Wat Is Tribologie, deel 2: Een diepgaande kijk op smering

Smering speelt een grote rol in de klassieke tribologie. Het beschermt niet alleen tegen corrosie, maar helpt ook de temperatuur in toepassingen te beheersen en biedt uitstekende afdichtingsmogelijkheden die apparatuur beschermen tegen beschadiging. Het belangrijkste is dat smeermiddelen aanzienlijke kostenbesparingen opleveren. Door slijtage en wrijving te verminderen, voorkomen of beperken zij oppervlakteschade zoals oppervlaktevermoeidheid, abrasie, adhesie en tribochemische reacties. Smeermiddelen, mits juist gekozen en toegepast, verlengen de levensduur van machines en besparen de eindgebruiker geld.

Smeermiddelen bieden deze bescherming door een film te vormen tussen twee oppervlakken die de wrijving vermindert. Het hoeft niet per se een vloeibaar smeermiddel te zijn. Smeermiddelen kunnen een vaste, droge verbinding zijn, een vloeistof zoals olie maar ook water, een halfvaste stof zoals vet, of zelfs kunststoffen en siliconen.

In deze driedelige serie bekijken we drie onderdelen van tribologie en de toepassing van tribologie in de mechanica:

• Deel 1: ​Tribologie en tribosystemen
• Deel 2: Een diepgaande kijk op smering
• Deel 3: Normen, tests en classificaties in de tribologie

De functie van smeermiddelen in de tribologie

Tot aan het begin van de 20e eeuw werd voor smering voornamelijk gebruik gemaakt van minerale oliën, plantaardige oliën en dierlijke oliën. Sindsdien heeft de industrie enorme stappen gezet in de richting van een uitgebreide selectie van verschillende smeermiddelen, terwijl ook de technologie met betrekking tot deze smeermiddelen aanzienlijk is veranderd.

De Stribeck curve

De Stribeck-curve laat zien hoe de wrijving (μ) verandert met toenemende snelheid (m/s). Aan de hand hiervan kunnen wij drie verschillende smeringsregimes vaststellen:

• Grenssmering (Afbeelding 2 met opschrift A): Er is direct contact tussen vaste oppervlakken, belastingen worden hoofdzakelijk gedragen door oppervlakte-asperiteiten, er is een hoge mate van wrijving aanwezig.
• Gemengde smering (Afbeelding 2 met label B): Er is enig contact tussen de asperiteiten, hierbij wordt de belasting gedragen door zowel de asperiteiten als het smeermiddel.
• Volle filmsmering (Afbeelding 2 met label C): Zeer weinig tot geen contact tussen de asperiteiten, de belasting wordt ondersteund door hydrodynamische druk.

Grenssmering

Eenvoudig gezegd is grenssmering de smering van oppervlakken door zeer dunne vloeistoffilms, zodanig dat de wrijvingscoëfficiënten worden beïnvloed door zowel het type smeermiddel als de oppervlakte-eigenschappen. Bij hoge belasting en lage snelheid wordt grenssmering typisch toegepast bij lagers, tandwielen, zuigerveren, pompen en transmissies. Dit resulteert in een dunne film met een dikte variërend van één tot enkele tientallen nanometers tussen de rollende en schuivende lichamen.

De tribologie beschouwt grenssmering als een cruciaal, aangezien de wrijving tijdens dit proces het grootst is. Smeermiddelen met de juiste viscositeit kunnen grenssmering helpen voorkomen. Wanneer het smeermiddel te weinig viscositeit heeft, zal het de materialen niet uit elkaar kunnen houden, met hoge wrijving en slijtage tot gevolg. Het gebruik van een smeermiddel met een te hoge viscositeit daarentegen zal de wrijving verhogen, de temperaturen zullen stijgen en olielagen zullen langs elkaar glijden als gevolg van viscositeitsverlies.

Ondanks dat, heeft grenssmering zeker zijn plaats. Het speelt een belangrijke rol bij het minimaliseren van chemische en adhesie slijtage. Grenssmering wordt ook vaak gebruikt bij lage snelheden en als de kosten laag moeten zijn, zoals bij deurscharnieren.

Gemengde smering

Gemengde smering wordt vaak gezien als een tussenstadium tussen grenssmering en filmsmering (elastohydrodynamisch of hydrodynamisch). Bij grenssmering neemt de wrijvingscoëfficiënt drastisch af zodra de glijsnelheid toeneemt. Hierdoor vermindert de hoeveelheid contact tussen de glijdende oppervlakken en daalt de wrijving tot een punt dat bekend staat als mengsmering.

Zoals de naam al aangeeft, is er bij metaal op metaal nog steeds sprake van abrasieve belasting tijdens mengsmering, terwijl er ook enige belasting op het smeermiddel optreedt. Naarmate de dikte van de smeerfilm toeneemt, gaat het regime in de richting van elastohydrodynamische of hydrodynamische smering, ook bekend als filmsmering.

Filmsmering

Filmsmering bestaat uit twee verschillende soorten smeringsregimes, hetzij hydrodynamische smering, hetzij elastohydrodynamische smering.

Hydrodynamische smering:

Dit regime treedt op wanneer een speling wordt gecreëerd en ondersteund door een smeerlfilm, bijvoorbeeld tussen een draaiende as en een lager. Tijdens de werking zal de olie de as van het lageroppervlak tillen, waardoor er weinig kans op slijtage is. Hydrodynamische smering kan worden vergeleken met aquaplaning in een auto. Een medium met een lage viscositeit, in dit geval water, draagt het volle gewicht van een auto als gevolg van de snelheid waarmee de auto rijdt.

Wil hydrodynamische smering volledig succesvol zijn, dan moeten de glijdende delen geometrisch gelijk zijn, en moet er een lage contactdruk tussen de oppervlakken worden gehandhaafd. De enige noemenswaardige wrijving die bij hydrodynamische smering optreedt, komt van de wrijving in de olie zelf. Dit regime vereist echter wel dat de viscositeit van de olie in alle bedrijfsomstandigheden een hydrodynamische toestand kan handhaven. Als de spelingen te veel worden verkleind, bijvoorbeeld bij het overschakelen van een hoge snelheid en hoge belasting naar een lage snelheid en hoge belasting, kunnen de glijdende materialen elkaar raken, wat wrijving en slijtage veroorzaakt.

Elastohydrodynamische smering

Elastohydrodynamische smering (EHL) werkt in grote lijnen op dezelfde manier als hydrodynamische smering. Bij EHL staat de film echter onder extreme druk, waardoor de contra rollende oppervlakken elastisch vervormen. Oppervlakken vervormen met een snelheid die vergelijkbaar is met de dikte van de film die hen scheidt, gemeten in micrometers.

De ontdekking van elastohydrodynamische smering betekende een belangrijke mijlpaal in zowel de tribologie als het ontwerp en de prestaties van machine-elementen. Dit regime wordt vaak toegepast op mechanische elementen zoals kogellagers, tandwielen en nokkenassen. Elastohydrodynamische smering wordt beschouwd als een verbetering van hydrodynamische smering door de elastische vervorming van het oppervlak en de toename van de viscositeit van het smeermiddel ten gevolge van hoge druk.

In deze driedelige serie bekijken we de basis van tribologie en de toepassing van tribologie in de mechanica.

• Deel 1: ​Tribologie en tribosystemen
• Deel 2: Een diepgaande kijk op smering
• Deel 3: Normen, tests en classificaties in de tribologie