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(noticias nanowerk) Muchos sistemas tribológicos funcionan con sus límites de carga por razones de eficiencia. Las ranuras de lubricación son cada vez más estrechas y las películas lubricantes tienen que soportar cargas mayores. Para el diseño fiable de tales sistemas, el desarrollo y la construcción se basan en métodos de cálculo precisos. Sin embargo, los métodos de cálculo convencionales fallan cuando se trata de la llamada lubricación límite.
Investigadores del Fraunhofer IWM de Friburgo han conseguido aclarar los mecanismos de la lubricación límite y hacerlos predecibles. Esto abre el camino a nuevas posibilidades de diseño para tribosistemas de alto rendimiento.
Las tesis centrales
Investigación
Cuando un vehículo eléctrico acelera, el motor genera fuerzas máximas y enormes presiones actúan sobre los engranajes de la transmisión eléctrica. La superficie se encuentra con la superficie, el metal se encuentra con el metal. Si no hubiera una película lubricante que facilitara el deslizamiento de los engranajes, no sólo se calentarían mucho, sino que también se desgastarían rápidamente.
«Sin una película lubricante, muchas cosas en nuestra vida cotidiana serían más lentas, chirriantes y entrecortadas», explica el profesor Michael Moseler, director del área de Tribología de Fraunhofer IWM. «Sin duda, el vehículo eléctrico nunca alcanzaría una autonomía tan larga», añade el Dr. Kerstin Falk, que dirige el equipo de “Diseño de lubricación molecular”.
Juntos investigan el comportamiento de las películas lubricantes en contactos tribológicos sometidos a grandes esfuerzos para predecir su idoneidad para el funcionamiento con baja fricción. No importa si se trata de metal, plástico o cerámica: una lubricación óptima puede ahorrar más del 20 por ciento de energía porque las máquinas funcionan con menos resistencia. Este es también un campo de investigación prometedor en lo que respecta a la sostenibilidad.
No es de extrañar, por tanto, que las empresas asociadas del Centro de MicroTribología µTC, una colaboración entre el Fraunhofer IWM y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), estén muy interesadas en reducir al máximo la fricción en sus sistemas.
“Muchos sistemas tribológicos ahora se diseñan en su límite de carga, donde se producen espesores de película de lubricante en el rango de nanómetros y presiones en el rango de gigapascales. «Nuestros socios se preguntan cómo pueden calcular la fricción en un componente con contactos tribológicos tan cargados, ya que los métodos convencionales de cálculo fluidodinámico fallan en estas condiciones extremas», resume el problema Kerstin Falk. Junto con su equipo de simulación del Centro de MicroTribología μTC, Falk y Moseler han encontrado la respuesta a esta pregunta.
Ahora presentan los resultados de su investigación. Avances científicos (“Hacia una descripción continua de la lubricación en constricciones nanométricas de alta presión: la importancia de leyes de deslizamiento precisas”).
Comprender y optimizar la fricción
La forma de calcular la fricción y así mantenerla lo más baja posible depende del sistema de lubricación que una empresa busque en sus componentes. Normalmente quiere controlar sus tribosistemas, en los que una fuerza empuja a los cuerpos primario y opuesto entre sí, en condiciones elastohidrodinámicas. Una película lubricante cuyo espesor sea significativamente mayor que la rugosidad de las dos superficies tiene como objetivo reducir la fricción. En este caso, la fricción se puede predecir con mucha precisión utilizando un enfoque de mecánica continua. El objetivo es resolver la llamada ecuación de Reynolds para el lubricante, que Osborne Reynolds creó en 1886.
Además, se calcula la ecuación de conducción de calor para todo el sistema y las ecuaciones elásticas lineales para ambas superficies. Los únicos datos necesarios sobre los materiales son los módulos elásticos y los coeficientes de Poisson de los elementos de fricción, las conductividades térmicas y las capacidades caloríficas de todos los materiales implicados, así como leyes constitutivas precisas para la densidad del fluido y su viscosidad dinámica para un campo de parámetros. que consiste en presión, temperatura y velocidad de corte local en el fluido. Esto es lo último en tecnología.
Sin embargo, si el sistema tribológico se utiliza en lubricación límite, es decir, con una película lubricante muy fina, en la que los contactos irregulares, es decir, los picos de rugosidad, sólo están separados por unas pocas capas atómicas del lubricante, sólo se obtiene un coeficiente de fricción estimado de forma aproximada. los cálculos para los puntos de contacto “secos” utilizados. «Esto es muy insatisfactorio porque los cálculos con parámetros de material estimados son inexactos, conducen a diseños subóptimos y, en última instancia, cuestan mucho dinero a las empresas», afirma Michael Moseler.
Kerstin Falk y Michael Moseler no se conformaron con esto: en un proyecto de tres años, junto con cuatro empresas asociadas del Centro de MicroTribología µTC, investigaron su propia ley matemática para el comportamiento de películas lubricantes extremadamente delgadas y desarrollaron la ecuación de Reynolds.
«Queríamos entender cómo se comporta la fricción durante la lubricación límite», explica Moseler. El objetivo del proyecto es aclarar qué falla en la mecánica continua del espesor de la película lubricante y cómo se pueden ampliar las ecuaciones subyacentes para que se pueda calcular una película lubricante más delgada que la rugosidad de la superficie. Para ello, se calculó la dinámica molecular de un lubricante de hidrocarburo en una geometría de contacto de aspereza, como dos superficies de carbono tipo diamante (DLC) lubricadas con un aceite base de polialfaolefina (PAO). Luego se compararon los resultados de la simulación de dinámica molecular con los de la ecuación de Reynolds.
El resultado es contundente: para presiones entre los elementos de fricción inferiores a 0,4 gigapascales y alturas de los espacios de lubricación superiores a 5 nanómetros, la descripción de Reynolds concuerda bien con los cálculos de referencia de dinámica molecular, siempre que se utilice una ley de material exacta para la viscosidad del lubricante. Por el contrario, Kerstin Falk y Michael Moseler pudieron demostrar que en condiciones extremas de lubricación límite, es decir, altas presiones de aproximadamente 1 gigapascales y pequeñas alturas de los espacios de lubricación de aproximadamente 1 nanómetro, la adherencia del lubricante a las superficies se reduce y, por lo tanto, El deslizamiento entre un compañero de fricción y el lubricante debe incluirse en el cálculo para poder predecir correctamente la fricción. Esto requiere una ley de deslizamiento de pared no lineal. Las velocidades de deslizamiento de la pared (es decir, la diferencia de velocidad entre un compañero de fricción y el lubricante adyacente) están relacionadas con las tensiones cortantes locales en la película lubricante.
Avance en tribología: hacer predecible la fricción en los límites
Con los resultados de esta investigación, los investigadores presentan ahora un método innovador para predecir la fricción en condiciones límite de lubricación. Una información adicional requerida para este modelado continuo predictivo no empírico de contactos tribológicos altamente cargados es la estructura atómica de las superficies de fricción. Esto se determina mediante análisis experimentales en profundidad y es un requisito previo para la ley de deslizamiento de paredes.
Los nuevos hallazgos de Fraunhofer IWM se utilizan ahora en proyectos de seguimiento para predecir los coeficientes de fricción y el comportamiento de la fricción en aplicaciones específicas (por ejemplo, en engranajes y rodamientos) y para ayudar a los socios de investigación a adquirir experiencia en simulación. Luego pueden realizar simulaciones de componentes y bancos de pruebas, reducir las incertidumbres en el diseño de sistemas tribológicos y determinar los parámetros de diseño con mayor precisión. Este es un paso importante hacia el diseño de lubricantes, superficies y componentes basado en el conocimiento y debería resultar extremadamente interesante para los fabricantes de lubricantes y recubridores, así como para los fabricantes de rodamientos y engranajes.
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