Διερεύνηση της ρεολογίας λιπαντικών σε συνθήκες ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης και εφαρμογή στον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης κυκλοειδών μειωτήρων

Abstract

Improving the efficiency of power transmission systems is a major demand in a variety of applications aiming to reduce consumption, temperature and overall operational cost. To evaluate the effect of design parameters and of the lubricant selection it is necessary to use tools for calculating the tribological conditions and simulating the lubricant behaviour in the contact.. Despite the development of powerful computational systems and the improvement of the algorithms in terms of stability and speed, the accuracy of the result is limited by the accuracy of the rheology model used and the validity of its parameters. In the recent years in the field of tribology, there is an ongoing "fitting" race of simulation results to experimental data through parameter manipulation. The significance of those parameter values is limited due to being extracted from a set of experiments which is also used as a comparison for the simulation results. The goal of the present thesis is to directly extract rheology parameters from experimental measurements of friction without recursive correction from simulation results, hence extending the scope of application beyond a specific test rig and a specific set of experiments. In the process of evaluating the lubricant behaviour, it became apparent that the variation of the limiting shear stress value can be expressed by a new simplified equation. The new equation and the calculated rheology parameters are used in a new generation Thermal-Elastohydrodynamic numerical solver. Experimental measurements in two different test rigs under different tribological conditions show good agreement with the simulation results for friction. As a next step, the results of the calculated rheology values for two reference mineral-oils are put into test in a complex power transmission system, the cycloid reducer. The sig-nificance of accurate modelling of the limiting shear stress is studied in terms of the calculated friction if an error in the parameters is assumed. Cycloid reducers are planetary systems with a trochoid flank curve that offer advantages such as zero backlash, very small fluctuation of torque and ratio coupled with very high reduction ratios and high power density. These aspects make them a good contestant for highly demanding applications such as robotics. The comparably lower weight of the reducers and the high overload capacity makes them also attractive in personal mobility applications. Tribologically, they present an interesting case due to the high-power density, limited oil or grease supply in conjunction with high normal pressure. In order to apply friction simulation and the aforementioned rheology model, the tribological condition must be evaluated. In this thesis, the kinematic analysis of different configurations is performed. Software tools are developed and used to design and analyse the reducers. The results concerning normal stresses are compared to those obtained using the Finite Element Method. The workflow tools produce input files and utilize the numerical EHL solver. The friction results are used for the calculation of the total power loss. By adjusting the design parameters optimal parameters can be selected for minimizing the power loss and improving the reliability of the reducers.

Η βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων μετάδοσης ισχύος αποτελεί σημαντική απαίτηση σε πλειάδα εφαρμογών για τη μείωση της κατανάλωσης, της θερμοκρασίας και του συνολικού κόστους λειτουργίας. Για να εκτιμηθεί η επίδραση των παραμέτρων σχεδίασης και της επιλογής του λιπαντικού στη φάση της ανάπτυξης, είναι αναγκαία η χρήση εργαλείων υπολογισμού των τριβολογικών συνθηκών και εργαλείων προσομοίωσης του λιπαντικού στην επαφή. Παρά την ανάπτυξη ισχυρών υπολογιστικών συστημάτων και τη βελτίωση των αλγορίθμων ως προς τη σταθερότητα και την ταχύτητα, η ακρίβεια των αποτελεσμάτων συνεχίζει να ορίζεται από την ακρίβεια του μοντέλου ρεολογίας, που χρησιμοποιείται, και από την ορθότητα των παραμέτρων του. Τα τελευταία χρόνια, στην περιοχή της τριβολογίας είναι γνωστό ότι υπάρχει ένας αγώνας "ταιριάσματος" των μετρούμενων και των αποτελεσμάτων προσομοίωσης, με επιλογή βολικών παραμέτρων στα μοντέλα. Η χρήση αυτών των τιμών είναι περιορισμένη, καθώς οι τιμές των παραμέτρων που προκύπτουν από πειράματα χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της τριβής και αυτά τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τις ίδιες πειραματικές τιμές.Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο υπολογισμός παραμέτρων ρεολογικών μοντέλων με χρήση μεθοδολογίας στηριζόμενης σε πειραματικές τιμές τριβής, χωρίς διορθώσεις εκ του αποτελέσματος, επεκτείνοντας την ισχύ σε διαφορετικά δοκιμαστήρια και συνθήκες. Στην πορεία αξιολόγησης των αποτελεσμάτων σε ποικιλία συνθηκών, έγινε αντιληπτό ότι η παρατηρούμενη συμπεριφορά της οριακής τιμής διάτμησης μπορεί να εκφραστεί με μια νέα απλοποιημένη έκφραση. Οι τιμές και η νέα σχέση χρησιμοποιήθηκαν σε έναν τελευταίας γενιάς επιλυτή Ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης. Η καλή συμφωνία των υπολογισμένων τιμών με τις μετρήσεις δύο δοκιμαστηρίων διαφορετικών δυνατοτήτων επιβεβαιώνει τη μεθοδολογία. Επόμενο βήμα είναι η χρήση των τιμών που υπολογίστηκαν για δύο πρότυπα ορυκτέλαια, σε ένα σύνθετο σύστημα μετάδοσης ισχύος, τον κυκλοειδή μειωτήρα. Η σημασία της ακριβούς προσέγγισης της οριακής τιμής διάτμησης μελετάται, συγκρίνοντας τιμές τριβής, υποθέτοντας ένα σφάλμα στις παραμέτρους. Οι κυκλοειδείς μειωτήρες αποτελούν πλανητικά συστήματα, στα οποία η γεωμετρία της οδόντωσης ανήκει στην κατηγορία των τροχοειδών καμπυλών, και προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως μηδενική χάρη, πολύ μικρή διακύμανση της ροπής και της σχέσης μετάδοσης, ενώ, παράλληλα, προσφέρουν υψηλές σχέσεις μετάδοσης και μεγάλη συγκέντρωση ισχύος. Τα πλεονεκτήματα αυτά τους κάνουν ανταγωνιστικούς σε εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων, όπως οι ρομποτικοί βραχίονες. Το χαμηλό βάρος και η υψηλή αντοχή σε υπερφόρτωση τους κάνει ιδανικούς και σε εφαρμογές προσωπικής μετακίνησης (personal mobility). Από τριβολογική σκοπιά, παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω των έντονων συνθηκών που επικρατούν, όπως η μεγάλη συγκέντρωση ισχύος, η συνήθως μικρή ποσότητα λιπαντικού ελαίου ή γράσου και οι υψηλές επιφανειακές πιέσεις. Για την εφαρμογή της μεθόδου μελέτης της τριβής και των απωλειών, πρέπει να είναι γνωστές οι συνθήκες που επικρατούν. Στα πλαίσια της διατριβής, έγινε η μελέτη της κινηματικής, διαφόρων μορφών κυκλοειδών και αναπτύχθηκαν τα απαραίτητα εργαλεία σχεδίασης και ανάλυσης των μειωτήρων. Τα αποτελέσματα της κάθετης δύναμης συγκρίνονται με αποτελέσματα από εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Τα εργαλεία παράγουν τα αρχεία εισόδου και παρέχουν σύνδεση με τον επιλυτή της Ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης, του οποίου τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των απωλειών. Επιτυγχάνεται η αποτίμηση της επίδρασης των γεωμετρικών παραμέτρων στις απώλειες ισχύος.