Povrchové nerovnosti, napříkad na třecích površích ložisek (na oběž­ných drahách), vznikají buď přiro­zeně v důsledku výroby, nebo mo­hou být způsobeny jako defekt vtiskem cizí částice v mazivu (nečistoty, částečky opotře­bení). V poslední době se na několika vědec­kých tribologických pracovištích zkoumá po­zitivní vliv mikrovtisků na třecích površích. Významní výrobci ložisek mají patentová­ny různé typy povrchů se záměrně modifi­kovanými třecími povrchy. Je však otázkou, při jaké velikosti a rozložení vtisků mohou cí­leně vytvářené modifikace, potažmo textury mikrovtisků, způsobit snížení tření a opotře­bení, nebo kdy mohou působit jako zásobní­ky maziva při rozběhu strojů a tím pozitivně ovlivnit únavový život součásti, například va­livých ložisek. Na druhé straně působí mikro­vtisky jako koncentrátory napětí. Při posuzo­vání účinku těchto povrchových nerovností je vždy nezbytná znalost tloušťky mazacího filmu a kontaktního tlaku.

Přehled současného stavu problematiky

Existující teoretická řešení, mohou poskyt­nout rozložení tloušťky a tlaku v mazaném kontaktu, nicméně limitující je časová ná­ročnost pro podmínky tenkého mazacího filmu, zejména smíšeného mazání. Kaneta a kol. uskutečnili mnoho měření s mode­lovými nerovnostmi o různém uspořádání a tvaru. Tato studie přinesla zásadní po­znatky o chování povrchových nerovností v kontaktu a o vlivu provozních podmínek na tvar mazacího filmu v případech přede­vším tlustších mazací filmů. S rozvojem op­tických metod bylo možné studovat i tenké mazací filmy, a to i v režimu smíšeného ma­zání. Současné metody zjišťování kontaktní­ho tlaku, jsou časově náročné, získaná data mají malé rozlišení, často vyžadují cizí objek­ty v kontaktu těles, většinou nejsou vhodné pro případ prokluzu dvou třecích povrchů, který se u reálných povrchů strojních so­učástí běžně vyskytuje, a vyžadují poměrně velkou tloušťku mazacího filmu, takže v pří­padě tenkého mazacího filmu jsou přesné poznatky o velikosti a rozložení kontaktního tlaku v okolí povrchových nerovností nedo­statečné. Proto je třeba kombinovat optické a numerické metody.

Metody řešení

Tloušťka filmu je měřena kolorimetrickou in­terferometrií (viz. obr. 1) a pomocí nume­rických metod je rekonstruováno pole kon­taktního tlaku. Jedná se o vcelku náročnou inverzní úlohu, kdy je z naměřené tloušťky filmu odseparován součet elastických defor­mací povrchů a z ní je inverzně vypočítán tlak. Pro urychlení výpočtů jsou aplikovány konvoluční algoritny. Kontakt je realizován mezi ocelovou kluličkou a safírovým nebo skleněným rovinným diskem (viz. tab. 1).

Výsledný tlak z experimentu je porovná­ván s výsledky numerického řešení získané­ho pomocí víceúrovňové (multilevel) meto­dy, jejíž výstupem je tloušťka i kontaktní tlak. V rámci řešení uvedené problematiky je nut­no řešit problém, kdy u hlubokých mikrov­tisků, t. j. 300 nm až 800 nm, je signál z in­trferometrie, tedy data popisující tloušťku filmu, méně kvalitní, a proto byla testována možnost predikovat elastické deformace uv­nitř mikrovtisku pomocí křivek amplitudo­vého útlumu, jejichž platnost byla ověřena i experimentálně. Dále byly provedeny tes­ty kontaktní únavy povrchů s mikrovtisky za podmínek elastohydrodynamického a smí­šeného mazání.

Výsledky řešení

Nejprve byla naměřena série experimen­tálních dat pomocí kolorimetrické interfe­rometrie pro různé kombinace mikrovtis­ků a různé provozní podmínky (viz. obr. 1). Konvoluční algoritmus výpočtu kontaktního tlaku byl úspěšně odladěn a verifikován po­mocí víceúrovňové numerické metody (viz. obr. 2). Na obr. 3 je uveden příklad rekon­strukce pole komtaktního tlaku pro případ, kdy kulička v kontaktu se pohybuje rychleji než disk. Kromě významného nárůstu tlaku na okrajích vtisku a výrazného poklesu tlaku uvnitř vtisku můžeme pozorovat zajímavé nárůsty tloušťky mazacího filmu nejen vevni­tř vtisku, což je logické, ale i na výstupní stra­ně mikrovtisku. Je zřejmé, že mazivo v tomto případě kladného prokluzu předbíhá polohu mikrovtisku na kuličce a poměrně výrazně deformuje třecí povrchy, tloušťka narůstá. Avšak v těchto místech je též výrazný ná­růst tlaku, větší než na vstupní straně. V pří­padě záporného prokluzu a rychlejšího disku oproti kuličce by tyto jevy nastaly na opačné straně mikrovtisku. V současné době prová­díme výpočty kontaktního tlaku s více mik­rovtisky na jednom třecím povrchu (řada nebo textura vtisků). Poznamenejme, že při zkouškách kontaktní únavy vznikal pitting na stejných místech, na jakých výsledky vý­počtů ukazovaly výrazný nárůst kontaktního tlaku. Navíc, u určitého typu uspořádání vtis­ků (vzdálenost v textuře byla 75 μm, hloubka vtisků 600 nm) došlo k významnému prod­loužení únavového života oproti hladké­mu vzorku a vzorku s mikrovtisky hlubšími, s větší vzdáleností od sebe. Predikce tloušťky mazacího filmu pomocí křivek amplitudové­ho útlumu pro následný výpočet tlaku (viz. obr. 4) se ukázala jako nevhodná s výjimkou případů, kdy je výška mikrovtisků srovnatel­ná s tloušťkou filmu, neboť určující veličinou je zde vlnová délka nerovností.

Závěr

V okolí povrchových nerovností vznikají vý­razné změny v tloušťce filmu i v kontaktním tlaku. Výsledky testů kontaktní únavy uka­zují pozitivní vliv mikrovtisků na únavový život při určitých typech textur za určitých provozních podmínek, přičemž pozitivněj­ší vliv mají hustěji uspořádané mělčí mikro­vtisky (viz. výše). Tyto výsledky je však nut­né statisticky ověřit na velkém počtu vzorků. Pozornost musí být dále orientována na zpracováni měřeného signálu v místě mik­rovtisku, neboť predikce pomocí amplitudo­vého útlumu je vhodná jen pro malé nerov­nosti (např. drsnost povrchu). Avšak metodu útlumu chceme využít pro studium reálných povrchových nerovností. Stejně tak je mož­né užít metod rozkmitu kontaktního tlaku, jehož informace mohou být nasuperpono­vány na základní výsledky z numerického řešiče založeného na multilevel metodách. Výsledky by mohly být v budoucnu užiteč­né i pro návrh valivých ložisek.

Literatura

[1]  Hu, Y. Z., Zhu, D. (2000), A Full Numerical Solution to the Mixed Lubrication in Point Contacts, ASME J. Tribol., 122, 1, pp 1 – 9.

[2]  Kaneta, M. Cameron, A. (1980), Effects of Asperities in Elastohydrodynamic Lubrication, ASME J. Lubr. Tech., 102, 3, pp 374 – 379.

[3]  Choo, J. W., Glovnea, R. P., Olver, A. V. and Spikes, H. A. (2003), The Effects of Threedimensional Model Surface Roughness Features on  Lubricant Film Thickness in EHL Contacts, Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 125, 3, pp 533 – 542.

[4]  Guangteng, G., Cann, P. M., Olver, A. V. Spikes, H. A. (2000), Lubricant Film Thickness in Rough Surface, Mixed Elastohydrodynamic  Contact, ASME J. Tribol., 122, 1, pp 65 – 76.

[5]  Luo, J., Liu, S., We, S. (2001), Contact Ratio and Deformation of Asperity in Nanopartial Lubrication, Sci. China Ser. A, 44, Suppl., pp 78 – 85.

[6]  Hartl, M., Křupka, I., Liška, M., Fuis, V., Experimental Study of Lubricant Film Thickness Behavior in the Vicinity of Real Asperities Passing  through Lubricated Contact, Tribology Transactions, 47, 2004, s. 376 – 385.

[7]  Cann, P. M., Spikes, H. A.: Measurement of Pressure Distribution in EHL-Development of Method and Application to Dry Static Contacts.  Tribology Trans. 48, 2005, pp 474 – 483

[8]  Vaverka, M.; Vrbka, M.; Poliščuk, R.; Křupka, I.; Hartl, M.: Numerical Evaluation of Pressure from Experimentally Measured Film Thickness  in EHL Point Contact, Lubrication Science, Vol. 20, (2008), No.1, , ISSN 0954-0075, John Wiley & Sons, Ltd. pp 47 – 59

[9]  Urbanec, L. Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2007. 81 s.

[10]  Šperka, P., Křupka, I., Hartl, M.: Experimental study of real roughness attenuation in concentrated contacts.Tribology Intermational (2009),  doi:10.1016/j.triboint.2009. 11. 003

[11]  M. Vrbka, O. Šamánek, P. Šperka, T. Návrat, I. Křupka, M. Hartl: Effect of surface texturing on rolling contact fatigue within mixed lubricated non-conformal rolling/sliding contacts. Tribology International Vol. 43, Issue 8, August 2010, pp. 1 457 – 1 465.

[12]  C. J. Hooke: Roughness Attenuation And Pressure Rippling in EHL Contacts, R. W. Snidle and H. P. Evans (eds), IUTAM Symposium  on Elastohydrodynamics and Microelastohydrodynamics, IUTAM Symposium on Elastohydrodynamics and Microelastohydrodynamics  Solid Mechanics and Its Applications, Springer 2006, Vol. 134, Part 10, 411 – 422.

TEXT/FOTO: Michal Vaverka, Petr Šperka, Lukáš Zapletal, Martin Vrbka, Petr Svoboda, Ivan Křupka

Poděkování

Článek vznikl za finanční podpory Grantové agentury ČR v rámci řešení grantového pro­jektu GP 101/09/P427 a Grantové agentury AV ČR v rámci řešení projektu KJB201730903.