Profesorská přednáška. Doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D.

Podobné dokumenty
TRIBOLOGIE. představení výzkumné skupiny. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ v BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů

Studium přechodových p v mazacích ch filmech vysokorychlostní barevnou kamerou

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ ÚK

Experimentální studium utváření mazacích filmů při reverzaci a rozběhu třecích povrchů

Aplikace barevného vidění ve studiu elastohydrodynamického mazání

Vliv povrchových nerovností na utváření velmi tenkých mazacích filmů na hranici přechodu do smíšeného mazání

Konstrukce optického mikroviskozimetru

Problematika disertační práce a současný stav řešení

Konstrukce optického mikroviskozimetru

Experimentální studium chování mazacích filmů kontaminovaných vodou

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování. Ing. Ivan Křupka, Ph.D.

Formování tloušťky filmu v elastohydrodynamicky mazaných poddajných kontaktech

Doktorské studium na Ústavu konstruování v akademickém roku 2010/2011

Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů

Studium tenkých mazacích filmů spektroskopickou reflektometrií

TRIBOLOGIE. představení výzkumné skupiny. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ v BRNĚ

Metody modifikace topografie strojních prvků

Michal Vaverka: Přehled řešených projektů

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM CHOVÁNÍ MAZACÍCH FILMŮ KONTAMINOVANÝCH VODOU

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM CHOVÁNÍ MAZACÍCH FILMŮ KONTAMINOVANÝCH VODOU

STUDIUM A MĚŘENÍ VELMI TENKÝCH MAZACÍCH FILMŮ

Studium tenkých mazacích filmů spektroskopickou reflektrometrií

Témata doktorského studia pro akademický rok 2011/2012

Edice Habilitační a inaugurační spisy, sv. 187 ISSN X. Martin Hartl ELASTOHYDRODYNAMICKÉ MAZACÍ FILMY

Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů

Problematika dizertační práce a současný stav řešení

Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů. Pojednání ke Státní doktorské zkoušce. M. Omasta

Problematika disertační práce a současný stav řešení

VLIV POVRCHOVÝCH RÝH NA MAZÁNÍ BODOVÝCH KONTAKTŮ

Aplikace spektroskopické reflektometrie při studiu elastohydrodynamického mazání

Experimentální studium chování mazacích filmů kontaminovaných vodou. Ing. Daniel Koutný

Studium smykově namáhaných elastohydrodynamických mazacích filmů za tranzientních podmínek

Studium smykově namáhaných elastohydrodynamických mazacích filmů za tranzientních podmínek

Snížení tření a opotřebení strojních částí cílenou modifikací třecích povrchů

In-situ studium změny topografie třecích povrchů v elastohydrodynamickém kontaktu

v akademickém roku 2009/2010 Ústav konstruování, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně

Aplikace barevného vidění při studiu elastohydrodynamického mazání

Mechanická modifikace topografie strojních součástí

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování. Ing. Martin Hartl, Ph.D. MĚŘENÍ A STUDIUM VELMI TENKÝCH MAZACÍCH FILMŮ

Prezentace odboru metodiky konstruování

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

[D] Konstrukční a procesní inženýrství.

Abyste mohli dělat věci jinak, musíte je jinak i vidět Paul Allaire

Elastohydrodynamické mazání poddajných třecích povrchů

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

Vysoké učení technické v Brně Brno University of Technology

Vliv povrchových nerovností na vývoj tření a tloušťky mazacího filmu v oblasti přechodu do smíšeného mazání

OMYLY V CITÁTECH Tyto následující omyly v citátech jsou zajímavým dokladem toho, jak křivolaké můžou být cesty lidské fantazie a vědeckých teorií:

Chování EHD mazacího filmu při náhlých změnách rychlosti a zatížení

JAK MĚNÍ ADITIVNÍ TECHNOLOGIE VÝUKU?

Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů

ROZLOŽENÍ TLOUŠŤKY MAZACÍHO FILMU PŘI ROZBĚHU HLADKÝCH TŘECÍCH POVRCHŮ.

Strojní součásti ČÁSTI STROJŮ R

Valivé ložisko klíč k vyšší účinnosti

VALIVÁ LOŽISKA Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 8

Bakalářská práce na ÚK. Myslete na budoucnost

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Nové trendy v konstrukci pístů spalovacích motorů z hlediska tribologie

VLIV REOLOGIE MAZIV NA TLOUŠŤKU MAZACÍHO FILMU

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM TOKU MAZIVA V BODOVÉM KONTAKTU Kryštof Dočkal

Cílená modifikace topografie, tloušťka mazacího filmu, prokluz, vysokorychlostní záznamová technika.

Korelace změny signálu AE s rozvojem kontaktního poškození

KLÍČOVÁ SLOVA elastohydrodynamické mazání, nehladké povrchy, mazací vrstva, kontaktní tlak, numerická simulace, vícevrstvé numerické metody

Vliv složení třecí vrstvy na tribologii kontaktu kola a kolejnice

Interní doktorandi. Interní zaměstnanci. Externí doktorandi. Odbor metodiky konstruování. Personální zabezpečení

Vysoké u ení technické v Brn

VLIV CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE NA NEDOSTATEČNĚ MAZANÝ KONTAKT

4. seminář ÚK /22. FSI VUT v Brně Ústav konstruování. Michal Vaverka října.

Konstrukční inženýrství

Modifikace tření v kontaktu kola a kolejnice

In-situ studium změny topografie třecích povrchů v elastohydrodynamickém

Abyste mohli dělat věci jinak, musíte je jinak i vidět Paul Allaire

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

POKROČILÉ PROBLÉMY ELASTOHYDRODYNAMIKY ADVANCED PROBLEMS IN ELASTOHYDRODYNAMICS

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM UTVÁŘENÍ MAZACÍCH FILMŮ PŘI REVERZACI A ROZBĚHU TŘECÍCH POVRCHŮ

ABSTRAKT KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRACT KEYWORDS BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

Vysoké učení technické v Brně Brno University of Technology

KONSTRUKČNÍ INŽENÝRSTVÍ. Učíme věci jinak

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Pojednání ke státní doktorské zkoušce. Vliv topografie třecích povrchů na funkci kluzných ložisek

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY STUDIUM PŘECHODOVÝCH JEVŮ MEZI ZCELA ELASTOHYDRODYNAMICKY MAZANÝMM KONTAKTEM

1 VYMEZENÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY A PŘEDBĚŽNÉHO CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE...5

Vysoké učení technické v Brně Brno University of Technology. Konstrukce optického mikroviskozimetru

Elastohydrodynamické mazání za podmínek hladovění

VLIV ZPŮSOBŮ OHŘEVU NA TEPLOTNÍ DEGRADACI TENKÝCH OTĚRUVZDORNÝCH PVD VRSTEV ZJIŠŤOVANÝCH POMOCÍ VYBRANÝCH METOD

Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování / Odbor metodiky konstruování

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Zvyšování kvality výuky technických oborů

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM UTVÁŘENÍ MAZACÍHO FILMU V SYNOVIÁLNÍM KLOUBU

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ. V Brně dne..

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

Dimenzování pohonů. Parametry a vztahy používané při návrhu servopohonů.

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Optické metody a jejich aplikace v kompozitech s polymerní matricí

Transkript:

VELMI TENKÉ ELASTOHYDRODYNAMICKÉ MAZACÍ FILMY Profesorská přednáška Doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ 2006

Snad jednou, až se naplní čas, bude odhalení a studium režimu kapalinového mazání označovaného jako elastohydrodynamické, oceněno jako jeden z nejvýznamnějších objevů tribologie dvacátého století. Duncan Dowson, History of Tribology, 979

Obsah Historický vývoj problémů tření a mazání u strojů Elastohydrodynamické mazání Teorie hydrodynamického mazání Charakteristické znaky liniového a bodového kontaktu Vývoj tlouštěk mazacích filmů Interferometrie mazacích filmů Princip metody Techniky používané pro měření tenkých filmů Kolorimetrická interferometrie Měření velmi tenkých mazacích filmů Hladké povrchy Nehladké povrchy Reálné povrchy Další rozvoj elastohydrodynamického mazání a koncepce výuky 2 3 4 5 6 7

Historický vývoj problémů tření a mazání Doba kamenná Smyčcový vrták Ložisko hrnčířského kruhu období paleolitu Jericho, 2000 př.n.l. Curtis, E. S. 9 2 3 4 5 6 7

Historický vývoj problémů tření a mazání Egypt, období Střední říše Nástěnný obraz z hrobu Džehutihotepa el-berša, 880 př.n.l. http://www.osirisnet.net/ 2 3 4 5 6 7

Historický vývoj problémů tření a mazání Římská říše Axiální kuličkové ložisko z římské lodě jezero Nemi, 54 až 44 př.n.l. Ucelli, G. Le Navi Di Nemi, 950 2 3 4 5 6 7

Historický vývoj problémů tření a mazání Leonardo da Vinci Studie tření Kotoučové ložisko Codex Atlanticus 2 3 4 5 6 Codex Madrid I 7 Ložisková klec Harris, T. A. 200

Historický vývoj problémů tření a mazání První patenty valivých ložisek Válečkové ložisko Uložení nápravy pomocí kuličkových ložisek Garnett, J. 787 Pat. GB 580 Vaughan, P. Pat. GB 2006, 794 Varlo, C. 772 2 3 4 5 6 7

Elastohydrodynamické mazání Teorie hydrodynamického mazání Towerův experiment s radiálním kluzným ložiskem Reynoldsův výpočet Tower, B. Proc. Instn mech. Engrs., 884 2 3 4 5 6 7 Reynolds, O. Phil. Trans. R. Soc., 886

Elastohydrodynamické mazání Charakteristické znaky Martin, 96 tuhé povrchy, izoviskózní mazivo Hertz, 88 elastické povrchy, suchý kontakt Grubin, 949; Petrusevič, 95 elastické povrchy, piezoviskózní mazivo 8 9 2 3 4

Elastohydrodynamické mazání Liniový izotermický kontakt α E ' bezr. par. materiálů bezr. par. rychlosti H min = 2,65 uη 0 E 'R G 0,54U 0, 70 W 0,3 L w E 'R h bezr. tloušťka mazacího filmu R bezr. par. zatížení 8 Podmínky v EHD kontaktu: Tloušťka filmu závisí zejména na: viskozitě maziva ve vstupní oblasti kontaktu η0 průměrné rychlosti třecích povrchů ve směru pohybu u kluzně valivé tření doba průchodu maziva -4 s max. Hertzův tlak 0,5 až 4 GPa smykový spád 6 až 8 s- 9 2 3 4

Elastohydrodynamické mazání Bodový izotermický kontakt 8 Rozložení tloušťky filmu Rozložení tlaku minimální tloušťka filmu druhé tlakové maximum 9 2 3 4

Elastohydrodynamické mazání Vývoj tlouštěk mazacích filmů 8 9 Hydrodynamická kluzná ložiska konec 9. století 0 μm až μm Kliková kluzná ložiska první polovina 20. století asi μm Elastohydrodynamicky mazané součásti druhá polovina 20. století μm až 0, μm Hydrodynamicky mazaná paměťová média konec 20. století 0,0 μm až 0,00 μm Mikroelektromechanické systémy (MEMS) počátek 2. století až 0,00 μm 2 3 4

Interferometrie mazacích filmů Princip měření tloušťky mazacího filmu Porovnávání Konvenční Spacer Proužky layer stejného interferometrie interfer. interferometrie chromat. barev řádu Gohar Spikes Westlake Johnston, Cann, a Cameron awayte Cameron a Hutchinson a963 Spikes 96799 996 Experimentální zařízení pro měření tloušťky filmu Cameron, A.; Gohar, R. Proc. R. Soc. Lond. A., 966 8 9 2 3 4

Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně mikroskopový zobrazovací systém EHD simulátor 8 9 2 3 4

Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně skleněný, safírový disk 2 ocelová, WC kulička ø25.4 mm 7 3 servomotory 4 rotační enkodér 5 6 5 mikroskop 3 4 3 2 6 xenonová výbojka 7 digitální kamera 8 9 2 3 4

Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně Stanovení topografie povrchu Mirauův interferenční objektiv piezoelektrický posuv Stanovení tloušťky filmu mikroskopový objektiv 5 6 7 8 9 20 2

Interferometrie mazacích filmů Kolorimetrická interferometrie Monochromatický interferogram statického kontaktu Geometrie statického kontaktu Chromatický interferogram statického kontaktu L, a, b vs. tloušťka filmu Interferogram EHD kontaktu Rozložení tloušťky filmu Tloušťka vs. rychlost central film thickness, nm 00 0 Exp H-D 0.0000 0.000 0.00 0.0 0. rolling speed, m/s 5 6 7 8 9 20 2

Interferometrie mazacích filmů Interferometrie s řízenou změnou fáze Interferogramy povrchu kuličky α= 0 α2= π/2 α3= π α4= 3π/2 α5= 2π Stanovení výšky povrchových nerovností Schwider, J. et al. Applied Optics, 983 ć 2I2 ( x, y ) 2I4 (x, y ) ć λ h( x, y ) = arctg č 4π ř č 2I3 (x, y ) I5 (x, y ) I(x, y ) ř Rekonstrukce topografie povrchu kuličky detail rozvinutí 5 6 7 8 9 20 2

Měření velmi tenkých mazacích filmů Meze platnosti elastohydrodynamické teorie Hexadekan Naftenický základový olej η0 = 0,42 Pa s, α = 35 GPa- t = 40 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo η0 = 0,00 Pa s, α = 3 GPa- t = 25 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo 00 centrální tloušťka filmu, nm centrální tloušťka filmu, nm 0 0.00 0.0 0. 0 0.0000 rychlost, m/s 6 7 8 9 20 0.00 0.0 0. rychlost, m/s hc = Kα 5 0.000 2 0,53 0,67 0 η u0,67

Měření velmi tenkých mazacích filmů Mezné filmy Oktamethylcyklotetrasiloxan Mobil Jet Oil II η0 = 0,0024 Pa s, α = 22 GPa- t = 25 C, ph=0,5 GPa, ocel-sklo η0 = 0,032 Pa s, α = 5 GPa- t = 25 C, ph = 0,5 GPa, ocel-sklo 00 centrální tloušťka filmu, nm centrální tloušťka filmu, nm 0 0.00 0.0 0. 0 0.000 0.00 0.0 0. rychlost, m/s rychlost, m/s mezný film 5 6 7 8 9 20 2

Měření velmi tenkých mazacích filmů Nehladké povrchy Jamky na třecích površích 5 Defekt Modifikace povrchu důsledek průchodu znečišťujících částic kontaktní oblastí struktura vytvořená laserem, elektrochemicky či mechanicky vznik povrchových trhlin vedoucích k následnému únavovému poškození zlepšení tribologických vlastností vedoucí ke snížení tření a opotřebení 6 7 8 9 20 2

Měření velmi tenkých mazacích filmů Nehladké povrchy uměle vytvořený vtisk Poloha vtisku v kontaktu Geometrie vtisku hloubka, nm průměr ve směru valení = 73 μm 800 800 vzdálenost, μm tloušťka mazacího filmu, nm 700 700 vzdálenost, μm hloubka = 0,7 μm 6 7 8 500 500 400 400 300 300 200 200 0 0 0-240 -240 max. sklon = 4 5 600 600-80 -80-20 -60-60 0 60 20 20 80 80 240 240 vzdálenost ve směru valení, µ m 9 20 2

Měření velmi tenkých mazacích filmů Nezávislé chování tloušťky filmu a nerovnosti 22 ukul = ukot ukul =,3ukot ukul =,7ukot ukul = 3ukot ukul = ukot ukul = 0,7ukot ukul = 0,6ukot ukul = 0,3ukot 23 24 25 26 27

Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - numerická simulace EHD kontakt mezi broušenou ocelovou koulí a deskou η0 = 0,0 Pa s, α = 5 GPa-, ph = 2,2 GPa, Rred =,6 μm, u = 7,5 m/s Rozložení tloušťky filmu Rozložení tlaku Zhu, D. 2002 22 23 24 25 26 27

Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - experiment Topografie povrchu Tloušťka mazacího filmu 22 23 24 25 26 27

Měření velmi tenkých mazacích filmů tloušťka mazacího filmu, nm Mikroelastohydrodynamické mazání 70 ukul = ukot 60 50 40 30 20 0-200 -50-0 -50 0 50 0 50 200 50 200 50 200 tloušťka mazacího filmu, nm vzdálenost ve směru valení, µ m 70 ukul = 0,6ukot 60 50 40 30 20 0-200 -50-0 -50 0 50 0 tloušťka mazacího filmu, nm vzdálenost ve směru valení, µ m 70 ukul = 0,3ukot 60 50 40 30 20 0-200 -50-0 -50 0 50 0 vzdálenost ve směru valení, µ m 22 23 24 25 26 27

Další rozvoj elastohydrodynamického mazání Úkoly pro blízkou budoucnost Nanoelastohydrodynamika Gao, J. P. et al. Science, 995 Molekulární dynamická simulace tenkého filmu tvořeného molekulami hexadekanu mezi dvěma Au substráty vzdálenými 23,2 Å. 22 23 24 25 26 27 Experimentální úkoly Chování základových maziv a reaktivních filmů ve styku povrchových nerovností. MikroEHD mazání pro případ modifikovaných povrchů. Reologické vlastnosti tenkých filmů tvořených průmyslovými mazivy. Velikost prokluzu v blízkosti rozhranní kapalina-pevná fáze za vysokých tlaků. Fyzikální vlastnosti a kinetika utváření mezných filmů na třecích površích u protioděrových a vysokotlakých zušlechťujících přísad.

Koncepce výuky tribologie na FSI VUT v Brně Spolupráce s průmyslem The Timken Company, INA-Schaeffler KG, Eaton Corporation Doktorské studium Konstrukční a procesní inženýrství Výzkumné projekty Výzkumný záměr, GAČR, COST, Kontakt Navazující magisterské studium Konstrukční inženýrství Tribologie Bakalářské studium Části a mech. strojů I Tribologie Strojní inženýrství FSI VUT v Brně 22 23 24 25 26 27

Závěr Objasnění principu elastohydrodynamického mazání představuje bezesporu nejvýznamnější pokrok na poli výzkumu mazání, ne-li tribologie, v druhé polovině dvacátého století. Jeho důsledkem je zlepšení konstrukce mnoha součástí, jako např. valivých ložisek, ozubených převodů, vačkových mechanismů nebo variátorů. Mnoho součástí pracuje spolehlivě a efektivně za podmínek, kdy je tloušťka elastohydrodynamického mazacího filmu pouze několik jednotek či desítek nanometrů. Pozornost proto musí být věnována problémům ležícím na rozhranní mechaniky kontinua a molekulárního chování. Na FSI VUT v Brně byl etablován výzkumný tým zabývající se problémy tenkých elastohydrodynamických mazacích filmů a to jak na úrovni základního, tak i aplikovaného výzkumu. 22 23 24 25 26 27

Poděkování doc. I. Křupkovi (FSI VUT v Brně) za dlouholetou spolupráci na poli Děkuji za pozornost výzkumu EHD mazání; prof. M. Liškovi za všestrannou podporu; dr. D. Zhu (Eaton Corporation) a ing. M. Urbancovi (Timken ČR) za laskavé svolení k využití výsledků jejich výzkumu v prezentaci.