圧電支援摩擦計と光プロフィルを用いた超音波潤滑の実験
Summary
We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.
Abstract
摩擦や摩耗が設計システムに有害です。 2摺動面間のインタフェースは音響範囲（20 kHzの）以上の周波数で振動されたときに超音波潤滑が達成されます。従来の潤滑剤が不可能または望ましくない場合に固体技術として、超音波潤滑を使用することができます。さらに、超音波潤滑が2摺動面間の効果的な摩擦係数の電気変調を可能にします。このプロパティは、動作条件の変化として、その摩擦状態と関連した動的応答を変更する適応システムを可能にします。表面の摩耗は、また、超音波潤滑によって低減することができます。私たちは、摩擦力低減の依存性を調査し、超音波で潤滑面との間の線形滑り速度の低下を着用するためのプロトコルを開発しました。ピンオンディスク摩擦計は、圧電スタック22にピンを振動させるために使用されるという点で商業的ユニットと異なる構築されました回転ディスク表面の法線キロヘルツ。 20.3、40.6、および87ミリメートル/秒：効果的な摩擦力、体積減少、および表面粗さなどの摩擦や摩耗メトリックはなく、かつ4 MPaの3つの異なる滑り速度へ1の一定の圧力で超音波振動を用いて測定されています。光学的プロフィルは、摩耗表面を特徴付けるために使用されます。効果的な摩擦力は、20.3 mm /秒で62％減少します。一貫して超音波潤滑のための既存の理論で、摩擦力の減少率（％）は、87ミリメートル/秒でダウン29％の摩擦力低減のために、速度を向上させると共に減少します。摩耗の減少は考え3速度で（49％）は、本質的に一定のままです。
Introduction
彼らはお互いにロールに対してスライド時や摩擦は2接触面の界面に存在します。摩擦は、通常、研磨剤または接着剤の摩耗に伴って起こる。1超音波、高周波現象の背後にある科学である、すなわち、音響範囲（20キロヘルツ）以上の周波数で進行波です。超音波の分野は根本的に異なる二つの体制を包含する。一つのレジームは、医療用超音波や構造物の非破壊検査などの画像形成プロセスで利用されるもののような低強度の波を含みます。他の高エネルギー波は、例えば、プラスチックや金属の溶接などのエンジニアリングプロセスを実行または支援するために利用される高パワーレジームです。これは、滑り接触における2つの表面の界面における超音波振動の後者の種類のアプリケーションは、界面での効果的な摩擦力を低減することが示されています。この現象は、超音波潤滑として知られています。
達成するために2スライドのオブジェクト間の超音波の潤滑は、超音波周波数での相対的な振動は、それらの間に確立されなければなりません。振動は、典型的には、縦、横、または滑り速度に対して垂直方向のいずれか2つのオブジェクトのいずれかに適用されます。その先端が摩擦計の回転円板に垂直な方向に振動するように、この研究では、摩擦計のピンは、ピエゾアクチュエータが取り付けられています。圧電材料は、励起場と同じ周波数で振動し、電界に曝されたときに変形する「スマート」材料のクラスです。圧電材料は、よくMHzの範囲内の周波数で振動することができます。巨視的速度に重畳されて、超音波振動を併用して効果的な摩擦力及び表面摩耗の低減につながる瞬間摩擦力との間の接触面の方向を交互にする効果を有します。 </p>
超音波摩擦低減が実際の製造システムで実証されています。例えば、この技術は、金属加工や、穴あけ、押す、シート圧延、及び伸線などの形成プロセスにおける工具とワークピースとの間の力を減少させるために利用されています。利点は、改善された表面仕上げ2、最終製品から潤滑剤を除去するために高価であり、環境に有害な洗剤の必要性の減少が含まれます。他の分野での超音波潤滑の潜在的な用途は、同様にあります。例えば、超音波潤滑は、実質的に潤滑剤又はコーティングの必要性を排除することによって、パーソナルヘルスケア製品におけるユーザー体験を向上させることができます。車両シートとレールとの間の摩擦低減が他の従来の成分とmechaniによって占有される空間及び質量を節約する、シートの動きを容易にする一方で、自動車用途では、摩擦調節は、ボールジョイントの性能を向上させることができSMS。超音波潤滑もパワートレインとサスペンションシステムで摩擦を低減することにより、燃費を向上させるのに役立つことができる。従来の潤滑剤を使用することができない宇宙用途、3に、超音波潤滑摩耗を低減し、大幅に重要なコンポーネントの寿命を延長するために使用することができます。
超音波潤滑を通して摩擦低減の実験室でのデモは非常に多いです。摩擦低減が適用超音波振動と超音波潤滑摩擦力なしで測定された摩擦力との差として定量化されます。いずれの場合においても、摩擦力が直接力センサで測定されます。リットマンら4-5力センサとフレームが摩擦力を測定し、通常の負荷を適用するために設置されたのスライダに圧電駆動アクチュエータを接続します。空気圧アクチュエータは、ガイドレールに沿ってアクチュエータとともに、スライダをプッシュするために使用されました。 UltrasoniC振動は、縦すべり速度の方向に適用しました。 BharadwajとDapino 6-7は、スタックの両端に円錐状の導波路に接続された圧電スタックアクチュエータを用いて同様の実験を行いました。連絡先は、コーンの球状端部とガイドレールの表面との間に起こりました。このような接触剛性、通常の負荷、およびグローバル剛性などのシステムパラメータの影響を検討しました。クマーとハッチング8は、超音波トランスデューサによって励起されたソノトロードのピンを設置しました。超音波振動が発生し、工具鋼の表面と接触するように配置されたピンに伝達されました。垂直力は、空気圧シリンダによって塗布し、ロードセルによって測定しました。ピンとディスクとの間の相対運動は、往復テーブルで作成されました。
PohlmanとLehfeldt 9もピンオンディスク実験を実施しました。他の研究とは異なり、彼らはmagnetostrictを採用しました超音波振動を発生するようにIVEトランスデューサ。振動方向は、縦方向、横方向、および巨視的な速度に垂直になるように超音波摩擦低減のための最適な方向性を検討するために、変換器は、慎重に整列させました。彼らは、乾燥した潤滑面の両方に超音波摩擦低減を検討しました。ポポフら10は、円錐状の導波路とのアクチュエータを利用しました。アクチュエータは回転するベースプレートと接触させて配置しました。様々な硬度を持つ9材料で作られたコーンは、超音波摩擦低減の材料硬度の影響を研究するために採用されました。ドンとDapino 11-13は、丸い縁を有する角柱状の導波路に超音波振動を発生し、送信するために圧電変換器を使用していました。縦振動は、ポアソン効果による上下方向の振動が発生します。湾曲したトップとスライダーは、導波管の下と接触させて配置しました。フレームは接触界面での垂直力を適用するために建てられました。 T彼は、スライダは、導波路の中心領域の周囲に手動で引っ張りました。摩擦力がスライダに接続されたロードセルにより測定しました。
超音波によって誘発される摩耗の低減も調査し、実証されました。容積減少、体重減少、及び表面粗さの変化は、wear.Chowdhuryの重症度を定量化するために使用されるとHelali 14は、ピンオンディスクセットアップで回転ディスクの振動しました。振動は、回転ディスクの下に位置する二つの平行板の支持構造体によって生成されました。天板、底板の上面に刻まれたスロットにスライドオフセンター底面に設置球状のボールを持っています。天板が回転中に垂直方向に移動するようにスロットを定期的に可変の深さで加工しました。周波数は、回転速度に応じて約100ヘルツの範囲でした。
ブライアント、ヨーク15〜16は、W上のマイクロ振動の影響を研究し耳の削減。彼らは、紡績スチールディスクとコイルスプリングに接続されているもう一方の端に載置一端とホルダーを介してカーボン筒を挿入しました。振動のためのスペースがありませんでしたように、一つのケースでは、シリンダはぴったりホルダーに取り付けました。シリンダが回転ディスクと接触していた間に、他の例では、隙間は、シリンダの微小振動を可能にするために放置しました。シリンダーの重量損失は、摩耗率を計算するために測定されました。これは、自己生成微小振動は最大50％の摩耗を低減する助けたことが示されました。
後藤と芦田17-18もピンオンディスク実験を採用しました。彼らは、テーパーコーンとホーンを経由して変換器を備えたピンのサンプルを接続します。ピンは、ディスク面に垂直な方向に振動します。質量は、通常の負荷を適用するため、その上に変換器に接続しました。摩擦力は、ディスクを回転させるために適用されたトルクから変換されました。摩耗は、両方のための接着剤として同定されましたピン及びディスクは炭素鋼で作られていました。摩耗率は、体積減少の測定値から計算しました。
これは、線速度が超音波潤滑に重要な役割を果たしていることが示されています。本研究の実験的構成要素は、線速度の摩擦と摩耗の減少の依存性に焦点を当てています。
Protocol
Representative Results
Discussion
実験は、超音波、摩擦や摩耗の低減に線速度の影響を研究するためにこのプロトコルを使用して行きました。測定は、超音波振動を効果的に摩擦を低減し、3つの線形速度で着用することを示しています。前の観察と一致し、摩擦低減の量は、87ミリメートル/秒で29.3％に20.3ミリメートル/秒で62.2パーセントから減少。摩耗の減少は線速度（48.6パーセントに45.8パーセント）を変更するとごくわ…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は彼らの技術サポートと現物での寄付のためのホンダR＆DからNASAグレンとデュアンデトワイラーからティム・クランツを承認したいと思います。この研究のための財政支援は、スマート車の概念センター（www.SmartVehicleCenter.org）、国立科学財団産業/大学共同研究センター（I / UCRC）の会員団体から提供されました。 SDはスマート車の概念大学院フェローシップとオハイオ州立大学大学院から大学フェローシップによってサポートされています。
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Bhushan, B. . Introduction to tribology. , (2002).
- Severdenko, V., Klubovich, V., Stepanenko, A. . Ultrasonic rolling and drawing of metals. , (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. , (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. The nature of the coefficient of friction. J. Appl. Phys. 24 (2), 136-139 (1953).
- Cocks, M. Interaction of sliding metal surfaces. J. Appl. Phys. 33 (7), 2152-2161 (1962).
- Rusinko, A. . Ultrasound and Irrecoverable Deformation in Metals. , (2012).
