Tribospectroscopy of Surfaces with Statistically Random Roughness

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Tribospectroscopy of Surfaces with Statistically Random Roughness"

Lena Lichtenberg
vor 6 Jahren
Abrufe

www.friction-physics.com INSTITUTE OF MECHANICS Prof. Dr.

1 INSTITUTE OF MECHANICS Prof. Dr. Valentin Popov Tribospectroscopy of Surfaces with Statistically Random Roughness Popov V.L. in collaboration with Starcevic J., Putzar G. and Thaten J.

2 The question to be answered: What space scale is responsible for friction processes? The answer is important for: Adequate modeling of friction and wear Design of actively controllable friction systems Ultrasonic applications (ultrasonic bonding, traveling wave motors and so on) Study of stability of tribological systems Nano- and micromachines Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

3 Theoretical background: Tomlinson-Modell G.A. Tomlinson, Philos. Mag, 1929, v.7, p.905 F R N Equation of motion: mx = F R α x kn sin(2 π x / a ) In overdamped case can be solved exactly: F R F R = ( kn ) 2 +η 2 x 2 < x > Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

4 Theoretical background: friction law in the presence of vibrations F α :=.35 a N F = F0 + F1sin t ω F1 := t 2.3 sin( ω t ) Velocity Mean velocity α :=.35 Mean force Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

5 Dependence of the static friction force on the oscillation amplitude Static friction force Oscillation amplitude Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

6 Theoretical background Two bodies coupled with an oscillating bond moving in a random potential l(t) F 0 ( ϕ ) U( x) = c( k)cos kx+ k dk Fx () 2 k kδl = 2 Φ ( ) 0 2 k1 ck kj dk J 0 is Bessel function of zeroth order Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

7 Theoretical background: friction law in the presence of vibrations 2 F ck ( ) = exp ( k k ) k0 l Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

8 Experimental Setup Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

9 Measuring system (tribospectrometer) Vibrometer Controller US Generator amplifier Motor Controller u ~ ( t ) vb = const stepmotor Vibrometer substrate force sensor glider

10 Experimental Setup Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

11 Case study: steel against braking pad Sample body: steel; substrate: braking pad; frequency [khz]: 58; velocity [mm/s]: 0.50; sample weihgt [g]: 40 Anfang Ende temperature [ C]: 22,7 23,1 humidity [%]: Reibungskraft [N] Without vibration 0.14 V. Popov, TU-Berlin Zeit [s] Force amplitude dependence Vibration amplitude 0,10 µm V. Popov, TU-Berlin V. Popov, TU-Berlin quadratischer Mittelwert der Kraft [mn] Reibungskraft [N] Amplitude [µm] Zeit [s] Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

12 Comparison of Experiment and Theory Square of the friction force vs. oscillation amplitude for the couple: steel against steel 2 F. Δl k = μ Characteristic scale is about 1/k 0 =50 nm Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

13 Square of the friction force vs. oscillation amplitude of the probe: steel against copper Material: Kupfer / Stahl frequency [khz]: 66 velocity [mm/s]: 0.50 Anfang Ende temperature [ C]: 23,5 23 humidity [%]: Mean square of the force [mn²] Amplitude [µm] Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

14 Square of the friction force vs. oscillation amplitude of the probe: steel against aluminium Material: Aluminium / Stahl frequency [khz]: 66 velocity. [mm/s]: 0.50 Anfang Ende temperature [ C]: 23,5 23,6 humidity [%]: mean square of the force [mn²] Amplitude [µm] Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

15 Conclusion I. Characteristic space scale responsible for friction differs for different materials, but for metallic materials it is of the order of magnitude nm II. This correlates with our concept of dynamic surface layer of the same thickness, which is responsible for the friction processes III. For larger vibration amplitudes welding processes begin Tribospectroscopy Popov V.L., Starcevic J, Putzar G., Thaten J. TU Berlin

16 INSTITUTE OF MECHANICS Prof. Dr. Valentin Popov Skalenabhängige Reibung Theorie und Experiment V.L. Popov, A. Filippov, J. Starcevic, J. Thaten, G. Putzar TU Berlin, Germany

17 I. Was ist Reibungskraft? II. III. IV. Gilt das makroskopische Reibungsgesetz auf der Mikroskala? Modellillustrationen zur skalenabhängigen Reibung Skalenseparation und Definition von Mikro- und Makro. V. Fraktale Systeme VI. Inhalt Definition der skalenabhängigen Reibung VII. Messung der skalenabhängigent Reibung VIII. Welche Skalen tragen zur makroskopischen Reibungskraft bei? - Experiment

18 Was ist Reibungskraft? v [mm/s] F [N] t[s] t [s] v [mm/s] F [N] t[s] t [s]

19 Gilt das makroskopische Reibungsgesetz auch auf der Mikroskala? Typische Kontaktgröße zwischen Mikrorauheiten liegt im Mikrometerbereich. Ist das makroskopische Reibungsgesetzt auf dieser mikroskopischen Skala noch gültig?

20 Gilt das makroskopische Reibungsgesetz auf kleinen Zeitskalen? Shinsei-Motor USR-60 Typische Frequenzen für Wanderwellenantriebe liegen zwischen ca. 20 khz und 100 khz. Es gibt sogar Realisierungen mit Frequenzen bis zu 50 MHz. Ist das makroskopische Reibungsgesetzt bei diesen hochfrequenten Anwendungen noch gültig?

21 Experimental setup Measuring system Vibrometer Controller amplifier Motor Controller v b = const stepmotor Vibrometer substrate force sensor glider

22 Bearbeitung experimenteller Daten { x, F, t } n spring, n n { x,, n xn xn, Fspring, n, tn} ω > ω { x,, n xn xn, Fspring, n} mx + f sign( x ) + α x + F ( x ) = F n 0 n spring, n m x x + f x sign( x ) + α x + F ( x ) x = F x 2 n n 0 n n n n spring, n n

23 Der Algorithmus zur Berechnung der Spektraldichte 1. Man berechne Quadrat der statische Reibungskraftals Funktion der Mittelungszeit T. 2. Diese Funktion plotte man in den Kooridinaten q 1/ die Gleitgeschwindigkeit ist. = TV, wobei V 3. Die so erhaltene Funktion differenziere man nach q 4. Das Ergebnis ist die Spektraldichte der mikroskopischen Kraft.

24 Experimentelle Ergebnisse F [mn] T[s] Probengewicht: 140 g V 0,5 mm/s

25 Experimentelle Ergebnisse 6 x 104 F 2 [mn] x q [1/mm] q 3 C(q) q [1/mm] Probengewicht: 140 g V 0,5 mm/s hier charakteristische Wellenzahl der mikroskopischen Wechselwirkung, die die Reibungskraft erzeugt

26 Zusammenfassung 1. Konzept der Reibunskarft kann auf einer beliebigen räumlichen oder zeitlichen Skala angewendet werden. 2. Die Reibungskraft ist skalenabhängig. 3. Aus der Skalenabhängigkeit lassen sich Skalen Identifizieren, die zur Reibungskraft beitragen. 4. Bei Stahl entsteht die Reibungskraft durch Prozesse auf der Skala von ca. 20 nm. 5. Wenn Sie Ihre Reibpaarung charakterisieren wollen, schicken Sie uns diese unter Angabe von Betriebsbedingungen zu. Wir werden Ihnen das Spektrum der mikroskopischen Kräfte in Ihrer Reibpaarung liefern.

Ähnliche Dokumente

Air-Sea Gas Transfer: Schmidt Number Dependency and Intermittency

Air-Sea Gas Transfer: Schmidt Number Dependency and Intermittency Bernd Jähne, Reinhard Nielsen, Christopher Pop, Uwe Schimpf, and Christoph Garbe Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen