Measuring lubricant viscosity at a surface and in a bearing film using shear-horizontal surface acoustic waves

Abstract

Viscosity is an important property of lubricant oil films; in IC engines the oil film is responsible for supporting the load, keeping the components in relative motion separated and protecting them from major friction and wear. As a result, lubricant film viscosity strongly depends on the operating temperature, pressure and shear rate. Understanding the oil behaviour under real operating conditions is of great interest, for developing better lubricants. Reproducing these conditions in a laboratory viscometer, to investigate the lubricant behaviour, is a challenging task. As a result, methods that allow measuring properties of lubricant films in-situ, are preferred. In this thesis, an ultrasonic method employing shear horizontal surface acoustic waves (SH-SAWs) was developed, to measure lubricant viscosity and surface layers, at a free surface and an in-situ bearing film. Ultrasonic methods have been widely used to measure liquid properties. Bulk acoustic waves and surface acoustic waves have been used to measure viscosity, film thickness and surface layers. Among the different types of ultrasonic waves, shear-horizontal surface acoustic waves are considered to be more suitable for measuring oil viscosity and formation of surface layers, in-situ in a running bearing application, as they present good coupling with liquids and moderate sensitivity to surface changes. The SH-SAW response was investigated at a solid-liquid interface, for measuring lubricant properties. SH-SAWs attenuate at the solid-liquid interface, due to the liquid viscosity, and the attenuation was modelled as function of the liquid properties, material and geometry of the medium, and wave frequency. The SH-SAW attenuation-viscosity model was used to calculate the viscosity of different oils at a free surface, over a range of temperatures, which agreed with numerical models. The SH-SAW response was further investigated for measuring the formation of viscous surface layers. Thin (h~ 10 to 30 nm) physically adsorbed surface layers were hard to detect. Further testing, has shown the successful application of SH-SAWs for detecting thick (h> 4.6 μm) surface layers, through a dry contact interface. Additionally, thick (h≥ 1.5μm) surface layers were detected through viscosity changes at a wet contact interface, using SH-SAWs. Finally, the SH-SAW method was utilised for measuring viscosity of oil films, in-situ in a journal bearing application. For the purpose of the study, a rotating journal and two bearing sleeves were set up in a rig, where different loading conditions were applied to create oil films of various thickness. The minimum film thickness due to loading and rig design, was expected to occur at the lower bearing sleeve, which was instrumented with two angled SH-SAW transducers to measure the changes in oil film viscosity with pressure. In addition to the angled SH-SAW transducers, an ultrasonic shear transducer was installed inside the rotating journal, which allowed measurements of the oil film viscosity circumferentially. The two methods were found to be in good agreement. Both, successfully distinguished the different oil test samples, according to their viscosities and were able to measure changes in the oil film viscosity at the loaded region, however they were unable to measure any surface layer formation. This thesis sets the foundation for the development of a method that potentially can bridge the gap between laboratory and in-situ testing; the SH-SAW method can be used for laboratory measurements of the oil viscosity, as well as in-situ an oil film viscosity measurements. As a result, the SH-SAW method could offer more consistent tracking of the oil properties throughout the development stages, the ability to keep tracking the properties of the fully formulated product when tested in an engine, and monitor the condition of the oil over time, for degradation. That would have significant impact on the automotive and lubricant industries, as it would significantly advance the understanding of the oil composition to help in the development of better lubricant products.

Το ιξώδες είναι σημαντική ιδιότητα των λιπαντικών στρωμάτων. Στις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης, το λιπαντικό στρώμα είναι υπεύθυνο για την υποστήριξη του φορτίου, τη διατήρηση των εξαρτημάτων σε σχετική κίνηση διαχωρισμένα και την προστασία τους από τριβή και φθορά. Ως αποτέλεσμα, το ιξώδες του λιπαντικού στρώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία λειτουργίας, την πίεση και τον ρυθμό διάτμησης. Η κατανόηση της συμπεριφοράς του λιπαντικού υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ανάπτυξη καλύτερων λιπαντικών. Η αναπαραγωγή αυτών των συνθηκών σε ένα εργαστηριακό ιξωδόμετρο, για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του λιπαντικού, αποτελεί πρόκληση. Ως αποτέλεσμα, προτιμώνται μέθοδοι που επιτρέπουν τη μέτρηση των ιδιοτήτων των λιπαντικών στρωμάτων επιτόπου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αναπτύχθηκε μια μέθοδος βασισμένη στους Υπερήχους, που χρησιμοποιεί Επιφανειακά Ακουστικά Κύματα Οριζόντιας Διάτμησης (SH-SAWs), για τη μέτρηση του ιξώδους του λιπαντικού και των επιφανειακών στρωμάτων, σε μια ελεύθερη επιφάνεια και σε ένα έδρανο βάσης. Μέθοδοι βασισμένες στους Υπερήχους έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη μέτρηση των ιδιοτήτων των υγρών. Ακουστικά κύματα που διαδίδονται διαπερνόντας το μέσο καθώς και κύματα που διαδίδονται στην επιφάνεια του μέσου, έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του ιξώδους του λιπαντικού και του πάχους των επιφανειακών στρωμάτων. Μεταξύ των διαφορετικών τύπων υπερηχητικών κυμάτων, τα Επιφανειακά Ακουστικά Κύματα Οριζόντιας Διάτμησης θεωρούνται τα πιο κατάλληλα για τη μέτρηση του ιξώδους του λιπαντικού και τον σχηματισμό επιφανειακών στρωμάτων, επιτόπου σε ένα έδρανο βάσης, καθώς παρουσιάζουν καλή σύζευξη με υγρά και μέτρια ευαισθησία στις επιφανειακές αλλαγές. Η απόκριση των SH-SAWs διερευνήθηκε σε μια διεπιφάνεια στερεού-υγρού, για τη μέτρηση των ιδιοτήτων του λιπαντικού. Τα SH-SAWs εξασθενούν στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού, λόγω του ιξώδους του υγρού, και η εξασθένηση μοντελοποιήθηκε ως συνάρτηση των ιδιοτήτων του υγρού, του υλικού και της γεωμετρίας του μέσου, και της συχνότητας του κύματος. Το μοντέλο εξασθένησης-ιξώδους των SH-SAWs χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του ιξώδους διαφορετικών λιπαντικών σε μια ελεύθερη επιφάνεια, σε ένα εύρος θερμοκρασιών, το οποίο συμφωνούσε με αριθμητικά μοντέλα. Η απόκριση των SH-SAWs διερευνήθηκε περαιτέρω για τη μέτρηση του σχηματισμού επιφανειακών στρωμάτων πολύ μεγάλου ιξώδους. Λεπτά (h~ 10 έως 30 nm) φυσικά προσροφημένα επιφανειακά στρώματα ήταν δύσκολο να ανιχνευθούν. Περαιτέρω δοκιμές έδειξαν την επιτυχή εφαρμογή των SH-SAWs για την ανίχνευση παχέων (h> 4.6 μm) επιφανειακών στρωμάτων, μέσω μιας διεπιφάνειας ξηρής επαφής. Επιπλέον, παχιά (h≥ 1.5 μm) επιφανειακά στρώματα ανιχνεύθηκαν μέσω αλλαγών του ιξώδους σε μια διεπιφάνεια υγρής επαφής, χρησιμοποιώντας SH-SAWs. Τέλος, η μέθοδος SH-SAW χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του ιξώδους λιπαντικών στρωμάτων, επιτόπου σε ένα έδρανο βάσης. Για τους σκοπούς της μελέτης, ένας περιστρεφόμενος άξονας και δύο χιτώνια έδρασης τοποθετήθηκαν σε μια διάταξη, όπου εφαρμόστηκαν διαφορετικές συνθήκες φόρτισης για τη δημιουργία λιπαντικών στρωμάτων με διαφορετικά πάχη. Το ελάχιστο πάχος του υμένα λόγω φόρτισης και σχεδιασμού της διάταξης, αναμενόταν να συμβεί στο κάτω χιτώνιο έδρασης, το οποίο ήταν εξοπλισμένο με δύο γωνιακούς μετατροπείς SH-SAW για τη μέτρηση των αλλαγών του ιξώδους του λιπαντικού στρώματος με την πίεση. Εκτός των γωνιακών μετατροπέων SH-SAW, ένας υπερηχητικός μετατροπέας διατμητικών υπερήχων εγκαταστάθηκε στο εσωτερικό του περιστρεφόμενου άξονα, ο οποίος επέτρεψε μετρήσεις του ιξώδους του λιπαντικού στρώματος περιφερειακά του άξονα. Οι δύο μέθοδοι βρέθηκαν σε καλή συμφωνία. Και οι δύο, διέκριναν επιτυχώς τα διαφορετικά δείγματα λιπαντικών, σύμφωνα με τα ιξώδη τους και ήταν ικανές να μετρήσουν αλλαγές στο ιξώδες του λιπαντικού στρώματος στην περιοχή φόρτισης, ωστόσο δεν μπόρεσαν να μετρήσουν κανένα σχηματισμό επιφανειακού στρώματος. Η παρούσα διατριβή θέτει τα θεμέλια για την ανάπτυξη μιας μεθόδου που δυνητικά μπορεί να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ εργαστηριακών μετρήσεων και μετρήσεων επί το έργο. Η μέθοδος SH-SAW μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργαστηριακές μετρήσεις του ιξώδους του λιπαντικού, καθώς και για επι το έργο μετρήσεις του ιξώδους του λιπαντικού στρώματος. Ως αποτέλεσμα, η μέθοδος SH-SAW θα μπορούσε να προσφέρει πιο συνεπή παρακολούθηση των ιδιοτήτων του λιπαντικού σε όλα τα στάδια ανάπτυξης, τη δυνατότητα συνεχούς παρακολούθησης των ιδιοτήτων του πλήρως συντεθειμένου προϊόντος όταν δοκιμάζεται σε κινητήρα, και την παρακολούθηση της κατάστασης του λιπαντικού με την πάροδο του χρόνου, για κορεσμό. Αυτό θα είχε σημαντικό αντίκτυπο στην αυτοκινητοβιομηχανία και τη βιομηχανία λιπαντικών, καθώς θα προωθούσε σημαντικά την κατανόηση της σύνθεσης του λιπνατικού για να βοηθήσει στην ανάπτυξη καλύτερων λιπαντικών προϊόντων.