Veel tribologische systemen werken op hun belastingsgrenzen om redenen van efficiëntie. Smeeropeningen worden kleiner en smeerfilms moeten grotere belastingen kunnen weerstaan. Voor een betrouwbaar ontwerp van dergelijke systemen zijn ontwikkeling en constructie afhankelijk van nauwkeurige berekeningsmethoden. Conventionele berekeningsmethoden schieten echter tekort als het gaat om zogenaamde grenssmering. Onderzoekers van het Fraunhofer IWM in Freiburg zijn erin geslaagd om de mechanismen van grenssmering te verduidelijken en voorspelbaar te maken. Dit opent de weg naar nieuwe ontwerpmogelijkheden voor hoogwaardige tribologische systemen.
Wanneer een elektrisch voertuig accelereert, genereert de motor maximale krachten en werkt er een enorme druk op de tandwielen van de elektrische aandrijflijn. Oppervlak ontmoet oppervlak, metaal ontmoet metaal. Als er geen smeerfilm zou zijn om de tandwielen gemakkelijker te laten glijden, zouden ze niet alleen extreem heet worden, maar ook snel slijten. “Zonder een smeerfilm zouden veel dingen in ons dagelijks leven langzamer, piepender en schokkeriger zijn,” legt prof. Michael Moseler uit, hoofd van de business unit Tribologie bij het Fraunhofer IWM.”De elektrische auto zou zeker nooit zo’n grote actieradius bereiken,” voegt Dr. Kerstin Falk toe, die aan het hoofd staat van het “Molecular Lubrication Design” team. Samen onderzoeken ze het gedrag van smeerfilms in hoogbelaste tribologische contacten om hun geschiktheid voor wrijvingsarme werking te voorspellen. Of het materiaal in kwestie nu metaal, kunststof of keramiek is, ideale smering kan meer dan 20 procent energie besparen, omdat machines met minder weerstand draaien .Dit is ook een veelbelovend onderzoeksgebied in termen van duurzaamheid.
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 de wrijving in hun systemen. “Veel tribologische systemen worden nu ontworpen op hun belastingslimiet, waarbij smeerfilmdiktes in het nanometergebied en drukken in het gigapascalgebied voorkomen. Onze partners vragen zich af hoe ze de wrijving moeten berekenen in een component met zulke hoogbelaste tribologische contacten, aangezien conventionele berekeningsmethoden voor vloeistofdynamica falen onder deze extreme omstandigheden”, vat Kerstin Falk het probleem samen. Samen met hun simulatieteam bij het MicroTribology Centrum μTC hebben Falk en Moseler een antwoord gevonden op deze vraag.
Wrijving begrijpen en optimaliseren
Hoe wrijving kan worden berekend en dus zo laag mogelijk kan worden gehouden, hangt af van het smeringsregime dat een bedrijf voor zijn componenten nastreeft. Meestal wil het zijn tribosystemen – waar een kracht het primaire en het tegengestelde lichaam samenperst – onder elastohydrodynamische omstandigheden aandrijven. Een smeerfilm, waarvan de dikte veel groter is dan de ruwheid van de twee oppervlakken, moet de wrijving verminderen. In dit geval kan de wrijving zeer nauwkeurig worden voorspeld met behulp van een continuüm-mechanische benadering. Hierbij wordt de zogenaamde Reynolds-vergelijking voor het smeermiddel opgelost, die Osborne Reynolds in 1886 afleidde. Daarnaast worden de warmtegeleidingsvergelijking voor het totale systeem en de lineaire elastische vergelijkingen voor beide oppervlakken berekend. De enige benodigde materiaalgegevens zijn de elasticiteitsmoduli en Poisson’s ratio’s van de wrijvingspartners, warmtegeleidingsvermogens en warmtecapaciteit van alle betrokken materialen en nauwkeurige constitutieve wetten – voor de dichtheid van de vloeistof en voor de dynamische viscositeit voor een parameterveld bestaande uit druk, temperatuur en lokale afschuifsnelheid in de vloeistof.
Als het tribologische systeem echter wordt gebruikt in grenssmering, dus met een zeer dunne smeermiddelfilm waarin de asperiteitscontacten, d.w.z. de ruwheidspieken, slechts worden gescheiden door enkele atoomlagen van het smeermiddel, wordt slechts een ruw geschatte wrijvingscoëfficiënt gebruikt in de berekeningen voor de “droge” contactpunten. “Dit is zeer onbevredigend omdat berekeningen met geraamde materiaalparameters onnauwkeurig zijn, leiden tot suboptimale ontwerpen 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 MicroTribologie Centrum µTC onderzochten ze in een drie jaar durend project hun eigen wiskundige wet voor het gedrag van extreem dunne smeerfilms en ontwikkelden ze de Reynolds-vergelijking als het ware verder. “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 dunner dan de oppervlakteruwheid kan worden berekend. Voor dit doel werd de moleculaire dynamica van een koolwaterstofsmeermiddel in een asperitaire contactgeometrie berekend, bijvoorbeeld twee diamantachtige koolstof (DLC) oppervlakken gesmeerd met een polyalfaolefine (PAO) basisolie.De resultaten van de moleculaire dynamicasimulatie werden vervolgens vergeleken met die van de vergelijking van Reynolds.
Het klinkende resultaat
Voor drukken tussen wrijvingspartners lager dan 0,4 gigapascal en smeerspleethoogten groter dan 5 nanometer komt de Reynolds-beschrijving goed overeen met de moleculaire dynamica referentieberekeningen, 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 ongeveer 1 gigapascal en kleine smeerspleethoogten van ongeveer 1 nanometer, het kleven van het smeermiddel aan de oppervlakken vermindert en dat daarom de slip tussen een wrijvingspartner en het smeermiddel moet worden meegenomen in de berekening om de wrijving correct te voorspellen. Dit vereist een niet-lineaire wet voor wandslip. Deze relateert de wandslipsnelheden (d.w.z. het verschil in snelheid tussen een wrijvingspartner en het aangrenzende smeermiddel) aan de lokale schuifspanningen in de smeerfilm.
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 wrijvingsoppervlakken. Deze wordt bepaald met behulp van diepgaande experimentele analyses en is een voorwaarde voor de wet van de wandslip. De nieuwe bevindingen van het Fraunhofer IWM worden nu gebruikt in vervolgprojecten om wrijvingscoëfficiënten en wrijvingsgedrag in specifieke toepassingen te voorspellen – bijvoorbeeld in tandwielen en lagers en om de onderzoekspartners te ondersteunen bij het opbouwen van simulatie-expertise. Ze kunnen dan testbank- en componentensimulaties uitvoeren, onzekerheden in het ontwerp van tribologische systemen verminderen en nauwkeuriger ontwerpparameters bepalen. Dit is een belangrijke stap in de richting van een op kennis gebaseerd ontwerp van smeermiddelen, oppervlakken en componenten en zou zeer interessant moeten zijn voor fabrikanten van smeermiddelen en coatings, maar ook voor fabrikanten van lagers en tandwielen.
Wellicht ook interessant:
