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

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, 1979

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

1

2

3

4

5

6

7

…

28

Velmi tenké elastohydrodynamické mazací filmy

Historický vývoj problémů tření a mazání Doba kamenná Smyčcový vrták

Ložisko hrnčířského kruhu

období paleolitu

Jericho, 2000 př.n.l.

Curtis, E. S. 1928

1

2

3

4

5

6

7

…

28


Historický vývoj problémů tření a mazání Egypt, období Střední říše Nástěnný obraz z hrobu Džehutihotepa el-Berša, 1880 př.n.l.

http://www.osirisnet.net/ 1

2

3

4

5

6

7

…

28


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, 1950

1

2

3

4

5

6

7

…

28


Historický vývoj problémů tření a mazání Leonardo da Vinci Studie tření

Kotoučové ložisko

Codex Atlanticus

1

2

3

4

5

6

Codex Madrid I

7

…

28

Ložisková klec

Harris, T. A. 2001


Historický vývoj problémů tření a mazání První patenty valivých ložisek Válečkové ložisko

Uložení nápravy pomocí kuličkových ložisek

Garnett, J. 1787 Pat. GB 1580

Vaughan, P. Pat. GB 2006, 1794

Varlo, C. 1772

1

2

3

4

5

6

7

…

28


Elastohydrodynamické mazání Teorie hydrodynamického mazání Towerův experiment s radiálním kluzným ložiskem

Reynoldsův výpočet

Tower, B. Proc. Instn mech. Engrs., 1884

1

2

3

4

5

6

7

…

28

Reynolds, O. Phil. Trans. R. Soc., 1886


Elastohydrodynamické mazání Charakteristické znaky

Martin, 1916 tuhé povrchy, izoviskózní mazivo

Hertz, 1881 elastické povrchy, suchý kontakt

Grubin, 1949; Petrusevič, 1951 elastické povrchy, piezoviskózní mazivo

8

9

10

11

12

13

14

…

28


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 0,13 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 10-4 s max. Hertzův tlak 0,5 až 4 GPa smykový spád 106 až 108 s-1

9

10

11

12

13

14

…

28


Elastohydrodynamické mazání Bodový izotermický kontakt

8

Rozložení tloušťky filmu

Rozložení tlaku

minimální tloušťka filmu

druhé tlakové maximum

9

10

11

12

13

14

…

28


Elastohydrodynamické mazání Vývoj tlouštěk mazacích filmů

8

9

10

Hydrodynamická kluzná ložiska konec 19. století

100 μm až 10 μm

Kliková kluzná ložiska první polovina 20. století

asi 1 μm

Elastohydrodynamicky mazané součásti druhá polovina 20. století

1 μm až 0,1 μm

Hydrodynamicky mazaná paměťová média konec 20. století

0,01 μm až 0,001 μm

Mikroelektromechanické systémy (MEMS) počátek 21. století

až 0,001 μm

11

12

13

14

…

28


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 a1963 Spikes 19671991 1996

Experimentální zařízení pro měření tloušťky filmu

Cameron, A.; Gohar, R. Proc. R. Soc. Lond. A., 1966 8

9

10

11

12

13

14

…

28


Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně mikroskopový zobrazovací systém

EHD simulátor

8

9

10

11

12

13

14

…

28


Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně 1 skleněný, safírový disk 2 ocelová, WC kulička ø25.4 mm

7

3 servomotory 4 rotační enkodér

5 6

5 mikroskop

3 4

3

1

2

6 xenonová výbojka 7 digitální kamera

8

9

10

11

12

13

14

…

28


Interferometrie mazacích filmů Experimentální zařízení FSI VUT v Brně Stanovení topografie povrchu Mirauův interferenční objektiv

piezoelektrický posuv

Stanovení tloušťky filmu mikroskopový objektiv

15

16

17

18

19

20

21

…

28


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


Tloušťka vs. rychlost central film thickness, nm

1000

100

Exp 10

H-D

1 0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

rolling speed, m/s

15

16

17

18

19

20

21

…

28


Interferometrie mazacích filmů Interferometrie s řízenou změnou fáze Interferogramy povrchu kuličky α1= 0

α2= π/2

α3= π

α4= 3π/2

α5= 2π

Stanovení výšky povrchových nerovností Schwider, J. et al. Applied Optics, 1983

ć  2I2 ( x, y ) − 2I4 (x, y ) ć λ  h( x, y ) =  arctg    č 4π ř č 2I3 (x, y ) − I5 (x, y ) − I1(x, y ) ř

Rekonstrukce topografie povrchu kuličky detail

rozvinutí

15

16

17

18

19

20

21

…

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů Meze platnosti elastohydrodynamické teorie Hexadekan

Naftenický základový olej

η0 = 0,421 Pa·s, α = 35 GPa-1 t = 40 °C, pH = 0,5 GPa, ocel-sklo

η0 = 0,0028 Pa·s, α = 13 GPa-1 t = 25 °C, pH = 0,5 GPa, ocel-sklo

1000

centrální tloušťka filmu, nm


100

10

1 0.001

0.01

0.1

100

10

1 0.00001

1

rychlost, m/s

16

17

18

19

20

0.001

0.01

0.1

rychlost, m/s

hc = Kα 15

0.0001

21

…

0,53 0,67 0

28

η

u0,67 Velmi tenké elastohydrodynamické mazací filmy

Měření velmi tenkých mazacích filmů Mezné filmy Oktamethylcyklotetrasiloxan

Mobil Jet Oil II

η0 = 0,0024 Pa·s, α = 22 GPa-1 t = 25 °C, pH=0,5 GPa, ocel-sklo

η0 = 0,032 Pa·s, α = 15 GPa-1 t = 25 °C, pH = 0,5 GPa, ocel-sklo 1000



100

10

1 0.001

0.01

0.1

100

10

1 0.0001

1

0.001

0.01

0.1

1

10

rychlost, m/s

rychlost, m/s

mezný film 15

16

17

18

19

20

21

…

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů Nehladké povrchy Jamky na třecích površích

15

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

16

17

18

19

20

21

…

28


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

16

17

18

500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 -240 -240

max. sklon = 4°

15

600 600

-180 -180

-120

-60 -60

0

60

120 120

180 180

240 240

vzdálenost ve směru valení, µ m

19

20

21

…

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů „Nezávislé″ chování tloušťky filmu a nerovnosti

22

ukul = ukot

ukul = 1,3ukot

ukul = 1,7ukot

ukul = 3ukot

ukul = ukot

ukul = 0,7ukot

ukul = 0,6ukot

ukul = 0,3ukot

23

24

25

26

27

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - numerická simulace EHD kontakt mezi broušenou ocelovou koulí a deskou η0 = 0,011 Pa·s, α = 15 GPa-1, pH = 2,2 GPa, Rred = 1,6 μm, u = 7,5 m/s


Rozložení tlaku

Zhu, D. 2002

22

23

24

25

26

27

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů Reálné povrchy - experiment Topografie povrchu

Tloušťka mazacího filmu

22

23

24

25

26

27

28


Měření velmi tenkých mazacích filmů


Mikroelastohydrodynamické mazání 70

ukul = ukot

60 50 40 30 20 10 0 -200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

150

200

150

200


vzdálenost ve směru valení, µ m 70

ukul = 0,6ukot

60 50 40 30 20 10 0 -200

-150

-100

-50

0

50

100


vzdálenost ve směru valení, µ m 70

ukul = 0,3ukot

60 50 40 30 20 10 0 -200

-150

-100

-50

0

50

100

vzdálenost ve směru valení, µ m

22

23

24

25

26

27

28


Další rozvoj elastohydrodynamického mazání Úkoly pro blízkou budoucnost Nanoelastohydrodynamika

Gao, J. P. et al. Science, 1995

Molekulární dynamická simulace tenkého filmu tvořeného molekulami hexadekanu mezi dvěma Au substráty vzdálenými 23,2 Å.

22

23

24

25

26

27

28

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

28


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

28


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.

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

Recommend Documents