초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용
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
마찰 및 마모가 설계 시스템에 해로운 있습니다. 두 슬라이딩면 사이의 계면이 탄성 범위 (20 KHZ) 상기 주파수에서 진동 할 때 초음파 윤활이 달성된다. 종래의 윤활제 또는 실현성 바람직 어디에 고체 기술 된 바와 같이, 초음파 윤활을 사용할 수있다. 또한, 초음파 윤활이 슬라이딩 표면 사이의 유효 마찰 계수의 전기 변조 할 수 있습니다. 이 속성은 자신의 마찰 상태와 운전 조건 변화에 따라 관련 동적 응답을 수정 적응 시스템을 가능하게한다. 표면의 마모 또한 초음파 윤활 통해 감소 될 수있다. 우리는 마찰력 감소의 의존도를 조사하고 초음파 윤활 표면 사이의 선형 슬라이딩 속도에 감소를 착용 할 수있는 프로토콜을 개발했다. 핀 온 디스크 마찰 계는 압전 스택 (22)에 핀을 진동하도록 사용되는 것을 상업적인 단위와 다른 지어진회전 디스크면에 수직 kHz로. 20.3, 40.6, 및 87mm / 초 : 유효 마찰력, 용적 감소, 및 표면 거칠기를 포함하여 마찰 및 마모 측정은하지 않고, 4 MPa의 세 가지 다른 슬라이딩 속도로 (1)의 일정한 압력에서 초음파 진동에 의해 측정된다. 광 프로파일로는 마모 표면을 특성화하는데 이용된다. 효과적인 마찰력 20.3 mm / sec로 62 %만큼 감소된다. 지속적으로 기존의 초음파 윤활 이론, 마찰력의 감소 퍼센트는 87mm / sec의 29 % 아래로 마찰력 감소, 속도 증가에 따라 감소한다. 착용 감소는 고려 세 가지 속도 (49 %) 본질적으로 일정하게 유지된다.
Introduction
그들이 서로에 대해, 롤 밀거나 할 때 마찰이 두 접촉면의 계면에 존재한다. 마찰은 일반적으로 연마 또는 접착제 마모와 함께 발생합니다. 1 초음파는 즉, 고주파 현상 뒤에 과학, 파도 음향 범위 (20 kHz에서) 이상의 주파수에서 여행. 초음파 분야는 두 개의 근본적으로 다른 제도를 포함한다. 하나 정권 의료용 초음파 또는 구조물의 비파괴 검사와 같은 화상 형성 공정에서 이용 된 것과 같은 저 강도의 전파를 포함한다. 다른 고 에너지 파가 실행 또는 플라스틱과 금속의 용접과 같은 엔지니어링 프로세스를 지원하기 위해 이용되는 고전력 체제이다. 슬라이딩 접촉하는 계면에 효과적인 마찰력을 감소 그것은 두 개의 표면의 계면에서의 초음파 진동의 후자 종류의 애플리케이션을 보여왔다. 이러한 현상은 초음파 윤활로 알려져있다.
달성하기 위해두 개의 슬라이딩 개체 사이의 초음파 윤활, 초음파 주파수에서 상대적으로 진동이 그들 사이에 설정해야합니다. 진동은 일반적으로 종 방향, 횡 방향 또는 슬라이딩 속도에 대하여 수직 한 방향 중, 두 객체 중 하나에 적용된다. 선단이 마찰 계의 회전 디스크에 수직 인 방향으로 진동되도록 본 연구에서는 마찰 계의 핀은 압전 액츄에이터가 장착되어있다. 압전 물질은 여기 필드와 동일한 주파수에서 진동하는, 전계에 노출 될 경우 변형 "스마트"재료의 클래스이다. 압전 재료는 메가 헤르츠 범위에 잘 주파수에서 진동 할 수있다. 거시적 속도에 중첩되는, 초음파 진동은 순시 마찰력의 방향과 조합하여 효과적으로 마찰력 및 표면 마모의 감소에 이르게 표면 사이의 접촉을 교번하는 효과를 갖는다. </p>
초음파 마찰 감소는 실제 생산 시스템에서 입증되었다. 예를 들어,이 기술은 공구 및 금속 가공시 피 가공물과 드릴링, 가압, 시트를 압연하고, 신선 등의 성형 공정 사이에 힘을 감소시키기 위해 이용되고있다. 장점은 표면 처리 (2)과 최종 제품에서 윤활제를 제거하는 비용과 환경 적으로 유해한 세제 감소 필요성을 개선 등이 있습니다. 가능성이 다른 지역에 초음파 윤활의 응용 프로그램뿐만 아니라이 있습니다. 예를 들어, 초음파 윤활 실질적 윤활제 또는 코팅에 대한 필요성을 제거함으로써 개인 건강 관리 제품에 사용자 경험을 향상시킬 수있다. 차량 좌석과 레일 사이의 마찰 감소는 달리 전통적인 부품 · mechani 의해 점유 될 유저 이동, 공간 절약 및 질량을 용이하게하는 반면, 자동차 애플리케이션들에서, 마찰 변조는 볼 조인트의 성능을 향상시킬 수있다문자. 초음파 윤활 또한 파워 트레인 및 서스펜션 시스템에 마찰을 줄임으로써 연료 효율을 개선하는데 도움이 될 수있다. (3) 기존의 윤활제를 사용할 수없는 공간 애플리케이션에서, 초음파 윤활 마모를 줄이고 극적 중요한 구성 요소의 수명을 연장하는 데 사용될 수있다.
초음파 윤활을 통해 마찰 감소의 실험실 시위가 많다. 마찰 감소는 초음파인가 윤활 및 초음파 진동과 마찰력없이 측정 마찰력의 차이로 정량화된다. 어느 경우 마찰력 직접 힘 센서로 측정된다. Littmann 외. 4-5 힘 센서와 프레임이 마찰력을 측정하고 정상 부하를인가 설치된하는 슬라이더에 압전 구동 식 액츄에이터를 접속. 공압 액추에이터는 가이드 레일을 따라 상기 액추에이터와 함께 슬라이더를 밀어 사용 하였다. UltrasoniC는 종 방향 진동 속도로 슬라이딩 방향으로인가 하였다. Bharadwaj 및 Dapino 6-7 스택의 어느 단부에 원추형 도파로에 접속 스택 압전 액츄에이터를 사용하여 유사한 실험을 수행 하였다. 연락처 콘 구형 에지와 가이드 레일의 표면 사이에 일어났다. 이러한 접촉 강성, 정상로드 및 글로벌 강성 등의 시스템 파라미터의 효과를 연구 하였다. 쿠마과 허칭 (8)는 초음파 변환기에 의해 에너지를 한 sonotrode에 핀을 설치했다. 초음파 진동은 발생 공구강 표면과 접촉하여 배치 된 핀에 전달 하였다. 수직력은 공압 실린더에 의해 도포하고,로드 셀에 의해 측정 하였다. 핀과 디스크 사이의 상대 운동은 왕복 표에 의해 만들어졌습니다.
Pohlman 및 Lehfeldt 9는 핀 – 온 – 디스크 실험을 구현했습니다. 다른 연구와는 달리, 그들은 magnetostrict 고용초음파 진동을 발생하는 트랜스 듀서를 필자. 초음파 마찰 감소를위한 최적의 방향을 연구하기 위해, 트랜스 듀서는주의 깊게 정렬 그래서 진동 방향이 거시적 속도로, 세로 폭과 수직이었다. 그들은 건조 윤활면 모두에서 초음파 마찰 감소를 공부했다. 포포 외. (10)는 원추형 도파로 액츄에이터를 이용했다. 액추에이터는 회전베이스 플레이트와 접촉하여 배치 하였다. 다양한 경도를 가진 재료로 만들어진 구 콘 초음파 마찰 감소 재료의 경도에 영향을 연구하기 위해 채택되었다. 동과 Dapino 11-13 생성 둥근 모서리 프리즘 도파관에 초음파 진동을 전송하는 압전 트랜스 듀서를 사용했다. 종 진동으로 인해 포아송 효과로 수직 진동을 발생합니다. 만곡 된 상부와 슬라이더 도파로 하에서 접촉에 넣었다. 프레임은 접촉 계면에서 정상적인 힘을 적용하기 위해 지어졌다. 티그는 슬라이더 도파로의 중심 영역 주위에 수동으로 당겨졌다; 마찰력은 슬라이더에 연결된로드 셀에 의해 측정 하였다.
초음파 – 유도 된 마모 감소는 또한 조사 입증되었다. 용적 감소, 체중 감량, 및 표면 거칠기의 변화가 wear.Chowdhury 심각도를 정량화하기 위해 사용되며 Helali 14 핀 – 온 – 디스크 설정에서 회전 디스크를 진동. 진동은 회전 디스크 아래에있는 두 개의 평행 한 플레이트의지지 구조에 의해 발생되었다. 상부 플레이트는 하부 플레이트의 상부 표면에 각인 된 슬롯에 슬라이드 오프 중앙 저면에 설치된 구형 볼을 갖는다. 상부 플레이트가 회전시 상하 이동하도록 슬롯이 주기적으로 가변 깊이와 가공 하였다. 주파수는 회전 속도에 따라 100 Hz의 주위였다.
브라이언트와 뉴욕 15 ~ 16 승에 미세 진동의 효과를 연구귀 감소. 일단이 회전 강철 디스크와 코일 스프링에 연결된 타 단부에 휴식으로 그들은 홀더를 통해 탄소 실린더를 삽입 하였다. 진동에 대한 스페이스가 없기 때문에 하나의 경우에, 실린더 홀더 내에 꼭 맞았다. 다른 경우에, 콘텐츠는 실린더가 회전 디스크와 접촉하는 동안 마이크로 실린더의 진동을 허용하도록 남았다. 실린더의 중량 손실은 마모율을 계산하기 위해 측정되었다. 그것은 자체 생성 마이크로 진동 최대 50 %까지 마모를 줄이기 도움 것으로 나타났다.
고토와 아시다 17 ~ 18도 핀 – 온 – 디스크 실험을 채택했다. 이들은 테이퍼 콘 및 혼을 통해 트랜스 듀서와 핀 샘플들을 연결. 핀은 디스크 표면에 수직 방향으로 진동한다. 질량은 정상적인 부하를 적용하기위한 그 위에 트랜스 듀서에 연결되었다. 마찰력은 디스크를 회전 시키도록 적용된 토크 번역 하였다. 마모가 모두 있기 때문에 접착제로 확인되었다핀과 디스크는 탄소강으로 만들어졌다. 마모율 체적 손실 측정으로부터 계산 하였다.
이것은 선 속도가 초음파의 윤활에 중요한 역할을하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구의 실험적인 구성 요소는 선형 속도에 마찰과 마모 감소의 의존성에 초점을 맞추고있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험은 초음파 마찰 및 마모 저감에 선 속도의 효과를 연구하기 위해,이 프로토콜을 이용하여 수행 하였다. 측정은 초음파 진동을 효과적으로 마찰을 줄이고, 3 개의 선형 속도로 마모 보여준다. 이전의 관찰과 일치 마찰 감소량는 87mm / sec의 29.3 % 20.3 mm / sec로 62.2 % 감소 함. 착용 감소는 선형 속도 (48.6 %에 45.8 %)의 변화와 무시할 수있다.
초음파는 물질을 통해 전송 될 때 이러…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 기여 그들의 기술 지원 및 현물 혼다 R & D에서 NASA 글렌과 드웨인 Detwiler에서 팀 랜츠을 인정하고 싶습니다. 이 연구에 대한 재정 지원이 스마트 자동차 개념 센터 (www.SmartVehicleCenter.org)의 회원 단체에 의해 제공되었다, 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 산업 / 대학 협동 연구 센터 (I / UCRC). SD는 스마트 자동차의 개념 친목 대학원과 오하이오 주립 대학 대학원에서 대학 원정대에 의해 지원됩니다.
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 |
Referências
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