Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů M. Omasta Prezentace k obhajobě doktorské dizertační práce 18. 11. 2013 Institute of Machine and Industrial Design Faculty of Mechanical Engineering Brno University of Technology
Úvod Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů 1/22 1/22
Úvod Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů Elastohydrodynamické (EHD) mazání Kapalinné nebo smíšené tření. Významná deformace povrchů vlivem jejich nekonformity. Významná změna viskozity maziva s tlakem. Souč. tření Mezné mazání Smíšené mazání Hydrodynamické mazání Suché tření Elasto-Hydrodynamické mazání (EHD) Charakteristické číslo - µu/p 2/22 2/22
Úvod Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů Hypoidní ozubení Vychází z kuželového kola s nepřímým ozubením. Osa pastorku je odsazena: různý směr rychlostí povrchů; vyšší ztráty způsobené třením; vyšší únosnost. 3/22 3/22
Úvod Podmínky v hypoidním soukolí eliptický kontakt (zpravidla s velkým poměrem elipticity); směr unášivé rychlosti je různě natočený vůči osám kontaktní elipsy; významná skluzová složka rychlosti; různý směr skluzové a unášivé rychlosti; parametry se během záběru mění. u 1 u s ε θ δ u e 2b u 2 2a 4/22 4/22
Současný stav poznání Analýza záběru zubů v hypoidním soukolí EHD mazání za podmínek v hypoidním soukolí Výkonnové parametry ozubení Vliv sluzové rychlosti Vliv natočení unášivé rychlosti Vliv směru skluzové rychlosti Experimentální studium Numerická analýza + TCA u 2 u e u 1 u s θ 0 0 u s u 2 u e u 1 Mohammadpour, 2012 Jubault, 2003 Chittenden, 1985 5/22 5/22
Současný stav poznání Různý směr skluzové a unášivé rychlosti Způsob dosažení skluzu Cameron, 1952 WAM - Wedeven Associates, Inc. Johnson, 1977 Optický tribometr Foord, 1969 Kuwano, 1985 Twin-disc Hoehn, 2011 Numerický model Liu, 2005 6/22 6/22
Současný stav poznání Závěry Kombinace TCA a EHD numerické analýzy není vhodná pro základní popis mechanizmů utváření mazacího filmu u hypoidních převodů. Vliv skluzové rychlosti byl poměrně dobře popsán, ačkoli různé teorie, které tyto projevy popisují, jsou stále předmětem diskuzí. Vliv směru unášivé rychlosti u eliptického kontaktu byl především numericky poměrně dobře popsán, ovšem experimentálně lze tento případ (bez skluzové složky) je velmi obtížně modelovat. Vliv různého směru unášivé a skluzové rychlosti (u kruhového kontaktu) byl popsán jen velmi stroze a publikovaná zdůvodnění pozorovaných jevů neodpovídají současným poznatkům. 7/22 7/22
Vymezení cílů práce Cíl práce Popsat chování mazacího filmu a mechanizmy jeho utváření za podmínek, které se vyskytují při záběru boků zubů hypoidního soukolí. Důraz je kladen především na vliv různého směru unášivé a skluzové rychlosti u kruhového kontaktu a směru unášivé rychlosti u eliptického kontaktu. Kontakt bude simulován na modifikovaném optickém tribometru a bude použito optické interferenční metody. Vědecká otázka Jaký je vliv různého směru vektorů třecích povrchů resp. různého směru vektorů unášivé a skluzové rychlosti na rozložení tloušťky mazacího filmu? Pracovní hypotéza (paradigma) Na utváření mazacího filmu se podílí unášivá složka rychlosti ve směru valení; složka skluzové rychlosti přispívá naopak k redukci tloušťky mazacího filmu a nezáleží na jejím směru. 8/22 8/22
Metody 9/22 9/22
Metody Vektory rychlostí v kontaktu u d δ u s u e ε u b Unášivá rychlost Skluzová rychlost u1 + u e = 2 u = u u u 2 s 1 2 Vstupní parametry ӏu b ӏ ӏu d ӏ δ Výsledné parametry ӏu e ӏ ӏu s ӏ ε Rozsah podmínek δ = 0 45, 135 180 ε = 0 180 u u 0.83; 4.83 s e = Podmínky mírného skluzu vs. podmínky vysokého skluzu 10/22 10/22
Metody Kruhový kontakt h = f (SRR e ) h = f (δ) h = f (ε) SRR e = {0 4} δ = {0 45 ; 135 } ε = {0 90 } ε = 0 ; δ = 0 ε = 90 δ 45 δ 135 u s / u e = 0.83 u s / u e = 4.83 u e u s ε = 90 δ δ 45 ε δ 135 ε x u d u e θ δ u b ε Eliptický kontakt y u s h = f (δ) h = f (θ) h = f (u e ) h = f (ε) δ = {0 45 } θ = {0 90} - ε = {45 ; 90 } SRR y = konst. u s konst. ε = 90 ; δ = 45 δ 45 δ 135 u s / u e = 0.83 u s / u e = 0.83 u s / u e = 4.83 θ = 67.5 θ = 22.5 θ = 67.5 11/22 11/22
Metody Kruhový kontakt h = f (SRR e ) h = f (δ) h = f (ε) SRR e = {0 4} δ = {0 45 ; 135 } ε = {0 90 } ε = 0 ; δ = 0 ε = 90 δ 45 δ 135 u s / u e = 0.83 u s / u e = 4.83 u e u s ε = 90 δ δ 45 ε δ 135 ε x u d u e θ δ u b ε Eliptický kontakt y u s h = f (δ) h = f (θ) h = f (u e ) h = f (ε) δ = {0 45 } θ = {0 90} - ε = {45 ; 90 } SRR y = konst. u s konst. ε = 90 ; δ = 45 δ 45 δ 135 u s / u e = 0.83 u s / u e = 0.83 u s / u e = 4.83 θ = 67.5 θ = 22.5 θ = 67.5 12/22 12/22
Materiál Mechanické a fyzikální vlastnosti Sklo BK7 Safír Ocel Modul pružnosti v tahu (GPa) Poissonův poměr (-) Měrná tepelná kapacita (J*kg -1* K -1 ) Tepelná vodivost (W*m -1* K -1 ) 81 0.208 858 1.114 420 0.29 761 30 210 0.3 490 43 Mazivo 500N FVA3 Glycerol Typ oleje Další vlastnosti Viskozita η 0 (Pa*s) Při teplotě ( C) Tlakově-viskózní koeficient α (GPa -1 ) naftenický - 0.32 25 31 minerální ISO VG 100 0.23 25 19.4-99.5% GC 1.41 20 5.4 13/22 13/22
Výsledky kruhový kontakt h = f (δ); u e = 0.12 ms -1 ; p H = 0.71 GPa; sklo δ = 0 δ = 15 δ = 30 δ = 45 δ = 135 Film thickness (nm) Vertical film thickness profile, u e =0.12ms -1 450 400 350 300 250 0 200 15 30 150 45 135 h = f(δ) 100-300 -200-100 0 100 200 300 Vertical (y-axis) position (µm) Film thickness (nm) Horizontal film thickness profile, u e =0.12ms -1 450 h = f(δ) 0 400 15 30 350 45 135 300 250 200 150 100-300 -200-100 0 100 200 300 Horizontal (x-axis) position (µm) 14/22 14/22
Výsledky kruhový kontakt h = f (ε); u e = 0.12 ms -1 ; p H = 0.71 GPa; u s / u e = 0.83; sklo ε = 0 ε = 10 ε = 30 ε = 60 ε = 90 Film thickness (nm) Vertical film thickness profile, u e =0.12ms -1 450 400 350 300 250 0 200 10 30 150 60 90 h = f(ε) 100-300 -200-100 0 100 200 300 Vertical (y-axis) position (µm) Film thickness (nm) Horizontal film thickness profile, u e =0.12ms -1 450 0 400 10 30 350 60 90 300 250 200 150 100-300 -200-100 0 100 200 300 Horizontal (x-axis) position (µm) 15/22 15/22
Výsledky kruhový kontakt h = f (ε); u e = 0.2 ms -1 ; u s / u e = 4.83 u b > u d u b < u d ε = 0 ε = 30 ε = 60 ε = 90 ε = 120 ε = 150 ε = 180 Skleněný disk Safírový disk 16/22 16/22
Výsledky kruhový kontakt h = f (p); u e = 0.2 ms -1 ; u s / u e = 4.83; ε = 90 p h = 0.57 GPa p h = 0.76 GPa p h = 0.95 GPa p h = 1.11 GPa p h = 1.50 GPa Film thickness (nm) 800 700 600 500 400 Vertical film thickness profile, u e =0.24ms -1 300 0.57 GPa 200 0.76 GPa 0.95GPa 100 1.11 GPa 1.50 GPa 0-300 -200-100 0 100 200 300 Vertical (y-axis) position (µm) Film thickness (nm) Horizontal film thickness profile, u e =0.24ms -1 600 0.57 GPa 0.76 GPa 500 0.95GPa 1.11 GPa 400 1.50 GPa 300 200 100 0-300 -200-100 0 100 200 300 Horizontal (x-axis) position (µm) 17/22 17/22
Diskuze u e = 0.12 ms -1 u e = 0.16 ms -1 u e = 0.20 ms -1 u e = 0.24 ms -1 Opačný skluz Valení + skluz Čisté valení 18/22 18/22
Diskuze Mechanizmus teplotně-viskozitního klínu Teplo generované v kontaktu je vedeno kontaktními tělesy; vzhledem k relativnímu pohybu těles je profil teploty a viskozity napříč filmem axisymetrický; interakce protisměrných toků maziva o různé viskozitě vytváří nárůst tlaku a formování důlku v tloušťce mazacího filmu. 19/22 19/22
Výsledky eliptický kontakt h = f (ε); u s / u e = 4.83 ε = 90 u e = 0.025 ms -1 u e = 0.05 ms -1 u e = 0.1 ms -1 ε = 45 u e = 0.2 ms -1 u e = 0.3 ms -1 20/22 20/22
Závěry Vědecká otázka Jaký je vliv různého směru vektorů třecích povrchů resp. různého směru vektorů unášivé a skluzové rychlosti na rozložení tloušťky mazacího filmu? Pracovní hypotéza (paradigma) Na utváření mazacího filmu se podílí unášivá složka rychlosti ve směru valení; složka skluzové rychlostipřispívá naopak k redukci tloušťky mazacího filmu a nezáleží na jejím směru. Závěr Hypotéza může být potvrzena nebo falzifikována v závislosti na rozsahu podmínek, ve kterých ji uvažujeme. Část hypotézy (o funkci unášivé složky rychlosti) je pravdivá, stejně jako funkce skluzové složky v podobě redukce tloušťky mazacího filmu. Tato funkce je však mnohem komplexnější. Obecně lze tvrdit že: Pracovní hypotéza je falzifikována 21/22 21/22
Závěry Význam práce pro teorii Nově bylo prokázáno, že nejen velikost, ale také směr skluzové rychlosti má vliv na tvar mazacího filmu. Tato skutečnost nebyla dosud v publikacích diskutována. Kromě zvýšení smykového napětí, které vede k celkovému poklesu tloušťky filmu, je významný i tepelný tok kontaktem, který různý směr pohybu vektorů rychlostí povrchů způsobuje. Pro numerické ověření je nezbytné zohlednění termálních jevů v EHD modelu. Různý směr vektorů rychlostí umožňuje pozorovat a částečně odlišit jevy, které v případě pohybu ve stejném směru splývají: např.: nikoli směr skluzové rychlosti, ale směr pohybu disku s nízkou tepelnou vodivostí ovlivňuje tvar mazacího filmu v centrální oblasti kontaktu. Práce poskytuje experimentální základ pro rozšíření obecné teorie EHD mazání. Význam práce pro praxi Při běžných podmínek, které se vyskytují v hypoidních ozubeních (poměr rychlostí, materiály, úhly) lze akceptovat současný způsob predikce tloušťky filmu. Existují aplikace, kde je situace odlišná. Šnekové ozubení. 22/22 22/22
M. Omasta