Ultrasonic film thickness and viscosity measurements in lubricated contacts

Abstract

Für Schichtdicken- und Viskositätsmessungen mittels Ultraschall ist üblicherweiseein spezieller experimentaler Aufbau notwendig. Deshalb müssen oft bestehende Maschinen modifiziert werden, um solche Messungen zu ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Ultraschallsensor zu entwickeln, der es ermöglicht,ohne zusätzliche Modifikationen, nicht-invasiv Eigenschaften der Schmierschicht zu messen. Ein tribologischer Standardpin für Tests mit einem Schwing-Reib-Verschleiß (SRV) Tribometer wird geometrisch angepasst, um Platz für zwei Piezoelemente zu schaffen, die als Ultraschallsender und -empfänger agieren. Experimente wurden mit standardisierten Basisschmierstoffen durchgeführt, welche Variationen von Polyalphaolephin sind. Diese Öle wurden unter verschiedenen Lasten in einem Bereich von 50 N bis 200 N wirkend auf den tribologischen Pin(100Cr6) untersucht, wobei als Gegenstück zum tribologischen Pin eine Scheibe(100Cr6) verwendet wurde. Aus dem Reflexionskoeffizienten, der aus den experimentellen Daten gewonnen wird, kann, unter der Annahme des Newtonschen Models für die flüssige Schicht, die Viskosität berechnet werden. Die Viskosität zeigt einen klaren Trend für die dazugehörigen Lastschritte. Sie wird dann weiter verwendet, um eine Approximation der Schichtdicke, unter der Annahme eines elastohydrodynamischen Kontaktes, zu erhalten. Die Fourier Analyse ist ein weit verbreitetes Werkzeug für die Datenanalyse, obwohl sie eine offensichtliche Schwäche aufweist: sie ist nur anwendbar, wenn stationäre und lineare Daten vorliegen. Um die Linearität der Daten aus den SRV-Experimenten zu analysieren, wird die Hilbert Huang Transformation (HHT) angewandt. Die zusätzliche Information, die die HHT liefert, kommt mit den Nachteilen von erhöhter Rechenleistung und großem Speicherbedarf und wird verglichen mit der Fast Fourier Transformation (FFT). Im Rahmen dieser Arbeit hat sich die FFT als optimales Werkzeug durchgesetzt, auch deswegen, weil sich die erhaltenen Daten als linear und stationär zeigten. Mit diesen Modifizierungen ist der tribologische Pin imstande nicht-invasive Viskositäts- und Schichtdickenmessungen direkt vor Ort durchzuführen. Dies verspricht wichtige Erkenntnisse für zukünftige Optimierungen von Tribotests.

For ultrasonic film thickness and viscosity measurements a specific setup is usually necessary and, therefore, requires modification of existing tribological test systems.The goal of this thesis is to develop an ultrasonic sensor capable of measuring properties of the lubricant layer in a tribosystem non-invasively. A standard ballpin for testing with a reciprocating friction and wear tribometer (SRV) is modified to accommodate two piezoelectric elements acting as ultrasonic transducer and sensor. Experiments are conducted using standard base oils as lubricant, namely variations of Polyalphaolefin (PAO). These oils are tested at different loads rangingfrom 50 N to 200 N applied to the oscillating tribological pin (100Cr6) acting ona disc (100Cr6), which should lead to different film thickness and viscosity in the tribological contact.The reflection coefficient obtained from experimental data is converted into viscosityby assuming an ultrasonic Newtonian model for the liquid layer. The resulting viscosity shows a clear trend corresponding to each load/oil applied. The viscosity is then converted into film thickness for the assumption of an elastohydrodynamic contact.The Fourier analysis is a very popular tool for data analysis, although it has one obvious weakness: it is only applicable to stationary and linear data. To analyse the linearity of the data obtained in the scope of this thesis the Hilbert Huang transform is applied to experimental data. The balance between information gained through this approach and additional computational requirements is considered in comparison to the Fast Fourier transform (FFT). For this thesis the FFT proves to be a suitable data analysis tool since it is highly optimised and a stationary and linear signal is obtained. With the modifications of the tribological pin and data analysis, non-invasive in-situ analysis of the viscosity and film thickness was made possible. This promisesto provide important insight into tribotesting for future optimization of tribological contacts and lubricants.