD LST mkp - Elastohydrodynamické (mazání) - Laser surface texturing - Metoda konečných prvků 46

40 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr.1: Závislost součinitele tření f na parametru mazání [2]...13 Obr.2: Mezné mazání [5]...14 Obr.3: Princip hydrodynamického mazání [6]...15 Obr.4: Princip metody plazmového nanášení povlaků [8]...16 Obr.5: Princip pokusu společnosti SurfTech [8,11]...18 Obr.6: Vzorek před a po aplikaci LST technologie [11]...19 Obr.7: Rozmístění mikrodůlků při LST technologii [11]...20 Obr.8: Umístění mikrodůlků při různých LST technologiích [14]...21 Obr.9: Chromatický interferogram a tloušťka mazacího filmu bez prokluzu [18]...22 Obr.10: Chromatický interferogram a tloušťka mazacího filmu s prokluzem [18]..22 Obr.11: Závislost hloubky vtisku na místním poklesu tloušťky filmu [18]...23 Obr.12: Tlakové špičky při různých hloubkách vtisku [19]...23 Obr.13: Model experimentálního zařízení [21]...24 Obr.14: Tvar vtisku před a po experimentu [21]...24 Obr.15: Experimentální zařízení...25 Obr.16: Zkoumaný vzorek...26 Obr.17: Princip experimentálního zařízení...26 Obr.18: Model experimentálního zařízení...27 Obr.19: a) sestava upínacího zařízení b) podstavec Newport M-PO80N [23]...28 Obr.20: Celkové sestavení přípravku se vzorkem...28 Obr.21: Vybrané leštící přípravky; a) konečný návrh e) leštící sestava...29 Obr.22: Modelové zobrazení kontaktu...30 Obr.23: Teoretické zobrazení eliptického kontaktu [24]...31 Obr.24: Celkový posuv ve stavu při plném zatížení...33 Obr.25: Tvar vtisku při součiniteli tření 0, Obr.26: Model tribometru [25]...35 Obr.27: Snímky zachycené CCD kamerou vtisky do kuličky...36 Obr.28: Geometrie vtisku v horizontálním směru...36 Obr.29: Geometrie vtisku ve vertikálním směru...37 Obr.30: Porovnání modelu vtisků a experimentálního měření...38 Obr.31: Geometrie vtisku při zatížení 40N...39 Obr.32: Geometrie vtisků po měření a-e ve srovnání s neměřeným vzorkem...40 Obr.33: Ilustrační obrázek: mikropitting stopa

41 SEZNAM TABULEK SEZNAM TABULEK Tab.1: Hodnoty parametru mazání [3] Tab.2: Rozměry mikrodůlků při aplikaci LST technologie [14] Tab.3: Maximální posuvy při daném zatížení a součiniteli tření 0, Tab.4: Výsledky zkušebních testů nemodifikovaného povrchu Tab.5: Výsledky zkušebních testů s modifikovaným povrchem Tab.6: Výsledky druhé série měření

42 SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH Příloha č.1: Experimentální zařízení Příloha č.2: Upínací zařízení Příloha č.3: Podstavec NEWPORT M-PO80-N Příloha č.4: Výsledky modelu vtisku indentor kulička, získané pomocí MKP programu Příloha č.5: Posouzení materiálových vlastností různých diamantů na tvar a velikost vtisku při zatížení 10N a součiniteli tření 0,1 Příloha č.6: Tabulka vybraných hodnot pro zatížení 10N a součinitel tření 0,1 49

43 SEZNAM VÝKRESOVÉ DOKUMANTACE SEZNAM VÝKRESOVÉ KOKUMENTACE ZÁKLADNÍ DESKA BOČNÍ DÍL UPÍNACÍ DESKA LEŠTÍCÍ PŘÍPRAVEK 4-5O/ O/ O/ O/

44 přílohy Vliv povrchových nerovností na funkci mazaných kontaktů strojních částí vypracoval: Otakar Šamánek vedoucí práce: doc. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. Aplikovaná mechanika, Počítačová podpora konstruování 2007

45 Příloha č.1: Experimentální zařízení Obr.1: Experimentální zařízení Rmat Obr.2: Experimentální zařízení Rmat

46 Obr.3: Model experimentálního zařízení Rmat Obr.4: Zkušební vzorek

47 Příloha č.2: Upínací zařízení Obr.5: Model sestavení upínacího zařízení Obr.6: Model dílu upínacího zařízení boční díl

48 Obr.7: Modely návrhu dílu upínacího zařízení upínací deska Obr.8: Model dílu upínacího zařízení základní deska

49 Obr.9: Model návrhu upínacího zařízení Obr.10: Detail modelu návrhu upínacího zařízení

50 Obr.11: Model návrhu upínacího zařízení deska původní návrh Obr.12: Výsledný návrh upínacího zařízení model sestavení

51 Obr.13: Modelovací prostředí Autodesk Inventor 10

52 Příloha č.3: Podstavec NEWPORT M-PO80-N Obr.14: Model sestavení upínacího zařízení podstavce Newport M-PO80-N Obr.15: Podstavec Newport M-PO80-N

53 Obr.16: Parametry podstavce Newport M-PO80-N Tab.1: Parametry podstavce Newport M-PO80-N Rozměry v mm MODEL ZÁVIT ROZMĚR A B D D E F G H J J M K L M N M- M4 M6 25,0 81, , , PO80 P Q R

54 Příloha č.4: Výsledky modelu vtisku indentor kulička, získané pomocí MKP programu: Obr.17: Model vtisku v mkp programu posuv v ose y Obr.18: Model vtisku v mkp programu posuv v ose y (2D zobrazení)