使极薄的润滑膜可预测通过非线性壁滑移定律扩展雷诺方程

当电动汽车加速时，电机产生最大的力，巨大的压力作用在电动传动系统的齿轮上。表面遇见表面，金属遇见金属。如果没有润滑油膜让齿轮更容易滑动，齿轮不仅会变得非常热，而且会很快磨损。“如果没有润滑膜，我们日常生活中的许多事情都会变得更慢、更吱吱作响、更不稳定，”弗劳恩霍夫IWM摩擦学业务部门负责人MichaelMoseler教授解释道。

“电动汽车肯定永远不会达到如此高的续航里程，”“分子润滑设计”团队负责人KerstinFalk博士补充道。他们正在共同研究润滑膜在高应力摩擦接触中的行为，以预测其对低摩擦操作的适用性。

无论所讨论的材料是金属、塑料还是陶瓷，理想的润滑都可以节省20%以上的能源，因为机器运行阻力更小。就可持续性而言，这也是一个有前途的研究领域。

因此，难怪微摩擦学中心µTC(弗劳恩霍夫IWM和卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)之间的合作)的合作伙伴公司对尽可能减少系统中的摩擦非常感兴趣。

“许多摩擦系统现在都在其负载极限下进行设计，其中润滑膜厚度在纳米范围内，压力在千兆帕范围内。我们的合作伙伴想知道如何计算具有如此高负载摩擦接触的组件中的摩擦力，如传统的流体动力学计算方法在这些极端条件下会失败，”KerstinFalk总结问题时说道。

Falk和Moseler与MicroTribologyCentrumμTC的模拟团队一起找到了这个问题的答案。他们在《科学进展》上发表了他们的研究成果。

了解和优化摩擦

如何计算摩擦力并保持尽可能低的摩擦力取决于公司在其组件中所追求的润滑方式。通常，它希望在弹性流体动力学条件下驱动其摩擦系统(其中有一个力将主体和反体压在一起)。

润滑膜的厚度远大于两个表面的粗糙度，旨在减少摩擦。在这种情况下，可以使用连续介质力学方法准确预测摩擦。这涉及到求解所谓的润滑剂雷诺方程，该方程是OsborneReynolds在1886年推导出来的。

此外，还计算了整个系统的热传导方程和两个表面的线弹性方程。唯一需要的材料数据是摩擦伙伴的弹性模量和泊松比、所有涉及材料的热导率和热容量，以及参数场的流体密度和动态粘度的精确本构定律由压力、温度和流体中的局部剪切率组成。这是最先进的。

然而，如果摩擦系统在边界润滑下运行，具有非常薄的润滑膜，其中粗糙度接触，即粗糙度峰值，仅被润滑剂的几个原子层隔开，则仅粗略估计摩擦系数用于“干”接触点的计算。

“这非常令人不满意，因为使用猜测的材料参数进行的计算不准确，导致设计不理想，并最终使公司损失大量资金，”迈克尔·莫塞勒说。

KerstinFalk和MichaelMoseler并不满足于此：他们与MicroTribologyCentrumµTC的四家合作伙伴公司一起，在一个为期三年的项目中研究了自己的极薄润滑膜行为数学定律，并进一步发展了雷诺方程，因此说话。“我们想了解边界润滑中摩擦力的表现，”莫塞勒解释道。

该项目的目的是阐明连续介质力学在哪个润滑膜厚度以下会失效，以及如何扩展基本方程，以便计算出比表面粗糙度更薄的润滑膜。

为此，计算了粗糙接触几何形状中碳氢化合物润滑剂的分子动力学，例如用聚α烯烃(PAO)基础油润滑的两个类金刚石碳(DLC)表面。然后将分子动力学模拟的结果与雷诺方程的结果进行比较。

响亮的结果：对于低于0.4吉帕斯卡的摩擦副之间的压力和大于5纳米的润滑间隙高度，只要使用润滑剂粘度的精确本构定律，雷诺描述与分子动力学参考计算非常吻合。

与此相反，KerstinFalk和MichaelMoseler能够证明，在极端边界润滑条件下，即约100°C的高压下，1千兆帕，润滑间隙高度约为100兆帕1纳米，润滑剂对表面的粘附减少，因此，摩擦伙伴和润滑剂之间的滑动必须包含在计算中，以正确预测摩擦。

这需要非线性壁滑移定律。这将壁滑移速度(即摩擦对象与相邻润滑剂之间的速度差)与润滑膜中的局部剪切应力联系起来。

摩擦学的突破：使边界摩擦可预测

凭借这些研究成果，研究人员现在提出了一种预测边界润滑条件下摩擦的创新方法。高负载摩擦接触的非经验预测连续体建模所需的另一条信息是摩擦表面的原子结构。这是通过深入的实验分析确定的，并且是壁滑移定律的先决条件。

弗劳恩霍夫IWM的新发现现已用于后续项目，以预测特定应用(例如齿轮和轴承)中的摩擦系数和摩擦行为，并支持研究合作伙伴建立仿真专业知识。

然后，他们可以进行测试台和部件仿真，减少摩擦学系统设计中的不确定性，并更精确地确定设计参数。这是迈向基于知识的润滑剂、表面和部件设计的重要一步，对于润滑剂制造商和涂层商以及轴承和齿轮制造商来说应该非常有趣。