Herein, we present a numerical investigation of wear analysis of sliding systems with a constant speed subjected to Archard's wear law. For this investigation, we compared two methods: eigen-wear analysis and adaptive meshing technique. The eigen-wear analysis is advantageous to predict the evolution of contact pressure due to wear using the initial contact pressure and contact stiffness. The adaptive meshing technique in finite element analysis is employed to obtain transient wear behavior, which needs significant computational resources. From the eigen-wear analysis, we can determine the appropriate element size required for finite element analysis and the time increment required for wear evolution by a dimensionless variable above a certain value. Since the prediction of wear depends on the maximum contact pressure, the finite element model should have a reasonable representation of the maximum contact pressure. The maximum contact pressure and wear amount according to this dimensionless variable shows that the number of fine meshes in the contact area contributes more to the accuracy of the wear analysis, and the time increment is less sensitive when the number of contact nodes is significantly larger. The results derived from a two-dimensional wear model can be applied to a three-dimensional wear model.
When two layers of carbon nanotube (CNT) arrays are loaded to mate, the free ends of individual CNTs come into contact at the interface of the two layers. This leads to a higher contact resistance due to a smaller contact region. However, when the free CNT ends of one array penetrate into the mating array, the contact region increases, effectively lowering the contact resistance. To explore the penetration of mating CNTs, we perform molecular dynamic simulations of a simple unit cell model, incorporating four CNTs in the lower array layer coupled with a single moving CNT on the upper layer. The interaction with neighboring CNTs is modelled by long-range carbon bond order potential (LCBOP I). The model structure is optimized by energy minimization through the conjugate gradient method. A NVT ensemble is used for maintain a room temperature during simulation. The time integration is performed through the velocity-Verlet algorithm. A significant vibrational motion of CNTs is captured when penetration is not available, resulting in a specific vibration mode with a high frequency. Due to this vibrational behavior, the random behaviors of CNT motion for predicting the penetration are confirmed under the specific gap distances between CNTs. Thus, the probability of penetration is examined according to the gap distance between CNTs in the lower array and the aspect ratio of CNTs. The penetration is significantly affected by the vibration mode due to the van der Waals forces between CNTs.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2001.06a
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pp.55-63
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2001
Friction and wear properties of brake friction materials containing different metal fibers (Al, Cu or Steel fibers) were investigated using a pad-on-disk type friction tester. Two different materials(gray iron and Al-MMC)) were used for disks rubbing against the friction materials. Results from ambient temperature tests revealed that the friction material containing Cu fibers sliding against cast iron disk showed a distinct negative ${\mu}$-ν (friction coefficient vs. sliding velocity) relation implying possible stick-slip generation at low speed. The negative ${\mu}$-ν relation was not observed when the Cu-containing friction materials were rubbed against the. Al-MMC counter surface. As applied loads increased, friction materials showed higher friction coefficients comparatively. Friction materials slid against cast iron disks exhibited higher friction coefficients than Al-MMC disks during high temperature tests. On the other hand, high temperature test results suggested that copper fibers in the friction material improved fade resistance and the steel fibers were not compatible with Al-MMC disks showing severe material transfer and erratic friction behavior during sliding at elevated temperatures.
The wear behavior of alumina short fiber reinforced tin-bronze matrix composites was studied at the room temperature and an elevated temperature. The effect of the composition of specimens and the variation of wear conditions on the wear properties was examined by a pin-on-disc type wear testing machine. The wear mechanism according to the compositon of specimens at various wear conditions was discussed by the observation of the microstructure and the analysis of the composition on the worn surfaces. A thicker oxide layer on worn surfaces led to a lower wear loss because of the lubricating effect of oxide layers between pin and disc. As the testing temperature was raised to 350$^{\circ}$C, the fiber reinforced composites exibited markedly increased wear resistance even at a higher applied load since the reinforcement of composites with alumina fibers was not affected to a large extent by raising temperature. The results obtained by AES and EDS analysis indicated that the oxide layer of the worn surfaces formed at 350$^{\circ}$C was proved as Fe-oxide. This was explained by the faster formation of Fe-oxide than Cu-oxide at 350$^{\circ}$C.
The electrorheological (ER) behavior of suspensions in silicone oil of silica gel powder (average particle size 49 $\mu$m) absorbed water was investigated at room temperature with electric fields up to 2.4 KV/mm. In this paper, for development of succcessful ER fluids used for wide temperature range later, we would like to know a fundamental understanding of water on ER effect. As a first step, the ER fluids involving water activated silica gel were measured not only the electrical characteristics such as dielectric constant, current density and electrical conductivity but also the rheological properties on the strength of electric field, the quantity of dispersed phase and absorbed water. From the experimental results that water absorbed to the particles directly affects to the surface charge density of electric double layer model proposed by Schwarz and makes dielectric constant and current density of ER fluids increase. The current density and dynamic yield stress $($\tau$_y)$ of water activated silica gel suspensions was in exponential proportion to the strength of electric field, the quantity of dispersed phase and absorbed water. And the optimum water quantity and weight concentration of silica gel for electrorheological effect were 4-5 wt% and 15 wt%, respectively.
Tribological behavior of novolac resin-based friction materials with three different relative amounts of graphite and zirconium silicate was investigated by using a pad-on-disk type friction tester. The goal of this paper is to examine the effects of the relative amount of a lubricant and an abrasive in the automotive friction material on friction and wear characteristics at elevated temperature. Friction and wear of friction materials were affected by the existence of transfer film(3$\^$rd/ body layer) at friction interface and the composition of friction material, especially lubricant amount. The friction material with higher content of graphite indicated homogenized and durable transfer film, and resulted in stable friction coefficient regardless of the increase in friction heat. The experimental result also showed that the higher concentration of ZrSiO$_4$ in friction material aggravated friction stability and wear resistance due to the higher friction heat generated at fiction interface during high temperature friction test.
Iqbal, K. Y. Mohd;Segu, D. Z.;Pyung, H.;Kim, J. H.;Kim, S. S.
Tribology and Lubricants
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v.31
no.6
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pp.287-293
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2015
Laser surface texturing (LST), a surface engineering modification, has been considered as one of the new processes used to improve tribological characteristics of materials by creating artificially patterned microstructure on the contact surface of mechanical components. In LST technology, the laser is optimized to obtain or manufacture the dimples with maximum precision. The micro-dimples reduce the coefficients of friction and also improve the wear resistance of materials. This study investigates the effect of dimple density is investigated. For this purpose, a ball-on-disc type tester is used with AISI 52100 bearing steel as the test material. Discs are textured with a 5% and 10% dimple density. Experimental work is performed with normal loads of 5 N, 10 N, and 15 N under a fixed speed of 150 rpm at room temperature. The effect of the textured surface is compared to that of the untextured one. Experimental results show that the textured surface yields lower friction coefficients compared to those of untextured surfaces. Specifically, the 10% dimple density textured surface shows better friction reduction behavior than the 5% dimple density textured sample, and has an 18% improvement in friction reduction compared with the untextured samples. Microscopic observation using a scanning electron microscope (SEM) shows that the major friction mechanisms of the AISI 52100 bearing steel are adhesion, plastic deformation, and ploughing.
Kim, Dae-Hyun;Hahn, Jun-Hee;Song, Jae-Yong;Ahn, Hyo-Sok
Tribology and Lubricants
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v.27
no.6
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pp.344-350
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2011
Friction and wear behavior of tungsten oxide nanorods (TONs) was investigated using friction force microscopy(FFM) employing colloidal probes instead of conventional sharp tips. Vertically well-ordered TONs with 40 nm diameter, 130 nm length and 100 nm pitch width were synthesized on an anodic aluminium oxide substrate using two step electrochemical anodizing processes. The colloidal probe (diameter 20 ${\mu}m$) attached at the free end of tipless cantilever was oscillated(scanned) against a stationary surface of vertically aligned TONs with various scan speeds (1.2 ${\mu}m/s$, 3.0 ${\mu}m/s$ and 6.0 ${\mu}m/s$) and sliding cycles (100, 200 and 400) under normal load of 800 nN. The friction force and wear depth decreased with the increase of the scan speed. Plastically deformed thin layers were formed and sparsely deposited on the worn nonorod surface. The lower wear rate of the TONs with the longer oscillating cycles was attributed to the decreased real contact pressure due to the increase of real contact area between the colloidal probe and the TONs.
The basic elements in a rotary-type scroll compressor are two identical spiral scrolls containing refrigerant gas. The pressure variations in the compression pockets of a scroll compressor change the forces acting on the orbiting scroll, and these forces affect the dynamic behavior of the compression mechanism parts. To achieve high efficiency, using a self-sealing mechanism as a tip seal mechanism is very effective. Tip seals, which are placed on top of the scroll wraps, accomplish thrust sealing. This study calculates the friction force between the tip seal and the side plate of a scroll compressor using the numerical model considered in the Reynolds equation. The calculated friction force is verified by an experiment using a pin-on-disk apparatus. A hydraulic servo valve that controls the pressure of the oil hydraulic cylinder applies the normal load for the test, and a DC servo motor controls the sliding velocity of the disk. The friction force and normal load are measured by the force sensors attached to the supporting parts. The results show that the theoretical and experimental results are similar and that the friction is influenced by the viscosity of the oil and the sliding velocity of the scroll.
To interpret the perception that originates from tactile sensibility during people touch and recognize the object surfaces, this study focuses on the development of a friction model that can describe the interaction of a stylus pen sliding over the counter surfaces. In addition, the study includes several other experimental factors such as the pressure, temperature, and topology of surface, which can have an effect on the emotional user experience concerning various surfaces; this research aims to suggest a method to quantitatively evaluate the relation between these experimental parameters and emotional user experience. Accordingly, the objective of research comprises the friction characteristic technology for measurement of fine tribological behavior and a standard to quantify the emotional feedback. Existing panels or input devices that provide interaction feedback about user actions simply operate with a single frequency vibration or sound response. On the contrary, this research investigates various interaction characteristics including friction force, frequency, and surface topology synthetically. Using the developed model, which can explain the relation between the friction parameters and emotional user experience, developers can design their product in order to provide the user with expected emotional sensibility. Consequently, it can contribute to reduce the development cost about sensitivity model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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