De slijtage en de slijtagesnelheid van koppelingsmaterialen is onderzocht op volle schaal (SAE#II proefstand) en op kleine schaal (pin op schijf proef

Transcriptie

1 Samenvatting Oliegesmeerde lamellenkoppelingen vinden hun toepassing in automatische transmissies en in de aandrijflijn van voertuigen, waar zij verschillende functies kunnen vervullen. In dit werk wordt het wrijvingsen slijtage gedrag onderzocht van één bepaalde materiaalcombinatie van schakelkoppelingen, die zorgen voor het inschakelen van de correcte overbrengingsverhouding van automatische transmissie. Deze materialen zijn onderhevig aan verschillende falingsmechanismen, die in vier categorieën kunnen gegroepeerd worden: chemische aantasting, mechanisch bezwijken, thermische veroudering en degradatie van het wrijvingsgedrag. Het falen van de koppelingen kan door de gebruiker van het voertuig waarin de transmissie ingebouwd is, enkel worden waargenomen tijdens het schakelen. Tijdens het schakelen wordt het koppel van de motor immers volledig overgedragen worden door wrijving in de koppelingen. Trillingen die optreden in de koppelingen kunnen hierbij doorheen de aandrijflijn worden verdergezet en zullen zo voelbaar worden voor de gebruiker. Het schakelgedrag van de transmissie is dan ook één van de grote bekommernissen van de ontwerper van de transmissie. De ontwerper is natuurlijk ook bekommerd om de levensduur van de koppelingen. Zowel de graduele achteruitgang van het wrijvingsgedrag als de slijtage van de materialen van de koppelingen kunnen dominerend zijn voor de bepaling van de levensduur. Slijtage is niet te vermijden bij deze koppelingen, aangezien zij voornamelijk functioneren in grenssmering, waarbij de normaalbelasting op de oppervlakken overgebracht wordt door contact tussen de ruwheidspieken van de wrijvingsplaten (stalen lamellen bekleed met wrijvingsmateriaal) en separatorplaten (stalen lamellen). Oliegesmeerde koppelingen dienen in grenssmering te functioneren omdat de wrijving in grenssmering hoger is dan bij hydrodynamische- of gemengde smering. De doelstelling van dit werk is tweevoudig. Ten eerste zal onderzocht worden of het slijtage- en wrijvingsgedrag van materialen voor koppelingen kan gesimuleerd worden met een kleinschalige opstelling. Een tweede doelstelling is het onderzoek naar het optreden van trillingen in koppelingen en hoe ze kunnen vermeden worden. Voor deze beide doelstellingen zal gebruik gemaakt worden van één commercieel beschikbare materiaalcombinatie (separator platen, frictiemateriaal en olie). XIX

2 De slijtage en de slijtagesnelheid van koppelingsmaterialen is onderzocht op volle schaal (SAE#II proefstand) en op kleine schaal (pin op schijf proefstand). Bij de SAE#II test wordt de te testen koppeling gebruikt als rem om een vliegwiel te vertragen vanaf een vooraf ingestelde snelheid tot stilstand. Bij de pin op schijf proefstand wordt een deel van een wrijvingslamel tegen een roterende separatorplaat gedrukt en wordt de snelheid van de separatorplaat cyclisch gevarieerd. Bij de SAE#II testen werd aangetoond dat slijtage vooral optreedt tijdens het inlopen van de oppervlakken. Zowel de initiële ruwheid van de separatorplaten als hun maximum temperatuur tijdens de test hebben een belangrijke invloed op de slijtage van het wrijvingsmateriaal. Voor de pin op schijf proefstand werd een constante slijtagesnelheid waargenomen. Er werd een goede correlatie gevonden tussen de initiële ruwheid van de separatorplaat en de gemeten slijtagesnelheid. Niettemin lag de waargenomen slijtagesnelheid bij deze kleinschalige testen een orde van grootte lager dan de slijtagesnelheid gemeten bij de grootschalige SAE#II proeven. Voor beide testen evolueert de ruwheid van de separatorplaat naar een stabiele waarde. Tijdens de SAE#II testen zakt de ruwheid van een hoge initiële waarde (sommige gemeten waarden bedroegen tot R a =0.6µm) naar ongeveer R a =0.09µm. De ruwheidswaarde gedurende de pin op schijf proeven evolueerde naar R a =0.12µm: zones op de separatorplaat met een hoge ruwheid vertoonden een afname, terwijl zones met een lage ruwheid een toename vertoonden. In tegenspraak met de in de literatuur beschikbare gegevens werd echter voor de hoge ruwheidswaarden van sommige separatorplaten bij de SAE#II testen geen catastrofale slijtage vastgesteld. Voor de pin op schijf testopstelling werd vastgesteld dat de verdeling van de slijtage over het monster van de wrijvingsplaat te wijten is aan de initiële dikteverschillen van dit monster. Zones van het wrijvingsmonster met de grootste initiële dikte vertoonden de hoogste slijtage. De productiewijze van de wrijvingsmonsters (het groevenpatroon had een oriëntatie van ofwel 0 ofwel 45 t.o.v. de wrijvingsrichting) had geen invloed op de slijtagesnelheid. Gebruikmakend van de pin op schijf opstelling werd een verkennend onderzoek van de parameterinvloeden voor de slijtagesnelheid uitgevoerd. Een verhoging van de contactdruk had een verhoging van de slijtagesnelheid tot gevolg, alhoewel de oliedegradatie bij deze proef een storende invloed was. Een verhoging van de hardheid van de separatorplaat leidde tot een verhoging van de slijtagesnelheid, terwijl een (matige) degradatie van het frictiemateriaal geen invloed had op de slijtagesnelheid. XX

3 Tevens werd een vergelijking gemaakt van de wrijvingskarakteristieken opgemeten op de kleinschalige- en de grootschalige opstelling. Voor beide opstellingen werd een stijging van de wrijvingscoëfficiënt vastgesteld gedurende de inloopperiode. Na deze inloopperiode verminderde de wrijvingscoëfficiënt lichtjes in functie van de tijd bij de SAE#II testen, terwijl hij bij de pin op schijf testen constant bleef gedurende het verdere verloop van de test. Bij beide opstellingen werd vastgesteld dat de wrijving afneemt bij toenemende relatieve snelheid. Bij de SAE#II testen kan dit echter ook het gevolg zijn van het feit dat wanneer tijdens een ingrijpingscyclus de relatieve snelheid daalt, de temperatuur en de contactdruk stijgen. De pin op schijf testen toonden aan dat ook wanneer de temperatuur en de contactdruk constant zijn, de wrijvingscoëfficiënt afneemt bij toenemende relatieve snelheid. Bij de pin op schijf testen werd vastgesteld dat een verhoging van de contactdruk een verlaging van de wrijvingscoëfficiënt tot gevolg heeft. De wrijvingscoëfficiënt werd echter niet beïnvloed door de hardheid en de ruwheid van de separatorplaat. Thermische degradatie van het wrijvingsmateriaal had eveneens geen invloed op de wrijvingscoëfficiënt. Wanneer een vergelijking gemaakt wordt van het vastgestelde wrijvingsen slijtagegedrag, wordt duidelijk dat kleinschalige testen onvoldoende accuraat zijn om gebruikt te kunnen worden als simulatie voor de levensduur van materialen voor koppelingen. Er werd vooral een verschillende evolutie van wrijving en de slijtage in functie van de duur van de test vastgesteld op de beide testopstellingen. Tevens werd er een verschillend trillingsgedrag waargenomen op de beide testopstellingen. Bij alle grootschalige SAE#II testen werden koppeltrillingen waargenomen. Eén van de testen werd vroegtijdig gestopt omwille van de intensiteit van de optredende trillingen. Bij geen enkele van de pin op schijf testen werden trillingen vastgesteld. In de literatuur worden voor deze koppeltrillingen twee verschillende mechanismen gesuggereerd, namelijk stickslip en oscillerend glijden. Stickslip wordt veroorzaakt door een verschil tussen de dynamische en de statische wrijvingscoëfficiënt, terwijl oscillerend glijden veroorzaakt wordt door een negatieve helling van de curve van wrijvingscoëfficiënt t.o.v. relatieve snelheid. Voor deze beide mechanismen is bekend dat het optreden van trillingen zowel door de mechanische parameters (vooral demping en stijfheid) als door het wrijvingsgedrag beïnvloed wordt. Niettemin is er naar de invloed van de mechanische parameters op het optreden van trillingen bij oliegesmeerde koppelingen nog maar zeer weinig onderzoek verricht. Daarenboven is in dit onderzoek gebruik gemaakt van zeer eenvoudige wrijvingsmodellen. XXI

4 Het optreden van trillingen werd daarom verder onderzocht op een tweede kleinschalige testopstelling die toeliet om de mechanische parameters te variëren. Er werd vastgesteld dat de optredende trillingen veroorzaakt werden door oscillerende glijding, waarbij de relatieve snelheid momentaan nul wordt, zonder dat daaruit een stickepisode ontstaat. De invloed van de opgelegde snelheid op het optreden van trillingen ondersteunt dit. Trillingen verdwijnen voor lage opgelegde snelheid, terwijl algemeen bekend is dat het verlagen van de opgelegde snelheid stickslip gedrag enkel versterkt. De opgelegde snelheid heeft tevens geen invloed op de frequentie van de vastgestelde trillingen. De frequentie komt overeen met de natuurlijke frequentie van het mechanische systeem. Wat de invloed van de mechanische parameters op het optreden van trillingen betreft, werd vastgesteld dat het verhogen van de demping van de testopstelling ervoor zorgt dat trillingen verdwijnen. De invloed van de normaalbelasting is minder duidelijk, maar als een invloed kon worden vastgesteld, kon er tevens een verband met de vorm van µ(v disk ) worden vastgesteld. Het verhogen van de stijfheid leidde tot een afname van trillingen, zonder dat er een verband met µ(v disk ) kon worden vastgesteld. Als laatste werd het verband tussen de olietemperatuur en het optreden van trillingen onderzocht. Bij verhoogde olietemperatuur werd de amplitude van de trillingen gereduceerd. Dit was gekoppeld aan een verschuiving van de µ(v disk ) curve naar hogere opgelegde snelheden, wat met de verwachting van de Stribeck curve overeenkomt. Deze resultaten ondersteunen de hypothese dat het optreden van koppeltrillingen beïnvloed wordt door de mechanische parameters (vooral demping en stijfheid) van de testopstelling. Zij hebben tevens een aantal implicaties wat betreft de wijze waarop de wrijvingskracht dient te worden gemodelleerd om oscillerend glijden te kunnen voorspellen. Een lineair verband van µ(v rel ) zou inhouden dat de oscillatieamplitude exponentieel toeneemt met de tijd, als de helling van µ(v rel ) voldoende negatief is. Er werd aangetoond dat dit voor een voldoend grote oscillatieamplitude (v rel,min =0) een tekenomkering van de wrijvingskracht zou inhouden. Hierdoor kan de oscillatieamplitude niet verder groeien en ontstaat er een stabiele limietcyclus met v rel,min =0. Dit gaat echter in tegen de experimentele resultaten. Er werden immers ook oscillaties vastgesteld met een amplitude waarbij v rel,min >0. Een niet lineair wrijvingsmodel zou stabiele oscillaties kunnen veroorzaken met v rel,min >0. Eenmaal de oscillatieamplitude voldoende groot is, kunnen de nietlineaire termen van µ(v rel ) de verdere toename van de oscillatieamplitude verhinderen, waardoor een stabiele limietcyclus ontstaat. De helling van µ(v rel ) rond v rel =v disk moet echter voldoende negatief zijn opdat oscillaties zouden kunnen ontstaan. De experimentele resultaten tonen echter aan dat dit niet voor alle XXII

5 waarden van de opgelegde snelheid het geval is, terwijl toch oscillaties konden worden waargenomen. Daarom moet er een dynamisch element toegevoegd worden aan de niet-lineaire relatie µ(v rel ). Dit dynamisch element is noodzakelijk om oscillaties te veroorzaken wanneer de helling van µ(v rel ) onvoldoende negatief is. Gebaseerd op experimentele resultaten werd een dynamisch element voorgesteld. De overeenkomst tussen het voorgestelde wrijvingsmodel en de experimentele resultaten is echter onvoldoende nauwkeurig. Dit maakt echter niet per se het voorgestelde model ongeldig, omdat voor het bepalen van de modelparameters gebruik werd gemaakt van een asymptotische methode om een benaderende oplossing van de niet-lineaire differentiaalvergelijking (dynamisch wrijvingsmodel gecombineerd met het mechanische model van de proefstand) te bekomen. Verder onderzoek naar het tribologische gedrag van materialen voor oliegesmeerde lamellenkoppelingen is nog steeds noodzakelijk. Ten eerste is nog onduidelijk welke fysische mechanismen ten grondslag liggen aan het waargenomen wrijvingsen slijtagegedrag. Verder onderzoek van het slijtagemechanisme zou het waargenomen verschil in slijtagesnelheid tussen de pin op schijf en de SAE#II testopstelling kunnen verklaren. Dit zou een bijdrage kunnen leveren aan het verlagen van de slijtagesnelheid van de wrijvingmaterialen voor oliegesmeerde koppelingen. Ten tweede dienen in verder onderzoek een aantal extra parameters te worden betrokken. De invloed van variaties van de contactdruk en de relatieve snelheid op het optreden van koppeltrillingen zou nog verder onderzocht moeten worden. Tevens werd een invloed vastgesteld van de olietemperatuur op de waargenomen oscillaties. Het staat vast dat de viscositeit hierin een belangrijke bijdrage levert, maar ook de activatie van de verschillende olieadditieven zou hierin een rol kunnen vervullen. Ten derde bestaan er tot dusver slechts zeer algemene ontwerpregels voor oliegesmeerde lamellenkoppelingen. Verder onderzoek zou zich dus ook moeten toespitsen op het vertalen van de bestaande kennis van het tribologisch gedrag van wrijvingsmaterialen naar de toepassing in koppelingen. XXIII