Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Gép- és Terméktervezés Tanszék

Témavezető: Dr. Goda Tibor

Gumi-üveg csúszópár anyagi és súrlódási viselkedése

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Napjainkban egyre több kutató érdeklődése fordul a csúszó érintkezéssel kapcsolatos un. tribológiai kutatások felé. A csúszósúrlódásnak kitett szerkezeti elemek kutatása azonban jelentős eltéréseket mutat. Miközben pl. a tömítések vizsgálatával kapcsolatban egyre kifinomultabb modellek és újabbnál újabb kísérleti eredmények látnak napvilágot, addig pl. az ablaktörlő lapát tribológiájával csak az elmúlt néhány évben kezdtek el intenzíven foglalkozni.

Ennek ellenére a szakirodalmi vizsgálatok továbbra sem eredményeztek átfogó képet a működésről és ezzel együtt a további fejlesztések optimális elvégzéséről, mivel a kizárólag próbatest-szintű vizsgálatok nem alkalmasak a szerkezet-szintű jelenségek mindegyikének tanulmányozására.  

 

Munkám során kísérletet teszek egy átfogó vizsgálat lefolytatására, mely kiterjed a gumikra jellemző alakváltozás és az idő- és hőmérsékletfüggő anyagtörvények tanulmányozására, valamint a bennük szereplő paraméterek meghatározására. Vizsgálom az ablaktörlő lapát száraz és nedves csúszását az üveg felületen, valamint kísérletet teszek a két érintkező felület közötti kenésállapot numerikus számítására.

 

 

 

 

 

 

 

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatómunkámat a Gép- és Terméktervezés Tanszéken végzem. A Tanszék a Műszaki Egyetem több karának, valamint a Gépészmérnöki kar valamennyi szakának BSc és MSc képzésében jelentős részt vállal. A közel 70 fős közösség a jelentős oktatási tevékenységen túl a tanszék profiljába tartozó alap- és alkalmazott kutatásokat, valamint kísérleti-fejlesztési tevékenységet is folytat. Ennek során hazai és nemzetközi partnerekkel több éve működünk együtt, mely tevékenységben a Tanszék tehetséges hallgatói is aktív részt vállalnak

. 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A témához kapcsolódó vizsgálataimat diplomamunkám kidolgozása során kezdtem, melyben lehetőségem nyílt egy EU6-os projektben folyó (KRISTAL EU Project Reference NMP3-CT-2005-515837, 2005. okt. – 2009. szept.) kutatáshoz csatlakozni. A projekt célkitűzése ipari partnerek által gyártott szerkezeti elemek mechanikai és tribológiai tulajdonságainak feltérképezése, valamint a numerikus modellezés lehetőségének megteremtése volt. A diploma megszerzését követően a szervezett doktori képzés keretében folytattam kutatómunkámat. Vizsgálataim középpontjában egy széles körben használt szerkezeti elem, nevezetesen az ablaktörlő lapát vizsgálata áll(t), melynek elsődleges célja egy átfogó kép alkotása a szélvédő és a vele érintkező gumi súrlódási kapcsolatáról a gyakorlatban előforduló működési körülmények között. Miután a megismerésen túl feladatom analitikus és numerikus modellek kidolgozása is, munkám jelentős hányadát képezi a modellezéshez használható anyagmodellek megismerése és a bennük szereplő anyagi paraméterek meghatározási módszereinek vizsgálata, a mérnöki számításokban gyorsan és eredményesen alkalmazható új módszerek kidolgozása.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

Munkám célkitűzése, gumi alkatrészek, első sorban ablaktörlő lapátok tribológiai (súrlódási és kenési) viselkedésének elemzése. Vizsgálataimat egyaránt elvégzem egyszerűsített (próbatest), valamint a teljes szerkezetet figyelembe vevő (szakirodalomban eddig nem tárgyalt) valós vizsgálati konfigurációkban. A vizsgálati eredmények kiterjednek a különböző csúszási sebességek és terhelések esetén adódó normál és súrlódó erő, valamint súrlódási tényező értékekre, az érintkezési tartomány változására, a gumi és üveg felület között kialakuló folyadékfilm vastagságára és ezek együttesére. Ezen vizsgálatok lefolytatásához olyan paramétermeghatározási módszert kellett kidolgoznom, mely egyszerű, speciális berendezéseket nem igénylő anyagvizsgálati módszerek felhasználásával képes az idő- és hőmérsékletfüggő viselkedést mutató gumi anyagok számítógépes szimulációiban alkalmazott anyagtörvények paramétereinek meghatározására.

A kutatómunkával megválaszolandó kérdések a következőek:

 

1. Hogyan lehetséges a gumikra jellemző nemlineáris, idő- és hőmérsékletfüggést egyidejűleg mutató anyagok matematikai leírása?
2. Hogyan terjeszthető ki az egyes mérési eljárásokkal figyelembe vehető idő/frekvencia tartomány az ún. hőmérséklet-idő ekvivalenciával?
3. Hogyan tudunk a rendelkezésre álló, egyszerű anyagvizsgálati módszerekből összetett anyagtörvényeket készíteni?
4. Mely hatások, tényezők befolyásolják a gumi-üveg csúszópár (ablaktörlő lapát) súrlódási viselkedését?
5. Milyen hatással bír a víz megjelenése különböző csúszási sebességek, terhelések esetén a súrlódási és kenési állapotra?
6. Mi a kapcsolat a szakirodalomban részben tárgyalt próbatestszintű és a szakirodalomban nem tárgyalt szerkezetszintű vizsgálati konfigurációk között?

 

Módszerek

Az anyagtudományi és tribológiai jellegűnek egyaránt tekinthető témám alapját kísérleti vizsgálatok alkotják. Ennek megfelelően nagyszámú mérést végeztem hazai és németországi egyetemek és kutatóintézetek vizsgálólaborjaiban. A BME Polimertechnika Tanszékén, a BME Biomechanikai Kutatóközpontjában és a Kaiserslauterni Egyetem Kompozit Anyagok Intézetében egytengelyű szakítóvizsgálatokat, feszültségrelaxációs vizsgálatokat és DMTA (dinamikus-mechanikus-termikus-analízis) méréseket végeztem. A mérések elasztomer anyagokra jellemző széles hőmérséklet- és frekvenciatartományban mutatott sajátságos mechanikai viselkedésének (hőmérséklet-, idő- és alakváltozás-függés) feltárását, valamint az ezek matematikai leírását célzó összetett ún. viszkoelasztikus és hiperelasztikus anyagmodellekben szereplő paraméterek meghatározási módszereinek vizsgálatát célozták meg.

 

A BME Gép- és Terméktervezés Tanszékén saját tervezésű és építésű mérőberendezésen a méréseket az ablaktörlő lapát próbatest szintű tribológiai tulajdonságainak vizsgálatára száraz és kent esetekben végeztem, a Hannoveri Egyetem Dinamikai és Rezgéstani Intézetében pedig a szakirodalomban nem tárgyalt szerkezetszintű, a teljes ablaktörlő lapátot figyelembe vevő eseteket vizsgáltam. A nagyszámú kísérlet mellett minden vizsgálathoz analitikus és/vagy numerikus (számítógépes) számításokat végeztem végeselem módszer (VEM) segítségével, melyek a mért eredmények jellegét magyarázó feltételezések ellenőrzését, a nem mérhető mennyiségek meghatározását, valamint a témaválasztásban megfogalmazott modellezés lehetőségének igazolását szolgálják. A mért és számított eredmények együttesen szolgáltatták az alapot a következtetések és tézisek megfogalmazására. 

 

 

 

Eddigi eredmények

Új módszert dolgoztam ki a kis alakváltozások elméletére épülő általánosított Maxwell-modell (szakirodalomban gyakran alkalmazott, lineáris rugókat és csillapítást tartalmazó matematikai modell) paramétereinek állandó alakváltozási sebességű húzóvizsgálatokból történő meghatározására. A módszert saját kísérleti eredmények felhasználásával igazoltam öt vagy annál kisebb ágszámok esetére, izoprén gumiból készült próbatestek alkalmazásával.  A javasolt módszerrel a viszkoelasztikus modellek paraméterei minimális mérési igény mellett előállíthatók a gyakorlati mérnöki számítások számára szükséges pontosság mellett, átlátható, könnyen alkalmazható módon.

A módszert nagy alakváltozásokra is kiterjesztettem nagy-rugalmas (hiperelasztikus) anyagtörvényekben szereplő paraméterek meghatározása céljából. A kiterjesztésnek köszönhetően két eltérő, de állandó alakváltozási sebességű húzóvizsgálatból a időfüggést definiáló paramétereken túlmenően, az anyagi viselkedés alakváltozás függése is leírhatóvá válik. A módszert kísérleti úton igazoltam, és megállapítottam, hogy segítségével izoprén gumira a paraméterek megbízhatóan előállíthatóak a mérnöki számításokban elfogadott 5 %-os pontosságon belül.

Az ablaktörlő lapát teljes szerkezetet figyelembe vevő un. szerkezetszintű vizsgálatai nem értékelhetők ki közvetlenül az alkalmazott berendezés üveg felületének (henger) alakhibája és a forgási, valamint geometria középpontok eltérése (excentricitás) következtében. A kiértékelés elvégzése érdekében matematikai modellt dolgoztam ki, mely kapcsolatot teremt a forgó henger alakhibája valamint excentricitása és a mért normál valamint súrlódó erő komponensek ciklikus ingadozása között. Megállapítottam továbbá az érintkezés erőtani elemzésén keresztül, hogy a mért horizontális és vertikális erőkomponensek az aszimmetrikus érintkezés ellenére is jó közelítéssel súrlódó és normál erőknek tekinthetők. A modell alkalmazásával a mért eredmények kiértékelhetővé váltak.

Részlegesen felfekvő ablaktörlő lapát esetére a szerkezetszintű tribológiai mérési eredményekből megállapítottam, hogy a látszólagos érintkezési tartomány változása következtében a vonalmenti terhelés értéke gyakorlatilag függetlennek tekinthető a jelentősen eltérő súrlódási tényezőket eredményező vizsgált működési paraméterektől. Ez a jelenség teljes felfekvés esetén (mely a szakirodalmakban részben vizsgálat alá kerül) nem figyelhető meg.

A mérések rámutattak, hogy a szakirodalmakban fellelhető próbatest szintű vizsgálatokhoz hasonlóan a súrlódási tényező jelentősen csökken a növekvő csúszási sebesség vagy a felületeket összeszorító erő csökkenésének hatására, vízzel kent esetben. A szerkezetszintű vizsgálatoknál az ablaktörlő él felfekvésének hossza változó, mely a növekvő terhelés mellett is közel változatlan vonalmenti terhelés értéket eredményez különböző súrlódási tényezők mellett. Mindez a közel azonos tribológiai szituáció kialakulását jelzi előre teljes mértékig különböző működési paraméterek mellett, mely jelenség a próbatest szintű vizsgálatoknál nem tapasztalható.

 

A próbatest szintű mérési eredmények alapján megállapítottam továbbá, hogy száraz esetben a csúszási sebesség normál és súrlódó erőre gyakorolt hatása sokkal kisebb, mint vízzel kent esetben. Megállapítottam emellett, hogy a normál és súrlódási erők sebességfüggése ellentétes előjelű, mely tendencia vízzel kent esetben lényegesen jobban érvényesül. Végeselemes szimuláció segítségével kimutattam, hogy a névleges érintkezési tartomány szélessége a normál erő nagyságának függvényében növekvő és csökkenő tendenciát egyaránt mutathat a súrlódási tényező növekedésével. A vizsgált ablaktörlő lapát esetén a két tendencia közötti átmenet ~25 N/m-es vonalterhelés mellett adódik.

Várható impakt, további kutatás

A fent bemutatott vizsgálati eredményeket 18 megjelent, 3 megjelenésre elfogadott és 1 bírálat alatt álló publikációban foglaltam össze. Ezek közül 14 db idegen nyelven megjelent lektorált cikk vagy folyóiratcikk. Kiemelném a Web of Science folyóirataiban megjelent két impakt faktoros publikációmat, valamint további 6, a Scopus adatbázisban megjelent publikációmat. Az elfogadott írások konferencia kiadványban jelennek meg, míg bírálat alatt álló írásaim szintén Scopusos folyóiratokban várhatóak.

Próbatest szintű vizsgálataim eredményei nem teljes egészében kerültek publikálásra, így 2012. második felében további impakt faktoros publikáció(k) várhatóak. Az írásos anyagokon túl 14 szóbeli előadást és további 4 poszter előadást tartottam az elmúlt években.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Saját publikációk

[1] G. Bódai, T. Goda: Friction force measurement at windscreen wiper/glass contact, Tribology Letters, Vol.45, Nr.3 (2012) pp. 515–52, IF:1.574 (2010),

[2] G. Bódai, T. Goda: Identification of large strain viscoelastic parameters of generalized Maxwell-models: Application oriented approach for engineers, Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 8, 5(2011) pp. 89-108., IF: 0.284 (2010)

[3] G. Bódai, T. Goda: Parameter identification methods for sprig-dashpot material models, engineering approach for small strain elasticity, Materials Science Forum, 659(2010) pp. 379-384.

[4] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár, L. Oroszváry: Temperature dependent Examination of Brake Cylinder Membrane (Part I), FE Modelling of the Tension Examination of Cord-reinforced Specimens, Periodica Politechnica, 54/1 (2010) pp. 3–8

[5] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár, L. Oroszváry: Temperature-dependent Examination of Brake Cylinder Membrane (Part II) FE Modelling of Cord-reinforced Rubber Membrane Behaviour, Periodica Politechnica, 54/1 (2010) pp. 9–13

[6] L. Molnár, K. Váradi, G. Bódai, P. Zwierczyk: Simplified modeling for needle roller bearings to analyze engineering structures by FEM, Periodica Politechnica, 54/1 (2010) pp. 27–33

[7] G. Bódai, K. Váradi, A. Szabó, L. Zóbory: Thermal simulation of pin on rotating cylinder jacket system, article submitted to Periodica Politechnica

[8] G. Bódai, T. Goda: Identification of the wiper blade coefficient of friction, XVII International Conference on Mechanical Engineering, Gheorgheni, Romania, 23-26 April 2009, EMT Technical Review Special Edition, (2009) pp. 64-67.

[9] G. Bódai, S. Bisztray-Balku: Reciprocating elastomeric hydraulic seals’ tribology and leakage calculation, Proceedings of the Sixth Conference on Mechanical Engineering, G-2008-B-1, 29-30 May 2008, Budapest, Hungary

[10] G. Bódai, T. Goda: Analysis of the windscreen wiper on rotating glass cylinder test rig, Proceedings of the Seventh Conference on Mechanical Engineering, 29-30 May 2010, Budapest, Hungary

[11] G. Bódai, T. Goda: Mixed Friction Of Windscreen Wiper: Numerical Analysis, Proceedings of the Seventh Conference on Mechanical Engineering, 24-25 May 2012, Budapest, Hungary

[12] Bódai G., Váradi K., Bisztray-Balku S.: A tömítőnyomás végeselemes számítása és a résveszteségek meghatározása elasztomer dugattyúrúd tömítéseken, GÉP, 58. évfolyam, 2007/10-11, 13-16. oldal

[13] Bódai G., Goda T.: Ablaktörlő lapát kvázistatikus és dinamikai viselkedésének mérése és modellezése, GÉP, 59. évfolyam, 2008/10-11, 3-6. oldal

[14] Bódai G., Goda T.: Hiperelasztikus anyagok mechanikai viselkedésének elmélete és alkalmazása, AGTEDU konferencia 2009 , Kecskemét, 2009 november 5. 155-160. oldal

[15] Bódai G., Váradi K., Molnár L., Pálfi L.: Polietilén gázcsőelszorítás kísérleti és numerikus vizsgálata, GÉP, 60. évfolyam, 2009/10-11, 14-17. oldal

[16] Goda T., Bódai G.: O-gyűrű szivárgásszámítása korszerű numerikus módszerrel, GÉP, 60. évfolyam, 2009/10-11, 43-46. oldal

[17] Molnár L., Váradi K., Bódai G., Zwierczyk P.: Tűgörgős csapágyak egyszerűsített modellezése mérnöki szerkezetek végeselemes analíziséhez, GÉP, 61. évfolyam, 2010/9-10, 55-58. oldal

[18] Bódai G.:, Váradi K., Molnár L., Oroszváry L.: Fékhenger-membrán hőmérsékletfüggő állapotvizsgálata, GÉP, 61. évfolyam, 2010/9-10, 111-114. oldal

[19] L. Molnár, K. Váradi, G. Bódai, L. Oroszváry: Fékhenger-membrán numerikus állapotvizsgálata, XIX Nemzetközi gépészeti találkozó OGÉT 2011. Csíksomlyó, 04.28-05.01, 160-164. oldal

[20] G. Bódai, T. Goda: Mixed Friction Of Windscreen Wiper: Numerical Analysis, Special PHD Proceedings of the Seventh Conference on Mechanical Engineering, 29-30 May 2012, Budapest, Hungary (accepted for special edition of the conference) 

[21] G. Bódai, T. Goda: Measurements and FE calculations of windscreen wiper; examination of quasi-static and dynamic behaviour, IV European Conference on Computational Mechanics (ECCM), 16-21 May 2010, Paris, France

[22] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár: Experimental and numerical examination of Brake Cylinder Membrane, Danubia-Adria-Symposium, Siófok, 2011. szept. 28.- okt.1.

[23] G. Bódai, T. Goda: Relaxation master curve construction from constant strain-rate tensile tests, article submitted to Material Science Forum

[24] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár, L. Oroszváry: Thermal simulation of a pin on a rotating cylinder jacket system article submitted to Periodica Politechnica

[25] G. Bódai, T. Goda: Specimen level examination of windscreen wiper blade’s tribological behavior, manuscript under work

[26] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár, L. Oroszváry: Thermal simulation of a pin on a rotating cylinder jacket system Periodica Politechnica, (submitted)

[27] L. Molnár, K. Váradi, G. Bódai, L. Oroszváry: Fékhenger-membrán numerikus állapotvizsgálata, XIX Nemzetközi gépészeti találkozó OGÉT 2011. Csíksomlyó, 04.28-05.01, 160-164. oldal

[28] G. Bódai, T. Goda: Measurements and FE calculations of windscreen wiper; examination of quasi-static and dynamic behaviour, IV European Conference on Computational Mechanics (ECCM), 16-21 May 2010, Paris, France

[29] G. Bódai, K. Váradi, L. Molnár: Experimental and numerical examination of Brake Cylinder Membrane, Danubia-Adria-Symposium, Siófok, 2011. szept. 28.- okt.1.

 

Hivatkozások

[1] A. Koenen, A. Sanon: Tribilogical and vibroacustic behaviour of a contact between rubber and glass (application to wiper blade), Trib. Int., Vol.40 (2007) pp.1484-1491

[2] F. Deleau, D. Mazuyer, A. Koenen: Sliding friction at elastomer/glass contact: Influence of the wetting conditions and instability analysis, Trib. Int., Vol.42 (2009) pp.149-159.

[3] B. N. J. Persson, M.Scaraggi: On the transition from boundary lubrication to hydrodynamic lubrication in soft contacts, J. Phys. Condens. Matter, Vol.21 (2009) pp.1-22.

[4] G. A. Holzapfel: Nonlinear Solid Mechanics: A Continuum Approach for Engineering, Wiley, 2000, ISBN 0471823198

[5] J. Bonet, R. D. Wood: Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Method, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-511-39468-3

[6] B. N. J. Persson: On the theory of rubber friction, Surface Science Vol.401, (1998) pp.445–454