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 permitiera que los engranajes se deslizaran más fácilmente, 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, jefe de la unidad de negocio de tribología del Fraunhofer IWM.
"El vehículo eléctrico seguramente nunca alcanzaría una autonomía tan alta", añade la Dra. Kerstin Falk, que dirige el equipo "Molecular Lubrication Design". Juntos, están investigando el comportamiento de las películas lubricantes en contactos tribológicos altamente estresados para predecir su idoneidad para el funcionamiento con baja fricción.
Ya sea que el material en cuestión sea metal, plástico o cerámica, una lubricación ideal puede ahorrar más del 20 por ciento de energía, ya que las máquinas funcionan con menos resistencia. Este también es un campo de investigación prometedor en términos de sostenibilidad.
Por eso no es de extrañar 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 se diseñan ahora en su límite de carga, donde se producen espesores de película lubricante en el rango nanométrico y presiones en el rango gigapascales. Nuestros socios se preguntan cómo calcular la fricción en un componente con contactos tribológicos tan cargados como los convencionales. Los métodos de cálculo fluidodinámico fracasan en estas condiciones extremas", resume Kerstin Falk el problema.
Junto con su equipo de simulación del MicroTribology Centrum μTC, Falk y Moseler han encontrado la respuesta a esta pregunta. Han publicado su investigación en Science Advances .
La forma de calcular la fricción y así mantenerla lo más baja posible depende del régimen de lubricación que una empresa busque en sus componentes. Por lo general, quiere impulsar sus tribosistemas (donde una fuerza presiona los cuerpos primario y secundario) bajo condiciones elastohidrodinámicas.
Una película lubricante cuyo espesor es mucho mayor que la rugosidad de las dos superficies está destinada a reducir la fricción. En este caso, la fricción se puede predecir con precisión utilizando un enfoque de mecánica continua. Se trata de resolver la llamada ecuación de Reynolds para el lubricante, que Osborne Reynolds derivó en 1886.
Además, se calculan la ecuación de conducción de calor para todo el sistema y las ecuaciones elásticas lineales para ambas superficies. Los únicos datos materiales necesarios son los módulos de elasticidad y los índices de Poisson de los elementos de fricción, las conductividades térmicas y las capacidades caloríficas de todos los materiales involucrados, 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 opera en lubricación límite, con una película lubricante muy delgada en la que los contactos de aspereza, es decir, los picos de rugosidad, sólo están separados por unas pocas capas atómicas del lubricante, sólo se obtiene un coeficiente de fricción aproximado. utilizado en los cálculos para los puntos de contacto "secos".
"Esto es muy insatisfactorio porque los cálculos con parámetros de material adivinados 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 contentaron con esto:en un proyecto de tres años, junto con cuatro empresas asociadas del MicroTribology Centrum µTC, investigaron su propia ley matemática para el comportamiento de películas lubricantes extremadamente delgadas y desarrollaron aún más la ecuación de Reynolds, de modo que hablar. "Queríamos entender cómo se comporta la fricción en la lubricación límite", explica Moseler.
El objetivo del proyecto es aclarar en qué espesor de película lubricante falla la mecánica continua 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, por ejemplo, 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 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 constitutiva exacta para la viscosidad del lubricante. /P>
Por el contrario, Kerstin Falk y Michael Moseler pudieron demostrar que en condiciones extremas de lubricación límite, es decir, altas presiones de aprox. 1 gigapascales y pequeñas alturas de entrehierro de aprox. 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 predecir correctamente la fricción.
Esto requiere una ley de deslizamiento de pared no lineal. Esto relaciona las velocidades de deslizamiento de la pared (es decir, la diferencia de velocidad entre un compañero de fricción y el lubricante adyacente) con las tensiones de corte locales en la película lubricante.
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 del 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), así como para ayudar a los socios de investigación a desarrollar experiencia en simulación. /P>
Luego pueden realizar simulaciones de componentes y bancos de pruebas, reducir las incertidumbres en el diseño de sistemas tribológicos y determinar con mayor precisión los parámetros de diseño. Este es un paso esencial 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.
Más información: Andrea Codrignani et al, Hacia una descripción continua de la lubricación en constricciones nanométricas altamente presurizadas:la importancia de leyes de deslizamiento precisas, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2649
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft
