Abstract
Трение и износ вредны для инженерных систем. Ультразвуковой смазки достигается, когда интерфейс между двумя скользящими поверхностями вибрирует на частоте выше акустическом диапазоне (20 кГц). В твердотельном технологии, ультразвуковой смазки может быть использован там, где обычные смазочные материалы невозможным или нежелательным. Кроме того, ультразвуковой смазки позволяет электрической модуляции эффективного коэффициента трения между двумя скользящими поверхностями. Это свойство позволяет адаптивных систем, которые изменяют их состояние трения и связанного динамический отклик как изменения условий эксплуатации. Поверхность износа может быть также снижена путем ультразвуковой смазки. Мы разработали протокол, чтобы исследовать зависимость снижения силы трения и износа снижение на линейной скорости скольжения между ультразвуковым смазанных поверхностей. Трибометр пин-на-диска был построен, которая отличается от коммерческих единиц, что пьезоэлектрический стек используется для вибрировать штифт на 22кГц нормали к вращающейся поверхности диска. Трение и износ метрики в том числе эффективной силы трения, потери объема и шероховатости поверхности измеряется без и с ультразвуковых колебаний при постоянном давлении от 1 до 4 МПа и трех различных скоростей скольжения: 20,3, 40,6, и 87 мм / сек. Оптический профилометр используется для характеристики износа поверхностей. Эффективное сила трения уменьшается на 62% при 20,3 мм / сек. Последовательно с существующими теориями для ультразвуковой смазки, снижение процентов силы трения уменьшается с увеличением скорости, вплоть до 29% снижения силы трения на 87 мм / сек. Снижение износа остается практически постоянной (49%) при трех скоростях рассмотренных.
Introduction
Трение существует в границе раздела двух контактирующих поверхностей, когда они скользят или рулона относительно друг друга. Трение обычно происходит вместе с абразивным износом или липкой. 1 Ультразвук является наука за высоких частот явлений, то есть волн, распространяющихся на частотах выше акустическом диапазоне (20 кГц). Поле ультразвука включает два принципиально различных режимов. Один режим включает в себя низкие интенсивности волны, подобные тем, используются в процессах обработки изображений, такие как УЗИ или медицинской неразрушающего контроля конструкций. Другой высокий режим питания, в котором высокоэнергетические волны используются для выполнения или оказания помощи технологических процессов, таких как сварка пластмасс и металлов. Было показано, что применение последнего вида ультразвуковых колебаний на границе раздела двух поверхностей в скользящем контакте уменьшает эффективную силу трения на поверхности раздела. Это явление известно как ультразвуковой смазки.
ДостигатьУльтразвуковой смазки между двумя скользящими объектов, относительные колебания в ультразвуковых частот должна быть установлена между ними. Вибрации, как правило, применяется к одному из двух объектов, либо в продольных, поперечных или перпендикулярном направлении по отношению к скорости скольжения. В этом исследовании ПИН трибометр в снабжен пьезоэлектрического привода так, чтобы его кончик вибрирует в направлении, перпендикулярном к вращающемуся диску Трибометр в. Пьезоэлектрические материалы представляют собой класс "интеллектуальных" материалов, которые искажают при воздействии электрического поля, вибрирует на той же частоте, что и поле возбуждения. Пьезоэлектрические материалы могут вибрировать на частотах хорошо в диапазоне МГц. Накладывается на макроскопической скорости, ультразвуковые колебания имеют эффект изменения направления мгновенной силы трения и контакта между поверхностями, которые в сочетании приводит к снижению эффективной силы трения и износа поверхности. Снижение трения Ультразвуковой была продемонстрирована в практических производственных систем. Например, эта технология была использована, чтобы уменьшить силу между инструментом и обрабатываемой деталью в механической обработке металлов и формирования процессов, таких как бурение, прессование, прокатка листа, и волочения проволоки. Преимущества включают улучшенную обработку поверхности 2 и уменьшение потребности в дорогих и экологически вредных моющих средств для удаления смазки из конечного продукта. Есть потенциальные применения ультразвуковой смазки и в других областях, а также. Например, ультразвуковой смазки может существенно повысить эффективность работы пользователей в личных медицинских изделий, устраняя необходимость смазки или покрытий. В автомобильных приложений, модуляция трение может повысить производительность шаровых шарниров в то время как снижение трения между сидений транспортных средств и рельсов облегчает движение сиденье, экономя пространство и массу, что в противном случае будет занято традиционных компонентов и mechaniSMS. Ультразвуковой смазки может также помочь улучшить топливную экономичность за счет снижения трения в трансмиссии и подвесок. 3 в пространстве приложений, где традиционные смазочные материалы не могут быть использованы, ультразвуковой смазки могут быть использованы для уменьшения износа и значительно продлить срок службы важнейших компонентов.
Лабораторные демонстрации уменьшения трения через ультразвуковой смазки многочисленны. Уменьшение трения количественно как разность между измеренной силы трения без смазки и ультразвуковой силы трения посредством ультразвуковых колебаний, применяемых. В любом случае, сила трения измеряется непосредственно с датчиков силы. Литтманн др. 4-5 подключен пьезоэлектрически-приводом привод на слайдер, на котором были установлены датчик силы и рамка для измерения силы трения и применения нормальных нагрузок. Пневматическим приводом была использована, чтобы подтолкнуть ползунок вместе с приводом вдоль направляющей. UltrasoniC колебания были применены в направлении продольной к скорости скольжения. Бхарадвадж и Dapino 6-7 проведены аналогичные эксперименты с использованием пьезоэлектрическое исполнительное устройство стека, соединенный с конической волновода на обоих концах стопки. Контакты проходила между сферическими краев конусов и поверхностью направляющего рельса. Эффекты параметров системы, таких как контактный жесткости, нормальной нагрузке, и глобальной жесткости были изучены. Кумар и Хатчинс 8 установлен штифт на сонотродом который был под напряжением с помощью ультразвукового датчика. Ультразвуковые колебания были получены и переданы штифта, который был помещен в контакте с инструментом стальной поверхности. Нормальное усилие наносили пневматическим цилиндром и измеряется датчиком нагрузки. Относительное движение между штифтом и диском был создан таблице возвратно-поступательного.
Полман и Lehfeldt 9 также реализован эксперимент пин-на-диска. В отличие от других исследований, они использовали magnetostrictив преобразователь, генерирующий ультразвуковые колебания. Для изучения оптимальное направление для уменьшения трения ультразвуковой преобразователь был тщательно выровнены так, что колебательная направление было продольная, поперечная, вертикальная и к макроскопической скорости. Они изучали сокращение ультразвуковой трения на сухой, так и смазанных поверхностей. Попов и др. 10 использовали привод с коническими волноводов. Привод был помещен в контакте с вращающейся опорной плите. Шишки из девяти материалов с различными твердости были приняты, чтобы изучить влияние твердости материала по сокращению ультразвуковой трения. Dong и Dapino 11-13 используется пьезоэлектрический преобразователь, чтобы генерировать и передавать ультразвуковые колебания призматического волновода с закругленными краями. Продольная вибрация вызывает вертикальной вибрации из-за эффекта Пуассона. Слайдер с изогнутой верхней был помещен под и в контакте волновода. Кадр был построен, чтобы применить нормальные силы на контактной границе. Тон вытащил слайдер вручную вокруг центральной области волновода; сила трения измеряют с помощью датчика нагрузки, которая была соединена с ползунком.
Ультразвуком, вызванной снижение износа, также была исследована и доказана. Объем потерь, потери веса, и шероховатость поверхности изменяется используются для оценки тяжести wear.Chowdhury и Helali 14 вибрирует вращающийся диск в установке пин-на-диска. Вибрации были получены с помощью опорной конструкции двумя параллельными пластинами, расположенными под вращающимся диском. Верхняя пластина имеет сферический шарик, установленный со смещением от центра на нижней поверхности, которая скользит в пазу, который был выгравированы на верхней поверхности нижней пластины. Слот был изготовлен с периодически изменяемой глубиной, так что верхняя пластина перемещается вертикально во время вращения. Частоты в диапазоне около 100 Гц в соответствии с частотой вращения.
Брайант и Йорк 15-16 изучали влияние микро-колебаний на жСнижение уха. Они вставили углерода цилиндр через держатель с одного конца опиралась на вращающийся стальной диск, а другой конец соединен с цилиндрической пружиной. В одном случае, цилиндр плотно установлены в держателе так, чтобы не было никакого места для вибрации. В других случаях, зазоры были оставлены, чтобы позволить микро-вибрации цилиндра, а цилиндр был в контакте с вращающегося диска. Потеря веса цилиндра, чтобы вычислить скорость износа. Было показано, что само генерируемые микро-вибрации помогло снизить износ до 50%.
Гото и Ashida 17-18 также приняла эксперимент пин-на-диска. Они соединены образцы контактов с преобразователем с помощью конической конуса и рога. Штифт вибрирует в направлении, перпендикулярном к поверхности диска. Масса была связана с преобразователя на его верхней части для применения нормальные нагрузки. Силы трения были переведены с момента, который был применен для вращения диска. Износ был идентифицирован как клей, так как обаконтактный и диск были изготовлены из углеродистой стали. Носить ставки рассчитываются из измерений потерь объем.
Было показано, что линейная скорость играет важную роль в ультразвуковой смазки. Экспериментальная составляющая этого исследования фокусируется на зависимости уменьшения трения и износа на линейной скорости.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Разработка модифицированной Tribometer
- Установите подсистему патрон-двигателя.
- Уровень виброизоляции таблице. Поместите двигатель постоянного тока на столе; выровнять двигатель с прокладками и закрепить его с распорками и болтами. Поместите опорную раму вокруг двигателя.
- Подключите шлицевой вал на валу двигателя с помощью ключа. Положите опорную плиту на раме с шлицевой вал собирается через отверстие в пластине. Набор тяги иглы роликовый подшипник на опорной плите и вокруг шлицевого вала. Смажьте подшипник с СОЖ.
- Подключите шлицевой вал патрона через переходную пластину, которая имеет шлицевое соединение вала с одной стороны и болт образец Чак на другой стороне. В этот момент, патрон поддерживается рамой посредством упорного подшипника и соединен с двигателем через переходную пластину.
- Установите gymbal сборки.
- Постройте опорную раму, используя U-канальные стойки, кронштейны иболтов. Используйте четыре длинных стойки, как столбы, и использовать три более короткие, как поперечных балок.
- Закрепите четыре столпа в таблице виброизоляции, используя кронштейны и болты. Подключите gymbal сборе на средней поперечной балки болтами и гайками.
- Установите горизонтально ориентированный нагрузки ячейку в gymbal собраний; жестко подключить одну сторону тензодатчика к раме gymbal сборки, при подключении другую сторону к gymbal руку с проволокой.
- Соберите пьезоэлектрический привод.
- Вставьте 3 в длинной, полностью резьбового стержня через отверстие пьезоэлектрического стека; положить одну шайбу и одну гайку на каждом конце стека; оставить примерно на 1/8 в нити, выступающей из конца одной гайкой.
- Затянуть гайки на обоих концах, чтобы создать предварительную нагрузку в стеке. Подключите длинные открытые темы к gymbal руку помощи болтов и шайб. Желудь Тема гайку на другом конце диска пьезо-привода и вставьте в патрон (это гайкуи диск для настройки целей, а не для тестирования).
- Регулировка высоты gymbal сборки так, чтобы гайку находится в контакте с верхней части диска и gymbal рука уровня.
- Отрегулируйте положение gymbal сборки, так что точка контакта между гайкой и желудь диска составляет около 25 мм от центра вращения диска. Затянуть все болты в настройки, чтобы обеспечить стабильность.
- Настройка поколение сигнала, усиление сигнала и подсистемы сбора данных.
- Подключите систему сбора данных в лабораторный компьютер. Подключение выход генератора сигналов на вход электрического усилителя. Подключите выход усилителя с входными проводами пьезоэлектрического стека. Подключите усилитель мониторов к системе сбора данных.
- Подключите датчик нагрузки в сигнал кондиционера, а затем подключить выход сигнала кондиционера к системе сбора данных.
- Дополнительная настройка.
- Подключите воздушный шланг в магазин воздух. Закрепить конец шланга к раме таким образом, что его выход точек на пьезо-привода. Лента кончик термопары пьезо-привода. Подключите термопары к читателю; повесить читателю на раме.
2. Предварительное испытание Подготовка
- Калибровка скорости вращения двигателя.
- Приложить магнит на ободе патрона. Место Холла зонд близко к патрона. Подключение выход Холла зонда измеритель магнитной индукции, который подключен к системе сбора данных.
- Откройте программное обеспечение сбора данных и начать сбор данных. Включите двигателя; включить скорость ручку контроллера двигателя до 10 (самый низкий скорости вращения двигателя обеспечивает). После двигатель вращается в течение 10 оборотов выключите двигатель. Конец приобретение данных.
- Анализ сохраненные данные; время между двумя пиками выходного сигнала измеритель магнитной индукции время для двигателя к гниениюели один полный оборот.
- Поверните ручку от 10 до 100 (самый высокий вращения двигателя обеспечивает) с шагом 10; повторите шаги 2.1.2 2.1.3.
- Поместите датчик нагрузки площадку между гайкой и желудевой диска для измерения нормальной силы на поверхности раздела. Мелко машина поверхность тестирования дисков с помощью токарного станка.
- Очистите гайку и диск для тестирования непосредственно перед испытанием.
- Положите на пластиковые перчатки и сталкиваются mask.Prepare части лабораторных салфеток; сложите их в 1-дюймовые квадраты. Спрей этанола на ткани квадратов; аккуратно протрите поверхность гайку и диска с ними.
- Установите чистую гайку желудь и диск.
- Автор гайку желудь на пьезо-привода, затяните его с помощью гаечного ключа. Вставьте диск в патроне; отрегулируйте положение, чтобы убедиться, кончик гайку находится в контакте с поверхностью диска.
- Совместите верхнюю поверхность диска и gymbal руку. Затянуть патрон такчто диск надежно удерживается.
- Измерьте биение вращения диска.
- Установите лазерный датчик смещения в приспособлении, и поместите прибор рядом с трибометра. Высота и угол наклона датчика, так что диск находится в пределах диапазона датчика и лазерный луч по нормали к диску.
- Подключите выход датчика к системе сбора данных. Начните сбор данных. Включите двигатель и поверните диск на 10 оборотов; выключите двигатель. Конец приобретение данных.
3. Выполните тестирование
- Тесты с ультразвуковыми колебаниями.
- Повесьте 2 Н вес на один крючок, который подключается к gymbal руку через провод и двумя шкивами. Вес используется для применения нормальной нагрузки между гайкой и желудевой диска.
- Повесьте другой 2 N вес на другой крюк, который подключается к gymbal руку, чтобы обеспечить горизонтальную претензии к динамометр.
- Установить сигналГенератор, чтобы обеспечить непрерывный синусоидальный сигнал с DC смещение 3 V, амплитуда 3 V, и частотой 22 кГц (резонансная частота пьезоэлектрического привода-). Обратите внимание, что 3 В смещение используется для предотвращения напряженности в пьезо-привода.
- Начните сбор данных (уменьшается сила трения). Включите усилитель и включите усиления ручку 15, что соответствует реальной выгоды 4,67 (цифры на ручке усиления являются произвольными).
- Включите двигателя; установить скорость вращения, чтобы 6.67 оборотов в минуту, чтобы обеспечить линейную скорость 20,3 мм / сек. Запустите тест в течение 4 часов.
- Выключите двигатель и усилитель, а затем остановить сбор данных. Удалить испытанный гайку и диск из настройки; Повторите шаги 2.3 до 2.5, чтобы установить новую гайку желудь и диск.
- Повторите шаги 3.1.1 3.1.6. На шаге 3.1.5, установить скорость вращения до 13,3 оборотов в минуту и 28,7 мин, чтобы обеспечить линейные скорости 40,6 мм / сек и 87 мм / с, соответственно; запускать тесты для 2 и 0,94 ч-корреспондентondingly.
- Тесты без ультразвуковых колебаний.
- Повторите шаг 3.1.6 изменить Acorn гайки и диски. Повторите шаги 3.1.1 3.1.6 с генератора сигналов и сигналов усилителя выходной (трение измеряется внутренняя трения).
4. Оптический профилометр Измерения
- Подготовка Измерение
- Очистите диски непосредственно перед использованием шаг измерений 2.3. Сделать восемь равномерно распределенных меток вокруг обода диска. Откройте программное обеспечение профилометра.
- Поднимите объектив так, что имеется достаточное расстояние между объективом и образцом платформы. Уровень образец платформы. Место кусок в лаборатории уничтожить на платформе.
- Осторожно поместить образец в верхней части ткани с одной из восьми знаков, обращенным к передней профилометра.
- Настройки измерения.
- Выберите VSI (вертикальный сканирование интерферометрии) в качестве типа обработки. Выберите объектив для 5Xбольшое поле зрения и общую форму. Выберите 0.55X увеличение для области сканирования 1,8 мм на 2,4 мм.
- Выберите скорость сканирования 1X. Установите диапазон сканирования до -100 м до 100 м. Доведите объектив вниз к образцу, пока не будет размытое изображение на экране. Отрегулируйте высоту линзы, пока изображение не станет четким.
- Выберите 2 как число сканирований в среднем для каждого измерения. Нажмите кнопку измерения.
- Процедуры после измерения.
- Используйте зрения рецепт, который определен в программном обеспечении, чтобы исправить сырое изображение для наклона всей выборке. Откройте анализа инструментов в программном обеспечении.
- Получить измеренные значения шероховатости от пункта "Основные Stats". Получить измеренные потери громкости износа шрам в области сканирования с пункта "Volume".
- Сохранение изображений профилей 1D в х и у направлениях, профиль 2D, 3D профиля, а также таблица значений шероховатости. Поверните по часовой стрелке до образца йе следующий знак стоит фронт профилометру.
- Повторите шаги 4,2 до 4,3 для остальных 7 баллов.
- Повторите шаги 4.1. до 4,4 на всех шести дисков.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Представительные измерения, представленные здесь, были получены из модифицированного трибометре, показанного на фиг.1. Пьезоэлектрический исполнительный механизм создает вибрацию с амплитудой 2,5 мкм на частоте 22 кГц. Чтобы исследовать зависимость трение и износ на снижение линейной скорости, три различные скорости (20,3, 40,6 и 87 мм / с) были применены к диску путем изменения скорости вращения двигателя. Для всех трех групп, число оборотов дисковых и расстояние штифта путешествия были выбраны в качестве 1600 и 292,5 м соответственно. Номинальный диаметр вращения 50 мм. Другие параметры, такие как нормальной силы, частоты вибрации, и амплитуды колебаний оставалась одинаковой для всех тестов (Таблица 1).
Сила трения пробы на частоте 400 Гц с использованием 2 сек окна выборки. Рисунок 2 показывает типичную данные из одного окна выборки. Наблюдаемое fluctuatioп в силу трения объясняется прерывистого скольжения. Средние значения силы трения были рассчитаны и графически против контактный расстояния перемещения на фиг.3. Внутренние силы трения представлены точками на чертеже, в то время как силы трения посредством ультразвуковых колебаний показаны «х» маркеров. Зеленый, синий и красный используются, соответственно, для данных испытаний на 20,3 мм / сек, 40,6 мм / сек, и 87 мм / сек. Сила трения от каждого теста остается практически постоянным, как только в стационарном режиме достигается.
Диск биение вызывает ускорение от инерциальной вертикального движения пальца и gymbal сборки, что приводит к изменению нормальной силы. В результате измеренная сила трения колеблется, как показано на рисунке 3. Следует подчеркнуть, что колебание наблюдается на рисунке 2, в связи с прерывистого скольжения. Учитывая среднее значение силы трения после того, как система достигла стационарного состояния операции, рис3 показывает, что сила трения выше при более высоких линейных скоростей, или не ультразвуковые колебания будут применены к системе. Этот результат согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими, что кривая силы-скорости имеет положительный наклон при малых скоростях 19-21 линейных.
Процент уменьшения трения определяется как
1. 
где внутренняя сила трения (сила без ультразвуковых колебаний, измеряется в шаге 3.2) и сила трения с ультразвуковыми колебаниями (измеренных в шаге 3.1.4). Процент уменьшения на каждом линейной скорости представлен в зависимости от расстояния, проходимого штифта на фиг.4. Вибраций ультразвуковой уменьшить силу трения стационарное для всех трех линейных скоростей протестированных, однако, процент уменьшается с увеличением скорости линейных.
Измеряется стационарный трениясилы, расстояние стабилизации, и процент снижения трения приведены в таблице 2. Ультразвуковые колебания облегчить процесс разрушения оксидного слоя и формирование устойчивых контактов между штифтом и диском, который приводит к сокращению расстояния для силы трения для достижения устойчивого состояние, когда ультразвуковые колебания присутствуют.
Абразивный износ происходит между на поверхности материалов с различной твердости. 22 Из-за разницы в твердости нержавеющей стали (от 700 до 950 кг / мм 2) и алюминий (45 до 50 кг / мм 2), износ определяется как абразивная в этом исследовании. Надеть канавки на дисках показано на рисунке 5. Изображения A, C, E соответствуют испытаниям с ультразвуковыми колебаниями, в то время как изображения B, D, F являются данные без колебаний. Видно, что канавки появляются более неравномерным и не отражающей ультразвуковые колебания, когда применяются.
Трехмерная рrofiles, значения шероховатости поверхности и потери объема канавок получаются из профилометром сканирования. 3-D профили канавок с ультразвуковых колебаний (фиг.6 В, D, F), появляются более узкие, менее гладкой, и мельче, чем те, без вибраций (фиг.6 A, C, E), что свидетельствует о том, что ультразвуковые колебания вызывают уменьшение износа ,
Для количественной оценки степени снижение износа, скорость износа определяется как
2. 
где диск объемные потери в мм 3 (измеренный в шаге 4.3.2) и расстояние, пройденное штифта в метрах (таблица 1). Как и в процентах уменьшения трения, процент снижение износа определяется как
3. 
где внутренняя скорость износа (без ультразвуковых колебаний) и скорость износа сультразвуковые колебания применяется. Данные в таблице 3 показывают, что степень износа и параметры шероховатости поверхности меньше, когда ультразвуковые колебания присутствуют, который является индикатором снижение износа. Процент снижение износа остается практически постоянным при увеличении скорости.
в-страницы = ""> всегда 
Рисунок 1. Экспериментальная установка: (А) в целом трибометр; (б) двигателя; (С) опорная рама, (D) подробный gymbal сборки (E) пьезоэлектрический исполнительный; и (F) Схема системы. (Эта цифра была изменена с 13).
Рисунок 2. Типичные данные из одного окна выборки. (Эта цифра была изменена с 13). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
931fig3.jpg "/>
Рисунок 3. Силы трения с и без ультразвуковых колебаний на различных скоростях. (Эта цифра была изменена с 13) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Измеряется уменьшение трения рассчитывается по формуле. (1). (Эта цифра была изменена с 13) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. Надевайте канавки получены с ультразвуковым Vibr. ции (A, C, E и) и без ультразвуковых колебаний (B, D, F и) Каждый столбец соответствует линейной скорости: 20.3 мм / сек (A, B); 40,6 мм / сек (С, D); и 87 мм / сек (E, F). (Эта цифра была изменена с 13)
Рисунок 6. 3D профили износа канавок, полученных без ультразвуковых колебаний (А, С, и Е) и с ультразвуковых колебаний (B, D, F и) Каждая строка представляет собой линейную скорость:. 20,3 мм / сек (A, B); 40,6 мм / сек (С, D); и 87 мм / сек (E, F). (Эта цифра была изменена с 13) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть большую версию этой фигуры.
| Параметр | Стоимость | ||
| Группа | 1 | 2 | 3 |
| Линейная скорость (мм / сек) | 20.3 | 40,6 | 87 |
| Продолжительность (ч) | 4 | 2 | 0.93 |
| Расстояние, пройденное пальца (м) | 292,5 | ||
| Обороты | 1600 | ||
| Контакт материала | Нержавеющая сталь 316 | ||
| Дисковый материал | Алюминий 2024 | ||
| Номинальная нормальная сила (Н) | 3 | ||
| Диск закончились (мм) | 0,0286 | ||
| США частота (кГц) | 22 | ||
| США амплитуда (мкм) | 2.5 | ||
| Номинальный диаметр Groove (мм) 50 | |||
| Номинальная температура (° С) | 21 ± 1 | ||
| Температура Номинальный привод (° С) | 31 ± 1 | ||
| Окружающая среда | Лаборатория воздуха | ||
| Частота дискретизации (Гц) | 400 | ||
Таблица 1. Параметры, используемые в Tribometer испытаний. (Эта таблица была изменена с 13)
| Линейная скорость (мм / сек) | США | Устойчивое состояние трения (N) | Расстояние до достижения устойчивого состояния (м) | Уменьшение трения (%) |
| 20.3 | Нет | 1.024 ± 0.063 | 4.17 | 62.22 |
| Да | 0,379 ±0,041 | 2.78 | ||
| 40,6 | Нет | 1.201 ± 0.055 | 11.61 | 36.11 |
| Да | 0.748 ± 0.035 | 7.21 | ||
| 87 | Нет | 1.472 ± 0.064 | 8.94 | 29.32 |
| Да | 1.041 ± 0.056 | 4.64 |
Таблица 2. Устойчивые силы трения государственные, расстояния для достижения устойчивого состояния и снижение трения. (Эта таблица была изменена с 13)
| Линейная скорость (мм / сек) | США | R а (мкм) | R Q (мкм) | R т (мкм) | Носите скорость (мм 3 / м) | Количество контактов | |
| 20.3 | Нет | 18,829 | 21,421 | 124.35 | 2.237 × 10 -2 | 45.76 | |
| Да | 17,238 | 18,975 | 87,011 | 1.214 × 10 -2 | 3.17 × 10 8 | ||
| 40,6 | Нет | 21,647 | 22,673 | 109.28 | 2.581 × 10 -2 | 48.18 | |
| Да | 17,289 | 19,922 | 106.42 | 1.338 × 10 -2 | 1.58 × 10 8 | ||
| 87 | Нет | 19,825 | 21,921 | 130.52 | 2.43 × 10 -2 | 48.63 | |
| Да | 17,606 | 111.25 | 1.248 × 10 -2 | 7,39 × 10 8 |
Таблица 3. Сравнение скорости износа, количество контактов, и параметров шероховатости поверхности (среднее арифметическое; корень средний квадрат; максимальная высота профиля) (Эта таблица была изменена с 13).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эксперименты проводились с использованием этого протокола, чтобы изучить влияние линейной скорости на ультразвуковой трения и снижение износа. Измерения показывают, что ультразвуковые колебания эффективно уменьшить трение и износ при трех линейных скоростях. В соответствии с предыдущими наблюдениями, количество уменьшения трения уменьшается от 62,2% при 20,3 мм / сек до 29,3% по 87 мм / сек. Снижение износа незначительна при изменении линейной скорости (45,8% до 48,6%).
Свойства материала, таких как модуль и предел текучести Юнга может измениться, когда ультразвуковые волны передаются через материал. Это часто называют ультразвуковой размягчения 23. В этом исследовании, в связи с разницей в жесткости между пьезо-привода и других частей установки, колебания кГц 22, созданные с помощью привода не передавать в другой части экспериментальной установки, хотя режим вибрации Структура в районе 100 Гц был взволнован, когда ультразвуковой VIBРационы были применены. На границе между штырем и диском, ультразвуковые колебания привести к выделению тепла, которое приводит к повышению температуры на границе раздела. Тем не менее, на основании экспериментов, проведенных Dong и Dapino, повышение температуры в диапазоне, который вызывает незначительные изменения в свойствах материала.
Одним из ограничений этого эксперимента является то, что нет никакого механизма, чтобы устранить колебания диска, что может вызвать вертикальное движение пальца, gymbal руку, и вес. Ускорение движущейся массы приводит к вариациям фактической нормальной силы, приложенной на поверхности, следовательно, силы трения измеряют. Поэтому, очень важно, чтобы убедиться, что вал двигателя, шлицевой вал, патрон, и диск находятся на одном уровне. Экспериментальная изменчивость может быть уменьшена, когда количество вобул ции сведено к минимуму.
Это также важно, чтобы надежно затяните гайку желудь к пьезоэлектрического привода, так что гайку не расшатываются в процессе испытания. Ультразвуковые вибрации являются неэффективными, чтобы уменьшить силу трения, если вибрации не передаются на интерфейс. Если сила трения неожиданно переходит к более высокому уровню в ходе испытаний, весьма вероятно, из-за неплотного соединения между гайкой и желудевой привода. Эта проблема сопровождается жужжание, поэтому он может быть легко обнаружен.
Электрически питанием пьезоэлектрический привод-генерирует тепло, которое может повысить его температуру быстро, если не используется никакого охлаждения. Важно, чтобы регулировать поток воздуха в должном уровне для удаления тепла и поддерживать температуру постоянной привода. Даже тогда, когда пьезоэлектрический привод-выключено для испытаний без ультразвуковых колебаний, так же поток воздуха еще должны быть применены таким образом, чтобы условия испытаний остаются теми же для всех тестов.
По сравнению с предшествующей работе, это исследование протокола трение и износ одновременно, в том же тесте, который не был ранее проделанной систематически. GymbalУзел обеспечивает более прямой подход для измерения силы трения на границе раздела, чем другие методы, которые либо вытекают трение от измеренного усилия срабатывания или от других физических параметров, таких как деформации или крутящего момента. Держатель диска спроектирован и построен для этих испытаний позволяет удобно изменение образцов с различными размерами, материалами и поверхностных неровностей. Оптический профилометр обеспечивает информацию, такую как 3D профилей и шероховатости поверхности для изучения сокращение износа, что обеспечивает более детальное понимание износа шрамов, чем измерения потерь объем или потери веса. Благодаря этим преимуществам, этот протокол может быть использован для исследования зависимости ультразвукового трение и износ сокращение от многих других параметров, таких как нормального напряжения, твердости материала, шероховатости поверхности и амплитуды колебаний.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Авторы хотели бы выразить признательность Тиму Кранца из NASA Glenn и Дуэйн Detwiler от Honda R & D за техническую поддержку и взносы натурой. Финансовая поддержка для этого исследования была предоставлена организаций-членов в Концепции Центра интеллектуального автомобиля (www.SmartVehicleCenter.org), Национальный научный фонд Промышленность / университет Совместный исследовательский центр (я / UCRC). SD поддерживается Концепции Смарт транспортных средств в аспирантуре и университет стипендий от штата Огайо университета Высшая школа.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DC Motor | Minarik | SL14 | |
| Electrical amplifier | AE Techron | LVC5050 | |
| Signal conditioner | Vishay Measurements Group | 2310 | |
| Signal generator | Agilent | 33120A | |
| Piezoelectric stack | EDO corporation | EP200-62 | |
| Load cell | Transducer Techniques | MLP-50 | |
| Load sensor pad | FlexiForce | A201 | |
| Laser meter | Keyence corporation | LK-G32 | |
| Hall-effect probe and gaussmeter | Walker Scientific, Inc. | MG-4D | |
| Data acquisition module | Data Physics | Quattro | |
| Data acquisition software | Data Physics | SignalCalc Ace | |
| Thermocouple reader | Omega | HH22 | |
| Optical profilometer | Bruker | Contour GT | |
| Profilometer operation software | Bruker | Vision 64 |
References
- Bhushan, B. Introduction to tribology. , John Wiley & Sons. New York. (2002).
- Severdenko, V., Klubovich, V., Stepanenko, A. Ultrasonic rolling and drawing of metals. , Consultants Bureau. New York and London. (1972).
- Taylor, R., Coy, R. Improved fuel efficiency by lubricant design: a review. Proc. Instit. Mech. Eng., Part J: J Eng. Tribol. 214 (1), 1-15 (2000).
- Littmann, W., Storck, H., Wallaschek, J. Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Arch. Appl. Mech. 71 (8), 549-554 (2001).
- Littmann, W., Storck, H., Wallaschek, J. Reduction in friction using piezoelectrically excited ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 4331, (2001).
- Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Friction control in automotive seat belt systems by piezoelectrically generated ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7645, 7645E (2010).
- Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Effect of load on active friction control using ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7290, 7290G (2010).
- Kumar, V., Hutchings, I. Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribol. Int. 37 (10), 833-840 (2004).
- Pohlman, R., Lehfeldt, E. Influence of ultrasonic vibration on metallic friction. Ultrasonics. 4 (4), 178-185 (1966).
- Popov, V., Starcevic, J., Filippov, A. Influence of Ultrasonic In-Plane Oscillations on Static and Sliding Friction and Intrinsic Length Scale of Dry Friction Processes. Tribol. Lett. 39 (1), 25-30 (2010).
- Dong, S., Dapino, M. J. Piezoelectrically-induced ultrasonic lubrication by way of Poisson effect. Proc. SPIE. 8343, 83430L (2012).
- Dong, S., Dapino, M. J. Elastic-plastic cube model for ultrasonic friction reduction via Poisson effect. Ultrasonics. 54 (1), 343-350 (2014).
- Dong, S., Dapino, M. J. Wear Reduction Through Piezoelectrically-Assisted Ultrasonic Lubrication. Smart. Mater. Struct. 23 (10), 104005 (2014).
- Chowdhury, M., Helali, M. The effect of frequency of vibration and humidity on the wear rate. Wear. 262 (1-2), 198-203 (2014).
- Bryant, M., Tewari, A., York, D. Effect of Micro (rocking) vibrations and surface waviness on wear and wear debris. Wear. 216 (1), 60-69 (1998).
- Bryant, M., York, D. Measurements and correlations of slider vibrations and wear. J. Tribol. 122 (1), 374-380 (2000).
- Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. Effect of ultrasonic vibration on the wear characteristics of a carbon steel: analysis of the wear mechanism. Wear. 94, 13-27 (1984).
- Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. Wear behaviour of a carbon steel subjected to an ultrasonic vibration effect superimposed on a static contact load. Wear. 110 (2), 169-181 (1986).
- Robinowicz, E. The friction and wear of materials. , Wiley. New Jersey. (1965).
- Bowden, F., Freitag, E. The friction of solids at very high speeds. Proc. R. Soc. A. 248 (1254), 350-367 (1985).
- Burwell, J., Rabinowicz, E.
- Cocks, M.
- Rusinko, A. Ultrasound and Irrecoverable Deformation in Metals. , LAP Lambert Academic Publishing. Saarbrücken. (2012).
