Extreem dunne smeerfilms voorspelbaar maken: uitbreiding van de Reynolds-vergelijking met een niet-lineaire wandslipwet

Wanneer een elektrisch voertuig accelereert, genereert de motor maximale krachten en werken er enorme drukken op de versnellingen van de elektrische aandrijflijn. Oppervlakte ontmoet oppervlak, metaal ontmoet metaal. Als er geen smeerfilm zou zijn waardoor de tandwielen gemakkelijker zouden kunnen glijden, zouden ze niet alleen extreem heet worden, maar ook snel verslijten. “Zonder een smeerfilm zouden veel dingen in ons dagelijks leven langzamer, piepender en schokkeriger zijn”, legt prof. Michael Moseler uit, hoofd van de Tribology Business Unit bij het Fraunhofer IWM.

“Het elektrische voertuig zou zeker nooit zo’n hoge actieradius bereiken”, voegt Dr. Kerstin Falk toe, hoofd van het team “Molecular Lubrication Design”. Samen onderzoeken ze het gedrag van smeerfilms in sterk belaste tribologische contacten om hun geschiktheid voor werking met lage wrijving te voorspellen.

Of het materiaal in kwestie nu metaal, plastic of keramiek is, ideale smering kan meer dan 20 procent energie besparen omdat machines met minder weerstand werken. Ook op het gebied van duurzaamheid is dit een veelbelovend onderzoeksgebied.

Het is dan ook geen wonder dat de partnerbedrijven van het MicroTribology Center µTC, een samenwerking tussen het Fraunhofer IWM en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), zeer geïnteresseerd zijn in het zoveel mogelijk verminderen van wrijving in hun systemen.

“Veel tribologische systemen worden nu ontworpen op hun belastingslimiet, waarbij smeerfilmdiktes in het nanometerbereik en drukken in het gigapascalbereik optreden. Onze partners vragen zich af hoe ze de wrijving kunnen berekenen in een component met zulke zwaarbelaste tribologische contacten, zoals conventionele vloeistofdynamische berekeningsmethoden falen onder deze extreme omstandigheden”, vat Kerstin Falk het probleem samen.

Samen met hun simulatieteam van het MicroTribology Centrum μTC hebben Falk en Moseler een antwoord op deze vraag gevonden. Zij hebben gepubliceerd hun onderzoek in Wetenschappelijke vooruitgang.

Wrijving begrijpen en optimaliseren

Hoe wrijving kan worden berekend en zo laag mogelijk kan worden gehouden, hangt af van het smeerregime dat een bedrijf nastreeft in zijn componenten. Meestal wil het zijn tribosystemen – waarbij een kracht de primaire en tegenlichamen samendrukt – onder elastohydrodynamische omstandigheden aandrijven.

Een smeerfilm waarvan de dikte veel groter is dan de ruwheid van de twee oppervlakken, is bedoeld om wrijving te verminderen. In dit geval kan de wrijving nauwkeurig worden voorspeld met behulp van een continuümmechanische benadering. Dit omvat het oplossen van de zogenaamde Reynolds-vergelijking voor het smeermiddel, die Osborne Reynolds in 1886 heeft afgeleid.

Bovendien worden de warmtegeleidingsvergelijking voor het totale systeem en de lineair-elastische vergelijkingen voor beide oppervlakken berekend. De enige materiaalgegevens die nodig zijn, zijn de elasticiteitsmoduli en Poisson-verhoudingen van de wrijvingspartners, thermische geleidbaarheid en warmtecapaciteiten van alle betrokken materialen, evenals nauwkeurige constitutieve wetten – voor de dichtheid van de vloeistof en voor de dynamische viscositeit ervan voor een parameterveld bestaande uit druk, temperatuur en lokale afschuifsnelheid in de vloeistof. Dit is de stand van de techniek.

Als het tribologische systeem echter wordt gebruikt met grenssmering, met een zeer dunne smeermiddelfilm waarin de oneffenheidscontacten, dwz de ruwheidspieken, slechts worden gescheiden door een paar atomaire lagen van het smeermiddel, wordt slechts een ruw geschatte wrijvingscoëfficiënt bereikt. gebruikt bij de berekeningen voor de “droge” contactpunten.

“Dit is zeer onbevredigend omdat berekeningen met geraden materiaalparameters onnauwkeurig zijn, tot suboptimale ontwerpen leiden en bedrijven uiteindelijk veel geld kosten”, zegt Michael Moseler.

Kerstin Falk en Michael Moseler waren hier niet tevreden mee: samen met vier partnerbedrijven van het MicroTribology Centrum µTC onderzochten ze in een driejarig project hun eigen wiskundige wet voor het gedrag van extreem dunne smeerfilms en ontwikkelden ze de Reynolds-vergelijking verder, dus spreken. “We wilden begrijpen hoe wrijving zich gedraagt ​​bij grenssmering”, legt Moseler uit.

Het doel van het project is om te verduidelijken onder welke smeerfilmdikte de continuümmechanica faalt en hoe de onderliggende vergelijkingen kunnen worden uitgebreid zodat een smeerfilm die dunner is dan de oppervlakteruwheid kan worden berekend.

Voor dit doel werd de moleculaire dynamica van een koolwaterstofsmeermiddel in een oneffenheidscontactgeometrie berekend, bijvoorbeeld twee diamantachtige koolstofoppervlakken (DLC) gesmeerd met een polyalfaolefine (PAO) basisolie. De resultaten van de moleculaire dynamica-simulatie werden vervolgens vergeleken met die van de Reynolds-vergelijking.

Het overtuigende resultaat: voor drukken tussen de wrijvingspartners van minder dan 0,4 gigapascal en smeringsspleethoogten van meer dan 5 nanometer komt de Reynolds-beschrijving goed overeen met de referentieberekeningen van de moleculaire dynamica, op voorwaarde dat een exacte constitutieve wet voor de viscositeit van het smeermiddel wordt gebruikt.

In tegenstelling hiermee konden Kerstin Falk en Michael Moseler aantonen dat onder extreme grenssmeringsomstandigheden, namelijk hoge drukken van ca. 1 gigapascal en kleine smeerspleethoogtes van ca. 1 nanometer wordt de hechting van het smeermiddel aan de oppervlakken verminderd en daarom moet de slip tussen een wrijvingspartner en het smeermiddel in de berekening worden opgenomen om de wrijving correct te voorspellen.

Dit vereist een niet-lineaire wandverschuivingswet. Hierbij worden de wandslipsnelheden (dwz het snelheidsverschil tussen een wrijvingspartner en het aangrenzende smeermiddel) in verband gebracht met de plaatselijke schuifspanningen in de smeerfilm.

Doorbraak in de tribologie: grenswrijving voorspelbaar maken

Met deze onderzoeksresultaten presenteren de onderzoekers nu een innovatieve methode voor het voorspellen van wrijving onder grenssmeringsomstandigheden. Een extra stukje informatie dat nodig is voor deze niet-empirische voorspellende continuümmodellering van hoogbelaste tribologische contacten is de atomaire structuur van de wrijvende oppervlakken. Dit wordt bepaald met behulp van diepgaande experimentele analyses en is een voorwaarde voor de wet op het verschuiven van muren.

De nieuwe bevindingen van het Fraunhofer IWM worden nu gebruikt in vervolgprojecten om wrijvingscoëfficiënten en wrijvingsgedrag in specifieke toepassingen – bijvoorbeeld in tandwielen en lagers – te voorspellen en om de onderzoekspartners te ondersteunen bij het opbouwen van simulatie-expertise.

Vervolgens kunnen ze testbank- en componentsimulaties uitvoeren, onzekerheden in het ontwerp van tribologische systemen verminderen en ontwerpparameters nauwkeuriger bepalen. Dit is een essentiële stap in de richting van een op kennis gebaseerd smeermiddel-, oppervlak- en componentontwerp en zou uiterst interessant moeten blijken te zijn voor smeermiddelfabrikanten en coaters, maar ook voor lager- en tandwielfabrikanten.