Abstract
חיכוך ושחיקה פוגע מערכות מהונדסות. שימון Ultrasonic מושגת כאשר הממשק בין שני משטחי החלקה הוא רטט בתדר מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). כטכנולוגיה של מצב מוצק, ניתן להשתמש בו סיכה קולית חומרי סיכה רגילות הן ישימות או לא רצויים. יתר על כן, שימון קולי מאפשר לאפנון חשמלי של מקדם החיכוך היעיל בין שני משטחי החלקה. מאפיין זה מאפשר למערכות אדפטיבית המשנות מדינת החיכוך שלהם ותגובה דינמית הקשורים כשינוי תנאי הפעלה. ללבוש פני השטח גם יכול להיות מופחת באמצעות סיכה קולית. פיתחנו פרוטוקול לחקור את התלות של הפחתת כוח חיכוך ושחיקת הפחתה במהירות החלקה ליניארי בין משטחים משומנים ultrasonically. Tribometer פינים על-דיסק נבנה שונה מיחידות מסחריות שבמחסנית פיזואלקטריים משמשת לרטוט הסיכה ב 22kHz הרגיל אל פני השטח הדיסק מסתובב. חיכוך ומדדים ללבוש כוללים כוח חיכוך יעיל, אובדן נפח, וחספוס פני השטח נמדדים בלי ועם תנודות קולי בלחץ מתמיד של 1 עד 4 MPa ושלוש מהירויות גלישה שונות: 20.3, 40.6, ו -87 מ"מ / sec. Profilometer אופטי מנוצל כדי לאפיין את משטחי הבלאי. כוח החיכוך האפקטיבי הוא מופחת על ידי 62% ב20.3 מ"מ / sec. באופן עקבי עם תאוריות קיימות לשימון קולי, הפחתת אחוז בכוח החיכוך פוחתת עם העלייה במהירות, עד 29% הפחתת כוח החיכוך בגיל 87 מ"מ / sec. הפחתת בלאי נשארת למעשה קבועה (49%) בשלוש מהירויות נחשבות.
Introduction
חיכוך קיים בממשק של שני משטחי פנייה כשהם להחליק או רול יחסית זה לזה. החיכוך מתרחש בדרך כלל יחד עם בלאי שוחק או דבק. 1 אולטרסוניקה היא המדע שמאחורי תופעות תדר גבוהות, כלומר, גלים הנעים בתדרים מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). תחום אולטרסוניקה כולל שני משטרים שונים במהותו. משטר אחד כרוך גלים בעצימות נמוכים כמו אלה המשמשים בתהליכי הדמיה כגון אולטרסאונד הרפואי או בדיקה לא הרסנית של מבנים. האחרים הוא משטר מתח גבוה שבו גלי אנרגיה גבוהה משמשים לביצוע או לסייע בתהליכי הנדסה כגון ריתוך פלסטיק ומתכות. הוכח כי יישום של הסוג השני של תנודות קולי בממשק של שני משטחים במגע הזזה מפחיתה את כוח החיכוך היעיל בממשק. תופעה זו ידועה בשם שימון קולי.
להשיגשימון קולי בין שני אובייקטים זזים, רטט יחסי בתדרים קוליים יש לקבוע ביניהם. תנודות מיושמות בדרך כלל לאחת משני האובייקטים, או באורך, הרוחב, או הכיוון ניצבת ביחס למהירות הגלישה. במחקר זה, הסיכה של tribometer מצוידת בהינע פיזואלקטריים כך שהקצה שלה רוטט בכיוון מאונך לדיסק מסתובב של tribometer. חומרים פיזואלקטריים הם קבוצה של חומרים "חכמים" שלעוות בעת חשיפה לשדות חשמליים, רוטטת באותה התדירות כמו שדה העירור. חומרים פיזואלקטריים יכולים לרטוט בתדרים גם לטווח MHz. שגבי למהירות מקרוסקופית, יש תנודות קולי השפעה לסירוגין הכיוון של כוח החיכוך המיידי והמגע בין המשטחים, אשר בשילוב מוביל לירידה של כוח החיכוך ובלאי משטח היעיל. הפחתת חיכוך Ultrasonic הודגמה במערכות ייצור מעשיות. לדוגמא, טכנולוגיה זו נוצלה כדי להפחית את הכוח בין הכלי וחתיכת עבודה בעיבוד מתכת ויצירת תהליכים כגון קידוח, לחיצה, גלגול גיליון, וציור תיל. יתרונות כוללים שיפור משטח גימור 2 וצורך מופחת לחומרי ניקוי יקרים ומזיקים לסביבה כדי להסיר חומרי סיכה מהמוצר הסופי. ישנם יישומים פוטנציאליים של שימון קולי בתחומים אחרים גם כן. לדוגמא, שימון קולי יכול באופן משמעותי לשפר את חווית המשתמש במוצרי בריאות אישיות על ידי ביטול צורך חומרי סיכה או ציפוי. ביישומי רכב, אפנון חיכוך יכול לשפר את הביצועים של מפרקי כדור ואילו הפחתת חיכוך בין מושבי רכב ומסילות מאפשרת תנועת מושבים, חלל ומסת חיסכון שאחרת היה תפוסה על ידי רכיבים וmechani מסורתייםסמס. שימון קולי יכול גם לעזור כדי לשפר את יעילות דלק על ידי הפחתת חיכוך במערכות הינע והשעיה. 3 ביישומי חלל, שבו לא ניתן להשתמש בחומרי סיכה מסורתיות, שימון קולי יכול להיות מועסק על מנת להפחית באופן דרמטי ללבוש ולהאריך את חיי רכיבים קריטיים.
הפגנות מעבדה של הפחתת חיכוך באמצעות סיכה קולית הן רבות. הפחתת חיכוך היא לכמת כהפרש בין כוח החיכוך שנמדד ללא שימון קולי וכוח החיכוך עם תנודות קוליים מיושמות. בכל מקרה, כוח החיכוך נמדד ישירות עם חיישני כוח. ליטמן ואח '. 4-5 מחובר מפעיל piezoelectrically מונע למחוון, שבו חיישן כוח ומסגרת הותקנו למדידת כוחות החיכוך ויישום עומסים נורמלים. מפעיל פנאומטי הועסק לדחוף את המחוון יחד עם המפעיל לאורך מעקה מדריך. Ultrasoniתנודות ג יושמו בכיוון אורך למהירות הגלישה. Bharadwaj וDapino 6-7 ערכו ניסויים דומים באמצעות מפעיל ערימה פיזואלקטריים מחובר למוליך גל חרוטי בשני קצוות של המחסנית. מגעים התנהלו בין הקצוות כדוריים של קונוסים ופני השטח של מעקה המדריך. ההשפעות של פרמטרים מערכת כגון קשר נוקשות, עומס רגיל, וקשיחות הגלובלית נחקרו. קומאר וHutchings 8 מותקן סיכה על sonotrode שמופעל על ידי מתמר קולי. תנודות קוליות נוצרו ומועברות לפין, שהונח במגע עם משטח פלדת כלי. כוח נורמלי יושם על ידי צילינדרים פניאומטיים ונמדד על ידי תא עומס. התנועה היחסית בין הסיכה והדיסק נוצרה על ידי שולחן הדדיות.
Pohlman ו -9 Lehfeldt מיושמים גם ניסוי פינים על-דיסק. בניגוד למחקרים אחרים, הם מועסקים magnetostrictive מתמר ליצור תנודות קולית. כדי לחקור את הכיוון האופטימלי להפחתת חיכוך קולית, מתמר היה מיושר בזהירות כך שכיוון הרטט היה אורך, רוחב, ואנכי למהירות מקרוסקופית. הם למדו הפחתת חיכוך קולית על שני משטחים יבשים ומשומנים. פופוב et al. 10 מנוצל מפעיל עם גלבו חרוטי. המפעיל הושם במגע עם צלחת בסיס מסתובבת. קונוס עשוי תשעה חומרים עם קשיות שונות אומצו ללמוד את ההשפעה של קשיות מהותיות על הפחתת חיכוך קולית. דונג וDapino 11-13 משמשים מתמר פיזואלקטריים לייצר ולהעביר תנודות קולי למוליך גל מנסרתי עם קצוות מעוגלים. רטט האורך גורם רטט אנכי בשל ההשפעה של פואסון. מחוון עם ראש מעוגל הושם ובמגע מוליך גל. מסגרת נבנתה ליישם כוחות נורמלים בממשק המגע. Tהוא המחוון נשלף באופן ידני באזור מרכז מוליך גל; כוח החיכוך נמדד על ידי תא עומס שהיה קשור למחוון.
הפחתת בלאי ultrasonically-induced נחקרה גם והפגינה. אובדן נפח, ירידה במשקל, וחספוס פני השטח שינויים מועסקים לכמת את חומרת wear.Chowdhury ו -14 Helali רטט דיסק מסתובב בהתקנת סיכה על-דיסק. התנודות נוצרו על ידי מבנה תמיכה של שני לוחות מקבילים ממוקמים מתחת לדיסק מסתובב. יש הצלחת העליונה כדור כדורי המותקן מחוץ למרכז על המשטח התחתון, אשר מחליק בחריץ שנחקק על פני השטח העליונים של הצלחת התחתונה. החריץ היה במכונה עם עומק מעת לעת משתנה כך שהצלחת העליונה נעה אנכית במהלך סיבוב. התדרים נעו סביב 100 הרץ בהתאם למהירות הסיבוב.
בראיינט ויורק 15-16 בחנו את ההשפעה של מיקרו-תנודות בwהפחתת אוזן. הם הוכנסו גליל פחמן באמצעות בעל עם קצה אחד נח על דיסק פלדת ספינינג ואת הקצה השני מחובר לקפיץ סליל. במקרה אחד, הגליל היה מצויד צמוד בבעל כל כך שלא היה מקום לרעידות. במקרים אחרים, קרחות עזבו כדי לאפשר מיקרו-תנודות של הגליל תוך הגליל היה במגע עם הדיסק מסתובב. הירידה במשקל של הגליל נמדדה כדי לחשב את השיעור ללבוש. זה היה הראה כי מיקרו-התנודות העצמית שנוצר סייעו להפחית בלאי בשיעור של עד 50%.
גוטו וAshida 17-18 אימצו גם ניסוי פינים על-דיסק. הם מחוברים דגימות סיכה עם מתמר באמצעות חרוט מחודד וצופר. סיכת רטט בכיוון מאונך למשטח הדיסק. מסה הייתה קשורה למתמר על גבי להחלת עומסים נורמלים. כוחות החיכוך תורגמו מהמומנט שיושם כדי לסובב את הדיסק. תלבש זוהה כדבק כי שניהםסיכה ודיסק היו עשויים מפלדת פחמן. שיעורים תלבש חושבו מתוך מדידות אובדן נפח.
הוכח שמהירות ליניארי ממלאת תפקיד חשוב בויסות קולית. הרכיב הניסיוני של מחקר זה מתמקד בתלות של הפחתת חיכוך ובלאי במהירות ליניארי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. פיתוח של Tribometer השתנה
- התקן המשנה צ'אק-מוטורי.
- שולחן בידוד רעידות רמה. הנח מנוע DC על השולחן; הרמה המוטורית עם shims ולתקן את זה עם תמוכות וברגים. הנח מסגרת תמיכה סביב המנוע.
- חבר פיר splined לציר המנוע באמצעות מפתח. שים צלחת תמיכה במסגרת עם פיר splined הולך דרך החור בצלחת. סט דחף מחט רולים על צלחת התמיכה וסביב פיר splined. לשמן את הנושא עם חיתוך נוזלים.
- חבר את מוט splined לצ'אק דרך צלחת מתאם, שבו יש צימוד splined פיר בצד אחד ודפוס הבורג של צ'אק בצד השני. בשלב זה, צ'אק נתמך על ידי המסגרת דרך נושאת הדחף ומחובר לרכב באמצעות צלחת המתאם.
- התקן את מכלול gymbal.
- לבנות את מסגרת התמיכה באמצעות תמוכות U-ערוץ, בסוגריים, וברגים. השתמש בארבע תמוכות עוד עמודים, ולהשתמש בשלושה אלה קצרים יותר כקורות צולבות.
- אבטח את ארבעת עמודים לשולחן בידוד רעידות באמצעות סוגריים וברגים. חבר את ההרכבה gymbal לקורת האמצע באמצעות ברגים ואומים.
- התקן תא עומס אופקי מונחה בהרכבת gymbal; נוקשות להתחבר צד אחד של תא העומס למסגרת של ההרכבה gymbal, תוך חיבור הצד השני לזרוע gymbal עם חוט.
- להרכיב את המפעיל פיזואלקטריים.
- הכנס 3 במוט ארוך, באופן מלא ההליכים דרך החור של הערימה פיזואלקטריים; לשים מכונת כביסה אחת ואגוז אחד בכל קצה של הערימה; להשאיר על 1/8 בחוט הבולט מסוף האגוז אחד.
- להדק את האגוזים בשני הקצוות כדי ליצור preload בערימה. חבר את החוטים הארוכים, נחשפו לזרוע gymbal באמצעות אגוזים ומכונה כביסה. אגוז בלוט חוט על הקצה השני של דיסק פייזו מפעיל ולהוסיף בצ'אק (אגוז בלוט זהודיסק המשמש למטרות הגדרה, לא לבדיקה).
- התאם את הגובה של ההרכבה gymbal כך שאגוז הבלוט הוא במגע עם החלק העליון של הדיסק וזרוע gymbal היא רמה.
- להתאים את המיקום של ההרכבה gymbal כך שנקודת המגע בין אגוז הבלוט והדיסק היא כ -25 מ"מ ממרכז הסיבוב של הדיסק. להדק את כל הברגים בסט-אפ כדי להבטיח יציבות.
- הקים דור אות, הגברה אות, ותת-מערכות איסוף נתונים.
- חבר מערכת רכישת נתונים למחשב במעבדה. חבר את הפלט של מחולל אותות לכניסה של מגבר חשמלי. חבר את תפוקת המגבר עם חוטי הקלט של מחסנית פיזואלקטריים. חבר את צגי מגבר למערכת רכישת נתונים.
- חבר את תא העומס למזגן אות, ולאחר מכן חבר את הפלט של מזגן האות למערכת רכישת נתונים.
- הגדרה נוסף.
- חבר צינור אוויר לחנות אוויר. תקן את קצה הצינור למסגרת כזו שנקודות היציאה שלה בפייזו המפעיל. הדבק את קצה התרמי לפייזו המפעיל. חבר את המוביל התרמי לקורא; לתלות את הקורא על המסגרת.
הכנת 2. טרום-מבחן
- כייל את מהירות הסיבוב של המנוע.
- צרף מגנט לשפה של צ'אק. מקום בדיקה הול-השפעה קרובה לצ'אק. חבר את הפלט של חללית הול-ההשפעה לgaussmeter שמחובר למערכת רכישת נתונים.
- פתח את תוכנת רכישת נתונים ולהתחיל רכישת נתונים. הפעל את המנוע; סובב את כפתור המהירות של בקר מנוע עד 10 (מהירות הסיבוב הנמוכה ביותר המנוע מספק). לאחר המנוע מסתובב במשך 10 סיבובים, לכבות את המנוע. בסופו של רכישת נתונים.
- לנתח את הנתונים שנשמרו; הזמן בין שתי פסגות של אות הפלט מgaussmeter הוא הזמן למנוע להירקבאכלתי מהפכה אחת מלאה.
- סובב את הכפתור 10-100 (המהירות הגבוהה ביותר הסיבובית המנוע מספק) במרווחים של 10; חזור על שלבים 2.1.2 ל2.1.3.
- הנח כרית חיישן עומס בין אגוז הבלוט ואת הדיסק כדי למדוד את הכוח הנורמלי בממשק. דק מכונה פני השטח של דיסקי בדיקות באמצעות מחרטה.
- נקו את אגוז הבלוט והדיסק להיבדק מייד לפני הבדיקה.
- שים כפפות פלסטיק ולהתמודד חתיכות של מעבדה מגבוני mask.Prepare; לקפל אותם לריבועי 1 אינץ '. ריסוס אתנול על ריבועי רקמות; לנגב בעדינות את פני השטח של אגוז הבלוט ודיסק עימם.
- התקן את אגוז הבלוט הנקי ודיסק.
- נושא אגוז הבלוט על פייזו המפעיל, להדק אותו עם מפתח ברגים לפתוח סוף. הכנס את הדיסק בצ'אק; להתאים את המיקום לוודא את הקצה של אגוז הבלוט הוא במגע עם פני השטח הדיסק.
- יישר את המשטח העליון של הדיסק וזרוע gymbal. הדק את צ'אק כךשהתקליטור שנערך בתקיפות.
- מדוד את runout של סיבוב הדיסק.
- התקן חיישן תזוזת לייזר במתקן, ולמקם את המתקן בסמוך לtribometer. התאם את הגובה וזווית של החיישן כך שהדיסק נמצא בטווח של החיישן וקרן הלייזר היא נורמלית לדיסק.
- חבר הפלט של החיישן למערכת רכישת נתונים. התחל רכישת נתונים. הפעל את המנוע ולסובב את הדיסק למהפכות 10; לכבות את המנוע. בסופו של רכישת נתונים.
3. לבצע בדיקות
- בדיקות עם תנודות קוליים.
- משקל Hang 2 N על וו אחד שמתחבר לזרוע gymbal דרך חוט ושתי גלגלות. המשקל משמש כדי להחיל עומס נורמלי בין אגוז הבלוט ואת הדיסק.
- לתלות עוד משקל 2 N על הקרס האחר המתחבר לזרוע gymbal לספק יומרה אופקית לתא העומס.
- הגדר את האותגנרטור לספק אות סינוסי רציפה עם DC קיזוז של 3 V, המשרעת של 3 V, ותדירות של 22 קילוהרץ (תדר התהודה של פייזו המפעיל). שים לב ש3 V קיזוז משמש למניעת מתיחות בפייזו המפעיל.
- התחל רכישת נתונים (כוח חיכוך מופחת). הפעל את המגבר וסובב את כפתור הרווח עד 15, אשר תואם את הרווח בפועל של 4.67 (המספרים על ידית הרווח הם שרירותיים).
- הפעל את המנוע; להגדיר את מהירות סיבוב ל6.67 סל"ד לספק מהירות ליניארית של 20.3 מ"מ / sec. הפעל את הבדיקה במשך 4 שעות.
- כבה את המנוע ומגבר, ולאחר מכן להפסיק את רכישת נתונים. הסר את האגוז נבדק בלוט ודיסק מהסט-אפ; חזור על שלבים 2.3-2.5 להתקין אגוז בלוט חדש ודיסק.
- חזור על שלבים 3.1.1 ל3.1.6. בשלב 3.1.5, להגדיר את מהירות סיבוב 13.3 סל"ד וסל"ד 28.7 לספק מהירויות יניארי של 40.6 מ"מ / sec ו -87 מ"מ / sec, בהתאמה; להפעיל את המבחנים לcorresp 2 ו0.94 שעותondingly.
- בדיקות ללא תנודות קוליים.
- חזור על שלב 3.1.6 לשנות אגוזים ודיסקי בלוט. חזור על השלבים 3.1.1 ל3.1.6 עם מחולל אותות ואות המגבר מ( החיכוך שנמדד הוא חיכוך פנימי).
4. מדידות אופטיות Profilometer
- הכנת מדידה
- נקה את הדיסקים מייד לפני מדידות באמצעות צעד 2.3. הפוך שמונה סימנים מופצים באופן שווה סביב השפה של הדיסק. פתח את תוכנת profilometer.
- להעלות את העדשה, כך שיש אישור מספיק בין פלטפורמת העדשה ומדגם. רמת פלטפורמת המדגם. מניחים פיסת המעבדה למחות על הפלטפורמה.
- מניח בעדינות את המדגם על גבי הרקמה עם אחד משמונת הסימנים פונים לחזית profilometer.
- הגדרות מדידה.
- בחר VSI (אנכית-הסריקה Interferometry) כסוג העיבוד. בחר עדשת 5X לשדה גדול של תצוגה וצורה כללית. בחר 0.55X הגדלה לאזור סריקה של 1.8 מ"מ ב- 2.4 מ"מ.
- בחר את מהירות סריקת 1X. הגדר את טווח סריקה ל -100 מ 'ל -100 מ'. להביא את העדשה כלפי מטה לכיוון המדגם עד שתמונה מטושטשת על המסך. התאם את הגובה של העדשה עד התמונה ברורה.
- בחר 2 כמספר סריקות לממוצע לכל מדידה. לחץ על לחצן המדידה.
- נהלים לאחר מדידה.
- השתמש במתכון החזון שהוגדר בתוכנה כדי לתקן את תמונת הגלם להטיה של כל המדגם. פתח את ארגז הכלים הניתוח בתוכנה.
- השג את ערכי חספוס נמדדו מסעיף "יסוד סטטיסטיקה". השג את אובדן הנפח נמדד של הצלקת ללבוש בתוך אזור הסריקה מהסעיף "הנפח".
- שמור את התמונות של פרופילי 1D בכיוונים x ו- y, פרופיל 2D, 3D הפרופיל, כמו גם השולחן של ערכי חספוס. הפעל השעון המדגם עד ההסימן הבא דואר פרצופים מול profilometer.
- חזור על שלבים 4.2-4.3 ל7 סימנים שנותרו.
- חזור על שלבים 4.1. 4.4 בכל ששת הדיסקים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מדידות הנציג המוצגות כאן התקבלו מtribometer שונה מוצג באיור 1. המפעיל פיזואלקטריים מייצר ויברציות עם משרעת של 2.5 מיקרומטר בתדירות של 22 קילוהרץ. כדי לחקור את התלות של חיכוך ושחיקת הפחתה במהירות ליניארי, שלוש מהירויות שונות (20.3, 40.6, ו -87 מ"מ / sec) הוחלו על הדיסק על ידי שינוי מהירות הסיבוב של המנוע. לכל שלוש קבוצות, מספר מהפכות דיסק ומרחק הנסיעה של הסיכה נבחרו כ1,600 ו292.5 מ ', בהתאמה. קוטר הסיבוב הנומינלי היה 50 מ"מ. פרמטרים אחרים כגון כוח נורמלי, תדירות רטט, ומשרעת תנודה נשארו אותו הדבר לכל הבדיקות (טבלת 1).
כוח החיכוך ידגם בתדר של 400 הרץ ניצול חלונות דגימה 2 שניות. איור 2 מציג נתונים טיפוסיים מחלון דגימה אחת. Fluctuatio נצפהn בכוח החיכוך מיוחס למקל להחליק. הערכים הממוצעים של כוח החיכוך חושבו וזממו נגד מרחק נסיעה סיכה באיור 3. כוחות החיכוך פנימיים מיוצגים על ידי נקודות בדמות, בזמן שכוחות חיכוך עם תנודות קוליים מוצגים עם סמנים "x". ירוק, כחול ואדום המשמשים בהתאמה לנתוני בדיקה ב20.3 מ"מ / שנייה, 40.6 מ"מ / שנייה, ו -87 מ"מ / sec. כוח חיכוך מכל בדיקה נשאר כמעט קבוע פעם פעולת מצב יציב מושגת.
runout הדיסק גורם להאצת אינרציה מתנועה אנכית של הסיכה והרכבת gymbal, שתוצאתה וריאציה של הכוח הנורמלי. כתוצאה מכך, כוח החיכוך שנמדד נע כפי שמוצג באיור 3. יודגש כי התנודות שנצפו באיור 2 נובעת לדבוק להחליק. בהתחשב בשווי הממוצע של כוח החיכוך לאחר שהמערכת הגיע למצב יציב פעולה, איור3 מראה כי כוח החיכוך גבוה במהירויות גבוהות יותר ליניארי, או אם לא תנודות קוליים מוחלות על המערכת. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים שהראו כי יש לו את עקומת כוח-מהירות שיפוע חיובי למהירויות נמוכות ליניארי 19-21.
אחוז הפחתת החיכוך מוגדר כ
1. 
שבו הוא הכוח הפנימי החיכוך (כוח ללא תנודות קוליים, שנמדד בשלב 3.2), והוא כוח החיכוך עם תנודות קוליים (נמדדו בשלב 3.1.4). אחוז הירידה בכל מהירות ליניארי זממו נגד המרחק שעובר את הסיכה באיור 4. תנודות קוליות להפחית את כוח חיכוך המצב היציב לכל שלוש מהירויות ליניארי נבדקו, לעומת זאת, האחוז יורד ככל שעולה המהירות ליניארי.
חיכוך מצב יציב נמדדכוחות, מרחק ייצוב, ואחוז הפחתת חיכוך מפורטים בטבלה 2. תנודות קוליות להקל על התהליך של פירוק שכבת תחמוצת ויוצרים קשר יציב בין הסיכה ואת הדיסק, מה שמוביל למרחק קצר יותר לכוח החיכוך להגיע יציב מדינה כאשר תנודות קולי נמצאות.
ללבוש שוחק מתרחש בין על פני השטח של חומרים עם קשיות שונות. 22 בשל ההבדל בקשיות של פלדת אל-חלד (700-950 קילוגרם / מ"מ 2) ואלומיניום (45 עד 50 קילוגרם / מ"מ 2), ללבוש מזוהה כשוחק במחקר זה. ללבוש חריצים על הדיסקים מוצגים באיור 5. תמונות, C, E מתאימות לבדיקות עם תנודות קוליים, ואילו B תמונות, D, F נתונים ללא תנודות. ניתן לראות כי חריצים מופיעים יותר אחידים ואינם רעיוני כאשר תנודות קוליים מיושמות.
עמ 'תלת-ממדיrofiles, ערכי חספוס פני השטח, והפסדי נפח של חריצים מתקבלים מסריקות profilometer. פרופילי 3-D של החריצים עם תנודות קוליים (איור 6 ב ', ד', ו ') מופיע צר, פחות חלק, ורדוד יותר מאלה ללא רטט (איור 6, C, E), אשר טוען כי תנודות קוליים לגרום הפחתת בלאי .
כדי לכמת את מידת הפחתת בלאי, ללבוש שיעור מוגדר כ
2. 
שבו הוא אובדן דיסק נפח במ"מ 3 (נמדד בצעד 4.3.2) והוא המרחק שעובר את הסיכה במטרים (טבלת 1). בדומה לשיעור הפחתת חיכוך, אחוז הפחתת בלאי מוגדר כ
3. 
שבו השיעור המהותי ללבוש (ללא תנודות קוליים), והוא השיעור ללבוש עם תנודות קוליים מיושמות. הנתונים בטבלה 3 מראה כי שיעורים ללבוש ופרמטרי חספוס פני השטח קטנים יותר כאשר תנודות קולי נמצאות, המצביעה על ירידה של בלאי. אחוז הפחתת הבלאי נשאר כמעט קבוע כמו עליות המהירות.
בתוך עמודים = "תמיד"> 
איור 1. ניסיוני הגדרה: (א) tribometer הכולל; (ב) מנוע; (ג) מסגרת תמיכה; ההרכבה gymbal מפורטת (ד); (ה) מפעיל פיזואלקטריים; ו( F) סכימת מערכת. (נתון זה שונה מ13.)
איור 2. נתונים אופייניים מחלון דגימה אחת. (נתון זה שונה מ13.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
931fig3.jpg "/>
איור 3. כוחות חיכוך עם ובלי תנודות קולי במהירויות שונות. (נתון זה שונה מ13) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הפחתת חיכוך איור 4. נמדד מחושבת ממשוואה. (1). (נתון זה שונה מ13) אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של דמות זו.
5. חריצים תלבש דמות שהושגו עם vibr קולי. Ations (A, C, ו- E) וללא תנודות קוליים (B, D, ו- F) כל עמודה מתאימה למהירות ליניארי: 20.3 מ"מ / שנייה (A, B); 40.6 מ"מ / שנייה (C, D); ו -87 מ"מ / שנייה (E, F). (נתון זה שונה מ13)
איור 6. פרופילי 3D של חריצים ללבוש הושגו ללא תנודות קולית (A, C, ו- E) ועם תנודות קוליים (B, D, ו- F) כל שורה מייצגת מהירות ליניארי:. 20.3 מ"מ / שנייה (A, B); 40.6 מ"מ / שנייה (C, D); ו -87 מ"מ / שנייה (E, F). (נתון זה שונה מ13) אנא לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של דמות זו.
| פרמטר | ערך | ||
| קבוצה | 1 | 2 | 3 |
| מהירות שעוצבה (מ"מ / sec) | 20.3 | 40.6 | 87 |
| זמן ריצה (HR) | 4 | 2 | 0.93 |
| מרחק נסע בסיכה (מ ') | 292.5 | ||
| מהפכות | 1,600 | ||
| חומר סיכה | נירוסטה 316 | ||
| חומר דיסק | אלומיניום 2,024 | ||
| כוח נורמלי נומינלי (N) | 3 | ||
| נגמר דיסק (מ"מ) | .0286 | ||
| תדירות ארה"ב (kHz) | 22 | ||
| משרעת ארה"ב (מיקרומטר) | 2.5 | ||
| קוטר נומינלי Groove (מ"מ) 50 | |||
| טמפרטורה נומינלית (° C) | 21 ± 1 | ||
| טמפרטורת מפעיל נומינלית (° C) | 31 ± 1 | ||
| סביבה | אוויר מעבדה | ||
| תדר דגימה (הרץ) | 400 | ||
פרמטרי טבלה 1. מנוצלים בבדיקות tribometer. (טבלה זו שונה מ13)
| מהירות שעוצבה (מ"מ / sec) | ארה"ב | חיכוך מצב יציב (N) | מרחק כדי להשיג מצב יציב (מ ') | הפחתת חיכוך (%) |
| 20.3 | לא | 1.024 ± .063 | 4.17 | 62.22 |
| כן | .379 ±0.041 | 2.78 | ||
| 40.6 | לא | 1.201 ± 0.055 | 11.61 | 36.11 |
| כן | .748 ± 0.035 | 7.21 | ||
| 87 | לא | 1.472 ± .064 | 8.94 | 29.32 |
| כן | 1.041 ± 0.056 | 4.64 |
2. כוחות חיכוך מצב יציב השולחן, מרחיקים להשיג מצב יציב, והפחתת חיכוך. (טבלה זו שונה מ13)
| מהירות שעוצבה (מ"מ / sec) | ארה"ב | R (מיקרומטר) | q R (מיקרומטר) | לא R (מיקרומטר) | תלבש שיעור (מ"מ מ '3 /) | מספר אנשי הקשר | |
| 20.3 | לא | 18.829 | 21.421 | 124.35 | 2.237 × 10 -2 | 45.76 | |
| כן | 17.238 | 18.975 | 87.011 | 1.214 × 10 -2 | 3.17 × 10 8 | ||
| 40.6 | לא | 21.647 | 22.673 | 109.28 | 2.581 × 10 -2 | 48.18 | |
| כן | 17.289 | 19.922 | 106.42 | 1.338 × 10 -2 | 1.58 × 10 8 | ||
| 87 | לא | 19.825 | 21.921 | 130.52 | 2.43 × 10 -2 | 48.63 | |
| כן | 17.606 | 111.25 | 1.248 × 10 -2 | 7.39 × 10 8 |
טבלת השוואה של שיעור 3. ללבוש, מספר אנשי הקשר, ופרמטרי חספוס פני השטח (ממוצע אריתמטי; שורש מתכוון ריבוע; גובה מרבי של הפרופיל) (טבלה זו שונה מ13).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ניסויים שנערכו תוך שימוש בפרוטוקול זה כדי לחקור את ההשפעה של מהירות ליניארי על חיכוך קולי והפחתת בלאי. המדידות מראות כי תנודות קולי ביעילות להפחית חיכוך ושחיקה בשלוש מהירויות ליניארי. עולה בקנה אחד עם תצפיות מוקדמות, הסכום של הפחתת חיכוך יורד מ62.2% ב20.3 מ"מ / שנייה ל29.3% בגיל 87 מ"מ / sec. הפחתת בלאי זניחה עם שינוי המהירות ליניארי (45.8% ל48.6%).
תכונות חומר כגון מודולוס ותשואת הכוח של יאנג עשויות להשתנות כאשר גלים קוליים מועברים דרך החומר. זה המכונה לעתים קרובות ריכוך קולי 23. במחקר זה, נובע מההבדל בין נוקשות פייזו המפעיל וחלקים אחרים של ההגדרה, תנודות kHz 22 נוצרו על ידי המפעיל לא העבירו לחלק האחר של ניסיוני הגדרה, אם כי מצב רטט של כאשר VIB קולי מבנה בסביבות 100 הרץ היה נרגשמנות יושמו. בממשק שבין הסיכה ואת הדיסק, תנודות קוליים לגרום דור חום אשר יגרום עליית טמפרטורה בממשק. עם זאת, המבוסס על ניסויים שנערכו על ידי דונג וDapino, עליית הטמפרטורה היא בטווח שגורם לשינויים זניחים לתכונות חומר.
מגבלה אחת של ניסוי זה היא שאין מנגנון לחסל לנענע דיסק, אשר יכול לגרום לתנועה אנכית של הסיכה, זרוע gymbal, ומשקל. האצה של תוצאות המסה נעו בוריאציות של הכוח הנורמלי בפועל מיושמת בממשק, ולכן כוחות החיכוך שנמדדו. לכן, זה קריטי כדי להבטיח שציר המנוע, פיר, צ'אק, ודיסק splined הם ברמה. שונות ניסויית יכולות להיות מופחתות כאשר כמות לנענע ממוזערת.
זה גם קריטי להדק היטב את אום הבלוט למפעיל פיזואלקטריים כך שאגוז הבלוט לא להיות משוחרר במהלך הבדיקה. Ultraתנודות קוליים אינן יעילות להפחתת כוח החיכוך אם התנודות אינן מועברות לממשק. אם כוח החיכוך פתאום קופץ לרמה גבוהה יותר במבחן, זה סביר מאוד בגלל קשר רופף בין אגוז הבלוט והמפעיל. בעיה זו מלווה ברעש זמזום כך ניתן לאתרו בקלות.
פייזו מפעיל חשמלי מופעל מייצר חום שיכול להגדיל את הטמפרטורה שלו במהירות אם לא קירור מועסק. זה חיוני כדי להתאים את זרימת האוויר לרמה נאותה כדי להסיר את החום ולשמור על הטמפרטורה של קבוע המפעיל. גם כאשר פייזו המפעיל כבוי לבדיקות ללא תנודות קוליים, עדיין צריכה להיות מיושמת באותו זרימת האוויר, כך שתנאי הבדיקה יישארו זהים לכל הבדיקות.
בהשוואה לעבודה קודמת, חיכוך מחקרי פרוטוקול וזה ללבוש בו-זמנית, באותה הבדיקה, שלא נעשתה בעבר באופן שיטתי. Gymbalהרכבה מאפשרת גישה ישירה יותר למדידת כוחות חיכוך בממשק מאשר שיטות אחרות אשר גם נובעים מחיכוך כוח להפעלה ללא נמדד או מפרמטרים פיזיים אחרים, כגון עיוות או מומנט. בעל הדיסק תוכנן ונבנה עבור בדיקות אלה מאפשר שינוי נוח של דגימות בדיקה עם ממדים שונים, חומרים, ובליטות על פני שטח. Profilometer האופטי מספק מידע כגון פרופילי 3D וחספוס פני השטח ללמוד הפחתת בלאי, המספקת הבנה מפורטת יותר של צלקות ללבוש מאשר מדידות אובדן נפח או ירידה במשקל. עם יתרונות אלה, פרוטוקול זה יכול להיות מנוצל כדי לחקור את התלות של חיכוך קולי וללבוש הפחתה בהרבה פרמטרים אחרים כגון מתח רגיל, קשיות חומר, חספוס פני השטח, ומשרעת רטט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
המחברים רוצים להכיר טים קראנץ מנאס"א גלן ודוויין דטוויילר מהונדה מו"פ לתמיכה הטכנית שלהם ובסוג תרומה. תמיכה כספית למחקר זה סופקה על ידי ארגוני החברים של מרכז Smart רכב מושגים (www.SmartVehicleCenter.org), קרן המדע והתעשייה / אוניברסיטת מרכז מחקר שיתופי לאומי (I / UCRC). SD נתמך על ידי מושגים חכמים רכב בוגר מלגה ומלגת אוניברסיטה מבית הספר למוסמכי אוניברסיטת מדינת אוהיו.
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).
