Name: Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-09-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 21 s
Description: Erfahren Sie die Ultraschall-Schmierung zur Reibungs- und Verschleißreduktion mit einem modifizierten Pin-on-Disc-Tribometer und optischem Profilometer. Diese Methode reduziert die Reibung um bis zu 62 %.

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Die Autoren bedanken sich bei Tim Krantz vom NASA Glenn und Duane Detwiler von Honda R &amp; D für ihre technische Unterstützung und Sachleistungen anzuerkennen. Finanzielle Unterstützung für diese Forschung wurde von den Mitgliedsorganisationen des Smart Fahrzeugkonzepte Center (www.SmartVehicleCenter.org) vorgesehen ist, ein National Science Foundation Industrie / Universität Cooperative Research Center (I / UCRC). SD wird durch eine intelligente Fahrzeugkonzepte Graduate Fellowship und eine Universität Stipendium von der Ohio State University Graduate School unterstützt.

1. Entwicklung der modifizierten Tribometer <ol><li> Installieren chuck-Motor-Subsystem. <ol><li> Stufe Schwingungsisolation Tisch. Platzieren Gleichstrommotor auf dem Tisch; Ebene den Motor mit Ausgleichsscheiben anbringen und mit Streben und Bolzen. Platzieren Stützrahmen den Motor umgibt. </li><li> Verbinden Keilwelle mit der Motorwelle mit Hilfe eines Schlüssels. Setzen Trägerplatte auf dem Rahmen mit der Keilwelle durch das Loch in der Platte gehen. Set Drucknadelrollenlager auf der Tragplatte und in der Nähe der Keilwelle. Schmieren Sie die Lager mit Kühlschmierstoffen. </li><li> Schließen Sie die Keilwelle, um das Spannfutter durch eine Adapterplatte, die eine Keilwellenkupplung auf der einen Seite und des Futters Lochkreis auf der anderen Seite hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Spannfutter von dem Rahmen durch das Drucklager abgestützt und mit dem Motor über der Adapterplatte verbunden ist. </li></ol></li><li> Installieren Sie die gymbal Montage. <ol><li> Erstellen Sie den Tragrahmen mit U-Profil Streben, Halterungen undSchrauben. Verwenden Sie vier langen Streben als Säulen, und verwenden Sie drei kürzeren als Querbalken. </li><li> Sichern Sie sich die vier Säulen auf die Schwingungsisolierung Tabelle mit Klammern und Schrauben. Schließen Sie das gymbal Montage bis zur Mitte Querträger mit Schrauben und Muttern. </li><li> Installieren Sie eine horizontal ausgerichtete Wägezelle im gymbal Montage; starr zu verbinden eine Seite der Wägezelle an die gymbal Versammlung Rahmen, während Anschluss der anderen Seite mit dem gymbal Arm mit einem Draht. </li></ol></li><li> Montieren Sie den piezoelektrischen Aktor. <ol><li> Einsatz 3 in lange, voll Gewindestange durch die Bohrung des piezoelektrischen Stapels; legte eine Unterlegscheibe und eine Mutter, die an jedem Ende des Stapels; lassen Sie etwa 1/8 in der Faden von dem Ende einer Mutter vorsteht. </li><li> Ziehen Sie die Muttern an beiden Enden, um eine Vorspannung in dem Stapel zu erstellen. Schließen Sie die langen, freiliegende Gewinde an den gymbal Arm mit Muttern und Unterlegscheiben. Faden Hutmutter auf das andere Ende des Piezo-Aktors und Einsatzscheibe in der Spannvorrichtung (diese Hutmutterund Disc für Set-up Zwecken verwendet werden, nicht zum Testen). </li><li> Stellen Sie die Höhe des gymbal Montage, so dass die Hutmutter ist in Kontakt mit der Oberseite der Scheibe und der gymbal Arm waagerecht steht. </li><li> Stellen Sie die Position des gymbal Montage, so dass der Kontaktpunkt zwischen der Hutmutter und Disc ist etwa 25 mm entfernt von dem Drehzentrum der Scheibe. Alle Schrauben im Set-up, um die Stabilität zu gewährleisten. </li></ol></li><li> Einrichten Signalerzeugung, Signalverstärkung, und Datenerfassungssysteme. <ol><li> Verbinden Datenerfassungssystem zu einem Labor-Computer. Den Ausgang des Signalgenerators mit dem Eingang eines elektrischen Verstärkers. Verbinden Sie den Verstärkerausgang mit den Eingangsleitungen des piezoelektrischen Stapels. Schließen Sie den Verstärker-Monitore an die Datenerfassungssystem. </li><li> Schließen Sie die Lastzelle mit einer Signalanlage, und verbinden Sie dann den Ausgang der Signalanlage an das Datenerfassungssystem. </li></ol></li><li> Zusätzliche Set-up.<ol><li> Verbinden Sie Luftschlauch zum Einkaufen Luft. Fixierung des Endes des Schlauches mit dem Rahmen, so dass ihre Austrittsstellen am Piezoaktor. Kleben Sie die Spitze des Thermoelements an den Piezo-Aktor. Schließen Sie die Thermoelement-Leitungen für den Leser; hängen Sie den Leser auf dem Rahmen. </li></ol></li></ol> 2. Pre-Test-Vorbereitung <ol><li> Kalibrieren der Drehzahl des Motors. <ol><li> Befestigen Magneten an dem Rand des Futters. Platz Hall-Effekt-Sonde in der Nähe des Spannfutters. Den Ausgang des Hall-Effekt-Sonde Gauss daß mit dem Datenerfassungssystem verbunden ist. </li><li> Öffnen Sie die Datenerfassungssoftware und starten Sie die Datenerfassung. Einschalten des Motors; Drehen Sie den Fahrregler der Motorsteuerung 10 (die niedrigste Drehzahl der Motor bietet). Nachdem der Motor dreht sich für 10 Umdrehungen, schalten Sie den Motor ab. End-Datenerfassung. </li><li> Analysieren Sie die gespeicherten Daten; die Zeit zwischen zwei Spitzen des Ausgangssignals von der Gaussmeter ist die Zeit für den Motor zu verrottenaßen eine volle Umdrehung. </li><li> Drehen Sie den Knopf von 10 bis 100 (die höchste Drehzahl des Motors stellt) in Schritten von 10; wiederholen Sie die Schritte 2.1.2 bis 2.1.3. </li></ol></li><li> Zeigen Lastsensor Polster zwischen der Hutmutter und der Scheibe, um die Normalkraft an der Grenzfläche zu messen. Fein Maschine die Oberfläche der Testplatten mit einer Drehbank. </li><li> Reinigen Sie die Hutmutter und Disc unmittelbar vor Prüfung unterzogen werden. <ol><li> Setzen Sie auf Plastikhandschuhe und Gesichts mask.Prepare Stücke von Laborwischtücher; falten Sie sie in 1-Zoll-Quadrate. Spray Ethanol auf die Gewebequadrate; wischen Sie die Oberfläche der Hutmutter und Disc mit ihnen. </li></ol></li><li> Installieren Sie die saubere Hutmutter und Scheibe. <ol><li> Schrauben Sie die Hutmutter auf den Piezo-Aktor, ziehen Sie sie mit einem Gabelschlüssel. Legen Sie die Disc in das Spannfutter; passen Sie die Position um sicherzustellen, dass die Spitze des Hutmutter in Kontakt mit der Plattenoberfläche. </li><li> Richten Sie die obere Oberfläche der Scheibe und dem gymbal Arm. Ziehen Sie das Spannfutter sodass die Scheibe festgehalten wird. </li></ol></li><li> Messung der Unrundheit der Scheibenrotation. <ol><li> Installieren Laser-Wegmessung in einer Halterung, und legen Sie die Halterung neben dem Tribometer. Die Höhe und den Winkel des Sensors so, daß die Platte innerhalb des Sensorbereichs und der Laserstrahl senkrecht zu der Scheibe. </li><li> Verbinden den Ausgang des Sensors mit dem Datenerfassungssystem. Starten Sie die Datenerfassung. Schalten Sie den Motor und drehen Sie die Disk auf 10 Umdrehungen; Ausschalten des Motors. End-Datenerfassung. </li></ol></li></ol> 3. Führen Sie Testing <ol><li> Tests mit Ultraschallschwingungen. <ol><li> Hang 2 N Gewicht auf der einen Haken, der an die gymbal Arm durch Draht und zwei Riemenscheiben verbindet. Das Gewicht wird verwendet, um eine Normalkraft zwischen der Hutmutter und der Scheibe an. </li><li> Hängen weitere 2 N Gewicht auf der anderen Haken, der an den gymbal Arm verbindet, um eine horizontale Vorspannung auf die Lastzelle ist. </li><li> Stellen Sie die SignalGenerator, um eine kontinuierliche Sinussignal mit DC liefern Offset von 3 V, die Amplitude von 3 V und einer Frequenz von 22 kHz (die Eigenfrequenz des Piezo-Aktors). Man beachte, dass die 3 V-Offset wird dazu verwendet, die Spannung in dem Piezoaktor zu verhindern. </li><li> Starten Sie die Datenerfassung (reduzierte Reibungskraft). Schalten Sie den Verstärker und drehen Sie den Gain-Regler bis 15, die auf einen tatsächlichen Gewinn von 4,67 (die Zahlen auf der Gain-Regler sind willkürlich) entspricht. </li><li> Einschalten des Motors; Set der Drehgeschwindigkeit auf 6,67 rpm, um eine Lineargeschwindigkeit von 20,3 mm / s bereitzustellen. Führen Sie den Test für 4 Stunden. </li><li> Schalten Sie den Motor und Regler, und beenden Sie dann die Datenerfassung. Entfernen Sie die getesteten Hutmutter und Disc aus dem Set-up; Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2,5, um neue Hutmutter und CD installieren. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1 bis 3.1.6. In Schritt 3.1.5, setzen die Drehzahl 13,3 min und 28,7 min, um eine lineare Geschwindigkeit von 40,6 mm / sec und 87 mm / sec, jeweils bereitzustellen; führen Sie die Tests für 2 und 0,94 h entsprondingly. </li></ol></li><li> Tests ohne Ultraschallschwingungen. <ol><li> Wiederholen Sie Schritt 3.1.6 zu Hutmuttern und Scheiben zu ändern. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1 mit dem Signalgenerator und Signalverstärker aus (die Reibung gemessene Eigenreibung) 3.1.6. </li></ol></li></ol> 4. Optische Profilometer-Messungen <ol><li> Messvorbereitung <ol><li> Die Scheiben reinigen unmittelbar vor Messungen mit Schritt 2.3. Stellen acht gleichmäßig verteilte Markierungen um die Kante der Scheibe. Öffnen Sie das Profilometer Software. </li><li> Heben Sie die Linse, so dass ein ausreichender Abstand zwischen der Linse und Probenplattform. Richten Sie die Probenplattform. Legen Sie ein Stück Laborwischtuch auf der Plattform. </li><li> Platzieren Sie leicht die Probe auf der Oberseite des Gewebes mit einer der acht Marken mit Blick auf den vor dem Profilometer. </li></ol></li><li> Messeinstellungen. <ol><li> Wählen VSI (Vertical-Scanning Interferometry) als den Verarbeitungstyp. Wählen 5X Objektiv fürgroßes Sehfeld und Gesamtform. Wählen 0.55X Vergrößerung für einen Scanbereich von 1,8 mm bis 2,4 mm. </li><li> Wählen 1X Scan-Geschwindigkeit. Set Scanbereich bis -100 m bis 100 m. Bringen die Linse nach unten in Richtung auf die Probe, bis ein verschwommenes Bild auf dem Bildschirm. Stellen Sie die Höhe der Linse, bis das Bild klar ist. </li><li> Wählen 2 als die Anzahl von Abtastungen für jede Messung Durchschnitt. Klicken Sie auf die Messtaste. </li></ol></li><li> Post-Messverfahren. <ol><li> Verwenden Sie die Vision Rezept, das in der Software, um die rohen Bild zur Neigung der gesamten Probe zu korrigieren definiert. Öffnen Sie die Analyse-Toolbox in der Software. </li><li> Besorgen Sie sich die gemessenen Rauheitswerte aus der &quot;Grund Stats&quot; Einzelteil. Besorgen Sie sich die gemessene Volumenverlust der Verschleißnarbe im Scan-Bereich aus dem &quot;Volume&quot; aus. </li><li> Speichern der Bilder der 1D Profile in der x- und y-Richtungen, die 2D-Profil, das 3D-Profil, als auch die Tabelle der Rauhigkeitswerte. Drehen Sie die Probe im Uhrzeigersinn, bis the nächste Marke steht vor der Vorderseite der Profilometer. </li></ol></li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,2-4,3 für die restlichen 7 Mark. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.1. bis 4.4 auf allen sechs Discs. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Experimente wurden unter Verwendung dieses Protokolls, um die Wirkung der linearen Geschwindigkeit auf Ultraschall Reibungs- und Verschleißreduzierung Studie durchgeführt. Die Messungen zeigen, dass Ultraschallschwingungen effektiv Reibung und Verschleiß an drei Lineargeschwindigkeiten. Im Einklang mit früheren Beobachtungen, die Höhe der Reibungsminderung nimmt von 62,2% auf 20,3 mm / s bis 29,3% bei 87 mm / sec. Verschleißminderung ist vernachlässigbar mit wechselnden linearen Geschwindigkeit (45,8% auf 48,6%). <p...

Reibung existiert an der Grenzfläche von zwei sich berührenden Oberflächen, wenn sie Walze relativ zueinander gleiten oder. Reibung tritt in der Regel zusammen mit abrasiven oder adhäsiven Verschleiß. 1 Ultrasonics ist die Wissenschaft hinter der Hochfrequenz-Phänomene, das heißt, Wellen bei Frequenzen oberhalb der akustischen Bereich (20 kHz). Das Feld von Ultraschall umfasst zwei grundsätzlich verschiedene Regimes. Ein Regime beinhaltet geringer Intensität Wellen, wie sie in bildgebenden Verfahren wie der medizinischen Ultraschall oder zerstörungsfreien Prüfung von Strukturen genutzt. Das andere ist eine Hochleistungsregelung in dem Hochenergie-Wellen werden verwendet, um durchzuführen oder zu unterstützen Engineering Verfahren wie Schweißen von Kunststoffen und Metallen. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung der letzteren Art von Ultraschallvibrationen an der Schnittstelle von zwei Oberflächen in Gleitkontakt verringert die effektive Reibungskraft an der Grenzfläche. Dieses Phänomen wird als Ultraschallschmierung bekannt. ErreichenUltraschall Schmierung zwischen zwei Schiebe Objekten, muss relativ Schwingung bei Ultraschallfrequenzen zwischen ihnen hergestellt werden. Vibrationen werden typischerweise an einem der beiden Objekte angewendet, entweder in der Längs-, Quer- oder senkrechten Richtung relativ zu der Gleitgeschwindigkeit. In dieser Studie wird ein Tribometer Stift mit einem piezoelektrischen Aktuator angebracht, so dass seine Spitze schwingt in der Richtung senkrecht zu der Tribometer der rotierenden Scheibe. Piezoelektrische Materialien sind eine Klasse von &quot;intelligenten&quot; Materialien, die, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt ist, schwingt mit derselben Frequenz wie das Anregungsfeld zu deformieren. Piezoelektrische Materialien können bei Frequenzen bis in den MHz-Bereich zu vibrieren. Wobei auf die makroskopische Geschwindigkeit überlagert ist, haben Ultraschallschwingungen die Wirkung der abwechselnd die Richtung des momentanen Reibungskraft und der Kontakt zwischen den Oberflächen, die in Kombination führt zu einer Reduzierung des effektiven Reibungskraft und Verschleiß. </p&gt; Ultraschall Reibungsreduzierung hat in der praktischen Fertigungssystemen nachgewiesen. Beispielsweise wurde diese Technologie verwendet, um die Kraft zwischen Werkzeug und Werkstück in der Metallbearbeitung und Bildungsprozesse wie Bohren, Pressen, Blechwalz und Drahtziehen zu verringern. Vorteile sind die verbesserte Oberflächenqualität 2 und einen reduzierten Bedarf an teuren und umweltbelastenden Reinigungsmitteln Schmierstoffe aus dem Endprodukt zu entfernen. Es potenzielle Anwendungen von Ultraschall Schmierung in anderen Bereichen. Beispielsweise können Ultraschallschmier wesentlichen die Benutzererfahrung in Körperpflege-Produkte zu verbessern, indem die Notwendigkeit für Schmiermittel oder Beschichtungen. In Automobilanwendungen, kann die Reibung Modulation die Leistung der Kugelgelenke Verbesserung der Erwägung, dass Reibungsminderung zwischen Fahrzeugsitze und Schienen ermöglicht die Sitzbewegung, spart Platz und Masse, die sonst von der traditionellen Komponenten und mechani besetzt werden würdeSMS. Ultraschall-Schmierung kann auch helfen, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, indem die Reibungsminimierung im Antriebsstrang und Federungssysteme. 3 in Raumfahrtanwendungen, in denen traditionelle Schmierstoffe kann nicht verwendet werden, können Ultraschallschmierung eingesetzt werden, um den Verschleiß zu reduzieren und dramatisch verlängern die Lebensdauer kritischer Komponenten. Labordemonstrationen Reibungsreduktion durch Ultraschall-Schmierung sind zahlreich. Reibungsverringerung wird als die Differenz zwischen der Reibungskraft, gemessen ohne Ultraschall Schmierung und die Reibungskraft, mit Ultraschallschwingungen angewendet quantifiziert. In jedem Fall wird die Reibungskraft direkt mit der Kraftsensoren gemessen. Littmann et al. 4-5 verbunden ist ein piezoelektrisch angetriebenen Stellantrieb mit einem Schieber, auf dem ein Kraftsensor und einen Rahmen für die Messung wurden die Reibungskräfte und die Anwendung normalen Belastungen installiert. Ein pneumatisches Stellglied verwendet wurde, um den Schieber zusammen mit dem Stellglied entlang einer Führungsschiene zu drücken. Ultrasonic Schwingungen in der Richtung längs zur Gleitgeschwindigkeit aufgetragen. Bharadwaj und Dapino 6-7 geführt ähnliche Experimente unter Verwendung eines piezoelektrischen Stapels Antrieb in einer konischen Wellenleiters an jedem Ende des Stapels verbunden. Kontakte zwischen den sphärischen Kanten der Zapfen und der Oberfläche der Führungsschiene. Die Wirkungen der Systemparameter, wie Kontaktsteifigkeit normaler Last und globale Steifigkeit untersucht. Kumar und Hutchings 8 installiert auf einer Sonotrode, die durch einen Ultraschallwandler mit Energie versorgt wurde ein Stift. Ultraschallschwingungen wurden erzeugt und dem Stift, der in Kontakt mit einer Werkzeugstahloberfläche platziert wurde übertragen. Normalkraft durch einen pneumatischen Zylinder aufgebracht und durch eine Meßdose gemessen wird. Die Relativbewegung zwischen dem Stift und der Scheibe wurde durch eine Hin- Tabelle erstellt. Pohlman und Lehfeldt 9 auch einen Pin-on-Disc-Experiment durchgeführt. Im Gegensatz zu anderen Studien eine magnetostrict beschäftigte sieive Wandler, um Ultraschallschwingungen zu erzeugen. Die optimale Richtung für die Ultraschallreibungsreduzierung zu untersuchen, wurde der Wandler sorgfältig ausgerichtet, so dass die Schwingungsrichtung betrug längs, quer und vertikal zur makroskopischen Geschwindigkeit. Sie untersuchten Ultraschall Reibungsreduzierung auf trockenen und geschmierten Oberflächen. Popov et al. 10 verwendet ein Stellglied mit konischen Wellenleitern. Das Stellglied in Kontakt mit einer rotierenden Grundplatte platziert. Cones von neun Materialien mit verschiedenen Härtegraden für die Annahme, den Einfluss der Materialhärte auf Ultraschall Reibungsreduzierung zu studieren. Dong und Dapino 11-13 verwendet einen piezoelektrischen Wandler zum Erzeugen und Übertragen von Ultraschallschwingungen auf einen prismatischen Hohlleiter mit abgerundeten Kanten. Die Längsschwingung verursacht vertikalen Vibrationen durch Poisson-Effekt. Ein Schieberegler mit einer gekrümmten oberen wurde unter und bei Berührung des Wellenleiters platziert. Es wurde ein Rahmen gebaut, um Normalkräfte an der Kontaktfläche an. Ter Schieber wurde manuell um den Mittelbereich des Wellenleiters gezogen wird; die Reibungskraft durch eine Lastzelle, die mit dem Gleitstück verbunden ist, wurde gemessen. Ultraschallinduzierte Verschleißminderung wurde ebenfalls untersucht und demonstriert. Volumenverlust, Gewichtsverlust, und die Oberflächenrauhigkeit Änderungen werden eingesetzt, um die Schwere der wear.Chowdhury quantifizieren und Helali 14 vibriert eine rotierende Scheibe in einem Stift-Scheibe-Setup. Die Schwingungen wurden durch eine Stützstruktur aus zwei parallelen Platten unter der rotierenden Scheibe befindet, erzeugt wird. Die obere Platte hat eine sphärische Kugel außermittig an der Bodenoberfläche installiert ist, der in einem Schlitz, die an der oberen Oberfläche der Bodenplatte graviert wurde gleitet. Der Schlitz wurde mit periodisch variabler Tiefe maschinell bearbeitet, so dass die obere Platte während der Drehung bewegt sich vertikal. Die Frequenzen lag um 100 Hz entsprechend der Drehgeschwindigkeit. Bryant und York 15-16 suchten die Wirkung von Mikrovibrationen auf wOhrreduktion. Sie eingefügt eine Kohlenstoffzylinder durch einen Halter mit einem Ende ruhte auf einer Spinnstahlscheibe und das andere Ende an einer Schraubenfeder verbunden ist. In einem Fall wurde der Zylinder eng in den Halter eingepaßt, so daß es keinen Platz für Vibrationen. In anderen Fällen wurden die Zwischenräume gelassen Mikrovibrationen des Zylinders zu ermöglichen, während der Zylinder in Kontakt mit der sich drehenden Scheibe. Der Gewichtsverlust des Zylinders gemessen, um die Verschleißrate zu berechnen. Es wurde gezeigt, dass die selbst erzeugte Mikrovibrationen half Verschleißminderung bis zu 50%. Goto und Ashida 17-18 nahm ferner einen Pin-on-Disc-Experiments. Sie verbanden Stift Proben mit einem Wandler über einen sich verjüngenden Konus und einem Horn. Der Stift vibriert in der Richtung senkrecht zu der Plattenoberfläche. Eine Masse wurde an seiner Oberseite zum Anlegen normalen Belastungen an den Wandler angeschlossen ist. Reibungskräfte wurden aus dem Drehmoment, das aufgebracht wurde, um die Scheibe zu drehen rechnet. Tragen Sie wurde als Klebstoff, da sowohl identifiziertStift und Scheibe wurden aus Kohlenstoffstahl. Verschleißraten wurden von Volumenverlust Messungen berechnet. Es wurde gezeigt, daß eine lineare Geschwindigkeit eine wichtige Rolle bei der Ultraschall Schmierung spielt. Die experimentelle Komponente dieser Forschung konzentriert sich auf die Abhängigkeit der Reibung und Verschleißminderung auf lineare Geschwindigkeit.

<table><tbody><tr><td>Gleichstrommotor</td><td>Minarik&nbsp;</td><td>SL14</td><td></td></tr><tr><td>Elektrischer Verstärker</td><td>AE Techron</td><td>LVC5050</td><td></td></tr><tr><td>Signalaufbereiter&nbsp;</td><td>Vishay Measurements Group</td><td>2310</td><td></td></tr><tr><td>Signalgenerator</td><td>Agilent&nbsp;</td><td>33120A</td><td></td></tr><tr><td>Piezoelektrischer Stack</td><td>EDO corporation</td><td>EP200-62</td><td></td></tr><tr><td>Wägezelle</td><td>Wandlertechniken</td><td>MLP-50</td><td></td></tr><tr><td>Lastsensorpad</td><td>FlexiForce</td><td>A201</td><td></td></tr><tr><td>Lasermessgerät</td><td>Keyence corporation&nbsp;</td><td>LK-G32</td><td></td></tr><tr><td>Hall-Effekt-Sonde und Gaussmeter</td><td>Walker Scientific, Inc.</td><td>MG-4D</td><td></td></tr><tr><td>Datenerfassungsmodul</td><td>Data Physics</td><td>Quattro</td><td></td></tr><tr><td>Datenerfassungssoftware</td><td>Data Physics</td><td>SignalCalc Ace</td><td></td></tr><tr><td>Thermoelement-Reader</td><td>Omega</td><td>HH22</td><td></td></tr><tr><td>Optisches Profilometer</td><td>Bruker</td><td>Contour GT</td><td></td></tr><tr><td>Profilometer Betriebssoftware</td><td>Bruker&nbsp;</td><td>Vision 64</td><td></td></tr></tbody></table>

experimente an ultraschall-schmierung verwenden eines piezoelektrisch unterstützten tribometer und optische profilometer

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Reibung und Verschleiß sind schädlich für technische Systeme. Ultraschall Schmierung wird erreicht, wenn die Grenzfläche zwischen beiden Gleitflächen mit einer Frequenz über dem akustischen Bereich (20 kHz) in Schwingung versetzt. Als Festkörper-Technologie können Ultraschall Schmierung verwendet werden, wo herkömmliche Schmierstoffe sind nicht machbar oder unerwünscht. Ferner ermöglicht die elektrische Modulation des effektiven Reibungskoeffizienten zwischen beiden Gleitflächen Ultraschall Schmierung. Diese Eigenschaft ermöglicht adaptive Systeme, die ihre Reibungszustand und die damit verbundenen Dynamik als Betriebsbedingungen ändern ändern. Oberflächenverschleiß kann auch durch Ultraschall Schmierung verringert werden. Wir entwickelten ein Protokoll, um die Abhängigkeit der Reibungskraft Reduktion zu untersuchen und Verschleißreduzierung auf der linearen Gleitgeschwindigkeit zwischen Ultraschall geschmierten Oberflächen. Ein Stift-Scheibe-Tribometer wurde gebaut, die von Gewerbeeinheiten unterscheidet, dass ein Piezostapel wird verwendet, um den Stift 22 zu vibrierenkHz normal zu der rotierenden Plattenoberfläche. 20,3, 40,6 und 87 mm / sec: Reibung und Verschleiß Metriken einschließlich wirksamer Reibungskraft, den Volumenverlust und die Oberflächenrauhigkeit sind ohne und mit Ultraschallschwingungen auf einem konstanten Druck von 1 bis 4 MPa und drei unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten gemessen. Ein optisches Profilometer verwendet, um die Verschleißoberflächen zu charakterisieren. Die effektive Reibungskraft um 62% auf 20,3 mm / s reduziert. Im Einklang mit bestehenden Theorien zur Ultraschall-Schmierung, die prozentuale Verringerung der Reibungskraft verringert sich mit zunehmender Geschwindigkeit, bis zu 29% Reibungskraft Reduktion bei 87 mm / sec. Verschleißminderung im wesentlichen konstant bleibt (49%) bei den drei Geschwindigkeiten berücksichtigt.

Die repräsentativen hier vorgestellten Messungen wurden von dem modifizierten Tribometer in Figur 1 gezeigt ist, erhalten. Der piezoelektrische Aktuator erzeugt Schwingungen mit einer Amplitude von 2,5 um bei einer Frequenz von 22 kHz. Um die Abhängigkeit der Reibung studieren und Verschleißminderung von der Lineargeschwindigkeit, wurden mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten (20.3, 40.6 und 87 mm / sec) auf der Scheibe durch Änderung der Drehzahl des Motors aufgetragen. Für alle drei Gruppen wurden d...

Wir präsentieren ein Protokoll für die Verwendung eines piezoelektrisch unterstützten Tribometers und eines optischen Profilometers, um die Abhängigkeit von Ultraschallverschleiß und Reibungsreduzierung von linearer Geschwindigkeit, Kontaktdruck und Oberflächeneigenschaften zu untersuchen.

Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Abhängigkeit der Reibungs- und Verschleißminderung von der linearen Geschwindigkeit bei ultraschallunterstützter Schmierung zu untersuchen. Dazu werden zunächst Versuche an einem modifizierten Stift-Scheibe-TER durchgeführt, wobei in einem zweiten Schritt die Reibungskräfte in Echtzeit während der Tests aufgezeichnet werden. Anschließend kommt ein optischer Profilometer zum Einsatz, um den Verschleiß zu charakterisieren, wobei 2D- und 3D-Profile, Oberflächenrauheit sowie Volumenverluste in den Rillen ermittelt werden. Danach erfolgt die Untersuchung der Reibungs- und Verschleißminderung bei drei.Lineargeschwindigkeiten werden anhand gemessener Reibungskräfte und berechneter Verschleißraten quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ultraschmierung die effektive Reibungskraft um bis zu 62 % und den Oberflächenverschleiß um bis zu 49 % verringert. Die Reibungsminderung nimmt ab, wenn die lineare Geschwindigkeit zunimmt, während die Verschleißminderung bei den drei linearen Geschwindigkeiten im Wesentlichen konstant bleibt. Insgesamt betrachtet ist die Ultraschmierung eine etablierte Technologie zur Verringerung und tatsächlich zur Steuerung des effektiven Reibungskoeffizienten zwischen gleitenden Objekten.Es funktioniert, indem eines oder beide Objekte mit Ultraschallfrequenzen – also Frequenzen über 20 Kilohertz – in Schwingung versetzt werden. Die ultraschallbasierte Schmierung wurde bereits in Fertigungsverfahren wie dem Strangpressen und dem Ziehen von Draht als Schmierungstechnologie im festen Zustand umgesetzt. Sie kann in Anwendungen eingesetzt werden, in denen herkömmliche Schmierstoffe unerwünscht sind.Beispielsweise im Weltraum: Um zunächst den notwendigen TER aufzubauen, montieren Sie das Spannfutter-Motorsystem und führen Sie diese Montage auf einem Isolationstisch durch. Ebene eins: einen Gleichstrommotor mit Spacern versehen und seine Position mithilfe von Streben und Schrauben fixieren. Danach den Tragrahmen um den Motor positionieren.Als Nächstes verbinden Sie die Passfederwelle mit der Motorwelle unter Verwendung einer Passfeder. Fahren Sie fort, indem Sie die Trägerplatte auf die Passfederwelle schieben. Bringen Sie dann das Axial-Nadellager auf der Trägerplatte an. Schmieren Sie das Lager bei Bedarf mit Schneidflüssigkeiten, um die Montage der Spannfutter-Motor-Untereinheit abzuschließen.Verbinden Sie die Spannfutter mit einer Adapterplatte unter Verwendung von drei Schrauben und ziehen Sie die Schrauben fest. Setzen Sie das Spannfutter über das Axial-Nadellager auf die Tragplatte. Bringen Sie die Gimbelaufhängung mit dem Stützrahmen an.Es verfügt über eine horizontal ausgerichtete Kraftmessdose, die über einen Draht mit dem Gimbal-Arm verbunden ist, um die Reibung zu messen. Bauen Sie danach den Piso-Elektroantrieb zusammen. Führen Sie zunächst einen dreizölligen Gewindestab durch den Piso-Elektrostapel.Sichern Sie es mit Unterlegscheiben und Muttern, wobei etwa ein Achtel Zoll des Stabes an einem Ende frei bleiben sollten. Anschließend ziehen Sie die Muttern an, um den Stapel vorzubelasten. Verbinden Sie danach die langen freiliegenden Gewinde mit dem Gimbal-Arm unter Verwendung von Muttern und Unterlegscheiben.Zur Vorbereitung, nicht für die Prüfung, wird eine Sechskantschraubmutter am anderen Ende des PISO-Aktuators befestigt. Anschließend wird die Scheibe in die Spannfutter eingesetzt und ihre Position so justiert, dass die Sechskantschraubmutter die Oberseite der Scheibe berührt und der Gelenkarm waagerecht steht. Die Position der Gelenkanordnung wird angepasst, sodass die Mutter die Scheibe etwa 25 Millimeter vom Mittelpunkt der Scheibe entfernt berührt.Zum Abschluss ziehen Sie alle Schrauben in der Vorrichtung fest und befestigen die Vorrichtung am Computer. Die Prüfscheiben und Muttern müssen unter Tragen von Handschuhen gereinigt werden. Reinigen Sie die Oberfläche der Prüfscheibe und der Mutter mit Ethanol.Entfernen Sie nun die Mutter in Form einer Eichel, die zu Installationszwecken verwendet wurde. Schrauben Sie danach die neue, saubere Mutter auf und ziehen Sie sie fest an. Nach dem Anziehen überprüfen Sie die Ausrichtung und ziehen Sie die Spannfutter so fest, dass die Scheibe sicher sitzt, und stellen Sie sicher, dass die Eichelmutter fest am Aktuator angezogen ist.Es ist entscheidend, die Flügelmutter fest an den epi-elektrischen Aktuator anzuziehen, da sie sonst während des Tests locker werden könnte, wodurch die Ultraschallschwingungen nicht übertragen werden und somit wirkungslos bleiben. Zum Aufbau des Tests wird eine Normalkraft zwischen der Prüfmutter und der Scheibe erzeugt, indem ein zwei-Newton-Gewicht an einem Haken befestigt wird, der mit dem Gimbalarms verbunden ist. Danach wird ein weiteres zwei-Newton-Gewicht an dem anderen Haken befestigt, der mit dem Gimbalarms verbunden ist.Dadurch wird eine horizontale Vorspannung an das Kraftmessgerät angelegt. Anschließend verbinden Sie den Aktuator und den Signalgenerator mit dem Verstärker. Stellen Sie den Signalgenerator so ein, dass er ein kontinuierliches sinusförmiges Signal liefert.Verwenden Sie eine Amplitude von drei Volt und eine Frequenz von 22 Kilohertz. Die Resonanzfrequenz des Piso-Aktors umfasst einen Gleichstrom-Offset von drei Volt, um eine Zugbelastung des Pizo-Aktors zu vermeiden. Beginnen Sie nun mit der Datenerfassung, um die verringerte Reibungskraft zu messen.Schalten Sie den Verstärker ein und stellen Sie die Verstärkung auf 15 ein, was einer tatsächlichen Verstärkung von 4,67 entspricht. Schalten Sie anschließend den Motor ein und stellen Sie die Drehgeschwindigkeit nach Bedarf ein. Führen Sie den Test drei Stunden lang durch, schalten Sie dann den Motor und den Verstärker aus und beenden Sie die Datenaufnahme.Entfernen Sie die Achsnuss und die Prüfscheibe und beschriften Sie die Prüfscheibe mit den Prüfbedingungen. Verwenden Sie für jeden Test stets eine neue Mutter und Prüfoberfläche. Um die intrinsische Reibung zu messen, verwenden Sie dieselbe lineare Geschwindigkeit, wobei Verstärker und Signalgenerator ausgeschaltet sind.Wiederholen Sie die gleiche Prüfung für andere lineare Geschwindigkeiten. Am Ende sollten sechs Verschleißrillen erzeugt worden sein. Zur Vorbereitung reinigen Sie die Prüfscheiben unmittelbar vor den Messungen. Wie zuvor ist es wichtig, die Probenscheiben vor den Perter-Messungen zu reinigen, um lose anhaftende Verschleißpartikel oder Fremdmaterial aus der Verschleißrinne zu entfernen, da diese die Position der gemessenen Profile und den Volumenverlust beeinträchtigen könnten. Als Nächstes setzen Sie acht gleichmäßig verteilte Markierungen am Rand der Scheibe.Öffnen Sie nun die Profilometer-Software über die Software. Heben Sie die Linse an, sodass genügend Freiraum zwischen der Linse und der Probenplattform besteht. Nivellieren Sie anschließend die Probenplattform und legen Sie ein Stück Laborputztuch auf die Plattform.Platzieren Sie die Probe vorsichtig auf dem Gewebe, wobei eine der acht Markierungen nach vorne zum Barometer zeigt. Richten Sie die Scan-Parameter in der Software ein. Scannen Sie die Rille und speichern Sie die Profilbilder und Rauheitsdaten.Drehen Sie dann die Probe gegen den Uhrzeigersinn, bis die nächste Markierung nach vorne zum Profilometer zeigt, und wiederholen Sie den Vorgang für die verbleibenden Markierungen. Nach Abschluss einer Scheibe wiederholen Sie die Messungen für die übrigen fünf Scheiben. Die Reibungskraft wurde mit 400 Hertz unter Verwendung von zwei Sekunden langen Abtastfenstern erfasst; die Mittelwerte der gemessenen Reibung wurden berechnet und in Abhängigkeit von der Strecke, die der Stift zurücklegt, grafisch dargestellt.Intrinsische Reibungskräfte sind mit Punkten dargestellt, während Reibungskräfte mit Ultraschallschwingungen gezeigt werden. Bei xs blieb die Reibungskraft praktisch konstant, sobald ein stationärer Betriebszustand erreicht war. Anschließend wurde der prozentuale Abnahmewert bei jeder linearen Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der vom Stift zurückgelegten Strecke aufgetragen.Ultraschallschwingungen verringerten die stationäre Reibungskraft bei jeder getesteten linearen Geschwindigkeit. Die Vorteile nahmen jedoch ab, wenn die lineare Geschwindigkeit erhöht wurde und Rillen mit und ohne Ultraschallschwingungen verglichen wurden. Es ist ersichtlich, dass die Rillen unebener und weniger reflektierend erscheinen, wenn Ultraschallschwingungen angewendet wurden.3D-Profile, Oberflächenrauigkeitswerte und Volumenverluste der Rillen wurden aus den Profilometerscans gewonnen. Die 3D-Rillen mit Ultraschallschwingungen waren schmaler, rauer und flacher im Vergleich zu denen ohne Ultraschallschwingungen. Dies untermauert die Annahme, dass Ultraschallschwingungen den Verschleiß verringern; die Verschleißraten und Oberflächenrauigkeitsparameter waren kleiner, wenn Ultraschallschwingungen vorhanden waren, was ebenfalls auf eine Verringerung des Verschleißes hinweist.Der Prozentsatz der Abnutzungsreduzierung blieb praktisch konstant, während die Geschwindigkeit zunahm. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Ultraschallschmierungsversuche an einem modifizierten Pin-on-Disc-Ter durchführt und charakterisiert, wobei optische Prophy verwendet wird. Mithilfe dieser Ultraschallmethode können Reibung und Abnutzungsreduzierung nicht nur in Bezug auf die lineare Geschwindigkeit, sondern auch hinsichtlich wichtiger Parameter wie Normalspannung, Materialkombinationen und Ultraschallleistungsaufnahme untersucht werden.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

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