The boundary films formed in sliding on steel surfaces were characterized using various lubricants. The mechanism of boundary film formation and loss was investigated over a range of temperature. The thickness of the boundary films was monitored in-situ by an ellipsometer, and the composition of the films was analyzed by XPS. The performance of the lubricants is closely associated with boundary film forming ability. In order to achieve high load carrying capacity, a boundary film must be formed on the surface. Sliding is necessary to form the films and some time is also required. As temperature increases, chemical reactivity increases the film formation rate, while the film removal rate increases due to thg decrease of durability of the boundary film material. There is a balance between these two competing mechanisms and this balance is reflected in the boundary film thickness.
Many tribological components in automobile engine undergo high load and sliding speed with thin film thickness. The lubrication characteristics of the components are regarded as ether hydrodynamic lubrication or boundary lubrication, whereas in a working cycle they actually have both characteristics. Many modem engine lubricants have various additives for better performance which make boundary film formation even under hydrodynamic lubrication regime. Conventional Reynolds equation with the viewpoints of continuum mechanics concerns only bulk viscosity of lubricant, which means that its simulation does not give insights on boundary lubrication characteristics. However, many additives of modern engine lubricant provide mixed modes of boundary lubrication characteristics and hydrodynamic lubrication. Especially, high molecular weight polymeric viscosity index improvers form boundary film on the solid surface and cause non-Newtonian fluid effect of shear thinning. This study has performed the investigation about journal bearing system with the mixed concepts of boundary lubrication and hydrodynamic lubrication which happen concurrently in many engine components under the condition of viscosity index improver added.
Reynolds equation, which describes behavior of fluid film in journal bearings, basically satisfies mass conservation. But, boundary conditions usually used with this equation, e.g. half Sommerfeld or Reynolds boundary conditions, cannot fulfill this natural law of conservation. In the case of connecting rod bearing, where applied load is dynamic and its magnitude is relatively large, such unrealistic boundary conditions have serious influence on calculation results, especially on lubricant flow rate or power disspation which are important parameters in thermal analysis. In this paper, mass-conserving boundary condition was applied in the finite element analysis of connecting rod bearings. Lubricant flow rate and power dissipation rate were calculated together with journal center locus, minimum film thickness and maxmium film pressure. These computation results were compared with those of the case of Reynolds boundary condition. Balance between inlet and outlet flow rate was well achieved in the case of mass-conserving boundary condition.
Many lubricated systems experience boundary lubrication condition during operation. However, the friction and wear characteristics of boundary lubrication are not clearly understood. In this work the factors which affect the friction and wear between boundary lubricated metallic surfaces are investigated. Experiments were performed using a pin-on-disk type tester with pure aluminum, pure copper, and SM45C steel as the disk material and steel, stainless steel and bearing ball as the ball. The experimental conditions were determined according to the Taguchi experimental method. From the experimental results, the major factors that influence the friction and wear characteristics of boundary lubrication could be identified.
The morphological analysis of wear particle is a very effective means fur machine condition monitoring and fault diagnosis. In order to describe morphology of various wear particle, the wear test was carried out under friction experimental conditions. And fractal descriptors was applied to boundary and surface of wear particle with image processing. These descriptors to analyze shape and surface of wear particle are shape fractal dimension and surface fractal dimension. The boundary fractal dimension can be derived from the boundary profile and surface fractal dimension can be determined by sum of intensity difference of surface pixel. The morphology of wear particles can be effectively obtained by two fractal parameter.
Boundary lubrication condition arises in most lubricated systems, especially during motion reversals and start up phase of operation. In this work electric contact resistance variations with respect to sliding conditions under lubrication is investigated. The motivation was to improve the understanding of the contact condition in the boundary lubrication regime. It is shown that electrical contact resistance is sensitive to sliding speed and surface condition of the specimens. Also, phenomena such as run-in during the initial phase of sliding and lubricant pile up near the sliding pin could be observed. The results of this work will aid in better understanding of the metal to metal contact condition in lubricated systems.
This study shows the effect of the thermal boundary condition around the tilting pad journal bearing on the static and dynamic characteristics of the bearing through a high-precision numerical model. In many cases, it is very difficult to predict or measure the exact thermal boundary conditions around bearings at the operating site of a turbomachine, not even in a laboratory. The purpose of this study is not to predict the thermal boundary conditions around the bearing, but to find out how the performance of the bearing changes under different thermal boundary conditions. Lubricating oil, bearing pads and shafts were modeled in three dimensions using the finite element method, and the heat transfer between these three elements and the resulting thermal deformation were considered. The Generalized Reynolds equation and three-dimensional energy equation that can take into account the viscosity change in the direction of the film thickness are connected and analyzed by the relationship between viscosity and temperature. The numerical model was written in in-house code using MATLAB, and a parallel processing algorithm was used to improve the analysis speed. Constant temperature and convection temperature conditions are used as the thermal boundary conditions. Notably, the conditions around the bearing pad, rather than the temperature boundary conditions around the shaft, have a greater influence on the performance changes of the bearing.
The friction and wear behaviors of ceramics against steels with lubricants were investigated and compared with those observed in air. Lubrications wbre done by a water and a commercial engine oil as received. The investigated ceramics were $Al_{2}O_{3}$, SiC, and $Si_{3}N_{4}$. Steels with 0.2 wt.% C were heat treated to obtain tempered structure. A cylinder-on-plate tribometer with rotated sliding motion was used to carry out the experiments. In the experiments reported here, the ranges of different testing speeds and loads were used. It was found that the friction and wear characteristics of tested pairs were significantly influenced by environments. In water and oil environments the wear of ceramics was reduced from 10$^{-6}$ g/s down to 10$^{-8}$ g/s in dry sliding at the same values of the frictional power which are the products of the friction coefficient, the load and the sliding speed. SiC showed excellent wear resistant behavior in water sliding, which was the lowest among tested ceramics, but it was, very poor in oils. In case of $Si_{3}N_{4}$, the wear rates were very low under oil environment, but the highest in water. The wear rates of $Al_{2}O_{3}$ were very low in both lubricating conditions at low values of the frictional power, but high at high values of the frictional power.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.17
no.4
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pp.29-37
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2000
At present there are many theories as to how various lubricants used in forging perform the role of reducing friction. Little work has been carried out to determine the validity of these theories for solid lubricants. This paper covers the development and preliminary results of the experiments devised to illustrate the movement of graphite at the workpiece/tool interface in the work forging temperature range. The paper describes the results obtained from upsetting of rings between two flat dies for measurement of lubricant thickness and compaction of graphite for density-pressure relationship. These allowed the lubricant to be exposed to forging conditions and by applying the principles of Male's ring test the simple generation of a value fur friction factor could also be determined. The experiments have been undertaken to examine the behavior of lubricant for shot blasted surface and change of surface roughness. A simple computer model of the interface has been constructed characterizing the graphite layer in an attempt to simulate the boundary mechanics.
Rolling contact fatigue (RCF) tests were performed for two kinds of commercial silicon nitride balls using 4-Ball rolling contact fatigue life tester under EHL condition (Λ=8.9) and boundary lubrication condition (Λ=0.2). All the test balls were finished up to the dimensional accuracy of Grade 5 defined in KS B 2001 (Steel Balls for Ball Bearings) with a size of 8.731 mm. RCF tests were then conducted under the initial theoretical maximum contact stress 6.63 GPa and the spindle speed 10,000 rpm. All the test balls were not failed until 3.75 $\times$ 107 contact cycles and wear tracks of test balls were not conspicuous under EHL condition (Λ= 8.9). In the operations of low lambda regime (Λ= 0.2), all the test balls were surface damaged and high rolling wear resistance was achievable in fully densified using MgO 1 wt% and HIPed balls. Rolling wear of silicon nitride balls under boundary lubrication condition depend mainly on grain size and intergranular phase content of silicon nitride balls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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