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

32 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Při rozboru příčného řezu je poté patrné, že při nižších rychlostech se výstupky deformují více než při rychlostech vyšších. S rostoucí rychlostí dochází k zotavení výšky nerovností. Při rychlosti 1,1 m/s je zřejmé, že drsný i hladký povrch mají stejný trend. Při této rychlosti tloušťka filmu drsného povrchu osciluje okolo průběhu hladkého povrchu (Obr. 3-34). Závěry Tato velice komplexní studie ukazuje, že výrazné nerovnosti způsobují dřívější přechod do smíšeného mazání. K přímému kontaktu mezi povrchy tak dochází dříve u povrchů s vyšší hodnotou RMS. Dalším parametrem, který na přechod má nezanedbatelný vliv, se jeví vlnová délka, jejíž klesající hodnota vede k dřívějšímu kontaktu mezi povrchy při stejné hodnotě RMS. Vlnová délka má také vliv na množství prvků v přímém kontaktu, kdy toto množství narůstá s klesající hodnotou vlnové délky. [57] GUEGAN, J., et al. The Relationship Between Friction and Film Thickness in EHD Point Contacts in the Presence of Longitudinal Roughness, Tato studie navazuje na předchozí studii [56] stejného autora z roku Autoři zde rozvíjí již získané poznatky, pracují se stejnou aparaturou a také se stejnými povrchy. Oproti předchozí studii se zaměřují na součinitel tření a jeho predikci právě v oblasti přechodu do smíšeného mazání. Oproti předchozí studii přidávají kromě maziva Shell Turbo 68 také další základový olej. Měření provádí za čistého valení a prokluzu SRR = 1. Rozsah rychlostí je stanoven na (0,02 až 2) m/s, což odpovídá rozsahu parametru mazání Λ = 1,3 až 30. Výsledky Úvodní experimenty zaměřené na tření ukazují, že povrchy s nerovnostmi vykazují vyšší hodnoty tření v porovnání s hladkým povrchem (RMS = 20 nm), rovněž dosahuje vyšších hodnot tření i povrch s vyšší hodnotou RMS (Obr. 3-36). Povrchy o stejné drsnosti a rozdílné vlnové délce vykazují téměř totožné hodnoty tření. V průběhu tření je pozorováno minimum, po němž při poklesu rychlosti dochází k strmému nárůstu, což si autoři vysvětlují jako přechod do smíšeného mazání. Tento přechod byl v případě hladké kuličky a různých prokluzů pozorován při hodnotě Λ 5. 32

33 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Porovnání tření pro různé specifikace povrchu [57] Autoři na základě úvahy, že k nárůstu tření nemusí nutně docházet vlivem kontaktu mezi nerovnostmi, porovnávají nárůsty tření oproti hladkému povrchu s minimální tloušťkou filmu (Obr a Obr. 3-38). Zde pozorují, že k nárůstu tření dochází dříve, než je dosaženo kontaktu mezi povrchy, tj. nulové tloušťky filmu. Obr Nárůst tření a vývoj minimální tloušťky filmu pro Spec. 1 [57] Obr Nárůst tření a vývoj minimální tloušťky filmu pro Spec. 3 [57] Na základě těchto poznatků se autoři snaží predikovat tření v oblasti smíšeného mazání μ MIX s využitím vztahu, který vychází ze znalostí součinitele mezného tření μ BL, viskózního tření μ EHL a hodnoty parametru mazání Λ. Výsledný vztah je poté definují jako: μ MIX = μ EHL + μ BL μ EHL (1 + Λ) m Hodnota exponentu m se pohybuje v rozmezí 2 až 3. V této studii při výpočtu autoři uvažují m = 2,5. Na základě tohoto výpočtu poté dosahují relativně dobré shody s naměřenými daty (Obr. 3-40). (4) 33

34 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Porovnání predikce s naměřenými hodnotami tření [57] Obr Přechod do smíšeného mazání [57] Závěry Hodnota peak-to-walley se zdá mít výraznější vliv na tření, než vlnová délka. Povrchy s vyšší hodnotou RMS dosahují vyšších hodnot tření v porovnání s hladšími povrchy. Tento jev je nejspíš způsoben menší tloušťkou filmu na vrcholcích výstupků a také výraznějšími tlakovými špičkami. Autoři také zmiňují, že za podmínek Λ 3 může docházet k lokálnímu kontaktu mezi povrchy. Nad touto hodnotou již ke kontaktu nedochází, ale dochází ke zrodu micro-ehl na vrcholcích nerovností, což může zvýšit hodnotu tření i v případě, že zde není pozorován žádný přímý kontakt. Nad hodnotou Λ 5 by již k takovému jevu docházet nemělo. Pozorované chování je v rozporu s konvekčním pojetím smíšeného mazání, kdy je nárůst tření přisuzován prvotnímu kontaktu mezi povrchy. Autoři pozorovali, že v rozmezí Λ = 0,8 až 3 dochází k nárůstu tření, avšak pomocí optické interferometrie nedetekovali přímý kontakt mezi povrchy (Obr. 3-39). [58] TOUCHE, T., CAYER-BARRIOZ, J., MAZUYER, D. Friction of Textured Surfaces in EHL and Mixed Lubrication Effect of the Groove Topography, Autoři posouvají problematiku orientovaných nerovných povrchů dále tím, že studují nejen podélně orientované nerovnosti, ale také nerovnosti orientované příčně. Pro potřeby studie vytváří pomocí laserového texturování tři druhy povrchů. Hladký povrch označován jako B0 je brán jako retenční hodnota. Další povrchy jsou vytvořeny tak, že v průběhu jedné otáčky dochází ke změně proporce mezi výstupky a rýhami při zachování konstantní délky 25 µm (Obr. 3-41). Jako mazivo je použit minerální základový olej 330NS. Prokluz uvažují autoři SRR = ± 0,08. 34

35 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Jednotlivé profily vytvořených povrchů [58] Výsledky Porovnáním třecích křivek s predikcí založenou na viskózním tření autoři pozorují, že u drsných povrchů dochází v okolo určité rychlosti k výraznému nárůstu (Obr. 3-42). Tento nárůst si autoři vysvětlují na základě teorie smíšeného mazání jako počátek kontaktu mezi třecími povrchy. Rovněž lze pozorovat, že povrch s příčně orientovanými nerovnostmi B1 dosahuje nižších hodnot tření v porovnání s povrchy s podélnými nerovnostmi B2 a B3. Z porovnání tření u podélně orientovaných povrchů B2 a B3 je patrné, že ostřejší špičky znamenají vyšší hodnoty tření. Tloušťky filmu příčně orientovaných nerovností dosahují vyšších hodnot než povrchy s příčnými nerovnostmi. Povrch B3 však dosahuje nejnižších hodnot a to i při porovnání s hladkým povrchem (Obr. 3-43). 35

36 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr Průběh tření je jednotlivé povrchy [58] Obr Porovnání vývoje tloušťky filmu u povrchu B3 s hladkou kuličkou [58] Autoři se v dalším kroku na základě úvahy, že k nárůstu tření dochází v důsledku kontaktu mezi povrchy, snaží o predikci procenta nerovností v přímém styku v závislosti na šířce rýh. Využívají k tomu rovnici, vycházející z teorie smíšeného mazání, kde s rostoucím procentem přímého kontaktu A % narůstá i podíl složky mezného tření μ BL na celkovém součiniteli tření μ EHL : μ MIX = A % μ BL + (1 A % )μ EHL (5) Hodnota A % se pohybuje v rozmezí 0 až 1, kdy hodnota A % = 1 znamená, že dochází k čistě meznému mazání. Naopak v případě, že je A % = 0, tak nedochází ke kontaktu mezi povrchy. Autoři poté na základě znalosti celkového součinitele tření a jeho jednotlivých složek dopočítávají procento nerovností v kontaktu. Díky tomu zjišťují, že s rostoucí šířkou rýhy, tj. s ostřejší špičkou výstupku, dochází k nárůstu procenta nerovností v kontaktu (Obr. 3-44). Obr Procento nerovností v kontaktu v závislosti na šířce rýhy [58] 36

37 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Závěry Z pohledu tloušťky filmu se jeví jako příznivější povrchy s příčně orientovanými nerovnostmi. Dále záleží na velikosti či šířce výstupků, kdy se ostré výstupky deformují hůře a mají tudíž výraznější dopad na tloušťku filmu potažmo na součinitel tření. Nutno poznamenat, že se jedná o experimenty za téměř čistého valení, kde se vliv nerovností v porovnání se znatelnějším prokluzem výrazněji neprojevuje. 37

38 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ 4 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ 4.1 Zhodnocení obecných poznatků plynoucích ze současného stavu poznání Z rešeršní části práce vyplývá, že problematika vlivu topografie třecích povrchů na tloušťku mazacího filmu je velmi komplexní. Většina experimentálních prací pro studium vlivu povrchových nerovností na tloušťku filmu využívá tribometry typu ball-on-disc, kde modelový kontakt vzniká mezi valivým tělesem, nejčastěji kuličkou a skleněným diskem. Pro mapování tloušťky filmu je poté v převážné většině prací aplikována metoda optické interferometrie. K problematice povrchových nerovností se přistupuje v zásadě dvěma způsoby. První z nich uvažuje modelové nerovnosti, které jsou na površích valivých těles vytvářeny uměle. Geometrie takových nerovností korespondují s defekty, které byly nalezeny na površích reálných součástí. V případě modelových rýh a důlků se k výrobě nejčastěji používá nástroj s přesně definovanou geometrií hrotu [20]. Tento typ nástroje je volen proto, že umožňuje dosažení požadovaného tvaru nerovnosti, jejíž deformaci lze poté snáze definovat. Pro komplexnější geometrie se volí texturování za pomoci laseru [58]. U výstupků se jako metoda výroby nejčastěji volí napařování, jako přídavný materiál je volen chrom [24]. Kinematické podmínky, při kterých je chování těchto nerovností studováno taktéž svou podstatou odpovídají reálným podmínkám, za kterých strojní součásti běžně pracují. Nejčastěji tak dochází k určení kinematických podmínek pomocí slide-to-roll ratio. Hodnota SRR se jeví jako určující zejména z hlediska času, který stráví nerovnost na vstupu do kontaktu, kde dochází k primárnímu ovlivnění mazacího filmu. Delší čas na vstupu totiž znamená větší ovlivnění mazacího filmu [27]. Jedná-li se o kladný prokluz, dochází k ovlivnění mazacího filmu před nerovností, naopak při záporném prokluzu je ovlivněná tloušťka filmu situována za nerovností. U všech případů takto ovlivněná oblast putuje kontaktem střední rychlostí maziva, nezávisle na rychlosti dané nerovnosti. Ukazuje se rovněž, že z pohledu ovlivnění mazacího filmu se jako nejméně příznivý stav jeví právě kladný prokluz, kdy je unášivá rychlost maziva větší než rychlost nerovnosti. Toto nepříznivé ovlivnění bylo pozorováno jak v případě modelových [31, 32], tak i reálných nerovností, [35, 50]. Naopak jako nejpříznivější se jeví případ čistého valení, kdy sice dochází k ovlivnění mazacího filmu, to je však situováno pouze v blízkém okolí dané nerovnosti [30]. Za podmínek čistého valení byla pozorována také nejmenší vertikální deformace nerovností, což může mít v případě povrchů s výstupky spíše negativní dopad [24]. Jako maziva jsou při experimentech používány převážně základové [50] a v praxi běžně používané oleje [57]. 38

39 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ 4.2 Zhodnocení poznatků ze studií věnovaných modelovým nerovnostem 4.2 Tato kapitola shrnuje stěžejní poznatky o chování jednotlivých modelových nerovností. Cílem rozboru je detailní pochopení dopadu modelových nerovností na mazací film při odlišných provozních podmínkách Stěžejní poznatky z oblasti modelových důlků Tento typ modelové nerovnosti je studován zejména proto, že svým tvarem odpovídá defektům, které byly nalezeny na površích opotřebovaných ložisek [21]. Za podmínek čistého valení tento typ nerovností nepředstavuje výrazný problém, neboť jeho vlivem nedochází k zásadnímu ovlivnění mazacího filmu. Případný pokles tloušťky je lokalizován pouze v blízkosti samotného důlku [30], a to výhradně na jeho přední hraně [32]. K takovému ovlivnění mazacího filmu dochází díky změně v geometrii oproti hladkému povrchu a nižšímu tlaku uvnitř samotného důlku. Mazivo má při toku tendenci vyplňovat prostor důlku spíše než vstupovat do kontaktu. Díky tomu dochází k poklesu tloušťky právě na přední hraně důlku. Velikost takového ovlivnění, a tudíž i nebezpečí lokálního kontaktu třecích povrchů, se s klesající hloubkou důlku snižuje [21]. Při čistém valení dochází pouze k primárnímu ovlivnění filmu na vstupu důlku do kontaktu, při průchodu kontaktní oblastí další ovlivnění pozorováno není. Za podmínek prokluzu je chování tohoto typu nerovnosti odlišné a jeho vliv na tloušťku filmu daleko významnější. Ukazuje se, že vlivem prokluzu může docházet k odlišnému ovlivnění mazacího filmu, které může být jak pozitivního [38], tak i negativního charakteru [31]. Toto chování však závisí na kombinaci řady faktorů. V případě hlubších důlků dochází při jejich vstupu do kontaktní oblasti k výraznému nežádoucímu narušení tloušťky mazacího filmu. Tento pokles je však pouze lokální a závisí na velikosti důlku vzhledem ke kontaktní oblasti a také na velikosti a orientaci prokluzu [32]. K ovlivnění tak dochází před, popřípadě za důlkem, opět vlivem prudké změny geometrie a tlakového gradientu uvnitř důlku. U mělkých důlků lze pozorovat chování opačné. Díky pozvolné změně geometrie nedochází k výrazné skokové změně tlaku a tím ani k výraznému poklesu tloušťky filmu na přední hraně. Na rozdíl od čistého valení, dochází vlivem prokluzu k ovlivnění mazacího filmu nejen na vstupu do kontaktu, ale také při průchodu důlku kontaktní oblastí [33]. Toto sekundární ovlivnění je charakteristické uvolňováním zachyceného maziva, a tudíž lokálním nárůstem mazacího filmu. Na základě sekundárního ovlivnění maziva vznikla řada studií snažících se tento "pozitivní efekt" aplikovat ve formě texturovaného povrchu s cílem lokálně navýšit tloušťku filmu a snížit tření v kontaktu [36-38]. Problém však spočívá v tom, že lokální nárůst mazacího filmu je při kladném prokluzu vždy doprovázen nežádoucím prvotním poklesem na přední hraně důlku [35]. Právě v tomto místě může dojít k nežádoucímu prvotnímu kontaktu třecích povrchů. U záporného prokluzu tento negativní pokles na přední ani zadní hraně pozorován nebyl, tudíž se jako jediný vhodný případ pro využití kladného chování důlků jeví pouze záporný prokluz [32], případně čistý skluz [36]. Výše popsané chování však platí pouze pro případy, kdy důlek prochází středem kontaktní oblasti. Pokud prochází spíše po stranách, dochází k odlišným jevům, které vedou převážně k negativnímu ovlivnění [32]

40 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ Ve studii [50] bylo výše popsané chování modelových důlků podpořeno pozorováním reálného důlku, jehož chování odpovídalo těm modelovým tím, že se choval jako zásobník maziva a při prokluzu emitoval mazivo, čímž lokálně navyšoval tloušťku mazacího filmu. Zásadním nedostatkem většiny experimentálních prací je, že dosahují pouze velmi obecných závěrů a spíše poukazují na pozitivní či negativní jevy. U těchto prací chybí snaha o detailnější popis chování, popřípadě studium limitních hodnot, které mohou vést k narušení toku mazacího filmu, a tudíž k potenciální změně režimu mazání. Velmi často je také daný jev zkoumán pouze na minimálním spektru kinematických podmínek či rozměrových variací. Jednou z prací, která se podrobněji věnuje vlivu geometrie, je práce Mouriera a kol. [33]. Autoři v ní ukazují, že velmi záleží na souhře mezi geometrií důlku a provozními podmínkami, kdy za určitých podmínek může mít důlek pozitivní dopad na tloušťku, zatímco dojde-li k jejich změně, může se důlek projevovat spíše negativně. Stejně jako v ostatních studiích ani zde není diskutován nepříznivý primární pokles tloušťky filmu v důsledku kladného prokluzu. Tento pokles by se mohl projevit na hodnotě tření, které zde zkoumáno nebylo. Pozitivní dopad texturovaného povrchu u nekonformního kontaktu byl pozorován také v práci [36], ten byl však v první fázi doprovázen také vyšším abrazivním opotřebením, což podporuje možnost negativního dopadu primárního poklesu tloušťky filmu. Zásadní poznatky z oblasti modelových důlků lze shrnout do několika bodů: Míra ovlivnění mazacího filmu je silně závislá na kombinaci hloubky a velikosti důlku, střední rychlosti, velikosti a orientaci prokluzu a taktéž na umístění důlku v kontaktní oblasti. Jako nejpříznivější stav se z hlediska ovlivnění mazacího filmu jeví záporný prokluz nebo čistý skluz, díky nimž lze dosáhnout lokálního navýšení mazacího filmu bez nežádoucího prvotního poklesu tloušťky filmu. Naopak za nejméně příznivý lze považovat kladný prokluz. Porovnáním experimentů s numerickými simulacemi se v případě mělkých důlků dosahuje poměrně dobré shody, což umožňuje velice dobře predikovat jejich chování při různých kinematických podmínkách. U hlubokých důlků však simulace v důsledku velkého poklesu tlaku selhávají. Většina prací je zaměřena na vliv důlku na tloušťku filmu za různých kinematických podmínek. Toto chování je tak již poměrně dobře pochopeno. Velkou neznámou však zůstává, zda má toto ovlivnění mazacího filmu a s tím spojené kolísání tlaku pozitivní či negativní dopad na tření Stěžejní poznatky z oblasti modelových výstupků Této modelové nerovnosti je věnována největší pozornost jak v experimentálních [23, 24, 44, 45], tak i v numerických [25, 44] pracích. Oba tyto směry dohází k závěru, že u tohoto typu nerovností velmi záleží na jeho orientaci vzhledem k unášivé rychlosti maziva. U podélně orientovaných výstupků je pozorována vlivem kinematických podmínek pouze malá deformace, která je v případě čistého valení i skluzu téměř totožná [23]. Příčně orientované výstupky však vykazují zcela odlišné chování. Při čistém valení dochází k jejich významné vertikální deformaci [42], která však není po obou stranách stejná [35]. 40

41 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ Při vstupu výstupku do kontaktní oblasti dochází k výrazné deformaci jeho přední hrany a následnému zachycení maziva v tomto místě [42, 43]. Takové chování je způsobeno prudkou změnou geometrie. Ostré přechody v geometrii mají za následek významné kolísání tlaku, čímž dochází k zachycení vysoce viskózního maziva v tomto místě. Takto zachycené mazivo pak putuje kontaktem stejnou rychlostí jako výstupek nezávisle na unášivé rychlosti maziva. Ukazuje se také, že ostré a strmé přechody představují obtížnou překážku a deformují se hůře než přechody pozvolnější [43]. U prokluzu lze pozorovat odlišné chování stejně jako v případě důlků. Při prokluzu dochází k primární deformaci výstupku a ovlivnění mazacího filmu na vstupu do kontaktu [35]. Poté následuje sekundární ovlivnění při jeho průchodu kontaktní oblastí [44]. Míra ovlivnění mazacího filmu a deformace výstupku jsou tak pro kladný a záporný prokluz zcela odlišné. Je-li výstupek rychlejší než mazivo, dochází při jeho vstupu do kontaktní oblasti k zachycení maziva na přední hraně [43] a primární deformaci výstupku, stejně jako v případě čistého valení [23]. Při průchodu kontaktní oblastí pak dochází k další deformaci díky snaze výstupku překonávat pomalejší mazivo. V tomto případě je velmi výrazně deformována jeho přední hrana. Přechodný efekt ve formě tenkého filmu se objevuje za výstupkem v okamžiku, kdy se přiblíží středu kontaktu. Tato ovlivněná oblast pak putuje dále kontaktem stejnou rychlostí jako mazivo, zanechána za výstupkem [44]. Odlišné chování lze pozorovat při kladném prokluzu, kdy dochází primárně k zachycení maziva na koncové hraně a následná deformace i ovlivnění filmu jsou vyvolány snahou rychlejšího maziva překonat výstupek, čímž výrazně deformují jeho koncovou hranu. Za podmínek čistého skluzu bylo pozorováno, že může dojít až ke kompletnímu zploštění výstupku [24]. Mechanismy deformace i ovlivnění tloušťky mazacího filmu u modelových výstupků za podmínek čistého valení pak korespondují s chováním reálného výstupku [49]. Zásadní poznatky z oblasti modelových výstupků lze shrnout do několika bodů: Výstupky představují typ nerovnosti, který se jeví z hlediska ovlivnění tloušťky mazacího filmu jako nejpřívětivější, neboť díky kinematickým podmínkám a nárůstu tlaku v kontaktu dochází k jeho výrazné vertikální deformaci, čímž klesá nebezpečí přímého kontaktu třecích povrchů. Ostré přechody v geometrii, které představují krátké vlnové délky, jež se špatně deformují, mohou i přes výraznou deformaci výstupku stále způsobovat narušení mazacího filmu. Menší sklon nerovnosti znamená pozvolnější přechod geometrie, tzn. menší překážku, menší tlakové kolísání, a tudíž i menší deformaci. Chování nerovností jako jsou výstupky lze poměrně snadno numericky modelovat. Chybí informace o vlivu tohoto typu nerovností na součinitel tření Stěžejní poznatky z oblasti modelových rýh Rýhy představují jeden z nejzajímavějších a nejvýraznějších typů nerovností, kterému je paradoxně věnována nejmenší pozornost. Stejně jako u výstupků je velmi důležitá orientace těchto nerovností vzhledem k unášivé rychlosti maziva [19, 41]. U podélně orientovaných rýh je deformace za valivých i skluzových podmínek téměř totožná a k ovlivnění mazacího filmu dochází pouze po stranách

42 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ U rýh orientovaných příčně lze v případě čistého valení pozorovat ovlivnění tloušťky mazacího filmu v blízkém okolí samotné rýhy [27], k poklesu tloušťky filmu tak dochází pouze na vedoucí hraně nerovnosti. Vertikální deformace rýhy je v takovémto případě minimální [49]. U tohoto typu nerovností stejně jako v případě důlků dochází vlivem geometrie k poklesu tlaku, jehož následkem dochází ke snížení viskozity maziva. Pokles viskozity maziva způsobí, že nedojde k vyvolání dostatečného smykového napětí pro vstup maziva do kontaktu. Takové podmínky způsobí redukci mazacího filmu [27]. Ovlivnění mazacího filmu před, popřípadě za rýhou, závisí stejně jako u ostatních modelových prvků na orientaci prokluzu. Oproti důlkům však dochází navíc k bočnímu výtoku maziva. Tento výtok způsobuje přechodové chování, které v extrémních případech vede až ke kompletnímu prolomení mazacího filmu, a tudíž k nežádoucímu kontaktu třecích povrchů [29]. Velikost ovlivněné oblasti silně závisí na čase, který rýha stráví na vstupu do kontaktní oblasti, tedy na absolutní hodnotě SRR [27]. Z hlediska ovlivnění se proto jako nejméně vhodný jeví kladný prokluz [40]. Míra ovlivnění mazacího filmu, a tudíž i velikost bočního výtoku narůstá se vzrůstající velikostí rýhy, signifikantní dopad má přitom hodnota její hloubky [40]. Velikost ovlivnění rovněž klesá s rostoucí dynamickou viskozitou použitého maziva [28, 41]. U rýh menších než je velikost kontaktní oblasti, bylo pozorováno chování velmi podobné důlkům. Tyto rýhy fungovaly jako zásobníky maziva a při průchodu kontaktní oblastí emitovaly mazivo, čímž lokálně navyšovaly tloušťku filmu [39]. Stejně jako u předchozích nerovností i u rýh koresponduje chování modelových nerovností s těmi, které byly nalezeny na reálných površích [49]. U tohoto typu nerovností se však vlivem výrazného poklesu tlaku objevuje problém s numerickými simulacemi [50]. Zásadní poznatky z oblasti modelových rýh lze shrnout do několika bodů: Rýhy, které svou délkou přesahují kontaktní oblast lze považovat za nejnebezpečnější prvky, jelikož jejich vlivem může dojít až ke kompletnímu prolomení mazacího filmu díky možnosti výtoku maziva bokem rýhy. Míra ovlivnění tloušťky mazacího filmu silně závisí na velikosti a orientaci rýhy vzhledem k unášivé rychlosti maziva. K prolomení dochází pouze v případě, že rýha přesahuje kontaktní oblast a mazivo může vytékat bokem rýhy. Chování mikro rýhy pak naopak pozitivně navyšuje tloušťku filmu stejně jako v případě důlků. Stejně jako u předchozích typů nerovností chybí informace o vlivu tohoto prvku na tření. 4.3 Zhodnocení poznatků ze studií věnujících se obecně nerovným povrchům Další kapitola je věnována obecně nerovným povrchům a jejich dopadu na tloušťku mazacího filmu a tření. Poslední část této kapitoly je věnována zásadním poznatkům o současném chápání přechodu do smíšeného mazání. 42

43 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ Vliv obecně nerovných povrchů na tloušťku mazacího filmu U prací, které se zaměřují na formování mazacího filmu je pozorována velice dobrá shoda v chování modelových nerovností s nerovnostmi reálnými [49, 50]. Experimentální práce se snaží pozorované chování vztáhnout na parametry, které daný povrch charakterizují jako celek. Jedná se zejména o hodnoty RMS [46] a šikmosti [52]. U obecně nerovných povrchů bylo zjištěno, že hodnota šikmosti je jedním z velmi významných parametrů, neboť, ve zjednodušeném vysvětlení, poskytuje informaci o poměru rýh a výstupků na definovaném povrchu [52]. U tohoto parametru bylo zjištěno, že pokud je povrch zastoupen převážně rýhami, jeho šikmost tedy dosahuje vyšších záporných hodnot, dochází k většímu ovlivnění mazacího filmu. Naopak u vyšší kladné šikmosti byla pozorována větší deformace povrchu, a tudíž i menší dopad na tloušťku filmu. Dále se ukazuje, že k plastické deformaci nerovností dochází zejména na vrcholcích nerovností, které se postupně zahlazují, zatímco rýhy zůstávají téměř nezměněny [53]. Díky tomuto jevu pak dochází k nárůstu hodnoty šikmosti daného povrchu. U podélně orientovaných nerovností se stejně jako u modelových výstupků [23] zdá být jejich deformace nezávislá na velikosti prokluzu [56]. U takto orientovaného povrchu se jako významný parametr jeví hloubka či vzdálenost mezi údolím a vrcholkem nerovnosti tzv. peak-to-walley [57]. Čím je tato hodnota větší, tím nižších hodnot tloušťky filmu bylo při experimentech dosaženo. Dalším určujícím parametrem se jeví ostrost vrcholků nerovností. Při stejné hodnotě RMS dosahují povrchy s ostřejšími špičkami nižších hodnot tlouštěk filmu Vliv obecně nerovných povrchů na součinitel tření Studie věnující se povrchům s obecnými nerovnostmi se zaměřují převážně na jejich deformaci a dále pak dopadu těchto nerovností na součinitel tření. V případě modelových nerovností není krom studií zaměřených na texturování povrchu tření zohledněno. Jako jeden z významných parametrů na vývoj součinitele tření se jeví šikmost povrchu [52]. U povrchů s vyšší zápornou hodnotou šikmosti byly pozorovány nižší hodnoty tření v oblasti smíšeného mazání [52]. U vyšší hodnoty kladné šikmosti dochází sice k větší deformaci povrchu, ale také ke vzniku výrazných tlakových špiček, které mají za následek vyšší hodnoty tření. Rovněž narůstá i součinitel tření v případě ostřejších špiček na vrcholcích nerovností, což je způsobeno především větším počtem prvků v přímém kontaktu [56]. Dopad na součinitel tření má také hodnota peak-to-walley [57] Ze studií zaměřených na obecně nerovné povrchy lze vyvodit tyto stěžení závěry: Negativní dopad rýh či primárně rýhovaných povrchů na tloušťku filmu může mít za následek dřívější přechod do smíšeného mazání, avšak v tomto režimu pak mohou takové povrchy vykazovat nižší hodnoty tření při porovnání s hladkým či rovnoměrným povrchem. Získané poznatky naznačují, že dopady nerovností na tloušťku filmu i tření jsou vzájemně propojeny a je tedy potřeba je studovat společně. 43

44 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ 4.4 Přístup k hodnocení přechodu do smíšeného mazání S ohledem na diskusi jednotlivých studií nad přechodem do smíšeného mazání je nezbytné definovat, obecně rozšířený pohled na tuto problematiku. Jeden z obecných přístupů, jak lze přechod do smíšeného mazání pro nerovné povrchy definovat, je založen na parametru mazání. Tento parametr dává do vztahu tloušťku mazacího filmu a nedeformovanou drsnost povrchu Λ = h/rms [15]. Přechod mezi kapalinovým a smíšeným mazáním je poté charakterizován na základě Stribeckovy křivky v místě, kdy dochází k nárůstu součinitele tření. Tento přechod je nejčastěji charakterizován hodnotou parametru mazání odpovídající Λ 3 [16]. Tato hodnota byla stanovena na základě testů opotřebení, které při této hodnotě odhalovaly prvotní známky opotřebení [59]. Tento přístup pak následně nesčetněkrát experimentálně ověřován, a bylo zjištěno, že se nárůst tření skutečně pohybuje okolo hodnoty Λ 3 [56]. Problémem však zůstává, že toto hodnocení, založeno ze své podstaty na průběhu tření, je obecně chápáno jako přechod do smíšeného mazání. Při uvážení obecně platné teorie smíšeného mazání je však přechod do smíšeného mazání definován primárně na základě prvotního kontaktu mezi třecími povrhy [16]. Je tedy založen spíše na vývoji tloušťky mazacího filmu oddělujícího povrchy. Prvotní kontakt mezi povrchy se skutečně jeví jako přirozené a také velmi pravděpodobné vysvětlení onoho pozorovaného nárůstu tření. I přes tyto úvahy však nebylo toto tvrzení doposud experimentálně prokázáno. Otázkou tedy zůstává, zda v okamžiku nárůstu tření skutečně dochází také k prvotnímu kontaktu mezi třecími povrchy, nebo zda je tento nárůst tření způsoben nečním zcela jiným. Řada numerických i experimentální prací staví své modely či predikce o vývoji tření v oblasti přechodu do smíšeného mazání na výše zmíněném předpokladu, že lze smíšené mazání chápat jako kombinaci složek mazání mezného a kapalinového. Z této úvahy poté vychází zjednodušené predikce [58], i složitější numerické modely [60-63], v nichž je proporcionalita mezi těmito složkami definována na základě procenta plochy v přímém kontaktu a procenta plochy stále plně odděleného mazacím filmem, viz rovnice (5). Tento koncept předpokládá, že v případě kapalinového mazání je tření závislé pouze na tření v samotné kapalině. V okamžiku prvotního kontaktu se k této hodnotě přidává také složka mazání mezného, jejíž příspěvek je definován právě procentem plochy v přímém kontaktu. Tento kontakt pak způsobí již zmíněný nárůst součinitele tření. Opět tedy dochází k propojení nárůstu tření a prvotního kontaktu. Dochází tak ke spojení informací o tloušťce filmu oddělující povrchy a součiniteli tření, které však spolu prozatím experimentálně studovány nebyly. Jak se ukazuje v práci Guegana a kol. z roku 2016 [57], nárůst tření nemusí být nezbytně spojen s kontaktem třecích povrchů. Nárůst tření by podle této studie mohl být vyvolán např. micro-ehd mazáním, které vzniká na vrcholcích jednotlivých nerovností, což vede k nárůstu tření ještě před vzájemným kontaktem třecích povrchů. 44

45 ANALÝZA, INTERPRETACE A ZHODNOCENÍ POZNATKŮ 4.5 Stěžejní závěry plynoucí z rešerše 4.5 Ze získaných poznatků o vlivu povrchových nerovností na proces mazání a tření lze vyvodit tyto stěžení závěry: Chování (deformace) některých typů nerovností, jako jsou výstupky či mělké důlky, lze poměrně dobře numericky simulovat. Hluboké důlky a rýhy reprezentují, díky velmi výraznému dopadu na rozložení tlaku, povrchové nerovnosti, u kterých tato predikce selhává. Z tohoto důvodu je nutné chování těchto nerovností studovat detailněji, a to převážně za podmínek, kdy mohou způsobit kolaps mazacího filmu. Oblast modelových nerovností je z pohledu tloušťky mazacího filmu relativně dobře zmapována. Chybí ovšem studie věnující se dopadu těchto nerovností na součinitel tření, neboť jak se ukazuje, tyto nerovnosti mají významný vliv na kolísání tlaku uvnitř kontaktu, což může ovlivnit viskozitu maziva a tím i samotnou hodnotu tření. Řada numerických a experimentálních prací zakládá své simulace či predikce na předpokladu, že je nárůst tření způsoben prvotním kontaktem mezi třecími povrchy. Tyto úvahy staví na základě teorie smíšeného mazání a experimentů věnujících se tomuto přechodu výhradně z pohledu tření či opotřebení. Ověření, zda nárůst tření skutečně souvisí s prvotním kontaktem mezi povrchy, doposud provedeno nebylo. 45

46 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ 5 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Podstata disertační práce spočívá v rozšíření dosavadního stavu poznání v oblasti povrchových nerovností, jejich vlivu na vývoj mazacího filmu a součinitele tření u nekonformně zakřivených těles. V této oblasti existuje stále ještě řada nezodpovězených otázek, kterým je potřeba věnovat pozornost. 5.1 Zaměření disertační práce Obecně platná teorie smíšeného mazání uvažuje odchylku od kapalinového tření, tj. nárůst tření v důsledku prvotního kontaktu mezi třecími povrchy. Na základě toho se objevuje úvaha, že lze vývoj součinitele tření v oblasti smíšeného mazání definovat jako kombinaci tření kapalinového a tření v důsledku přímého styku mezi povrchovými nerovnostmi. Tento přístup však nebyl doposud experimentálně ověřen. 5.2 Cíl disertační práce Cílem disertační práce je experimentální verifikace přístupu k hodnocení přechodu do smíšeného mazání, který na základě obecně platné teorie uvažuje nárůst tření v důsledku přímého kontaktu mezi třecími povrchy. Jedním z cílů je objasnit tento přechod pro z pohledu obecně nerovných povrchů. Dalším cílem je určit velikost příspěvku modelových nerovností na výslednou hodnotu součinitele tření v oblasti elastohydrodynamického mazání. Pro dosažení požadovaného cíle je potřeba splnit dílčí cíle, které jsou rozděleny do dvou částí: Obecně nerovné povrchy (stochastický přístup) Tvorba vzorků s uniformní strukturou povrchu Metodika a algoritmus plošného vyhodnocování tloušťky mazacího filmu Stanovení metodiky hodnocení přírůstku součinitele tření vyvolaného přímým kontaktem povrchových nerovností Provedení úvodních měření za účelem ověření metodiky Provedení série experimentů s referenčními mazivy Provedení ověřovacích experimentů Izolované nerovnosti (deterministický přístup) Tvorba modelových nerovností Úprava zařízení s cílem synchronizace záznamu součinitele tření a tloušťky mazacího filmu Provedení úvodních měření pro vybrané modelové prvky Studium modelových nerovností za různých kinematických podmínek. 46

47 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ V návaznosti na závěry z kritické rešerše a vydefinované cíle disertační práce jsou formulovány následující vědecké otázky a pracovní hypotézy: Vědecká otázka č. 1 Koresponduje nárůst tření, který je obecně považován za přechod do smíšeného mazání, s prvotním kontaktem mezi třecími povrchy? Pracovní hypotéza č. 1 Na základě informací o vývoji tloušťky mazacího filmu a součinitele tření lze verifikovat, zda je nárůst tření skutečně vyvolán přímým stykem mezi třecími povrchy. Odůvodnění pracovní hypotézy č. 1 V rámci současného pojetí smíšeného mazání vzniká úvaha, že k nárůstu tření při nízkých rychlostech dochází v důsledku prvotního kontaktu mezi třecími povrchy. Na základě této úvahy se poté hovoří o tzv. přechodu do smíšeného mazání. Spojitost mezi prvotním kontaktem a nárůstem tření však doposud nebyla experimentálně ověřena. Možnost, že je tato úvaha mylná, podporují výsledky práce Guegana a kol. [57], kde k nárůstu tření a prvotnímu kontaktu dochází při zcela odlišných rychlostech. Vědecká otázka č. 2 Lze definovat průběh součinitele tření v oblasti smíšeného mazání na základě superpozice třecích složek kapalinového a mezného mazání, při zohlednění jejich příspěvku na základě velikosti plochy v přímém kontaktu? Pracovní hypotéza č. 2 Porovnáním experimentálních dat s predikcí založenou na předpokladu nezávislého přispění jednotlivých složek tření, které definují jeho celkovou hodnotu v oblasti smíšeného mazání, lze potvrdit vhodnost tohoto přístupu pro případ povrchů s uniformní strukturou. Odůvodnění pracovní hypotézy č. 2 V řadě numerických prací [60, 61], stejně tak v práci experimentální [58] je využívána pro definování součinitele tření v oblasti smíšeného mazání metoda superpozice, přisuzující různou váhu jednotlivým složkám kapalinového a mezného tření. Přispění těchto složek je poté definováno na základě plochy, přes kterou je zatížení přenášeno stykem třecích povrchů a plochou, na které je zatížení přenášeno hydrodynamickým působením maziva viz rovnice (5). Experimentální ověření tohoto přístupu však prozatím provedeno nebylo. 47

48 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Vědecká otázka č. 3 Jaký dopad má kolísání tlaku způsobené vstupem nerovností do kontaktní oblasti na výslednou hodnotu součinitele tření? Pracovní hypotéza č. 3 Propojením informace o vývoji tření a tloušťky mazacího filmu pro jednotlivé modelové nerovnosti, při jejich průchodu kontaktní oblastí, lze určit velikost příspěvku těchto nerovností na výslednou hodnotu součinitele tření. Odůvodnění pracovní hypotézy č. 3 Velká část prací zaměřených na izolované nerovnosti se věnuje pouze jejich deformaci, což lze chápat jako analogii k tloušťce mazacího filmu [24, 30]. Různé prvky jsou deformovány odlišně, a tudíž i různou měrou pozitivně či negativně ovlivňují tloušťku mazacího filmu. Vlivem změny geometrie dochází také při vstupu nerovnosti do kontaktu k výrazným tlakovým fluktuacím [33], které mohou mít zásadní vliv na výslednou hodnotu součinitele tření či jeho nárůst před samotným přímým kontaktem mezi povrchy. 48

49 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ 5.3 Způsob řešení a použité metody 5.3 Při samotné realizaci práce bude potřeba projít několika stěžejními fázemi. Vědecká část je složena ze sběru dat, následné analýzy získaných výsledků a jejich kritického posouzení. Postup řešení ilustruje následující schéma (Obr. 5-1). Obr. 5-1 Schématické znázornění postupu Fáze přípravy Tvorba experimentálních vzorků V první fázi bude potřeba vytvořit modelové nerovnosti na površích testovaných kuliček. Jako materiál kuličky bude použita výhradně ložisková ocel AISI 52100, neboť ve výše zmíněných studiích jsou ložiskové oceli nejpoužívanějším materiálem pro tvorbu experimentálních vzorků. U izolovaných nerovností je jedním z možných přístupů využití nástroje s diamantovým hrotem ve formě indentoru (Rockwell, Vickers, aj.), jejichž geometrie je přesně definována. S využitím zařízení UMT TriboLab od firmy Bruker a přípravku pro uchycení kuličky lze řízenou silou cíleně deformovat povrch kuličky pro dosažení požadované geometrie nerovnosti (Obr. 5-2). Požadovaná hloubka vniku bude kontrolována zatěžující silou regulovanou v reálném čase. Rýhování povrchu lze dosáhnout pootočením kuličky. Při procesu vytváření rýh či důlků dochází následkem vniku indentoru do povrchu kuličky k její plastické deformaci, která s sebou však nese nežádoucí vytečení materiálu a vytvoření vyvýšených ramen po stranách modelové nerovnosti. Takto vytečený materiál je třeba před experimenty odstranit přeleštěním povrchu pomocí diamantových past s velikosti zrna 5/3, 3/2 a 1/0. V případě výstupků se bude jednat o zakázkovou výrobu externí firmou dle přesně definovaných parametrů. Všechny tyto nerovnosti budou charakterizovány pomocí hlavních rozměrů, jak jsou hloubka, výška a šířka. Obr. 5-2 Schématické znázornění postupu při výrobě modelové nerovnosti 49

50 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ U obecně nerovných povrchů dojde k vytvoření uniformní struktury po obvodu zvolené kuličky za pomoci výše zmíněných leštících past a speciálního leštícího nástroje. Změnou velikosti zrn bude možné dosáhnout odlišných hodnot drsností. Za konstantního otáčení kuličky a leštícího nástroje bude cíleně modifikována drsnost kuličky pouze v místech, která budu procházet při experimentu kontaktem. Vrtání kuličky umožní její uchycení při procesu tvorby požadovaného povrchu ve stejné pozici, v jaké budou následně prováděny experimenty. Vzniklá geometrie bude průběžně kontrolována s využitím optického profilometru ContourGT-X od firmy Bruker. V případě nerovného povrchu bude měření prováděno po celém obvodu na několika místech a výsledné charakteristiky budou představovat průměrné hodnoty získané z dané sady měření. Charakteristika povrchu bude definována hodnotou drsnosti Rq, šikmosti Rsk a špičatosti Rku povrchu. Finální rozměry nerovnosti či hodnoty jednotlivých parametrů povrchu budou sloužit jako vstupy do následné analýzy. Volba maziva a experimentálních podmínek Pro prvotní experimenty bude použit minerální základový olej bez aditiv SR90. Tento olej je použit jako výchozí z důvodu dobře známého chování. V dalším kroku dojde k rozšíření portfolia o další maziva. Přidány budou jak základové oleje, tak i maziva referenční vydefinované na základě předchozí rešerše. U referenčních maziv bude kladen důraz na dobře popsané a pochopené chování v případě velmi tenkých filmů předchozími studiemi. Cílem je ověřit či vyvrátit pozorované chování v prvotním měření a dále pak získat dostatečné množství informací pro vyvození relevantních závěrů. Kinematické podmínky budou v případě nerovných povrchů definovány hodnotou prokluzu a stření rychlostí maziva. Střední rychlost maziva bude stanovena na základě predikce vývoje tloušťky filmu pomocí Hamrock-Dowsonovy formule pro kruhový EHL kontakt [47]. Cílem bude pokrýt vývoj tloušťky mazacího filmu od kompletního oddělení povrchů až po jejich vzájemný kontakt. Pro prvotní experimenty bude uvažována hodnota prokluzu SRR = ± 0,1, neboť tato hodnota poskytuje dobrou stabilitu pro měření a také se blíží podmínkám, které nastávají při provozu v reálných aplikacích, např. u valivých ložisek. V případě modelových nerovností bude studováno chování jak za podmínek čistého valení, tak i pro široké spektrum hodnot SRR, při kterých se nejvíce projeví ovlivnění mazacího filmu. Kontaktní tlak se bude pohybovat stejně jako v předchozích studií věnovaných této problematice okolo 0,5 GPa, čemuž bude uzpůsobeno také aplikované zatížení. V práci není zahrnut vlivu teploty, proto budou experimenty provedeny převážně při pokojové teplotě okolo 24 C. Možnost změny teploty při experimentech však není zcela vyloučena Experimentální část Samotné experimenty budou prováděny na optickém tribometru typu ball-on-disc, který je součástí vybavení laboratoří ÚK (Obr. 5-3). Modelový kontakt je zde utvářen mezi ocelovou kuličkou s modifikovaným povrchem a diskem z optického skla, tak jako je tomu u většiny studií věnující se dané problematice. Skleněný disk je opatřen na spodní straně tenkou vrstvou chromu a na horní straně vrstvou antireflexní. 50

51 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Díky opticky hladkému skleněnému disku je zajištěna funkčnost metody, jelikož umožňuje vhled do kontaktní oblasti. Konstrukce tohoto tribometru disponuje nezávislým pohonem kuličky i disku, což umožňuje simulovat různé kinematické podmínky, definované hodnotou prokluzu (SRR). Pomocí pákového mechanismu a výměnných závaží je možné také nastavit široké spektrum zatížení. Brozením kuličky v oleji a následným ulpíváním maziva na jejím povrchu je zajištěno dopravení maziva do místa kontaktu. Obr. 5-3 Schéma tirbometru ball-on-disc Pro mapování tloušťky mazacího filmu tribometr využívá metodu optické interferometrie, díky čemuž umožňuje s vysokou přesností mapovat rozložení mazacího filmu v kontaktu. Pro určení tloušťky filmu se využívá kombinace optické interferometrie a softwarového zpracování obrazu. Přesnost rozlišení této metody z pohledu tloušťky filmu se pohybuje na hranici 0,2 nm. Princip metody spočívá v průchodu bílého světla z lampy přes soustavu čoček, kterými je směrováno do místa kontaktu. V okamžiku, kdy paprsek světla prochází skrze disk, dochází k jeho rozdělení. Část paprsku je odražena od polopropustné vrstvy zpět do objektivu, druhá část prochází polopropustnou vrstvou, následně olejem a odráží se od povrchu kuličky. Tyto dva paprsky poté putují přes objektiv do pozorovacího místa mikroskopu, který je vybaven kamerou. Následný interferenční obrazec vzniká kombinací paprsku přímo odraženého od chromové vrstvy a paprsku odraženého od povrchu kuličky. Tloušťka filmu je poté definována extra vzdáleností, kterou musí část paprsku urazit při průchodu mazivem a následně cestou zpět. Získané interferogramy jsou poté zpracovány pomocí programu Achilles [64], ve kterém se na základě kalibrace přiřadí jednotlivým barvám odpovídající tloušťka mazacího filmu, což následně umožňuje zkoumat jeho rozložení napříč celým kontaktem. 51

52 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Tento tribometr navíc oproti svému předchůdci umožňuje snímat hodnotu krouticího momentu, který je na základě znalostí geometrie kuličky a zatížení následně převáděn na hodnoty součinitele tření. Díky tomu umožňuje sledovat součinitel tření v závislosti na natočení kuličky. V současné konfiguraci je součinitel tření definován jako průměrná hodnota tření po dobu jedné otáčky kuličky. Tato konfigurace je vyhovující pro měření tření uniformní struktury povrchu. Nevyhovující je však z hlediska modelových nerovností, kdy je potřeba zaznamenávat tření v okamžiku průchodu nerovností kontaktní oblastí. Z tohoto důvodu bude muset být experimentální aparatura upravena. Měření bude probíhat na základě skriptu, který v jednotlivých krocích definuje velikost střední rychlosti, hodnotu prokluzu a dobu setrvání na dané rychlosti. Při měření jednotlivých rychlostí tak dojde nejprve k roztočení kuličky a disku na požadovanou rychlost a následnému setrvání na této rychlosti pro ustálení podmínek. V dalším kroku dojde k sejmutí a uložení snímku. Tento postup bude následně opakován pro jednotlivé kroky s cílem pokrýt předem stanovený rozsah rychlostí. Spolu se snímkem dojde také k uložení hodnoty tření ze snímače krouticího momentu Zpracování a analýza získaných dat Dalším logickým krokem je zpracování a analýza experimentálně získaných dat. Nejprve bude jednotlivým barvám daných snímků na základě kalibrace přiřazena odpovídající tloušťka mazacího filmu. Primární zpracování bude provedeno v programu Achilles. Tento program však v současné podobě neumožnuje plošné vyhodnocování tloušťky filmu. Proto budou jednotlivé interferogramy vyexportovány v podobě matic hodnot a následně zpracovány v programu MatLab. Cílem vytvořeného skriptu bude získat z interferogramů průměrnou a minimální tloušťku mazacího filmu z přesně definované oblasti. V dalším kroku dojde ke sloučení informací o vývoji tloušťky a součinitele tření s cílem zjistit, zda k nárůstu tření dochází skutečně v důsledku přímého styku třecích povrchů či nikoliv. Díky informaci o tloušťce filmu v přesně definované oblasti bude možné také definovat procento plochy v přímém kontaktu, a to na základě míst, kde dosáhne minimální tloušťka filmu nulové hodnoty. Díky tomu bude možné porovnat získané hodnoty tření s predikcí založenou na obecném přístupu hodnocení smíšeného mazání, viz rovnice (5). U izolovaných nerovností je cílem propojení informace o vývoji tloušťky filmu a součinitele tření zjištění, zda má negativní ovlivnění mazacího filmu spojitost s vývojem součinitele tření. 5.4 Plán publikací První publikace bude zaměřena na vliv uniformní struktury povrchu na přechod do smíšeného mazání. Bude se jednat o pilotní studii, v níž dojde k propojení informací o utváření tloušťky mazacího filmu a součinitele tření. Měření budou provedeny pro čtyři povrchy s odlišnou strukturou definovanou parametry drsnosti (Rq), šikmosti (Rsk) a špičatosti (Rku). Práce bude obsahovat také porovnaní experimentálně získaného průběhu tření s predikcí založenou na znalosti procenta nerovností v přímém kontaktu. Diskutovány budou také ověřovací experimenty a celková opakovatelnost. 52

53 VYMEZENÍ CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A NÁVRH ZPŮSOBU JEJÍHO ŘEŠENÍ Číslo publikace 1 předpokládané datum odeslání 4/2018 Cíl publikace Experimentální verifikace obecně uznávaného přístupu k hodnocení tření v oblasti smíšeného mazání na základě plochy v přímém kontaktu Periodikum Tribology International Impact factor (IF) 3,246 (pro rok 2017) Navazující publikace bude stavět na poznatcích první publikace, kde využije již vytvořené vzorky kuliček. Předchozí studie bude rozšířena o další maziva s cílem získání většího množství dat pro následnou analýzu chování a vyvození patřičných závěrů. Číslo publikace 2 předpokládané datum odeslání 8/2018 Cíl publikace Přidání dalších maziv s cílem diskutovat možné jevy, ke kterým dochází při přechodu do smíšeného mazání Periodikum Tribology International Impact factor (IF) 3,246 (pro rok 2017) pozn. V závislosti na komplexnosti dané problematiky mohou být v průběhu řešení přidány další publikace na toto téma. Třetí studie bude zaměřena na chování modelových nerovností ve vysoce zatížených EHL kontaktech. Práce se bude věnovat vlivu zvolené modelové nerovnosti (rýhy a výstupky) na vývoj mazacího filmu a součinitele tření při jejím průchodu kontaktní oblastí. Optimální mazivo bude zvoleno na základě předchozích publikací. Číslo publikace 2 předpokládané datum odeslání 1/2019 Cíl publikace Objasnění dopadu ovlivnění mazacího filmu na součinitel tření při průchodu nerovnosti kontaktní oblastí. Periodikum Tribology International Impact factor (IF) 3,246 (pro rok 2017) 53

54 SOUČASNÝ STAV 6 SOUČASNÝ STAV V první fázi řešení byly provedeny pilotní experimenty s cílem potvrzení či vyvrácení předpokladu, že k nárůstu tření dochází v důsledku přímého kontaktu mezi třecími povrchy. Tyto experimenty byly provedeny s mazivem SR90 a čtyřmi kuličkami s uniformní strukturou povrchu, které bylo dosaženo za pomoci leštění. Tab. 6-1 přehledně shrnuje charakteristické hodnoty pro jednotlivé povrchy. Hodnota drsnosti Rq také obsahuje standartní odchylky získané ze sady deseti měření. Samotná měření byla prováděna za podmínek kladného i záporného prokluzu SRR = ± 0,1 v rozsahu rychlostí (0,4 až 140) mm/s. Tento rozsah rychlostí vychází z predikce centrální tloušťky filmu podle Hamrock-Dowsonovy formule pro kruhový EHL kontakt [47]. Hodnoty kladného a záporného prokluzu byly zvoleny z důvodu eliminace třecí síly v podpůrných ložiscích, která by negativně ovlivňovala výsledné hodnoty. Tab. 6-1 Charakteristické hodnoty povrchů jednotlivých kuliček Označení Rq (nm) Rsk (-) Rku (-) B1 2,1 ± 0,04-0,07 3,03 B2 3,8 ± 0,22-0,38 3,55 B3 8,5 ± 1,13-0,35 3,52 B4 15,6 ± 1,52-0,13 3,15 Pro plošné vyhodnocení tloušťky mazacího filmu byl následně vytvořen skript v programu MatLab, díky němuž je možné z exportovaných interferogramů pro jednotlivé rychlosti získat hodnoty průměrné a minimální tloušťky mazacího filmu. Výpočet těchto hodnot probíhá na přesně definované oblasti, která byla stanovena jako 90 % Hertzovy kontaktní oblasti. Tato hodnota byla zvolena s ohledem na možnou fluktuaci interferogamů v důsledku obvodového házení kuličky a také z hlediska zachování konzistence vyhodnocení a porovnatelnosti výsledků. Výstupem z tohoto skriptu je poté průměrná a minimální tloušťka filmu pro jednotlivé rychlosti. Minimální tloušťka filmu je definována jako 0,5 % z celkového rozložení tloušťky. Tato hodnota byla zvolena z důvodu eliminace nepřesností a potenciálních ústřelků, ke kterým může dojít při vyhodnocování v programu Achilles. Díky možnosti přesně stanovit velikost vyhodnocované oblasti lze také určit procento plochy, která je při dané rychlosti v přímém kontaktu s druhým povrchem. Přímý kontakt je definován v místech, kde minimální tloušťka filmu dosáhne nulové hodnoty. Schéma celého postupu vyhodnocování je znázorněno na obr Funkčnost tohoto skriptu byla ověřena při prvotním vyhodnocování a následně podložena výsledky ze série ověřovacích experimentů viz níže. Skript byl vždy aplikován na sadu interferogramů, z nichž každý reprezentoval rozložení tloušťky filmu pro danou rychlost. Celek tak vždy obsahoval 16 rychlostí v rozsahu od (0,4 až 140) mm/s. Získané hodnoty tlouštěk filmů a součinitelů tření byly poté jednotně vyneseny jako funkce rychlosti pro možnosti porovnání a vyvození závěrů. 54

55 SOUČASNÝ STAV Obr. 6-1 Schématické znázornění postupu při vyhodnocování tloušťky filmu Získané výsledky Již v prvotních experimentech se ukázalo, že propojením informace o průběhu tloušťky filmu a součinitele tření lze získat zásadní a nové informace. Porovnáním průběhu průměrné tloušťky filmu pro jednotlivé povrchy s predikcí lze pozorovat, že při velmi nízkých rychlostech dochází odklonu od této predikce. Toto chování bylo v předchozích pracích pozorováno také, načež bylo přisuzováno formování tenkého filmu mezi povrchy, tzv. imobilní vrstvy [65]. Díky informaci o průběhu minimální tloušťky filmu však lze pozorovat, že k tomuto jevu dochází spíše vlivem přímého kontaktu mezi třecími povrchy (Obr. 6-2). Konzistentní chování v podobě odklonu od predikce v okamžiku přímého kontaktu bylo pozorováno u všech testovaných povrchů. Hodnota rychlosti, kdy docházelo k odklonu, se lišila v závislosti na drsnosti daného povrchu. U drsnějších povrchů docházelo k odklonu a tudíž i ke kontaktu při vyšších rychlostech v porovnání s hladšími povrchy. Tento fakt si lze vysvětlit tak, že povrchy s výraznějšími nerovnostmi vyžadují tlustší filmy k dosažení kompletního oddělení. Obr. 6-2 Vývoj průměrné a minimální tloušťky filmu pro kuličku B4 S ohledem na pozorované chování a obecně uznávanou definici smíšeného mazání se tedy dalo předpokládat, že v místě, kde dochází k prvotnímu kontaktu mezi třecími povrchy, a také k odklonu průměrné tloušťky od predikce, bude možné pozorovat také změnu v průběhu tření. Při propojení vývoje minimální tloušťky filmu a součinitele tření však bylo pozorováno, že k nárůstu tření dochází dříve, než je detekován přímý kontakt mezi třecími povrchy (Obr. 6-3). Tento nárůst byl hodnocen na základě viskózního tření, získaného za pomoci Newtonova vztahu. 55

56 SOUČASNÝ STAV Získané poznání je však v rozporu s již zmiňovanou obecně platnou teorií smíšeného mazání, podle níž k nárůstu tření dochází v důsledku přímého kontaktu mezi třecími povrchy. Získané výsledky ovšem korespondují s poznatky ze studie Guegana a kol. [57]. Kvalitativně stejné chování, tedy nárůst tření před přímým kontaktem mezi povrchy, bylo pozorováno pro všechny testované povrchy. Obr. 6-3 Porovnání vývoje minimální tloušťky filmu a součinitele tření pro vybrané povrchy Povrchy s vyšší hodnotou drsnosti dosahovaly při experimentech vyšších hodnot tření a taktéž dřívější změny trendu. Analogicky k tomuto chování však docházelo u těchto povrchů ke kontaktu při vyšších rychlostech, jak již bylo zmíněno výše. S využitím úvahy, že k nárůstu dochází vlivem kontaktu mezi třecími povrchy, byla na základě získaných dat vytvořena predikce vycházející ze vztahu (5). Do tohoto výpočtu vstupovala hodnota viskózního tření (µehl) dopočítána podle již zmíněného vztahu a hodnota mezného tření (µbl), která byla získána experimentálně. Procentuální zastoupení plochy (A%) bylo získáno z vytvořeného skriptu. Schématické znázornění této predikce lze vidět na obr

57 SOUČASNÝ STAV Obr. 6-4 Schématické znázornění přístupu k určení součinitele tření v oblasti smíšeného mazání Z porovnání predikce s experimentálními daty bylo možné pozorovat, že ke skutečnému nárůstu tření dochází při výrazně vyšších rychlostech. Tento jev je ilustrován na obr. 6-5, pro povrch s označením B1. Kvalitativně stejné chování bylo pozorováno pro všechny testované povrhy. Obr. 6-5 Porovnání predikce a experimentu vývoje tření pro povrch B1 Pozorované chování vedlo k závěru, že k nárůstu tření nemusí nutně docházet v důsledku přímého kontaktu mezi třecími povrchy. Nabízí se tedy otázka, v důsledku čeho lze takové chování pozorovat? Na základě současných poznatků z oblasti velmi tenkých mazacích filmů byly vystavěny možné teorie, jak toto chování vysvětlit: Jako jedno z možných vysvětlení se jeví nárůst efektivní viskozity maziva v důsledku tlakových špiček vyvolaných samotnými nerovnostmi [33, 39]. Tato teorie staví na hypotéze, že přítomnost nerovností v kontaktu způsobuje fluktuaci tlaku, čímž mohou ovlivňovat viskozitu maziva a navyšovat hodnotu tření. 57