När ett elfordon accelererar genererar motorn maximala krafter och enorma tryck verkar på den elektriska drivlinans växlar. Yta möter yta, metall möter metall. Om det inte fanns någon smörjfilm för att växlarna skulle glida lättare skulle de inte bara bli extremt varma utan också slitas ut snabbt. "Utan en smörjande film skulle många saker i våra vardagliga liv vara långsammare, pipigare och ryckigare", förklarar Prof. Michael Moseler, chef för Tribology Business Unit vid Fraunhofer IWM.
"Elfordonet skulle definitivt aldrig uppnå en så hög räckvidd", tillägger Dr Kerstin Falk, som leder teamet "Molecular Lubrication Design". Tillsammans forskar de på beteendet hos smörjfilmer i högt belastade tribologiska kontakter för att förutsäga deras lämplighet för lågfriktionsdrift.
Oavsett om materialet i fråga är metall, plast eller keramik, kan idealisk smörjning spara över 20 procent av energin eftersom maskiner körs med mindre motstånd. Detta är också ett lovande forskningsområde vad gäller hållbarhet.
Det är därför inte konstigt att partnerföretagen i MicroTribology Center µTC, ett samarbete mellan Fraunhofer IWM och Karlsruhe Institute of Technology (KIT), är mycket intresserade av att minska friktionen i sina system så mycket som möjligt.
"Många tribologiska system designas nu vid sin belastningsgräns, där smörjfilmstjocklekar i nanometerområdet och tryck i gigapascalområdet förekommer. Våra partners undrar hur man kan beräkna friktionen i en komponent med så högt belastade tribologiska kontakter, som konventionella vätskedynamiska beräkningsmetoder misslyckas under dessa extrema förhållanden", säger Kerstin Falk och sammanfattar problemet.
Tillsammans med sitt simuleringsteam på MicroTribology Centrum μTC har Falk och Moseler hittat ett svar på denna fråga. De har publicerat sin forskning i Science Advances .
Hur friktionen kan beräknas och därmed hållas så låg som möjligt beror på vilken smörjregim ett företag eftersträvar i sina komponenter. Vanligtvis vill den driva sina tribosystem – där en kraft pressar samman primärkroppen och motkroppen – under elastohydrodynamiska förhållanden.
En smörjande film, vars tjocklek är mycket större än de två ytornas grovhet, är avsedd att minska friktionen. I det här fallet kan friktionen exakt förutsägas med hjälp av en kontinuummekanik. Detta innebär att lösa den så kallade Reynolds-ekvationen för smörjmedlet, som Osborne Reynolds härledde 1886.
Dessutom beräknas värmeledningsekvationen för det övergripande systemet och de linjära elastiska ekvationerna för båda ytorna. De enda materialdata som krävs är elasticitetsmodulerna och Poissons förhållanden mellan friktionspartnerna, värmeledningsförmåga och värmekapacitet för alla inblandade material, såväl som exakta konstitutiva lagar - för vätskans densitet och för dess dynamiska viskositet för ett parameterfält bestående av tryck, temperatur och lokal skjuvhastighet i vätskan. Detta är toppmodern.
Men om det tribologiska systemet drivs i gränssmörjning, med en mycket tunn smörjfilm där asperitetskontakterna, d.v.s. råhetstopparna, endast är åtskilda av ett fåtal atomlager av smörjmedlet, är endast en grovt uppskattad friktionskoefficient. används i beräkningarna för de "torra" kontaktpunkterna.
"Detta är mycket otillfredsställande eftersom beräkningar med gissade materialparametrar är felaktiga, leder till suboptimala konstruktioner och i slutändan kostar företagen mycket pengar", säger Michael Moseler.
Kerstin Falk och Michael Moseler nöjde sig inte med detta:Tillsammans med fyra partnerföretag i MicroTribology Centrum µTC undersökte de sin egen matematiska lag för beteendet hos extremt tunna smörjfilmer i ett treårigt projekt och utvecklade Reynolds ekvation vidare, så att tala. "Vi ville förstå hur friktion beter sig vid gränssmörjning", förklarar Moseler.
Syftet med projektet är att klargöra under vilken smörjfilmstjocklek kontinuummekaniken brister och hur de bakomliggande ekvationerna kan utökas så att en smörjfilm som är tunnare än ytråheten kan beräknas.
För detta ändamål beräknades den molekylära dynamiken hos ett kolvätesmörjmedel i en asperitetskontaktgeometri, till exempel två diamantliknande kolytor (DLC) smorda med en polyalfaolefin (PAO) basolja. Resultaten från simuleringen av molekylär dynamik jämfördes sedan med resultaten från Reynolds ekvation.
Det rungande resultatet:För tryck mellan friktionspartnerna under 0,4 gigapascal och smörjgaphöjder större än 5 nanometer stämmer Reynolds beskrivning väl överens med referensberäkningarna för molekylär dynamik, förutsatt att en exakt konstitutiv lag för smörjmedlets viskositet används.
I motsats till detta kunde Kerstin Falk och Michael Moseler visa att under extrema gränssmörjförhållanden, nämligen höga tryck på ca. 1 gigapascal och små smörjspalthöjder på ca. 1 nanometer minskar smörjmedlets vidhäftning på ytorna, och därför måste glidningen mellan en friktionspartner och smörjmedlet inkluderas i beräkningen för att korrekt förutsäga friktionen.
Detta kräver en icke-linjär väggglidningslag. Detta relaterar väggglidhastigheterna (dvs. skillnaden i hastighet mellan en friktionspartner och det intilliggande smörjmedlet) till de lokala skjuvspänningarna i smörjfilmen.
Med dessa forskningsresultat presenterar forskarna nu en innovativ metod för att förutsäga friktion under gränssmörjningsförhållanden. En ytterligare information som krävs för denna icke-empiriska prediktiva kontinuummodellering av högt belastade tribologiska kontakter är gnidningsytornas atomära struktur. Detta bestäms med hjälp av djupgående experimentella analyser och är en förutsättning för vägghalklagen.
De nya resultaten av Fraunhofer IWM används nu i uppföljningsprojekt för att förutsäga friktionskoefficienter och friktionsbeteende i specifika applikationer – till exempel i växlar och lager – samt för att stödja forskningspartnerna i att bygga upp simuleringsexpertis.
De kan sedan utföra testbänk- och komponentsimuleringar, minska osäkerheter i utformningen av tribologiska system och mer exakt bestämma designparametrar. Detta är ett viktigt steg mot kunskapsbaserad smörjmedels-, yt- och komponentdesign och bör visa sig vara extremt intressant för smörjmedelstillverkare och bestrykare samt lager- och kugghjulstillverkare.
Mer information: Andrea Codrignani et al, Mot en kontinuerlig beskrivning av smörjning i högt trycksatta nanometer breda förträngningar:vikten av exakta glidlagar, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2649
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Fraunhofer-Gesellschaft
