Vliv povrchových nerovností na vývoj tření a tloušťky mazacího filmu v oblasti přechodu do smíšeného mazání Ing. Zapletal Tomáš Školitel: prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. Školitel specialista: Ing. Petr Šperka, Ph.D.
OBSAH PREZENTACE Motivace pro řešení Shrnutí současného stavu Vymezení cílů disertační práce Materiál a metody Současný stav Závěr 2/22
MOTIVACE PRO ŘEŠENÍ Dowson, D., 1993 advances in analysis, design and manufacture have enabled fluid-film lubricated systems to operate with films of ever decreasing thickness throughout the 20th century. mazivo Využití maziv s nízkou viskozitou Náročnější provozní podmínky Dokonalá separace třecích povrchů Počáteční kontakt třecích povrchů 3/22
CoF MOTIVACE PRO ŘEŠENÍ Mezné mazání Smíšené mazání Elastohydrodynamické mazání Tloušťka filmu 4/22
CoF MOTIVACE PRO ŘEŠENÍ Povrch s nerovností Hladký povrch Smíšené mazání Elastohydrodynamické mazání Mazání + vliv nerovností geometrie rýhy Provozní bod tlakový profil tloušťka filmu u 1 u 1 u 2 kontakt třecích povrchů Tloušťka filmu Vliv povrchových nerovností u 2 mazivo 5/22
SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU Přístupy k řešení problematiky nerovností Reálné povrchy Chování modelových nerovností Numerické studie REÁLNÉ POVRCHY MAINSAH, E., J., a kol. 2001 IZOLOVANÉ NEROVNOSTI 6/22
SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU 40 léta 80 léta Jackson, A., a kol., 1976 Wedeven, L., D., 1978 důlky skluz valení EXP. STUDIE IZOLOVANÉ NEROVNOSTI rýhy RÝHY DŮLKY VÝSTUP. 7/22
SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU 40 léta 80 léta 1992 Jackson, A., a kol., 1976 Wedeven, L., D., 1978 skluz valení EXP. STUDIE IZOLOVANÉ NEROVNOSTI prokluz SRR = 1 Guangteng, G., a kol., 1997 Kaneta, M., a kol., 1992, 1994 SRR = -1 RÝHY DŮLKY VÝSTUP. SRR = 1,5 7/22
SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU 40 léta 80 léta 1992 2000+ Jackson, A., a kol., 1976 Wedeven, L., D., 1978 tření skluz valení orientované EXP. STUDIE IZOLOVANÉ NEROVNOSTI prokluz Guangteng, G., a kol., 1997 REÁLNÉ POVRCHY tloušťka filmu Kaneta, M., a kol., 1992, 1994 obecné RÝHY DŮLKY VÝSTUP. Touche, T., a kol., 2016 Guegan, J., a kol., 2015, 2016 7/22
CoF SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU Tření a tloušťka filmu studovány odděleně IZOLOVANÉ NEROVNOSTI Relativně dobře pochopená problematika Studie zaměřeny na: Tloušťku filmu deformace nerovností REÁLNÉ POVRCHY Chování v kombinaci s dalšími prvky Tření Komplexnější problematika Studie zaměřeny na: Tloušťku filmu Tření? Tloušťka filmu Opotřebení Unášivá rychlost 8/22
CoF SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU Khonsari, M., M., 2006 Povrchové nerovnosti tloušťka filmu Smíšené mazání Elastohydrodynamické mazání Mixed lubrication commonly defines a lubrication state in which both fluid film and asperity contact exist Spikes, H., A., Oliver, A., V., 2003 Kontaktní oblast Přímý kontakt Oblast s mazivem Plocha v přímém kontaktu F mix = F EHL + F BL A EHL A BL Plocha oddělena mazacím filmem? the regime where the applied load is sheared between fill-film regions and asperity contact regions. Guegan, J., a kol., 2016 μ MIX = μ HD + μ BN μ HD 1 + Λ m Ghahnavieh, A., B., a kol., 2014 N μ MIX = A BL μ BL + A EHL μ EHL A EHL + A BL = 1 Tloušťka filmu Nárůst tření vlivem prvotního kontaktu F f = i=1 ඵ A Ci τ Ci d A Ci + ඵ A H τ H da H 9/22
VYMEZENÍ CÍLŮ DISERTAČNÍ PRÁCE Cíl disertační práce Experimentální verifikace přístupu k hodnocení přechodu do smíšeného mazání Přínos disertační práce Rozšíření poznatků o vývoji tření v oblasti přechodu do smíšeného mazání Reálné povrchy Objasnění přechodu z pohledu obecně nerovných povrchů Modelové/izolované nerovnosti Určení velikosti příspěvku modelových nerovností na výslednou hodnotu součinitele tření 10/22
CoF VYMEZENÍ CÍLŮ DISERTAČNÍ PRÁCE Vědecká otázka č. 1 Koresponduje nárůst tření, který je obecně považován za přechod do smíšeného mazání, s prvotním kontaktem mezi třecími povrchy? Smíšené mazání Elastohydrodynamické mazání 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. Nárůst tření vlivem prvotního kontaktu? Tenot, A., 1937 the rising friction in the mixed lubrication regimes was not necessarily due to dry, or solid, friction. Unášivá rychlost 11/22
VYMEZENÍ CÍLŮ DISERTAČNÍ PRÁCE 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 Kontaktní oblast Přímý kontakt Oblast s mazivem A EHL A BL 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. Plocha v přímém kontaktu μ MIX = A BL μ BL + A EHL μ EHL A EHL + A BL = 1 Plocha oddělena mazacím filmem? 12/22
VYMEZENÍ CÍLŮ DISERTAČNÍ PRÁCE 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. tlakový profil tloušťka filmu u 1 geometrie rýhy u 2 mazivo 13/22
Materiál MATERIÁL A METODY Experimentální vzorky 4 povrchy s reálnou strukturou Modelové nerovnosti Maziva Základové oleje snímač momentu Referenční maziva Metody CCD kamera objektiv Rozlišitelnost tloušťky filmu 0,2 nm Příčná rozlišitelnost = 0,456 µm zdroj světla skleněný disk pohon disku Tribometr ball-on-disc Měření tloušťky filmu Měření tření kulička mazivo řemen zatěžovací páka 14/22
Relativní kontakt Tloušťka filmu Tloušťka filmu MATERIÁL A METODY tloušťka filmu < 0,2 nm Přímý kontakt Statický kontakt = reference Matice hodnot Plošné vyhodnocení 90 % Unášivá rychlost Unášivá rychlost Běžící kontakt Matice hodnot MatLab A EHL st, A BL(st) Průměrná tloušťka filmu Minimální tloušťka filmu 1 mm/s 600x600 90 % Přímý kontakt A % = A BL(run) A BL(st) Tloušťka filmu pro každý pixel 0,456 µm A EHL run, A BL(run) Unášivá rychlost 15/22
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ PILOTNÍ STUDIE Pilotní studie SRR = ± 0,1 Valivá rychlost (1000 0,4) mm/s Zatížení = 44,5 N ( 0,6 GPa) Teplota = 24,5 C AR vrstva skleněný disk BK7 polopropustná Cr vrstva 100Cr6 kulička (25,4 mm) SR 90 0,0335 Pas Minerální olej Kulička B1 8 Kulička B2 10 RMS = 2,1 nm RMS = 3,8 nm Rsk = -0,07 Rsk = -0,38 Rku = 3,03 0 Rku = 3,55 0 Kulička B3 25 RMS = 8,5 nm Rsk = -0,35 Rku = 3,52 0 Kulička B4 RMS = 15,6 nm Rsk = -0,13 Rku = 3,15 40 0 100 µm 100 µm 100 µm 100 µm -8 nm -13 nm -32 nm -48 nm 16/22
Tloušťka filmu (nm) CoF (-) CoF (-) SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ 0.2 0.15 B1 - SR90 B2 - SR90 B3 - SR90 viskózní tření Nárůst tření pozorován před prvotním kontaktem mezi třecími povrchy 0.1 0.05 100 10 1 Min. (B1) - SR90 Min. (B2) - SR90 Min. (B3) - SR90 NEVEŘEJNÁ DATA 0 0.1 1 10 100 NEVEŘEJNÁ DATA 0.1 0.075 0.05 0.025 NEVEŘEJNÁ DATA B1 - experiment B1 - prediction predikce viscous viskózní friction tření 0 0.1 1 10 100 Unášivá rychlost (mm/s) 0.1 Skutečný nárůst tření dříve než uvažuje predikce 0.01 0.1 1 10 100 Unášivá rychlost (mm/s) μ MIX = A BL μ BL + A EHL μ EHL 17/22
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ ZÁKLADOVÉ OLEJE PLASTICKÉ MAZIVO Použitá maziva 3x základový olej 3x referenční mazivo 1x plastické mazivo SR 90 0,0335 Pas PAO6 0,0494 Pas LV 2-3 0,0463 Pas LV 2-3 Li-zahušťovadlo Minerální základový olej Syntetický základový olej Minerální základový olej Minerální olej REFERENČNÍ MAZIVA OMCTS n-hex. Squalane 0,0024 Pas 0,0031 Pas 0,0293 Pas Silikonový olej Lineární uhlovodík Rozvětvený uhlovodík 18/22
CoF (-) Tloušťka filmu (nm) CoF (-) Tloušťka filmu (nm) CoF (-) Tloušťka filmu (nm) CoF (-) Tloušťka filmu (nm) SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ 0.18 0.12 Min. (B2) - SR90 NEVEŘEJNÁ DATA CoF (B2) - SR90 100 10 1 0.18 0.12 Min. (B1) - Squalane CoF (B1) - Sq. Konzistentní chování pro různá maziva 100 10 1 0.06 SR 90 0.1 0.06 Nárůst tření pozorován před prvotním kontaktem Squalane mezi třecími povrchy 0.1 0 0.1 1 10 100 Unášivá rychlost (mm/s) 0.12 Min. (B3) - n-hex. CoF (B3) - n-hex. 0.09 0.01 100 10 0 0.1 1 10 100 Unášivá rychlost (mm/s) 0.18 Min. (B4) - PAO6 CoF (B4) - PAO6 0.12 0.01 100 10 0.06 n-hex. NEVEŘEJNÁ DATA 1 0.1 0.06 PAO6 NEVEŘEJNÁ DATA 1 0.1 0.03 0.01 10 100 1000 Unášivá rychlost (mm/s) 0 0.1 1 10 100 Unášivá rychlost (mm/s) 19/22 0.01
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ PUBLIKACE (VYDANÉ) ZAPLETAL, T.; ŠPERKA, P.; KŘUPKA, I.; HARTL, M. The effect of surface grooves on transition to mixed lubrication. Tribology International, 2017, roč. 114, č. 1, s. 409-417. ISSN: 0301-679X. (IF 3,246) ZAPLETAL, T.; ŠPERKA, P.; KŘUPKA, I.; HARTL, M. The effect of surface roughness on friction and film thickness in transition from EHL to mixed lubrication. Tribology International, 2018, roč. 128, č. 1, s. 356-364. ISSN: 1879-2464. (IF 3,246) PUBLIKACE (PŘIPRAVOVANÉ) ZAPLETAL, T.; ŠPERKA, P.; KŘUPKA, I.; HARTL, M. On the transition from thickener to base oil dominant behaviour in friction and film thickness for Li-soap grease. (Odesláno 5. 12. 2018 do Triblology Letters; IF 2,182) ZAPLETAL, T.; ŠPERKA, P.; KŘUPKA, I.; HARTL, M. Film Thickness and Friction in Terms of Transition from Elastohydrodynamic to Boundary Lubrication. (Finální revize školitele) 20/22
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ Prezentace získaných výsledků 21st International Colloquium Tribology - Industrial and Automotive Lubrication; Esslingen, Německo, 2018 International Bearing Conference; Kaiserslautern, Německo, 2018 STLE Tribology Frontiers Conference, Chicago, Illinois (USA), 2018 ECOTRIB European Conference on Tribology, Vídeň, 2019 46 th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Lyon, 2019 21/22
ZÁVĚR Shrnutí Vymezení se vůči předchozím studiím s cílem zaplnit slepé místo v oblasti přechodu do smíšeného mazání Prezentována metodika, která povede k dosažení definovaného cíle Provedení pilotní studie i experimentů s dalšími mazivy Hlavní doposud získané poznatky K nárůstu tření dochází dříve, než je pozorován prvotní kontakt mezi třecími povrchy Kvalitativně konzistentní chování pro různé základové oleje i referenční kapaliny 22/22
Děkuji Vám za pozornost Tomáš Zapletal, Ing.