VLIV POVRCHOVÝCH NERONVOSTÍ NA VÝVOJ TŘENÍ A TLOUŠŤKY MAZACÍHO FILMU V OBLASTI PŘECHODU DO SMÍŠENÉHO MAZÁNÍ

Transkript

1 Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Brno University of Technology Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design VLIV POVRCHOVÝCH NERONVOSTÍ NA VÝVOJ TŘENÍ A TLOUŠŤKY MAZACÍHO FILMU V OBLASTI PŘECHODU DO SMÍŠENÉHO MAZÁNÍ TOMÁŠ ZAPLETAL Pojednání ke státní doktorské zkoušce Discourse on the Dissertation Thesis Brno 2018

2

3 Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Brno University of Technology Faculty of Mechanical Engineering Institute of Machine and Industrial Design VLIV POVRCHOVÝCH NERONVOSTÍ NA VÝVOJ TŘENÍ A TLOUŠŤKY MAZACÍHO FILMU V OBLASTI PŘECHODU DO SMÍŠENÉHO MAZÁNÍ THE EFFECT OF SURFACE ROUGHNESS ON FRICTION AND FILM THICKNESS DEVELOPMENT IN TRANSITION TO MIXED LUBRICATION Ing. Tomáš Zapletal Autor práce Author prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. Vedoucí práce Supervisor Pojednání ke státní doktorské zkoušce Discourse on the Dissertation Thesis Brno 2018

4

5 OBSAH OBSAH 1 ÚVOD 6 2 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE 7 3 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Deterministický přístup, studie zaměřené na modelové nerovnosti Stochastický přístup, studie zaměřené na nerovné povrchy 23 4 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ Zhodnocení obecných poznatků plynoucích ze současného stavu poznání Zhodnocení poznatků ze studií věnovaných modelovým nerovnostem Stěžejní poznatky z oblasti modelových důlků Stěžejní poznatky z oblasti modelových výstupků Stěžejní poznatky z oblasti modelových rýh Zhodnocení poznatků ze studií věnujících se obecně nerovným povrchům Vliv obecně nerovných povrchů na tloušťku mazacího filmu Vliv obecně nerovných povrchů na součinitel tření Přístup k hodnocení přechodu do smíšeného mazání Stěžejní závěry plynoucí z rešerše 45 5 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Zaměření disertační práce Cíl disertační práce Způsob řešení a použité metody Fáze přípravy Experimentální část Zpracování a analýza získaných dat Plán publikací 52 6 SOUČASNÝ STAV 54 7 ZÁVĚR 60 8 BIBLIOGRAFIE 61 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 68 SEZNAM TABULEK 70 5

6 ÚVOD 1 ÚVOD V současnosti čelí inženýři stále náročnějším požadavkům na co největší efektivitu a životnost navrhovaných strojních součástí při zachování minimálních provozních a výrobních nákladů. Jednou z klíčových cest, jak toho lze dosáhnout, je minimalizovat ztráty, ke kterým dochází v místě kontaktu mezi jednotlivými strojními součástmi. Toho lze docílit primárně snížením třecích ztrát a také minimalizací opotřebení. Současný trend snižování tření u mazaných kontaktů za pomoci maziv s nižší viskozitou však s sebou kromě pozitivního dopadu na tření nese také negativa v podobě snižování tloušťky filmu, čímž roste nebezpečí nežádoucího kontaktu mezi třecími povrchy. Tloušťka filmu se tak vlivem nejen tohoto trendu stává u velkého množství novodobých součástí srovnatelnou s velikostí povrchových nerovností, jež začínají hrát vyznanou roli na výsledný mazací proces. Jelikož nejsou inženýrské povrchy nikdy ideálně hladké, může vlivem povrchových nerovností docházet k ovlivnění mazacího filmu v kontaktu. V extrémních případech může v důsledku narušení koherence mazacího filmu dojít k nárůstu tření a také výraznému opotřebení kontaktních povrchů. Z tohoto důvodu je stále větší pozornost věnována snaze o bližšího pochopení základních procesů, ke kterým dochází v mazaných kontaktech právě za podmínek velmi tenkých mazacích filmů. Na vědeckém poli se tak objevuje řada prací, které se snaží vliv různorodých nerovností objasnit. Správné pochopení vlivu nerovností a aplikace těchto poznatků ve fázi návrhu se tak jeví jako klíčový faktor ke zvýšení životnosti nespočtu strojních součástí. Problematika povrchových nerovností, zejména pak v oblasti velmi tenkých filmů, je však velice komplexní problém, který i po desítkách let výzkumu skrývá mnoho nezodpovězených otázek. Bližšímu pochopení vlivu povrchových nerovností na utváření mazacího filmu a také jejich dopadu na vývoj tření v oblasti velmi tenkých mazacích filmů je věnováno toto pojednání k disertační práci. 6

7 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE 2 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE 2 V inženýrské praxi lze nalézt velké množství strojních součástí, které jsou mazané a které jsou zároveň ve vzájemném valivém či skluzovém kontaktu, jako například valivá ložiska, vačky či převody ozubenými koly. Z důvodu nekonformního zakřivení těchto povrchů mezi nimi dochází ke zrodu tzv. elastohydrodynamického mazání (EHL). Tento druh mazání je charakteristický velmi malou kontaktní plochou a vysokými kontaktními tlaky, jejichž hodnoty dosahují až jednotek GPa [1]. Teorie EHL jako triumf teoretické analýzy autorů Ertela a Grubina poprvé spatřila světlo světa v 50. letech 20. století. V této době se pohybovala tloušťka mazacího filmu u většiny běžných ložisek v řádech (10-4 až 10-5 ) m [2]. Z počátku byla pozornost zaměřena především na numerické modely pro predikci, a to jak centrální, tak i minimální tloušťky filmu při zohlednění elastické deformace povrchů [3]. Z počátku nebyly prováděny žádné experimentální práce pro ověření teoretických výpočtů [4]. Mezi objevením EHL a prvními experimentálními studiemi lze nalézt téměř dvě dekády. Počáteční práce využívající převážně odporové metody nebyly na tomto poli nikterak významně úspěšné [5]. Nejednalo se totiž o metody, které by umožňovaly vhled do místa kontaktu, neboť se snažily o studium reálných součástí, jako např. ozubení. V raných 70. letech se poté začaly hojně rozšiřovat dvě techniky jak studovat utváření EHD filmu. Jednalo se o kapacitní metodu [6] a optickou interferometrii [7]. Díky těmto metodám bylo možné nejen verifikovat teoretické predikce, ale navíc v případě optické interferometrie, poskytnout celkový profil mazacího filmu napříč kontaktní oblastí. Významný milník přišel s prvními pokusy o sloučení optické interferometrie a zařízení využívající valivý element [8]. Díky tomuto sloučení bylo možné studovat utváření mazacího filmu v modelovém EHL kontaktu. Tato metoda byla postupem času nesčetněkrát rozvíjena a optimalizována, díky čemuž se stala jednou z nejpoužívanějších experimentálních metod využívaných pro mapování tloušťky mazacího filmu ve vysoce zatížených kontaktech. Z počátku byla pozornost experimentálních prací zaměřena převážně na studium relativně tlustých mazacích filmům [9]. S postupným rozvojem strojních součástí a náročnějších provozních podmínek však docházelo u reálných součástí ke snižování tloušťky mazacích filmů [10]. Tento trend přirozeně vyústil v zaměření vědeckých prací na velmi tenké mazací filmy v řádech desítek nanometrů [11, 12]. V tomto okamžiku se také začalo uvažovat o vlivu nerovností na samotné mazací procesy, neboť výška povrchových nerovností byla velmi často srovnatelná s tloušťku mazacího filmu oddělujícího třecí povrchy [13]. Pracovní bod velkého množství součástí se tak čím dál častěji pohyboval na hranici přechodu mezi plným (EHL) a smíšeným režimem mazání [14] (Obr. 2-1). 7

8 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Obr. 2-1 Přechod z plného do smíšeného mazání Tento přechod je velmi často ilustrován za pomoci tzv. Stribeckovy křivky [3], která popisuje průběh součinitele tření převážně v závislosti na specifické tloušťce filmu (Obr. 2-2). Tato tloušťka je definována tzv. parametrem mazání Λ = h/rms [15], který dává do vztahu tloušťku mazacího filmu h a drsnost daného povrchu, potažmo kontaktních povrchů v podobě střední kvadratické hodnoty drsnosti RMS. Přechod z plného do smíšeného režimu mazání je nejčastěji uvažován v okolí hodnoty Λ 3 [16]. Tento přechod, je poté definován pomocí průběhu tření v místě strmé změny trendu, což je obecně chápáno jako důsledek prvotního přímého kontaktu mezi třecími povrchy. Obr. 2-2 Stribeckova křivka charakterizující jednotlivé režimy mazání Ve snaze tomuto nežádoucímu přechodu předejít a vyhnout se tak přímému kontaktu mezi povrchy, vznikají práce zaměřené právě na roli nerovností v oblasti tohoto přechodu. Této problematice se začínají věnovat jak práce experimentální [17], tak i práce numerické [18], které na povrchové nerovnosti pohlížejí dvěma odlišnými způsoby. Jedním z nich je tzv. deterministický přístup, který se zaměřuje primárně na studium chování izolovaných nerovností s kontrolovanou geometrií za různých kinematických podmínek. Sledováno je zejména jejich chování a deformace při průchodu kontaktní oblastí, což je ve své podstatě analogie k tloušťce mazacího filmu. Tento přístup vychází z předpokladu, že reálný povrch lze chápat jako soubor jednotlivých nerovností. 8

9 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Za podmínek čistého valení lze poměrně zřetelně pozorovat přispění jednotlivých typů nerovností k formování mazacího filmu i u komplexních povrchů. Při prokluzu je však toto chování daleko složitější, neboť zde dochází k vzájemnému ovlivnění jednotlivých nerovností a je tedy prakticky nemožné přesně definovat míru přispění každé z nich. Vhodnou cestou je tedy jednotlivé prvky izolovat a studovat jejich chování odděleně, což usnadňuje pochopení základních jevů, k nimž u daných prvků dochází. Jako modelové prvky jsou využívány především rýhy, důlky a výstupky, tedy prvky představující typické zástupce nerovností, které lze nalézt na reálných inženýrských površích. Druhý proud, který se výrazněji projevuje až počátkem 21. století, se věnuje utváření tloušťky mazacího filmu u obecně nerovných povrchů či povrchů s orientovanými nerovnostmi. Tento proud se snaží o studium uniformní struktury povrchu a jejího dopadu zejména na tloušťku mazacího filmu a součinitel tření. Tento stochastický přístup však poskytuje, zjednodušeně řečeno, obecné informace o chování daného povrchu. Získané poznatky o chování poté vztahuje k parametrům charakterizujících povrch jako celek, nejčastěji však k jeho drsnosti či šikmosti. Na rozdíl od izolovaných nerovností ovšem poskytuje poznání o površích, které se více blíží reálným povrchům. Oba směry tak poskytují velmi důležité poznatky v oblasti dopadu nerovností na mazací procesy. Stanovení předběžného cíle práce I přes nespočet numerických a experimentálních studií, které již byly na téma povrchových nerovností zpracovány, skrývá tato oblast stále ještě řadu nezodpovězených otázek. Zásadním nedostatkem již provedených experimentálních prací je, že se jednotlivé studie dívají na chování modelových prvků či obecně nerovných povrchů pouze z jednoho úhlu pohledu, tj. z pohledu vývoje tloušťky filmu, nebo tření. Chybí však propojení těchto informací, které se jeví jako stěžejní krok pro lepší pochopení jejich chování a také pro následnou tvorbu predikčních modelů či numerických simulací. Předběžným cílem práce je proto experimentální studium chování modelových nerovností a obecně nerovných povrchů v oblasti přechodu do smíšeného mazání na základě propojení informací o vývoji mazacího filmu a součinitele tření. 9

10 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 3 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Jelikož je tato práce zaměřena na experimentální studium vlivu povrchových nerovností na tloušťku mazacího filmu a tření, jsou následující kapitoly věnovány především rozboru studií tohoto charakteru. Pozornost je věnována především pracím, které přinesly nové poznatky jak o chování izolovaných modelových nerovností, tak i o chování komplexních nerovných povrchů. Cílem rozboru je zmapování již získaných poznatků o chování nerovností v různých konfiguracích a taktéž pro různé provozní podmínky. Rozbor prací sleduje výše nastíněný vývoj v dané oblasti a práce jsou tudíž řazeny převážně chronologicky. Rozbor je v první části věnován modelovým nerovnostem a v části druhé se poté zaměřuje na studie s obecně nerovnými povrchy. 3.1 Deterministický přístup, studie zaměřené na modelové nerovnosti [19] JACKSON, A., CAMERON, A. An interferometric study of the EHL of rough Surfaces, [20] WEDEVEN, L., D. Influence of debris dent on EHD Lubrication, [21] WEDEVEN, L., D., CUSANO, C. Elastohydrodynamic film thickness measurements of artificially produced surface dents and grooves, [22] CUSANO, C., WEDEVEN, L., D. Elastohydrodynamic film thickness measurements of artificially produced nonsmooth surfaces, Tento soubor představuje jedny z prvních prací, které se věnují experimentálnímu studiu izolovaných povrchových nerovností. Jedná se konkrétně o modelové rýhy a důlky. Tento typ nerovností autoři volí proto, že nejvíce odpovídá nerovnostem nalezeným na reálných strojních površích. Autoři využívají experimentální zařízení, kde kruhový EHL kontakt vzniká mezi ocelovou kuličkou a skleněným/safírovým diskem. Díky transparentnosti disku je pro mapování tloušťky filmu využita metoda optické interferometrie. Uměle vytvořené nerovnosti jsou na povrchu kuliček vytvořeny pomocí karbidové jehly. Přesně definovanou geometrií jehly a řízenou silou vtlačování je dosaženo požadovaného tvaru a hloubky nerovnosti. V pracích [19, 20] je také studován vliv podélné a příčné orientace rýh na směr unášivé rychlosti. Experimenty jsou prováděny pouze za podmínek čistého valení a skluzu, kdy je poháněn pouze skleněný disk. Stěžejní výsledky: Výsledky studie [19] ukazují, že minimální tloušťka filmu je při porovnání s hladkým povrchem v případě povrchu s nerovnostmi výrazně nižší. Dále se ukazuje, že orientace nerovností, v tomto případě rýh, je taktéž velmi důležitá. U příčně orientovaných rýh pozorují autoři nižší minimální tloušťku filmu než u rýh orientovaných kolmo na směr toku maziva (Obr. 3-1). Stejné chování pozorují také v dalších pracích [21, 22]. Studie také ukazují, že u rýh orientovaných podélně nedochází k výrazně odlišné deformaci za podmínek čistého valení a skluzu. Naopak u příčných rýh je odlišnost velmi výrazná. 10

11 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Odlišnost v deformaci nerovnosti, potažmo tloušťce filmu pozorují autoři na základě porovnání nedeformoveného tvaru nerovnosti a tloušťky filmu. Obr. 3-1 Minimální tloušťka mazacího filmu pro různé orientace rýh s ohledem na tok maziva [19] Při změně kinematických podmínek zaznamenávají autoři odlišnou deformaci také v případě několikanásobných (Obr. 3-2) i izolovaných důlků (Obr. 3-3). V obou případech pozorují specifickou redukci mazacího filmu, lokalizovanou na přední hraně důlku, ke které dochází v okamžiku vstupu důlku do kontaktní oblasti. Tento pokles je znatelnější při čistém valení než za podmínek prokluzu. Pozorované chování vede autory k myšlence, že jsou procesy redukce mazacího filmu spojené se změnou tlaku. Dále usuzují, že k takovému ovlivnění dochází primárně na vstupní oblasti do kontaktu. Obr. 3-2 Porovnání nedeformovaného profilu a tloušťky filmu [22] Obr. 3-3 Odlišnost v deformaci modelového důlku při čistém valení a skluzu [20] 11

12 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ V práci [22] je také pozorována odchylka experimentálních výsledků od predikce, kdy při porovnání nedeformovaného profilu modifikované kuličky a tloušťky filmu není dosaženo očekávané shody. Díky deformaci nerovností tak nedochází k predikovanému kontaktu mezi třecími povrchy (Obr. 3-4). Obr. 3-4 Odlišnost v deformace modelového důlku od predikce [22] Závěry Modelová rýha se ukazuje jako jedna z modelových nerovností, která může v extrémních případech způsobit kolaps mazacího filmu. Vliv rýh a důlků na rozložení mazacího filmu v kontaktu je obecně více znatelný při skluzových podmínkách. Všechny experimentální výsledky podporují fakt, že jakmile se mazané povrchy přibližují, začíná narůstat vliv topografie na samotný mazací proces. Stěžejním poznatkem je skutečnost, že se procesy vedoucí k redukci mazacího filmu odehrávají především v okamžiku vstupu nerovností do kontaktu. V práci [22] je také poprvé diskutována odlišnost experimentů od predikce. Tato odlišnost je připisována deformaci nerovností, která v predikci nebyla zohledněna. [23] KANETA, M, SAKAI, T., NISHIKAWA, H. Optical interferometric observations of the effects of a bump on point contact EHL, [24] KANETA, M., SAKAI, T., NISHIKAWA, H. Effects of surface roughness on point contact EHL, Autoři těchto studií se věnují primárně vlivu kinematických podmínek na chování modelových nerovností v EHL kontaktu. Jako modelové nerovnosti jsou použity jak osamocené výstupky [23], tak výstupky několikanásobné [24]. Výstupky jsou na povrch kuličky naneseny za pomoci napařování. Jako přídavný materiál je volen chrom. Cílem studií je rozšířit poznatky v oblasti nerovností o další modelový prvek. Jedná se také o jedny z prvních prací, kde se poprvé v experimentech uplatňuje vliv prokluzu. Prokluzu je dosaženo díky nezávislému pohonu kuličky s nerovnostmi a transparentního disku. Jednotlivé hodnoty prokluzu jsou definovány s využitím tzv. slide-to-roll ratio (SRR), který dává do vzájemného poměru složky valivé a skluzové rychlosti: SRR = skluzová rychlost valivá rychlost = 2 (u D u B ) (u D + u B ) (1) 12

13 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ kde: SRR je poměr skluzové a valivé rychlosti (slide-to-roll ratio) u B m s -1 - rychlost otáčení kuličky u D m s -1 - rychlost otáčení disku Hodnota prokluzu může nabývat jak kladných, tak i záporných hodnot, které definují její orientaci. Pro hodnoty SRR > 0 je rychlost otáčení disk větší než rychlost kuličky. Střední rychlost maziva je tedy větší než rychlost nerovnosti, tudíž se jedná o kladný prokluz. Oproti tomu je v případě SRR < 0 rychlost průchodu nerovnosti kontaktem větší než střední rychlost maziva a dochází tak k zápornému prokluzu. V případě, že jsou rychlosti obou složek stejné, je hodnota prokluzu rovna nule a dochází k čistému valení (Obr. 3-5). Obr. 3-5 Schématické znázornění čistého valení a prokluzu Výsledky Vliv prokluzu se ukazuje jako velmi významný parametr, který definuje chování nerovností v kontaktu. Porovnáním příčně (Obr. 3-6) a podélně (Obr. 3-7) orientovaných výstupků autoři zjišťují, že u příčně orientované nerovnosti dochází za skluzových podmínek k jejich výrazné vertikální deformaci. U podélných výstupků tato změna není tolik patrná. Obr. 3-6 Schématické znázornění čistého valení a prokluzu pro příčný výstupek [23] 13

14 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 3-7 Schématické znázornění čistého valení a prokluzu pro podélný výstupek [23] I přesto, že byla výška uměle vytvořených nerovností v porovnání s hladkým povrchem výrazně vyšší, nedocházelo díky vertikální elastické deformaci přímému kontaktu mezi třecími povrchy. Při změně hodnoty prokluzu byla v pracích pozorována také odlišná deformace nerovností. V práci [24] autoři zjišťují, že deformace výstupků klesá s klesající absolutní hodnotou prokluzu (Obr. 3-8). V případě kladného prokluzu bylo navíc pozorováno ovlivnění mazacího filmu před samotným výstupkem. Tato ovlivněná oblast dále putovala kontaktem rychleji než nerovnost samotná. V opačném případě, při záporném prokluzu, putovala ovlivněná oblast kontaktem pomaleji než nerovnost. Obr. 3-8 Vliv prokluzu na deformaci výstupku [24] Závěry Velikost deformace se zá být závislá na orientaci nerovnosti vzhledem k toku maziva stejně jako v případě rýh. Dalším významným parametrem je hodnota prokluzu, s jejíž rostoucí absolutní hodnotou roste i velikost této deformace. V pracích byla opět pozorována odlišnost experimentálních výsledku s predikcí. Ukazuje se, že je nezbytné při predikci počítat také s deformací nerovností. Tento fakt potvrzují později ve své studii také Cannová a kol. [25], kteří získané výsledky ze studie Kanety a kol. [23] porovnávají s numerickým řešením. 14

15 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ [26] KANETA, M. Effects of Surface Roughnessin Elastohydrodynamic Lubrication, [27] NISHIKAWA, H. Local reduction in thickness of point contact EHL films caused by a transversely oriented moving groove and its recovery, 1994 Tyto studie se věnují dalšímu rozvoji poznatků v oblasti izolovaných povrchových nerovnostní a jejich vlivu na mazací film za podmínek prokluzu. Autoři využívají pro své experimenty stejnou aparaturu a její konfiguraci jako v předchozích studiích [23] a [24]. Výsledky Studie navazují na předchozí poznatky u výstupků [23, 24], kde bylo pozorováno ovlivnění tloušťky film před, případně za výstupkem v závislosti na orientaci prokluzu. Stejné výsledky ovlivnění pozorují tito autoři také v případě důlků a rýh (Obr. 3-9). Stejně jako v případě výstupků putuje ovlivněná oblast mazacího filmu kontaktem střední rychlostí maziva, nezávisle na dané nerovnosti. U výstupků pozorují, že vlivem nárůstu tlaku dochází k jejich výrazné vertikální deformaci a téměř kompletnímu zploštění. Nejmenší hodnota tloušťky filmu je pozorována v místech, kde výstupek překrývá postranní laloky. Obr. 3-9 Průchod ovlivněné oblasti kontaktem pro jednotlivé prvky, upraveno z [26, 27] Výsledky také ukazují, že s rostoucí absolutní hodnotou SRR roste i velikost ovlivněné oblasti. Tento jev si autoři vysvětlují na základě času, který nerovnost stráví na vstupu do kontaktní oblasti (Obr. 3-10). Při čistém valení SRR = 0 pozorují, že ovlivněná oblast zůstává lokalizována v okolí samotné nerovnosti a putuje kontaktem spolu s ní. 15

16 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Vliv velikosti prokluzu na velikost ovlivněné oblasti [27] Závěry Hlavním poznatkem z výše uvedených studií je fakt, že velikost ovlivněné oblasti, která putuje kontaktem, závisí na hodnotě prokluzu, s jehož rostoucí hodnotou narůstá. Tato oblast tenkého mazacího filmu, ovlivněného vstupem nerovnosti do kontaktu, putuje kontaktem průměrnou rychlostí obou povrchů, tedy nezávisle na rychlosti dané nerovnosti. Stěžejním poznatkem ze studie [27] je, že v okamžiku vstupu rýhy do kontaktu dochází vlivem prudké změny geometrie k poklesu tlaku. Změna tlaku má za následek pokles viskozity maziva, které tak ztrácí schopnost pokračovat dále kontaktem. Díky přesahu rýhy přes celou kontaktní oblast tak může docházet k jevu, označovanému jako boční vytékání maziva. Mazivo tedy vlivem tlakového gradientu odtéká bokem rýhy. Následkem bočního výtoku dochází k redukci tloušťky filmu ve směru (SRR > 0) nebo proti směru (SRR < 0) toku maziva. Tato oblast velice tenkého mazacího filmu poté putuje kontaktem průměrnou rychlostí obou povrchů nezávisle na rychlosti dané nerovnosti. V následujících studiích Kanety a kol. [28, 29] se ukazuje, že velikost výtoku narůstá se vzrůstající velikostí rýhy, a klesá s rostoucí dynamickou viskozitou použitého maziva. Kaneta a kol. taktéž pozorují, že příliš hluboké rýhy můžou v extrémním případě způsobit kolaps mazacího filmu a nežádoucí styk třecích povrchů. V návaznosti na tyto poznatky se rýha jeví jako jeden z prvků, který může nejsnáze způsobit prolomení mazacího filmu. [30] KANETA, M., KANADA, T., NISHIKAWA, H. Optical interferometric observations of the effects of a moving dent on point contact EHL, [31] MOURIER, L., et al. Transient increase of film thickness in micro-textured EHL contacts, [32] KŘUPKA, I., HARTL, M. Effect of Surface Texturing on Very Thin Film EHD Lubricated Contacts, [33] MOURIER, L., et al. Lubrication mechanisms with laser-surface-textured surfaces in elastohydrodynamic régime, Tento soubor studií se zaměřuje na bližší pochopení chování jednoho typu modelových nerovností, konkrétně důlků. Modelové důlky jsou v těchto pracích vytvářeny hned dvěma způsoby. Prvním z nich je vtlačování karbidového nástroje do povrchu ocelové kuličky [30, 32], při druhém způsobu je využívána metoda texturování za pomoci laseru [31, 33]. 16

17 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Všechna použitá zařízení umožnují nezávislý pohon kuličky a disku, tudíž i měření za podmínek prokluzu. Zatížení je vyvozováno u všech zařízení přes kuličku, čímž je dosaženo kontaktních tlaků v rozmezí (0,38 až 0,56) GPa. Výsledky Ze studie [30] vyplývá, že za podmínek čistého valení (SRR = 0) dochází k redukci tloušťky filmu na hranách důlku. Tato redukce je znatelnější na jeho přední hraně. Stejný jev pozorují také v práci [32]. V obou pracích také zjišťují, že za podmínek čistého valení dochází k nejmenší vertikální deformaci důlku (Obr. 3-11). Při prokluzu je pak tloušťka filmu uvnitř důlku výrazně redukována. Minimální hloubky dosahuje důlek ve středu kontaktní oblasti. Obr Vertikální deformace důlku při změně orientace prokluzu [30] Ve studii [31] autoři také porovnávají experimentální výsledky s numerickými simulacemi. U důlků o různých hloubkách pozorují odlišné chování. Zatímco u důlku o hloubce 700 nm pozorují při rychlosti 0,4 mm/s (SRR = 0,5) výrazný pokles tloušťky filmu na přední hraně, u důlku o hloubce 400 nm pozorují naopak na přední hraně její výrazný nárůst. Tento nárůst vyčíslují na 30 % oproti hladkému kontaktu. Tímto způsobem autoři demonstrují, že za prokluzu může vlivem důlku docházet jak k pozitivnímu, tak i negativnímu ovlivnění mazacího filmu. Míra ovlivnění pak závisí na hodnotě prokluzu (Obr. 3-13) a hloubce důlku (Obr. 3-12), jak ukazují autoři ve své další studii [33]. U průměru důlku autoři zjišťují pouze fakt, že nejpříznivější ovlivnění nastává v okamžiku, kdy je velikost důlku v porovnání s velikostí kontaktní oblasti co nejmenší. Přesná čísla však neuvádí. Obr Vliv prokluzu = SRR [31] Obr Vliv hloubky důlku na tl. filmu [33] 17

18 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Mechanismus ovlivnění mazacího filmu při kladném prokluzu si autoři vysvětlují tak, že při vstupu nerovnosti do kontaktní oblasti dochází následkem nižšího tlaku uvnitř důlku k zachycení maziva. Zachycení maziva poté vede k narušení toku a poklesu tloušťky mazacího filmu před důlkem (Obr. 3-14a). Jakmile však vstoupí důlek do kontaktní oblasti, dochází na jeho přední hraně k nárůstu tlaku (Obr. 3-14b), až na 1,6-ti násobek maximálního Hertzova tlaku, díky čemuž prudce vzrůstá také viskozita maziva uvnitř nerovnosti. Jakmile viskozita maziva uvnitř důlku dosáhne limitní hodnoty, začne být mazivo vlivem smykového namáhání (následkem prokluzu) vytlačováno z důlku ven (Obr. 3-14c). Při vytlačování maziva dochází k deformaci přední hrany důlku a tudíž i nárůstu tloušťky filmu v tomto místě (Obr. 3-14d). Tloušťka filmu a) b) c) d) e) Rozložení tlaku Obr Numerická simulace průchodu důlku kontaktní oblastí, upraveno z [33] Pozitivní ovlivnění tloušťky mazacího filmu při kladném i záporném prokluzu bylo pozorováno také v práci Křupky a kol. [32]. Zde však autoři upozorňují na fakt, že pozitivnímu ovlivnění při kladném prokluzu vždy předchází prvotní redukce tloušťky filmu, která může způsobit nežádoucí kontakt mezi povrchy (Obr. 3-15). Obr Negativní ovlivnění tloušťky filmu důlkem při kladném prokluzu [32] 18

19 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Závěry Autoři ve zmíněných studiích dosahují velmi dobré shody experimentálních měření s predikcí, což umožňuje chování důlků relativně přesně predikovat. Nutno ovšem podotknout, že tato predikce má své limity jako například odlišnosti při záporném prokluzu. Stěžejním poznatkem o tomto druhu nerovnosti je, že za jistých podmínek může dojít u specifického důlku ke kladnému ovlivnění tloušťky filmu, zatímco při jejich změně naopak k ovlivnění negativnímu. Toto chování poté Křupka a kol. ve své další studii [34] pozorují také pro případ reálného důlku. Chování se tak zdá být silně závislé na velikosti důlku, tj. na jeho hloubce (úměrně tloušťce mazacího filmu) a průměru (úměrně velikosti kontaktní oblasti). Dále pak toto chování závisí na umístění důlku v kontaktní oblasti a především na hodnotě prokluzu. Jako nejpozitivnější vliv důlku se jeví záporný prokluz, kde nedochází k prvotnímu negativnímu ovlivnění tloušťky mazacího filmu jako v případě kladného prokluzu. Primární negativní ovlivnění při kladném prokluzu bylo později pozorováno také v práci Křupky a kol. [35]. pozn. Na poznatcích možného kladného ovlivnění tloušťky filmu důlky staví také další studie věnující se převážně texturovaným povrchům [36-38]. Texturované povrch však nejsou předmětem této práce a nepřináší nové poznatky o chování důlků, tudíž zde nejsou detailněji rozebrány. [39] FADI, A., at al. Experimental and numerical investigation on the behavior of transverse limited micro-grooves in EHL point contacts, [40] ŠPERKA, P., KŘUPKA, I., HARTL, M. The Effect of Surface Grooves on Film Breakdowns, [41] ZAPLETAL, T., et al. The effect of surface grooves on transition to mixed lubrication, Nejnovější práce věnované izolovaným rýhám se zaměřují na jejich negativní dopad na tloušťku mazacího filmu při různých kinematických podmínkách. Práce Fadiho a kol. [39] je zaměřena na rýhy menší, než je kontaktní oblast. Práce Šperky a kol. [40] a Zapletala a kol. [41] jsou věnovány studiu geometrie rýh, dále pak jejich poloze a orientaci v kontaktní oblasti. Modelové rýhy jsou na površích ocelových kuliček vytvořeny pomocí karbidového nástroje. Výsledky Porovnáním experimentů s numerickým řešením v případě malé rýhy [39] bylo dosaženo relativně dobré shody (SRR = -0,58, unášivá rychlost (34 a 8,2) mm/s). Výsledky ukazují, že u rýhy, jejíž ramena nepřesahují kontaktní oblast, dochází ke stejnému chování jako v případě důlků. Rýha tak funguje, jako zásobník maziva, tudíž může mít kladný dopad na tloušťku mazacího filmu. Negativní efekt byl však stejně jako u důlků pozorován v podobě kolísání tlaku na hranách rýhy (Obr. 3-16). 19

20 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Porovnání exp. b) a num. výsledků c) průchodu rýhy kontaktní oblastí [39] V případě že rýha zasahuje do centrální oblasti pouze částečně [41], dochází téměř ke stejnému ovlivnění, jako v případě rýhy přes celou kontaktní oblast. Ovlivněná oblast sice nezasahuje přes celý kontakt, avšak minimální tloušťka v tomto místě dosahuje srovnatelných hodnot s rýhou přes celou kontaktní oblast (Obr. 3-17). Míra ovlivnění tloušťky mazacího filmu podle studie [40] závisí na geometrii samotné rýhy. Autoři na základě experimentů získali vztahy, které umožňují predikci hodnoty rychlosti, při níž dojde k 50% ovlivnění tloušťky mazacího filmu danou rýhou. Autoři provedli sérii měření s různými šířkami a hloubkami rýh a dospěli k závěru, že na ovlivnění tloušťky mazacího filmu má větší dopad šířka rýhy než její hloubka. Obr Vliv velikosti rýhy v kontaktní oblasti, [41] Tyto poznatky pak dále rozšiřuje studie Zapletala a kol. [41], která do predikčního vztahu zahrnuje také vlivy natočení a deformace rýhy, použitého maziva a materiálu kontaktních těles. Výstupem je tak vztah, který je schopen predikovat tloušťku filmu ovlivněnou vstupem rýhy do kontaktní oblasti. Pomocí získaného vztahu pak autoři porovnávají predikci přímého kontaktu, založenou na základě parametru mazání, který ve své standartní definici neuvažuje deformaci nerovností ani ovlivnění tloušťky filmu rýhou, s predikcí, která tyto vlivy uvažuje. 20

21 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Na základě interpretace získaných výsledků autoři dochází k závěru, že při využití klasické definice parametru mazání dochází k podcenění dané situace a prolomení filmu může nastat dříve, tj. při vyšších tloušťkách mazacího filmu (Obr. 3-18). Obr Porovnání klasické definice parametru mazání s definicí uvažující deformaci nerovnosti a vliv rýhy na tloušťku filmu [41] Závěry Ze studií zaměřených primárně na povrchové rýhy vyplývá, že parametry určující ovlivnění tloušťky mazacího filmu jsou geometrie rýhy, její velikost vzhledem k velikosti kontaktní oblasti, natočení, materiál kontaktních těles a taktéž použité mazivo. Ukazuje se, že rýha, jež neumožňuje boční výtok maziva, se může chovat jako zásobník maziva, podobně jako důlek. V případě, že rýha umožňuje boční výtok, stává se tak typem nerovnosti, který výrazně snižuje tloušťku mazacího filmu. Obdobně jako již bylo pozorováno dříve [29], může rýha způsobit i nežádoucí kontakt mezi povrchy. Stejně jako u předchozích studií dochází k neshodě predikce kontaktu na základě nedeformované geometrie nerovnosti a tloušťky filmu. Na rozdíl od důlků [22] a výstupků [23, 26], kde predikovaný kontakt vlivem deformace nenastal, dochází u rýh k přesně opačnému jevu. [42] GUANGTENG, G., et al. An experimental study of film thickness between rough surfaces in EHD contacts, [43] CHOO, J., W., OLVER, A., V., SPIKES, H., A. Influence of surface roughness features on mixed film lubrication, [44] FÉLIX-QUINONEZ, A., EHRET, P., SUMMERS, J., L. New experimental results of a single ridge passing through an EHL conjunction, [45] ŠPERKA, P., KŘUPKA, I., HARTL, M. Surface Roughness Effects under High Sliding EHL Conditions,

22 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Tento soubor prací se věnuje detailnímu studiu chování příčných [43, 44], podélných [45] a natočených [42] výstupků za různých kinematických podmínek. Detailněji se věnují deformaci nerovnosti a snaží se objasnit její původ. Výstupky stejně jako v mnoha předchozích studiích vytváří pomocí napařování chromu na ocelovou kuličku o průměru 25,4 mm. Výsledky Guateng a kol. ve své studii [42] rozvíjí myšlenku, že se výstupek uvnitř kontaktu chová jako další nezávislý kontakt o menším poloměru. Své tvrzení zakládají na pozorování průběhu tloušťky filmu na vrcholku výstupku, jejíž trend je shodný s hladkým povrchem (Obr. 3-19). V této studii je rovněž věnována pozornost deformaci výstupku na přední hraně, kde při čistém valení dochází k výraznému nárůstu tloušťky (Obr. 3-20). Stejné chování pozorují také v další studii [44]. Tento jev poté detailněji studují Cho a kol. [43], kteří zjišťují, že na množství zachyceného maziva má výrazný vliv výška a sklon daného výstupku. Výstupky s nižším sklonem generují obecně tlustší film než výstupky s větším sklonem. Větší výstupky s menší šikmostí pak zachycují více maziva. Obr Porovnání centrální tloušťky hladké kuličky a tloušťky filmu na výstupku [42] Obr Zachycení maziva před výstupkem při čistém valení [43] Quinonez a kol. ve své studii [44] ukazují, že k ovlivnění mazacího filmu nedochází při vstupu nerovnosti do kontaktu, ale také při jejím průchodu touto oblastí. Takové ovlivnění je patrné zejména při prokluzu. Při kladném prokluzu dochází při vstupu nerovnosti do kontaktu k zachycení maziva na přední hraně nerovnosti vlivem změny tlaku. K následné deformaci výstupku dochází v momentě, kdy mazivo, které je rychlejší než nerovnost tuto nerovnost překonává (Obr. 3-21). Stejné chování pozorovali také Šperka a kol. [45] u podélných výstupků. 22

23 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Sekundární ovlivnění filmu výstupkem při kladném prokluzu [44] Závěry U výstupků dochází k ovlivnění tloušťky mazacího filmu v okamžiku vstupu nerovnosti do kontaktu, toto ovlivnění je však v porovnání s důlky a rýhami z pohledu tloušťky filmu kladné, jelikož způsobuje nárůst tloušťky filmu. Tento jev si je možné vysvětlit lokálním nárůstem tlaku, vznikajícím společně s deformací výstupku. Nárůst tlaku poté způsobí lokální zvýšení viskozity maziva, čímž zabrání jeho výtoku. Takto zachycené mazivo pak putuje kontaktem téměř beze změny. Ukazuje se, že výstupky s menší šikmostí zachycují více maziva, což si lze vysvětlit prudkou změnou geometrie, jejíž deformace vyžaduje větší nárůst tlaku. Pozvolnější přechod znamená menší překážku a tudíž i menší tlakovou špičku. 3.2 Stochastický přístup, studie zaměřené na nerovné povrchy 3.2 [46] GUANGTENG, G., SPIKES, H., A. An experimental study of film thickness in the mixed lubrication régime, Tato studie se věnuje vlivu obecně nerovných povrchů na tloušťku mazacího filmu. Ke studiu autoři využívají metodu optické interferometrie. Studium je zaměřeno pouze na chování nerovných povrchů za podmínek čistého valení, kdy je poháněn pouze skleněný disk, zatímco kulička se odvaluje na podpůrných ložiscích. Požadovaného kontaktního tlaku 0,48 GPa je dosaženo zatěžováním přes ocelovou kuličku o průměru 19,05 mm. Měření je provedeno v rozsahu rychlostí (0,001 až 2) mm/s. Studovány jsou dva povrchy o drsnosti (60 a 95) nm RMS. Měření jsou poté porovnána s hladkou kuličkou o drsnosti 10 nm RMS. Výsledky Výsledky měření s mazivem SHF41 ukazují, že povrchy s nerovnostmi vykazují nižší tloušťku filmu. Tloušťka filmu poté klesá s rostoucí drsností povrchu. Odlišnost vývoje tloušťky filmu od hladké kuličky je u drsných povrchů pozorována okolo tloušťky 100 nm. 23

24 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Autoři na základě klasické definice parametru mazání Λ, který dává do poměru nedeformovanou drsnost povrchu RMS a tloušťku filmu získanou pomocí Hamrock- Dowsonvy formule [47], definují jednotlivé režimy mazání (Obr. 3-22). Pomocí těchto hodnot usuzují, že plný režim mazání nastává v okamžiku Λ > 2, kdy pozorují prvotní odklonu od hladkého povrchu. Režim smíšeného mazání pak definují v rozsahu 0,1 < Λ < 0,2. Přechod do mezného mazání nebyl v této práci jasně pozorován. Obr Porovnání hladkého a drsného povrchu [46] Závěry Z výsledků je patrné, že povrchové nerovnosti významnou měrou ovlivňují tloušťku mazacího filmu. Jejich význam roste s klesající tloušťkou filmu. V této studii dochází k negativnímu vlivu nerovností, který se projevuje poklesem tloušťky při hodnotě Λ 2. Autoři v práci hovoří o smíšeném mazání, avšak informace o kontaktu povrchů, která je pro tento režim charakteristická v práci chybí. Získané hodnoty také porovnávají s výsledky z dřívější práce Kanety a kol. [48] v případě výstupků, kde dosahují relativně dobré shody. [49] HARTL, M., et al. Experimental study of lubricant film thickness behavior in the vicinity of real asperities passing through lubricated contact, Práce Hartla a kol. se věnuje chování reálných nerovností, tj. reálné rýhy o hloubce 90 nm a šířce 10,5 μm získané na nerovném povrchu a výstupku o výšce 56 nm a šířce 4,5 nm, který se nachází 40 μm od rýhy. Zbylý povrch kuličky dosahoval drsnosti RMS = 19,5 nm. V této práci je na reálném povrchu demonstrováno rozdílné chování rýhy a výstupku při stejných kinematických podmínkách. Experimenty byly provedeny při kontaktním tlaku 0,43 GPa. Výsledky Za podmínek čistého valení bylo pozorováno, že v případě rýhy dochází pouze k její malé vertikální deformaci (Obr. 3-23). Před samotnou rýhou byl pak pozorován pokles tloušťky mazacího filmu. Stejný pokles byl pozorován již dříve u modelových rýh [22, 27]. Naopak u výstupku byl pozorován nárůst tloušťky filmu na přední hraně, stejně v případě izolovaného výstupku [43, 44]. 24

25 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Vertikální deformace rýhy [49] Obr Vertikální deformace výstupku [49] Závěry Výsledky studie potvrzují, že chování nerovností na reálných površích odpovídá dříve získaným poznatkům u nerovností modelových. Při čistém valení u rýh nedochází k výrazné vertikální deformaci, pouze s rostoucí rychlostí klesá míra ovlivnění filmu před rýhou. U výstupku v důsledku kinematických podmínek dochází naopak k velmi výrazné vertikální deformaci (Obr. 3-24), jejíž míra klesá s rostoucí tloušťkou filmu. [50] KŘUPKA, I., KOUTNÝ, D., HARTL, M. Behavior of real roughness features within mixed lubricated non-conformal contacts, [51] ŠPERKA, P., KŘUPKA, I., HARTL, M. Prediction of Real Rough Surface Deformation in Pure Rolling EHL Contact: Comparison with Experiment, Další práce se věnují deformaci nerovností u obecně nerovných povrchů. Nerovnosti byly vytvořeny na ocelové kuličce o průměru 25,4 mm. Experimenty byly prováděny za podmínek čistého valení [51] i prokluzu [50] za kontaktního tlaku 0,5 GPa. Výsledky Výsledky ukazují, že při kladném prokluzu dochází k negativnímu ovlivnění tloušťky mazacího filmu ze strany hlubokých rýh. U těchto rýh bylo na mnoha místech v kontaktu pozorováno kompletní prolomení mazacího filmu (Obr. 3-25). Při záporném prokluzu nebylo prolomení mazacího filmu rýhou pozorováno. U mělkých důlků bylo pozorováno pozitivní ovlivnění mazacího filmu, kdy v závislosti na směru prokluzu docházelo k emitování maziva ve směru, případně proti směru unášivé rychlosti. Opět se potvrzuje, že za podmínek prokluzu dochází k redukci hloubky rýh. Důlky vznikající přirozeně na površích spíše pozitivně přispívají k tloušťce filmu tím, že fungují jako zásobníky maziva. 25

26 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Ukázka prolomení mazacího filmu při kladném prokluzu [50] Ukazuje se také, že nerovnosti o krátkých vlnových délkách, tj. strmé a ostré přechody se deformují méně než nerovnosti o větších vlnových délkách. Toto chování také podporuje studie Šperky a kol. [51], kteří se snaží deformaci nervností predikovat na základě metody amplitudového útlumu. Ve své práci ukazují, že tato metoda je relativně přesná, avšak má své limity, jelikož u krátkých vlnových délek predikuje větší deformaci, než ke které skutečně dochází (Obr. 3-26). V práci [51] je také ukázáno, že predikce přechodu do smíšeného mazání založená na nedeformované geometrii povrchu má své limity. Na základě nedeformované geometrie při rychlosti 2,2 mm/s hodnota parametru mazání odpovídá Λ = 1,44, což by dle platné teorie mělo odpovídat smíšenému mazání. S uvážením deformace nerovností se však skutečná hodnota parametru mazání pohybuje okolo Λ = 3,4, což je stále oblast mazání elastohydrodynamického. Toto poznání podporují také profily tlouštěk filmu, kde žádný přímý kontakt pozorován není. Obr Porovnání skutečné deformace s predikcí [51] Závěry Stěžejním poznatkem je, že se jednotlivé nerovnosti u reálných povrchů chovají stejně jako v případě studií s izolovanými prvky. U nerovných povrchů je potřeba uvažovat nejen ovlivnění tloušťky filmu jednotlivými prvky, ale také samotnou deformaci těchto nerovností, která má nezanedbatelný vliv na to, v jakém režimu mazání se povrchy nacházejí. Jedním z limitů přístupu k hodnocení jednotlivých režimů parametrem mazání je, že uvažuje pouze profil nedeformovaného povrchu. 26

27 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ [52] KANG, Y., S., HAGER, C., H., EVANS, R., D. Effects of skewed surface textures on lubricant film thickness and traction, [53] CLARKE, A. at al. Running-in and micropitting behaviour of steel surfaces under mixed lubrication conditions, Studie [53] se věnuje deformaci nerovných povrchů v průběhu několika cyklů. Tato práce se se zaměřuje na plastickou deformaci nerovností a vlivu parametrů povrchu na míru této deformace. K experimentům využívají aparaturu twin-disc, kde je kontaktu mezi povrchy docíleno vzájemným přitlačením dvou ocelových válců o průměrech 76,2 mm a příčným zaoblením 304,8 mm. Díky zaoblení válců ve dvou osách je dosaženo eliptického kontaktu. Drsnost obou povrchů se pohybuje mezi Ra = (0,3 a 0,4) µm. Hodnoty prokluzu jsou nastaveny na 0,25 a 0,5 SRR. Topografie byla vždy mřena na vstupu do kontaktní oblasti. Další studie [52] se poté věnuje numerické simulaci vlivu šikmosti povrchu na tloušťku filmu a tlakové špičky jím vyvolané. Výsledky Z výsledků studie [53] vyplývá, že již po prvním zátěžném cyklu trvajícím 27 s dochází k výrazné změně povrchu. Je zřejmé, že maximální výška výstupků rapidně klesá, a to až o 48 %, zatímco hloubka rýhy zůstává prakticky nezměněna, čemuž odpovídá deformace přibližně 3 %. Porovnáním profilů nerovností před testem (šedý profil) a po prvním zátěžném testu (červený profil) je zřejmé, že k takové deformaci skutečně dochází (Obr. 3-27). Ukazuje se, že dochází ke zploštění špiček výstupků a změně jejich poloměru zaoblení z 15,7 µm na 73,1 µm. Obr Porovnání nedeformovaného povrchu a povrchu po prvním cyklu [53] Změřením šikmosti povrchů po testu se ukazuje, že vlivem deformace výstupků narůstá záporná hodnota šikmosti povrchu, čímž je také podpořen fakt, že dochází k zahlazování špiček a přetrvávání rýh. Dále se ukazuje, že pokud jsou obě tělesa z materiálu o stejné tvrdosti, dochází ke zploštění u obou téměř shodně. U disků s rozdílnou tvrdostí dochází k deformaci u měkčího materiálu. Opět však dochází k deformacím na vrcholcích nerovností. Tato deformace se poté ustálí a s dalšími zátěžnými cykly nenarůstá (Obr. 3-28). 27

28 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Porovnání profilu povrchu po prvním (šedá) a třetím (červená) cyklu [53] V následující studii [52] se ukazuje šikmost povrchu jako velmi významný parametr. Z numerických simulací vyplývá, že v případě vysokých záporných hodnot Rsk = -4,71 dochází k zahlazení výstupků a přetrvání rýh, což vede k vyšším tlakovým špičkám. Při šikmosti povrchu -0,51 až -2,04 byl pozorován nárůst tlaku, ovšem stále ještě elastická deformaci povrchu. Při šikmosti Rsk = -4,71 byl pozorován nárůst tlaku, který překovával mez kluzu daného materiálu. Z měření tření poté vyplývá, že nejnižších hodnot tření je dosaženo kombinací hladkého povrchu a povrchu se zápornou šikmostí (Obr. 3-29). Obr Třecí křivky pro kombinace povrchů s různou šikmostí [52] Závěry V případě nerovných povrchů dochází k výrazné deformaci a opotřebení špiček výstupků, zatímco rýhy zůstávají prakticky nezměněny. Opotřebení na vrcholcích nerovností lze pozorovat téměř okamžitě po prvním zátěžném cyklu. V průběhu dalších cyklů již k výrazné změně oproti prvotní deformaci nedochází, což evokuje skutečnost, že k maximální deformaci nerovností dochází při záběhu. Jako důležitý parametr povrchu se jeví je nejen jeho drsnot ale také jeho šikmost, která určuje poměrné zastoupený rýh a výstupků. Nižší šikmost povrchu nemá výrazný dopad na tloušťku filmu a tlakové špičky, avšak vykazuje vyšší hodnoty tření v porovnání s vyššími hodnotami záporné šikmosti. 28

29 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ pozn. Další numerická studie z roku Wanga a kol. z roku 2006 [54] pak podporuje fakt, že kladné šikmosti vykazují za podmínek smíšeného mazání větší procento nerovností v přímém kontaktu, čímž si lze vysvětlit nižší tření u povrchů se zápornou šikmostí. [55] MORALES-ESPEJEL, G., E., WEMEKAMP, A., W., FÉLIX-QUIÑONEZ, A. Micro-geometry effects on the sliding friction transition in elastohydrodynamic lubrication, Tato studie se věnuje dopadu nerovností na součinitel tření. První část práce je věnována numerické predikci kontaktu mezi nerovnými povrchy, druhá část je poté věnována predikci přírůstku součinitele tření vlivem přímého kontaktu mezi povrchy. Z tohoto titulu je vytvořeno 10 povrchů s rozdílnou drsností v rozsahu (0,053 až 0,512) μm RMS. Tyto povrchy byly vytvořeny na površích ocelových kuliček o průměru 20,6 mm. V práci je nejprve provedeno experimentální měření součinitele tření pro jednotlivé kuličky, což následně slouží k porovnání s predikcí. Tato predikce vychází z obecně platné teorie, že v okamžiku dotyku dvou těles je výsledná hodnota tření definována jako součet tření viskózního a tření v důsledku přímého kontaktu mezi povrchy. Příspěvek od jednotlivých složek lze poté definovat různými způsoby. V této studii k určení proporce přistupují s využitím parametru φ BL, který určuje jak velká část zatížení je přenášena přímým stykem mezi povrchy. Část zatížení, která je přenášena mazacím filmem je poté vyjádřena jako doplněk této hodnoty, tzn. 1 φ BL. Celkový součinitel tření je poté definován jako: μ = φ BL μ BL + (1 φ BL )μ EHL φ BL = μ μ EHL μ BL μ EHL (2) (3) kde: μ μ BL μ EHL je výsledný součinitel tření - součinitel tření v oblasti smíšeného mazání - viskózní tření Výsledky Experimenty s různými drsnostmi povrchů ukazují, že povrchy s vyšší drsností, vyšší hodnotou RMS, dosahují vyšších hodnot součinitele tření. K nárůstu tření dochází rovněž u vyšších drsností při vyšších rychlostech. Při porovnání experimentů s numerickými výsledky autoři využívají jako parametr právě φ BL, tzn. přírůstek ke tření v důsledku kontaktu mezi povrchy. Z prezentovaných výsledků je patrné, že numericky získaná data se s naměřenými hodnotami příliš neshodují (Obr. 3-30). Začátek nárůstu i samotný průběh se ve všech případech liší. 29

30 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Porovnání zastoupení mezného mazání při experimentech a numerickém řešení [55] Závěry Autoři článku se na základě obecně platné teorie smíšeného mazání snaží vytvořit model, který by byl schopen predikovat přírůstek tření způsobený přímým kontaktem třecích povrchů. Při porovnání numerického řešení s predikcí však naráží na výraznou odlišnost mezi těmito dvěma směry. Autoři pro tuto odlišnost však nenašli adekvátní vysvětlení. Jako jednu z možných příčin uvažují nepřesnost v predikci centrální tloušťky filmu při využití Hamrock-Dowsonovy formule [47] pro kruhový EHL kontakt. [56] GUEGAN, J., at al. A Study of the Lubrication of EHL Point Contact in the Presence of Longitudinal Roughness, Studie Guegana a kol. [56] se věnuje vlivu nerovných povrchů s podélně orientovanými nerovnostmi na tloušťku mazacího filmu. Pro potřeby měření autoři pomocí režného nástroje vytvořili po obvodu tří ocelových kuliček požadované nerovnosti. Tyto nerovnosti charakterizují hodnotami RMS a dominantními vlnovými délkami, kdy mají první dvě specifikace obdobnou průměrnou vzdálenost mezi vrcholkem a dnem nerovností (peak-to-walley) 0,5 μm a RMS = 0,15 μm, ovšem rozdílné vlnové délky (45 a 19) μm (Obr. 3-31). Třetí povrch má poté vyšší hodnotu peak-to-walley 0,97 μm, vlnovou délku 39 μm a hodnotu RMS = 0,27 μm. Měření jsou prováděna na optickém tribometru za podmínek čistého valení a prokluzu SRR = 0,5. Obr Profily testovaných povrchů [56] 30

31 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Výsledky Měření maximální a minimální tloušťky filmu ukazuje, že vlivem nerovností je maximální tloušťka filmu větší, zatímco minimální tloušťka filmu dosahuje na vrcholcích výstupků výrazně menších hodnot v porovnání s hladkým kontaktem (Obr. 3-33). Přímý kontakt je pozorován dříve u povrchů s vyšší drsností (Obr. 3-32). Autoři rovněž na základě množství bodů, v nichž je dosaženo nulové tloušťky filmu, získávají závislost procenta přímého kontaktu (z vybrané oblasti) mezi povrchy na klesající rychlosti. Obr Porovnání tloušťky filmu [56] Obr Procento přímého kontaktu [56] Na základě údajů o minimální tloušťce, resp. kontaktu mezi povrchy definují tzv. lift-off rychlost, tedy rychlost nad kterou již nedochází k žádnému kontaktu mezi třecími povrchy. Díky této hodnotě zjišťují, že k přímému kontaktu mezi povrchy dojde nejdříve u povrchu s označením Spec. 3 (s nejvýraznější drsností) a to při 0,5 m/s. U zbylých dvou je hodnota lift-off rychlosti výrazně menší. S pomocí lift-off rychlostí autoři zjišťují, že přechod do smíšeného mazání nastává u všech tří povrchů při shodné hodnotě parametru mazání Λ = 3,5 (Obr. 3-35). Obr lift-off rychlost [56] Obr Deformace nerovností [56] 31