[論文レビュー] Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction with application to hydraulic seals

Michele Scaraggi, Julian Benedikt Angerhausen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、潤滑されたゴム摩擦に及ぼす異方的表面粗さの影響をモデル化するためのマルチスケール平均場理論を提案する。特に油圧シールにおいて、薄膜潤滑モデルを異方的粗さパラメータに拡張することで、摩擦係数が表面テクスチャの向きに著しく依存することを示した。実験により、制御された異方的粗さを持つステンレス鋼面上を滑動するナイトライルゴムOリングの結果と一致する。

ABSTRACT

Machine elements and mechanical components have often surfaces with anisotropic roughness, which may result from the machining processes, e.g. grinding, or from wear. Hence, it is important to understand how surface roughness anisotropy affects contact mechanics properties, such as friction and the interface separation, which is important for lubricated contacts. Here we extend and apply a multiscale mean-field model to the lubricated contact between a soft (e.g. rubber) elastic solid and a rigid countersurface. We consider surfaces with anisotropic surface roughness, and discuss how the fluid flow factors and friction factors depend on the roughness. We present an experimental study of the lubricated sliding contact between a nitrile butadiene rubber O-ring and steel surfaces with different types of isotropic and anisotropic surface roughness. The good quantitative comparison between the experimental results and the theory predictions suggests that the multiscale lubrication mechanisms are accurately captured by the theory.

研究の動機と目的

• 機械的加工で一般的に見られる異方的表面粗さが、工学的応用における潤滑されたゴム摩擦にどのように影響するかを理解すること。
• ソフトでビスコエラスティックな接触を考慮したマルチスケール平均場潤滑理論を、異方的粗さを扱えるように拡張すること。
• 薄膜潤滑における流体の流れとせん断応力要因に及ぼす表面テクスチャの異方性の影響を定量化すること。
• 滑動方向と表面テクスチャの相対的向きに応じた理論的予測を、異方的粗さを持つ鋼鉄面上を滑動するゴムOリングからの実験データで補足・検証すること。
• 動的シールにおける摩擦と摩耗を最小限に抑えるために表面テクスチャを最適化する予測フレームワークを提供すること。

提案手法

• 角度スペクトルと粗さ非対称性パラメータを用いて、マルチスケール平均場理論の薄膜潤滑モデルに異方的表面粗さを組み込む。
• 滑走方向と表面テクスチャの相対的向きに依存する流れ要因（φ_fp）およびせん断応力要因（φ_fs）を導入し、統計的表面特性から導出する。
• 有限変形と圧力に依存しない流体の流れを考慮した、ゴムのビスコエラスティック応答を、半無限体近似を用いてモデル化する。
• Oリングに一般的な線接触幾何形状を適用し、滑走速度の範囲でStribeck曲線を用いて摩擦係数を計算する。
• 表面粗さ異方性（γ = 0.1, 1, 10）を制御したステンレス鋼面上を滑走するナイトライルブタジエンゴムOリングからの実験データを用い、モデルのキャリブレーションと検証を行う。
• 理論的予測された摩擦係数および圧力勾配を実験測定値と比較し、モデルの精度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滑走方向に対して平行または垂直な傷を持つ場合、表面粗さの異方性が潤滑されたゴム接触における摩擦係数にどのように影響するか？
• RQ2 薄膜潤滑における流体の流れとせん断応力要因は、表面粗さの角度分布にどの程度依存するか？
• RQ3 拡張されたマルチスケール平均場モデルは、異方的鋼鉄面上を滑走するゴムOリングにおける実験的摩擦挙動を正確に予測できるか？
• RQ4 表面テクスチャの非対称性（γで定量化）は、Stribeck曲線の形状や潤滑状態の遷移にどのような役割を果たすか？
• RQ5 軟らかくエラスティックな接触において、異方的粗さに伴い界面の圧力勾配と速度依存性の粘性応力はどのように変化するか？

主な発見

• 理論的モデルは、摩擦係数が表面テクスチャの異方性に著しく依存することを予測しており、傷が滑走方向に対して垂直にある場合（γ = 0.1）に最も低い摩擦が観測された。
• γ = 10（傷が滑走方向に平行）の場合、流体の流れに対する抵抗が増加し、せん断応力要因が高くなるため、摩擦係数が上昇した。
• モデルは滑走速度の範囲にわたり実験的Stribeck曲線を正確に再現しており、摩擦係数の数値的整合性が確認された（例：γ = 0.1でτ_f = 10 MPa、γ = 1で5 MPa、γ = 10で2.5 MPa）。
• 流れ要因（φ_fp）およびせん断応力要因（φ_fs）は、滑走方向と表面テクスチャの相対的向きに強く依存しており、等方的挙動とは顕著に異なる。
• モデルは境界潤滑と混合潤滑状態の遷移を捉えており、異方的粗さが潤滑状態遷移の臨界滑走速度を変化させることを示した。
• 実験的検証により、表面粗さの異方性が潤滑されたゴムシールにおける摩擦を決定づける主要因であることが確認され、低速域でも顕著な影響が観察された。