Gør ekstremt tynde smørende film forudsigelige:Udvidelse af Reynolds-ligningen med en ikke-lineær vægglidningslov

Når et elektrisk køretøj accelererer, genererer motoren maksimale kræfter, og enorme tryk virker på gearene i den elektriske drivlinje. Overflade møder overflade, metal møder metal. Hvis der ikke var nogen smørende film, så tandhjulene kunne glide lettere, ville de ikke kun blive ekstremt varme, men også hurtigt slides. "Uden en smørende film ville mange ting i vores hverdag være langsommere, knirkende og rykkere," forklarer prof. Michael Moseler, leder af Tribology Business Unit hos Fraunhofer IWM.

"Det elektriske køretøj ville bestemt aldrig opnå så høj en rækkevidde," tilføjer Dr. Kerstin Falk, som leder teamet "Molecular Lubrication Design". Sammen forsker de i opførsel af smørefilm i stærkt belastede tribologiske kontakter for at forudsige deres egnethed til lavfriktionsdrift.

Uanset om det pågældende materiale er metal, plastik eller keramik, kan ideel smøring spare over 20 procent af energien, da maskiner kører med mindre modstand. Dette er også et lovende forskningsfelt med hensyn til bæredygtighed.

Det er derfor ikke underligt, at partnervirksomhederne i MicroTribology Center µTC, et samarbejde mellem Fraunhofer IWM og Karlsruhe Institute of Technology (KIT), er meget interesserede i at reducere friktionen i deres systemer så meget som muligt.

"Mange tribologiske systemer bliver nu designet ved deres belastningsgrænse, hvor smørefilmtykkelser i nanometerområdet og tryk i gigapascal-området forekommer. Vores partnere undrer sig over, hvordan man kan beregne friktionen i en komponent med så højt belastede tribologiske kontakter, som konventionelle væskedynamiske beregningsmetoder mislykkes under disse ekstreme forhold," siger Kerstin Falk og opsummerer problemet.

Sammen med deres simuleringsteam på MicroTribology Centrum μTC har Falk og Moseler fundet et svar på dette spørgsmål. De har offentliggjort deres forskning i Science Advances .

Forståelse og optimering af friktion

Hvordan friktion kan beregnes og dermed holdes så lav som muligt afhænger af det smøreregime en virksomhed sigter efter i sine komponenter. Normalt ønsker den at drive sine tribosystemer – hvor en kraft presser primær- og modlegemet sammen – under elastohydrodynamiske forhold.

En smørende film, hvis tykkelse er meget større end ruheden af ​​de to overflader, er beregnet til at reducere friktionen. I dette tilfælde kan friktionen forudsiges nøjagtigt ved hjælp af en kontinuummekanisk tilgang. Dette involverer løsning af den såkaldte Reynolds-ligning for smøremidlet, som Osborne Reynolds udledte i 1886.

Derudover beregnes varmeledningsligningen for det samlede system og de lineære elastiske ligninger for begge overflader. De eneste materialedata, der kræves, er elasticitetsmodulerne og Poissons forhold mellem friktionspartnerne, termiske ledningsevner og varmekapaciteter for alle involverede materialer samt nøjagtige konstitutive love - for væskens tæthed og for dens dynamiske viskositet for et parameterfelt bestående af tryk, temperatur og lokal forskydningshastighed i væsken. Dette er topmoderne.

Men hvis det tribologiske system drives i grænsesmøring, med en meget tynd smørefilm, hvor spredningskontakterne, dvs. ruhedstoppene, kun er adskilt af nogle få atomlag af smøremidlet, er der kun en groft estimeret friktionskoefficient. brugt i beregningerne for de "tørre" kontaktpunkter.

"Dette er meget utilfredsstillende, fordi beregninger med gættede materialeparametre er unøjagtige, fører til suboptimale designs og i sidste ende koster virksomhederne mange penge," siger Michael Moseler.

Det var Kerstin Falk og Michael Moseler ikke tilfredse med:Sammen med fire partnervirksomheder i MicroTribology Centrum µTC forskede de i deres egen matematiske lov for ekstremt tynde smørefilms adfærd i et treårigt projekt og udviklede Reynolds-ligningen yderligere, så at tale. "Vi ønskede at forstå, hvordan friktion opfører sig ved grænsesmøring," forklarer Moseler.

Formålet med projektet er at afklare, under hvilken smørefilmtykkelse kontinuummekanikken svigter, og hvordan de underliggende ligninger kan udvides, så der kan beregnes en smørefilm, der er tyndere end overfladeruheden.

Til dette formål blev den molekylære dynamik af et carbonhydrid-smøremiddel i en asperity-kontaktgeometri beregnet, for eksempel to diamantlignende carbon- (DLC)-overflader smurt med en polyalphaolefin (PAO)-basisolie. Resultaterne af simuleringen af ​​molekylær dynamik blev derefter sammenlignet med resultaterne af Reynolds-ligningen.

Det rungende resultat:For tryk mellem friktionspartnerne under 0,4 gigapascal og smørespaltehøjder større end 5 nanometer stemmer Reynolds beskrivelse godt overens med beregningerne for molekylær dynamik, forudsat at der anvendes en nøjagtig konstitutiv lov for smøremidlets viskositet.

I modsætning hertil kunne Kerstin Falk og Michael Moseler vise, at under ekstreme grænsesmøringsforhold, nemlig højtryk på ca. 1 gigapascal og små smørespaltehøjder på ca. 1 nanometer, reduceres smøremidlets fastklæbning til overfladerne, og derfor skal glidningen mellem en friktionspartner og smøremidlet indgå i beregningen for korrekt at forudsige friktionen.

Dette kræver en ikke-lineær vægglidningslov. Dette relaterer vægsliphastighederne (dvs. forskellen i hastighed mellem en friktionspartner og det tilstødende smøremiddel) til de lokale forskydningsspændinger i smørefilmen.

Gennembrud i tribologi:Gør grænsefriktion forudsigelig

Med disse forskningsresultater præsenterer forskerne nu en innovativ metode til at forudsige friktion under grænsesmøringsforhold. Et yderligere stykke information, der kræves til denne ikke-empiriske forudsigende kontinuumsmodellering af højt belastede tribologiske kontakter, er den atomare struktur af gnidningsoverfladerne. Dette bestemmes ved hjælp af dybdegående eksperimentelle analyser og er en forudsætning for vægskridningsloven.

De nye resultater fra Fraunhofer IWM bliver nu brugt i opfølgningsprojekter til at forudsige friktionskoefficienter og friktionsadfærd i specifikke applikationer – for eksempel i gear og lejer – samt til at støtte forskningspartnerne i at opbygge simuleringsekspertise.

De kan derefter udføre testbænk og komponentsimuleringer, reducere usikkerheder i design af tribologiske systemer og mere præcist bestemme designparametre. Dette er et væsentligt skridt hen imod vidensbaseret smøremiddel-, overflade- og komponentdesign og skulle vise sig at være yderst interessant for smøremiddelproducenter og coatere samt leje- og gearproducenter.

Flere oplysninger: Andrea Codrignani et al, Mod en kontinuumbeskrivelse af smøring i højt tryksatte nanometer-brede indsnævringer:Vigtigheden af ​​nøjagtige glidelove, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2649

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Fraunhofer-Gesellschaft