Traction in EHL-Contacts : the influence of local fluid rheology and temperatures

Abstract

The traction in concentrated contacts is governed by the fluid rheology. While the film formation has been well understood and its relation to the physical lubricant properties have been shown, the rheology governing the lubricant behaviour within elastohydrodynamic lubricated (EHL) contacts still poses numerous challenges. The limit of the traction transferable through a concentrated contact is governed by the lubricant property limiting shear stress. The behaviour of the limiting shear stress is evaluated by examining data from traction experiments. It is found that a linear relationship of pressure and maximum shear stress exists. The problem of using an integral contact is addressed by using data gained from a specialised experiment with homogeneous pressure. This shows the same pressure limiting shear stress relation. Thus the traction experiments are assumed a valid basis for extracting pressure limiting shear stress data. From the observations in the experiments a limiting shear stress relation is formulated and abstracted for several lubricants. This relation is subsequently implemented in a computational routine. The temperature dependence of the limiting shear stress is investigated by measurements of body temperature and by obtaining temperature maps of the contact through thermography. It can be found, that a small temperature dependence of the limiting shear stress may be present. However, when including the temperature maps into computations it is shown that the effect of temperature on viscosity out- weighs possible influences of temperature on the limiting shear stress. Furthermore, the knowledge of local temperatures makes the solution of the energy equation for a local temperature calculation unnecessary thus allowing for faster computations with the real temperat- ures. This is backed further by implementing several different viscosity models which are all based on identical high pressure viscometry data. It can be shown that the viscosity model influences the traction results substantially. Thus this work aims to achieve the following goals: Shed light on the true fluid behaviour in the EHL contact, point out the influence of temperature on the limiting shear stress, and further enhance a simple numerical model of the limiting shear stress for use in computations.

Die Reibung in hochbelasteten elastohydrodynamisch geschmierten Kontakten (EHD) wird von der Schmierstoffrheologie beherrscht. Wäh- rend die Mechanismen die zur Schmierfilmbildung führen und die Zusammenhänge mit physikalischen Schmierstoffeigenschaften bereits erforscht und zufriedenstellend geklärt sind, ist das rheologische Verhalten der Schmierstoffe in den Kontakten weiterhin nicht ausreichend geklärt. Die maximale Schubspannung/Traktion die durch den Schmierfilm eines hochbelasteten EHD Kontaktes transferiert wird ist eine Schmierstoffabhängige Größe: Die Grenzschubspannung. Das Verhalten der Grenzschubspannung wurde mithilfe von Traktionsversuchen untersucht. Ein linearer Zusammenhang zwischen Druck und Grenzschubspannung konnte bestätigt werden. Da es sich bei der Traktionsmessung um eine Messung an einem integrierenden EHD Kontakt handelt wurden die Ergebnisse mit Versuchen aus einem Experiment mit homogener Druckverteilung abgeglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse aus Traktionsmessungen und Laborexperiment diesselben Werte liefern. Daraus wurde abgeleitet, dass eine Nutzung von Traktionsexperimenten zulässig ist um die Grenzschubspannung zu ermitteln. Aus den Messwerten wird eine Druckabhängigkeit der Grenzschubspannung abstrahiert und diskutiert. Weiterhin wird diese Relation in einer Berechungsroutine umgesetzt. Die Temperaturabhängigkeit der Grenzschubspannung wird mittels Massentemperaturmessungen und flächigen Thermografiemessungen untersucht. Es kann eine kleine Temperaturabhängigkeit der Grenzschubspannung ermittelt werden. Durch die Thermografiemessungen zeigen sich jedoch die Einflüsse auf Viskosität dominant. Durch die Kenntnis der lokalen Temperaturen kann eine schnelle Berechnungsroutine entwickelt werden, die es ermöglicht zeitsparend mit den vorliegenden Temperaturen zu rechnen. Weiterhin wurden weiter Viskositätsmodelle rechnerisch betrachtet und stützen die Beobachtung, dass die maximal Schubspannung im Kontakt vornehmlich durch das Viskositäts Temperatur Verhalten begrenzt werden, die Grenzschubspannung aber davon unberührt bleibt. Diese Arbeit bildet einen Beitrag bei der Beantwortung der Frage wie sich das Fluid im EHD Kontakt verhält, sie zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Grenzschubspannung und entwickelt eine einfache Berechnungsvorschrift zur überschlägigen Traktionsberechnung weiter.