Koneenosien kitkan ja kestoiän hallinta

Koneenosien kitkan ja
kestoiän hallinta
Arto Lehtovaara
Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos,
Tribologia ja koneenosat
Alihankinta-messut 15-17.9.2015
Tampereen messu- ja urheilukeskus
Sisältö
•
•
•
•
Johdanto - motivointi
Kitka
Kestoikä
Johtopäätökset
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
2
Johdanto - motivointi
•
•
Tribologia - liikkuvien pintojen vuorovaikutus - kitkaan, kulumiseen ja
voiteluun liittyvät ilmiöt
Tribologian (kitkan, kulumisen ja kestoiän hallinnalla) avulla
–
–
–
•
•
•
kustannussäästöä noin 1-2 % BKT
Ympäristö ja kestävä kehitys – energiatehokkuus, lyijyttömät laakerit, bioöljyt jne
tuotteen käyttövarmuus
Ei täsmätiedettä, poikkitieteellisyys
Esimerkit
– laakerit, hammaspyörät, nokkamekanismit, lastuava työstö, jarrut
– ihmisen nivelet, suksi-latu, auton rengas – tie
Pinnat ovat usein mitoituksen kriittinen lenkki koneissa ja laitteissa
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
3
Kitkan luonne
Kitka – kuiva pinta - luisto
Näennäinen An = a*b
Todellinen Atod << An
- adhesiivinen kitka
- abrasiivinen kitka
- tihkomisvärähtely
Vierintäkitka
Kitka – voidellut pinnat
- nesteen leikkautuminen
- nesteen viskositeetti
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
4
Voitelumekanismit Kitkan hallinta
Kitkakerroin (suuruusluokka)
•
•
•
•
Kuivakitka (ref)
0.5 (1.0 .. 2.0)
Rajavoitelu
0.1
Sekavoitelu
0.05
Nestevoitelu
0.01 (0.001)
– Hydrodynaaminen voitelu
– Elastohydrodynaaminen voitelu
– Hydrostaattinen voitelu
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
5
Voitelumekanismit
a) Rajavoitelu
b) Sekavoitelu
c) Nestevoitelu
η = viskositeetti
U = liukunopeus
WL = Kuormitus
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
6
Kitka - kehitysnäkymät
Varsinkin raja- ja sekavoitelutilanteissa koneenosien kitkaa voidaan
vielä merkittävästi alentaa.
- modernit materiaalit, pinnoitteet, pinnanlaatu
- laboratorio-olosutheissa on jo saatu todennettuja varsin
alhaisia kitkakertoimia.
Ennuste:
- Lyhyt aikaväli 5-10 vuotta
- Kitka voidaan alentaa 18 %
- Pitkä aikaväli 15-25 vuotta
- Potentiaali kitkan alentamiseen 61 %
Katso lähde: K. Holmberg et. al ”
Global energy consumption fue to friction in passanger
cars. Tribology International 47 (2012) 221-234
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
7
Kestoikä - kosketusjännitykset
po 
b 
FN E '
 LR '
Laskennalliset jännitykset vs sallitut jännitykset
Karkaistut teräkset, voideltu Hertz-kosketus
psall = 1000 … 4000 MPa
4 FN R '
 LE '
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
8
Kestoikä - Pinnan topografia
Sileä pinta
2
Karhea pinta - kuiva
15
pressure P [-]
pressure P [-]
a)
1.5
1
0.5
5
0
0
0.2
0.2
0.24
0.4
0.4
0.26
z/b [-]
z/b [-]
10
0.28
0.6
0.8
0.6
0.8
0.3
1
1
1.2
-1
-0.5
0
x/b [-]
0.5
1
-1.5
-1
-0.5
0
x/b [-]
0.5
1
1.5
Lehtovaara, Tribologia
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
9
Kestoikä – öljyn puhtaus
Lehtovaara, Tribologia
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
10
Vierintälaakerin kestoikä
C 
L 10   
P
p
C 
L nm  a 1 a ISO  
P
p
C = laakerin dynaaminen kantavuusluku
P = laakerin ekvivalenttinen kuormitus
a1 = luotettavuuskerroin
aISO = kerroin (ISO 281 standardi)
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
11
Kestoikä – kosketuksen hallinta
c
Pu
P
К – voiteluolosuhde tekijä
c - öljyn likaisuusaste
Pu - väsymisraja
P - ekvivalenttikuorma
Kivioja et al, 2010
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
12
Johtopäätökset
• Koneenosien kitkan, kulumisen ja voitelun oikeaoppisella
hallinnalla on huomattavia vaikutuksia
–
–
–
–
energiatehokkuus
elinikä
kustannustehokkuus
kestävä kehitys
• Kehityspotentiaali on vielä suuri
• Kehitystyö vaatii pintojen kosketusilmiöiden (tribologian)
syvällistä osaamista ja ymmärtämistä mikro- ja
makrotasolla
Lehtovaara Tribology and Machine Elements
17.9.2015
13