Ball reducer with waved grooves has many advantages over other reducers for the high-reduction ratios, low noise and low energy loss, etc. The mechanism of force transmission is very similar to that of cam and follower in automobile valve train system especially in the contact geometry. In this study, we have investigated the traces of contact between ball and outer race and the working behaviors with a certain reduction ratio. In order to verify the contact behaviors between ball and outer race, which determines the critical endurance life the contact velocity and load are computed for a cycle. During some period of a cycle, the contact velocity reverses its direction very suddenly, which causes undesirable endurance performance of this machinery. From the computational investigation in this work, we hope to predict similar contact damages in other machinery due to this kind of contact behaviors, which is very common in many contact phenomena.
The capacitance technique was used to measure the minimum oil film thickness in engine bearing and the central oil film thickness between cam and tappet. This method is based on the measurement of total capacitance of oil film. For the measurement of the oil film thickness between cam and tappet, two surfaces were assumed to be flat and parallel within the Hertzian region and all the measured capacitance originated from this region. Shear rates from the measured minimum oil film thickness are over 10$^{6}$ sec$^{-1}$ in the greater part in both two cases. The minimum oil film thickness in engine bearing is larger than the surface roughness. Between cam and tappet it is mostly smaller than the surface roughness. In spite of the awkward restriction of the reliability of measured oil film thickness, it was known that the capacitance technique makes it possible to measure the oil film thickness in elastohydrodynamic and mixed lubrication regimes as well as in hydrodynamic regime. Therefore, it is also possible to classify the lubrication regimes based on the oil film thickness.
The role of viscosity index improver's(Ⅶ) additives for modem engine lubrication is complex. Under the condition of atmosphere or low shear rate, the characteristics of Ⅶ added lubricant is verified and quoted frequently for mathematical model of lubricant behavior. However, recent research shows that added lubricant has the characteristics of shear thinning at high shear rate condition although it performs well enough over the whole range of working temperature. At high shear rate, they show significant decrease of apparent viscosity irrespective of temperature. Many experimental researches verify that Ⅶ added lubricant shows boundary film layer formation on the solid surface as well as shear thinning effect by its polymeric molecular characteristics. The intend of our research is to verify the effects of Ⅶ from the viewpoint of continuum mechanics, because conventional Reynolds'equation with only pressure-viscosity relation cannot fully predict the lubricant behavior under the Ⅶ added condition. In these aspects, Reynolds'equation of Newtonian fluid model lacks the reflection of real fluid behavior and there is no way to explain the non-linear characteristics of Ⅶ added lubricant. In this research, we mathematically modeled the Ⅶ added lubricant behaviors which are the characteristics of non-Newtonian fluid behavior at high shear rate and boundary film formation on the solid surface. The consideration of elastic deformation in the contact region is also included in our computation and finally the converged film pressure and the film thickness with elastic deformation are obtained. The results are compared with those of Newtonian fluid model.
In this paper, the minimum oil film thickness and the maximum oil film pressure of engine bearings have been analyzed by using the elastohydrodynamic theory and Taguchi's design method as functions of the oil groove width, oil hole diameter, oil hole position, and oil supply pressure. The optimized design of the engine bearing f3r an automotive Diesel engine is very important for supporting a load-carrying capacity due to gas pres-sures from the engine combustion chamber and inertia forces of the piston. The optimized design data of engine bearings indicated that the optimized oil groove width and an oil diameter of a engine bearing are 8mm at the speed of 2,000 rpm for a given 4-cylinder Diesel engine. Thus, the oil groove oil groove and an oil hole for high performances of an engine bearing may be considered as major design parameters compared to other design factors, which are strongly related to the minimum oil film thickness and the maximum oil pressure distribution of the engine oil.
In this study, we perform a numerical analysis to predict the film thickness and lubrication regions for a thrust ball bearing under different operating conditions. Film thinning and replenishment affect the film thickness in starved lubrication. As the inlet meniscus position is brought to the edge of the Hertz contact, the thin film thickness is calculated as starved equation. We use a film replenishment model to determine the recovery film thickness between rolling elements. We use a hydrodynamic model to describe film recovery, that results from the effects of surface tension. In this model, we consider the surface tension gradient in fluid depression as the driving force for fluid recovery. We use Fourier transform method to determine the time-dependent depth of depressed oil. We calculate the change in the central film thickness graphically by using the recovery equation in starved elastohydrodynamic lubrication(EHL) under operating conditions that include numbers of balls, sliding velocity, applied force, and ambient film thickness. We evaluate the degree of starvation by using the distance from the center of the contact area to the meniscus position. Parched lubrication, a phenomenon where the film thickness decreases consistently, occurs at the severe condition. We determine optimal values with respect to the numbers of balls, and sliding velocity. The investigation can contribute to the design operating conditions for proper lubrication.
본 논문은 엔진 베어링에서 크랭크샤프트의 경사도를 고려했을 때와 고려하지 않았을 때 유막 동적거동을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 해석하였다. 본 해석은 탄성유체윤활 이론을 바탕으로 하여 최소유막의 동적특성을 수치적으로 해석하였다. 유막설계에 매우 중요한 인자인 크랭크샤프트 경사도를 고려하기 위하여 크랭크샤프트와 엔진베어링을 탄성체로 모델링 하였다. 유막거동해석을 위한 경계조건으로는 엔진 베어링에서 발생하는 비선형 구속력과 굽힘 모멘트를 고려하였고 이에 따른 크랭크샤프트의 경사도 영향을 고려함으로써 좀 더 실제 현상과 유사한 모델링을 수행하였다. 해석결과 엔진 베어링의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 최소유막두께가 크랭크샤프트의 경사도를 고려하지 않았을 때보다 고려하였을 때 16%에서 24%정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 해석결과에서와 같이 크랭크샤프트 경사도 증가는 최소유막두께의 감소를 유발하고 이에 따른 베어링 파손을 예측할 수 있었다. 따라서 본 논문의 해석결과가 자동차 엔진 베어링 설계 시 매우 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.
The measurement of ultra low aspect ratio fluid film thickness is very crucial technique both for the verification of lubrication media characteristics and for the clearance design in many precision components such as MEMS, precision bearings and other slideways. Many technologies are applied to the measurement of ultra low aspect ratio fluid film thickness (i.e. elastohydrodynamic lubrication film thickness). In particular, in-situ optical interferometric method has many advantages in making the actual contact behaviors realized with the experimental apparatus. This measurement method also does the monitoring of the surface defects and fractures happening during the contact behavior, which are delicately influenced by the surface conditions such as load, velocity, lubricant media as well as surface roughness. Careful selection of incident lights greatly enhances the fringe resolutions up to $\~1.0$ nanometer scale with digital image processing technology. In this work, it is found that coaxial aligning trichromatic incident light filtering system developed by the author can provide much finer resolution of ultra low aspect ratio fluid film thickness than monochromatic or dichromatic incident lights, because it has much more spectrums of color components to be discriminated according the variations of film thickness. For the measured interferometric images of ultra low aspect ratio fluid film thickness it is shown how the film thickness is finely digitalized and measured in nanometer scale with digital image processing technology and space layer method. The developed measurement system can make it possible to visualize the contact deformations and possible fractures of contacting surface under the repeated loading condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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